全 文 ：doi10. 16473 / j. cnki. xblykx1972. 2016. 02. 024
铜对海菜花种子萌发及幼苗生长的影响
*
朱健1，范菲菲2，赵丽华1，彭艳3，张志红1
(1. 贵州大学资源与环境工程学院，贵州 贵阳 550025;2. 贵州省土壤肥料研究所，贵州 贵阳 550006;
3. 贵州民族大学化工与环境科学学院，贵州 贵阳 550025)
摘要:采用营养液培养法，研究了不同铜离子 (Cu2+)浓度 (0mg /L、0. 1mg /L、0. 2mg /L、0. 5mg /L、1mg /L、
2mg /L、5mg /L、10mg /L)对海菜花种子萌发及幼苗生长指标及部分生理指标变化的影响。结果表明，各浓度处
理 (0. 1 ～ 10mg /L)Cu2+对海菜花种子发芽率与对照均无显著差异 (p＞0. 05);海菜花种子的发芽势、发芽指数
与活力指数整体表现出随 Cu2+处理浓度的增加呈下降趋势，当 Cu2+处理浓度较高时，与对照差异显著 (p＜
0. 05)。Cu2+明显降低海菜花叶片中叶绿素 a、b及类胡萝卜素含量，且与对照差异显著 (p﹤ 0. 05)。随着 Cu2+
浓度的增加，超氧化歧化酶 (SOD)活性、过氧化物酶 (POD)活性、可溶性蛋白质含量先升高后降低;过氧
化氢酶 (CAT)呈持续降低趋势，且与对照差异显著 (p＜0. 05)。该研究结果为海菜花的保护提供了一定的理论
支持。
关键词:铜;海菜花;发芽;叶绿素;抗氧化酶系统;可溶性蛋白质
中图分类号:X 171. 5 文献标识码:A 文章编号:1672－8246 (2016)02－0135－05
Effect of Copper on the Seed Germination and
Seeding Growth of Ottelia acuminatas
ZHU Jian1，FAN Fei-fei2，Zhao Li-hua1，PENG Yan3，ZHANG Zhi-hong1
(1. College of Ｒesources and Environmental Engineering，Guizhou University，Guiyang Guizhou 550025，P. Ｒ. China;
2. Guizhou Institute of Soil and Fertilizer，Guiyang Guizhou 550006，P. Ｒ. China;
3. School of Chemistry and Environment Science，Guizhou Minzu University，Guiyang Guizhou 550025，P. Ｒ. China)
Abstract:Using nutrient solution culture method，the effects of Cu2+ on seed germination，seeding growth of Otte-
lia acuminatas were studied． The results showed that effect of exogenous Cu2+ within the concentration varied from
0. 1 to 10mg /L on seed germination rate of Ottelia acuminatas showed no significant difference compared with con-
trol (p＞0. 05)，while for the inhabitation of germination potential，germination index and vital index，there was
significant difference compared with control (p＜0. 05)in higher concentration． Cu2+ had an inhibitory effect on
chlorophyll and carotinoid content of Ottelia acuminatas，and there was significant difference compared with control
(p＜0. 05)． With increasing concentration of Cu2+，the activities of superoxide dismutase (SOD)，peroxidase
(POD) ，soluble protein contents of seedling showed increasing at beginning and then decreasing;At the same
time，the activity of catalase (CAT)was consistently decreasing，and there was significant difference compared
with control (p＜0. 05)． This study could provide certain theoretical support for the natural Ottelia acuminatas
conservation．
Key words:copper;Ottelia acuminatas;germination;chlorophyll;antioxidate system enzyme;soluble protein
第 45 卷 第 2 期
2016 年 4 月
西 部 林 业 科 学
Journal of West China Forestry Science
Vol. 45 No. 2
Apr. 2016
* 收稿日期:2015－09－07
基金项目:贵州省科学技术基金“花溪湿地珍稀沉水植物海菜花对重金属的生态响应及其机理研究 (黔科合 J字 ［2012］ 2104)”。
第一作者简介:朱健 (1981－)，男，高级实验师，硕士，主要从事污染生态效应研究。E－mail:zhujian2009@ 126. com
海菜花 (Ottelia acuminatas)属于水鳖科
(Hydrocharitaceae )，是中国特有三级重点保护高
原淡水植物，其生长对水质要求很高，对水生生态
系统具有重要的生态作用［1］。近年来，随着环境
中重金属污染加剧，水质恶化，中国海菜花的分布
急剧减少，而重金属对海菜花种子发芽的毒害作用
还鲜见报道。铜 (Cu2+)作为植物生长过程中一种
重要的微量元素，对植物的生长、发育有着重要影
响。但 Cu2+可在植物体内诱发产生过氧化氢、超
氧阴离子、羟基自由基等活性自由基，可以氧化生
物大分子，甚至使细胞死亡，从而对植物产生毒害
作用［2］。因此，本试验以海菜花种子为试材，探
讨重金属 Cu2+对海菜花种子萌发和抗氧化酶系统
的影响，初步揭示铜对海菜花毒性的作用机理，以
期为海菜花的保护提供一定的理论支持。
1 材料与方法
1. 1 试验材料
供试海菜花种子于 2013 年 11 月上旬采自贵州
省贵阳市花溪区花溪水库，挑选籽粒饱满，大小均
匀的种子用于试验。各分析纯、生化纯试剂都用超
纯水配制。
1. 2 试验设计
将用分析纯 CuSO4·5H2 O 和 1 /10 浓度 Hoag-
land营养液配制 Cu2+浓度分别为 0mg /L、0. 1mg /L、
0. 2mg /L、 0. 5mg /L、 1mg /L、 2mg /L、 5mg /L、
10mg /L溶液，置于铺有 2 层滤纸的直径 9cm 培养
皿中，分别挑选饱满的海菜花种子各 20 粒，盖好
玻璃培养皿，置于温度 25±1℃，光照强度 2 000lx，
14h /d，湿度 80%的人工气候培养箱中进行萌发试
验，每个处理 3 个重复。样品放入后每天添加适量
的超纯水补偿损失水分。种子露白即认作发芽，培
养 14d后测定叶绿素、类胡萝卜素、可溶性蛋白含
量，超 氧 化 物 歧 化 酶 (SOD)、过 氧 化 物 酶
(POD)和过氧化氢酶 (CAT)活性。
1. 3 分析方法
1. 3. 1 发芽指标测定方法
发芽率 (GＲ)= 14d 内正常发芽的种子数 /供
试种子数×100%;发芽势 (GP)=萌发前 7d 发芽
数之和 /供试种子数×100%;发芽指数 (GI)= ∑
Gt /Dt (Gt 为第 t 天的发芽数;Dt 为相应发芽天
数);活力指数=GI×S (GI 为发芽指数;S 为幼苗
平均总长度，单位 cm)［3］。
1. 3. 2 叶绿素、类胡萝卜素含量测定
取处理幼苗相同叶龄部位叶 0. 5g，以 80%丙
酮提取，用分光光度计测定 665nm、649nm、
470nm吸光度［4］。
1. 3. 3 SOD、POD、CAT活性和可溶性蛋白质含
量测定
取处理植株相同叶龄叶片，加入少量 0. 1mol /L
pH7. 8 的磷酸缓冲液，置冰浴研磨匀浆，离心
(12 000 r /min，4℃，15min)，上清液用于酶活性
与可溶性蛋白含量的测定。SOD 活性测定采用
NBT光化还原法［4］，POD活性采用愈创木酚法［4］，
CAT活性采用南京建成科技有限公司 CAT 试剂盒
测定。可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝 G-250 法测
定［5］。
1. 4 数据处理与分析
所得数据用 SPSS13. 0 进行统计分析，变化趋
势图用 origin8. 0 绘制。
2 结果与分析
2. 1 铜胁迫对海菜花种子发芽的影响
由表 1 可知，在试验浓度范围内，各浓度 Cu2+
处理的海菜花种子发芽率与对照相比均无显著差异
(p＞0. 05)。海菜花种子的发芽势、发芽指数与活
力指数整体表现出随 Cu2+处理浓度的增加呈下降
趋势，当 Cu2+处理浓度较高时，与对照差异显著
(p＜0. 05)。
2. 2 铜胁迫对海菜幼苗生长的影响
由表 2 中可知，各浓度 Cu2+胁迫处理下，海菜
花幼苗长度、根长、根数均随 Cu2+离子浓度增加
而下降，且均与对照差异显著 (p＜0. 05);当 Cu2+
浓度达到 10mg /L时，海菜花的幼苗长抑制率达到
88. 2%，根的生长被 100%抑制。Cu2+胁迫质量浓
度＜0. 5mg /L时，Cu2+离子对幼苗叶片数无明显影
响，当 Cu2+浓度≥1mg /L 时，海菜花幼苗叶片数
随 Cu2+离子浓度的升高而减少，且与对照差异显
著 (p＜0. 05)。由此说明，随着 Cu2+胁迫浓度的增
大，Cu2+对海菜花幼苗生长的抑制作用增大。
631 西 部 林 业 科 学 2016 年
表 1 Cu2+对海菜花种子发芽的影响
Tab. 1 Effect of Cu2+ on seed germination of Ottelia acuminatas
Cu2+浓度 /mg·L－1 发芽率 /% 发芽势 /% 发芽指数 活力指数
0 91. 7±7. 6a 35. 0±21. 8a 12. 7±3. 67a 47. 0±2. 99ab
0. 1 93. 3±2. 9a 26. 7±7. 6ab 12. 4±1. 11a 49. 6±6. 73a
0. 2 76. 7±27. 5a 18. 3±23. 1abc 7. 30±5. 65ab 15. 3±13. 5c
0. 5 78. 3±24. 7a 13. 3±12. 6abc 7. 63±5. 17ab 22. 6±27. 0bc
1. 0 85. 0±13. 2a 11. 7±16. 1abc 6. 86±3. 32ab 13. 7±3. 96c
2. 0 65. 0±15. 0a 6. 67±7. 6bc 4. 55±2. 19b 5. 62±2. 54c
5. 0 73. 3±29. 3a 3. 33±5. 8bc 4. 45±1. 41b 3. 58±1. 54c
10. 0 83. 3±20. 8a 0±0c 4. 42±2. 35b 3. 29±2. 76c
注:同一列不同小写字母表示差异显著 (p＜0. 05)，表 2 ～ 4 同。
表 2 Cu2+对海菜花根、芽的影响
Tab. 2 Effect of Cu2+ on roots and seedlings of Ottelia acuminatas
Cu2+浓度 /mg·L－1 平均苗长 /cm 平均叶片数 /片 平均根长 /cm 平均根数 /根
0 5. 1±0. 16a 2. 5±0. 12a 3. 0±0. 12a 1. 4±0. 13a
0. 1 4. 2±0. 24b 2. 6±0. 11a 2. 4±0. 25b 1. 4±0. 11a
0. 2 3. 8±0. 14c 2. 5±0. 15a 1. 4±0. 15c 1. 2±0. 09a
0. 5 3. 4±0. 17c 2. 4±0. 12a 1. 6±0. 14c 0. 9±0. 06b
1. 0 2. 1±0. 10d 2. 0±0. 07b 0. 1±0. 01d 0. 8±0. 09b
2. 0 1. 4±0. 05e 2. 0±0. 00b 0. 1±0. 01d 0. 8±0. 10b
5. 0 0. 8±0. 03f 1. 4±0. 20c 0. 0e 0. 0c
10. 0 0. 6±0. 03f 1. 0c 0. 0e 0. 0c
2. 3 铜胁迫对海菜花光合色素含量的影响
叶绿素含量很大程度上反映了植物的光合作用
能力，叶绿素与光合速率、营养状况关系密切，逆
境条件下，叶绿素含量是表征植物受伤害程度的指
标之一。由表 3 可知，Cu2+浓度在 0. 1 ～ 10mg /L范
围内，海菜花幼苗中叶绿素 a、叶绿素 b、类胡萝
卜素含量随 Cu2+处理浓度的增加而逐渐降低。当
Cu2+浓度为 10mg /L时，叶绿素 a、叶绿素 b、类胡
萝卜素含量分别仅为对照组的 2. 1%、7. 9%、
2. 3%，说明高浓度的 Cu2+显著抑制了叶绿素的合
成。
表 3 Cu2+对海菜花光合色素含量的影响
Tab. 3 Effects of Cu2+ on the contents of photosynthetic pigment of Ottelia acuminatas
Cu2+浓度 /mg·L－1 叶绿素 a含量 /mg·g－1 叶绿素 b含量 /mg·g－1 类胡萝卜素含量 /mg·g－1
0 0. 676±0. 022a 0. 253±0. 008a 0. 174±0. 003a
0. 1 0. 519±0. 065b 0. 165±0. 027b 0. 130±0. 010b
0. 2 0. 388±0. 016c 0. 142±0. 004b 0. 097±0. 006c
0. 5 0. 263±0. 007d 0. 118±0. 008c 0. 077±0. 003d
1. 0 0. 196±0. 022de 0. 164±0. 018b 0. 020±0. 003f
2. 0 0. 2120. 017de 0. 131±0. 016bc 0. 064±0. 001e
5. 0 0. 190±0. 033e 0. 153±0. 026b 0. 004±0. 001g
10. 0 0. 014±0. 004f 0. 020±0. 001d 0. 004±0. 001g
2. 4 铜对海菜花叶片中抗氧化酶系统的影响
SOD、POD、CAT 3 种抗氧化酶活性与植物抵
御外界胁迫能力密切相关。由表 4 可知，Cu2+在 0
～ 10mg /L范围内，SOD 活性整体表现出先升高后
降低的趋势，当 Cu2+浓度为 1mg /L 时，SOD 活性
最大，为对照的 11. 43 倍，且与对照差异显著 (p
731第 2 期 朱健等:铜对海菜花种子萌发及幼苗生长的影响
＜0. 05);当 Cu2+浓度为 10mg /L时，SOD活性仍比
对照高 3. 3 倍。POD 活性变化规律与 SOD 相似，
也呈现先升高后降低趋势，Cu2+浓度为 2mg /L 时，
POD活性达到最高值，且与对照差异显著 (p ＜
0. 05)，但在最大 10mg /L Cu2+处理时，其活性与
对照无显著差异。由此可见，SOD 的耐受性比
POD 强。而 CAT 活性的变化规律则与 SOD、POD
活性的变化规律不同，表现出随 Cu2+浓度升高而
逐渐降低，且均与对照差异显著 (p ＜0. 05)。当
Cu2+浓度为 10mg /L时，海菜花幼苗的 CAT 活性被
抑制了 83. 9%，由此可见，CAT 对 Cu2+胁迫的耐
受性较差。
表 4 Cu2+对海菜花幼苗中抗氧化系统酶活性的影响
Tab. 4 Effects of Cu2+ on the activity of the antioxidate system enzyme of Ottelia acuminatas
Cu2+浓度 /mg·L－1 SOD活性 /U·g－1·FW－1 POD活性 /U·g－1·(FW·min)－1 CAT活性 /u·(mgprot)－1
0 31. 5±7. 63d 0. 6±0. 096e 2 728±147a
0. 1 29. 1±5. 46d 0. 761±0. 032cd 2 318±112b
0. 2 152±7. 41b 0. 784±0. 110c 1 992±191bc
0. 5 312±50. 4a 0. 919±0. 081b 1 682±445c
1. 0 360±59. 5a 1. 168±0. 069a 1 215±177d
2. 0 145±19. 1bc 1. 224±0. 073a 756±167e
5. 0 108±10. 6bc 0. 662±0. 059cde 560±107ef
10. 0 104±15. 3c 0. 639±0. 069de 440±59ef
2. 5 铜对海菜花幼苗中可溶性蛋白质含量的影响
植物体内的可溶性蛋白质主要是参与各种代谢
的酶类，其含量是了解植物体生理的一个重要指
标。由图 1 可知，随着 Cu2+处理浓度的增加，海菜
花幼苗中的可溶性蛋白质含量表现出先升高后降低
的趋势，在 Cu2+处理浓度为 5mg /L 时，达到最大
值，且与对照差异显著 (p ＜0. 05)，随后开始下
降，由此表明，海菜花在受 Cu2+胁迫时体内能产
生一些抗性蛋白抵御外界胁迫，但处于高浓度
Cu2+胁迫时，这种抵御机制受到破坏，可溶性蛋白
质含量降低。SOD、POD活性先升高后降低的变化
趋势也证明了可溶性蛋白质含量的这种变化规律。
图 1 不同 Cu2+处理对海菜花幼苗中可溶性蛋白质
含量的影响
Fig. 1 Effects of Cu2+ on protein contents in
Ottelia acuminatas seedlings
3 讨论
试验结果表明，Cu2+胁迫对海菜花种子的发芽
率无显著影响是由于其种皮的保护作用。种子萌发
前期阶段主要利用种子自身储存的营养物质，外部
污染物质无法进入其内部参与萌发的前期过程，所
以对其发芽率无显著影响。然而与发芽率不同的是
海菜花种子的发芽势、发芽指数与活力指数随着外
源 Cu2+浓度的增大而呈现逐渐降低趋势，这与程
召贯等对小麦 (Triticum aestivum)种子萌发实验
的结果一致［6］。说明高浓度的 Cu2+对海菜花种子
萌发具有抑制作用，其可能是高浓度 Cu2+能部分
通过种皮进入种子内部，抑制了海菜花种子的萌
发［7］。
幼苗生长过程和种子萌发过程营养物质利用途
径不同，因此幼苗生长过程的 Cu2+胁迫与发芽阶
段的 Cu2+胁迫影响不同。Cu2+胁迫对海菜花幼苗的
芽长、根长、叶片数和根数均有不同程度的影响，
高浓度的 Cu2+胁迫对海菜花幼苗的芽长、根长、
叶片数和根数有显著的抑制作用，这与肖志华等对
不同基因型谷子 (Setaria italica )幼苗的 Cu2+胁迫
研究结果一致［8］。这主要是由于过量 Cu2+加速了
海菜花幼苗体内产生大量的活性氧，抑制各种酶活
性，影响到海菜花幼苗和根系的生长［8］。
本次试验中，海菜花种子在受到 Cu2+胁迫时
831 西 部 林 业 科 学 2016 年
叶绿素 a、叶绿素 b、类胡萝卜素含量均下降，这
与 Cu2+胁迫对多花黑麦草 (Lolium multiflorum)绿
叶素的影响规律一致［9］。其原因可能是:首先，
高含量 Cu2+抑制了 PSⅡ的电子传递过程，减弱了
光合作用强度［10］，减少了叶绿素的合成;其次，
Cu2+胁迫增加活性自由基的产生而氧化叶绿素，导
致叶绿素含量的降低，最终引起光合速率的下
降［11］;再次，可能是海菜花摄入过量的 Cu2+与叶
绿素合成的某些酶 (原叶绿素酸酯还原酶、胆色
素原脱氨酶、8-氨基乙酰丙酸合成酶)的-SH 结
合，改变了酶的构象，使酶失活，进而造成光合色
素含量的下降［12］。
SOD、POD和 CAT 是植物体内酶促防御系统
的 3 个重要保护酶，它们发挥协同作用，消除活性
氧，保护植物膜系统。随着 Cu2+处理浓度的增加，
SOD和 POD活性都是先升后降，这与 Cu2+对三叶
草 (Trifolium incarnatum)、狗牙根 (Cynodon dac-
tylon)、双穗雀稗 (Paspalum paspaloides)等叶片
中 SOD、POD酶活性变化规律一致［13］。由此表明
低浓度的 Cu2+对 POD 与 SOD 活性具有激活作用，
随着 Cu2+浓度的逐渐增大，又转为抑制作用。而
CAT活性则随着 Cu2+浓度增大而逐渐降低。由此
可见，海菜花幼苗受 Cu2+胁迫后抗氧化酶系统反
馈机制不同，CAT、POD、SOD 活性呈现不同的变
化规律。陈国祥等认为低浓度的重金属逆境胁迫会
抑制植物根系对养分、水分的吸收，同时引发活性
氧 (ＲOS)积累，增强脂质过氧化作用，使得
SOD与 POD 活性增强［14］。本试验中，在低浓度
Cu2+胁迫下，海菜花为有效缓解 Cu2+胁迫引起的氧
化胁迫，及时清除 ＲOS 的积累，SOD 与 POD 活性
增强也充分证实了此观点。但随着 Cu2+浓度的进
一步增加，高浓度的 Cu2+导致海菜花幼苗中活性
氧等自由基的积累超过植物本身的耐受极限，转而
开始抑制 SOD与 POD的活性。试验 Cu2+浓度范围
内 CAT活性逐渐降低，这可能是海菜花种子 CAT
对 Cu2+敏感，不能抵御外来污染物胁迫，这也可
能是其耐受性较差的原因之一。
海菜花幼苗中的可溶性蛋白是植物细胞内未与
膜系统特异结合的酶，其含量越高说明其体内生理
生化反应与代谢活性越旺盛，有利于植物抵御逆境
胁迫［8］。在本文研究 Cu2+浓度范围内，可溶性蛋
白质含量先升高后降低的变化趋势与 Cu2+对谷子
幼苗可溶性蛋白质的影响结果相同［8］。其原因可
能一方面是适量的 Cu2+可以诱导合成一些新蛋白
质，参与抗逆性生理活动，促进可溶性蛋白质含量
的增加;另外一方面高浓度的 Cu2+也诱导了蛋白
水解酶活性增强，加速了蛋白质的水解［8］，同时，
高浓度的 Cu2+胁迫导致海菜花抗氧化酶系统受损，
抗性酶减少，从而导致可溶性蛋白质含量减少。
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