全 文 ：镉胁迫对水车前叶片抗氧化酶系统和亚显微结构的影响
徐勤松 ,施国新 ,杜开和　(南京师范大学 生命科学学院 ,江苏 南京　210097)
摘要:报道了模拟镉污染对水车前叶片抗氧化酶系统的影响及对叶细胞超微结构 , 主要是叶绿体 、线粒
体和细胞核的损伤情况。随胁迫程度的增大 ,超氧化物歧化酶活性和可溶性蛋白含量下降明显 ,丙二醛
含量则上升 ,过氧化物酶和过氧化氢酶活性在 0.1 mg/L浓度处达到最高后呈下降趋势。电镜观察结果
表明:毒害初期 ,叶绿体和线粒体膨胀 ,类囊体明显空泡化;高浓度镉处理使破坏程度加重 ,叶绿体被膜
消失和叶绿体解体;线粒体间质溶解 , 濒临解体;细胞核染色质凝集并散入细胞质中。由于镉胁迫破坏
了植物的抗氧化酶系统 ,并对超微结构造成不可逆损伤 ,最终使细胞死亡。
关键词:镉胁迫;水车前;抗氧化酶系统;超微结构
中图分类号:X17;X592;Q945　　文献标识码:A　　论文编号:1001-5906(2001)02-0030-05
Effect of Cd2+ on Antioxidase System and Ultrastructure of Ottelia alismoides(L.)Pers.Leaves.Xu Qinsong
et al(College of Life Science , Nanjing Normal University , NANJING 210097):Rural Eco-Environment , 2001 , 17(2):
30 ～ 34
Abstract:Investigation was made of effect of simulated Cd2+pollution on the antioxidase system and ultrastructure of
the cells of Ottelia alismoides(L.)Pers.leaves ,mainly chloroplasts ,mitochondria and cell nucleus.It was found that
with increase in the stress , superoxide dismutase(SOD)activity and soluble protein content decreased drastically , while
malonyl(MDA)increased;and that the activity of peroxidase(POD)and catalase(CAT)peaked at 0.1mg/L of the pol-
lutant and declined afterwards.Electronic microscopic observation showed that at the early stage of the toxication ,
chloroplasts and mitochondria were swelling up;and thylakoids vacuolized apparently.Higher concentration of Cd2+
aggravated the damage , making chloroplast membranes disappear and chloroplasts disintegrate , mitochondrion mes-
enchyme dissolve and mitochondria be on the verge of disorganization , and nucleolus chromatin agglutinate and merge
into cytoplasm.Cd2+pollution not only destroy s the plant s antioxidase sy stem , but also causes irreversible damage to
its ultrastructure , thus leading the cells to death.
Key words:antioxidase system;Cd2+;Ottelia alismoides(L.)Pers.;stress;ultrastructure
　　随着工农业生产的发展 ,含有各种污染物
的工业废水 、生活污水和矿产污水大量排入水
系 ,造成水污染。重金属污染是水污染中比较
突出的问题。自从确认骨痛病是由镉污染所致
以来 ,重金属污染问题日益引起人们的关注。
沉水植物作为水生植物链中的初级生产
者 ,在水生生态系统中起到重要作用。因此 ,如
何利用沉水植物来监测和治理水污染 ,从而防
止通过水生食物链的生物放大作用对高营养级
的生物 ,直至人类造成危害 ,具有重要的现实意
义 。本文以沉水植物水车前为实验材料 ,系统
地研究了重金属镉对其叶片抗氧化酶系统的影
响和对叶细胞超微结构的损伤 ,为重金属污染
防治提供参考。
1　材料和方法
1.1　实验材料
水车前[ Ottelia alismoides(L.)Pers.]采自
基金项目:国家自然科学基金(39770046)
收稿日期:2000-09-20
农村生态环境　2001 , 17(2):30～ 34　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Rural Eco-Environment
江苏省胜浦镇。
1.2　实验方法
将植株放在实验室的大玻璃缸中驯化培养
一周 ,选取生长状态一致 、大小相当的作为实验
材料 ,移种在含有 CdCl2·2.5H2O(AR)的培养液
中 ,浓度梯度为 0.1 、1 、10 、50 、100 mg/L(以纯 Cd
计),另设对照为 0。培养第 6 天 ,取叶片 , 洗
净 ,揩干 ,电子天平称重 ,作生理指标分析用。
　　酶液的制备:将叶片放入加了适量 50
mmol/L磷酸缓冲液(pH 7.8)的预冷研钵中 ,冷
冻研磨 , 10 000×g 下离心 20 min ,上清液用来
分析 SOD(超氧化物歧化酶)、CAT(过氧化氢
酶)、POD(过氧化物酶)活性 、MDA(丙二醛)含
量和可溶性蛋白含量的变化。
叶片 SOD活性的测定:化学比色法 ,按从
南京建成生物工程研究所购买的试剂盒的顺序
测定;叶片 CAT 活性的测定:分光光度法 ,按从
南京建成生物工程研究所购买的试剂盒的顺序
测定;叶片 POD 活性的测定:愈创木酚法[ 1] ;
MDA含量的测定:按林植芳[ 2] 的方法;可溶性
蛋白含量的测定:考马斯亮蓝染色法[ 3] ,以结晶
牛血清蛋白为标准 ,测 595 nm 下的光吸收。以
上测定结果均以鲜重计。
叶细胞超微结构的电镜观察:处理第 6天 ,
取拳卷幼叶 ,用 25 ml/L 戊二醛和 2 ml/L 锇酸
双重固定 ,丙酮系列脱水 , Epon-812包埋 ,LKB
超薄切片机切片 ,切片经醋酸双氧铀-柠檬酸
铅双重染色 ,于 Hitachi-A -2型透射电镜下观
察并拍照 。
2　实验结果
2.1　Cd胁迫对水车前叶片 SOD活性的影响
从图 1可看出 ,Cd对 SOD活性的破坏比较
显著 ,随着 Cd处理浓度的增大 , SOD活性呈下
降趋势 , 100 mg/L Cd 处理使 SOD活性下降的
幅度最大 ,比对照降低了 55.01%。
2.2　Cd胁迫对水车前叶片 POD活性的影响
POD活性在 0.1 mg/L Cd 处理后有一抗性
高峰出现 ,而后降低 , 1 ～ 10 mg/L 处理的酶活
性与对照相当 ,100 mg/L 处理对其破坏极为严
重 ,仅为对照的 7.36%(图 2)。
图 1　Cd胁迫对 SOD活性的影响
Fig 1　Effect of Cd stress on activity of SOD
图 2　Cd胁迫对 POD 活性的影响
Fig 2　Effect of Cd stress on activity of POD
2.3　Cd胁迫对水车前叶片 CAT活性的影响
CAT 活性的变化趋势与 POD的相似 ,亦在
0.1 mg/L 浓度下有抗性峰出现 ,而后下降 ,不
同处在于用 1 ～ 50 mg/L 处理时尽管活性呈下
降趋势 ,但仍高于对照 ,100 mg/L 的 Cd 处理使
CAT 活性降为对照的 12.37%(图 3)。
2.4　Cd胁迫对MDA含量的影响
MDA含量的变化趋势同SOD的完全相反 ,
它随处理浓度的增大而呈上升趋势(图4)。
31第 2期　　　　　　　徐勤松等:镉胁迫对水车前叶片抗氧化酶系统和亚显微结构的影响
图 3　Cd胁迫对 CAT活性的影响
Fig 3　Effect of Cd stress on activity of CAT
图4　Cd胁迫对MDA含量的影响
Fig 4　Effect of Cd stress on MDA content
2.5　Cd胁迫对可溶性蛋白含量的影响
可溶性蛋白含量的变化趋势与 SOD 的相
同 ,也随处理浓度的增大而呈下降趋势(图 5)。
图 5　Cd胁迫对可溶性蛋白含量的影响
Fig 5　Effect of Cd stress on content of soluble protein
2.6　Cd对叶细胞超微结构的损伤
2.6.1　叶绿体结构的变化
叶绿体是绿色植物叶细胞中比较明显的细
胞器 ,正常的叶绿体为椭圆形 ,内部结构清晰 ,
基粒片层排列整齐 ,基粒类囊体和基质片层形
成完整的膜系统(图版 1.1),Cd处理后 ,叶绿体
膨胀成圆球形 ,类囊体囊内空间变大 ,空泡化显
著 ,内有一些质体球沉积 ,而被膜保持完整(图
版 1.2),10 mg/L 处理浓度下叶绿体的被膜完
全消失 ,类囊体片层膨胀 ,部分类囊体片层模糊
(图版 1.3),最后膨胀的类囊体片层和基质片
层被释放出来(图版 1.4)。
2.6.2　细胞核结构的变化
对照叶细胞中的细胞核为椭圆形 ,核膜清
晰 ,核仁 、核质界限分明(图版 1.5),10 mg/L的
Cd处理后 ,细胞核的变化是在核周腔膨胀的同
时 ,染色质凝集成染色质块 ,基本分布在核边
缘 ,而中央部分则有一些黑色颗粒存在 ,并且有
部分核膜断裂(图版 1.6),较为特别的是在一
个细胞中同时存在两个细胞核 ,大小相差无几 ,
核仁清晰(图版 1.7),最后核膜破裂 ,凝胶状的
染色质块进入细胞质中(图版 1.8)。
2.6.3　线粒体的变化
正常细胞中的线粒体为椭圆形 ,脊突为管
状(图版 1.9),遭到破坏后的线粒体和脊突都
膨胀成圆形(图版 1.10),线粒体间质消失 ,濒
临解体(图版 1.11)。
3　讨论
植物体内的 SOD 、CAT 、POD组成了一个有
效的活性氧清除系统[ 4] ,许多研究证实重金属
胁迫导致植物体内的活性氧的产生和清除失
衡 ,造成植物体内自由基累积[ 5] ,导致对植物的
损伤[ 6] 。在一定范围内 , SOD 和 CAT 共同作
用 ,能把具潜在危害的 O÷2 和 H2O2转化为无害
的 H2O 和 O2 ,并且减少具毒性的 、高活性的氧
化剂羟自由基(·OH)的形成[ 7] ,特别是 SOD ,可
歧化O÷2 成 H2O2和 H2O ,一定程度上降低了植
物体内自由基的水平 ,这与植物的抗逆性具有
32 　　　　　　　　农　村　生　态　环　境　　　　　　　　　　　　　　　　17卷
一定的相关性 。CAT 和 POD 也是植物体内重
要的抗氧化酶 ,能有效地清除 H2O2 。上述 3者
只有协调一致 ,才能将自由基控制在较低水平 ,
使细胞免受伤害。实验结果显示重金属 Cd 严
重破坏了植物的保护酶系统 ,表现在随处理浓
度的增大 SOD 活性一直下降 ,而 POD 和 CAT
仅在 0.1 mg/L Cd处理下出现一抗性峰 ,而 100
mg/L 处理使 3 个酶的活性分别降为对照的
44.99%、7.36%和 12.37%。这意味着对活性
氧的清除能力遭到极大削弱 ,将导致膜系统的
过氧化损伤。MDA含量的上升也说明这一点 ,
MDA是膜脂过氧化产物 ,是对细胞生命活动极
有害的基团 ,它能与蛋白质 、核酸 、氨基酸等活
性物质交联 ,形成不溶性化合物(脂褐素)沉积 ,
干扰细胞正常的生命活动[ 8] ,同时 ,也表明 Cd
毒害植物的突出表现是MDA的高度积累[ 6] 。
电镜观察结果表明:重金属Cd对叶细胞的
超微结构 ,主要是叶绿体 、线粒体和细胞核造成
明显损伤 。表现为:叶绿体膨胀 ,类囊体明显囊
泡化 ,被膜消失和类囊体散开 ,叶绿体解体;线
粒体和脊突膨胀 ,间质消失和面临解体;细胞核
染色质凝集 ,核膜破裂和凝胶状染色质散入细
胞质中。前人的研究指出叶绿体的超微结构与
光合功能密切相关[ 9] ;线粒体则被看作是真核
细胞的动力站[ 10] ;细胞核控制着蛋白质的合成
和细胞的生长 、发育和遗传[ 11] 。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[ 12] ;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 ,
从而使细胞呼吸减弱 , 导致有氧糖代谢受
阻[ 13] ,而植物抗 Cd胁迫(及其它逆境)时却需
要消耗较多的ATP[ 14] ,其后果是使细胞的能量
供应不足和对Cd胁迫的抗性减弱;细胞核的染
色质凝集并散入细胞质中也是对细胞核的不可
逆损伤 ,细胞核作为细胞生命活动的调控中心 ,
对它的破坏意味着细胞生命活动的紊乱 。实验
结果证明 Cd主要对细胞器的膜系统产生破坏
作用 。而当细胞器遭到严重损伤时 ,可溶性蛋
白含量呈下降趋势 ,这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进而恢复行
使正常功能 。所以 ,最终影响植物光合作用 、呼
吸作用等重要生理活动的正常进行。
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作者简介:徐勤松(1976～ ), 男 , 硕士生 , 主要研究重金
属污染对水生植物的毒害影响。
33第 2期　　　　　　　徐勤松等:镉胁迫对水车前叶片抗氧化酶系统和亚显微结构的影响
图版说明
CP:叶绿体;CW:细胞壁;Mi:线粒体;N:细胞核;Nu:核仁;V:液泡
图版 1
1.对照叶细胞的超微结构 , 示正常的叶绿体(×15 000);2.100 mg/ L 处理的叶细胞 , 示圆球形的叶绿体和类囊体空泡化(×
20 000);3.10 mg/ L处理的叶细胞 ,示叶绿体被膜消失(×20 000);4.100 mg/ L处理的叶细胞 ,示叶绿体解体(×12 000);5.正常叶
细胞的超微结构 ,示细胞核和核仁(×6 000);6.10 mg/ L处理的叶细胞 ,示核仁消失和凝胶状的染色质(×15 000);7.10 mg/ L处理
的叶细胞 ,示一个细胞中出现两个细胞核(×6 000);8.100 mg/ L处理的叶细胞 , 示核膜破裂 ,染色质散出(×10 000);9.对照叶细
胞的超微结构 ,示叶绿体和线粒体(×20 000);10.10 mg/ L处理的叶细胞 ,示线粒体脊突膨胀(×20 000);11.100 mg/ L处理的叶细
胞 ,示破坏的线粒体和叶绿体(×20 000)
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