全 文 ：中国环境科学 2003,23(5)：503~508 China Environmental Science

紫云英(Astragalus siniucus L.)对重金属胁迫的响应

倪才英 1,3,陈英旭 1*,骆永明 2,田光明 1 (1.浙江大学环境工程系,浙江 杭州 310029；2.中国科学院南京土壤研
究所,江苏 南京 210008；3.江西师范大学地理系,江西 南昌 330027)

摘要：为探明铜冶炼厂附近农田重金属污染对冬季绿肥作物的毒害作用,通过盆栽试验,研究了浙江富阳铜冶炼厂附近的铜、锌、铅等重
金属离子混合污染的水稻土上,紫云英的生长,根、茎、叶、果各部位重金属积累量和细胞超微结构的变化.结果表明,在供试土壤重金属混
合污染下,紫云英根系生长缓慢,主根细小、侧根稀少,根瘤生长受抑制;地上部分枝减少,长势矮小,叶片黄化,花期推迟.土壤中铜、锌、铅被
紫云英吸收后主要分布于紫云英根部;根中铜含量明显高于锌和铅,茎、叶中锌含量最高,果中铜含量最低.透射电镜(TEM)观察结果表明,重
金属混合污染主要毒害叶绿体、线粒体、细胞核等细胞器的超微结构,使叶绿体膨胀变形,基粒片层解体,外膜结构消失,类囊体模糊不清,
腔内空泡化或形成大脂类;使线粒体变形、脊突膨胀或消失、外膜解体;使细胞核核膜破裂、核仁膨胀消失并与染色质凝集在一起.供试土
壤重金属混合污染对紫云英各部位细胞的破坏程度为根>叶>茎.
关键词：紫云英；毒害；重金属；超微结构
中图分类号：X171.5 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2003)05-0503-06

Response of Chinese Milkvetch (Astragalus siniucus L.) to heavy metals coercion. NI Cai-ying1,3, CHEN Ying-xu1,
LUO Yong-ming2, TIAN Guang-ming1 (1.Department of Environmental Engineering, School of Environment and
Resource Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310029, China；2.Institute of Soil Science, Chinese Academy of
Sciences, Nanjing 210008, China；3.Department of Geography, Jiangxi Normal University, Nanchang 330027, China).
China Environmental Science, 2003,23(5)：503~508
Abstract：Changes of growth morphology, heavy metals accumulation amount and cell ultrastructure of root leaf and fruit
of Chinese Milkvetch in Cu2+、Zn2+、Pb2+ heavy metal ions polluted paddy soil near Fuyang copper smelter of Zhejiang
Province were studied using pot-cultivation test, so as to ascertain the toxic damage of heavy metal pollution of farmland
near the smelter on the winter green manure crops. Heavy metals pollution of the tested soil could cause shoot growth
show, root few thin and small, root nodule growth inhibited, above-ground branch short and reduced, leaf yellow and
flower deferred. After taken up by Chinese Milkvetch, Cu2+、Zn2+、Pb2+ were distributed mainly in root with Cu content
markedly higher than that of Zn and Pb, Zn content highest in leaf and stem, Cu content lowest in legumen. The results of
observation through TEM showed that the toxic damage from heavy metals pollution of the tested soil was mainly the
ultrastructure of the organelle (chloroplast, mitochondria and cell nucleus), causing expansion of chloroplast. Outer
membrane structure disappeared, thylakoid blurred, hollowing with big lipid appeared inside the cavity; mitochondria
deformed, cristae swelled or disappeared, outside membrane disintegrated; cell nucleolus bursted in membrane, nucleolus
swelled or disappeared and agglutinated with chromatin together. Each located cell of Chinese Milkvetch in the polluted
soil sample was damaged in the order root>leaf>stem.
Key words：Chinese Milkvetch；toxic damage；heavy metals；ultrastructure

近年来,重金属对植物的生理功能、生物有
效性及其毒害作用的研究已越来越多,对重金属
污染土壤上(胁迫条件下)植物体内(不同器官内)
重金属的积累和分布、植物地上部分和地下部分
的形态变异等已有较多报道[1,2],同时还有一些
胁迫条件下植物超微结构等的报道[3-4].但这些
研究还不深入,而且大部分是在单一重金属污染,
或实验溶液培养条件下进行的.作者以浙江省富

收稿日期：2003-01-17
基金项目：国家自然科学基金资助项目(40271060);浙江省自然科学
基金资助项目(402017)
* 通讯联系人
504 中 国 环 境 科 学 23卷
阳市环山乡铜冶炼厂附近污染水稻土为对象,研
究了铜、锌、铅等重金属离子混合污染下紫云英
生长发育情况及亚细胞结构的变化.
1 材料与方法
1.1 供试土壤
分别采自浙江大学华家池校区试验田(1 号
土),浙江富阳环山乡铜冶炼厂附近水稻田(2 号
土)和 0~20cm的表层土壤,土样经风干后除去植
物残体,过 2mm筛,均匀,装盆.土样基本理化性质
见表 1. 1号土为对照土,2号土为铜、锌、铅混合
污染土.

表 1 土样基本理化性质
Table 1 Basic properties of tested soils
Cu (mg/g) Zn (mg/g) Pb (mg/g)
土样号
pH值
(水提) 有机质(%) CEC(cmol/kg) 总量 有效量 总量 有效量 总量 有效量
1 7.35 1.90 8.20 28.31 7.80 51.54 15.73 19.77 9.57
2 7.88 3.44 8.28 1247.75 206.61 1524.08 76.68 1036.61 110.25
注: 总量为HF-HNO3-HClO4消化,有效量为0.005mol/L DTPA提取

1.2 供试植物
紫云英 ,品种为余江大叶子 (Astragalus
siniucus L.).
1.3 试验方法
1.3.1 盆栽试验 装土 1.5kg,基肥为尿素和磷
酸二氢钾 (N:P:K=75:40:50),紫云英种子于室内
育苗至 2~3片叶时移栽,每钵 8株,生长期为 2001
年 12 月 25 日~2002 年 5 月 26 日,分别于 2002
年 1月 31日和 4月 15日追肥,用量同基肥.整个
生育期水分管理一致.试验设 2 组一一对照与污
染组,每组 4重复.收获时测定植株各部位重金属
含量.
1.3.2 透射电镜观察 在营养生长后期(开花前)
采集紫云英根(离根尖 5mm),茎(近叶端),叶(新叶),
清洗干净,经常规方法制样,切片,染色后供 JEOL
TEM-1200EX电镜观察,工作电压 60kev.
1.3.3 样品消化 植株洗净后,烘干,王水消化.
1.3.4 重金属离子测定 用 PERKIN ELMER
的 AA100型原子吸收分光光度计测定滤液中重
金属离子浓度.
2 结果
2.1 紫云英生态指标的响应
前人[5]研究表明,铜对紫云英的影响主要表
现在抑制根系生长、妨碍根瘤发生、影响养分吸
收和植株生长发育等方面.作者研究结果表明,对
照紫云英的根粗大,侧根多,且有很多根瘤分布于
侧根上,地上部生长旺盛,叶色嫩绿,植株高、分枝
多,受供试土壤中重金属混合污染后,主根变得
细小,侧根稀少,根瘤生长受限制,地上部长势矮
小,叶片部分泛黄,分枝减少.这与前人的研究结
果一致.一般认为叶片失绿有缺铁性失绿和缺氮
性失绿 2 种[6],作者在叶片失绿后增施氮肥,叶片
全部转绿 ,说明受供试土壤中重金属混合污染
的紫云英失绿为缺氮性失绿,这可能是因为铜、
锌、铅等重金属污染抑制根系结瘤固氮所致.
2.2 紫云英各器官中重金属分配响应
由表 2 可见,对照植株内铜、锌的分布为根>
果>茎、叶,与对照植株相比,污染植株体内铜、
锌、铅含量普遍有大幅度提高,增加至 1.39~44.56
倍,其中增加最多的是根中铜,增加最少的是果中
锌.铜、锌、铅增加幅度大小顺序为铜>铅>锌.
比较铜、锌、铅在紫云英根、茎、叶、果的
含量,可发现根中铜的含量大于锌,锌大于铅,茎、
叶中3者含量关系为锌>铜>铅,果中为锌>铅>铜.
5期 倪才英等：紫云英(Astragalus siniucus L.)对重金属胁迫的响应 505
表 2 紫云英各部位重金属含量(mg/g)
Table 2 Distribution of heavy metals in Chinese Milkvetch (mg/g)
Cu Zn Pb
样品
根 茎叶 果 地上/地下 根 茎叶 果 地上/地下 根 茎叶 果 地上/地下
对照植株 25.54 13.35 18.35 0.52 147.68 79.20 90.10 0.54 31.30 27.50 11.70 0.88
污染植株 1138.16 96.79 34.50 0.09 864.49 214.89 124.94 0.25 279.64 84.26 92.86 0.30
注: 地上/地下为茎叶含量/根含量;果包括荚和籽

2.3 紫云英细胞超微结构的响应
2.3.1 根细胞超微结构的变化 因为紫云英吸
收的重金属主要积累在根部,所以根部应该是最
先受害且受害最深的部位[7].图 1 是两种供试土
壤中紫云英根细胞超微结构变化的TEM电镜照
片.


图 1 紫云英根细胞超微结构
Fig.1 Ultrastructural pictures of the root of Chinese Milkvetch
A 对照细胞, ´7500 B 污染细胞核, ´7500 C 对照细胞线粒体和内质网, ´30000 D 污染线粒体, ´30000 E 对照液泡, ´15000
F 污染液泡, ´20000 G 污染细胞, ´40000 H 污染细胞, ´40000
W 细胞壁 M 线粒体 N 细胞核 Nu 核仁 V 液泡 Ch 叶绿体 Cr 晶形物 E 内质网(下同)

由图 1 可看出,重金属混合污染对紫云英根
细胞的伤害主要表现在细胞核、线粒体、内质网
等细胞器和细胞膜与细胞壁上,正常根细胞的细
胞核核仁边缘清晰,核质分布均匀,核膜清楚(图
1A).供试土壤重金属混合污染对细胞核的破坏
使细胞核核仁散开,并与染色质凝集在一起,部分
核外膜溶解(图 1B).对照细胞的线粒体脊突呈管
状,间质浓密(图 1C).供试土壤重金属混合污染使
5期 倪才英等：紫云英(Astragalus siniucus L.)对重金属胁迫的响应 507
含量下降,使受破坏的叶绿体被膜、类囊体膜和
核膜无法得到及时修复行使正常功能,所以最终
将影响植物的光合作用、呼吸作用等的正常进行,
导致细胞生理功能紊乱,甚至使细胞死亡.

图 3 紫云英叶细胞超微结构
Fig.3 Ultrastructural pictures of the leaves of Chinese
Milkvetch
A 对照叶绿体, ´15000 B 污染叶绿体, ´6000 C 对照线粒体
´20000 D 污染线粒体, ´15000

前人研究[10]指出叶绿体的超微结构与光合
功能密切相关;当叶绿体被膜出现明显破坏和基
质类囊体明显空泡化时,意味着叶绿体逐步丧失
光合功能.紫云英茎叶细胞经供试土壤重金属混
合污染的毒害后,叶绿体膨胀变形,类囊体排列紊
乱,被膜消失和空泡化,已直接影响到光合作用的
正常进行.作者还发现在同一个细胞中,即使是同
一细胞器(叶绿体)对同一种逆境胁迫的反应也
不同(图 2B,图 2C,图 2D),这种对逆境反应的不同
步性,可保证细胞在逆境下适应性生理调节和正
常生理功能的同时进行,对提高植物对逆境的
抵抗力有重要意义.
王爱国等人[11]指出植物细胞线粒体的膜脂
脂肪酸不饱和程度较高,线粒体又是高效率利用
分子氧的亚细胞器,部分基态分子氧能在线粒体
内膜进行单电子还原成超氧物自由基.徐勤松[9]
的研究指出重金属胁迫严重破坏了体内抗氧化
酶系统,尤其是 SOD 的活性,这必将使植物体内
高度积累的 O2?启动并加剧膜脂过氧化作用,从
而破坏膜的通透性,导致线粒体脊突的膨胀和空
泡化等致死性损伤.而线粒体的脊突变大和内容
物减少,将使主要集中在可溶性衬质中的三羧酸
循环所需酶的附着面减少,使细胞呼吸减弱,导致
有氧糖代谢受阻[12],这表明重金属抑制了线粒体
的正常生理功能,破坏了线粒体内的氧化磷酸化
循环和电子传递系统,最终将导致细胞呼吸作用
减弱.因此,紫云英根叶细胞线粒体在供试土壤重
金属胁迫下的脊突膨胀、消失,外膜溶解将影响
线粒体的正常生理功能和呼吸作用的正常进行.
细胞核控制着蛋白质的合成和细胞的生长、
发育和遗传[13].紫云英染色质的凝集和核仁解体
可能是由于供试土壤中重金属离子渗入细胞后
与细胞核内的核酸等大分子物质结合 ,从而使
DNA 凝集,导致染色体断裂和畸变[14],是对细胞
核的不可逆损伤.细胞核作为细胞生命活动的调
控中心,对它的破坏将使细胞的生命活动紊乱,最
终导致细胞死亡.
4 结论
4.1 重金属混合污染对紫云英根细胞的破坏主
要表现在细胞核、线粒体、细胞膜、细胞壁和液
泡上,它使细胞核核仁溶解消失,线粒体脊突部分
消失、部分膨胀呈圆形,细胞膜内陷,细胞壁增厚,
液泡内出现晶形物.
4.2 重金属混合污染对紫云英茎细胞的破坏主
要表现在使叶绿体变形、基粒片层消失、类囊体
紊乱,或叶绿体内出现大的脂质颗粒,基粒结构模
糊不清.
4.3 重金属混合污染对紫云英叶细胞的破坏主