全 文 ：Hg
2+对萍蓬草光合膜超微结构及功能的影响
解凯彬 ,施国新 ,陈国祥 ,刘　双 ,蒋　勇　(南京师范大学 生命科学学院 ,江苏 南京　210097)
摘要:研究了不同浓度的Hg2+对萍蓬草离体类囊体膜的光合电子传递活性 、吸收光谱 、荧光发射光谱 、
多肽组分的影响及超微结构的毒害。结果表明 ,Hg2+对 2 个光系统的电子传递活性均有抑制作用 , 且对
PSⅠ的抑制作用较 PSⅡ大。Hg2+处理导致类囊体膜在红光和蓝紫光区域的吸收峰都有下降 , 类囊体膜
在波长 685 nm 处的荧光发射峰随 Hg2+浓度升高也呈下降趋势。Hg2+处理并未使类囊体膜的多肽组分
发生明显变化。在 10 mmol·L-1 Hg2+毒害下 , 类囊体片层结构肿涨 , 基质减少 ,且随着毒害时间的延长 ,
类囊体片层结构肿涨加剧 ,进而解体 , 基质进一步减少。
关键词:Hg2+;萍蓬草;类囊体膜;电子传递活性;多肽组分;超微结构
中图分类号:Q945;X503　　文献标识码:A　　文章编号:1001-5906(2002)01-0026-05
Effects of Hg2+ on Ultrastructure and Function of Photosynthetic Membrane of Nuphar pumilum DC.Xie
Kaibin et al(College of Life Science , Nanjing Normal University , NANJING 210097):Rural Eco-Environment , 2002 ,
18(1):26-30
Abstract:Effects of Hg2+, varied with concentration , on electron transport activity of photosystem , absorption spec-
trum , fluorescence emission spectrum at room temperature , polypeptide compositions and ultrastructure of thylakoid
membrane of Nuphar pumilum DC.were studied.Hg2+ inhibited the electron transport activity of PSⅠ and PSⅡ and
the effect was stronger on PSⅠ than on PSⅡ.For the Hg2+ treatment , its absorption peaks were at 430 nm and 680
nm and its fluorescence peak , too , at 685 nm , but the Hg2+ treatment did not affect its polypeptide composition.Treat-
ment with 10 mmol·L-1 Hg2+caused thylakoid swell and stroma reduce in chloroplast.With the time of the treatment
extending , thylakoid swelled further and eventually decomposed.As a consequence , stroma further reduced as well.
Key words:Hg2+;Nuphar pumilum DC.;thylakoid membrane;electron transport activity;polypeptide composi-
tions;ultrastructure
　　随着水环境污染的日趋严重 ,重金属离子
日益成为水生植物生长的重要的胁迫因子 ,
Hg2+是自然生态环境中一种毒性较强的重金
属离子 ,它对植物的光合作用 、光合电子传递活
性都有明显的抑制作用[ 1-3] ,但对其作用部位
及作用机理目前尚不明确 ,有关Hg2+对光系统
作用机理的研究也涉及甚少。本实验以苏南地
区水域常见的水生经济植物萍蓬草(Nuphar
pumilum DC.)为材料 ,研究了不同浓度的 Hg2+
对其离体类囊体膜的光合电子传递 、吸收光谱 、
荧光发射光谱及多肽组分 、叶绿体超微结构的
影响 ,并与 Hg2+对陆生植物菠菜类囊体膜的影
响加以比较 ,以探讨 Hg2+对水生植物光合系统
的毒害机理 。
1　材料和方法
1.1　材料
萍蓬草采自南京师范大学生命科学学院花
房水生植物培育池。
基金项目:国家自然科学基金(39770046);江苏省教育委员会
高校科研项目(1999SWX0000SJ1)
收稿日期:2001-06-25
农村生态环境　2002 , 18(1):26-30　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Rural Eco-Environment
1.2　方法
1.2.1　类囊体膜的制备　参照 Dunahay[ 4]等的
方法制备 。
1.2.2　Hg2+处理类囊体膜　在黑暗条件下 ,分
别用不同浓度的 HgCl2 溶液对类囊体膜处理 30
min后进行测定。
1.2.3　类囊体膜光系统 Ⅰ(PS Ⅰ)、光系统 Ⅱ
(PS Ⅱ)电子传递活性的测定 　参照 Coombs
等[ 5]的方法 ,采用薄膜氧电极和自动记录装置
分段测定光合电子传递链 PS Ⅰ还原能力 、PS Ⅱ
放氧活性 ,叶绿素的放氧量以 μmol·(mg·h)-1
表示 ,并计算不同浓度处理后其活性的抑制百
分率 。
测定时 ,PS Ⅰ反应液组分为:叶绿素 27 μg·
ml-1 ,蔗糖0.5 mmol·L-1 , 3(羟甲基)甲基甘氨
酸-NaOH(pH 7.6)50 mmol·L-1 ,MgCl2 5 mmol·
L-1 ,甲基紫精(MV)0.5 mmol·L-1 , NH4Cl 5
mmol·L-1 ,抗坏血酸钠 2 mmol·L-1 , 2 ,6-二氯
酚靛酚(DCIP)0.5 mmol·L-1 , 3 ,4-二氯苯基二
甲脲(DCMU)2 mmol·L-1;PS Ⅱ反应液组分为:
叶绿素 27 μg·ml-1 ,蔗糖 0.5 mmol·L-1 ,二甲基
苯醌 5 mmol·L-1 , 3(羟甲基)甲基甘氨酸 -
NaOH(pH 7.6)50 mmol·L-1 ,MgCl2 5 mmol·L-1 ,
K3Fe(CN)6 5 mmol·L-1 ,联苯胺 1mmol·L-1 。反
应温度 20 ℃,光强 1 200μmol·(m2·s)-1 。
1.2.4　类囊体膜吸收光谱的测定　用 UV-
754分光光度计测定类囊体膜的吸收光谱 ,测
定时叶绿素含量为10 μg·ml-1。
1.2.5　类囊体膜荧光发射光谱的测定　用岛
津 RF-540型荧光分光光度计测定室温条件下
类囊体膜的荧光发射光谱 。测定时激发波长
480 nm ,狭缝 10 nm ,叶绿素含量为 4μg·ml-1 。
1.2.6　类囊体膜多肽组分分析　参照 Laemm-
li[ 6]的方法用分离胶浓度为 12%的SDS-PAGE
分离多肽组分。
1.2.7　超微结构　分离的叶绿体用戊二醇固
定 ,Epon 812 包埋 ,柠檬酸铅 -醋酸双氧铀染
色 ,Hitachi600-A-2电镜下观察 、拍片 。
2　结果
2.1　Hg2+对萍蓬草类囊体膜 PSⅠ 、PSⅡ电子
传递活性的影响
由表 1可看出 ,Hg2+对萍蓬草类囊体膜的
铁氰化钾(Fecy)光还原活性 、MV光还原活性都
有抑制作用 ,Hg2+浓度为 1 mmol·L-1时 , PS Ⅱ
的放氧活性被抑制了 56.3%,PS Ⅰ的 MV光还
原活性则被抑制了72.9%,这一结果表明Hg2+
对 PS Ⅰ的抑制作用比对 PS Ⅱ的大[ 4] 。
表 1　Hg2+对萍蓬草内囊体膜光电子传递活性的影响
Table 1　Effect of Hg2+ on photosynthetic electron transport activity of thylakoid membrane in Nuphar pumilum
c(HgCl2)/mol·L -1
PSⅡ(H2O※Fecy)
放氧活性/μmol·(mg·h)-1 抑制率/ %
PSⅠ(DCIP※MV)
光还原活性/μmol·(mg·h)-1 抑制率/ %
0(对照) 52.69 126.45
1×10-4 51.15 2.9 121.18 4.2
1×10-3 23.05 56.3 34.25 72.9
1×10-2 7.16 86.4 15.81 87.5
27第 1期　　　　　　　　解凯彬等:Hg2+对萍蓬草光合膜超微结构及功能的影响
2.2　Hg2+对萍蓬草类囊体膜吸收光谱的影响
由图 1 不同浓度 Hg2+处理下萍蓬草类囊
体膜的吸收光谱可看出 ,随 Hg2+浓度的升高 ,
类囊体膜在红光(680 nm)和蓝紫光(430 nm)区
域的吸收峰都有下降 ,尤其在红光区域 ,吸收峰
的下降幅度较蓝光区域大 。
1.对照;2.1mmol·L-1Hg2+处理;
3.10mmol·L-1Hg2+处理
图 1　Hg2+对萍蓬草离体类囊体膜吸收光谱的影响
Fig.1　Effect of Hg2+ on absorption spectrum of
thylakoid membrane in Nuphar pumilum
2.3　Hg2+对萍蓬草类囊体膜荧光发射光谱的
影响
由图 2可以看出 ,类囊体膜在 685 nm 处的
荧光发射峰随 Hg2+浓度升高呈下降趋势 ,且较
高浓度(10 mmol·L-1)的 Hg2+处理对其影响尤
为显著。
1.对照;2.1 mmol·L -1Hg2+处理;
3.10mmol·L-1Hg2+处理
图 2　Hg2+对离体类囊体膜荧光发射光谱的影响
Fig.2　Effect of Hg2+ on fluorescence emission spectrum
of thylakoid membrane in Nuphar pumilum
2.4　Hg2+对萍蓬草类囊体膜多肽组分的影响
经 SDS-PAGE进一步分析发现 ,Hg2+处理
并未使类囊体膜的多肽组分发生明显变化(图
3)。
1.对照;2.1 mmol·L-1 Hg2+处理;
3.10 mmol·L-1 Hg2+处理
图 3　Hg2+对萍蓬草类囊体膜多肽组分的影响
Fig.3　Effect of Hg2+ on polypeptide composition of
thylakoid membrane in Nuphar pumilum
2.5　Hg2+对萍蓬草离体叶绿体超微结构的影
响
在电镜下观察可见 ,对照组离体叶绿体呈
椭圆形 ,两端微尖 ,类囊体膜清晰 ,排列整齐 ,类
囊体膜的双层膜之间呈平行排列(图 4)。10
mmol·L-1Hg2+处理 30 min后 ,叶绿体开始呈扭
曲状 ,类囊体膜之间出现分离现象 ,双层膜呈肿
胀状态 ,基质减少(图 5)。同样浓度处理60 min
后 ,叶绿体扭曲和膨胀加剧 ,类囊体膜进一步分
离 ,类囊体双层膜之间膨胀成为明显的弧线形 ,
基质进一步减少 ,叶绿体中央出现大型空腔(图
6)。10 mmol·L-1 Hg2+处理 90 min 后 ,观察到
叶绿体类囊体膜开始解体 ,在电镜下表现为大
部分膜结构模糊不清(图 7)。
28 　　　　　　农　村　生　态　环　境　　　　　　　　　　　　　　　第 18卷
图 4　对照组叶绿体超微结构(×12 000)
Fig.4　Ultrastructure of chloroplast in
the control(×12 000)
图 5　10 mmol·L-1Hg2+处理 30 min的
叶绿体超微结构(×12 000)
Fig.5　Effect of treatment of Hg2+at 10 mmol·L-1
for 30min on ultrastructure of chloroplast(×12 000)
图 6　10 mmol·L-1Hg2+处理 60 min的
叶绿体超微结构(×12 000)
Fig.6　Effect of treatment of Hg2+at 10 mmol·L-1
for 60min on ultrastructure of chloroplast(×12 000)
图 7　10 mmol·L-1 Hg2+处理 90 min的
叶绿体超微结构(×12 000)
Fig.7　Effect of treatment of Hg2+ at 10 mmol·L-1
for 90min on ultrastructure of chloroplast(×12 000)
3　讨论
Hg
2+对萍蓬草 PS Ⅰ的抑制作用较对 PS Ⅱ
大 ,而且在较高浓度下PSⅠ与 PSⅡ的活性都被
严重抑制 ,表明Hg2+在电子传递链上的作用位
点不止一处 ,这和刘双等人用菠菜试验所得结
果相同[ 7] 。Mostafa 在研究 Hg2+对单细胞藻类
毒害时发现 ,Hg2+对全电子传递和 PSⅡ介导的
电子传递都有抑制 ,而对 PS Ⅰ的电子传递速率
没有影响 ,它在不同位点阻断了电子流动 ,抑制
PS Ⅱ的活性 ,其作用位点既包括 PS Ⅱ的电子供
体端 ,又包括电子受体端[ 8] 。这表明同一种重
金属离子对不同的植物光系统的抑制作用是有
差别的 ,但 Hg2+在萍蓬草光系统电子传递链上
29第 1期　　　　　　　　解凯彬等:Hg2+对萍蓬草光合膜超微结构及功能的影响
的作用位点目前尚不够清楚。许多研究证明 ,
大多数重金属离子对 PS Ⅱ的抑制作用远较对
PS Ⅰ显著 ,PS Ⅱ是对重金属离子作用最敏感的
部位[ 9-10] ,这与本研究的结果恰恰相反 ,说明
Hg2+对萍蓬草 PS Ⅰ的抑制与其它重金属离子
如Cd2+、Cu2+ 、Zn2+、Pb2+等对光系统的作用方
式不同[ 9] 。
在室温条件下 ,叶绿体的荧光几乎全部来
自PS Ⅱ[ 7] ,Hg2+处理使类囊体膜在 685 nm 处
的荧光发射峰下降 ,可能是因为Hg2+处理改变
了类囊体膜的结构和 PS Ⅱ作用中心及光系统
Ⅱ捕光色素蛋白中叶绿素分子的结合状态 ,使
PS Ⅱ的荧光发射减少 。本实验中荧光发射的降
低是否与光化学淬灭和热耗散过程存在联系 ,
尚需在低温条件下进行检测才能加以明确。而
SDS-PAGE电泳结果显示 ,Hg2+处理并未使类
囊体膜的多肽组分发生明显变化 ,表明 Hg2+虽
然使类囊体膜的结构受损从而影响了其光化学
活性 ,但可能只是改变了膜上蛋白质的空间结
构或蛋白复合物的组成 ,而并未对其多肽组分
造成影响 。
Miles等认为 ,Hg2+对高铁氰化物 、二氯酚
靛酚(DCIP)或 MV 的光还原作用均有抑制作
用 ,而对放氧速率没有影响 ,是作为 PS Ⅱ直接
的电子受体 ,且不为二氯苯基二甲脲或其它类
似电子传递阻断所阻止[ 11] ;Xylaender M 发现 ,
Hg2+对绿藻光合作用的影响与 PS Ⅱ反应中心
中D1蛋白的代谢有关[ 12] 。Hg2+对萍蓬草 PS
Ⅱ的影响与前两者似有不同 ,其作用机理尚待
进一步研究。
Hg2+处理后 ,萍蓬草的离体叶绿体类囊体
膜出现肿胀 、解体 ,基质减少 ,膜的有序性受到
破坏 ,这和用整体材料进行长时间处理所得结
果是相一致的[ 13] 。片层膜的结构状态与各种
光化学反应的正常进行有着密切的关系[ 3] 。
Hg
2+使萍蓬草类囊体膜上参与电子传递的各
成员原有的定位和分布改变 ,导致电子传递速
率及其偶联磷酸化反应的效率降低 ,从而影响
光化学反应的进行。重金属离子对植物光合膜
超微结构的破坏和对生理功能的毒害是一致
的 。
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作者简介:解凯彬(1969—), 男 , 理学硕士 , 讲师 , 主要
从事水生经济植物生物学特性的研究。
30 　　　　　　农　村　生　态　环　境　　　　　　　　　　　　　　　第 18卷