全 文 ：铬胁迫下李氏禾显微结构的变化
罗亚平 1 ,刘杰 1 ,张学洪 1 ,黄华苑2 ,胡 澄1 ,孙家君 1 ,蔡湘文 1　
(1.桂林工学院广西环境工程与保护评价重点实验室 ,广西桂林 541004;2.广西师范大学生命科学学院 ,广西桂林 541004)
摘要　[目的 ]为研究李氏禾的耐铬生理和分子机理提供理论依据。 [方法 ]以李氏禾幼苗为试材 , 分别用含 0(对照)、5、30、60mg/L
CrCl3的 1/2Hoagland营养液进行培养 ,培养 45d后收获 ,分别测定根、茎、叶的生物量 ,用石蜡切片法观察不同组织显微结构的变化 ,用火焰原子吸收法测定各组织的铬浓度。 [结果]除 5mg/LCrCl3处理外 ,其他处理根、茎、叶的生物量均随CrCl3浓度的增加而减少 ,但与对照差异不显著。当CrCl3处理浓度≤30mg/L时 ,根、茎、叶和总生物量分别减少 8.2%、11.6%、21.5%和 13.2%;受铬污染的李氏禾
根、叶组织结构与对照无明显差异 ,但茎的维管束明显缩小;转移系数(叶中铬含量与根中铬含量之比)随 CrCl3处理浓度的增加而减小(从 1.07减小到 0.09)。 [结论]李氏禾对铬有很强的耐性和积累能力。
关键词　李氏禾;铬污染;显微结构
中图分类号　Q949.71+4.2　　文献标识码　A　　文章编号　0517-6611(2009)19-08931-04
ChangeofMicrostructureofLeersiahexandraSwartzunderCrStress
LUOYa-pingetal　(GuangxiKeyLaboratoryofEnvironmentalEngineeringandProtection, GuilinInstituteofTechnology, Guilin, Guangxi
541004)
Abstract　[ Objective] Theaimwastoprovidethetheoreticalbasisforresearchingphysiologicalandmolecularmechanismofresistanceof
LeersiahexandraSwartzonCrstress.[ Method] WithL.hexandraseedlingsasthetestedmaterials, theywereculturedin1/2Hoaglandsolu-
tionthatcontained0(CK), 5, 30, 60mg/LCrCl3.After45 dofculture, thebiomassofroot, stem, leafofL.hexandraweredetermined,andthechangeofitsmicrostructureindiferenttissueswasobservedwithparafinsection, Crconcn.ineachtissuewasdeterminedwithflame
atomicabsorptionspectrometry.[ Result] Exceptthetreatmentwith5 mg/LCrCl3 , thebiomassofroot, stem, leafofL.hexandrainothertreatmentsweredecreasedwiththeincreaseofCrCl3 concn.buttheyhadnosignificantdiferencewiththatofCK.WhenCrCl3≤30 mg/L,
thebiomassofroot, stem, leafandtotalbiomassweredecreasedby8.2%, 11.6%, 21.5%, 13.2%resp.Thetissuestructureofrootand
leafofL.hexandrapollutedbyCrhadnoobviousdiferencewiththatofCK, whilethevascularinitsstemobviouslydecreased.Thetransfer
coeficient(ratioofCrcontentinleafandthatinroot)wasdecreasedwiththeincreaseofCrCl3 concn.(from1.07 to0.09).[ Conclusion]L.hexandrahadstrongresistanceandaccumulationabilityonCr.
Keywords　LeersiahexandraSwartz;Crpollution;Microstructure
基金项目　国家自然基金项目(No.40663002, 20665003);广西自然科
学青年基金(No.0640071);广西环境工程与保护评价重点
实验室与广西高校人才小高地建设创新团队资助计划项目
资助。
作者简介　罗亚平(1971-),男 ,湖南株洲人 , 博士 ,副教授 ,从事重金
属污染治理和生态修复研究。
收稿日期　 2009-03-27
　　铬是人体必需的微量元素之一 ,但摄入过多会引起铬中
毒 [ 1] 。植物吸收的铬约有 98%集中在根部 ,高浓度的铬不仅
直接危害作物生长 ,而且干扰植物对必需营养元素的吸收和
运输 [ 2] 。六价铬是我国实施总量控制的污染物之一 [ 3] ,铬污
染来源主要有含铬矿石的加工 、金属表面处理 、皮革揉制和
印染等行业 ,其中电镀行业造成的铬污染最严重。当铬渣露
天堆存时 ,长期雨水冲淋后大量的六价铬离子随雨水溶渗 、
流失 、渗入地表 ,从而污染地下水 、江河 、湖泊 ,进而危害农
田 、水产和人体。通过各种途径进入土壤中的铬 ,因其不可
降解而在土壤中不断累积 ,致使铬污染土壤的治理十分困
难 。植物修复技术被认为是解决土壤重金属污染的有效手
段 。超富集植物作为最主要的植物修复工具 [ 4-5]日益受到
人们的重视 ,成为污染土壤修复研究的热点之一 [ 4-6] 。而超
富集植物吸收 、转运 、富集和耐受重金属的生理和分子生物
学机制尚不十分清楚。
目前全世界报道较多的铬超积累植物仅有 2种 ,即在津
巴布韦发现的 DicomanicoliferaWild和 SuterafodinaWild。
李氏禾(LersiahexandraSwartz)对铬具有明显的超积累特
性 ,其叶片内平均铬含量可达 1 786.9 mg/kg[ 7] ,显著高于铬
超积累植物的参考值 1 000 mg/kg[ 8] 。李氏禾为多年生禾本
科植物 ,无性繁殖能力极强且易于人工栽培 [ 9] 。该植物不仅
对铬具有很强的富集能力 ,而且具有生长快 、地理分布广 、适
应性强等特点 ,因此 ,李氏禾为植物富集铬的机理研究和铬
污染环境的植物修复提供了新的重要物种。目前有关铬超
富集植物的显微结构研究较少 ,笔者研究铬对李氏禾根 、茎 、
叶组织形态的影响 ,以期为李氏禾耐铬生理和分子机理研究
提供一定的理论依据。
1　材料与方法
1.1　材料　李氏禾采自桂林市桃花江边(非污染区),采样
点李氏禾 Cr含量均低于检出下限。
1.2　方法
1.2.1　李氏禾的采集与培养。选择长势良好 、生长一致的
李氏禾幼苗 ,用 1/2的 Hoagland营养液进行培养 。 20d后进
行 Cr处理(CrCl3 ),处理浓度分别为 0(对照)、5、30、60
mg/L。每处理 3个重复 ,每重复 20 ～ 30株李氏禾。培养期
间光照约 14 h/d,白天温度 25℃,夜间温度 20 ℃,相对湿度
55%～ 65%,每天加入去离子水保持培养液体积恒定 ,每 4 d
更换 1次营养液保持铬浓度不变 ,并用 0.1mmol/LNaOH调
节 pH值至 6.8左右 ,处理 45 d后收获。将植株的根 、茎 、叶
分离并用去离子水清洗。根系用去离子水冲洗后再用 20
mmol/LNa2-EDTA交换 2次(15 min/次),以去除根系表面
吸附的 Cr3+ ,最后用去离子水洗净 ,吸干表面水分 ,待用 ,每
处理 3个重复。
1.2.2　石蜡切片的制备与观察 。取正常李氏禾与受铬离子
污染(30, 60 mg/L)李氏禾幼苗各 5株 ,用蒸馏水冲洗 3次 ,
然后用 30mlFAA固定液(50%酒精 90ml+冰醋酸 5ml+福
安徽农业科学 , JournalofAnhuiAgri.Sci.2009, 37(19):8931-8934 责任编辑　常俊香　责任校对　况玲玲
DOI :10.13989/j.cnki.0517-6611.2009.19.029
尔马林 5 ml)固定 ,再用 50%酒精番红染液 30ml染色 72 h,
用 30%、50%、70%、85%、95%和 100%的酒精脱水剂脱色 ,
制成常规石蜡切片 ,切片厚 8 μm,采用生物数码显微镜显微
摄片 ,成像系统为 MoticImageAdvanced3.0,放大倍数为 40
(4×10)、200(20×10)、400(40 ×10)等 ,图像大小为 800×
600像素。
1.2.3　生物量和铬浓度测定。将 “1.2.1”分离后的根 、茎 、
叶置于烘箱内 105℃杀青 30 min,然后 80 ℃烘 48h至恒重 。
测植物的生物量(干重 DW)。将干燥的植物样品在玛瑙研
钵中研磨 ,过 40目筛 。准确称取植物组织(0.5 g),用 HNO3
∶HClO4(10∶3, v/v)的混合酸在电热板上进行消解。消解结
束后冷却 ,用 0.2%的稀硝酸提取并定容 ,用火焰原子吸收测
定仪测定铬浓度。
2　结果与分析
2.1　正常李氏禾与受铬污染李氏禾生物量和形态区别　除
5 mg/LCr处理外 ,李氏禾根 、茎 、叶的生物量和总生物量均
随着营养液中铬浓度的增加而减小(图 1)。但各处理与对
照差异均不显著(P>0.05)。当铬处理浓度≤ 30 mg/L时 ,
根 、茎 、叶和总生物量分别只下降 8.2%、11.6%、21.5%和
13.2%。铬处理浓度为 60 mg/L时 ,根 、茎 、叶和总生物量与
显著差异(P>0.05)。用放大镜(10×)观察受污染李氏禾
的根系 ,发现其根系发达 、须根较多 ,与正常李氏禾无明显区
别 ,说明李氏禾对铬的抗性较强 。
图 1　不同 Cr浓度下李氏禾的生物量
Fig.1　ThebiomassofL.hexandraunderdifferentCrtreatments
2.2　铬在植物各器官的分布和转移系数　由表 1可知 ,李
氏禾的根 、茎 、叶对铬均有很强的生物积累能力;叶 、茎 、根中
铬最高浓度分别达到 2 932、1 486和 33 048 mg/kg。当营养
液中 Cr≥ 30 mg/L时 ,叶中铬浓度 >1 000 mg/kg,超过了铬
超富集植物的最小铬浓度标准。转移系数(叶中铬含量与根
中铬含量之比)随铬处理浓度的增大而减小 ,即从 1.07下降
表 1　不同Cr处理李氏禾各组织的 Cr浓度(n=3)
Table1　CrconcentrationindiferenttissuesofLeersiahexandraSw-
artzunderdiferentCrtreatments
浓度∥mg/L
Concentra-
tion
Cr含量Crcontent∥mg/kg(DW)
根
Roots
茎
Stems
叶
Leaves
转移系数
Transfer
coeficient
0(CK) 34.38±7.07 23.49±1.66 36.66±7.06 1.07±0.07
5 993.4±395.9 335.7±214.1 891.4±68.82 0.98±0.33
30 20 253±1 999 930.4±226.8 4 302±978.8 0.21±0.03
60 33 048±7 201 1 486±443.3 2 932±581.9 0.09±0.01
到 0.09, 60mg/LCrCl3处理的李氏禾 Cr转移系数较对照下
降了 91.6%。
2.3　正常李氏禾与受铬污染李氏禾组织显微结构变化
2.3.1　根。李氏禾的根分为表皮 ,皮层和维管柱 3部分。
内皮层具有明显的五面增厚特性 ,且呈马蹄形加厚 ,外切面
向壁不加厚 ,木质部放射角处有通道细胞。根的中央部分由
中柱鞘及维管组织 2部分组成。中柱鞘在维管组织的外面 ,
常作为中柱的分界层 ,由 1层或几层薄壁组织细胞连续排列
构成 ,有的还含有厚壁组织 ,初生木质部和初生韧皮部呈辐
射状相间排列。在根的横切面上 ,木质部分子径向排列形成
脊。试验中受铬污染李氏禾根的组织结构与正常李氏禾无
显著差异(图 2、图 3)。
图 2　受Cr污染李氏禾根的结构 200倍(20×10)
Fig.2　Contaminativerootstructrue200times
图 3　正常李氏禾根的结构 200倍(20×10)
Fig.3　Naturalrootstructure200times
2.3.2　茎。茎的最外层为表皮 ,由长形细胞和短形细胞相
间排列而成 ,表皮以内为基本组织 ,维管束较规则地排成 2
轮 ,茎节间中央为髓腔 ,维管束由木质部和韧皮部构成 ,无束
中形成层。木质部常呈 V形 ,主要由 3 ～ 4个导管组成 , V形
尖端部位为原生木质部 ,由直径较小的环纹和螺纹导管组
成 ,分化较早 ,并在茎伸长时遭到破坏 ,往往形成空腔 ,中间
残留有环纹或螺纹的次生加厚壁;V形两侧各有 1个直径较
大的孔纹导管 ,它们在茎分化后期形成 ,为后生木质部。韧
皮部位于木质部的外侧 ,后生韧皮部细胞排列整齐 ,在显微
镜下可看到许多近似六角形或八角形的筛管细胞以及交叉
排列的长方形伴胞;在后生韧皮部外侧 ,可以看到 1条不整
齐的细胞形状模糊的带状结构 ,为最初分化出来的韧皮部 ,
即原生韧皮部 ,由于后生韧皮部不断生长分化 ,原生韧皮部
被挤压而遭到破坏。木质部和韧皮部外围通常有 1圈由厚
8932 　　　　　　　　　　安徽农业科学　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2009年
壁组织构成的维管束鞘。试验发现 60 mg/L铬污染李氏禾
茎中维管束的空腔体积减小 ,从而导致维管束缩小(图 4 ～
图 9)。
图 4　铬污染李氏禾茎的结构 200倍(20×10)
Fig.4　Contaminativestemstructrue(200times)
图 5　正常李氏禾茎的结构 200倍(20×10)
Fig.5　Naturalstemstructure(200times)
图 6　受铬污染李氏禾茎的花环结构 400倍(40×10)
Fig.6　Contaminativestemgarlandstructure(400times)
2.3.3　叶。李氏禾的叶为等面叶 ,叶肉无栅栏组织与海绵
组织的分化 ,除气孔内有较大细胞间隙构成的孔下室外 ,叶
肉内细胞间隙均较小。叶内维管束平行排列 ,维管束外围有
1 ～ 2层细胞构成的维管束鞘 ,维管束与表皮之间通常有发达
的纤维细胞 ,较大的维管束甚至被纤维细胞所包围。受污染
李氏禾叶的组织结构与正常李氏禾无明显差异(图 10、
图 11)。
3　讨论
超富集植物超量吸收 、富集重金属与其根部细胞具有较
多重金属结合位点有关 ,而植物的重金属耐性与重金属在植
物细胞中分布的区域化有关 ,即重金属存在于细胞壁和液泡
图 7　正常李氏禾茎的花环结构 400倍(40×10)
Fig.7　Naturalstemgarlandstructure(400times)
图 8　受铬污染李氏禾茎的维管束 400倍(40×10)
Fig.8　Contaminativestemvascularbundle(400times)
图 9　正常李氏禾茎的维管束 400倍(40×10)
Fig.9　Naturalstemvascularbundle400times
图 10　受铬污染李氏禾叶的结构 200倍(20×10)
Fig.10　ContaminativeleavesstructurepolutedbyCr(200times)
中 ,从而降低其毒性 [ 10] 。该试验结果表明 ,受铬污染李氏禾
的组织结构并未发生明显的变化 ,说明铬污染对李氏禾的影
8933　37卷 19期　　　　　　　　　　　　　　　　　　罗亚平等　铬胁迫下李氏禾显微结构的变化
图 11　正常李氏禾叶的结构 200倍(20×10)
Fig.11　Naturalleavesstructure(200times)
响较小。
在前期试验中发现 ,当李氏禾叶片中铬含量为 2 977.7
mg/kg时 ,植物仍能正常生长 ,未出现明显中毒症状 [ 8] 。该
试验中 ,对照组李氏禾根中铬平均含量为 34.38 mg/kg,叶片
中铬平均含量为 36.66 mg/kg,转移系数为 1.07。而在 60
mg/kg铬处理中 ,李氏禾根中铬平均含量高达 33 048 mg/kg,
叶中铬含量仅为 2 932 mg/kg,转移系数为 0.09(下降了
91.6%)。这说明李氏禾在铬胁迫下能限制过量的铬向地上
部分运输 ,这可能就是该植物对铬其有较强抗性的原因之
一 。当环境中铬浓度较高时 ,大部分铬被累积在根部 ,只有
少量铬到达植物的地上部分 ,从而避免了铬对地上部分的伤
害 。高等植物中无机盐(金属离子)从根向茎叶的运输是通
过导管实现的 。对李氏禾的显微结构进行研究 ,发现铬胁迫
下 ,李氏禾茎的导管出现明显的萎缩现象。这可能是李氏禾
限制过量铬向地上部运输的生物组织学证据 ,即铬胁迫诱导
李氏禾导管收缩 ,从而减少铬向地上部分运输 ,保护地上部
分免受高浓度铬的伤害 ,保证李氏禾在高铬浓度环境中正常
生长。
铬超积累植物对铬的耐性机理可能与重金属在植物体
内的分布和化学形态有关 ,目前这方面的研究还未见报道 。
在锌超积累植物研究中 , AsunQao等 [ 11]从超积累植物 Thlas-
picaerulescens中分离并克隆了 3个 Zn转运蛋白基因 ,分别
为 ZIP1、ZNT1、ZNT2基因 , 3个Zn转运蛋白基因在 Thlaspi
caerulescens中的表达量明显高于 Thlaspiarvense,根系中 Zn
转运蛋白基因的表达量与 Thlaspicaerulescens富集 Zn的能力
呈正相关 ,他们认为 , ZIP1的过量表达可能有助于提高植株
对 Zn的耐性。Zn转运蛋白基因的发现 ,对其他重金属超积
累植物的基因控制研究具有重要的借鉴意义。李氏禾的铬
耐性和超积累能力是否与铬在植物体内的分布 、储藏机制 、
重金属载体和耐性基因有关 ,还有待于进一步研究。
4　结论
李氏禾对重金属铬具有很强的耐性和积累能力 。当植
物吸收的铬达到超富集植物的临界浓度标准时 ,李氏禾地上
部分的生物量无明显降低 ,形态结构和显微结构也未发生明
显变化 。因此 ,李氏禾很可能会成为开发应用潜力巨大的铬
污染环境的理想修复植物。但有关李氏禾对铬的解毒和运
输机理还需进一步研究 [ 12] 。
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