全 文 ：第 13卷 第 2期
2 0 0 5年 4月
中 国 生 态 农 业 学 报
Chinese Journal of Eco—Agriculture
VO1．13 NO．2
April， 2005
镉诱导的茶苗茎尖核酸代谢与细胞超微结构变化研究*
苏金 为 王湘平
(福建农林大学生命科学学院 福州 350002)
摘 要 试验研 究茶苗经不同浓度 Cd 培养液培养 12d结果表明，0．05mmol／L浓度 Cd2 对茶苗相对生长量无 明
显影响 。Cd 浓度≥0．10mmol／L时 随处 理 浓度 增加 和 时 间延长 ，茶苗 生长 受抑 程度 逐 渐加 大。培 养 12d时
0．05mmo1／L浓度 Cd 处理茶苗细胞 内核糖体数量和核酸含量均高于对 照，超过此浓度 的处理其核糖体大量消
亡，核酸含量显著降低 ，其中DNA含量变幅小于 RNA。0．00～0．10mmol／L浓度 Cd 处理 RNase活性随浓度增加
而升高，>0．25mmol／L浓度 Cd 处理 RNase活性则随浓度增加 而降低。电镜观察结果表明轻度 Cd 毒害表现为
核仁解体 ，染色质凝聚 ，核膜 间隙扩大，核染色质进入核膜 间隙，严重者出现核 变形 收缩，核膜破 裂，核染色质扩散
降解最终核解体。
关键词 茶苗 镉毒害 核酸 超微结构
Metabolism of nucleic acid and changes of cel ultrastructure in stem apex of tea seedling induced by Cd” ．SU Jin—Wei，
WANG Xiang—Ping(College of Life Science，Fujian Agricultural and Forestry University，Fuzhou 350002，China)，
CJEA，2005，13(2)：87～90
Abstract Tea seedlings were treated for 12 days by different concentrations of culture solution with Cd” ．The results
show that the biomass of the seedlings is not affected when Cd” concentration is 0．05mmol／L，however it is significantly
dropped with the increases of Cd concentration and treatment time when Cd2 concentration is≥ 0．10 mmol／L．The
content of nucleic acid increases at Cd¨ level of 0
．
05mmol／L and decreases at Cd2 level ranging from 0．10mmol／L tO
0．50mmol／L．RNA is more sensitive tO Cd2+ stress compared with DNA．The Rnase activitv increases at Cd level
ranging from 0．OOmmol／L tO 0．10mmol／L and decreases at Cd” level ranging from 0．25mmol／L tO 0．50mmol／L
． The
nucleus ultrastructure changes progressively with the increase of Cd” concentration．W hen seed lings are treated with
0．05mmol／L Cd” ，the nucleolus disintegrates and the chromatin condenses，the perinuclear spaces are slightly dilated
．
The deeply expanded perinuclear membrane contains nuclear materials at Cd” level of 0．10mmol／L．More serious dam—
age is shown in the nucleus with higher Cd” concentrations，such as deformation of nucleus，shrinking of nucleus，scat—
tering of condensed chromatin and eventualy disruption of nuclear membrane．
Key words Tea seedling，Cadmium toxicity，Nuclei acid，Ultrastructure
(Received Nov．28，2003；revised Dec．31，2003)
CdH是环境污染剧毒物，蓄积性强且易进入食物链 ，危及人类健康。已有研究表明 Cd 对植物有较强
的诱变性能，可导致染色体和 DNA分子的变异，阻碍细胞分裂 l J。施国新等 2 J研究 了 cd2 对水生植物细
胞伤害的超微结构。目前有关 Cd 对植物核酸代谢及其与细胞结构变化关系的研究尚鲜见报道。本试验研
究了 Cd2 对茶苗核酸代谢和细胞核超微结构的影响，为明确 Cd2 的生理毒性和遗传毒理作用提供理论依据。
1 试验材料与方法
供试茶品种为“福鼎大白茶”，春季砂培其种子至鳞片展开，再移入 Hoagland营养液中培养，并添加氯化镉
其浓度分别为 0．00mmol／L(对照 CK)、0．05mmol／L④ 、0．10mmol／L(ID、0．25mmol／L(1lI)和 0．50mmol／L(1V)。
隔天更换营养液 ，充气泵通气 ，室 内自然光照，每隔 3d测量苗高，计算幼 苗的相对生长量 [(处理苗增高
量／对照苗增高量)×100％]，每处理重复 5次。取处理 12d幼苗茎尖用紫外分光光度计 ( =260nm)测定核
* 福建省教育厅项 目(JA02206)资助
收稿 日期 ：2003—11—28 改回日期 ：2003—12—31
中 国 生 态 农 业 学 报 第 13卷
酸总量[3l，然后对样品液再进行二苯胺反应( ：595nm)，测定 DNA含量。用差值计算 RNA含量(RNA量
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O 3 6 9 l2
处 理天数 ／d
= 核酸总量 一DNA量)。按王震宇等方法H J测定 RNase活性。取处
理 12d幼苗茎尖组织块约 lmm ，于 0．50mol／L戊二醛 0～4"C下固
定 24h，再置 40mmol／L锇酸后固定 4h，系列浓度酒精脱水 ，丙酮过
渡 ，EPON812环氧树脂渗透和包埋。用 LKB—V型超薄切片机定位
切片 ，经醋酸双氧铀和柠檬酸铅双重染色 ，用 JEM1010透射电镜观
察拍照。
2 结果与分析
2．1 不同浓度 Cd 对茶苗生长的影响
． ⋯ ． ． ． ． 研究结果表明除 0．05mmol／L浓度 cd 处理对茶苗相对生长
同 c 茶 生 影 量无显著影响外
，其他处理随培养液中 cdz+浓度增力 ，
。 。 茶苗生长受抑且其程度逐渐加强(见图 1)。
2．2 不同浓度 cd 对茶苗茎尖核酸含量及 RNase活性的影响
由表 1可知 cd 强烈影响茶苗茎尖细胞核酸代谢 ，造成核酸代谢紊乱。不同浓度 cd。 处理 12d后茶
苗茎尖细胞核酸含量差异显著 ，0．05mmol／L浓度 Cd 处理 时其核酸含量增加，出现一高于对照的峰值。
而≥0．10mmol／L浓度 cd2 处理时核酸含量大幅下降。Cd 胁迫造成的 DNA含量降幅比 RNA含量降幅
小 ，表明 Cd2 对 RNA 的影 响较 大。RNase是 RNA 分解 代 谢 中重要 的降 解酶 ，较 小 剂量 Cd 处 理
(<0．10mmol／L)随浓度的升高而 RNase活性升高 ，达到一定剂量时酶活性反而降低。RNase活力的高低
变化并非与 RNA含量成反 比关系 ，这与段昌群 5 J对蚕豆的研究结论趋势相一致，推测 RNA含量的高低 同
RNA合成与分解的相对速率有关。
表 1 不同浓度 cd2 对茶苗茎尖核酸含量及 RNase活性的影响 *
Tab．1 The efects 0f diferentCd2 concentrations O13 nucleic acid content and P~Nase activityin stem apex cdls 0{tea sedlings
处 理 DNA+RNA~ ／¨rag·g一 相对值／％ RNA含量¨ ／mg·g 相对值／％ DNA~!t¨／刚g·g一 相对值／％ RNase活性／4A260nmmg pfo谴 h一 相对值／％
T~tnmts DNA+RNA content Percentage of cK RNA content Percentage of cK DSA content Peren~e of CK RNase activity Percentage of CK
*表 中不同 大 、小写 字母 分别 代表 P<0．01和 P<0．05；* 鲜 物质 量 。
2．3 不同浓度 Cd 对茶苗茎尖细胞超微结构的伤害
正常茶苗茎尖细胞核多为近圆形 ，有 1个或 2个电子密度大的核仁，核膜间隙窄小均一，核质均匀分布
(见图 2a)；细胞质丰富，多数内质网以粗面内质网形式存在，网膜上分布核糖体(见图 2g)。0．05mmol／L浓
度 Cd2 处理茶苗茎尖细胞中核仁消失 ，核染色质凝结 ，核膜间隙稍有扩大，细胞质电子密度增大(见图 2b)；
粗糙内质网增多 ，核糖体密布，有些核糖体从网膜上脱落，散落于细胞质中(见图 2h)。经 0．10mmol／L浓度
CA 处理茶苗茎尖细胞核周腔多处更加扩大并形成泡状，内层膜局部破损 ，核染色质进入核膜间隙，甚至渗
入到细胞质中(见图 2c)。0．25mmol／L浓度 Cd 处理茶苗茎尖细胞核体积收缩 ，贴近细胞壁 ，核膜内陷，皱
缩变形。核质稀薄，细胞质基质大多降解(见图 2d)；部分细胞核膜破裂 ，内质网由粗糙型转 变为光滑型，核糖
体已大部分降解(见图 2i)。0．50mmol／L浓度 Cd 处理茶苗茎尖细胞核内含物成为无序状 ，核破裂 ，核质
散出并降解(见图 2e)；内质网、核糖体等消失 ，仅存核残迹(见图 2f)。由此推断 Cd2 对茶苗的致死浓度为
0．25～0．50mmol／L。RNA主要分布于粗糙型内质网核糖体上 ，电镜观察表 明 0．05mmol／L浓度 Cd 处理
茶苗茎尖细胞内新生核糖体数增多，而当其浓度继续升高时其核糖体急剧降解，核糖体数增减与表 1核酸含
量高低测定结果相吻合 ，直观验证了本试验生化测定结果。DNA主要存在于细胞核内，随细胞核结构的破
坏程度而加重，DNA含量减量加大，说明 DNA代谢与细胞核的结构密切相关。核糖体是合成蛋白质的场所
(主要是各种酶 )。已有研究表明镉使多种酶失活 ，蛋白质合成受阻 ．7 J，这些现象可能与核糖体 的降解有
加 ∞ 如 印 加 0
第 2期 苏金为等 ：镉诱导的茶苗茎尖核酸代谢与细胞超微结构变化研究 89
图 2 不同浓度 Cd 对茶苗茎尖细胞超微结构的影响
Fig．2 The effects of Cd concentration on the uhrastructure of ceils in tea seedlings stem apex
*图中 N为细胞核 ，Nu为核仁 ，Er为内质网。图 2a为对照细胞 ，示细胞核大，核质均匀分布，核膜间隙均一 ，核仁着色深(标尺 =
600nm)；图2b为 0．05mmol／L浓 度 Cd2 处 理，示 核仁消 失，染 色质凝结 ，箭头 指核膜 间 隙局部 稍扩大 (标 尺 =500nm)；图 2c为
0．1Ommol／L浓度 cd2 处理 ，核膜间隙多处更加扩大，箭头指核染色质进人核膜间隙(标尺 ：500nm)；图 2d为 0．25mmol／L浓度 Cd2
处理，核收缩变形(标尺 =500nm)；图 2e为 0．50mmol／L浓度 cd 处理 ，示正在降解的细胞 ，核破裂 ，核染色质外溢(标尺 =500nm)；图
2f为 0．50mmol／L浓度 Cd2 处理，示较图 2e进一步退化的细胞核，仅剩核残迹(标尺 ：500nm)；图 2g为对照细胞 ，示粗糙型内质网和
核糖体(标尺 ：150nm)；图 2h为 0．05mmol／L浓度 Cd2 处理 ，示比图 2g更丰富的粗糙型内质网和更密集的核糖体(标尺=15Ohm)；图
2i为 0．25mmol／L浓度 cd”处理 ，示光滑内质网，核糖体大都消失(标尺：15Ohm)。
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关。王毅等 8 提出质体和线粒体形态结构的退化是因核糖体大量消除所致。在镉诱导的细胞程序性死亡
过程中线粒体兴衰与核消亡密切相关l6]，本研究观察到核糖体与细胞核衰亡也有类似联系。
3 小 结
低浓度 Cd (0．05mmol／L)处理时茶苗植株生长量未出现差异 ，高浓度时植株生长受抑甚至死亡。李
丽君等l9]对玉米 、Greger M． ]等对甜菜研究表明小剂量镉对植物生长有刺激功效 ，这被认为是微量镉对生
理代谢有积极的促进作用。本研究表明低剂量镉虽未显示出对茶苗生长的抑制作用，但 电镜观察其细胞核
的超微结构 已出现伤害症状 ，因而对细胞生命活动不可能有积极意义。作物对不同逆境胁迫常具有类似抗
性生理 ，陈立松等 oJ研究表 明荔枝在水分胁迫下抗性强 的品种 比抗性弱的品种核酸含量降幅小 ；吴海燕
等【11 J研究表明水稻染病 6d内其核酸总量增加 ，并推测这是一种与抗性有关的代谢产物。本试验也得到类
似结果 ，说明细胞核酸含量与茶苗个体对镉伤害的耐受力有一定关联。在一定程度上 RNA含量的增加 ，表
示细胞加强核酸代谢 ，刺激 DNA向 RNA转录、翻译 ，合成更多的蛋白质 ，同 cd2 结合以解毒，表现出对镉
的抗性。但过量 Cd 胁迫下其核酸代谢趋向分解，植物体细胞无法诱导产生足够的结合蛋白消除 Cd 对
细胞构成的毒害。本研究表 明镉对细胞结构的伤害主要表现为对膜 系统的破坏 ，镉对茶苗的致死浓度为
0．25～O．50mmol／L。本研究从亚显微水平观察到梯度浓度 cd2 诱导 由轻到重不等的细胞核超微结构损
伤 ，若进一步研究确定镉毒害的剂量效应 ，则细胞核超微结构变化有望成为监测环境镉污染的细胞生物学
指标之一。
参 考 文 献
1 张义贤．重金属对大麦(Hordeum vulgare)毒性的研究．环境科学学报 ，1997，17(2)：199～205
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5 段昌群，王焕校 ，曲仲湘．重金属对蚕豆(Viciafaba)根尖的核酸含量及核酸酶活性的研究．环境科学 。1997。13(5)：31～35
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7 李荣春．Cd、Pb及其复合污染对烤烟叶片生理生化及细胞亚显微结构的影响．植物生态学报，2000，24(2)：238～242
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9 李丽君，郑晋山．镉对玉米种子萌发和生长的影响．山西大学学报(自然科学版)，2001(24)：93～94
1O陈立松 ，刘星辉 ．水分胁迫对荔枝叶片氮和核酸代谢的影响及其与抗旱性的关系．植物生理学报 ，1999。25(1)：49～56
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