全 文 ：云 南 农 业 科 技
Yunnan Nongye Keji2012年增刊
摘 要： 通过水培方式，采用差速离心技术和化学试剂逐步提取法研究了 Cd在续断菊(Sonchus asper
L. Hill)叶片和根中的亚细胞分布和化学形态。结果表明，续断菊体内大部分的 Cd分布在细胞壁中，
占 40%，且随着 Cd 浓度的升高，细胞壁中的 Cd 含量增大，在 20 mg/LCd处理下，无论是叶片还是
根中，细胞壁中的 Cd 含量都达到 47%，说明续断菊体内的 Cd主要贮存在细胞壁中，减少了代谢活
跃的细胞器以及膜系统上的 Cd 含量，从而使续断菊能够耐受高 Cd 胁迫。Cd处理水平的变化对续断
菊 Cd的化学形态也有明显的影响，续断菊叶片中的 Cd以盐酸提取态和 NaCl提取态为主，根系中
NaCl提取态的 Cd 含量较高，说明续断菊中的 Cd与果胶酸、蛋白质结合，从而也缓解了 Cd的危害。
关键词： 续断菊；镉（Cd）；亚细胞分布；化学形态
秦 丽，李 元，祖艳群 *，孙会仙
（云南农业大学资源与环境学院，云南 昆明 650201）
Cd 在续断菊 （Sonchus asper L. Hill）中的
亚细胞分布和化学形态研究
收稿日期： 2012－08－07
基金项目： 国家自然科学基金 （30560034）， 云南省教育
厅基金 （2010Y340）。
作者简介： 秦丽 （1979-）， 女 ， 讲师 ， 硕士研究生 ， 主
要 从 事 土 壤 重 金 属 污 染 与 修 复 生 态 学 研 究 ， E -mail：
qinli29752001@yahoo.com.cn。
*为通讯作者， E-mail： zuyanqun@yahoo.com.cn。
Cd是一种难于控制的污染物， 其毒性大、 潜伏期
长， 且能沿食物链富集， 是人们优先考虑去除的污染
物 ［1～3］。 Cd 的积累能力和生物毒性， 不仅与其总量有
关， 而且与其形态密切相关， 不同的形态产生不同的
环境效应。 Cd存在形态的研究， 有利于理解其迁移转
化机理， 阐明其生理作用特征， 因此， 确定 Cd 的活
性形态及其影响逐渐成为研究的重点。
植物类型不同对 Cd 的解毒机理可能存在很大差
异， 液泡被认为是多数植物体中贮存 Cd 的主要器
官 ［4］， 而 Cd 超富集植物东南景天吸收的绝大部分 Cd
贮存在细胞壁中， 可溶态以及细胞器中所含的 Cd 较
少 ［5］， 金属与有机酸、 蛋白质间的络合也被认为是很
多植物减少金属对植物毒性的重要途径 ［6 ］ 。 李德
明 ［7］、 周小勇 ［8］ 采用差速离心技术分别研究了 Cd 在
小白菜、 Zn 对长柔毛委陵菜 （Potentilla griffithii var.
velutina） 体内 Cd 的亚细胞分布的影响， 都得出 2 种
作物中 Cd主要分布在细胞壁和可溶组分中。
续断菊 （Sonchus asper L. Hill） 是新近发现的一
种 Cd 的超积累植物 ［7，8］， 对 Cd 具有很强的富集能
力。 续断菊的发现为 Cd 污染土壤的植物修复提供了
一种新材料， 而对于续断菊超积累及耐性机理的研究
则是此项技术走向实用化的基础。
1 材料与方法
1.1 供试材料及培养
试验材料采用云南省会泽县铅锌矿野生植物续断
菊的种子。 种子用烤烟专用腐殖土育苗， 育苗 2 个月
（长出比较茂盛的根系）， 选择长势良好且生长一致的
幼苗， 进行 Hoagland营养液培养实验。
1.2 试验设计
营养液组成为 Ca （NO3）2·4H2O 2.0 mmol/L+KH2PO4
0.10 mmol/L+MgSO4·7H2O 0.50 mmol/L+KCl 0.10 mmol/
L+K2SO4 0.70 mmol/L+H3BO4 10.00 mol/L+MnSO4·H2O 0.50
mol/L+ZnSO4·7H2O 0.50 mol/L+CuSO4·5H2O 0.20 mol/
L+（NH4）6Mo7O24 0.01 mol/L+Fe-EDTA 100 mol/L， Cd
处理设 3 个浓度 （0 mg/L、 5 mg/L、 20 mg/L）， 以
CdC1·2.5H2O 加入， 3 个重复， 每重复 4 株， 以营养
液连续通气， 每 4 d 更换 1 次营养液， 并用 0.1 mmol/
L NaOH 调节 pH 至 5～6， 处理 40 d 后收获。 植株根
系先用自来水冲洗， 再用 20 mmol/L Na2EDTA 交换
20 min， 以去除根系表面吸附的 Cd， 最后用去离子
水洗净， 吸干表面水分， 置于-20 ℃冰箱内供分析
测定用。
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1.3 试验方法
1.3.1 植物体内的亚细胞组分分离
按文献 ［8，9］ 的方法改进后进行， 即准确称取鲜样
0.5000 g加入 20 ml提取液 [0.25 mmol/L 蔗糖+50 mol/
L Tris-HC1缓冲液 （pH7.5）]， 研磨匀浆， 用尼龙纱布
过滤， 滤渣为细胞壁部分； 滤液在 600 × g 下离心 10
min， 沉淀为细胞核部分； 上清液在 2 000 × g 下离心
15 min， 沉淀为叶绿体部分； 上清液在 10 000 × g下
离心 20 min， 沉淀为线粒体部分； 上清液为含核糖体
的可溶部分。 每组 2次离心， 全部操作在 4 ℃ 下进行。
1.3.2 Cd在植物体内的化学形态分析
采用化学试剂逐步提取法 ［10］， 具体操作如下： 准
确称取鲜样 0．5000 g， 加入 20 ml 提取液研磨匀浆后
转入 50 ml 的塑料离心管， 在 25℃ 恒温振荡 22 h 后，
5 000 r/min 离心 10 min。 倒出上清夜， 再加入 10 ml
提取液， 25℃恒温振荡 1 h， 5 000 r/min 离心 10 min，
倒出上清液。 合并 2 次上清液。 采用下列 5 种提取剂
依次逐步提取： 80％ 乙醇， 主要提取醇溶性蛋白质、
氨基酸盐等为主的物质； 去离子水， 主要提取水溶性
有机酸盐； 1 mol/L 氯化钠溶液， 主要提取果胶酸盐、
与蛋白质结合态或吸附态的重金属等； 2％ 醋酸， 主
要提取难溶于水的重金属磷酸盐； 0.6 mol/L 盐酸， 主
要提取草酸盐等。 剩下的为残留态。
2 结果与分析
2.1 Cd在续断菊亚细胞中的分布
在不同浓度 Cd 处理下， Cd 在续断菊亚细胞中的
分布及各部位所占比例如图 1 所示。 在 Cd 处理浓度
为 0 mg/L 时， 续断菊叶片中的 Cd 主要贮藏在细胞壁
和叶绿体中， 两者之和占总量的 52%， 在细胞核、 线
粒体和核糖体中分布较均匀， 均维持在 16%左右； Cd
在根系中的分布顺序为细胞壁＞细胞核＞线粒体＞核糖
体＞叶绿体， 细胞壁占总量的 39.6%， 细胞壁和细胞
核占总量的 61.3% （图 1A）。 在 Cd 浓度为 5 mg/L 时，
续断菊叶片中的 Cd 主要贮藏在细胞壁中， 占总量的
33.2%， 其次为叶绿体、 细胞核、 线粒体、 核糖体；
而根系中 Cd的分布顺序为细胞壁＞细胞核＞叶绿体＞线
绿体＞核糖体， 细胞壁占总量的 38.1% （图 1B）。 在
Cd 处理浓度为 20 mg/L 时， 叶片中的 Cd 主要集中在
细胞壁和细胞核中， 两者占总量的 79.5%， 核糖体中分布
较少， 仅有 1.8%； 根系中 Cd也是主要集中贮藏于细胞壁
和细胞核中， 两者占总量的 70.5%， 其余为线粒体、 叶
绿体、 核糖体， 和 Cd 浓度为 5 mg/L 时稍有不同， 而
且叶片和根系中 Cd在核糖体中的分布较少（图1C）。
图1不同Cd处理下Cd在续断菊亚细胞中的分布
2.2 Cd在续断菊中的化学形态
从表 2 和图 2 可以看出， 在 Cd 处理浓度为 0 mg/
L 时， 续断菊叶片中 Cd 的化学形态分布比较均匀，
根系中 NaCl 提取态的 Cd 含量较高， 达到 37.69 mg/
kg， 占总量的 34.2%。 在 Cd 处理浓度为 5 mg/L、 20
mg/L 时， 续断菊叶片和根系中 Cd 的化学形态均有所
增加， 其中在叶片中均以 HCl 提取态的 Cd 含量增加
较为明显； 在根系中均以醋酸、 氯化钠提取态的 Cd
含量增加较为明显。 在 Cd 浓度为 5 mg/L 时， 叶片中
HCl 提取态的 Cd 含量较 Cd=0 增加了 9.06 mg/kg， 根
系中醋酸提取态的 Cd 含量较 Cd=0 增加了 13.75 mg/
kg； 在 Cd 浓度为 20 mg/L 时， 叶片中 HCl 提取态的
Cd 含量较 Cd =0 增加了 33.04 mg/kg， 占总量 的
33.2%， 根系中醋酸提取态的 Cd 含量较Cd=0 增加了
27.46 mg/kg， 氯化钠提取态的 Cd 含量较 Cd=0 增加了
图2 不同Cd处理下续断菊中 Cd的形态分配比例
叶 根
Cd 0 mg/L Cd 5 mg/L Cd 20 mg/L
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表2不同Cd处理下续断菊中 Cd的化学形态
注： 表中的结果为平均值±标准差。 同一列的不同字母表示用 Duncan 法测试时 5％水平上的差异性显著。
73.61 mg/kg， 占总量的 47.2%。
3 讨论与结论
3.1 讨论
一般来说不同的金属在植株的不同部位贮藏量大不
相同， Cd 的分布因植物种类的不同而不同， Davies［11］
对几种草本植物的研究结果发现， 65% ～90% 的 Cd
贮存在根部； Perronnet等 ［12］ 对目前公认的 Cd 超累积
植物遏蓝菜 （T.caerulescens） 的研究结果表明， 94%
的 Cd分布在地上部， 90%的 Zn分布在地上部。
对于超富集植物来说， 液泡被认为是植物体中贮
存 Cd 的主要器官 ［4, 13］， 细胞壁是重金属进入细胞内
部的第一道屏障 ［13, 14］。 细胞壁属于细胞内的非原生质
部分， 细胞壁上的多糖分子 （包括纤维素、 半纤维
素、 木质素和粘胶等） 和蛋白质分子具有大量的羟
基、 羧基、 醛基、 氨基等亲金属离子的配位基团， 这
些金属配位体能与进入细胞的金属离子结合， 从而减
少金属离子的跨膜运输， 降低细胞原生质体内金属离
子的浓度， 维持植物细胞的正常生理代谢 ［14, 16］， 在超
积累植物体内， 有 85％ ～90％的重金属离子是与这些
金属配位体结合形成螯合物 ［17］。 因此， 重金属在植物
体内的分布和存在形态是与多种金属配位体综合反应
的结果。 有研究表明， 在 Berkheya coddii 叶片的上表
皮中贮存的 Ni 比其他任何地方都高 ［18］。 Nishzono ［19］
发现， Athyrium yokoscense 细胞壁中积累大量 Cd， 并
占整个细胞总量的 70%～90%。 Molone等 ［20］ 在电子显
微镜下证明了细胞壁有沉淀重金属的作用。 Ni 等 ［5］
发现东南景天 （Sedum alfredii Hance） 吸收的绝大部
分 Cd 贮存在细胞壁中， 可溶态以及细胞器中所含的
Cd 较少。 Wu 等 ［12］ 对不同植物研究的结果表明， 植
物地上部分的 Cd 主要存在于细胞壁中。 本实验研究
结果表明， 在 Cd 浓度为 0 mg/L 时， 续断菊叶片和根
系贮藏 Cd 的部位有所不同， 叶片的主要部位是叶绿
体， 根系的主要部位是细胞壁， 而 Cd 浓度为 5 mg/L、
20 mg/L 时， 续断菊叶片和根系均以细胞壁为贮藏 Cd
的重要部位， 叶绿体和线粒体中 Cd 的含量相对较低，
这保证了续断菊光合作用和呼吸作用的正常进行， 在
根系中， 核糖体贮藏的 Cd 较少， 这与周小勇 ［8］ 等对
圆锥南芥 （Arabis paniculata Franch） 的研究结果相
反， 说明 Cd的分布因植株的种类不同而不同。
通过不同提取剂， 研究 Cd 在植物体内的存在状
态， 对植物富集重金属的机理有一定的揭示作用。 水
提取态主要是水溶性有机酸结合的 Cd， 乙醇主要提取
与醇溶性蛋白质、 氨基酸盐等结合的 Cd， NaCl 提取
态则是与果胶酸、 蛋白质结合或吸附的 Cd。 本研究结
果表明， Cd 处理水平的变化对续断菊 Cd 的化学形态
有明显的影响， 随 Cd 浓度的升高， 续断菊叶片中 Cd
的化学形态分布变化很大， 主要的存在状态均有所不
同， 但在根系中的主要存在状态变化不大， 均以 Na-
Cl、 醋酸提取态为主。 Cd与有机酸结合形成的螯合物
可限制金属在体内的移动性， 减轻毒害 ［21］， 植物不
同， 有机酸的作用效果不同， 用 20 mg/L Cd 处理超富
集植物 T. caerulescens， 在根部有 13％ 的 Cd 与有机
酸结合 ［21］。 在 Cd 胁迫下， 植物诱导出特定的蛋白质
（多肽）， 并与之结合， 从而减轻毒害。 植物螯合肽
（Phytochelatin） 便是富含半胱氨酸、 谷氨酸和甘氨酸
的多肽 ［ 22］ ， 由 GSH 经酶促合成 ［ 23］ ， 金属硫蛋白
（Metallothioneins， MT） 也是富含半胱氨酸的蛋白质
［24］， 这些物质在续断菊对 Cd 的解毒过程中的作用尚
需进一步研究。
3.2 结论
（1） 在不同浓度 Cd 处理下， 续断菊叶片富集 Cd
的部位有所不同， 但主要贮存在细胞壁、 细胞核和叶
绿体中， 而根系富集 Cd 的的部位主要分布在细胞壁
Cd 处理
（mg/L）
部位
Cd 含量 （mg/kg）
乙醇 水 氯化钠 醋酸 盐酸 残渣态
0
叶
16.85±0.28bB 15.79±0.31bC 14.70±0.36bD 14.50±0.30bD 13.59±0.31bE 17.61±0.56bA
5 17.13±0.09abB 16.50±0.45bB 15.85±1.22bB 15.55±0.97bB 22.75±3.79bA 18.2±0.48abB
20 17.43±0.20aC 17.53±0.30aC 37.28±2.96aB 21.24±1.70aC 55.79±7.49aA 18.94±0.46aC
5 12.88±1.84bE 16.70±0.17b 38.17±1.24bA 28.88±2.03bB 14.71±0.88aDE 18.36±0.35aC
20 17.60±0.20aC 18.18±0.94aC 111.78±6.54aA 56.34±7.36aB 15.00±1.63aC 18.73±0.54aC
0 11.10±0.72bD 14.38±0.17cC 37.69±1.13bA 15.13±0.96cC 13.91±0.16aC 18.00±0.27aB
根
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和细胞核中。
（2） Cd 处理浓度的变化对续断菊 Cd 化学形态有
明显的影响， 随 Cd 浓度的升高， 续断菊叶片中 Cd 的
化学形态分布变化很大， 主要存在状态均有所不同；
但在根系中的主要存在状态变化不大， 均以 NaCl、 醋
酸提取态为主。
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