全 文 ： 施和平 等/外源钙对镉胁迫下南美蟛蜞菊毛状根生长、抗氧化酶活性和镉吸收的缓解效应

Chinese Journal of Biotechnology June 25, 2012, 28(6): 747−762
http://journals.im.ac.cn/cjbcn ©2012 Chin J Biotech, All rights reserved

Received: October 21, 2011; Accepted: January 9, 2012
Supported by: Natural Science Foundation of Guangdong Province (No. 031510), Hong Kong Croucher Foundation.
Corresponding author: Heping Shi. Tel: +86-20-85214793; E-mail: shihp@scnu.edu.cn
广东省自然科学基金项目 (No. 031510)，香港裘槎基金资助。
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生 物 工 程 学 报

外源钙对镉胁迫下南美蟛蜞菊毛状根生长、抗氧化酶
活性和镉吸收的缓解效应
施和平 1，王云灵 1，曾宝强 2，陈利华 2
1 华南师范大学生命科学学院 广东省植物发育生物工程重点实验室，广东 广州 510631
2 香港教育学院科学与环境学系，香港 新界
施和平, 王云灵, 曾宝强, 等. 外源钙对镉胁迫下南美蟛蜞菊毛状根生长、抗氧化酶活性和镉吸收的缓解效应. 生物工
程学报, 2012, 28(6): 747−762.
Shi HP, Wang YL, Tsang PoKeung Eric, et al. Antioxidative enzyme activities and cadmium absorption efficiency of Wedelia
trilobata hairy roots under cadmium stress. Chin J Biotech, 2012, 28(6): 747−762.
摘 要: 为了探讨外源钙对重金属镉 (Cd) 缓解南美蟛蜞菊 Wedelia trilobata毛状根毒害的生理机理，采用溶
液培养法研究了重金属 Cd单独及其与 Ca组合对南美蟛蜞菊毛状根生长、抗氧化酶超氧化物岐化酶 (SOD) 和
过氧化物酶 (POD) 活性及对 Cd2+吸收的影响。结果表明，Cd≤50 μmol/L时促进毛状根生长；高于 100 μmol/L
Cd则抑制其生长，使其侧根短小，根尖变褐或变黑。与对照相比，不同浓度 Cd培养的毛状根 POD活性、SOD
活性和 MDA含量都比对照明显提高，但高于 100 μmol/L Cd培养的毛状根可溶性蛋白含量均比对照降低。与
仅添加 200 μmol/L或 300 μmol/L Cd的毛状根相比，Cd和 10~30 mmol/L Ca组合培养可促进毛状根生长，使
其主、侧根变粗；提高其可溶性蛋白含量；降低其 MDA含量、POD活性及 SOD活性。原子吸收分光光度法
测定结果表明，南美蟛蜞菊毛状根能吸收和吸附重金属 Cd2+，当 Cd2+浓度为 100 μmol/L时毛状根对 Cd2+的吸
收量最大，而 Cd2+浓度为 300 μmol/L时毛状根对 Cd2+的吸附量最大。外源加入 10~30 mmol/L Ca2+可显著减少
毛状根对 Cd2+的吸收和吸附，并可调节其抗氧化酶活性，降低其膜脂过氧化水平而解除重金属镉对毛状根生
长的抑制或毒害。
关键词 : 镉，南美蟛蜞菊，毛状根，抗氧化酶，吸收，钙



生物技术与方法
DOI:10.13345/j.cjb.2012.06.008
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Alleviated affect of exogenous CaCl2 on the growth,
antioxidative enzyme activities and cadmium absorption
efficiency of Wedelia trilobata hairy roots under cadmium stress
Heping Shi1, Yunling Wang1, PoKeung Eric Tsang2, and LeeWah Andrew Chan2
1 Guangdong Key Laboratory of Biotechnology for Plant Development, College of Life Science, South China Normal University,
Guangzhou 510631, Guangdong, China
2 Department of Science and Environmental Studies, the Hong Kong Institute of Education, New Territories, Hong Kong, China
Abstract: In order to study the physiological mechanism of exogenous calcium on the toxicity of heavy metal cadmium (Cd) to
Wedelia trilobata hairy roots, the effects of Cd alone, and in combination with different concentrations of Ca on growth, contents
of soluble protein and malondialdehyde (MDA), activities of superoxide dismutase (SOD) and peroxidase (POD), Cd2+ absorption
in W. trilobata hairy roots were investigated. Cd concentrations lower than 50 μmol/L enhanced the growth of hairy roots, while
concentrations higher than 100 μmol/L inhibited growth, making the branched roots short and small, and also turning the root tips
brown, even black. In comparison with the control (0 μmol/L Cd), the soluble protein content in hairy roots was found to increase
when cultured with 10~50 μmol/L Cd, and decrease when exposed to a cadmium concentration higher than 100 μmol/L Cd. In
addition, the activities of POD and SOD activity and MDA content were significantly higher than the control. Compared to the
control (hairy roots cultured without 10~30 mmol/L Ca), 100 μmol/L Cd or 300 μmol/L Cd in combination with 10~30 mmol/L
Ca resulted in increased growth, causing the main root and secondary roots thicker and also an increase in soluble protein content.
On the contrary, MDA content and POD and SOD activities decreased. Quantitative analysis by Atomic Absorption
Spectrophotometry showed that W. trilobata hairy roots can absorb and adsorb heavy metal Cd in the ionic form of Cd2+. The
maximum content of Cd2+ absorbed by the hairy roots was obtained with a concentration 100 μmol/L Cd2+ while that of Cd2+
adsorbed by hairy roots was achieved with a concentration of 300 μmol/L Cd2+. The exogenous addition of 10~30 mmol/L Ca2+
was found to reduce the absorption, adsorption of Cd2+ and the toxicity of Cd significantly. This reduction in toxicity was caused
by the reduction in the absorption of Cd and decreasing the lipid peroxidation through regulating the activities of antioxidant
enzymes SOD and POD in the hairy roots.
Keywords: cadmium, Wedelia trilobata, hairy roots, antioxidative enzymes, absorption, calcium
镉 (Cd) 虽不是植物生长必需的微量元素，
但由于其移动性强、被植物吸收利用和累积后，
不仅可影响植物的产量和品质，导致植物生长被
抑制或产生毒害；而且也易通过食物链进入人和
动物体内富集来危及人和动物健康，是目前土壤
和水体环境中最受关注的、毒性最强的重金属元
素之一，而且 Cd 污染问题已成为威胁土壤生态
安全和制约农业可持续发展的一个重要因素[1]。
因而，如何治理和控制重金属 Cd 污染，寻找降
低 Cd 毒害或修复被 Cd 污染环境的有效方法，
一直是国内外环境科学研究的热点与难点。根既
是植物吸收矿质离子的最主要器官，也是镉最直
接、最严重的受害器官之一。有研究表明，利用
植物尤其是重金属蓄积植物的根系对土壤和水
体中某种重金属污染元素具有特殊的吸收富集
和转化能力，不失为治理重金属污染，实现生态
修复的高效而廉价的有效方法之一[2]。与对照根
(自然根 ) 相比，由发根农杆菌 Agrobacterium
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rhizogenes 感染植物细胞遗传转化后产生的毛状
根，由于具有产生分枝侧根能力很强、可快速自
主生长，根系极发达及具有很大的吸收面积；近
年相继有人利用可离体自主快速生长的毛状根
来吸收重金属离子 Ni和 Cd[3]，或根滤重金属铀
以修复被放射性金属元素铀污染的环境[4]，以及
利用毛状根迅速吸收和转化废水中的 2,4-D等污
染物[5]。但到目前为止，国内外少见利用发根农
杆菌遗传转化产生的毛状根或其再生植株来开
展对重金属污染物修复的更多研究报道。南美蟛
蜞菊Wedelia trilobata (L.) A.S.Hitche是华南地区
常见的用作园林绿化的耐阴地被植物和护坡植
物，并具有较强的对有害金属元素的吸附积累作
用[6]，但因其植物根系不发达，目前仍未见大量
利用该植物进行环境修复的研究报道。我们曾用
发根农杆菌获得了可自主生长的南美蟛蜞菊毛
状根[7]；而开展其毛状根对重金属镉的吸收和镉
耐受能力的研究，是今后开发利用生长迅速，且
根系发达的南美蟛蜞菊毛状根系及其再生植株
进行重金属镉污染环境生物修复的前提。但至
今为止，未见有关重金属 Cd 对南美蟛蜞菊毛
状根生长和毒害的影响及其对 Cd 吸收的任何
报道。
钙 (Ca) 是植物生长发育必需的大量元素。
已有研究表明，Ca可以与 Cd竞争植物根系上吸
收位点，降低植物含 Cd量[8]；而外源 Ca可以增
强植物对许多非生物逆境的适应性，减轻逆境对
植物所造成的伤害[9]。但到目前为止，少见有关
Cd和Ca结合对毛状根生长或毒害影响的系统研
究报道。
本研究以发根农杆菌遗传转化产生的可在
无激素培养基上自主生长的南美蟛蜞菊毛状根
为材料，来探讨重金属 Cd及其与 Ca结合对南美
蟛蜞菊毛状根生长、抗氧化酶活性以及吸收 Cd
影响的生理机理，旨在为今后开展利用生长迅速
的具发达根系的南美蟛蜞菊毛状根及其再生植
株来净化被重金属 Cd 污染的水体和土壤环境奠
定实验技术基础和提供可能性。
1 材料与方法
1.1 植物材料
采用由含农杆碱型野生 Ri 质粒的发根农杆
菌 ATCC15834 遗传转化南美蟛蜞菊叶片外植体
所产生的、能在 MS培养基上自主快速生长并已
继代培养的毛状根，其诱导和继代培养见欧少云
等的方法[7]。
1.2 培养基及培养条件
在探讨培养基中 Cd 浓度对南美蟛蜞菊毛状
根生长、抗氧化酶活性的影响时，采用添加不同
浓度 Cd (以 CdCl2的形式加入) 的液体 MS培养
基，其中 Cd 浓度分别为 0、10、50、100、
300 µmol/L；而在探讨 Cd与 Ca组合对南美蟛蜞
菊毛状根生长及酶活性的影响时，采用 200、
300 µmol/L Cd和 10、20、30 mmol/L Ca组合的
MS培养基进行培养；在探讨培养基中 Cd 浓度
及其与 Ca 组合对南美蟛蜞菊毛状根吸收及吸
附 Cd 的影响时，分别采用 100 µmol/L 或
300 µmol/L Cd和 10、20、30 mmol/L Ca组合的
MS培养基进行培养。以上所有培养基在灭菌前
pH 值调至 5.8~6.0，经 121 ℃高温湿热灭菌后
待用。每 250 mL锥形瓶中盛 50 mL液体培养基，
定量接种南美蟛蜞菊毛状根后，将培养瓶置于摇
床上，于 (25±2) ℃下振荡培养。
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1.3 Cd对南美蟛蜞菊毛状根生长的影响
选取生长旺盛的南美蟛蜞菊毛状根，剪切成
4~5 cm且具根尖的根段，按定量接种法接入含有
不同浓度 Cd或 Cd-Ca组合的液体 MS培养基中
进行暗培养。每锥形瓶的接种量为 0.2 g (FW)。
在为期 25 d 的培养过程中观察毛状根的生长变
化并进行生物量的测定。每隔 5 d随机抽取不同
浓度处理的毛状根培养物各 3瓶，用自来水冲洗
去培养物上的残留液体培养基，然后再用蒸馏水
冲洗并用吸水纸吸干水分后进行毛状根生物量
(鲜重) 测量。将新鲜毛状根培养物保存于-80 ℃
的超低温冰箱中，用于进行毛状根可溶性蛋白含
量、POD、SOD活性和 MDA含量的测定。
1.4 毛状根可溶性蛋白含量、POD、SOD 活
性及MDA含量的测定
为了探讨不同浓度Cd单独及其与Ca组合对
毛状根过氧化物酶 (POD) 和超氧化物歧化酶
(SOD) 及丙二醛 (MDA) 含量的影响，取毛状
根定量接种到仅添加 10、50、100 µmol/L 或
300 µmol/L Cd及 200 µmol/L或 300 µmol/L Cd
与 10~30 mmol/L CaCl2组合的液体MS培养基中
进行培养，并分别在培养后 5、10、15、20、25 d
取样进行测定。其中，毛状根培养物可溶性蛋白
含量的测定参照 Bradford的方法[10]，用考马斯亮
蓝 G-250进行染色并用紫外分光光度法测定。培
养过程中其 SOD 活性变化的测定基本按照
Beauchamp 和 Fridovich 的测定方法[11]，以抑制
NBT 光还原 50％所需要的酶量为 1 个酶活性单
位；其 POD 活性的测定按照张志良等的愈创木
酚法进行[12]，以制备酶提取液所用的磷酸缓冲液
作空白对照，用每分钟 OD470变化值表示酶活性
的大小，即以 OD470/(min·mg) 蛋白表示。MDA
含量的测定按 Heath和 Packer的方法[13]。实验重
复测定 3次，取平均值。
1.5 南美蟛蜞菊毛状根 Cd含量测定
南美蟛蜞菊毛状根在培养 2~3 d 后，分别
移入含 100、300 μmol/L Cd 和 (或) 10、20、
30 mmol/L CaCl2 组合的液体培养基中，分别培
养 2 d、4 d和 6 d后，取出毛状根，用去离子水
洗 1遍后，再用约 50 mL 20 mmol/L EDTA液洗
2~3次，收集 EDTA洗涤液，经浓缩、常规消化
后供测定毛状根吸附的 Cd 含量用；残余的培养
基经滤纸过滤后用去离子水定容至 50 mL ，经
常规消化后供测定培养基残存的 Cd 含量用。毛
状根样品置于 60 ~70 ℃ ℃下烘干，精密称取粉碎
过的毛状根样品于 100 mL 锥形瓶中，加混酸
(VHNO3∶VHClO4 =4∶1) 15 mL消化，电炉上加热
烘干后，1％ HNO3 定容，供测定毛状根吸收的
Cd含量。各样品的 Cd含量采用原子吸收分光光
度计法测定。其测定条件为：波长 228.8 nm，灯
电流 7 mA，狭缝宽度 113 nm，干燥 110 ℃，30 s，
灰化 500 ℃。实验重复测定 3次，取平均值。
1.6 数据处理
数据处理采用 SPSS13.0软件进行方差分析，
采用LSD法进行处理间的差异性比较 (P＜0.05)，
采用 Excell 2003进行图表制作。
2 结果与分析
2.1 重金属 Cd单独及其与 Ca组合对南美蟛
蜞菊毛状根生长的影响
南美蟛蜞菊毛状根接种至MS液体培养基中
培养 1~2 d后，可见从毛状根根段开始产生新的
白色侧根，且根段不断伸长。与对照相比，培养
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至 10 d时，无论是低浓度还是高浓度 Cd培养的
毛状根，其主、侧根都变粗，根段表面从浅红色
变成紫红色。其中，10~50 µmol/L Cd培养的毛
状根分支能力较强，根尖白色且健壮；而高浓度
100~300 µmol/L Cd培养的南美蟛蜞菊毛状根的
主根很少伸长，侧根数量少且短小，根尖开始发
黄 (图 1, A-E)。随着培养基中 Cd浓度的升高
和培养时间的延长，各浓度 Cd 培养的南美蟛
蜞菊毛状根在培养后期时根尖都逐渐变黄，起
始根段开始变绿，并逐渐老化；而高浓度
100~300 µmol/L Cd 培养的毛状根根段开始发
黑，呈现明显的重金属 Cd毒害症状。
图 2为 Cd浓度对南美蟛蜞菊毛状根生长的
影响。从图 2 可见，对照 (不添加 Cd 的 MS 培
养基) 毛状根生物量 (鲜重) 在 0~20 d的培养期
内，随着培养时间的延长而逐渐增加，至培养
20 d时达到最大，其生物量增值倍数达到 12.475；
随后毛状根逐渐老化，生长速率下降。与对照相
比，不同浓度 Cd 培养的毛状根生物量在培养后
5~10 d期间也逐渐增加，除高浓度 300 μmol/L Cd
外，≤100 μmol/L Cd培养的毛状根生物量增殖
倍数都与对照相当或略高。但培养 15 d后，除低
浓度 10 μmol/L Cd外，50~300 μmol/L Cd培养
的毛状根生物量增殖倍数都随培养基 Cd 浓度


图 1 重金属镉单独及其与钙组合对南美蟛蜞菊毛状根生长形态的影响
Fig. 1 Effect of Cd alone or in combination with calcium on the growth and morphology of hairy roots. (A-E) Hairy
roots cultured for 10 days in medium with different concentration of Cd. (A) 0 μmol/L. (B) 10 μmol/L. (C) 50 μmol/L.
(D) 100 μmol/L. (E) 300 μmol/L. (F-H) Hairy roots cultured for 20 days in medium with 200 μmol/L Cd and 10−30
mmol/L Ca. (F) 200 μmol/L Cd+10 mmol/L Ca. (G) 200 μmol/L Cd +20 mmol/L Ca. (H) 200 μmol/L Cd +30 mmol/L Ca.
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的增加而逐渐下降，培养至 25 d 时，高浓度
300 μmol/L Cd培养的毛状根鲜重增值倍数仅为
同期对照毛状根的 40.69％。这表明高浓度 Cd不
仅抑制南美蟛蜞菊毛状根的生长，而且会使毛状
根出现毒害症状。
图 3为 200 μmol/L Cd 与 10~30 mmol/L Ca
组合对南美蟛蜞菊毛状根生长的影响。与对照
(仅添加 200 μmol/L Cd 培养的) 毛状根相比，
200 μmol/L Cd与 10~30 mmol/L Ca组合培养的
毛状根鲜重增值倍数比对照显著提高，其中以
200 μmol/L Cd 与 20 mmol/L Ca组合培养促进毛
状根生长的效果最好，不仅毛状根生长旺盛，而
且分支侧根更多；在毛状根培养过程的各个时
期，其鲜重增值倍数分别为对照的 6.53倍、4.88
倍、5.22倍、4.91倍和 4.17倍；同时，与对照相
比，培养 5 d后，200 μmol/L Cd和 10~30 mmol/L
Ca 组合培养的南美蟛蜞菊毛状根根表面也由浅
红色变成紫红色，不仅根表面颜色比对照深；且
其主、侧根变得更粗而弯曲 (图 1，F，G，H)。
而与对照 (仅添加 300 μmol/L Cd培养的) 毛状
根相比，300 μmol/L Cd与 10~30 mmol/L Ca组合
培养的毛状根根尖褐变程度和根生长受抑制程
度明显比对照轻，不仅毛状根根系能产生较多的
分枝侧根，根生长形态正常，根尖褐化变慢；而
且 300 μmol/L Cd 与 10~30 mmol/L Ca组合培养
的毛状根鲜重增殖倍数与 200 μmol/L Cd 和
10~30 mmol/L Ca组合培养的趋势相似，其根表
面也呈现深紫红色、根体增粗且部分弯曲。这表
明，低浓度 Cd 对毛状根生长的影响较小，甚至
促进生长；但高浓度 Cd 则抑制其生长，且浓度
愈高抑制程度愈强，甚至产生毒害；但外源添加
10~30 mmol/L Ca可缓解高浓度 Cd对毛状根生
长的抑制和毒害。
2.2 Cd 单独及其与 Ca 组合对南美蟛蜞菊毛
状根可溶性蛋白含量的影响
图 4为培养基 Cd浓度对南美蟛蜞菊毛状根
可溶性蛋白含量的影响。从图 4可见，无论是对
照还是不同浓度 Cd 培养的毛状根，其可溶性蛋
白含量都随着培养时间的延长而呈先上升后逐

图 2 Cd浓度对南美蟛蜞菊毛状根生长的影响
Fig. 2 Effect of Cd concentration in MS medium on
the growth of W. trilobata hairy roots.

图 3 200 μmol/L Cd与 10~30 mmol/L Ca组合对南
美蟛蜞菊毛状根生长的影响
Fig. 3 Effect of 200 μmol/L Cd in combination with
10−30 mmol/L Ca on the growth of W. trilobata hairy
roots.
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图 4 Cd 浓度对南美蟛蜞菊毛状根可溶性蛋白含量
的影响
Fig. 4 Effect of Cd concentration on the soluble
protein content in hairy roots of W. trilobata.
渐下降的趋势。与对照相比，10 µmol/L Cd处理
的毛状根可溶性蛋白含量仅在培养后 5~10 d 期
间比同期对照提高；而后随着培养时间延长而逐
渐下降。50 µmol/L Cd处理的毛状根可溶性蛋
白含量几乎在整个培养期间都比对照提高，其
中，以培养 15 d 的可溶性蛋白含量最高，达到
7.12 mg/g FW；而 100 µmol/L Cd培养的毛状根
可溶性蛋白含量则比对照低；而当毛状根在
300 µmol/L Cd中培养时，其可溶性蛋白含量仅
在培养后 5~10 d期间比同期对照提高，且随着
培养时间延长而逐渐下降；但其可溶性蛋白含
量在 5~25 d的培养期间均比 100 µmol/L Cd培
养的毛状根高。这表明在培养过程中添加
10~50 µmol/L Cd可在一定程度上促进毛状根可
溶性蛋白的产生，但随着 Cd 胁迫时间的延长和
Cd 浓度的升高，毛状根的蛋白质合成受阻或合
成能力逐渐下降。
而与对照 (仅添加 200 µmol/L Cd) 培养的
毛状根相比，200 µmol/L Cd和 10~20 mmol/L Ca
组合培养的毛状根可溶性蛋白含量在培养后
5~15 d 间均比对照略高，而当毛状根在
200 µmol/L Cd和 30 mmol/L Ca组合的培养基中
培养时，虽在培养 5~15 d 期间的可溶性蛋白含
量比对照低，但在培养 15~25 d期间，其可溶性
蛋白含量随培养时间的延长而逐渐升高，且明显
高于对照。与对照 (仅添加 300 µmol/L Cd培养的
毛状根) 相比，300 µmol/L Cd和 10~30 mmol/L Ca
组合培养的毛状根可溶性蛋白含量也随着培养
时间的延长呈现先升高后逐渐下降的趋势，但其
含量均比同期对照明显升高，尤其是当毛状根在
300 µmol/L Cd和 30 mmol/L Ca中培养时，其可
溶性蛋白含量分别是同期对照的 2.39 倍、1.80
倍、1.62 倍、3.11 倍和 2.67 倍。这表明，随着
Cd胁迫处理时间的延长，Ca可能通过促进蛋白
水解酶活性，加强了某些蛋白质的分解，通过提
高南美蟛蜞菊毛状根的可溶性蛋白含量来影响
重金属 Cd对毛状根生长的抑制或毒害。
2.3 Cd 单独及其与 Ca 组合对南美蟛蜞菊毛
状根 POD活性的影响
植物体内的超氧化物歧化酶 (SOD)、过氧化
物酶 (POD) 是活性氧自由基清除系统中重要的
保护酶，其活性的提高可以为细胞清除过多的自
由基，是使细胞免受毒害的调节反应，但这种调
节能力有一定限度。从图 5可见，对照 (0 µmol/L
Cd培养的毛状根) 的 POD活性在培养过程中呈
缓慢上升的趋势，与对照相比，不同浓度 Cd 培
养的毛状根 POD活性则呈先上升后下降的趋势；
而无论是低浓度 Cd (10 µmol/L和 50 µmol/L) 还
是高浓度 Cd (100 µmol/L和 300 µmol/L) 培养的
毛状根 POD活性在 5~20 d内均比同期对照高。
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其中，100 µmol/L Cd培养的毛状根 POD活性在
培养至 10 d达到最高，为同期对照的 1.47倍，
但培养 10 d后其 POD活性随着培养时间的延长
而逐渐下降，至培养 25 d时其 POD活性甚至比
对照及其他浓度 Cd培养的都低；而 300 µmol/L
Cd培养的毛状根 POD活性则在培养的各个时期
都比对照和其他镉浓度培养的毛状根高，其
POD活性分别比同期对照增加 25.6％、63.6％、
77.6％、64.4%和 44.4%，达到显著水平 (P＜0.05)。
这表明，在一定 Cd浓度范围内南美蟛蜞菊毛状
根可通过提高其 POD活性来抵御Cd胁迫引起的
毛状根生长的抑制或毒害。
图 6为 200 µmol/L与 10~30 mmol/L Ca组合
对南美蟛蜞菊毛状根 POD活性影响的测定结果。
从图 6可见，200 µmol/L Cd和 10~30 mmol/L Ca
组合培养的毛状根 POD 活性均比对照 (仅添加
200 µmol/L Cd) 毛状根的 POD活性明显降低，
其毛状根 POD活性在培养后 5~20 d内均随时间
的延长而逐渐升高；20 d后，除 200 µmol/L Cd
和 30 mmol/L Ca组合培养的毛状根 POD活性
继续升高外，200 µmol/L Cd 和 10 mmol/L 及
20 mmol/L Ca组合培养的毛状根 POD活性迅速
下降，培养到 25 d 时分别仅为对照的 31.1％和
38.0％。而 300 µmol/L Cd和 10~30 mmol/L Ca
组合培养的毛状根 POD活性与 200 µmol/L Cd
和 10~30 mmol/L Ca组合培养的毛状根的 POD
活性变化趋势相似，其 POD 活性也比仅添加
300 µmol/L Cd培养的毛状根明显降低。这表明，
外源Ca与Cd组合可以明显降低南美蟛蜞菊毛状
根的 POD活性，并可能通过对 POD活性的调节
来拮抗或减轻重金属 Cd 对南美蟛蜞菊毛状根生
长的抑制或毒害。
2.4 Cd 单独及其与 Ca 组合对南美蟛蜞菊毛
状根 SOD活性的影响
图 7为 Cd浓度对南美蟛蜞菊毛状根 SOD活
性影响的测定结果。从图 7可见，与对照相比，
不同浓度Cd培养的南美蟛蜞菊毛状根 SOD活性
在培养后5~20 d间随培养时间的延长而逐渐升高，
且其活性均比同期对照明显提高；而培养 20 d

图 5 Cd浓度对南美蟛蜞菊毛状根 POD活性的影响
Fig. 5 Effect of Cd concentrations on POD activities in
hairy roots of W. trilobata.

图 6 200 μmol/L Cd与 10~30 mmol/L Ca组合对南
美蟛蜞菊毛状根 POD活性的影响
Fig. 6 Effect of 200 μmol/L Cd in combination with
10−30 mmol/L Ca on POD activities in hairy roots of
W. trilobata.
施和平 等/外源钙对镉胁迫下南美蟛蜞菊毛状根生长、抗氧化酶活性和镉吸收的缓解效应
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图 7 Cd浓度对南美蟛蜞菊毛状根 SOD活性的影响
Fig. 7 Effect of Cd concentrations on SOD activities in
hairy roots of W. trilobata.
后，对照毛状根的 SOD 活性继续上升；而不同
浓度 Cd培养的毛状根 SOD活性则逐渐下降，培
养至 25 d时，10、50、100 µmol/L Cd培养的毛
状根 SOD 活性甚至比同期对照还低；其中以
100 µmol/L Cd培养的毛状根 SOD活性最低，仅
为同期对照 SOD活性的 64.06％。该结果表明，
重金属 Cd可明显提高毛状根的 SOD活性，并可
能通过对毛状根 SOD活性的调节来影响Cd对毛
状根生长的抑制或毒害。
而与对照相比，当南美蟛蜞菊毛状根在
200 µmol/L Cd和 10 mmol/L 或 30 mmol/L Ca中
培养 5~20 d时，其 SOD活性大都比同期仅添加
200 µmol/L Cd 培养的毛状根低，但培养至
20~25 d时其 SOD活性与对照相当或略升高；而
200 µmol/L Cd和 20 mmol/L Ca培养的毛状根
SOD活性在培养后 5~25 d期间则始终比对照降
低，培养至 25 d 时其 SOD 活性为同期对照的
46.76％。此外，当毛状根在 300 µmol/L Cd和 10、
20和 30 mmol/L Ca组合中培养时，在整个培养
过程中其 SOD活性呈先升后降的趋势，其 SOD
活性均较对应的仅添加 300 µmol/L Cd培养的毛
状根不同程度的降低。可见，与仅加高浓度 Cd
培养的毛状根相比，外源加入 10~30 mmol/L Ca
可降低毛状根的 SOD活性。而 SOD作为一种重
要的防御酶，其活性的维持和提高是植物耐受
Cd 胁迫的物质基础之一。该结果表明，南美蟛
蜞菊毛状根对Cd胁迫具有一定的耐受能力;而外
源添加一定浓度的 Ca 可能通过降低毛状根的
SOD活性，来减轻或缓解重金属 Cd对南美蟛蜞
菊毛状根生长的抑制或毒害。
2.5 Cd 单独及其与 Ca 组合对南美蟛蜞菊毛
状根MDA含量的影响
膜脂过氧化产物MDA含量的高低是细胞膜
受损伤程度的重要指标之一。从图 8可见，无论
南美蟛蜞菊毛状根是在 10 µmol/L或 50 µmol/L
低浓度 Cd，还是在高浓度 100 µmol/L Cd 和
300 µmol/L Cd中培养，其 MDA含量均比同期对
照升高，并且随着 Cd 浓度的增加而逐渐升高；
其中，以 300 µmol/L Cd培养的毛状根 MDA含
量最高，在整个培养过程中，其 MDA含量分别

图 8 Cd浓度对南美蟛蜞菊毛状根MDA含量的影响
Fig. 8 Effect of Cd concentration on MDA content in
hairy roots of W. trilobata.
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为同期对照毛状根MDA含量的 1.53、1.49、1.23、
1.17和 2.10倍。这可能表明，重金属 Cd对南美
蟛蜞菊毛状根生长的抑制或毒害可能与其对毛
状根细胞膜脂过氧化的促进有关。
而与对照 (仅添加 200 µmol/L Cd) 相比，
200 µmol/L Cd和 20~30 mmol/L Ca组合培养的
南美蟛蜞菊毛状根 MDA 含量比对照降低，而
200 µmol/L Cd和 10 mmol/L Ca组合培养的毛
状根 MDA 含量在 5~15 d 培养期间比对照略
高，而培养 15 d 后也逐渐降低，至培养 25 d
时其 MDA含量比同期对照降低了 33.72％。图
9为 300 µmol/L Cd与 10~30 mmol/L Ca组合对
南美蟛蜞菊毛状根 MDA 含量的影响。从图 9
可见，与对照 (仅添加 300 µmol/L Cd) 相比，
300 µmol/L Cd和 10、20和 30 mmol/L Ca组合培
养的毛状根 MDA含量在培养后 5~20 d期间，其
MDA含量都比对照明显降低；而培养至 25 d时，
300 µmol/L Cd和 10~20 mmol/L Ca组合培养的
毛状根的 MDA含量略高于对照，但 300 µmol/L
Cd和 30 mmol/L Ca培养毛状根的 MDA含量则
比对照低。可见，外源加入 10~30 mmol/L Ca可
降低毛状根的 MDA含量。这可能表明，外源 Ca
可能通过降低毛状根细胞膜脂过氧化程度而对
重金属镉对毛状根生长的抑制或毒害产生拮抗
作用或缓解效应。
2.6 Cd2+及其与 Ca2+组合对南美蟛蜞菊毛状
根吸收 Cd2+的影响
图 10 为培养液 Cd2+浓度对南美蟛蜞菊毛状
根吸收重金属 Cd2+的影响。从图 10 可见，当毛
状根在含有 100 µmol/L和 300 µmol/L Cd2+的培
养基中培养时，毛状根能从培养基中吸收重金属
Cd2+，其中当培养基镉浓度 100 µmol/L Cd2+时，
毛状根对 Cd2+的吸收量较高，且 Cd2+吸收量随培
养时间的延长而逐渐升高。然而，当毛状根在
300 µmol/L Cd2+培养基中培养 2 d、4 d和 6 d后，
其 Cd2+吸收量则分别比 100 µmol/L Cd2+培养的
同期毛状根降低约 40.23％、32.35％和 42.53％。
这表明，南美蟛蜞菊毛状根能吸收重金属 Cd2+，
但其对 Cd2+的吸收效率与 Cd2+的浓度和培养时
间的长短等因素有关。

图 9 300 μmol/LCd与 10~30 mmol/L Ca组合对南美
蟛蜞菊毛状根 MDA含量的影响
Fig. 9 Effect of 300 μmol/L Cd in combination with
10−30 mmol/L Ca on on MDA content in hairy roots of
W. trilobata.

图 10 Cd2+浓度对南美蟛蜞菊毛状根吸收 Cd2+的
影响
Fig. 10 Effect of Cd concentrations on absorption of
Cd2+ in hairy roots of W. trilobata.
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图 11 和图 12 分别为 100 µmol/L Cd2+和
300 µmol/L Cd2+与 10~30 mmol/L Ca2+组合培养
对南美蟛蜞菊毛状根吸收 Cd2+的测定结果。由图
11可知，与对照 (仅添加 100 µmol/L Cd2+培养的
毛状根) 相比，外源添加 10~30 mmol/L Ca2+可显
著降低毛状根对 Cd2+的吸收，其镉含量大都随培
养基中 Ca2+浓度的升高而逐渐下降。培养到第 6

图 11 100 μmol/L Cd2+与 10~30 mmol/L Ca2+组合对
南美蟛蜞菊毛状根吸收 Cd2+的影响
Fig. 11 Effect of 100 μmol/L Cd2+ in combination with
10−30 mmol/L Ca2+ on absorption of Cd2+ in hairy roots
of W. trilobata.

图 12 300 μmol/L Cd2+与 10~30 mmol/L Ca2+组合对
南美蟛蜞菊毛状根吸收 Cd2+的影响
Fig. 12 Effect of 300 μmol/L Cd2+ in combination with
10−30 mmol/L Ca2+ on absorption of Cd2+ in hairy roots
of W. trilobata.
天时，100 µmol/L Cd2+与 10~30 mmol/L Ca2+组合
培养的毛状根对 Cd2+的吸收量分别比同期对照
降低了 71.56％、87.49％和 85.32％，达到显著水
平 (P＜０.05)。而从图 12 可见，与对照 (仅添
加 300 µmol/L Cd2+培养的) 毛状根相比，外源加
入 10 mmol/L Ca2+时，毛状根对 Cd2+的吸收量不
但没有降低，反而比对照有明显提高，培养 2 d、
4 d和 6 d时其毛状根 Cd2+含量分别为同期对照
毛状根 Cd2+吸收量的 2.26倍、1.31倍和 1.26倍；
但外源加入 30 mmol/L Ca2+时毛状根对 Cd2+的吸
收才受到明显抑制，培养至 6 d时，其毛状根吸
收的 Cd2+含量约比同期对照降低 61.58％。可见，
外源添加 Ca2+可以影响南美蟛蜞菊毛状根对重
金属 Cd2+的吸收能力，但当用高浓度 Cd2+培养毛
状根时，需添加较高浓度的外源 Ca2+才能有效抑
制毛状根对 Cd2+的吸收。而这表明外源 Ca2+可能
通过降低或减少毛状根对 Cd2+的吸收，从而拮抗
或减弱高浓度 Cd2+对毛状根生长的抑制或毒害。
2.7 Cd2+及其与 Ca2+组合对南美蟛蜞菊毛状
根吸附 Cd2+的影响
图 13 为 Cd2+浓度对南美蟛蜞菊毛状根吸附
Cd2+的影响。从图 13 可见，当毛状根在含有
100 µmol/L 和 300 µmol/L Cd2+的培养基中培养
时，毛状根能吸附培养基中的 Cd2+，并且其 Cd2+
吸附量随培养基 Cd2+浓度的增加及培养时间的
延长而升高；其中 300 µmol/L Cd2+培养的毛状根
吸附的 Cd2+含量较 100 µmol/L Cd2+培养的高，培
养 2 d、4 d和 6 d后，其 Cd2+吸附量分别约为同
期 100 µmol/L Cd2+的 0.82倍、3.74倍和 5.26倍。
这表明，南美蟛蜞菊毛状根具有较强的吸附重金
属 Cd2+的能力，且毛状根对镉的吸附作用与所用
的 Cd2+浓度及培养时间长短等有关。
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图 13 Cd2+浓度对 EDTA 洗脱的毛状根重金属 Cd2+
含量的影响
Fig. 13 Effect of Cd2+ concentration on Cd2+ content
diluted by EDTA solution from hairy roots of W.
trilobata.
图 14为 100 µmol/L和 10~30 mmol/L Ca2+
组合对南美蟛蜞菊毛状根吸附 Cd2+的测定结果。
由图 14可知，与对照 (仅 100 µmol/L Cd2+培养
的毛状根) 相比，外源加入 10~30 mmol/L Ca2+
时毛状根对 Cd2+的吸附量随着 Ca2+浓度的升高
增加而逐渐降低；其中以培养 4 d时 100 µmol/L
Cd2+与 10~30 mmol/L Ca2+组合培养的毛状根对
Cd2+的吸附量下降程度最明显，其 Cd2+吸附量分
别比同期对照下降约 38.16％、62.26％和 66.90％，
达到显著水平 (P＜0.05)。而与 100 µmol/L Cd2+
与 10~30 mmol/L Ca2+组合相比，300 µmol/L Cd2+
和 10~30 mmol/L Ca2+组合更可降低毛状根对
Cd2+的吸附量；培养到 6 d时，毛状根对 Cd2+的
吸附量分别比同期对照 (仅添加 300 µmol/L
Cd2+培养的毛状根) 下降了 66.01％、71.13％和
97.53％，差异达到显著水平 (P＜0.05)。可见，
外源加入 10~30 mmol/L Ca2+能不同程度地降低
毛状根对 Cd2+的吸附量，并因而减少 Cd2+对南美
蟛蜞菊毛状根的抑制或毒害。

图 14 100 μmol/L Cd2+与 10~30 mmol/L Ca2+组合对
EDTA洗脱的毛状根 Cd2+含量的影响
Fig. 14 Effect of 100 μmol/L Cd2+ in combination with
10−30 mmol/L Ca2+ on Cd2+ content diluted by EDTA
solution from hairy roots of W. trilobata.
3 讨论
一些研究表明，Cd 对植物生长、根的形态
和侧根发生及其毒害的影响具有浓度剂量效应
和因植物类型而异[14-15]，如低浓度 (0.1 mg/L) Cd
可促进小白菜 Brassica chinensis L.侧根的发育，
而≥5 mg/L Cd 则可使小白菜根变短变粗，根毛
缺乏，侧根分枝减少[14]；而受镉毒害的玉米幼苗
根尖膨大变褐继而腐烂[15]。然而，所有这些有关
Cd 对植物生长和毒害的研究大都是通过水培、
沙培或盆栽的方法来研究 Cd 对完整植株生长的
影响，少见有关 Cd 对细胞培养物如愈伤组织或
毛状根生长影响的系统研究报道，未见有关重金
属 Cd对南美蟛蜞菊W. trilobata毛状根生长影响
及其Cd耐受能力研究的报道。Fornazier 等发现，
低浓度 (0.01~0.1 mmol/L) CdCl2 能明显促进甘
蔗 Saccharum officinarum L. 愈伤组织的生长，
但高浓度 (0.5~1 mmol/L) CdCl2则强烈抑制其生
长[16]。这与本实验的结果不完全一致。在本实验
施和平 等/外源钙对镉胁迫下南美蟛蜞菊毛状根生长、抗氧化酶活性和镉吸收的缓解效应
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759
中，培养基中 Cd≤50 μmol/L 时能促进南美蟛蜞
菊毛状根生长，而高于 100 μmol/L Cd 则抑制毛
状根生长，使其侧根短小，根尖发褐或变黑，浓
度越高抑制越重甚至产生毒害。所不同的是，在
本实验中，无论是低浓度还是高浓度 Cd 培养南
美蟛蜞菊毛状根，培养 10 d后其主、侧根都变
粗，分支较对照少；根体由浅红色变成紫红色；
之后，随着培养时间的延长和培养基 Cd浓度的
加大，毛状根根尖逐渐变黄，直至发褐或变黑。
然而，张艳等[17]液体培养黄瓜毛状根时发现，
Cd≤10 mg/L能促进毛状根生长，并使根增粗，
而 Cd≥15 mg/L 才抑制黄瓜毛状根生长，使根
变得十分短而小，根尖膨大但不变褐，根表面
变红。此外，Cd≤50 µmol/L几乎不影响褐脉少
花龙葵毛状根的生长，甚至还能略促进生长；
但≥100 µmol/L高浓度 Cd则开始抑制生长，且
浓度愈高抑制作用愈明显，使毛状根侧根根尖变
褐变短，数目减少[18]。这与本实验的结果不完全
一致。而这种差异表明重金属 Cd 对植物毛状根
生长及毒害影响的程度不仅具有剂量效应，而且
还可因植物或毛状根类型而异。
已有的研究表明，Cd 对植物的毒害可能是
通过损害生物体内的抗氧化保护酶 POD和 SOD
的活性及蛋白质的合成等变化表现出毒性[19]。如
低浓度 Cd能促进植物蛋白质合成，但高浓度 Cd
则对蛋白质合成起破坏或抑制作用[15]。而张利红
等在研究 Cd 污染对小麦生长和部分生理特性影
响时发现，随着 Cd 浓度的增加，小麦幼苗的
SOD、POD活性随 Cd浓度的增高而增加[20]；而
不同浓度 Cd 培养的黄瓜毛状根可溶性蛋白含量
大都随着培养时间延长而逐渐下降，但其 SOD
和 POD 活性则逐渐升高[17]。然而在高浓度 Cd
培养时，油菜 Brassica napus L. cv Drakkar植株
的抗氧化酶 SOD和 CAT活性均急剧下降；但高
浓度 Cd 也可显著降低白菜 Brassica campestris
L. ssp. chinensis (L.) Makino叶片和芦苇 Phragmite
ausralis L.幼苗的 SOD、CAT及 POD 活性[21-22]；
然而也有报道表明，在超积累植物庭荠 Alyssum
maritimum L.中，高浓度 Cd 却可提高该植物的
SOD活性[23]；而受 Cd胁迫时，印度芥菜 Brassica
juncea L.植株的抗氧化酶活性则保持恒定或几乎
不变[24]。此外，随着镉浓度增加，土培的 Cd超
富集植物圆锥南芥 Arabis paniculata Franch 的
SOD活性呈下降趋势，但其 POD和 CAT等活性
则呈先升高后降低的变化趋势[25]。而这些与本实
验的结果不一致。在本实验中，各浓度 Cd 培养
的南美蟛蜞菊毛状根的 POD和 SOD活性均随着
Cd浓度提高而逐渐升高，其中尤以 POD活性的
表现最为明显，300 μmol/L Cd 培养的毛状根
POD活性明显高于其他浓度培养的毛状根。这些
结论表明，Cd 对植物抗氧化保护酶活性的影响
程度可能与所使用的 Cd 浓度、植物类型以及毛
状根的生长特性等有关。
丙二醛 (MDA) 是植物细胞膜脂过氧化作
用的产物之一，其含量的高低在一定程度上能反
映膜脂过氧化水平和膜结构的受害程度及植株
的自我修复能力。有关 Cd 促进植物细胞膜脂质
过氧化已有不少报道。如用 10~50 μmol/L Cd培
养印度芥菜和油菜时发现，Cd 胁迫仅使油菜体
内的脂质过氧化水平增加，而印度芥菜的 MDA
含量则保持不变[24]。但扁桃 Prunus dulcis L.幼苗
在 0~150 μmol/L Cd 水培时发现，无论是根还是
叶中，高浓度 Cd 可通过提高脂质过氧化水平而
对植株产生氧化损伤[26]。而在本实验中，无论南
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美蟛蜞菊毛状根在低浓度≤50 μmol/L Cd，还是
在高浓度 (＞100 μmol/L Cd) 中培养，其 MDA
含量大都比同期对照 (不加 Cd 处理) 升高，并
且 300 μmol/L Cd 处理的 MDA含量在培养的各
个时期几乎都是最高的。而施和平等[18]报道，不
同浓度 Cd 培养的褐脉少花龙葵毛状根 MDA 含
量均比同期对照显著提高，表明 Cd 可促进毛状
根细胞膜脂质过氧化。然而，在 Cd 胁迫处理的
胡萝卜 Daucus carota L. 植株及其毛状根中并未
出现明显的膜脂过氧化[27]。这显然与本实验的结
果相反。而这种差异的产生表明 Cd 对植物细胞
膜脂过氧化的促进也可能因所使用的 Cd 浓度、
植物种类和毛状根类型等而异。
Ca 是植物生长发育必需的大量元素。已有
的研究表明，外源钙可能通过对有害矿质元素的
拮抗作用[28]、维持较高的抗氧化保护酶系统活
力 [29]以及发挥钙信使系统的功能[30]等而发挥作
用。如在镉胁迫下，玉米根部供钙可明显提高其
SOD、POD和 CAT 活性，降低其叶片丙二醛含
量[15]。而在 Cd2+毒害下，用 5 mmol/L Ca2+和
10 mmol/L Ca2+处理玉米种子后，其幼苗的 SOD
和 CAT 活性增加，而 MDA 含量逐渐下降，表
明 Ca能减少以至消除 Cd2+对种子活力和幼苗生
长的毒害作用[31]。然而，这些研究都是以完整植
物为材料，少见有关 Ca和 Cd结合对毛状根生长
影响的研究报道。在本实验中，南美蟛蜞菊毛状
根不仅能从培养基中吸收和吸附 Cd2+，而且，所
吸收和吸附的 Cd2+含量随着培养基 Cd2+浓度的
升高而增加；但外源加入 10~30 mmol/L Ca2+
后，毛状根吸收和吸附的 Cd2+含量则逐渐降低。
此外还发现，与仅添加 Cd2+培养相比，外加
10~30 mmol/L Ca2+不仅能通过离子拮抗而减少
毛状根对 Cd2+的吸收，降低其 Cd2+含量，而且可
降低毛状根可溶性蛋白含量和 MDA含量，提高
其抗氧化酶 SOD活性，降低其膜脂过氧化水平，
从而解除或减轻重金属 Cd2+对其生长的毒害。贺
迪等[22]发现，在营养液中 Cd2+浓度由 2 μmol/L
增加到 0.6 mmol/L 时，芦苇幼苗的 SOD、CAT
和 POD 等抗氧化酶活性显著降低，而加入
10 mmol/L CaCl2则可抑制 MDA 产生，并刺激
Cd2+胁迫芦苇幼苗叶片SOD和CAT活性的增强，
从而提高芦苇对 Cd2+的抗性。而这与本实验的结
果相似。这说明，外源 Ca2+可以缓解过量 Cd2+
胁迫引起的膜脂过氧化和刺激植物细胞抗氧化
酶活性的提高，从而对 Cd2+导致的毛状根生长的
抑制或毒害产生拮抗或缓解效果。
有研究表明，外源 Ca2+在逆境胁迫中的作用
可能与 Ca2+-CaM的作用或与 Ca2+在稳定细胞结
构方面发挥的作用有关[30]。而在研究 Cd2+对萝卜
Raphanus sativus L. 种子萌发和幼苗生长时还发
现，Ca2+可部分逆转 Cd2+对种子生长和 Cd2+吸收
的抑制，而 Cd2+不仅可与 Ca2+竞争 CaM的结合
位点；还可抑制 Ca2+-CaM 依赖的磷酸二酯酶的
活化，这表明 Cd2+对种子萌发的毒害是通过 Cd2+
对 Ca2+-CaM的影响而发挥作用[32]。而在我们的
结果中，外源供给 10~30 mmol/L Ca2+后，毛状
根吸收和吸附的 Cd2+含量虽比对照明显降低，或
随着培养基中 Ca2+浓度增加而降低，但含有相当
高含量 Cd2+的毛状根仍能较好地正常生长。这表
明外源加入足够 Ca2+并不能完全抑制毛状根对
Cd2+的吸收和吸附；而这是否表明在 Cd-Ca拮抗
过程中，外源 Ca2+是否是通过 Ca2+-CaM介导而
发挥作用？或者说是否通过维持细胞内 Ca2+的
低稳态水平而发挥其生理作用？重金属镉毒害
施和平 等/外源钙对镉胁迫下南美蟛蜞菊毛状根生长、抗氧化酶活性和镉吸收的缓解效应
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761
是否与通过影响 Ca2+-CaM 的功能有关则待进一
步研究。
本实验的结果表明，南美蟛蜞菊毛状根具有
较强的重金属 Cd耐受能力；而外源加入 Ca可拮
抗 Cd 对毛状根生长的抑制或毒害，减少毛状根
对 Cd 的吸收和吸附。我们的结果为今后利用具
发达根系的南美蟛蜞菊毛状根及其再生植株来
对受重金属 Cd 污染的环境进行植物修复奠定了
相关的前期工作基础并提供了可能性。
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