全 文 ：镉和增强紫外线B辐射复合作用对大豆生长的影响*
强维亚1 杨 晖1 陈 拓2 安黎哲1, 2 王勋陵1* *
( 1 兰州大学生命科学学院干旱农业生态国家重点实验室, 兰州 730000; 2 中国科学院寒区旱区环境
与工程研究所,兰州 730000)
摘要 研究了 Cd2+ 和增强紫外线B ( UVB)辐射以及二者复合胁迫 ( Cd+ UVB)对大豆生长、光合作
用、抗氧化酶活性和吲哚乙酸( IAA )氧化酶活性的影响. 结果表明, UVB 辐射对大豆生长较 Cd2+ 有更明
显的抑制作用, 主要是降低了光合作用,生物量减小;抑制节间的分化和伸长, 节间减少, 株高降低. UVB
辐射对 POD、SOD活性有显著诱导作用, 而 Cd2+ 明显颉颃 UVB 对 POD活性的诱导并抑制 IAA 氧化酶活
性. 在复合作用下,植物体内 IAA氧化酶和 POD活性较 UVB单独作用下显著降低 ,这两种酶活性降低会
引起植物体内 IAA含量升高, 同时光合作用略有升高, 这是株高和生物量较 UVB 作用下有所增加的重
要原因. 复合胁迫还增强了对根伸长生长的抑制作用,根长度较对照显著降低 ( P< 0. 05)。 IAA 氧化酶和
POD活性变化以及光合强度变化与大豆株高和生物量变化密切相关, 这也是复合胁迫影响大豆生长状况
的重要因素.
关键词 大豆 生长 紫外线B( UVB) 镉( Cd) 抗氧化酶 吲哚乙酸( IAA ) 氧化酶
文章编号 1001- 9332( 2004) 04- 0697- 04 中图分类号 X171 5, Q945 11 文献标识码 A
Effect of the combination of cadmium and UVB radiation on soybean growth. QIANG Weiya1 , YANG Hui1 ,
CHEN Tuo2 , AN L izhe1, 2 , WANG Xunling1 ( 1S tate Key L aboratory of A r id Agroecology , School of L if e Sci
ence, L anzhou University , L anzhou 730000, China; 2Cold A r id Region and Environment Engineer ing Insti
tute, Chinese A cademy of Sciences , L anzhou 730000, China) . Chin. J . A pp l . Ecol . , 2004, 15( 4) : 697~ 700.
This paper studied the character istics of so ybean grow th under the stress of Cd, UVB radiation and their combi
nation. T he results showed that UVB radiation gave a mo re pronounced inhibition on soybean growt h than cad
mium. Under UVB radiation, the internode differ entiation and elongation were inhibited, the internode and plant
height were reduced, and the activities of SOD and POD had an apparent increase. Cd2+ could antagonize the ef
fect of UVB radiation on POD activ ity, and inhibit indole3acetic acid( IAA ) oxidase activity. A significant de
crease of POD and IAA ox idase activities in so ybean w as detected when exposed to combined UVB and Cd2+ ,
compared wit h UVB radiation only. T he decr ease of POD and IAA ox idase activ ities was related to the increase
of IAA contents and photosynthetic activity, which might account for the increases of biomass and plant height.
Moreover, the combined stress enhanced the inhibition of root g rowth, and significantly decreased roo t length.
The IAA oxidase and POD activities and photosynthesis rate might be the crucial factors determining t he pattern
of soybean grow th under the stress of Cd2+ in combination w ith UVB radiation.
Key words Soybean, U ltr av ioletB( UVB) , Cadmium( Cd) , SOD, POD, Indole3acetic acid( IAA ) ox idase.
* 国家自然科学基金项目( 30170186, 90202009)、中国科学院知识创
新工程重大项目( KZCX11002)和中国科学院冰芯与寒区环境开放
实验室知识创新工程项目( 210506) .
* * 通讯联系人.
2002- 10- 28收稿, 2003- 06- 27接受.
1 引 言
长期以来工业废弃物的排放导致环境的不断恶
化,其造成的危害和经济损失已越来越引起了广泛
和深切的关注. 重金属污染物排放造成的土壤和水
系重金属污染, 不仅给农业生产造成巨大损失,而且
对人类健康构成了巨大威胁[ 9] , 而氯氟烃类化合物
( CFCs)排放则引起大气平流层臭氧减薄,导致地表
太阳紫外线B( UVB)辐射增强,同样对自然生态系
统和人类健康造成了危害[ 5, 18] .
重金属污染和增强 UVB辐射都是与人类活动
密切相关的重大环境问题. Cd是一种重要的土壤污
染重金属元素, 可以引起植物细胞超微结构变
化[ 23] ,抑制酶活性[ 29] , 诱导产生自由基, 引起细胞
过氧化损伤[ 21] ,破坏光系统 II,影响光合作用[ 19]等
在形态学、生理学和分子水平上有明显的不良反应.
增强的 UVB 辐射影响植物代谢过程、抑制植物生
长和发育,导致敏感植物从形态学到生理学和生物
化学方面的多种损伤和变化, 甚至引起 DNA 损伤,
影响 DNA 的复制[ 4, 8, 27, 28] . 同时, 增强 UVB 辐射
应 用 生 态 学 报 2004 年 4 月 第 15 卷 第 4 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Apr . 2004, 15( 4)!697~ 700
也会刺激植物产生防御性反应, 如增强清除自由基
的酶系统活性[ 26]和增加叶表面 UVB 吸收色素含
量[ 14, 20] .在许多地区, Cd污染和增强的 UVB 辐射
往往同时并存. 但二者对植物的复合胁迫的研究少
有报道[ 13, 19] . Cd2+ 胁迫和 UVB辐射复合作用可能
会增强或削弱植物的某些代谢过程,对植物生长发
育产生复合后特有的影响. 为此, 研究 Cd污染和增
强UVB辐射复合作用对大豆的生长特性、光合强
度、抗氧化酶和吲哚乙酸氧化酶活性的影响, 并探讨
二者之间的关系,揭示植物对复合胁迫的响应特征.
2 材料与方法
21 材料培养
研究以大豆( Glycine max ) ∀ 陇豆 1 号#为材料. 种子购
自甘肃省农业科学院经济作物研究所,经 5% 次氯酸钠( Na
ClO)消毒 5 min, 室温下预萌发 12 h, 选取籽粒饱满、萌发同
步的种子, 播种在盛有预先经充分水洗、平衡的蛭石粉的塑
料桶中. 桶直径 40 cm, 高 50 cm. 每桶盛蛭石粉 10 kg , 种植
30 株.待苗出齐后疏苗, 每桶定植 20 株. 1/ 2 Hoagland 营养
液培养.
22 材料处理
待第 2 复叶完全展开后进行处理. Cd2+ 处理用含 0 6
mmol∃L- 1 CdCl2( Cd)和不含 CdCl2 ( CK )的 1/ 2 营养液浇灌
( 3000ml∃桶- 1 ) , 2 周后, 每周浇 1/ 2 营养液 ( 不含 CdCl2 )
1000ml∃桶- 1, 补充水分. UVB 辐射处理与 Cd2+ 污染处理同
期进行,辐射采用 30W 秦牌紫外线灯管提供(陕西宝鸡灯泡
厂) , 发射的紫外线用 008m 乙酰纤维素膜过滤 , 以消除
UVC 的影响. 灯管悬挂于处理大豆上方 60~ 70cm 高度,
UVB 辐射波峰为 297 nm. 每日 10: 00~ 16: 00 进行 UVB
辐射处理.辐射强度用紫外线辐照计(北京师范大学生产)测
定,根据 Caldwall[ 7]方法计算每日生物有效辐射 ( UVBBE) ,
处理的日辐射总量为 126kJ∃m- 2∃d- 1( UVB) , 不加紫外线
灯作为对照( CK) , 约相当于兰州夏至时晴天约 20% 大气臭
氧层衰减[ 2] .处理过程中经常调整灯管高度, 以保证大豆在
处理过程中接受恒定的 UVB 辐射强度. 并设 2 种胁迫的复
合处理( Cd+ UVB) . 每一处理和对照各重复 3 次.
23 指标测定
处理到第 4 周时,选一晴天, 在上午 9: 00~ 11: 00 时,选
取植株上部相同叶位、完全伸展的复叶中叶,用便携式光合仪
( CIRAS1, PP System, UK)测定大豆光合作用,每一处理和对
照各测 5 片叶, 每片叶测定 3 组数据.然后取各个处理和对照
相同叶位的叶片, 液氮冷冻,作为生理生化分析样品.
每一处理和对照各取 6 株同一叶位叶片按常规方法分
别测量其面积和厚度,取平均值. 收获未被取样的全株, 每处
理和对照各取 30 株, 分为 3 组, 10 株∃组- 1 . 将地上部和地
下部分开,分别测量其长度, 然后烘干至恒重后分别称重, 取
平均值.
超氧化物歧化酶( SOD) 活性按潘瑞炽等[ 22]方法测定.
过氧化物酶活性根据[ 1]方法测定.吲哚乙酸氧化酶活性按照
de Forchetti和 T igier[ 11]方法测定. 以上指标均平行测定 3
次, 取平均值.
3 结果与分析
31 生物量、株高和根系长度
由表 1可见, 在 UVB辐射和 Cd2+ 单独胁迫或
复合胁迫下, 根系和地上部茎叶的生物量均明显下
降, UVB辐射对地上部的影响显著大于 Cd2+ 的影
响.当 Cd2+ 和 UVB辐射复合胁迫时, 无论根系还
是地上部生物量都大于 UVB 作用. 由表 2 可见,
Cd2+ 和 UVB辐射对根长度均有显著抑制作用,复
合胁迫( Cd+ UVB)对根系伸长有协同抑制效应,
抑制作用显著大于任何单一胁迫. 而 UVB辐射对
株高的抑制作用显著大于 Cd2+ . 表 2还显示, Cd+
UVB作用下,大豆株高较单一因子作用有所升高.
可能与复合胁迫下体内 IAA 水平变化有关.
表 1 不同处理下大豆根、茎叶和总生物量变化
Table 1 Dry weight of roots, stems and leaves of soybean under differ
ent treatment( means% SD)
处理
Treatment
干重 Dry w eight( g∃plant- 1)
根 Root 茎 Stem 总重 T otal
CK 107 % 06a 198 % 18a 305 % 13a
Cd2+ 71 % 04b 158 % 08b 229 % 05b
UVB 72 % 03b 126 % 06c 198 % 06c
Cd+ UVB 81 % 07ab 159 % 12b 240 % 10b
表中每列中的字母表示一元方差分析显著性差异结果 Differetn let
ters in the column show the signif icance of growth parameters under dif
ferent treatm ents w ith one way variance analysis ( ANOVA) at P <
005 level( n= 10) .下同 The sam e below .
表 2 Cd和 UVB辐射对大豆生长特性的影响
Table 2 Effect of Cd and UVB radiation on growth characteristics of
soybean
处理
Treatment
根长
Root length
( cm)
株高
Plant height
( cm)
节间数
Internodes
CK 3420 % 29a 2818 % 22ab 463 % 05a
Cd2+ 3050 % 31ab 2631 % 11b 338 % 05bc
UVB 3010 % 31b 2383 % 15b 300 % 05c
Cd+ UV 2770 % 27b 3050 % 34a 363 % 07b
32 叶面积和厚度变化
由图 1可见, UVB 辐射下,叶面积和厚度无变
化,而 Cd2+ 作用下,叶面积和叶厚度显著减小( P<
005) . 但 Cd+ UVB作用下叶面积较 Cd2+ 作用下
略有增大.
33 光合作用强度
Cd2+ 和 UVB辐射均使光合作用显著降低, 尤
其 UVB辐射对光合作用的抑制较 Cd2+ 更为显著.
但在 Cd+ UVB作用下,大豆光合作用略高于 UV
B 辐射(图 2) .
698 应 用 生 态 学 报 15卷
图 1 不同处理下大豆叶面积( & )和厚度( ∋ )变化
Fig. 1 Variations of area( & ) and thickness ( ∋ ) of soybean leaves under
dif ferent t reatments.
图 2 不同处理下光合强度变化
Fig. 2 Variat ion of photosyntheis rate of soybean leaves under diff erent
t reatments.
34 抗氧化酶活性变化
由图 3可见, Cd2+ 和增强 UVB辐射胁迫均可
导致 SOD和 POD 活性升高, 在 Cd2+ 作用下, SOD
活性升高较 POD更为显著, 而 UVB辐射下, POD
活性明显大于 SOD, 但在 Cd+ U VB 作用下, POD
活性较 UVB作用下明显降低,与 Cd2+ 和 UVB 作
用相比, SOD活性变化不显著.
图 3 不同处理下叶片 SOD和 POD活性变化
Fig. 3 Variat ion of SOD and POD act ivit ies in soybean leaves under dif
f erent t reatment .
35 吲哚乙酸( IAA)氧化酶活性变化
Cd
2+ 对 IAA 氧化酶活性有一定促进作用,但不
显著, UVB辐射显著促进了 IAA 氧化酶活性. 在
UVB 辐射下, IAA 氧化酶活性较对照升高了
268%( P< 005) ,而 Cd+ UVB作用下, 其活性又
降至与 Cd2+ 作用同等的水平(图 4) .
图 4 不同处理下大豆叶片 IAA氧化酶活性变
Fig. 4 Variat ion of act ivit ies of IAA oxidase in soybean leaves un der dif
ferent t reatments.
4 讨 论
许多研究结果表明, 增强 UVB辐射和重金属
Cd污染都会影响植物细胞代谢、生长发育, 改变植
株形态结构,导致生物量下降[ 4, 6, 8, 12, 19, 27, 28] . UVB
辐射对大豆生长有明显抑制作用[ 14, 22] .无论是对株
高还是生物量, UVB辐射均具有较 Cd2+ 明显的抑
制作用(表 1、2) , 这与 UVB作用下 IAA 氧化酶活
性升高和光合强度降低有关[ 3, 6, 25] . Huang 等[ 16]研
究表明, UVB辐射可诱导 IAA 氧化酶活性增强,从
而使植物体内 IAA 水平降低, 生长受到限制. 但研
究中发现 Cd2+ 与 UVB辐射复合作用时,株高和生
物量均较 UVB 单独辐射时有所增加, 这可能是
Cd2+ 抑制了 UVB 作用下 IAA 氧化酶活性的增
强[ 11] ,使体内 IAA 水平较 UVB单独作用下相对
提高,从而使大豆生长略有增加. 我们也注意到, 在
处理条件下, POD活性与 IAA氧化酶活性变化趋势
相同(图 3、4) . Gallego 等[ 15]研究结果证明 Cd2+ 对
POD活性有抑制作用,而 POD活性降低也是植物
体内 IAA含量相对提高的原因之一[ 31] . 研究结果
显示,与 UVB单独作用相比, 在Cd+ UVB复合作
用下大豆叶片中 IAA氧化酶活性和 POD活性显著
降低(图 4) .由此推测,复合作用下大豆体内的 IAA
水平较 UVB辐射下升高, 是株高较 UVB作用下
有所提高的重要原因. 实验中大豆叶面积和叶片厚
度在 UVB辐射下未出现明显的变化.尽管多数研
究表明, 增强 UVB 辐射可使植物叶片变小变
厚[ 24] ,但因不同植物的差异, 一些植物对 UVB 辐
射响应有时也存在较大差异[ 10] .该实验中 UVB辐
射对生长的影响主要是降低了光合作用(图 2) , 生
物量减小(表 1) ,抑制了节间的分化和伸长, 节间减
少、株高降低(表 2) . 而 Cd2+ 对节间分化和株高的
抑制不如 UVB 明显, 但却显著降低了叶面积和叶
6994 期 强维亚等:镉和增强紫外线B 辐射复合作用对大豆生长的影响
片厚度(表 2、图 1) .
虽然 Cd2+ 和 UVB 辐射对根伸长都有一定作
用,但 Cd2+ 是抑制根系生长的更重要和更直接的原
因. Cd2+ 破坏根细胞结构[ 23] , 引起自由基过氧化损
伤[ 30] ,并刺激根系分泌酚酸物质抑制根系自身生
长[ 32] . 而在复合 UVB辐射时增强了对根系伸长生
长的抑制, 可能是由于 UVB辐射促进了根系对酚
酸物质的分泌, 导致抑制作用增强(另文发表) .
Cd2+ 和 UVB 辐射对植物的主要伤害之一是
引起细胞膜脂质过氧化损伤[ 30] .这些胁迫同时都引
起植物叶片内过氧化物酶( POD)和超氧化物歧化酶
( SOD)活性增强[ 17] , 以清除活性氧( O2, H 2O2) . 结
果显示, UVB 辐射对 POD、SOD 活性都有显著诱
导作用, Cd2+ 明显颉颃 UVB 对 POD 活性的诱导
(图 3) . 虽然 SOD 活性在 3个处理条件下无明显差
异,但与对照相比, 3种处理均显著增强了 SOD 活
性(图 3) ,以减小细胞过氧化损伤. 但 SOD 活性的
变化与大豆株高和生物量变化无关.
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作者简介 强维亚, 男, 1958 年, 博士, 从事环境生物学和污
染生态学研究, 发表论文 10 余篇. T el: 09318912842 E
mail: qiangwy@ lanzhou. cngb. com
700 应 用 生 态 学 报 15卷