全 文 ：文章编号:1000-2286(2002)02-0208-05
铅 、锌胁迫对蕹菜光合色素及
活性氧代谢的影响
时忠杰1 ,胡哲森1 ,李荣生2
　　(1.福建农林大学 南平校区资源与环境系 ,福建 南平 353001;2.中国林业科学院 广州热带林业研究所 , 广东 广
州 510520)
摘要:研究了铅 、锌胁迫对蕹菜叶片的光合色素 、活性氧代谢及细胞膜透性变化等的影响。结果表明 , 随着
Pb、Zn浓度的增加 , 蕹菜叶片 MDA 含量和质膜相对透性均显著增大 ,叶绿素 、类胡萝卜素含量和叶绿素a/b值
均先升后降 , SOD、POD活性呈现出先升高后降低的趋势 ,它们对 Pb 、Zn 毒害的响应浓度不同 , 分别在 10 mg/
LPb 和 25 mg/ LZn 左右时达到峰值。对 Pb、Zn毒害作用机制进行了讨论 ,认为活性氧自由基的攻击是其伤
害的一个重要原因 , SOD、POD和类胡萝卜素对防止毒害作用起到一定的作用。
关键词:蕹菜;光合色素;活性氧代谢;SOD;POD;MDA
中图分类号:S143.8　　文献标识码:A
Effects of Pb ,Zn Stress on Photosynthetic Pigments and
Active Oxygen Metabolism of Ipomoea aquatic Forsk
SHI Zhong-jie1 , HU Zhe-sen1 , LI Rong-sheng2
　　(1.Resource and Environment Department of Fujian University of Agriculture &Forest ry , Nanping
353001 , China;2.Guang zhou Insti tute of Tropical Forest ry , Chinese Academy of Forestry , Guangzhou
510520 , China)
　　Abstract:The effects of Pb 、Zn on the changes of pho tosynthetic pigments , act ive oxygen metabolism
and cell membrane permeability w ere studied.The results show ed that , w ith the increase of Pb 、Zn st ress
concentration , the malondialdehyde (MDA)content and membrane relative permeabili ty of leaves of Ipo-
moea Aquatic Forsk increased distinctly;the contents of chlorophyll and carotenoid and chlorophyll a/b ra-
tio all fi rst increased and then decreased;the activities of superoxide dismutase(SOD)and peroxide(POD)
had the same trend as chlorophyll and carotenoid(CAR), their response concentrations w ith Pb 、Zn toxicity
differed and their maximum value were located in concentration of 10 mg/L(Pb)and 25 mg/L(Zn).The
medanism of Pb 、Zn toxicity w as and discussed that active oxygen species w as among the important causes
of toxicity and SOD 、POD and carotenoid had some roles in preventing toxici ty of active oxygen species.
Key words:Ipomoea aquat ic Fo rsk;photosynthet ic pigments;active oxygen metabolism ;SOD;
POD;MDA
随着工农业的发展 ,污水灌溉 、农药 、除草剂等的使用 ,将大量的铅(Pb)、锌(Zn)、铬(Cr)、镉(Cd)等
重金属带入到环境中 ,引起环境的污染。有关重金属污染对植物的危害作用 ,国内外已进行了较为广
收稿日期:2001-09-30
作者简介:时忠杰(1975-), 男 ,福建农林大学硕士研究生 , 从事生理生态及植物生理等研究
第 24卷第 2期 江西农业大学学报(自然科学版) Vol.24 ,No.2
2002年 4月 Acta Agriculturae Universitatis Jiangxiensis Apr.,2002
DOI :10.13836/j.j jau.2002051
图 1　Pb、Zn 胁迫对蕹菜叶绿素含量的影响 图 2　Pb、Zn 胁迫对蕹菜叶绿素 a/b 值的影响
泛的研究[ 1～ 3] ,但对于重金属铅 、锌污染下活性氧代谢的研究报道还较少 。许多研究表明 ,在逆境胁迫
下植物体内会产生大量的活性氧自由基 ,它会导致植物的衰老 ,同时在植物体内也存在着超氧化物歧化
酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和类胡萝卜素等活性氧清除剂 ,它们可以清除植物体内的各种活性氧自由
基 ,起到保护植物的作用[ 4] 。本试验以铅 、锌为胁迫因子 ,以蕹菜(Ipomoea aquatic Fo rsk.)为材料 ,研
究它们对叶片细胞膜透性 、光合色素 、活性氧代谢变化的影响 ,并进一步从活性氧代谢角度阐明 Pb 、Zn
毒害的作用机制 。
1　材料与方法
1.1　材料及处理方法
本试验采用蕹菜(Ipomoea aquat ic Forsk.)种子 ,用体积分数φ=1%的福尔马林消毒 15 min ,然后
用蒸馏水反复冲洗数次 ,整齐排列在铺有消毒滤纸的培养皿中。每皿中放置 100粒 ,分别用 10 、25 、50 、
100 mg/L 的硝酸铅和硝酸锌(以 Pb(NO3)2 、Zn(NO3)2 浓度计)溶液浸润种子 ,以去离子水处理的种子
作为对照 ,置于人工气候箱内萌发 ,温度(25±1)℃。各处理和对照均设置 3个重复 ,以后每天补充适量
的处理液 ,在第 12 d测定各项生理生化指标。
1.2　生理生化指标的测定
叶绿素含量按混合液法(无水乙醇∶丙酮∶水=4.5∶4.5∶1)[ 5]进行测定 ,并按 Lichtenthaler[ 6]的公式进行
类胡萝卜素含量的计算;SOD活性按 Dhindsa等[ 7]的方法测定 ,以每单位时间内光还原 50%的氮蓝四
唑(NBT)为 1个酶活性单位;POD活性按华东师大[ 8]的方法进行测定;MDA含量按张宪政[ 9]的方法进
行;质膜透性按刘宁等[ 10]的方法进行测定 。
2　结果与分析
2.1　Pb、Zn对蕹菜叶片叶绿素含量及叶绿素 a/b 值的影响
叶绿素是绿色植物进行光合作用的主要色素 ,叶绿素含量同光合作用的关系十分密切 ,其含量在一
定程度上反映植物同化物质的能力。由图 1 ～ 2 可见 ,Pb 、Zn 对蕹菜叶片叶绿素含量及 chla/b值均有
明显的影响 ,低浓度的 Pb 、Zn可以增加叶绿素含量 ,但随着浓度的增加 ,叶绿素含量逐渐降低 ,这与任
安芝等[ 11]的研究结果完全一致 。10 mg/LZn和 25 mg/LZn处理分别比对照增加了 21.6%和21.9%,
10 mg/L Pb处理比对照增加了 10.9%;而 100 mg/LZn 和 100 mg/L Pb处理分别为对照的 96.2%和
63.4%。 chla/b值也表现为随浓度的增大先升后降的变化 ,均为 50 mg/ L 时达到最大值 ,而后降低 ,但
仍比对照高。在Pb 、Zn浓度增大的条件下 ,从图1 、2可以见到 , Pb处理的叶绿素含量始终低于Zn处理
的 ,而 chla/b值却始终大于 Zn处理的。说明 Pb对叶绿素 a/b值的影响比Zn对它的影响更明显;在叶
绿素总量减小并且叶绿素 a/b值仍然高于对照的情况下 , Pb 、Zn对叶绿素 b 的破坏作用比对叶绿素 a
的作用更大。
2.2　Pb、Zn对蕹菜叶片活性氧清除剂的影响
·209·第 2 期 时忠杰等:铅 、锌胁迫对蕹菜光合色素及活性氧代谢的影响
图 3　Pb 、Zn 胁迫对蕹菜 SOD 活性的影响
2.2.1　SOD的活性变化　SOD是植物抗氧
化系统中的关键酶 ,它可清除 O-2 ,防止其对
植物的攻击 ,从而起到保护植物体的作用。
图3 表明 ,当 Pb 、Zn 浓度增大时 , SOD活性
也随之升高 ,但它们对胁迫的响应浓度不同 ,
10 mg/LZn处理的达到最高值 ,比对照提高
了 241.3%, 25 mg/ LPb处理的达最高值 ,比
对照提高了 254.9%;当浓度继续升高时 ,
SOD 活性 均有所 降低 , 100 mg/LZn 和
100 mg/LPb 处理的最低 ,仍分别比对照提
高 54.6%和 131.5%。
2.2.2　POD的活性变化　POD也是植物体
内一种重要的抗氧化酶 ,它可以清除 H2O2 。
由图 4可见 ,经 Pb 、Zn 胁迫后 ,随着处理浓
度的增大 , POD 活性也随之升高 , 10 mg/
LZn处理的达到最高值 ,比对照提高了 78.
9%,而 25 mg/ L 和 50 mg/LPb处理的 POD
活性并没有升高 , 25 ～ 50 mg/ LPb 处理的达
到最高值 ,比对照提高了 61.7%;随着处理
浓度的继续增大 ,POD的活性降低 , 100 mg/
LZn和 100 mg/L Pb分别为对照的 120.2%
和 116.3%,都比对照高。
2.2.3　类胡萝卜素(CAR)的变化　类胡萝
卜素(CAR)在光合作用中发挥着重要的作
用 ,它可以保护叶绿素免遭强光的破坏 ,还可
吸收光能传递给叶绿素。另外 ,它也具有清
除植物体内的活性氧自由基的作用 ,对植物
免遭各种逆境伤害起到一定的作用 。图 5表
明 ,Zn在低浓度(0 ～ 25mg/ L)时 ,类胡萝卜
素含量呈上升趋势 , 10mg/LZn 处理比对照
提高了 17.9%,在 10 ～ 25mg/LZn 范围内其
含量基本维持较高水平 ,而后随着浓度的增
大 ,类胡萝卜素含量下降。100mg/ LZn处理
的仅比对照高 0.41%,而 Pb 在 25mg/ L 处
理时达最高值 ,比对照高 25.3%,以后其含
量下降 ,100mg/L 时仅为对照的 30.4%。由
此表明 ,在低浓度的 Pb 、Zn 胁迫下 ,保持较
高含量的类胡萝卜素 ,有利于提高对活性氧
自由基的清除能力 ,但随着胁迫浓度的升高 ,
类胡萝卜素可能合成受阻或降解加速 ,使其
含量下降 ,不利于清除活性氧自由基。
2.3　Pb、Zn胁迫对MDA含量的影响
丙二醛(MDA)是膜脂过氧化作用的主
要产物 ,它的含量高低可作为膜脂过氧化作
用的指标之一。图 6表明 ,Zn处理的 MDA
·210· 　江西农业大学学报(自然科学版) 第 24卷
图 7　Pb、Zn 胁迫对蕹菜质膜透性的影响
含量基本上随着胁迫浓度先降后升 , 但 10 mg/
LZn 处理的MDA含量却低于对照 , 而此时的
SOD 、POD活性和 CARO 含量均处于极值附近 ,
活性氧的清除能力很强 ,从而可能使 MDA 含量
不升反降。Pb 胁迫基本上也有类似的趋势 ,即
MDA含量在高胁迫浓度时增加 , 但在 25 mg/
LPb处理的含量较 10 mg/L Pb 处理的有所下
降 ,这也可能与 SOD 、POD和 CARO 的清除能力
增强有关 。由图可见 ,Pb胁迫的 MDA 含量较 Zn
胁迫的大 ,说明 Pb对蕹菜的毒害作用更大。
2.4　Pb、Zn胁迫对质膜相对透性的影响
植物细胞通过细胞膜来传递信息 、能量 ,进行水分 、养分以及各种离子的运输 ,细胞膜是植物细胞极
重要的组成部分 ,通常用质膜透性变化表示细胞膜受损伤的程度 。图 7表明 ,随着 Pb 、Zn 胁迫浓度的
增大 ,质膜透性逐渐增大 , 100 mg/LPb和 100 mg/ LZn 处理的分别为对照的 223.9%、153.5%。但
10 mg/LZn处理的并未受到明显的伤害 ,此时电导率较对照下降了 21.9%,而 25 mg/L Pb处理的较
10 mg/LPb处理的上升幅度很小 ,仅比 10 mg/L Pb处理的上升了 3.7%,这与 MDA的变化趋势相似。
究其原因 ,可能也是与SOD 、POD和类胡萝卜素的活性氧清除能力有关 ,而对 Pb 、Zn处理的电导率作比
较 ,Pb处理的电导率上升幅度更大 ,且电导率均高于 Zn处理的 ,说明 Pb对蕹菜的伤害作用比 Zn的作
用大 。
3　讨　论
在正常情况下 ,植物体内活性氧代谢处于平衡状态 ,不会对植物体造成伤害 。在各种逆境或衰老过
程中 ,平衡被打破 ,从而使活性氧产生加剧而过剩 ,活性氧不仅会引发或加剧膜脂过氧化作用 ,而且还会
使蛋白质脱氢而产生蛋白质自由基 ,使蛋白质发生链式聚合反应 ,从而使细胞膜系统损伤 。因此 , MDA
和质膜透性可以作为细胞膜损伤程度的重要标志。蕹菜幼苗以 Pb 、Zn 胁迫而导致 MDA 的逐渐积累 ,
其积累量基本上随着胁迫浓度的增大而升高;质膜透性变化也与 MDA 的变化基本相似 ,即随着胁迫浓
度的增大而升高 ,细胞内含物的外渗量增多 ,受损伤程度加剧。相关性分析表明 ,质膜透性与 MDA含
量呈显著的正相关(Zn:y =-1.701 5+0.464 2 x , r =0.941 2＊＊ , DF =4;Pb:y =25.192 +1.
049 x , r =0.745 7＊ , DF =4 , 其中 y 为质膜透性 , x 为 MDA 含量;＊表示在 P=0.05水平上显著相
关;＊＊表示在 P=0.01水平上显著相关),这就表明 Pb 、Zn胁迫引起的膜伤害可能包含着一种活性氧
自由基的伤害机制 ,目前普遍认为环境胁迫所引起的自由基累积与膜伤害关系密切。本试验为 Pb 、Zn
胁迫所造成的自由基伤害提供了一定的证据 ,并认为这是 Pb 、Zn胁迫伤害机制的重要因素之一 。
SOD 、POD在重金属胁迫中的作用已经得到了许多证明[ 12 , 13] ,SOD 可以 O-2 为基质进行歧化反
应 ,生成 H2O2和 O2 ,POD可以清除细胞内的H 2O2等有害活性氧自由基。本试验证明 ,经 Pb 、Zn胁迫
后SOD 、POD活性均表现为先升后降 ,在低浓度的胁迫下 ,酶活性增强表明其活性氧的清除能力有所增
强 ,说明蕹菜对 Pb 、Zn胁迫具有一定的适应和抵御能力;但随着胁迫强度的继续增大 ,幼苗的 MDA含
量增多 ,而 SOD 、POD活性却在降低 ,其活性氧自由基清除能力下降 ,这又说明植物对 Pb 、Zn胁迫的抵
御能力是有一定限度的 ,超过此限度植物就会受到伤害 。作为非酶促活性氧清除剂的类胡萝卜素 ,在低
浓度 Pb 、Zn胁迫下 ,具有较高的含量 ,高浓度胁迫下含量逐渐下降 ,相关性分析表明 , MDA 含量与类胡
萝卜素(CAR)含量变化间存在着显著的负相关(Zn:y =97.272-632.21 x , r =-0.776 5＊ , DF =4;
Pb:y =55.041-175.81 x , r =-0.935 1＊＊ , DF =4 , y 为 MDA 含量 , x 为类胡萝卜素含量;＊表示
在 P =0.05水平上显著相关;＊＊表示在 P=0.01水平上显著相关)。这也说明类胡萝卜素在活性氧的
·211·第 2 期 时忠杰等:铅 、锌胁迫对蕹菜光合色素及活性氧代谢的影响
清除过程中发挥着一定的作用 。
由以上的结果可知 , Pb胁迫处理的 MDA 含量 、质膜相对透性值均高于 Zn处理的 ,而叶绿素含量
却低于Zn处理的 ,由此可以判断 Pb对植物的毒害作用比Zn对植物的毒害作用大。
致谢:2001 届本科毕业生余丽琳 、林燕春 、苏燕苹三位同学参加本研究的部分实验工作 ,谨表谢意。
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·212· 　江西农业大学学报(自然科学版) 第 24卷