全 文 ：2015年第 3期 重庆三峡学院学报 No.3.2015
第 31卷（157期） JOURNAL OF CHONGQING THREE GORGES UNIVERSITY Vol.31 No.157
收稿日期：2015-02-06
作者简介：张 静（1992-），男，重庆三峡学院在读硕士，主要研究环境科学.
通讯作者：祁俊生（1964-），男，重庆三峡学院教授，博士，主要研究环境科学.
基金项目：重庆高校市级重点实验室开放基金项目“三峡库区水环境演变与污染防治”（WEPKL2012MS-01）阶段
性成果
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铜胁迫对双穗雀稗生理特性及铜积累的影响
张 静 梁克中 陈秀红 余顺慧 祁俊生*
（重庆三峡学院，三峡库区水环境演变与污染防治重庆高校市级重点实验室，
重庆万州 404100）


摘 要：本研究探索铜胁迫对双穗雀稗（Paspalum Distichum L.）的毒害机制，为铜污染水
体植物修复提供理论依据．阐明了三峡库区消落带适生植物双穗雀稗在不同浓度 Cu2+作用下新芽
数、叶绿素含量、抗氧化酶系统超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）
活性及重金属铜累积与分布的影响．结果表明：在 0～40 mg/L Cu2+浓度处理范围内，Cu2+浓度在 0～
10 mg/L 时对双穗雀稗抗氧化酶系统和叶绿素含量及新芽数均有促进作用；但随着 Cu2+浓度的不断
增大，双穗雀稗抗氧化酶系统活性明显下降，Cu2+浓度增加到一定程度后，POD 活性又稍微上升．当
Cu2+浓度>10 mg/L 时，双穗雀稗的新芽数和叶绿素含量减少．双穗雀稗主要通过根、茎积累 Cu2+，
且表现为积累量根>茎；双穗雀稗可以有效降低水体、土壤中 Cu2+的含量，在三峡库区消落带库岸
植物修复中具有潜在应用价值．
关键词：铜胁迫；双穗雀稗；生理特性；铜积累
中图分类号：Q945.7 文献标识码：A 文章编号：1009-8135（2015）03-0109-05


1 引 言

铜是植物必需微量营养元素，参与植物的光合作用以及呼吸作用，并且与叶绿素的形成有关，同时也
是环境污染重金属元素．由于三峡库区工矿企业等的发展及农用化肥大规模的使用，许多重金属铜进入库
区消落带，加快其循环，通过生物放大严重影响人们的健康．所以，目前研究的热点之一是如何去除三峡
库区消落带水体及土壤中重金属．总结前人研究，发现植物修复具有许多优点，但它的难点在于超积累植
物的筛选及应用[1]．目前已知的超积累植物大多具有入侵性，具有一定的生态风险．而双穗雀稗不是超积
累植物，适合生长在消落带，是消落带库岸植被修复与重建的优良物种之一[1-3]．之前，大量研究者尽管在
植物耐重金属方面做了相当多的研究，比如：本实验室做了狗牙根修复铜及铅污染土壤和水体方面的研究，
并且取得了一定的进展[4-7]．但就双穗雀稗对铜污染的土壤、水体修复及铜积累特性的研究相对比较匮乏．为
此，以双穗雀稗为研究材料，通过水培实验，研究了不同浓度梯度铜胁迫条件下对双穗雀稗植物新芽数、
叶绿素含量、抗氧化酶系统及重金属铜累积与分布的影响，以期为消落带植被重建过程中物种的筛选、环
境修复技术提供一定的科学理论依据．


DOI:10.13743/j.cnki.issn.1009-8135.2015.03.029
张 静 梁克中 陈秀红 余顺慧 祁俊生：铜胁迫对双穗雀稗生理特性及铜积累的影响


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2 材料与方法
2.1 材 料
2.1.1 供试材料 双穗雀稗：于 2014年 4月采
于重庆市万州区牌楼消落带．
2.1.2 试剂 CuSO4·5H2O（AR），Hoagland
营养液（使用 AR药品配制而成）．
2.1.3 仪器 TDZ5-WS 多管架自动平衡离心
机（赛特湘仪器有限公司）、MARS240 微波消解
系统（美国 CEM公司）、紫外分光光度计（T6新
世纪）、AA-6300原子吸收分光光度计（日本岛津
公司）．
2.2 实验方案设计
共设 5个不同铜浓度，分别为：0 mg/L，10 mg/L，
20 mg/L，30 mg/L，40 mg/L，以模拟 Cu2+污染环
境．每组设 3个平行实验．
2.3 实验方法
2.3.1 材料预处理 植物采回后，选取生物量
大约相同的幼苗移栽到实验室土壤中培养直至长出
新芽．将长出新芽的植株用自来水、去离子水冲洗
至去离子水中检测不出Cu2+后，将其放于装有 65 mL
的 Hoagland营养液的广口瓶中纯化水培培养．待植
株长出新根后，将上述植株放入加有不同浓度（铜
以 CuSO4·5H2O形式加入）的营养液中胁迫处理．实
验过程中需保证 24 h连续通气，白天将其移到室外
保证其充分光照．随时补充液体，每五天更换一次
营养液．为了避免营养液产生沉淀，KH2PO4 浓度
降低为 0.005 mmol/L．实验过程中每 24小时查看一
次植株生长状况，处理 8天后立即收获植株及时测
定其相应的指标．
2.3.2 生理指标的测定 采用“南京建成生物
工程研究所”购买的 SOD、POD试剂盒测定 SOD、
POD的活性．分别用分光光度法[8]、丙酮—乙醇分
光光度法[9]，测定 CAT活性以及叶绿素含量．
2.3.3 铜含量的测定 用去离子水洗净处理 8
天后收获的双穗雀稗，将其根、茎分离，在鼓风干
燥箱中烘干（80 oC）处理待用．称取一定质量放入
磨砂研钵内研磨至均匀的粉末，精确称取 0.200 0 g
供试样品于消解罐中，加入混酸（浓 H2SO4︰浓
HNO3 = 1︰4）．将其消解冷却后过滤，定容至
25 mL 容量瓶中保存待测，用 AA-6300 原子吸收
分光光度计测定样品 Cu2+含量，单位为 mg/kg 干
重．同时做空白组．
2.4 数据处理
实验数据处理、分析使用 Origin8.0软件进行．
3 结果与分析

3.1 Cu2+胁迫对双穗雀稗生长的影响
由图 1能够看出，双穗雀稗在外源 Cu2+胁迫条
件下，随着 Cu2+浓度逐渐变化对双穗雀稗的生长
有显著的影响，具体表现如下：外源 Cu2+浓度在
0～10 mg/L时，随着 Cu2+浓度的增加，双穗雀稗
的新芽数不断增加，10 mg/L时新发芽数达到峰值，
可能是由于低浓度的 Cu2+在一定程度上促进双穗
雀稗的生长，导致新芽数比空白组的增加；外源
Cu2+胁迫浓度从 10～40 mg/L增加时，随着培养时
间的增加，双穗雀稗的新芽数呈现出明显的下降趋
势，甚至在 40 mg/L时双穗雀稗的新芽数是零，说
明了 Cu2+在 40 mg/L 时对双穗雀稗的胁迫作用最
大，症状最明显，第 8天后死亡．表明低浓度 Cu2+
有利于双穗雀稗生长，浓度较高时反而不利于其生
长．表现出伤害症状时，高浓度 Cu2+处理的双穗雀
稗植株生长比较迟缓，植株矮小，叶片逐渐失水干
枯．（注：定时每天查看双穗雀稗生长状况以及症
状表现．）
3.2 Cu2+胁迫对双穗雀稗叶绿素含量的影响
由图 2知，双穗雀稗经 Cu2+处理后，Cu2+浓度
在 0～10 mg/L时，双穗雀稗叶片叶绿素 a、叶绿素
b和叶绿素 a + b的含量逐渐上升，此时，叶绿素在
Cu2+胁迫初期（0～10 mg/L时）表现出一定的抗逆
性．随着 Cu2+浓度的进一步增大（10～40 mg/L），
色素含量呈现下降的趋势，故叶绿体结构破坏．原
因可能是由于高浓度 Cu2+进入植物体细胞内，导致
细胞器叶绿体中的叶绿素加快分解，致使叶绿素蛋
白中心离子组成发生变化而出现失活[11]．
3.3 Cu2+胁迫对双穗雀稗 SOD、POD、CAT 活
性的影响
一起构成植物体内的抗氧化酶系统的是超氧
化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧
化氢酶（CAT），它们之间相互协调共同作用，可
以有效清除植物细胞内的自由基等[5,6]．
3.3.1 对超氧化物歧化酶（SOD）活性的影响
SOD是重要的自由基清除酶，以防御自由基对
细胞产生毒害作用（如在重金属胁迫下，植物体内
会产生大量的活性氧自由基，SOD 能及时将其清
除）．由图 3可以看出，一定铜离子浓度范围内，
随着外源铜浓度增加，双穗雀稗叶片的 SOD 酶活
性显著升高，Cu2+浓度为 10 mg/L时，SOD活性为
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最大；但随外源铜浓度的进一步升高（10～40
mg/L），SOD酶活性逐渐降低．这可能是由于 Cu2+
在双穗雀稗体内积累量超过一定临界值（10 mg/L）
时导致双穗雀稗细胞内产生的活性氧自由基超过了
保护酶系统的清除能力．这与周长芳等的研究结果
相一致[14]．

图 1 铜胁迫对双穗雀稗植株新芽数的影响
Fig．1 Effects of Cu2+ stress on new sprout number
of P. Distichum

图 2 Cu2+胁迫对双穗雀稗叶绿素含量的影响
Fig2 Effects of Cu2+ stress on chlorophyll
content in leaves of P. Distichum
3.3.2 对过氧化物酶（POD）活性的影响
POD 也是植物抗氧化系统中重要的自由基清
除酶．POD 清除自由基的原理是可以把 SOD 的歧
化产物过氧化氢转化为水．逆境较严重时可诱使植
物细胞内生成更多自由基，导致 POD活性增强．所
以，如果 POD 活性较高时，植物组织可能受到损
害以及破坏的程度越严重．从图 3可知，在一定浓
度范围内，随着外源 Cu2+浓度增加，双穗雀稗叶片
的 POD酶活性呈现出略微上升的趋势，在 10 mg/L
时达到最大；Cu2+浓度 > 10 mg/L时，POD活性缓
慢下降，而后 POD活性又增大．但 POD活性随着
外源铜离子浓度增加总体是呈上升趋势．前段上升
的原因，可能是铜胁迫对双穗雀稗 POD 活性起到
了诱导作用；下降原因，可能是随着外源铜浓度的
增大，双穗雀稗超氧自由基的生成量较高，超出了
POD酶清除超氧自由基的能力，导致植物体内自由
基的清除与产生失衡；后期 POD 活性上升，可能
是由于植株衰老引起．这与余顺慧等的研究所得结
论相同[6]．
3.3.3 对过氧化氢酶（CAT）活性的影响
CAT 酶是促使过氧化氢分解成分子氧和水的
生物催化剂，因此能够清除植物细胞内的过氧化氢，
从而让植物细胞避免被过氧化氢毒害[6]．由图 3 可
以看出，在一定铜浓度范围内，随着外源 Cu2+浓度
增加，双穗雀稗叶片的 CAT酶活性先升后降，上升
的原因可能是植物在低浓度的 Cu2+胁迫下，其叶片
内随着 SOD 活性升高，歧化反应产生的过氧化氢
增多，导致 CAT 酶底物浓度增加所致；下降的原
因可能是由于在高浓度 Cu2+作用下 CAT 活性表现
出抑制作用，植株在长期受到高浓度重金属离子作
用后，造成 CAT酶分子内在结构发生了改变．这与
余顺慧等的研究结果一致[6]．

图 3 Cu2+胁迫对双穗雀稗 SOD、POD、CAT 活性的影响
Fig3 Effects of Cu2+ stress on activities of SOD、
POD、CAT in leaves of P. Distichum
3.4 Cu2+胁迫对双穗雀稗积累铜及分布情
况的影响
随着营养液中外源 Cu2+浓度增大，双穗雀稗根
和茎累积 Cu2+的百分比显著增大（见表 1）．当水
体被重金属污染后，重金属利用水体—植物系统进
入双穗雀稗细胞内，随着外源重金属的增加，导致
双穗雀稗根、茎中重金属含量百分比显著增大，其
迁移富集量表现为根 > 茎．由表 1 可知，跟空白
组比较，在用不同的 Cu2+胁迫处理后，双穗雀稗茎
张 静 梁克中 陈秀红 余顺慧 祁俊生：铜胁迫对双穗雀稗生理特性及铜积累的影响


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和根中 Cu2+的质量百分比变化比较明显．因此可以
推断，双穗雀稗主要通过根富集重金属离子．
表 1 Cu2+在双穗雀稗植物体内的积累和分布情况(比例）
Table1 Accumulation and distribution of Cu2+
in P. Distichum
Cu 2+/（mg/L） 根积累铜的比例
/%
茎积累铜的比例
/%
0 81.48 18.52
10 80.30 19.70
20 73.85 26.15
30 73.46 26.54
40 68.24 31.76
1)同列具有不同字母上标者为差异显著（P<0.05）
1)Different letters superscript in the same column
meant significant difference among treatments at
0.05 level.

4 讨 论

铜是植物必需微量元素之一，影响着植物的生
长发育[12]，通过研究，发现在一定浓度范围内 Cu 2+
胁迫作用下，可以提高双穗雀稗的新芽数，促进其
生长，但超出一定浓度范围后，双穗雀稗的新芽数
降低，直至死亡．
叶绿素是植物进行光合作用生成有机物的重
要色素，其含量将直接反映出植物光合作用能力的
强弱，进而影响着植物的生长能力．低浓度的铜胁
迫对叶绿素的形成有一定的促进作用，但超过一定
浓度范围后，反而抑制叶绿素的形成[13]．
抗氧化酶系统的活性直接影响着植株细胞内
氧化物、自由基等的代谢与清除．高活性抗氧化酶
有利于提高植物对各种外界胁迫（生物及非生物）
的耐受性[12]．通过本研究可以得出，低浓度铜处理
草本植物双穗雀稗时 SOD、POD、CAT活性均有增
加，而高浓度铜处理则表现出一定的抑制作用，具
体表现为：SOD 和 CAT 降低，POD 活性随着铜
浓度的增加，逐渐升高，POD酶活性总体呈上升
趋势．这可能是由于铜胁迫对双穗雀稗 POD 活性
起到诱导作用，而且 POD 也可在逆境或衰老后期
进行有效表达，并参与叶绿素的分解作用，表现为
伤害效应．
在本研究中，随着外源 Cu2+浓度增大，双穗雀
稗茎和根累积铜离子的百分比明显增多，富集量表
现为根 > 茎，这一结果与邱喜阳等的研究结果一
致[2]．在本试验中，当外源铜浓度是 40 mg/L时，
植物虽然出现伤害症状，双穗雀稗地上及地下部分
富集铜百分比仍然较高，分别是 31.76%和 68.24%，
虽然这种草本植物不属于超富集植物，但考虑到双
穗雀稗既耐水淹又耐干旱，而且生长迅速，生物量
大，综上，双穗雀稗可用于铜污染水体、土壤修复．

5 结 论

（1）在低浓度铜处理时，双穗雀稗的新芽数、
叶绿素含量、SOD 活性、CAT 活性、POD 活性有
一定促进作用，而高浓度的铜胁迫对植物的上述指
标有抑制作用，其中 POD 活性表现出其特殊性，
即总体趋势为上升．
（2）尽管双穗雀稗不是 Cu2+的超积累植物，
但是从其富集 Cu2+ 的能力以及长期耐水淹等方
面考虑，在使用生物修复技术治理 Cu2+污染的环
境中具有潜在应用价值，综合考虑，双穗雀稗能够
作为三峡库区消落带环境（水体、土壤）修复的优
良物种．
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（责任编辑：张新玲）

Effects of Cu2+ Stress on Physiological Properties of Paspalum Distichum and Copper
Accumulation
ZAHNG Jing LIANG Kezhong CEHN Xiuhong YU Shunhui QI Junsheng*
(Key Laboratory of Water Environment Evolution and Pollution Control in Three Gorges Reservior, Wanzhou,
Chongqing, 404100, China)
Abstract: This paper clarifies the poisoning mechanism of the copper stress on Paspalum distichum
(Paspalum Distichum L.) to provide a theoretical basis for copper phytoremediation of polluted water body. In this
hydroponic experiment, CuSO4.5H2O was added into Hoagland solution to simulate the Three Gorges Reservoir
water pollution Cu2 +. It clarifies the appropriate plants in Three Gorges Reservoir with a double spike paspalum at
different concentrations, Cu2 + effect sprout number, chlorophyll content, antioxidant enzyme superoxide dismutase
system (SOD), peroxidase (POD), catalyse (CAT) activity and the cumulative effects and distribution of heavy
metals copper. The results show that: in the 0 ~ 40mg L Cu2 + inside / concentrations range, Cu2 + concentration in
the 0 ~ 10 mg / L when Paspalum distichum chlorophyll content and antioxidant enzyme systems and the number
of new shoots are promoted; but with Cu2 + concentration increases, Paspalum distichum decreases antioxidant
enzyme system activity, Cu2 + concentration increases to a certain extent, POD activity also increases slightly.
When Cu2 + concentration is > 10 mg / L, the number of shoots and chlorophyll content Paspalum distichum
reduces. Paspalum distichum accumulates Cu2 + mainly through the roots, stems, and the performance of the
accumulation of roots is > stems; Paspalum distichum can effectively reduce the water level, Cu2 + content in soil.
It is of much potential value in Phytore remedy in the Three Gorges Reservoir of Yangtze River .
Keywords: Cu2+stress;Paspalum Distichum; Physiological characteristics; Cu2+ uptake