全 文 ：文章编号:0253-2468(2004)02-0343-06　　　中图分类号:X503.233　　　文献标识码:A
铜 、镉及其交互作用对泡泡草细胞超微结构的
影响
倪才英1 , 2 , 李　华1 , 骆永明1 , 陈英旭2　(1.中科院南京土壤研究所 ,南京　210008;2.浙江大
学环境工程系 ,杭州　310029)
摘要:为了解铜 、镉对泡泡草根 、茎 、叶细胞亚显微结构的毒害及作用位点 ,以期为进一步研究鸭跖草属植物的耐重金属机理
提供理论基础 ,本文通过透射电子显微技术研究了 75μmol·L-1铜和 50μmol·L-1镉及其交互污染对泡泡草根 、茎 、叶细胞超
微结构的影响和铜 、镉在细胞中的分布.结果表明:75μmol·L-1铜和 50μmol·L -1镉均对泡泡草根细胞造成明显损伤.铜使根
细胞产生质壁分离 、细胞质浓缩 、部分细胞空泡化,使线粒体脊突消失 、结构模糊 、外膜破坏;镉使根细胞空泡化 ,并在部分空
泡化的细胞里产生大小不等的颗粒状物;铜 、镉交互污染使根细胞受害程度加深, 并兼有两者的受害症状特征:线粒体结构
彻底破坏 、空泡化细胞里的颗粒物更大电子密度更高 、质壁分离现象更普遍 、质膜上的颗粒物沉淀更大.铜 、镉及其交互污染
使泡泡草茎细胞产生质壁分离 ,对叶细胞无明显伤害.所以铜 、镉及其交互作用在试验浓度下 ,对泡泡草各器官的损伤程度
为根>茎>叶.
关键词:鸭跖草;铜;镉;细胞;超微结构
The influence of copper , cadmium and their combined pollution on ul-
trastructure of Commelina bengalensis Linn
NI Caiying
1 , 2 , LI Hua1 , LUO Yongming1 , CHEN Yingxu2 　(1.Institute of Soil Science , Chinese Academy of Sciences ,
Nanjing　210008;2.Department of Enviromental Engineering ,Zhejing University ,Hangzhou　310029)
Abstract:A hydroponical experiment was carried out to study the toxicity of copper , cadmium and their combined pollution on ultrastructure of
Commelina bengalensis Linn.Transmission ElectronMicroscope(TEM)was used to investigate the effect of heavy metal on ultrastructure of
different parts of plants.Result showed:serious damage was found with Copper of 75μmol·L-1 and Cadmium of 50μmol·L-1 individually
and also with both heavy metals present.Plasmolysis, concentrated cytoplasm, disappear ance of the cristae of mitochondria , ambiguity of
f ramework and destruction of mitochondria envelope were all symptoms of root cells under Cu stress;hollowing cells was also found inCd treat-
ment , and there existed some different granule in these hollowing cells.Plasmolysis was found in all treatments in part cells of stem , but no
damage was detected in cells of leaves.The damage degree to organs of Commelina bengalensis Linn was as follows:root>stem>leaves.
Keywords:cadmium;cell ultrastructure;copper;Commelina bengalensis Linn
收稿日期:2003-05-12;修订日期:2003-09-21
基金项目:国家自然科学基金(40125005 ,40271060);国家重点基础研究发展规划(2002CB410810 09)
作者简介:倪才英(1968—),女 ,副教授(在职博士),现工作单位为江西师范大学 , nicaiying@zju.edu.cn
有些植物能在铜浓度足以杀死多数其它植物的土壤上正常生长 ,并在体内积累很高浓度
的铜 ,如 Aeolanthus biformifolius积累的铜可达 13700mg·kg-1 [ 1] ,这说明有些植物存在某种耐铜
机制.研究植物的耐 Cu机制 ,对农业生产 、Cu污染区的植物修复以及采矿 、生物冶金等生产活
动都具有重要意义[ 2] .
自从唐世荣和束文圣[ 3 , 4] 发现鸭跖草对重金属铜具有相当的累积和忍耐能力以来 ,鸭跖草
对铜等重金属的耐性和积累机制引起人们的关注.为了弄清鸭跖草对铜的积累机制 ,唐世荣用
第 24 卷第 2期
2004 年3 月
环　境　科　学　学　报
ACTA SCIENTIAE CIRCUMSTANTIAE
Vol.24 , No.2
Mar., 2004
DOI :10.13671/j.hjkxxb.2004.02.030
分级离心的方法研究了铜在鸭跖草细胞各组分中的分配 ,结果表明铜主要集中在叶片的中性
小分子 、残余蛋白质 、多糖及细胞壁上的纤维素 、木质素和水活性部分[ 1] .近年来 ,研究重金属
在植物细胞中的微区分布已成为探究植物耐性机理的热点[ 5 , 6] .为探明铜在鸭跖草属植物细胞
中的分布位点及其耐铜的具体表征状况 ,本研究通过电子显微镜技术研究了铜对鸭跖草属植
物泡泡草细胞的毒害情况和分布位点 ,同时对镉及铜 、镉混合污染的毒害情况作了研究 ,并比
较了其与铜单一毒害程度和方式的差异性.
1　材料与方法
1.1　材料　泡泡草(Commelina bengalensis Linn.)采自中国科学院南京土壤研究所内.
1.2　方法
1.2.1　植物培养　在育苗盘内挑选生长一致泡泡草植株 ,移栽于盛有 1 2完全营养液浓度的
塑料容器中培养.营养液组成(单位均为μmol·L-1):Ca(NO3)2 1000 ,MgSO4 500 ,K2HPO4 50 ,KCl
100 ,H3BO3 10 ,MnSO4 1.8 ,Na2MoO4 0.2 ,CuSO4 0.31 ,NiSO4 0.5 ,ZnSO4 5 ,Fe(Ⅱ)-EDTA 50.植物培
养于 25℃ 12 h光照 、20℃ 12 h黑暗 ,相对湿度60%～ 70%、光照强度不小于 10000 lx的人工培
养室中.试验采用容积为 2.5 L 的塑料容器培育植株 ,每个容器定植1株.植株在 1 2营养液浓
度下预培养 1周后采用含有不同处理营养液进行培养.营养液每 3 d更换 1次.处理设(1)Cu
0.31μmol·L-1(植物正常生长所需铜水平 ,对照)、(2)Cu 75μmol·L-1 、(3)Cd 50μmol·L-1 、Cu
0.31μmol·L-1 、(4)Cd 50μmol·L-1 、Cu 75μmol·L-1 ,以 Cd(NO3)2 ,CuSO4·5H2O 的形式提供.各
处理均设 4次重复 ,随机排列.
1.2.2　样品处理及电镜观察　在培育 60 d时采集泡泡草根中段 、茎中段 、顶部第 3片叶(去叶
脉),切成 1 ～ 2mm2小块 ,依次进行如下处理:①用 4%戊二醛(0.2 mol·L-1 PBS 缓冲液配)抽
真空于 4℃固定 30 ～ 60min ,换新鲜戊二醛固定 6 ～ 8 h;②用磷酸缓冲液(pH为 7.2的 PBS)洗
涤3次.每次 20 ～ 30min;③用 1%OsO4(锇酸 ,双蒸水配制)固定 1 h;④用 PBS 缓冲液洗涤 3
次 ,每次 20 ～ 30min;⑤用不同浓度的乙醇(50%,60%,70%,80%, 90%,95%)逐级脱水 ,每级
脱水 15min , 100%乙醇再脱水 20min两次;⑥用乙醇与环氧丙烷置换乙醇 ,再换纯环氧丙烷
放置 1 h;⑦进行环氧树脂(Spurr′s)包埋渗透.经 70℃聚合 48 h后用超薄切片机切成80 nm 的
薄片 ,双重染色后在 JEOL TEM-1200EX电镜观察照像.细胞观察类型:根茎为皮层细胞 ,叶为叶
肉细胞.
2　结果
2.1　根细胞的受害情况
2.1.1　铜对泡泡草根细胞的毒害　对照根细胞胞质均匀 ,无质壁分离 ,细胞核 、线粒体等细胞
器结构正常(图 1 ,A 、B).在铜污染下 ,细胞结构产生明显变化.线粒体结构模糊 ,脊突消失(图
1C);液泡膜上可见明显黑色颗粒物沉积(图1D);质壁分离现象明显 ,部分细胞质浓缩在一起 ,
内含物模糊不清(图 1E);有些细胞已空泡化 ,并在膜上可见黑色沉积物(图 1F).
2.1.2　镉对泡泡草根细胞的毒害
在镉污染下 ,部分细胞已空泡化 ,在有些空化的细胞里 ,有大小不等的黑且圆的颗粒物出
现(图 2A);部分细胞液泡里产生较多的黑色沉积(图 2B),少量细胞质中有大量空泡出现(图
2C).但细胞核 、线粒体等细胞器结构正常 ,与对照没有明显差异(图未列).在切片的过程中发
344 环　　境　　科　　学　　学　　报 24 卷
图 1　铜污染下鸭跖草根细胞的结构变化
(A.对照细胞核 , ×5000;B.对照线粒体 , ×20000;C.铜污染线粒体 ,脊突消失 ,结构模糊, ×25000;D.铜污染液泡 ,膜上有
黑色沉淀 , ×12000;E.铜污染细胞,示细胞质浓缩 ,质壁分离 , ×12000;F.铜污染细胞 ,示细胞空泡化 , ×6000)(W.细胞
壁 , M.线粒体 , N.细胞核 , Nu.核仁 , V.液泡 , Ch.叶绿体(下同))
Fig.1　Changes of cell ultrastructure of Commelina bengalensis Linn root under Cu pollution
(A.Nucleus of ck , ×5000;B.Mitochondria of ck , ×20000;C.Mitochondria in cell polluted by Cu, showing cristae disappeared,
×25000;D.Vacuoles in cells polluted by Cu , showing electron dense on tonoplast , ×12000;E.Cell polluted by Cu , showing plasmol-
ysis and cytoplasm condensed , ×12000;F.Hollowed cells polluted by Cu , ×6000.)
现该处理样品很容易散开 ,电镜观察时发现较多细胞壁断裂 ,说明镉增加了细胞壁的脆性 ,使
细胞不耐外界作用力.
2.1.3　铜 、镉混合作用对泡泡草根细胞的毒害
在铜 、镉混合作用下 ,细胞的受害程度明显加重.在细胞里可见多个线粒体的分解 ,线粒体
结构遭到彻底破坏(图 3A);细胞空泡化现象加重 ,空化的细胞里均有黑色圆粒 ,较镉污染内圆
粒更大色更深(图3B);质壁分离在较多细胞里发生 ,细胞核有核质凝集现象发生(图3C);细胞
膜内侧可见大颗粒黑色沉积物(图 3D).在电镜观察时发现细胞壁断裂明显.
2.2　茎叶细胞的受害情况
对照茎细胞叶绿体呈长椭圆形 ,片层结构清晰 ,分布于细胞边缘 ,贴于细胞壁 ,少量细胞有轻
微的质壁分离现象(图 4A),细胞核核质均匀 ,有少量色深的异染色质分布其中(图4B),线粒体结
构清楚 ,脊突明显 ,外膜完好 ,液泡透明 ,外膜色淡无沉积(图 4C).在铜污染下 ,有些细胞的液泡有
粒状沉积物(图 4D),部分细胞出现质壁分离现象(图 4E).镉污染下 ,叶绿体 、线粒体和细胞核等
细胞器结构与对照无明显改变 ,但质壁分离现象较普遍(图4F ,图4G).铜 、镉混合作用下 ,与镉污
3452 期 倪才英等:铜 、镉及其交互作用对泡泡草细胞超微结构的影响
图 2　镉污染下泡泡草根细胞的结构变化
(A.镉污染细胞 ,示空泡化后有黑色颗粒出现 , ×5000;B.镉污染液泡 ,液泡内黑色沉积 , ×20000;C.镉污染细胞 ,细胞质
内出现大量小泡 , ×5000)
Fig.2　Changes of cell ultrastructure of Commelina bengalensis Linn root under Cd pollution
(A.Ball electron dense particles in hollowing cells polluted by Cd , ×5000;B.Dark electron dense particles inside vacuole polluted by
Cd , ×20000;C.Vesicles happened in cytoplasm polluted by Cd, ×5000 .)
图 3　铜 、镉混合污染下泡泡草根细胞的结构变化
(A.结构已破坏的线粒体 , ×25000;B.空泡化细胞内的黑色大颗粒 , ×5000;C.质壁分离 , ×5000;D.质膜上
大颗粒沉积 , ×4000)
Fig.3　Changes of cell ult rastructure of Commelina bengalensis Linn root under Cu with Cd pollution
(A.Mitochondria were destroyed severely in cell polluted by Cu and Cd , ×25000;B.Electron dense pellets appeared in
hollowing cell polluted by Cu and Cd , ×5000;C.Plasmolysis happened in cells polluted by Cu andCd , ×5000;D.Big
dark pellets on the plasmamembrane , ×4000)
染的情况相类似 ,除质壁分离现象较普遍外 ,细胞器结构未见显著改变(图 4H).
在电镜观察中 ,未发现 75μmol·L-1的 Cu , 50 μmol·L-1的 Cd 或 75μmol·L-1的 Cu 与
50μmol·L-1 的 Cd共同作用对鸭趾草叶细胞结构产生破坏 ,说明培养期间内给定浓度的铜或
镉均对泡泡草的叶不造成伤害.
3　讨论
以上结果表明 ,75μmol·L-1铜和 50μmol·L-1镉均对泡泡草的根产生毒害 ,在外观上两者
毒害症状相同 ,使根变得又黑又短 ,似腐烂状 ,但在细胞结构上两者的毒害症状有所不同.铜对
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图 4　铜 、镉及其混合污染下泡泡草茎细胞的结构变化
(A.对照叶绿体 , ×15000;B.对照核 , ×7500;C.对照线粒体和液泡 , ×30000;D.铜污染液泡 ,示液泡内及膜上黑色
小粒沉积 , ×6000;E.铜污染细胞 ,质壁分离 ,但叶绿体正常 , ×7500;F.镉污染细胞 , 质壁分离 ,但叶绿体和线粒体
正常 , ×12000;G.镉污染细胞 ,核正常 ,但质壁分离严重 , ×5000;H.铜 、镉污染细胞 , 质壁分离和正常叶绿体 、线粒
体 , ×7500)
Fig.4　Changes of cell ultrast ructure of Commelina bengalensiss Linn stem under Cu wi th or without Cd pollution
(A.Chloroplast of ck , ×15000;B.Nucleus of ck , ×7500;C.Mitochondria and vacuole of ck , ×30000;D.Vacuole in cell
polluted by Copper , showing black pellet inside vacuole and on tonoplast , ×6000;E.Cell polluted by Copper , showing plasmol-
ysis , ×7500;F.(×12000)and G(×15000)plasmolysis in cells polluted by Cd , but Chloroplasts , Mitochondria and Nucleus
are normal , ×5000;H.Plasmolysi s appeared in cell polluted by Cu and Cd , ×7500)
泡泡草根细胞的损伤主要表现在使线粒体脊突消失 ,结构破坏;使细胞质壁分离加重 ,部分细
胞空泡化;但对细胞核未见明显伤害.铜污染产生的电子密度主要分布于根细胞的液泡膜和质
膜 ,说明铜主要伤害细胞的膜系统 ,这与Ouzounidou 的结果相一致[ 7] .镉对泡泡草根细胞的损
伤则主要表现于使根细胞空泡化;使部分细胞质内出现小空泡;使细胞壁变脆.镉在根细胞中
的电子云密度颗粒主要见于液泡内.液泡区隔化是植物耐重金属的重要机制之一[ 8 , 9] ,所以推
测泡泡草在50μmol·L-1的镉污染下 ,地上部仍能正常生长 ,与镉在根细胞中进入液泡 ,减少了
向地上部运输有密切关系.在电镜观察中未见镉明显在膜系统沉积 ,且主要由膜组成的细胞器
如线粒体和叶绿体未见显著毒害症状 ,这与李荣春的镉主要破坏细胞的膜结构结论不一
致[ 10] ,说明同一种重金属在不同的植物体上的表现是不同的.
铜 、镉混合作用明显加重了泡泡草根细胞的受害程度 ,并使根细胞的受害症状兼有铜 、镉
两者的特征 ,如使线粒体结构破坏加重(图 3A),细胞空泡化程度加深(图 3B),质壁分离现象
更普遍(图 3C),质膜内侧沉积颗粒更大(图 3D),细胞壁断裂明显 ,并且使在铜 、镉单独污染下
3472 期 倪才英等:铜 、镉及其交互作用对泡泡草细胞超微结构的影响
均未出现受害症状的细胞核也表现出了核质凝集现象.核质凝集是植物细胞受重金属毒害较
深时所表现的受害症状[ 11] ,所以可以认为铜 、镉在对鸭跖草根细胞的损伤时 ,产生了协同作
用.
铜 、镉及其混合污染在泡泡草茎叶外观上无明显伤害症状 ,通过电镜观察细胞超微结构时
发现 ,它们对茎细胞的伤害主要是使茎细胞产生质壁分离 ,对叶细胞无明显破坏(图未列).所
以在培养期间 ,泡泡草各器官受害程度是根>茎>叶.
细胞超微结构的观察表明 ,泡泡草在75μmol·L-1铜浓度下 ,已受到毒害 ,说明耐性或超积
累植物对重金属的忍耐有一定限度.这个极限的存在提醒人们在进行水体或土壤污染的植物
修复时应考虑所选植物本身的耐性程度.此外 ,泡泡草除了对铜具有较高抗性外 ,对镉也有较
好的耐性 ,可用于铜或镉污染区的修复.
致谢:电镜观察在浙江大学实验中心电镜室完成 ,感谢电镜室老师们的帮助!
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