全 文 :第 33卷 第 4期 水 生 生 物 学 报 Vol.3 3, No.4
2 0 0 9年 7月 ACTAHYDROBIOLOGICASINICA Jul., 2 0 0 9
收稿日期:2007-01-29;修订日期:2008-04-09
基金项目:国家自然科学基金(30800055);江苏省教育厅自然科学基金(05KJB180067);南京师范大学科研启动基金(2005104XGQ2B73);
高等学校博士学科点专项科研基金课题(20050319005)资助
通讯作者:徐勤松(1976—),男 ,博士 ,副教授;主要研究重金属对水生植物的毒害机制。 E-mail:xuqinsong@njnu.edu.cn
DOI号:10.3724 /SP.J.0000.2009.40613
Zn对荇菜叶片保护酶活性 、渗透调节物质含量和 Ca2+定位分布的影响
徐勤松 施国新 计汪栋 杜开和 许 晔
(南京师范大学生命科学学院 ,江苏省生物多样性与生物技术重点实验室 ,南京 210097)
摘要:本文以不同浓度 Zn(0、5、10、15、20mg/L)处理荇菜(Nymphoidespeltatum(Gmel.)O.Kuntze)9d,分析了 Zn对
叶片超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性 、渗透调节物质(脯氨酸和可溶性糖)含量的影响 ,并用焦锑
酸钙沉淀的细胞化学方法观察了 Zn胁迫条件下叶肉细胞内 Ca2+水平和分布的动态变化 , 以揭示水生植物对 Zn胁
迫的应答机制。研究结果表明 , Zn明显抑制了 SOD活性和刺激 POD活性上升;脯氨酸和可溶性糖积累显著。电
镜观察发现 , 正常条件下叶细胞中的 Ca2+主要定位在胞间隙和液泡中 , 细胞基质和细胞核中较少。添加 Zn后 ,胞
间隙和液泡中的 Ca2+逐渐进入细胞质 ,使细胞质中 Ca2+浓度明显升高 , 特别是在质膜内侧和细胞核中出现大量较
大的呈圆环状的钙沉淀颗粒。作者认为与保护酶活性紊乱相比 , 脯氨酸和可溶性糖在荇菜对 Zn胁迫的适应中发
挥更大的作用。同时细胞内 Ca2+水平的增加 , 可能与许多生理生化过程的改变有关 , 其在质膜和细胞核等局部区
域的大量分布 , 将会引发对植物的伤害 , 直至最终死亡。由此可见 , 荇菜体内多种防御系统同时对 Zn胁迫做出反
应 , 包括诱导胁迫相关酶(POD)活性 , 增加渗透调节物质(脯氨酸和可溶性糖)合成或含量以及改变疏松结合钙的
亚细胞分布和含量等。
关键词:Zn;荇菜;SOD;POD;脯氨酸;可溶性糖;Ca2+;应答
中图分类号:Q945.14 文献标识码:A 文章编号:1000-3207(2009)04-0613-07
Zn是兼具营养和毒害双重效应的重金属元素:
一方面 ,作为生物体正常生长发育必需的微量营养
元素 ,对蛋白合成 ,碳水化合物 、脂类和核酸代谢等
起到重要作用[ 4] 。另一方面 ,高浓度情况下则抑制
种子萌发 、植物的生长 、干物质积累 ,降低光合色素
含量和破坏光合作用等生理活动 ,并最终导致植物
死亡[ 1, 2, 6] 。我们的研究也表明 Zn胁迫导致沉水植
物黑藻体内活性氧产生速率加快和保护酶系统活性
紊乱[ 21] ,细胞的表观形态和超微结构也遭到明显破
坏 ,其毒理学影响显示出明显的剂量效应关系 [ 22] 。
与此同时 ,越来越多的研究表明 Ca2+不仅能维
持细胞壁 、细胞膜及膜结合蛋白的稳定性 ,参与胞内
稳态和生长发育的调节过程 ,还在细胞内起到第二
信使的作用 [ 3] 。钙信使系统参与植物对非生物逆
境的应答反应也被广泛证实 ,淹水[ 9] 、热激 [ 5] 、干
旱 [ 16] 、低温[ 7, 24]等都可引起细胞内的 Ca2 +水平和分
布发生改变 ,这种变化通过启动胞内生理生化过程 ,
起着传递和放大信号的作用[ 3] 。逆境下植物产生
的钙信号可通过调控基因表达或调节一些蛋白或酶
活性而引发有利于植物适应逆境的生理生化反应 ,
从而提高植物的逆境适应性 [ 27] 。但目前就植物细
胞如何感受 、传递和响应外界重金属胁迫信号的研
究报道则相对较少 [ 17] 。
本文以高等浮水植物-荇菜为实验材料 ,以 Zn
为胁迫因子 ,主要研究了保护酶(SOD和 POD)活性
和渗透调节物质(脯氨酸和可溶性糖)含量对不同
浓度 Zn处理的生理响应。同时采用细胞化学方法
(焦锑酸钙沉淀法)在透射电镜下观察了叶细胞内
Ca2 +亚细胞分布的变化情况 ,以期通过 Zn处理引
起的荇菜叶细胞内 Ca2+水平变化的细胞化学观察 ,
为进一步阐明 Ca2+在植物对重金属逆境反应和适
应中的作用机制及为明确植物的重金属抗性机制提
供依据。
1 材料与方法
1.1 植 物 材料 荇菜 (Nymphoidespeltatum
614 水 生 生 物 学 报 33卷
(Gmel.)O.Kuntze)是龙胆科的多年生浮水草本植
物 。南北各省均有分布。材料采自江苏省苏州市东
山镇太湖水域 ,后将其移种于南京师范大学水生植
物培育池中 。
1.2 实验处理 2006年 5月中旬选取叶片大小和
颜色较一致的健壮植株 ,先在实验室内无底泥的 5
个玻璃缸(2 L)中用 1/10 Hoagland培养液预培养
2d后 ,于上午 8:00在 4个玻璃缸中一次性施入 5、
10、15和 20mg/L的 ZnSO4· 7H2O(AR)(以纯 Zn2+
计)。另以不额外加 ZnSO4· 7H2O的作为对照 。对
照和实验组皆用 1/10 Hoagland培养液配制 。全部
玻璃缸置于 Forma3744培养箱中 ,光周期:12h∶12h,
温度:25— 18℃,光照强度为 70μmol/m2·s。每隔 2
天更换一次营养液 ,第 9天上午 8:00取叶片进行生
理分析和电镜观察。
1.3 超氧物歧化酶(SOD)的活性测定 参照文献
[ 12]的氯化硝基氮蓝四唑(NBT)法 ,酶活性单位采
用抑制 NBT光化还原 50%为一个酶活性单位 ,酶活
性以 U/g表示 。
1.4 过氧化物酶(POD)的活性测定 采用愈创木
酚法[ 10] ,酶活性以 “■OD470nm/g· min”表示 。
1.5 脯氨酸含量的测定 采用磺基水杨酸提取 ,酸
性茚三酮比色法测定 [ 23] 。
1.6 可溶性糖含量的测定 采用赵世杰[ 26]的方
法 ,可溶性糖 =11.7×D450。
1.7 Ca2 +细胞化学定位 参照文献 [ 14]的焦锑酸
盐法。样品用含 1% K2H2Sb2O7· 4H2O的 2.5%的
戊二醛和 1%的锇酸低温双重固定 2h,丙酮系列脱
水 , Epon812树脂包埋 , LKB超薄切片机切片 ,厚
度为 70nm,切片经柠檬酸铅—醋酸双氧铀双重染色
后 ,于 Hitachi600-A-2透射电镜(日本日立公司)下
观察并拍照。该方法可显示细胞中的疏松结
合钙 [ 19] 。
对照为在电镜下已确定有焦锑酸钙沉淀的超薄
切片铜网 ,用 0.1mol/LEGTA(pH8.0), 60℃孵育
1h,以除去切片上的钙沉淀 ,清洗后 ,再置于电镜下
观察 、拍照 。
1.8 数据分析 实验重复 3次 ,通过计算机系统自
带软件(Microsoftexcel2003)对相关数据进行相关
系数分析(R),以 p<0.05为相关显著 , p<0.01为
相关极显著 。结果以均值 ±SD表示 ,以鲜重作为
单位 。
2 结果与分析
2.1 Zn对荇菜叶片 SOD活性的影响
当培养液中添加不同浓度的 Zn后 ,明显削弱了
荇菜叶片中的 SOD活性 ,表现为各处理浓度下的酶
活性都低于对照值(图 1)。其中 , 5mg/L处理浓度
的活性比对照减少了 11.46%,而更高剂量则分别
比对照值丧失了 72.52%(10 mg/L)、63.36%(15
mg/L)和 68.70%(20 mg/L)。统计分析表明 SOD
活性与 Zn浓度间达到显著负相关(R=-0.8642,
p<0.05)。
2.2 Zn对荇菜叶片 POD活性的影响
与 SOD活性受抑制不同 ,如图 2所示 , Zn处理
后 ,荇菜叶片内的 POD活性迅速上升 ,各受试浓度
对该酶活性的促进作用接近同一水平 ,分别达到正
常水平的 4.22倍(5mg/L)、4.89倍(10mg/L)、3.55
倍(15mg/L)和 4.00倍(20mg/L)。统计分析达到
正相关水平。
图 1 Zn对 SOD活性的影响 图 2 Zn对 POD活性的影响
Fig.1 EffectofZnonSODactivity Fig.2 EfectofZnonPODactivity
4期 徐勤松等:Zn对荇菜叶片保护酶活性 、渗透调节物质含量和 Ca2+定位分布的影响 615
2.3 Zn对荇菜叶片脯氨酸含量的影响
脯氨酸是植物体内一种重要的渗透调节物质 ,
其含量变化可以作为植物对逆境胁迫的一种生理生
化指标 。由图 3可见 ,不同浓度 Zn处理后的荇菜叶
片中脯氨酸含量明显增多 ,与对照相比 ,增大的幅度
从 49.93%到 142.31%不等 。数据分析表明达到显
著正相关(R=0.8480, p<0.05)。
图 3 Zn对脯氨酸含量的影响
Fig.3 EfectofZnonprolinecontent
图 4 Zn对可溶性糖含量的影响
Fig.4 EfectofZnonsolublesugarcontent
2.4 Zn对荇菜叶片可溶性糖含量的影响
可溶性糖是植物光合作用的初级产物 ,也是植
物体内的主要渗透调节物质。如图 4所示 , Zn处理
后荇菜叶片中可溶性糖积累现象比较突出 ,一直随
介质金属浓度的增大而呈上升趋势。其中 5和
10mg/L、15和 20mg/L浓度范围内的增幅为同一平
台 。当 Zn浓度为 5mg/L时 ,可溶性糖含量是对照
值的 1.14倍。而最大浓度(20mg/L)时则达到了
2.01倍。统计分析表明可溶性糖的积累和溶液 Zn
浓度间达到极显著正相关(R=0.9457, p<0.01)。
2.5 Zn对荇菜叶片 Ca2+水平的影响
2.5.1 正常培养条件下细胞内的 Ca2+分布
电镜观察结果表明 ,细胞中疏松结合态的 Ca2+
经过与焦锑酸钾细胞化学反应后形成黑色颗粒状的
焦锑酸钙沉淀(图版 Ⅰ)。在没有额外施加 Zn的营
养液中正常生长的荇菜叶细胞中 ,显示 Ca2 +定位分
布的焦锑酸钙沉淀主要分布在液泡和细胞外的胞间
隙中 。相比之下 ,液泡中的颗粒较小 ,并大多贴液泡
膜分布;而胞间隙中的数量则较多 ,体积较大 。在线
粒体 、细胞核 、细胞壁和细胞质基质中偶尔可以发现
少量的钙沉淀存在 。
2.5.2 Zn处理后细胞内的 Ca2 +分布的变化
与正常情况相比 , Zn处理后导致荇菜叶细胞内
的 Ca2 +的分布和数量都发生显著变化 。当处理浓
度为 5mg/L时 ,荇菜叶片外部无明显可视毒害症状
(如黄斑等),但细胞内部 Ca2+分布却发生较大改
变。最突出的是细胞间隙中的 Ca2+数量急剧减少 ,
而在细胞壁和质膜之间以及质膜内侧都出现了许多
大的 Ca2+沉淀颗粒 ,推测这些 Ca2+可能是在 Zn胁
迫的影响下通过位于质膜上的 Ca2+通道从胞外进
入的 。在细胞质基质和细胞核中也形成大量的体积
较大的圆环状的 Ca2+沉淀颗粒 。随处理浓度的增
大 ,当外界浓度达到 15mg/L时 , Ca2+分布的最大特
点是细胞核和细胞质基质中的数量明显增多 ,质膜
两侧的数量则显著减少 。显示出由外向内移动的趋
势。 EGTA是 Ca2+的专一性螯合剂 ,本实验中 ,当把
切片用 EGTA处理后 ,原先形成的 Ca2+黑色沉淀颗
粒即被消除 ,在原有 Ca2+分布的区域 ,如质膜等部
位出现了与原来沉淀物形状和大小相似的电子透明
区域 ,这说明利用本方法反映的 Ca2+定位分布是真
实的(图版 Ⅱ)。
3 讨 论
研究表明 Zn对植物毒害的一个重要方面是通
过加速活性氧的产生 [ 2]和破坏或削弱抗氧化系统
的保护作用[ 21] ,从而诱导植物产生氧化胁迫 。因此
抗氧化系统灭活活性氧的有效性对于植物在逆境中
能否存活至关重要 [ 20] 。在逆境条件下 ,植物本身具
有的一些防御机制能对胁迫造成的活性氧自由基积
累做出积极反应 ,从而使其维持在一个较低的水平 ,
防止细胞受到氧化伤害 。其中 , SOD是植物活性氧
616 水 生 生 物 学 报 33卷
清除系统中的第一道防线 ,它将 O-2 ·歧化为 H2O2 ,
并抑制 Haber-Weiss反应 ,在保护酶系中处于核心
地位 ,保持较高的酶活性对提高植物的抗逆性和适
应性都极为重要 。而本文研究结果显示出 Zn胁迫
对荇菜叶片中 SOD活性产生了较强的抑制作用 ,这
意味着 Zn削弱了它的歧化能力和增大了其他活性
氧自由基对植物细胞伤害的可能性[ 21] 。 POD是植
物体内另一种重要的对逆境胁迫反应非常敏感的抗
氧化酶类 ,它能将 H2O2分解成 H2O。本实验发现 ,
与 SOD活性一直呈下降趋势相反 ,荇菜叶片中的
POD活性受 Zn的刺激而明显上升 ,这也是植物对
污染胁迫的共同响应 ,毒害剂量的 Zn、Cd、Ni、Cu和
Pb等胁迫都能诱导植物体内 POD总活性升
高 [ 15, 18] 。对离体水稻的研究结果表明其活性的上
升是在转录水平上通过从头合成介导的 ,与自由基
无关[ 18] 。但目前 POD在适应胁迫中的作用还不
清楚。
脯氨酸和可溶性糖是植物体内存在的两种重要
的渗透条件物质 。其中 ,脯氨酸含量的增加是植物
对逆境胁迫的一种生理生化反应 ,是植物受到胁迫
的一种信号 ,也是植物对各种逆境条件的适应表
现 [ 1, 2] 。Schat, etal.[ 11] 认为脯氨酸的积累取决于
重金属胁迫诱导植物体内水分缺失的情况 。丁海东
等 [ 6]的研究指出 Zn处理导致番茄幼苗体内发生水
分胁迫 ,因此 ,脯氨酸积累的意义是作为渗透调节物
质 ,使细胞和组织保持水平衡。也有研究结果表明 ,
脯氨酸具有清除活性氧的功能 [ 2] 。就对荇菜而言 ,
脯氨酸的明显积累表明本实验情况下 Zn不再是作
为营养元素发挥作用 ,而是构成了比较严重的逆境
胁迫条件。作者认为在保护酶活性紊乱的情况下 ,
这对保护膜结构的稳定性可能显得更加重要。与此
同时 , Zn胁迫也极显著地诱导了荇菜叶片中可溶性
糖的积累 ,这表明 Zn使荇菜遭受了一定的水分胁
迫 ,对番茄幼苗的研究也证明这一点 [ 6] 。因此可溶
性糖积累的重要意义是通过调节渗透压来增加植物
的抗逆性 ,保护细胞免受伤害和维持原有的生理过
程 [ 6] 。重金属处理下水生植物体内可溶性糖含量
增加的原因可能是叶片内不溶性糖降解以及光合产
物运输受阻的结果 ,也有可能是葡萄糖酶 、蔗糖酶活
性异常所致 [ 13] 。作者认为也可能与 Zn胁迫损伤了
叶绿体的结构有一定关系 [ 22] 。
通常情况下 ,植物细胞内的钙(总钙)以结合态
和自由离子(Ca2+)两种形式存在。焦锑酸钾沉淀
法作为疏松结合态 Ca2+的定位方法被广泛应
用[ 5, 9, 14, 16, 17, 19, 25] 。该方法能客观的反映植物细胞
内这些钙的含量及分布变化[ 14, 19, 25] 。大量研究表
明 ,各种逆境因子 (淹水 [ 9] 、热激[ 5] 、干旱 [ 16] 、低
温[ 7, 24] 、Al[ 17] )等都能提高植物细胞内的 Ca2+水平。
其来源一是细胞外质外体中的 Ca2+;二是细胞内细
胞器中 Ca2+储存库[ 27] 。本文电镜观察结果表明 ,
对荇菜而言 ,液泡是其细胞内的主要钙库 。Zn胁迫
与干旱和低温逆境引起的 Ca2+变化一致 [ 7, 16, 24] ,都
表现为质膜内侧和细胞核中 Ca2+沉淀颗粒较正常
情况下明显增多。这表明 Zn胁迫条件下荇菜叶细
胞内 Ca2+水平的上升具有相同的来源 ,并且 Ca2+系
统对 Zn胁迫也有相似的调节机制[ 7, 16, 24] 。而为了
维持细胞内较低的 Ca2+水平 ,需要质膜和液泡膜上
的 Ca2 +-ATPase不断把细胞质中的 Ca2+泵出去 ,现
有研究表明胁迫明显降低了位于细胞质膜和其他膜
结构上的 Ca2+-ATPase的活性 ,从而使细胞质中有
过多的 Ca2 +。细胞内 Ca2+水平的提高一方面可以
通过诱导脯氨酸合成酶 [二氢吡咯羧酸合成酶
(P5CS)]的转录来增加脯氨酸的生物合成 ,控制植
物细胞的渗透调节作用[ 8] ,以对外界刺激做出积极
响应 。而另一方面高浓度的胞内钙会破坏膜结构 、
抑制能量代谢和破坏遗传物质的合成与表达 ,导致
植物体内物质平衡的破坏及代谢的紊乱 ,最终引起
植物逆境伤害和死亡[ 24] 。
本实验结果表明 ,在荇菜叶片内的保护酶中 ,
SOD对 Zn胁迫反应最敏感 ,遭受到严重的抑制作
用 , POD活性则上升 。相比之下 , Zn诱导渗透调节
物质脯氨酸和可溶性糖显著增多 ,二者应该在荇菜
对 Zn胁迫的适应中发挥更大的作用。 Zn胁迫也使
叶细胞中 Ca2+数量 、分布发生明显改变 。这可能与
一系列生理活动的改变有关 ,如促进脯氨酸合成等。
但其在局部区域的明显富集和分布的明显改变最终
会导致植物死亡。
参考文献:
[ 1 ] AliG, SrivastavaPS, IqbalM.Morphogenicandbiochemicalre-
sponsesofBacopamonnieraculturestozinctoxicity[ J] .Plant
Science, 1999, 143:187— 193
[ 2 ] AliaKVSKPrasadandP.PardhaSaradhi.Efectofzinconfree
radicalsandprolineinBrassicaandCajanus[ J] .Phytochemis-
try, 1995, 39(1):45— 47
[ 3 ] BushDS.Calciumregulationinplantcellsanditsroleinsigna-
ling[J] .AnnuRevPlantPhysiolPlantMolBiol., 1995, 46:
95— 112
[ 4 ] CakmakI.Possiblerolesofzincinprotectingplantcelsfrom
damagebyreactiveoxygenspecies[ J] .NewPhytol., 2000,
4期 徐勤松等:Zn对荇菜叶片保护酶活性 、渗透调节物质含量和 Ca2+定位分布的影响 617
146:185— 205
[ 5 ] ChunLY, JianBW, RongQL.Efectofheatstressoncalcium
ultrastructuraldistributioninpepperanther[ J].Environmental
andExperimentalBotany, 2002, 48:161— 168
[ 6 ] DingHD, ZhuWM, YangSJ, etal.Efectsofcadmiumand
zincstressongrowthandcontentofprolineandglutathione
(GSH)inTomatoSeedlings[ J].JiangsuJournalofAgriculture
Science, 2005, 21(3):191— 196 [丁海东 , 朱为民 , 杨少军 ,
等.镉 、锌胁迫对番茄幼苗生长及脯氨酸和谷胱甘肽含量的
影响.江苏农业学报 , 2005, 21(3):191— 196]
[ 7 ] KnightH, AnthonyJT, KnightMR.Coldcalciumsignalingin
Arabidopsisinvolvestwocelularpoolsandachangeincalcium
signatureafteracclimation[ J] .PlantCel, 1996, 8:489— 503
[ 8 ] KnightH, TrewavasAJ, KnightMR.CalciumsignalinginAra-
bidopsisthalianarespondingtodroughtandsalinity[ J] .PlantJ,
1997, 12:911— 922
[ 9 ] LiYS, WangJB.DistributionofCa2+andCa2+-ATPaseinroot
apicalcelsofriceundersubmergenceofstress[ J] .ChineseJ
RiceSci., 2001, 15(3):237— 240 [李阳生 ,王建波.淹水胁
迫下水稻根尖细胞中 Ca2+和 Ca2+-ATP酶的分布.中国水稻
科学 , 2001, 15(3):237— 240]
[ 10] MaehlyAC.Plantperoxidase[ J] .MethodsEnzym., 1955, 2:
801— 813
[ 11] SchatH, SharmaSS, VooijsR.Heavymetal-inducedaccumula-
tionoffreeprolineinametaltolerantandanontolerantecotypeof
Silenevulgaris[ J] .PhysiolPlant, 1997, 101:477— 482
[ 12] StewertRC, BewleyJD.Lipidperoxidationassociatedwithac-
celeratedagingofsoybeanaxes[ J] .PlantPhysiol, 1980, 65:
245— 248
[ 13] SunSC, WangHX, LiQR.Preliminarystudiesonphysiologi-
calchangesandinjurymechanisminaquaticvascularplants
treatswithcadmium[ J] .ActaPhytophysiolSinica, 1985, 11
(2):113— 121 [孙赛初 ,王焕校 ,李启任.水生维管植物受镉
污染后的生理变化及受害机制初探.植物生理学报 , 1985,
11(2):113— 121]
[ 14] TianHQ, KuangAX, MusgraveME, etal.Calciumdistribu-
tioninfertileandsterileanthersofaphotoperiod-sensitivegenic
male-sterilerice[J].Planta, 1998, 204:183— 192
[ 15] VanAsscheF, ClijstersH.Efectsofmetalonenzymeactivityin
plants[ J].PlantCelEnviron, 1990, 13:195— 206
[ 16] WangFR, ZhangH, ShangZQ, etal.Ca2+ localizationin
wheatseedlingleavesunderwaterstresandduringrewatering
[J] .ActaPhytophysiologicaSinica, 2000, 26(4):280— 283
[王凤茹 ,张红 ,商振清 ,等.水分胁迫及复水过程中小麦幼苗
叶片内的Ca2+定位.植物生理学报 , 2000, 26(4):280— 283]
[ 17] WangJB.UltrastructuraldistributionofCa2+inrootapicalcells
ofwheatunderaluminumstress[ J] .BulEnvironContamToxi-
col, 2000, 65:222— 227
[ 18] WeiCF, ChingHK.Enhancedperoxidaseactivityinriceleaves
inresponsetoexcessiron, copperandzinc[ J] .PlantScience,
2000, 158:71— 76
[ 19] WickSM, HeplerPK.Selectivelocalizationofintracelular
Ca2+withpotassiumantimonite[ J].JHistochemCytochem.,
1982, 30:1190— 1204
[ 20] WilekensH, VancampW, MonmtaguMV, etal.Ozone, Sul-
furdioxideandultraviolet-BhavesimilarefectsonmRNAaccu-
mulationofantioxidantgenesinNicotianaplumbaginifoliaL.
[ J] .PlantPhysiol., 1994, 106:1007— 1014
[ 21] XuQS, ShiGX, WangX, etal.Generationofactivatedoxygen
andchangeofantioxidantenzymeactivityinHydrilaverticilata
(L.f.)RoyleunderCd, CuandZnstress[J] .ActaHydrobiolog-
icaSinica, 2006, 30(1):107— 112 [徐勤松 ,施国新 , 王学 ,
等.镉 、铜和锌胁迫下黑藻活性氧的产生及抗氧化酶活性的
变化研究.水生生物学报 , 2006, 30(1):107— 112]
[ 22] XuQS, ShiGX, XuBJ, etal.Bioaccumulationandtoxicityof
CuandZninHydrilaverticilata(Linn.f.)Royle[ J] .Acta
HydrobiologicaSinica, 2007, 31(1):1— 8 [徐勤松 ,施国新 ,许
丙军 ,等.Cu、Zn在黑藻叶片中的富集及其毒理学分析.水生
生物学报 , 2007, 31(1):1— 8]
[ 23] ZhangDZ, WangPH, ZhaoHX.Determinationofthecontent
offreeprolineinwheatleaves[ J] .PlantPhysiologyCommunica-
tion, 1990, 26(4):62— 65 [张殿忠 , 汪沛洪 , 赵会贤.测定
小麦叶片游离脯氨酸含量的方法.植物生理学通讯 , 1990,
26(4):62— 65]
[ 24] ZhangH, JianLC, LiGM.Thecytochemicalstudiesonthe
changesofcalciumlevelincucumberseedlingcelsduringchil-
ingstress[ J] .ActaBiologiaeExperimentalisSinica, 1995, 27
(4):419— 422 [张红 ,简令成 ,李广敏.低温逆境中黄瓜幼苗
细胞内钙离子水平变化的细胞学研究.实验生物学报 , 1995,
27(4):419— 422]
[ 25] ZhangJS, YangHY, ZhuL, etal.Ultracytochemicallocaliza-
tionofcalciuminthestigma, styleandmicropyleofsunflower
[ J] .ActaBotanicaSinica, 1995, 37(9):691— 696 [张劲松 ,
杨弘远 ,朱绫 ,等.向日葵花柱和珠孔中钙分布的细胞化学定
位.植物学报 , 1995, 37(9):691— 696]
[ 26] ZhaoSJ, XuCC, ZouQ, etal.Improvementsofmethodfor
measurementofmalondiasdehvdeinplanttissues[ J].Plant
PhysiologyCommunication, 1994, 30(3):207— 210 [赵世杰 ,
许长成 ,邹琦 ,等.植物中丙二醛测定方法的改进.植物生理
学通讯 , 1994, 30(3):207— 210]
[ 27] ZongH, LiMQ.Roleofcalciummessengerinplantacclimation
toabioticstresses[ J] .PlantPhysiologyCommunication, 2001,
37(4):330— 335 [宗会 ,李明启.钙信使在植物适应非生物
逆境中的作用.植物生理学通讯 , 2001, 37(4):330— 335]
618 水 生 生 物 学 报 33卷
EFFECTOFZNONPROTECTIVEENZYMESACTIVITY, OSMOLYTESCONTENTAND
CA2+DISTRIBUTIONINLEAVESOFNYMPHOIDESPELTATUM
XUQin-Song, SHIGuo-Xin, JIWang-Dong, DUKai-HeandXUYe
(ColegeofLifeSciences, NanjingNormalUniversity, JiangsuKeyLabofBiodiversityandBiotechnology, Nanjing 210097)
Abstract:Zinc(Zn)isanessentialmicroelementfornormalgrowthanddevelopmentofplantsatlowconcentration;how-
ever, itisalsoanimportantenvironmentalpolutantduetoanthropogenicpressureaswel.Inthepresentstudy, Nym-
phoidespeltatum, arooted-floatingaquaticmacrophyte, wascultivatedwithelevatedconcentrationofZn(0, 5, 10, 15 and
20mg/L)for9drespectively.Theresponseofactivitiesofsuperoxidedismutase(SOD)andperoxidase(POD), osmolytes
(prolineandsolublesugar)toZnstresswasinvestigatedandCa2+ultrastructuraldistributioninleafcelswasexamined
withthecytochemicalmethodofcalciumantimonateprecipitation.TheresultsindicatedthatZndecreasedSODactivityby
11.46%—75.22% andtheinhibitionactionreachedsignificantlevel(R=-0.8642, p<0.05)comparedwiththatof
control;whileitstimulatedPODactivityandincreasedby2.55— 3.89 foldoverthatofcontrol;inresponsetoZnpolu-
tion, N.peltatumexhibitedaenhancementinprolinelevelandincreasedby49.93%— 142.31% incomparisontocon-
trol;thesametendencywasalsorecordedinsolublesugarlevelunderZnstres, itsaccumulationshowedprogressivein-
creasewiththeriseofexternalZnconcentrationandenhancedby13.83% to100.64%, respectively.Electronmicroscope
observationshowedthatCa2+mainlydistributedwithinintercelularspaceandvacuole, somecalciumdepositscouldbe
randomlyfoundincytoplasmicmatrixandnucleusundernormalconditions, whendiferentdoseofZnwasaddedintothe
culturesolution, andthecalciumlevelinthesecompartmentsloweredwhilethatincytoplasmincreasedremarkably, espe-
cialybiggerparticlesofcalciumdepositsappearedattheinneraspectofplasmalemmaandcelnucleus, whichmightbe
atributedtotheopeningofthecalciumchannelsinplasmalemmaandtonoplastandthelossofactivityoftheCa2+pump,
this, inturnfurtherenhancedthecalciumlevelofcelinterior.TheriseofCa2+levelincytoplasmandcelnucleusmaybe
relatedtothechangesofaseriesofphysiologicalandbiochemicalprocesses.ThedensedistributionofCa2+ininneraspect
ofplasmalemmaandincelnucleusmightleadtothedamagetotheplantcelorthedeathintheend.Basedonobserva-
tionsinthepresentinvestigation, itcanbeconcludedthatseveraldefensesystemsareactivatedsimultaneouslywhenaf-
fectedbyZn, includingtheinductionofstressenzymes(POD), increaseofsynthesisorcontentinosmolytes(prolineand
solublesugar)andchangesinthedistributionandcontentofloosely-boundCa2+.
Keywords:Zn;Nymphoidespeltatum;SOD;POD;Proline;Solublesugar;Calcium;Response
4期 徐勤松等:Zn对荇菜叶片保护酶活性 、渗透调节物质含量和 Ca2+定位分布的影响 619
图版Ⅰ 正常条件下生长的荇菜叶细胞中的 Ca2+定位分布
PlateⅠ ThelocalizationofcalciuminleafcellsofN.peltatumundernormalcondition
1.细胞内 Ca2+定位分布的焦锑酸钙沉淀主要在液泡(V)内(×10000);2.显示在细胞质基质和细胞核中只有少量的 Ca2+分布(×
10000);3.显示细胞间隙观察到大量分布(×15000);4.显示少量 Ca2+分布在细胞壁(×17000)
1.Thecalciumwaslocalizedmainlyinvacuole(V, ×10000);2.Smalleramountsofcalciumwasseenincytoplasmandnucleus;3.Agreatamounts
o f calciumwasdistributedinintercellularspaces(IS, ×15000);4.Somecalciumprecipitatesresidedincelwal(CW, ×17000)
图版Ⅱ 荇菜经 Zn处理后叶细胞内 Ca2+水平的变化
PlateⅡ ThechangeofcalciumlevelinleafcellsofN.peltatumtreatedwithZn
5.5mg/LZn处理的叶细胞 ,显示质膜内侧和细胞质基质出现大量较大的钙沉淀颗粒(×17000);6.5mg/LZn处理的叶细胞 ,显示细胞核
(N)和质膜内侧内出现较大的同心圆钙颗粒沉淀(×15000);7.15mg/LZn处理的叶细胞 ,显示细胞核内(N)钙颗粒沉淀较胁迫前明显增多
(×15000);8.15mg/LZn处理的叶细胞 ,显示细胞质基质中钙颗粒沉淀增多(×15000);9.切片经过 EGTA处理后 , 在质膜内侧出现与
原来沉淀物形状相似的电子透明区域(×17000);10.15mg/LZn处理的叶细胞,显示细胞质基质中钙颗粒沉淀增多(×17000)
5.Thebiggercalciumprecipitateparticlesappearedattheinneraspectofplasmalemmaandcytoplasminleafcelstreatedwith5mg/LZn(×17000);
6.Thedepositswithmultiringstructureexhibitedattheinneraspectofplasmalemmaandnucleus(N)inleafcelstreatedwith5mg/LZn(×15000);7.
Theamountsofcalciumparticlesincreasedobviouslyinnucleus(N)comparedwithnormalconditionandlowerconcentrationinleafcelstreatedwith
15mg/LZn(×15000);8.Theamountsofcalciumprecipitatesincreasedremarkablyincytoplasminleafcelstreatedwith15mg/LZn(×15000);
9.Thetransparentregionwithsameshapesimilartooriginalprecipitatesappearedininneraspectofplasmalemmaafterthesectionsweretreatedwith
E GT A ( ×17000);10.Theamountsofcalciumprecipitatesincreasedremarkablyincytoplasminleafcelstreatedwith15mg/LZn(×17000)