全 文 ：中国农学通报 2016,32(10):13-23
Chinese Agricultural Science Bulletin
美国黑桦、欧洲桤木和川桤木对
重金属Cu胁迫的响应研究
张志超 1,2，饶龙兵 2，段红平 1
（1云南农业大学资源与环境学院，昆明 650201；
2中国林业科学研究院亚热带林业研究所，浙江富阳 311400）
摘 要：为了研究美国黑桦、欧洲桤木和川桤木 3种植株对Cu胁迫的响应以及 3个树种间的耐Cu性差
异。通过盆栽试验的方法研究不同浓度Cu处理下的3种植株的生长、抗氧化酶系统的变化以及Cu积
累特征。研究结果表明：（1）高浓度Cu (≥1 mmol/L)处理显著降低3种植株的株高、地茎生长量以及生
物量，抑制植株的生长；（2）随Cu胁迫时间的延长，幼苗叶片SOD、POD、CAT活性均呈先升高后下降的
趋势，欧洲桤木中3种酶活性更强，且酶活性持续时间最长；（3）川桤木和欧洲桤木根、茎、叶Cu积累量
均随处理浓度的升高而增加，美国黑桦根、茎Cu积累量随处理浓度升高而增加，而叶片Cu积累量随处
理浓度升高而减少。高浓度Cu处理对3种植株的生长都有显著的抑制作用，3种植株的都表现出对Cu
离子的根部富集特征。欧洲桤木整体耐Cu能力最强，美国黑桦在Cu浓度较低时有较强的耐Cu能力，
川桤木对Cu胁迫相对比较敏感。
关键词：美国黑桦；桤木；Cu胁迫
中图分类号：X 文献标志码：A 论文编号：casb15100116
Response of Betula nigra, Alnus glutinosa and Alnus crmastogyme to Heavy Metal Cu Stress
Zhang Zhichao1,2, Rao Longbing2, Duan Hongping1
(1College of Resources and Environment, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201;
2Research Institution of Subtropical Forestry, Chinese Academy of Forestry, Fuyang Zhejiang 311400)
Abstract: In order to study the response of Betula nigra, Alnus glutinosa and Alnus crmastogyme to Cu stress
and the difference of Cu tolerance among the three species, plant growth, changes of antioxidant system and Cu
accumulation characteristics under different Cu concentrations of these three species were studied by the
method of pot experiment. The results showed that (1) high Cu concentration (≥1 mmol/L) significantly reduced
plant height, stem increment and biomass, which inhibited plant growth; (2) with the increase of Cu stress time,
the activities of SOD, POD and CAT increased and then decreased, these three enzymatic activities in Alnus
glutinosa were the strongest and the longest; (3) Cu accumulation in Alnus glutinosa and Alnus crmastogyme
root, stem and leaf increased with the increase of Cu concentration, Cu accumulation in Betula nigra root and
stem increased but Cu accumulation in leaf decreased with the increase of Cu concentration. In summary, plant
growth of the three species was inhibited under high Cu concentration, they all showed Cu2 + enrichment
characteristics in root. The Cu tolerance of Alnus glutinosa was the strongest, Betula nigra had strong Cu
基金项目：“十二五”国家科技支撑项目桤木育种专题“抗逆生态树种桤木新品种选育”(2012BAD01B0604)；中央级公益性科研院所基本科研业务费
专项基金“不同倍性桤木遗传变异研究”(RISF2013010)。
第一作者简介：张志超，男，1991年出生，山东济宁人，在读硕士，研究方向为树木抗逆生理。通信地址：311400浙江省富阳市大桥路73号中国林科
院亚热带林业研究所，Tel：0571-63325055，E-mail：406832603@qq.com。
通讯作者：饶龙兵，男，1973年出生，湖北天门人，助理研究员，博士，主要从事树木遗传改良。通信地址：311400浙江省富阳市大桥路73号中国林科
院亚热带林业研究所，Tel：0571-63325055，E-mail：raolb@163.com。
收稿日期：2015-10-26，修回日期：2015-12-27。
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resistance when the concentration of Cu was low, Alnus crmastogyme was relatively sensitive to Cu stress.
Key words: Betula nigra; Alnus; Cu stress
0 引言
土壤重金属污染已经成为当今世界普遍存在且较
为严重的环境问题之一[1]，其中，金属尾矿因其较高的
重金属含量而被认为对环境有严重的影响[2]。植物修
复被认为是减少尾矿环境危害的最有前途的方法，然
而，重金属对植物的毒害且尾矿砂中缺乏营养元素，使
植物修复较难在尾矿地区进行实践[3]。因此，耐瘠薄
和耐重金属的植物是植物修复的理想选择[4]。与草本
植物相比，木本植物是森林和灌木丛的重要组成部分，
有发达的根系，生命力更加顽强[5]；木本植物具有较高
的美学价值、生态价值和应用价值，且对重金属离子的
吸收和富集作用明显，一般不会进入食物链，不对人体
造成伤害，是较理想的重金属生物修复材料[1]。
但目前国内外对植物修复的研究大多集中于草本
植物，对林木的研究相对较少。关于木本植物的重金
属污染土壤的植物修复技术研究，汪有良等[6]已做过
柳树对重金属镉的反应研究，施翔等[4]做过木本植物
紫穗槐、桤木和黄连木修复铅锌矿和铜矿的潜力评价
研究等；研究表明，桤木具有较高的Cu积累能力，是修
复铜尾矿矿区的潜力树种[7-8]，而美国黑桦耐瘠薄的生
存能力极强[9]。
笔者通过对Cu胁迫下美国黑桦、欧洲桤木和川桤
木3种木本植物的生长、抗氧化酶系统变化以及Cu积
累情况的研究，了解 3种植物对Cu胁迫的耐性机制，
比较 3种植物的对Cu的耐性差异，以期评价以上 3种
植物对Cu尾矿修复的能力，为选取耐性能力较强的木
本植物用于尾矿植物修复提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验时间、地点
试验时间：2014年 7—9月；幼苗生长测量在浙江
省富阳市中国林科院亚热带林业研究所大棚进行，生
理指标测定操作在亚热带林业研究所实验室进行。
1.2 试验材料
欧 洲 桤 木 (Alnus glutinosa) 和 川 桤 木 (Alnus
crmastogyme)属于桦木科，桤木属 [10]，美国黑桦(Betula
nigra)属于桦木科，桦木属[11]，是桤木的近源种。
1.3 试验方法
幼苗统一沙培，2013年7月，选取生长且大小一致
的 3种植株定植于 35 L塑料盆中，每盆 15株，每种植
株各5株，1盆1个处理，每处理3个重复，共15盆。采
用改良版霍格兰培养液（Cu2+浓度 0.15 μmol/L），以不
添加 CuSO4 · 5H2O为对照，添加 0.5、1、5、15 mmol/L
Cu2+为处理，每 7天换 1次营养液，并维持营养液浓度
和Cu2+浓度，维持处理时间为60天。
1.3.1 不同处理的生长形态测定方法 分别在Cu处理
前和处理后，用钢卷尺、游标卡尺分别测量不同处理植
株的苗高、地茎。试验结束（处理第 60天）后，各个处
理的苗木分别分成根系、地上（茎叶）两部分，放入烘箱
105℃的温度下杀青 30 min，然后在 80℃中烘干至恒
重，分别用天平称其生物量（干重），并计算其根冠比。
株高(cm)=试验定时测量苗高(cm)。分为处理前
和处理60天后2次测量值。根冠比计算如(1)所示。
根冠比=根干重/地上部分干重 ……………… (1)
1.3.2 耐性指数 耐性指数用 2种生长指标量化：株高
净生长量和生物量，并按公式(2)[12]计算：
Ti=[(LS+WR+WSL)/3]×100% ………………… (2)
式中，LS代表Cu胁迫组株高净生长量和对照的
比值；WR、WSL分别代表Cu胁迫下地下、地上部分平
均生物量干重与对照的比值。
1.3.3 抗氧化系统的测定 分别于Cu处理前、处理后的
第 10、20、30、40、50天每重复处理混合取样测定叶片
生理特性活性物质含量。取样标记后迅速放入冰袋箱
内带回实验室进行分析。测定指标包括超氧物歧化酶
(SOD)活性、过氧化物酶(POD)活性、过氧化氢酶(CAT)
活性。
酶液的提取：称取植物叶片 0.5 g，加液氮研磨至
匀浆，加入 10 mL预冷的 pH 7.8的磷酸缓冲液移至已
编号的离心管中，然后4℃ 10500 r/min离心15 min，取
上清液为酶液，于 4℃下保存（磨样过程中需低温、避
光）。
SOD、POD和CAT分别采用氮蓝四唑(NBT)法[13]、
愈创木酚氧化法[13]和紫外吸收法[13]测定活性。
1.3.4 Cu含量的测定 将收获的样品分为根、茎、叶 3
部分，烘干后粉碎成粉末。用电感耦合等离子发射光
谱法[14]测定各生长部位Cu含量。
根 部 和 地 上 部 分 Cu 生 物 富 集 系 数 (Bio-
concentration factor, BCF)按公式(3)[15]计算：
生物富集系数(BCF)=根或地上部Cu含量(mg/kg)/
水培液Cu含量(mg/kg) …………………………… (3)
转移系数(Translocatioin factor, Tf)按公式(4)[16]计
算，以评价植物根吸收Cu向地上部分的转移能力。
转移系数(Tf)=地上部分平均Cu含量(mg/kg)/根部
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张志超等：美国黑桦、欧洲桤木和川桤木对重金属Cu胁迫的响应研究
平均Cu含量(mg/kg) ……………………………… (4)
1.4 数据统计方法
利用统计分析软件 SPSS 20.0 (SPSS Inc.,USA)进
行数据分析，Microsoft Excel 2003软件进行图表制作。
2 结果与分析
2.1 Cu胁迫对3种植株幼苗株高生长量的影响
由图1可知，3种供试植株的株高在5种供试浓度
下反应有所不同，但反应趋势是基本一致的，即随着
Cu2+的浓度增加株高降低。其中，川桤木对照处理的
株高最高，对 0.5 mmol/L的处理浓度影响就达到显著
水平，而 0.5、1的处理间差异不显著，在 5、15 mmol/L
处理间差异不显著，0.5 mmol/L与 5 mmol/L的处理差
异显著。在 15 mmol/L浓度处理时株高最低，比对照
株高减少28.3%。
欧洲桤木对照处理的株高最高，在1 mmol/L的处
理浓度影响达到显著水平，而0.5、1的处理间差异不显
著，在 1、5、15 mmol/L 3 个处理间差异不显著，
0.5 mmol/L 与 5 mmol/L 的 处 理 差 异 显 著 。 在
15 mmol/L浓度处理时株高最低，比对照株高减少
19.06%。
美国黑桦对照处理的株高最高，在1 mmol/L的处
理浓度影响达到显著水平，而在1、5、15 mmol/L 3个处
理间差异不显著，在15 mmol/L浓度处理时株高最低，
比对照株高减少16.9%。
2.2 Cu胁迫对3种植株幼苗地茎生长量的影响
从图2可知，3种供试植株的地茎在5种供试浓度
下反应有所不同，但反应趋势是基本一致的，即随着
Cu2+的浓度增加地茎先升高后降低。其中，川桤木在
0.5 mmol/L处理的浓度下地茎最大（未达到显著水
平），1 mmol/L的处理浓度影响显著降低，而在 1、5、
15 mmol/L 3个处理间差异不显著。在 15 mmol/L浓
度处理时地茎最小，比对照地茎减少30.5%。
欧洲桤木和美国黑桦地茎生长量反应趋势类似，
即在5 mmol/L时达到显著水平，而在0.5、1 mmol/L处
理间差异不显著，5、15 mmol/L处理间差异不显著。
Cu浓度为 15 mmol/L时，地茎最小，分别比对照株高
减少36.6%和38.2%。
2.3 Cu胁迫对植株生物量和根冠比的影响
从图 3可知，不同浓度的Cu处理对 3种植株的总
生物量均有影响并且影响趋势一致，即随着Cu浓度的
增加3种植株的总生物量降低。在浓度达到15 mmol/L
时，3种植株的总生物量均达到最低值。其中，欧洲桤
木总生物量最低值比对照降低 67.8%，川桤木总生物
量最低值比对照降低 75.3%，美国黑桦总生物量最低
值比对照降低64.1%。
但是，影响的程度有所差异。其中，川桤木对
0.5 mmol/L的处理浓度影响就达到显著水平，而0.5、1
图1 Cu处理对3种植株株高的影响
图2 Cu处理对3种植株地茎的影响
图3 Cu处理对总生物量的影响
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的处理间差异不显著，在 5、15 mmol/L处理间差异不
显著，0.5、1 mmol/L与 5、15 mmol/L的处理差异显
著。欧洲桤木在每个处理浓度时与对照相比差异显
著，而 0.5、1 mmol/L的处理间差异不显著。美国黑桦
在低浓度Cu2+处理时其生物量受影响的差异不显著，
在5、15 mmol/L 3个处理浓度时与对照比差异显著，但
这2个处理间差异不显著。
从图4可知，地上部分干重：川桤木受不同Cu2+处
理浓度的影响显著，其中 0.5、1 mmol/L 3个处理浓度
之间差异不显著，5、15 mmol/L 2个处理间差异不显
著，而 0.5、5 mmol/L 2个处理间差异显著。欧洲桤木
在 0.5 mmol/L处理浓度时差异不显著，0.5、1 mmol/L
2个处理浓度之间差异不显著，1、5 mmol/L 2个处理间
差异不显著，5、15 mmol/L 2个处理间差异不显著，而
0.5、15 mmol/L 2个处理间差异显著。美国黑桦在低
浓度Cu2+处理时受影响的差异不显著，在5、15 mmol/L
2个处理浓度时与对照比差异显著，但这2个处理间差
异不显著。
图4 Cu处理对3种植株生物量的影响
分析地下部分干重情况，川桤木地下部分干重受
Cu2+浓度处理影响显著，4个处理间差异不显著。欧洲
桤木在供试Cu2 +浓度处理下，都受到显著影响；0.5、
1 mmol/L 2个处理浓度之间差异不显著，5、15mmol/L
2个处理间差异不显著，而0.5、5mmol/L 2个处理间差
异显著。美国黑桦地下部分在0.5 mmol/L处理浓度时
差异不显著，而在1 mmol/L处理浓度时差异显著。由
此说明，美国黑桦比较耐Cu2+胁迫。
就根冠比情况分析，川桤木在低浓度处理间差异
不显著，但高浓度Cu2+处理间的根冠比比对照的大，在
5 mmol/L时差异显著。欧洲桤木根冠比以 1 mmol/L
的处理最大（差异显著），根冠比的变化与处理浓度的
关系不成比例。美国黑桦的根冠比0.5 mmol/L处理的
最大（差异显著），根冠比的变化与处理浓度的关系不
成比例。由以上分析可知，对于耐Cu能力较弱的植
株，Cu胁迫（高浓度处理）能提高桤木的根冠比，耐Cu
能力越强，Cu胁迫对根冠比的影响越小。
2.4 Cu胁迫对3种植株的耐性指数(Ti)的影响
由图 5可知，Cu胁迫下 3种供试植株的耐性指数
(Ti)都随着Cu处理浓度的升高而降低，同一树种每个
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张志超等：美国黑桦、欧洲桤木和川桤木对重金属Cu胁迫的响应研究
处理浓度之间均有显著的差异，不同种间的耐性指数
也有所不同。处理浓度为 0.5 mmol/L时，3种植株的
耐性指数均有显著差异，表现为美国黑桦＞欧洲桤木
＞川桤木；处理浓度为 1 mmol/L时，欧洲桤木和美国
黑桦的差异不显著，且都显著高于川桤木；处理浓度为
5、15 mmol/L时，欧洲桤木显著高于美国黑桦和川桤
木，后两者差异不显著。有以上分析可知，低浓度
(≤1 mmol/L)时欧洲桤木和美国黑桦的耐铜能力较
强，显著高于川桤木；高浓度(≥5 mmol/L)时，欧洲桤
木保持一定的耐铜能力，美国黑桦和川桤木相对
较弱。
2.5 Cu胁迫下植株抗氧化酶系统变化及综合评价
2.5.1 Cu胁迫对SOD活性的影响 SOD可清除植物细
胞中多余的O2-，并将其转化成H2O2，以减少膜系统的
伤害[11]。图 6表明，随外源Cu2+胁迫时间的延长，3种
植株对照组和处理组的 SOD活性基本呈先升高后下
降的趋势，但SOD活性达到高峰值的时间却不同，3种
植株的反应不同。川桤木的对照组、处理浓度 0.5、
1 mmol/L 组，欧洲桤木对照组、处理浓度 0.5、1、
5 mmol/L组，美国黑桦对照组、处理浓度 0.5 mmol/L
组均在第 30天 SOD活性到达峰值；川桤木的处理浓
度 5、15 mmol/L组，欧洲桤木处理浓度 15 mmol/L组、
美国黑桦的处理浓度1 mmol/L组均在第20天SOD活
性已提前到达峰值；美国黑桦处理浓度 5、15 mmol/L
组在第10天已达到峰值。
图5 Cu胁迫对3种植株幼苗耐性指数的影响
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图6 Cu胁迫下植株叶片中超氧物歧化酶(SOD)活性动态变化
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2.5.2 Cu胁迫对 POD活性的影响 过氧化酶(POD)是
植物体内重要的保护酶，进一步将体内过量的H2O2转
化成H2O[11]。3种供试植株综合来看（图 7），POD活性
随 Cu2 +胁迫时间的延长呈先增加后下降的趋势，但
POD活性达到高峰值的时间却不同。川桤木的对照
组、处理浓度 0.5、1 mmol/L组，欧洲桤木对照组、处理
浓度 0.5、1 mmol/L组，美国黑桦对照组均在第 30天
POD活性到达峰值；川桤木的处理浓度 5 mmol/L组，
欧洲桤木的处理浓度 5、15 mmol/L组，美国黑桦处理
浓度 1、5、15 mmol/L组均在第 20天 POD活性已提前
到达峰值。
2.5.3 Cu胁迫对CAT活性的影响 与 POD一样，CAT
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图7 Cu胁迫下植株叶片中过氧化物酶(POD)活性的动态变化
可清除植物体中过量的 H2O2，减少重金属的毒
害[11]。由图8可知，3种供试植株CAT活性随胁迫时间
的延长呈先增后降的趋势。其中川桤木对照组、0.5、
1、5 mmol/L处理组、欧洲桤木 0.5、1、5 mmol/L组、美
国黑桦对照组、0.5、1、5 mmol/L处理组第20天CAT活
性到达峰值，15 mmol/L处理组在胁迫第 10天CAT活
性提前到达峰值。
2.6 Cu胁迫下植株各部分Cu积累
2.6.1 根系中的Cu含量 从图9可知，随着处理浓度升
高，3种植物幼苗根系中Cu含量的变化趋势为处理浓
度越高，根系中的Cu含量越多，对照组中Cu含量是最
低的，Cu胁迫处理后的根系中Cu含量与对照相比都达
到显著水平，4个浓度处理的根中Cu含量差异均显著；
在15 mmol/L浓度处理中川桤木、欧洲桤木和美国黑桦
根系中的Cu含量分别高达6000、5050、4200 mg/kg。
2.6.2 茎中的Cu含量 从图 10可知，川桤木幼苗茎中
Cu含量与Cu离子胁迫处理0.5、1、5 mmol/L浓度处理
的茎中的Cu含量差异不显著，而15 mmol/L浓度处理
的茎中Cu含量相比对照显著增加，茎中的Cu含量高
达 154 mg/kg；欧洲桤木和美国黑桦幼苗茎中Cu含量
与低浓度 0.5、1 mmol/L处理的茎中的Cu含量差异不
显著，在 5 mmol/L处理的茎中 Cu含量显著增加，
5 mmol/L浓度处理与 15 mmol/L浓度处理差异显著，
在15 mmol/L浓度处理中欧洲桤木和美国黑桦茎中的
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Cu含量高达380 mg/kg。
2.6.3 叶中的Cu含量 从图 11可知，川桤木和欧洲桤
木叶中Cu含量变化趋势相同，都是随着Cu处理浓度
的升高而升高。川桤木幼苗叶中Cu含量与Cu离子胁
迫处理 0.5、1 mmol/L浓度处理的叶中Cu含量差异不
显著，在 5 mmol/L的浓度处理叶中的Cu含量达到显
著差异；5 mmol/L与15 mmol/L处理情况下叶中的Cu
含量差异显著，在15 mmol/L浓度处理中叶中的Cu含
量高达 55 mg/kg以上。欧洲桤木幼苗叶中Cu含量与
低浓度0.5、1 mmol/L处理的叶中Cu含量差异不显著，
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图8 Cu胁迫下植株叶片中过氧化氢酶(CAT)活性的动态变化
图9 3种植株幼苗根系Cu含量 图10 3种植株幼苗茎Cu含量
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5 mmol/L处理的叶中Cu含量与对照相比达到显著水
平，5 mmol/L浓度处理与 15 mmol/L浓度处理的差异
显著，在 15 mmol/L浓度处理中叶中的Cu含量高达
182 mg/kg。
但是，美国黑桦叶中的Cu含量随着处理浓度升高
而降低，在 0.5 mmol/L浓度处理时最大(P<0.05)，叶中
的Cu含量高达 58 mg/kg，而在 1 mmol/L浓度处理的
叶中Cu含量显著降低，在 15 mmol/L浓度时达到最
小值。
2.6.4 生物富集系数(BCF) 从图 12可知，川桤木根系
生物富集系数以 1 mmol/L处理浓度时最大，其次是
0.5 mmol/L的浓度，而 5、15 mmol/L浓度时最低（差异
不显著）；欧洲桤木根系生物富集系数与川桤木类似，
而 5、15 mmol/L浓度时富集系数差异显著；美国黑桦
根系富集系数随浓度增加而明显降低，且每个浓度的
处理之间差异显著；根系的富集系数以美国黑桦居第
一、欧洲桤木居第二。分析地上部分的生物富集系数，
在0.5、1、5、15 mmol/L Cu浓度处理下，3种供试植株生
物富集系数差异显著(P＜0.05)，基本趋势都是随着浓
度的增高而降低；但美国黑桦在低浓度时富集系数远
远高于桤木。总体分析，3种植株地上部分富集系数
远远小于根系。
2.6.5 转移系数(Tf) 从图13可知，川桤木在Cu胁迫处
理的情况下Cu的转移系数基本上是随着处理浓度的
增加而降低的（达到显著水平），但是在5 mmol/L处理
的浓度下转移系数最小（达到显著水平），5 mmol/L与
15 mmol/L处理浓度时差异不显著。欧洲桤木的Cu
转移系数与川桤木的Cu转移系数变化趋势相似，基本
上是随着处理浓度的增加而降低的（达到显著水平），
但是在1 mmol/L处理的浓度下转移系数最小（达到显
著水平），1 mmol/L与 5 mmol/L处理浓度时差异不显
著，5 mmol/L与 15 mmol/L处理浓度时差异显著。美
国黑桦Cu转移系数与欧洲桤木、台湾桤木的Cu转移
吸收变化趋势相似，基本上还是随着处理浓度的增加
而降低的，但是在5 mmol/L处理的浓度下转移系数最
小，各个浓度差异达到显著差异（5、15 mmol/L处理的
差异不显著）。
3 结论
（1）Cu胁迫显著抑制了 3种植株幼苗株高、地茎
和生物量的生长，同时一定程度上改变了其生物量的
分布格局。欧洲桤木整体耐Cu能力更强，但是，在低
浓度的Cu处理(≤1 mmol/L)时，美国黑桦表现出极强
的耐Cu能力。
（2）Cu胁迫下 3种植株幼苗叶片SOD、POD、CAT
活性呈先升高后下降的变化趋势。Cu处理浓度较低
图11 3种植株幼苗叶Cu含量
图12 3种植株幼苗的生物富集系数系数
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张志超等：美国黑桦、欧洲桤木和川桤木对重金属Cu胁迫的响应研究
(≤1 mmol/L)时，3种植株叶片中SOD、POD、CAT活性
都比对照显著升高，欧洲桤木中3种酶的活性更强，且
持续时间最长。Cu处理浓度过高(≥5 mmol/L)时，3种
植株叶片中3种酶活性显著降低，美国黑桦活性最低。
（3）3种植株在不同浓度下根、茎、叶3个部位之间
Cu含量差异显著，其中根具有超高的Cu累积能力，植
株地上部分富集系数远远小于根系，表现出根部富集
特征。
3种植株茎和叶中的Cu含量较少，但是美国黑桦
叶片中的Cu含量随着处理浓度升高而降低，造成这种
特殊的变化趋势的原因有待进一步研究。
川桤木对重金属Cu较敏感；欧洲桤木有较强的耐
Cu能力，可作为重金属Cu修复的理想树种；但是，对
于Cu浓度含量较低(≤1 mmol/L)、植被生长环境较差
的地区，也可选择美国黑桦作为植物修复的材料。
4 讨论
4.1 3种植株生长对Cu胁迫的响应及机理
Cu是植物生长必需的7种微量元素之一，在植物
的生长发育过程中起着非常重要的作用[17-18]，但植物组
织中过量的Cu2+又会对植物产生毒害作用[19]。本研究
结果表明：处理结束后，3种植株的株高、地茎、生物量
均随Cu2+浓度的增加而降低。已有文献报道[20]：高浓
度Cu胁迫处理使溪荪的5个生长指标和花菖蒲的6个
生长指标都显著减少，有人对紫背萍、大花萱草、观赏
牡丹、白茅等的研究也得出类似结论[21-24]。这些报道与
本研究的结果一致。但是，3个供试植株种间有差异，
这说明 3种植株对不同浓度 Cu的适应调节能力不
同。本研究结果表明，欧洲桤木在株高、地茎和生物量
生长量上均表现出较强的耐Cu能力，这与施翔等[4]的
研究结果一致。
耐性指数更直观的的表现了植株对重金属胁迫的
耐性能力 [25]。本研究结果表明，铜处理浓度较低
(≤1 mmol/L)时，美国黑桦的耐性指数略高于欧洲桤
木，显著高于川桤木。而环境中铜浓度一般较低，在矿
区废污染土壤和沉积物中的含量为 20~30 mg/kg[8]，远
远低于美国黑桦的耐性浓度。而美国黑桦较强的耐旱
涝和耐贫瘠能力，极适合于矿区的土壤环境。因此可
以认为，美国黑桦是矿区植物修复的理想材料。
4.2 3种植株抗氧化酶系统的变化对铜胁迫的响应和
机理
SOD、POD、CAT是植物适应逆境胁迫的重要酶
类，植物体内的SOD、POD和CAT等组成一个有效的
活性氧自由基清除系统[26]。SOD、POD、CAT活性的维
持和提高被认为是植物耐受重金属胁迫的重要物质基
础 [27]。正常生长条件下，SOD、POD和CAT及其他保
护物质可以维持自由基在植物体内产生和清除的动态
平衡，从而排除了自由基对植物细胞膜结构潜在伤害
的可能性[28]。因此，植物体内活性氧清除剂的活性水
平的高低对植物的抗逆能力具有十分重要的意义[29]。
本研究结果中，随着Cu2+浓度的增加，3种供试植株叶
片中的SOD、POD和CAT活性都呈先上升后下降的趋
势。在低浓度Cu处理(≤1 mmol/L)时，3种植株叶片中
的 SOD、POD和CAT活性显著增加，与徐勤松等[30]的
研究中提到的“低浓度重金属对植物积极的刺激作用”
相符，其机制可能是因为活性氧信号作为第二信使，启
动了细胞的防御反应[31]。随着Cu2+浓度继续增加，3种
植株体内抗氧化酶的活性开始下降。这种结果的出
现，可能是因为由于重金属Cu浓度过高，植物体内的
有毒物质超过其分解能力时，对植物造成伤害，从而降
低 SOD、POD和 CAT的活性 [32]。这种解释与黄玉山
等[33]在研究中指出的当重金属胁迫使植物细胞内产生
的活性氧自由基超过保护酶系统的清除能力时，就会
导致自由基在植物细胞内的大量积累，从而诱导对植
物细胞的过氧化损伤相一致。
川桤木叶片中最大的 SOD、POD、CAT值分别出
现在 0.5、1、1 mmol/L处理浓度下，欧洲桤木叶片中最
大的 SOD、POD、CAT值分别出现在 1、5、1 mmol/L处
理浓度下，美国黑桦叶片中最大的SOD、POD、CAT值
分别出现在1、1、1 mmol/L处理浓度下；总体来说欧洲
桤木中 3种酶的活性要高于川桤木和美国黑桦，但是
受到Cu胁迫后欧洲桤木和川桤木叶片中的SOD活性
的上升程度大于川桤木，而高浓度Cu胁迫时，欧洲桤
木和川桤木SOD活性的下降程度小于美国黑桦。这
说明欧洲桤木对Cu的承受能力强于川桤木和美国黑
图13 3种植株幼苗的转移系数
·· 21
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桦。这种结果的出现，可能是因为美国黑桦对Cu胁迫
的反应较敏感，对低浓度的Cu胁迫具有较高的抗性，
但是可承受的Cu离子浓度较小。
4.3 3种植株对Cu2+的积累和转移
大量研究都证明，许多植物在它们的不同部位都
能富集重金属[34-35]。植物对重金属的吸收都存在一个
浓度或时间效应，即随环境中重金属离子浓度升高或
处理时间延长，植物富集的重金属量增大[36]。本试验
研究表明，3种供试植株幼苗在15 mmol/L Cu2+胁迫60
天后，根Cu2+含量分别达到6002、5050、4263 mg/kg，生
物富集系数分别是 6.25、5.26、4.44。每种植株随处理
浓度越高，根Cu2+积累量越高，但生物富集系数越低；3
种植株茎叶片中Cu2+含量、生物富集系数远远低于根
系，因此幼苗Cu2+转移系数也很小。说明 3种植株都
具有较高的Cu积累能力，且表现出根部富集特征。大
量资料表明，桤木植物根部是金属离子主要富集部位，
尤其是重金属Pb、Cu等，本研究结果也证实了这一结
论。李华等[37]研究表明，海州香薷可以用于Cu污染土
壤的植物修复，本研究结果，桤木和黑桦的Cu2+积累量
超过同浓度海州香薷的积累量，且生长良好，因此，欧
洲桤木和美国黑桦可以作为植物修复的材料。
对于地上部分Cu含量的分析，川桤木和欧洲桤木
茎叶的Cu含量都随着处理浓度增加而增加，重金属
Cu分布规律为：茎＞叶，研究结果与杨卫东等[25]的研
究结果一致。但美国黑桦表现不同，低浓度处理时叶
片中Cu含量大于茎，并且随处理浓度的升高而降低。
由试验树种直观表象上可以看到，处理浓度较高时，美
国黑桦的落叶率远远高于欧洲桤木和川桤木。由此推
断，可能美国黑桦叶片对于重金属胁迫有特殊的保护
机制，对于低浓度的铜胁迫耐性较强，通过叶片富集重
金属的能力强，当铜浓度超过一定范围，叶片承受能力
达到极限，重金属含量较高的叶片脱落，叶片的平均铜
含量下降，耐铜能力也显著下降。
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