全 文 ：外源 NO对 Cu胁迫下番茄 Cu的亚细胞
分布和化学形态的影响*
姜春辉1 摇 王秀峰2 摇 尹摇 博1 摇 李晓云1 摇 崔秀敏1**
( 1山东农业大学资源与环境学院, 山东泰安 271018; 2山东农业大学作物生物学国家重点实验室 /农业部黄淮地区园艺作物
生物学与种质创制重点实验室, 山东泰安 271018)
摘摇 要摇 采用营养液培养方法,研究外源 NO 供体硝普钠(SNP)处理对 50 滋mol·L-1Cu2+胁
迫下番茄幼苗 Cu的亚细胞分布和化学形态的影响.结果表明: Cu胁迫下,番茄幼苗的生物量
和株高显著降低 33. 7%和 23. 1% ,外源 NO能够显著缓解这种抑制作用,但各器官中 Cu的含
量和累积量仍显著升高. Cu胁迫下,番茄幼苗各器官的 Cu含量和累积量大小依次为根系>叶
片>茎>叶柄,幼苗根系吸收的 Cu向地上部的转运大幅降低,外源 NO只能缓解而不能消除这
种作用.外源 NO 可以使 Cu 胁迫下幼苗各器官的液泡和细胞壁中 Cu 含量显著上升,细胞器
中 Cu含量降低,从而减轻过多 Cu对胞质生理生化代谢的伤害,增强组织细胞对 Cu 的耐性.
外源 NO可以提高番茄幼苗根系中醋酸提取态铜(FHAc)、茎中氯化钠提取态铜(FNaCl)、叶柄中
FHAc、叶片中乙醇提取态铜(FE)和 FNaCl的含量,降低水溶态铜(FW)的含量与比例,以降低过
多铜的生物毒性.
关键词摇 番茄幼苗摇 NO摇 Cu胁迫摇 亚细胞分布摇 化学形态
文章编号摇 1001-9332(2012)11-3033-07摇 中图分类号摇 S152. 7摇 文献标识码摇 A
Effects of exogenous nitric oxide on the subcellular distribution and chemical forms of copper
in tomato seedlings under copper stress. JIANG Chun鄄hui1, WANG Xiu鄄feng2, YIN Bo1, LI Xi鄄
ao鄄yun1, CUI Xiu鄄min1 ( 1College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University,
Tai爷an 271018, Shandong, China; 2State Key Laboratory of Crop Biology / Ministry of Agriculture
Key Laboratory of Biology and Genetic Improvement of Horticultural Crops in Huanghuai Region,
Shandong Agricultural University, Tai爷 an 271018, Shandong, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,
2012,23(11): 3033-3039.
Abstract: A nutrient solution culture experiment was conducted to study the effects of exogenous
NO donor (sodium nitroprusside) on the subcellular distribution and chemical form of copper (Cu)
in tomato seedlings under the stress of 50 滋mol·L-1 of Cu2+(CuCl2). Under this stress, the bio鄄
mass and plant height of tomato seedlings decreased by 33. 7% and 23. 1% , respectively. Exoge鄄
nous NO alleviated this inhibition effect significantly, but the Cu concentration and accumulation in
the seedling organs still had a significant increase. Under the Cu stress, the Cu concentration and
accumulation in the seedling organs were in the order of root > leaf > stem > petiole. Exogenous NO
limited the absorbed Cu transferred from root to shoot, but could not remove this translocation. Ex鄄
ogenous NO increased the Cu concentration in vacuole and cell wall significantly, and decreased the
Cu concentration in organelle, which lessened the damage of Cu on the regular metabolic balance in
cytoplasm and increased the tolerance of organelle against Cu. Exogenous NO increased the acetic
acid鄄extractable Cu (FHAc) in root, sodium chloride鄄extractable Cu (FNaCl) in stem, FHAc in peti鄄
ole, and ethanol鄄extractable Cu (FE) and FNaCl in leaf, while decreased the concentration and dis鄄
tribution of water鄄extractable Cu (FW) in different organs, which efficiently reduced the bio鄄toxicity
of excessive copper.
Key words: tomato seedling; NO; copper stress; subcellular distribution; chemical form.
*国家自然科学基金项目(31201619)、现代农业产业技术体系专项资金项目(CARS鄄25鄄D)和泰安市科技发展计划项目(32606)资助.
**通讯作者. E鄄mail: xiumincui@ sdau. edu. cn
2012鄄04鄄13 收稿,2012鄄09鄄07 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 11 月摇 第 23 卷摇 第 11 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Nov. 2012,23(11): 3033-3039
摇 摇 铜(Cu)是高等植物生长发育必需的微量元素,
参与多种生理生化代谢过程,对植物的生长发育、品
质和产量等有重要影响[1] . 然而,Cu 又是重金属元
素,过量吸收 Cu会引发代谢紊乱,抑制植物的生长
发育[2] .近年来,电镀、铝铜材、印染、化工等重金属
污染型工矿企业遍布城乡,工业“三废冶、城市垃圾
等排放及其农用化日趋广泛,高 Cu 杀菌剂、杀虫
剂、化肥、猪粪等大量涌入农田,土壤 Cu 污染日益
严重,植物的 Cu 毒害问题逐渐显现[3-4] . 特别是温
室土壤含 Cu 量达到一般农田土壤的几倍甚至几十
倍,温室土壤重金属污染日益严峻[5] . 因此,研究重
金属毒害的缓解机理成为农业可持续发展亟待解决
的问题.
一氧化氮(NO)是一种新型植物生长信号分
子[6],广泛存在于植物组织中,参与植物各种生长
发育及非生物胁迫的调节[7-8] .研究发现, NO 能提
高高羊茅(Festuca arundinacea)种子发芽率和生物
量[9];低浓度 NO预处理能延缓水稻在盐胁迫和高
温胁迫下叶绿素的降解,维持光系统的高活性[10];
适当浓度的外源 NO能够减缓高温胁迫对高灌蓝莓
(Vaccinium corymbosum)光合机构和抗氧化酶系统
的伤害[11] .
张义凯等[12-13]研究发现,外源 NO可以改善 Cu
胁迫下番茄叶片光合特性,降低超微弱发光、荧光、
磷光强度,维持矿质营养元素平衡,缓解 Cu 胁迫对
番茄抗氧化酶系统的抑制作用. 目前,有关外源 NO
缓解 Cu胁迫下植物中 Cu 的微域分布和化学形态
特征的研究鲜有报道.为此,本文在营养液培养条件
下,采用差速离心技术和化学试剂逐步提取法,研究
外源 NO介导的 Cu胁迫下番茄幼苗中 Cu 的累积、
亚细胞分布和化学形态,探索外源 NO 缓解番茄 Cu
胁迫的机制.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 试验设计
试验于 2010 年 3—6 月在山东农业大学温室内
进行.供试番茄品种为“改良毛粉 802F1冶,由西安秦
皇种苗公司提供. 番茄种子经 55 益温汤浸种消毒
15 min,再在润湿的吸水纸上 26 益催芽. 待种子露
白后,播于洗净的蛭石中,萌发后用 1 / 4 Hoagland营
养液浇灌.当幼苗长出 3 ~ 4 片真叶时,挑选生长一
致的植株洗净根部蛭石后,移栽于 5 L塑料盆中,用
厚度为 3 cm的泡沫塑料板做成锲形盖子,覆盖在塑
料盆顶部.每盆栽 5 株,用 1 / 2 Hoagland营养液进行
栽培. 1 周后换成完全营养液,每 3 d 更换一次营养
液.营养液栽培期间用电动气泵 24 h连续通气.
植株具有 5 ~ 6 片真叶时,对番茄幼苗进行 Cu
胁迫处理.设置 4 个处理:1)对照(CK),采用 Hoag鄄
land完全营养液培养;2 ) Cu 胁迫处理:添加 50
滋mol·L-1 CuCl2; 3 ) Cu + SNP 处 理: 添 加 50
滋mol·L-1 CuCl2+100 滋mol·L-1 SNP;4)Cu+ SNP+
H处理:添加 50 滋mol·L-1 CuCl2 +100 滋mol·L-1
SNP+0郾 1%牛血红蛋白(Hb). 每处理 3 次重复,随
机排列.其中,硝普钠([Na2 Fe(CN) 5]NO,SNP)作
为 NO 供体,购自 Sigma 公司,先用蒸馏水配成 200
滋mol·L-1的母液,4 益避光保存,用时稀释. Hb 购
自 Sigma公司,为 NO的清除剂.
处理期间每隔 2 d 更换一次营养液,用低浓度
KOH或 HCl 调节 pH 至 5 依0郾 2. 每天温室光照约
10 ~ 12 h, 白天最高温度 32 益, 夜间最低温度
15 益 .处理 8 d后取样分析.
1郾 2摇 测定项目与方法
1郾 2郾 1 生物量的测定 摇 处理后第 8 天,移出番茄幼
苗,用电子天平称量植株鲜质量[14] .
1郾 2郾 2 亚细胞结构分离 摇 参照 Hans[15]和 Pathore
等[16]的方法,将番茄植株取下后先用去离子水洗
净,再用超纯水冲洗 2 遍,分别称取根、茎、叶柄、叶
片鲜样各 1郾 0 g,用于亚细胞分级测定. 用预冷的匀
浆液将其在研钵冰浴充分研磨.匀浆液组成为:0郾 25
mol·L-1蔗糖、50 mmol·L-1顺丁烯二酸盐 ( Tris鄄
maleate)缓冲液(pH 7郾 8)、1 mmol·L-1MgCl2和 10
mmol·L-1半胱氨酸.匀浆液 pH 7郾 8,匀浆液及组织
的体积为 15 ~ 20 mL,后转入 50 mL离心管,在高速
冷冻离心机中于 300伊g离心 1 min,下部沉淀为细胞
壁组分.上清液在 20000伊g离心 45 min,底层碎片为
细胞器组分,上清液为液泡组分,包括细胞质及液泡
内的大分子、有机质和无机离子.整个匀浆过程和分
离过程均在 4 益下进行.
1郾 2郾 3 Cu化学形态分离 摇 采用化学试剂逐步提取
法[17]进行 Cu 化学形态的分离.采用 5 种提取剂依
次提取:1)80%乙醇(FE),主要提取醇溶性蛋白质、
氨基酸盐等为主的物质;2)去离子水(FW),主要提
取水溶性有机酸盐; 3 ) 1 mol · L-1 氯化钠溶液
(FNaCl),主要提取果胶酸盐、蛋白质结合态或吸附态
的重金属等;3)2%醋酸(FHAc),主要提取难溶于水
的重金属磷酸盐;4)0郾 6 mol·L-1盐酸(FHCl),主要
提取草酸盐等;5)剩余部分为残留态(Fr).
4303 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
1郾 2郾 4 Cu含量测定[18] 摇 用原子吸收分光光度计法
测定 Cu含量.
1郾 3摇 数据处理
采用 Cu转运因子( transport factor,TF)计算 Cu
从根到地上部分运输特征:
TF=(Cstem+C leaf+Cpetiole) / Croot
式中:Cstem、C leaf、Cpetiole和 Croot分别表示茎、叶、叶柄和
根中的 Cu含量.
采用 DPS软件进行数据统计分析,采用最小显
著差异法(LSD)进行多重比较和差异显著性检验
(琢=0郾 05).
2摇 结果与分析
2郾 1摇 外源 NO对 Cu胁迫下番茄幼苗生长的影响
从图 1 可以看出,不同处理下番茄幼苗的生物
量和株高均有显著差异. 与对照相比,Cu 胁迫处理
下番茄幼苗生物量和株高显著下降 33郾 7% 和
23郾 1% .添加外源 SNP 显著缓解了 Cu 胁迫引起的
生长抑制,使番茄幼苗的生物量几乎恢复到对照水
平;株高虽然没有恢复到对照水平,但仍显著高于
Cu胁迫处理. 添加血红蛋白后,显著消除了 NO 的
缓解效果,说明外源 NO可以促进 Cu胁迫下番茄幼
苗的生长发育.
图 1摇 外源 NO对 Cu胁迫下番茄幼苗生物量和株高的影响
Fig. 1摇 Effects of exogenous NO on the biomass and height of
tomato seedlings under Cu stress郾
不同小写字母表示处理间差异显著(P<0郾 05) Different small letters
meant significant difference among different treatments at 0郾 05 level郾 下
同 The same below郾
2郾 2摇 外源 NO对 Cu 胁迫下番茄幼苗 Cu 含量和累
积量的影响
由表 1 可以看出,番茄幼苗各部位的 Cu含量和
累积量变化幅度较大,根系和叶片的 Cu 含量和累
积量最高. 番茄幼苗各部位的 Cu 含量和累积量在
不同处理间差异显著.与对照相比,Cu 胁迫处理下,
番茄幼苗各部位的 Cu 含量均显著增加.其中,根系
的 Cu含量为对照的 5郾 2 倍,茎、叶柄、叶片的 Cu 含
量分别比对照增加 63郾 4% 、18郾 7% 、39郾 4% .添加外
源 SNP显著提高了 Cu胁迫下番茄幼苗的 Cu 含量,
根系、茎、叶柄和叶片的 Cu 含量分别比 Cu 胁迫处
理下增加 23郾 1% 、58郾 7% 、51郾 4%和 24郾 8% .添加血
红蛋白后,番茄幼苗各部位的 Cu 含量显著降低,但
仍显著高于对照和 Cu胁迫处理.
摇 摇 与对照相比,Cu 胁迫处理下,番茄幼苗根系和
叶柄的 Cu累积量显著增加. 与 Cu 胁迫处理相比,
添加外源 SNP 显著提高了番茄各部位的 Cu 累积
量.添加血红蛋白后,番茄幼苗各部位的 Cu 累积量
显著降低,但仍显著高于对照和 Cu胁迫处理.
对照的 TF 为 1郾 87,而 Cu 胁迫处理、添加外源
SNP和添加血红蛋白处理的 TF均小于 1,表明番茄
幼苗根系中 Cu向地上部的转运大幅降低.
2郾 3摇 外源 NO对 Cu 胁迫下番茄幼苗 Cu 的亚细胞
分布的影响
由表 2 可知,与对照相比,Cu 胁迫显著增加番
茄幼苗根细胞中不同亚细胞的 Cu 含量,细胞壁、细
胞器和液泡的 Cu 含量分别为对照的 7郾 2、4郾 5 和
5郾 2 倍.添加外源 SNP 可显著提高细胞壁和液泡的
Cu含量,分别比 Cu胁迫处理提高 13郾 1%和 135% ,
而细胞器的 Cu 含量显著降低 40郾 8% . 添加血红蛋
白后,显著消除了 NO的效果,与 Cu+SNP 处理相比,
细胞壁和液泡 Cu含量显著降低 31郾 7%和 27郾 2%,而
细胞器的 Cu含量显著上升 21郾 2% .表明番茄幼苗根
系受到 Cu胁迫后,外源 NO可以加强细胞壁对 Cu的
固持作用和液泡对 Cu 的隔离作用,从而降低了细胞
器中的 Cu含量,以保证胞质各种生理生化代谢的正
常运行.
与对照相比,Cu胁迫处理提高了番茄幼苗茎细
胞中不同亚细胞的 Cu 含量,但其增幅明显小于根
细胞. Cu胁迫处理下茎细胞中细胞壁、细胞器和液
泡的 Cu 含量分别比对照提高 34郾 4% 、21郾 3% 和
53郾 6% .添加外源 SNP 后,细胞中 Cu 总含量与 Cu
胁迫处理持平,而细胞壁 Cu 含量占茎细胞 Cu 总量
的比例与 Cu 胁迫处理相比升高了 12郾 3% ,细胞器
Cu含量所占比例降低 10郾 8% ,液泡中变化不明显.
530311 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 姜春辉等: 外源 NO对 Cu胁迫下番茄 Cu的亚细胞分布和化学形态的影响摇 摇 摇 摇
表 1摇 番茄幼苗不同部位的 Cu含量和累积量
Table 1摇 Cu concentration and accumulation in different parts of tomato seedlings
处理
Treatment
Cu含量
Cu concentration (mg·kg-1 FM)
根系
Root
茎
Stem
叶柄
Petiole
叶片
Leaf
Cu累积量
Cu accumulation (mg·plant-1)
根系
Root
茎
Stem
叶柄
Petiole
叶片
Leaf
转运因子
TF
CK 53郾 82依3郾 57d 20郾 35依2郾 23d 22郾 56依0郾 64d 57郾 63依0郾 94d 2郾 24依0郾 12d 0郾 85依0郾 08c 0郾 94依0郾 02b 2郾 40依0郾 06c 1郾 87
Cu 331郾 20依21郾 30c 33郾 25依3郾 07c 26郾 77依1郾 00c 80郾 36依1郾 30c 9郾 14依0郾 82c 0郾 92依0郾 09c 0郾 74依0郾 03c 2郾 76依0郾 09c 0郾 42
Cu+SNP 407郾 80依14郾 60a 52郾 76依0郾 80a 40郾 52依0郾 86a 100郾 30依2郾 69a 16郾 19依1郾 11a 2郾 17依0郾 09a 1郾 61依0郾 05a 3郾 98依0郾 24a 0郾 47
Cu+SNP+H 376郾 50依14郾 40b 49郾 57依0郾 64b 32郾 06依3郾 67b 95郾 87依1郾 81b 11郾 42依0郾 38b 1郾 50依0郾 05b 0郾 98依0郾 15b 2郾 91依0郾 18b 0郾 47
同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0郾 05) Different small letters in the same column meant significant difference among different treatments at 0郾 05 level郾 下同
The same below郾
摇 摇 Cu胁迫处理显著提高了番茄幼苗叶柄细胞中
细胞壁和液泡的 Cu 含量,分别比对照提高了
45郾 5%和 65郾 2% ,而细胞器的 Cu 含量显著降低
35郾 2% .添加外源 SNP 后,与 Cu 胁迫处理相比,液
泡的 Cu 含量显著降低 32郾 8% ,细胞壁和细胞器的
Cu含量分别提高 40郾 8%和 30郾 1% ,而且差异均达
显著水平. 添加血红蛋白后,细胞壁中 Cu 含量比
Cu+SNP处理降低 35郾 5% ,细胞器和液泡分别升高
38郾 0%和 16郾 5% .
Cu 胁迫下,番茄幼苗叶片细胞中细胞壁、细胞
器和液泡的 Cu 含量分别比对照提高 51郾 7% 、
29郾 4%和 54郾 2% .添加外源 SNP后,细胞壁、细胞器
和液泡的 Cu 含量分别比 Cu 胁迫处理提高
142郾 3% 、41郾 1%和 19郾 1% .其中,细胞壁的 Cu 含量
占叶片细胞 Cu 总量的比例提高 15郾 2% ,细胞器和
液泡的Cu含量所占比例分别下降6郾 5%和8郾 7% .
表 2摇 番茄幼苗中 Cu的亚细胞分布
Table 2摇 Subcellular distribution of Cu in tomato seedlings
器官
Organ
处理
Treatment
Cu浓度
Cu concentration (mg·kg-1 FM)
细胞壁
Cell wall
细胞器
Organelle
液泡
Vacuole
根系 CK 13郾 93依2郾 83d 16郾 20依0郾 97d 16郾 48依2郾 78d
Root Cu 114郾 20依4郾 46b 89郾 07依1郾 98a 101郾 60依8郾 92c
Cu+SNP 129郾 20依6郾 24a 52郾 73依4郾 59c 238郾 40依3郾 83a
Cu+SNP+H 88郾 18依5郾 04c 63郾 89依3郾 31b 173郾 50依6郾 33b
茎 CK 5郾 79依0郾 67d 13郾 17依0郾 40c 7郾 33依0郾 87c
Stem Cu 7郾 78依1郾 18c 15郾 98依2郾 36b 11郾 26依1郾 00b
Cu+SNP 10郾 14依0郾 75b 18郾 89依0郾 95a 19郾 34依3郾 33a
Cu+SNP+H 12郾 48依1郾 33a 10郾 59依0郾 92d 14郾 41依1郾 36b
叶柄 CK 16郾 79依0郾 86c 25郾 75依0郾 91b 19郾 67依1郾 21c
Petiole Cu 24郾 43依3郾 55b 16郾 69依2郾 04d 32郾 49依2郾 13b
Cu+SNP 34郾 39依1郾 32a 21郾 72依1郾 14c 21郾 82依1郾 18c
Cu+SNP+H 22郾 17依1郾 29c 29郾 98依2郾 25a 25郾 41依2郾 36b
叶片 CK 11郾 77依0郾 87c 11郾 74依0郾 83c 8郾 03依1郾 37c
Leaf Cu 17郾 86依0郾 41b 15郾 19依1郾 36b 12郾 38依1郾 18b
Cu+SNP 43郾 27依1郾 22a 21郾 43依1郾 93a 14郾 74依1郾 18a
Cu+SNP+H 12郾 26依2郾 93c 12郾 72依0郾 78c 9郾 02依0郾 15c
添加血红蛋白后可以消除 NO的效果,细胞壁、细胞
器和液泡的 Cu 含量分别下降 71郾 7% 、40郾 7% 和
38郾 8% ,而且显著低于 Cu 胁迫处理,与对照差异不
显著.
2郾 4摇 番茄器官中不同提取形态 Cu含量
由表 3 可以看出,与对照相比,Cu 胁迫显著增
加番茄幼苗根系中各种化学形态的 Cu 含量,乙醇
提取态 Cu(FE)、去离子水提取态 Cu(FW)、氯化钠
提取态 Cu (FNaCl)、乙酸提取态 Cu(FHAc)、盐酸提取
态 Cu(FHCl)和残留态 Cu(Fr)含量分别为对照的
5郾 9、4郾 9、1郾 8、4郾 5、6郾 3 和 3郾 7 倍,添加外源 SNP 后,
与 Cu胁迫处理相比(除 FE外)分别提高 42郾 8% 、
123郾 9% 、53郾 6% 、50郾 0%和 145郾 4% ,差异均达显著
水平.添加血红蛋白后,FE、FW、FHAc、FHCl含量分别显
著降低 26郾 5% 、29郾 1%和 18郾 1% ,而 FNaCl含量显著
提高 42郾 7% .
Cu胁迫处理显著提高番茄幼苗茎细胞中 FE、
FW和 FNaCl含量.其中,FE含量提高幅度最大,为对照
的 2郾 1 倍,FW和 FNaCl分别增加 122郾 4%和 37郾 9% .与
Cu胁迫处理相比,添加外源 SNP后,FW和 FNaCl含量
分别提高 50郾 0%和 43郾 8% ,FE含量降低 19郾 6% . 添
加血红蛋白后,FE、FW和 FNaCl含量分别降低 22郾 1% 、
55郾 5%和 43郾 6% .各处理茎细胞中 FNaCl含量占 Cu
总量的比例在 43郾 3% ~ 57郾 9% ,表明在茎中外源
NO主要是通过增加果胶酸盐与蛋白结合体或吸附
态的 Cu来缓解 Cu胁迫对番茄幼苗的伤害.
Cu胁迫处理显著增加番茄幼苗叶柄细胞中
FE、FW含量,显著降低 FNaCl、FHAc含量.添加外源 SNP
后,FNaCl、 FHAc 和残留态 Cu 含量分别显著提高
20郾 0% 、48郾 0%和 42郾 4% . 添加血红蛋白后,FE、FW
和 Fr 提取态 Cu 含量分别显著降低 48郾 2% 、38郾 5%
和 34郾 3% .添加外源 SNP后,Cu 胁迫下番茄幼苗叶
柄细胞中 FHAc含量占 Cu 总量的比例不足 5% ,表明
外源NO对番茄幼苗叶柄中难溶于水的Cu的磷酸
6303 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
表 3摇 番茄幼苗器官中不同提取形态 Cu含量
Table 3摇 Cu concentration in different chemical extraction agents in organs of tomato seedlings (mg·kg-1 FM)
器官
Organ
处理
Treatment
FE FW FNaCl FHAc FHCl Fr 总量
Total
根系 CK 7郾 99依0郾 13d 5郾 04依1郾 39c 18郾 58依3郾 16d 7郾 86依1郾 20c 7郾 01依1郾 10d 5郾 59依1郾 57d 52郾 07依2郾 16d
Root Cu 47郾 46依2郾 04a 24郾 62依0郾 92b 33郾 74依0郾 86c 35郾 36依5郾 75b 44郾 32依1郾 58c 20郾 64依3郾 84c 206郾 1依4郾 04c
Cu+SNP 44郾 55依1郾 38b 35郾 15依4郾 41a 75郾 53依0郾 84b 54郾 32依3郾 81a 66郾 47依3郾 31a 50郾 66依3郾 12a 330郾 0依4郾 70a
Cu+SNP+H 33郾 83依1郾 38c 25郾 85依1郾 92b 107郾 78依4郾 06a 38郾 54依6郾 89c 54郾 43依2郾 76b 44郾 75依0郾 27b 305郾 2依8郾 09b
茎 CK 2郾 90依0郾 68d 1郾 34依0郾 11c 16郾 48依0郾 95c 2郾 84依0郾 02a 1郾 21依0郾 07bc 3郾 80依0郾 42d 28郾 57依1郾 94d
Stem Cu 8郾 96依0郾 21a 2郾 98依0郾 74b 22郾 73依0郾 75b 1郾 17依0郾 03d 1郾 09依0郾 05c 10郾 99依1郾 27b 47郾 93依0郾 54b
Cu+SNP 7郾 20依0郾 26b 4郾 47依0郾 56a 32郾 68依1郾 53a 2郾 15依0郾 14b 1郾 38依0郾 10b 8郾 51依0郾 61c 56郾 39依1郾 21a
Cu+SNP+H 5郾 61依0郾 80c 1郾 99依0郾 18c 18郾 44依1郾 08c 1郾 66依0郾 18c 1郾 77依0郾 17a 13郾 13依0郾 74a 42郾 61依2郾 01c
叶柄 CK 2郾 81依0郾 61d 1郾 19依0郾 08c 25郾 69依1郾 02b 1郾 91依0郾 03a 1郾 18依0郾 00a 1郾 44依0郾 14c 34郾 22依1郾 04c
Petiole Cu 8郾 96依0郾 45a 2郾 70依0郾 28a 22郾 75依1郾 47c 1郾 25依0郾 12c 1郾 13依0郾 10a 4郾 08依0郾 74b 40郾 87依2郾 66b
Cu+SNP 6郾 33依0郾 51b 2郾 01依0郾 08b 27郾 31依1郾 46b 1郾 85依0郾 08a 1郾 18依0郾 00a 5郾 81依0郾 65a 44郾 49依1郾 51a
Cu+SNP+H 4郾 64依0郾 52c 1郾 66依0郾 23b 30郾 01依0郾 65a 1郾 59依0郾 11b 1郾 16依0郾 03a 2郾 68依1郾 42bc 41郾 74依1郾 76ab
叶片 CK 4郾 26依0郾 36c 1郾 36依0郾 51c 14郾 85依3郾 44d 3郾 29依0郾 31a 1郾 33依0郾 05b 1郾 78依0郾 12d 26郾 87依3郾 21c
Leaf Cu 7郾 34依1郾 13b 3郾 58依1郾 34ab 25郾 70依0郾 49c 1郾 21依0郾 24b 1郾 09依0郾 06b 10郾 22依1郾 98b 49郾 12依3郾 14b
Cu+SNP 9郾 30依0郾 56a 3郾 80依0郾 89a 35郾 46依1郾 48a 2郾 08依0郾 22a 2郾 49依0郾 50a 6郾 71依0郾 84c 60郾 51依1郾 72a
Cu+SNP+H 7郾 03依0郾 16b 2郾 04依0郾 36bc 30郾 61依0郾 55b 1郾 17依0郾 03b 1郾 57依0郾 15b 13郾 37依1郾 75a 55郾 78依1郾 64a
FE:乙醇提取态 Cu Ethanol extractable Cu; FW:去离子水提取态 Cu Water extractable Cu; FNaCl:氯化钠提取态 Cu NaCl extractable Cu; FHAc:乙酸
提取态 Cu HAc extractable Cu; FHCl:盐酸提取态 Cu HCl extractable Cu; Fr:残渣 Cu Residual Cu郾
盐调节缓解 Cu胁迫的效果不大.
Cu胁迫处理下,番茄幼苗叶片细胞中 FHAc和
FHCl含量分别降低 63郾 2%和 18郾 1% ,FE、FW、FNaCl和
Fr 含 量 分 别 提 高 72郾 3% 、 163郾 2% 、 73郾 1% 和
474郾 2% ,差异均达显著水平.添加外源 SNP 后,FE、
FW、FNaCl、 FHCl和 Fr 含量分别为对照的 2郾 2、2郾 8、
2郾 4、1郾 9 和 3郾 8 倍,差异均达显著水平.添加血红蛋
白后,FE、FW、FNaCl、FHAc和 FHCl含量均显著降低.
3摇 讨摇 摇 论
Cu是植物生长发育必需的微量元素,也是重金
属元素.过量吸收 Cu 会产生重金属毒害作用,细胞
膜的完整性和组成会遭到破坏,细胞内的离子和有
机物外渗,外界有毒物质进入,导致植物体内一系列
生理生化过程失调,影响植物的水分代谢、光合作
用、呼吸作用和糖类代谢等[19] . 本研究中,Cu 胁迫
使番茄幼苗生物量和株高显著降低,各器官的 Cu
含量和累积量显著上升,各器官 Cu 含量和累积量
大小依次为根>叶>茎>叶柄;添加外源 SNP 可显著
增加各器官的 Cu 含量,使生物量几乎恢复到对照
水平,而添加血红蛋白可使 NO 的缓解效果显著消
除.其原因可能是 SNP 释放出 NO,促进根系对 Cu
的吸收,从而提高了各器官 Cu 的含量. NO 分子小,
具有脂溶性,能够在细胞间自由穿梭,可以通过质外
体直接作用于细胞壁组分,使细胞壁松弛,而且 NO
作用于膜的磷脂双分子层,可提高膜的流动性和离
子的选择性,增强细胞与外界的信息交流和次生代
谢产物区域化[20] . 同时, NO 可通过调控质膜上
ATPase等功能蛋白活性提高 Cu 胁迫下番茄对 K、
Ca、Fe、Zn等离子的吸收,维持胞质的离子稳态,从
而缓解铜的毒害[12-13],所以添加适当浓度的 SNP能
够增强植株的耐铜性. 与对照相比,Cu 胁迫处理下
TF大幅降低(77郾 3% ),添加外源 SNP 和血红蛋白
后 TF仅有小幅度升高(2郾 5% ~ 2郾 7% ),说明 Cu 胁
迫下,Cu从番茄幼苗根部到叶片的转运效率大幅降
低,而且外源 NO只能缓解而不能消除这种作用,这
与 Coughtrey和 Martin[21]对生菜的研究结果一致.
植物对重金属胁迫的耐性主要指重金属在植物
体内以不具生物活性的解毒形态存在,如结合到细
胞壁,进入液泡,与有机酸或蛋白质络合等[22] .细胞
壁固持和液泡区隔化在植物对重金属的解毒、耐性
和超富集方面起着重要作用[23] . 本研究中,添加外
源 SNP增加了番茄幼苗根系液泡以及叶柄、叶片细
胞壁中的 Cu 含量,降低茎细胞器中的 Cu 含量,添
加 NO清除剂血红蛋白后,NO 的这种作用被减弱.
细胞壁是 Cu 进入植物细胞的第一道屏障,由纤维
素、半纤维素、木质素、果胶质和蛋白质等组成.细胞
壁上的负电荷可以吸附 Cu2+,阻止过多的 Cu2+通过
细胞膜进入细胞质[24] . NO作为信号分子,能够改变
细胞壁的酶活性从而影响细胞壁的化学特性[25] .液
泡是一个动态的细胞物质储存场所,内储有糖类、无
机盐、有机酸、氨基酸和花青素等,液泡可以存储并
730311 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 姜春辉等: 外源 NO对 Cu胁迫下番茄 Cu的亚细胞分布和化学形态的影响摇 摇 摇 摇
降解细胞中的废物和有害物质[26-27] . NO 可能刺激
了植物细胞产生氨基酸和有机酸,增加了其与 Cu2+
的螯合,使过量的 Cu 以螯合物的形式储存于液泡
中,减少其对细胞的伤害.
金属在不同提取剂中的溶解度有很大差别,不
同提取剂的提取量可以反映重金属存在的化学形
态[28] .有机和无机水溶态的 Cu(包括 80%乙醇提取
态 Cu和去离子水提取态 Cu)具有高转移能力,对植
物细胞的毒害高于难溶态的 Cu(2% 乙酸提取态
Cu)和钙溶态的 Cu (0郾 6 mol · L-1 盐酸提取态
Cu) [29] .本研究中,外源 NO增加了番茄幼苗根中难
溶性 Cu 的磷酸盐,并将其储存在根细胞的液泡部
分,从而降低了 Cu 对根细胞的毒害.番茄幼苗茎细
胞中果胶酸盐、与蛋白结合体或吸附态的 Cu 占 Cu
总量的 43郾 3% ~ 57郾 9% ,多数分布于茎细胞器中,
外源 NO能够增加其在番茄幼苗茎中的含量. 添加
外源 SNP后,Cu 胁迫下番茄幼苗叶柄中难溶于水
的磷酸盐结合形态 Cu 占 Cu 总量的比例不足 5% ,
可见,叶柄作为叶片的一个过渡部分,在养分长距离
运输过程中,主要起离子交换器的作用[30] . X鄄射线
证实植物体内过多的 Cu可与 O / N巯基配位成络合
物贮存于细胞壁[31] .本研究中,NO处理后的番茄叶
片中果胶酸盐、与蛋白结合体或吸附态的 Cu 占 Cu
总量的 52郾 3% ~58郾 6% ,且多数分布在细胞壁组分
和液泡中,这说明外源 NO 缓解番茄 Cu 胁迫,在叶
片中主要表现为与有机物结合态的 Cu 存在以降低
过多 Cu的生物毒性[32] .
参考文献
[1]摇 Wang B鄄S (王宝山). Plant Physiology. Beijing: Sci鄄
ence Press, 2007 (in Chinese)
[2]摇 Sharma SS, Dietz KJ. The relationship between metal
toxicity and cellular redox imbalance. Trends in Plant
Science, 2009, 14: 43-50
[3]摇 Han T, Kang SH, Park JS, et al. Physiological respon鄄
ses of Ulva pertusa and U. armoricana to copper expo鄄
sure. Aquatic Toxicology, 2008, 86: 176-184
[4]摇 Lin Y鄄Z (林义章), Zhang S鄄Y (张淑媛), Zhu H鄄S
(朱海生). Effect of copper stress on ultra鄄structure of
mesophyll cells in Chinese cabbage. Chinese Journal of
Eco鄄Agriculture (中国生态农业学报), 2008, 16(4):
948-951 (in Chinese)
[5]摇 Huang Z鄄P (黄治平), Xu B (徐 摇 斌), Zhang K鄄Q
(张克强), et al. Accumulation of heavy metals in the
four years爷 continual swine manure鄄applied greenhouse
soils. Transactions of the Chinese Society of Agricultural
Engineering (农业工程学报), 2007, 23(11): 239-
243 (in Chinese)
[6]摇 Beligni MV, Lamattina L. Nitric oxide stimulates seed
germination and de鄄etiolation, and inhibits hypocotyls
elongation: Three light鄄inducible responses in plants.
Planta, 2000, 210: 215-221
[7]摇 Xu Y (徐 摇 艳), Yu X鄄J (余学军), Gao Y (高 摇
岩). Effects of NO on seed germination and seedling
growth of Haloxylon ammodendron under osmosis stress.
Journal of Beijing Forestry University (北京林业大学学
报), 2011, 11(6): 66-69 (in Chinese)
[8]摇 Fan H鄄F (樊怀福), Du C鄄X (杜长霞), Zhu Z鄄J (朱
祝军 ). Effects of exogenous nitric oxide on plant
growth, membrane lipid peroxidation and photosynthesis
in cucumber seedling leaves under low temperature. Ac鄄
ta Agriculturae Zhejiangensis (浙江农业学报), 2011,
23(3): 538-542 (in Chinese)
[9]摇 Tan Y鄄W (谭伊文), Xu Y鄄F (徐岳飞), Zhou H (周
禾). Effects of nitric oxide on seed germination and
seedling growth of tall fescue under salt stress. Acta
Agrectia Sinica (草地学报), 2010, 18(3): 394-398
(in Chinese)
[10]摇 Akio U, Andre TJ, Takashi H, et al. Effects of hydro鄄
gen peroxide and nitric oxide on both salt and heat stress
tolerance in rice. Plant Science, 2002, 163: 515-523
[11]摇 Wei H鄄R (魏海蓉), Meng Y鄄L (孟艳玲), Sun Y (孙
阳). Effects of exogenous nitric oxide on high bush blue
berry PS域 photochemical activity and antioxidant sys鄄
tem under high temperature stress. Chinese Journal of
Applied Ecology (应用生态学报), 2010, 21 (10):
2529-2535 (in Chinese)
[12]摇 Zhang Y鄄K (张义凯), Cui X鄄M (崔秀敏),Yang S鄄X
(杨守祥), et al. Effects of exogenous nitric oxide on
photosynthetic, bioluminescent characteristics and min鄄
eral element contents in tomato under copper stress.
Plant Nutrition and Fertilizer Science (植物营养与肥料
学报), 2010, 16(1): 172-178 (in Chinese)
[13]摇 Zhang YK, Han XJ, Chen XL, et al. Exogenous nitric
oxide on antioxidative system and ATPase activities from
tomato seedlings under copper. Scientia Horticulturae,
2009, 123: 217-223
[14]摇 Li X鄄M (李晓梅) . Effects of copper stress on germina鄄
tion, seeding growth and physiological characteristics of
peanut. Jiangsu Agricultural Sciences (江苏农业科
学), 2010(4): 80-82 (in Chinese)
[15]摇 Hans JW. Subcellular distribution and chemical form of
cadmium in bean plant. Plant Physiology, 1980, 46:
480-482
[16]摇 Pathore VS, Bajat YP, Wittwer SH. Subcellular locali鄄
zation of zinc and calcium in bean (Phaseolus vulgaris
L. ) tissues. Plant Physiology, 1972, 49: 207-211
[17]摇 Peronnet K, Schwartz C, Mbrel JL. Distribution of cad鄄
mium and zinc in the hyperaccumulator Thlaspi caerules鄄
cens grown on multicontaminated soil. Plant and Soil,
2003, 249: 19-25
[18]摇 Soil Science Society of China (中国土壤学会). Analy鄄
ses Method of Soil and Agricultural Chemistry. Beijing:
China Agricultural Science and Technology Press, 2000
(in Chinese)
8303 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
[19]摇 Chen M鄄H (陈满怀). Soil鄄Plant System of Heavy Metal
Pollution. Beijing: Science Press, 1996 (in Chinese)
[20]摇 Leshem YY, Hamaraty E. Plant aging: The emission of
NO and ethylene and effect of NO鄄releasing compounds
on growth of pea (Pisum sativum) foliage. Journal of
Plant Physiology, 1996, 148: 258-263
[21]摇 Coughtrey PJ, Martin MH. Cadmium, lead and zinc in鄄
teractions and tolerance in two populations of Holcus
lanatus L. grown in solution culture. Environmental and
Experimental Botany, 1979, 19: 285-290
[22]摇 Baker AM. Metal tolerance. New Phytologist, 1987,
106: 93-111
[23]摇 K俟pper H, Lombi E, Zhao FJ, et al. Cellular compart鄄
mentation of cadmium and zinc in relation to other ele鄄
ments in the hyperaccumulator Arabidopsis halleri. Plan鄄
ta, 2000, 212: 75-84
[24]摇 Zhang K鄄M (张开明), Huang S鄄Z (黄苏珍), Yang
H鄄Y (原海燕), et al. Progress in copper toxicity of
plant resistance mechanism and phytoremediation. Jian鄄
gsu Environmental Science and Technology (江苏环境
科技), 2005(1): 4-9 (in Chinese)
[25]摇 An LZ, Liu YH, Zhang MX, et al. Effects of nitric ox鄄
ide on growth of maize seedling leaves in the presence or
absence of ultraviolet鄄B radiation. Journal of Plant
Physiology, 2005, 162: 317-326
[26]摇 Cosio C, Martinoia E, Keller C. Hyperaccumulation of
cadmium and zinc in Thlaspi caerulescens and Arabidop鄄
sis halleri at the leaf cellular level. Plant Physiology,
2004, 134: 716-725
[27]摇 Pittman JK. Managing the manganese: Molecular mech鄄
anisms of manganese transport and homeostasis. New
Phytologist, 2005, 167: 733-742
[28]摇 Yang J鄄R (杨居荣), He J鄄Q (贺建群), Zhang G鄄X
(张国祥). Tolerance mechanism of crops to Cd pollu鄄
tion. Chinese Journal of Applied Ecology (应用生态学
报), 1995, 6(1): 87-91 (in Chinese)
[29]摇 Li H鄄H (李会合), Yang X鄄E (杨肖娥). Effects of
sulfur on accumulation, subcellular distribution and
chemical forms of cadmium in hyperaccumlator -Sedum
alfredii Hance. Plant Nutrition and Fertilizer Science
(植物营养与肥料学报), 2009, 15(2): 395-402 (in
Chinese)
[30]摇 Qiu Rl, Thangavel P, Hu PJ, et al. Interaction of cad鄄
mium and zinc on accumulation and sub鄄celluar distribu鄄
tion in leaves of hyperaccumulator Potentilla griffithii.
Journal of Hazardous Materials, 2011, 186: 1425-1430
[31]摇 Isaure MP, Fayard B, Sarret G, et al. Localization and
chemical forms of cadmium in plant samples by combi鄄
ning analytical electron microscopy and X鄄ray spectromi鄄
croscopy. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectros鄄
copy, 2006, 61: 1242-1252
[32]摇 Chen Y鄄X (陈英旭). Plant Contaminated Chemistry of
Heavy Metal in Soil. Beijing: Science Press, 2008:
41-54 (in Chinese)
作者简介摇 姜春辉,男,1986年生,硕士研究生. 主要从事植物
逆境营养机理调控研究. E鄄mail: Jiangchunhui2009@163. com
责任编辑摇 孙摇 菊
930311 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 姜春辉等: 外源 NO对 Cu胁迫下番茄 Cu的亚细胞分布和化学形态的影响摇 摇 摇 摇