全 文 ：农作物对 Cd 毒害的耐性机理探讨*
杨居荣 贺建群 张国祥 毛显强
(北京师范大学环境科学研究所,北京 100875)
【摘要】 对生长在 Cd 污染条件下的 8种作物体内 Cd 的存在形态分析表明, 作物的耐 Cd
性与 Cd 的形态分布密切相关,在耐性作物体内,蛋白质(多肽)结合 Cd 量的比例低于非
耐性作物 ;有机酸盐和一代磷酸盐态 Cd 的比例增加;分离得到 Cd 诱导蛋白, 其中束缚了
一定量的 Cd,限制了 Cd 以自由态存在. 耐性较低的作物体内,大分子量的蛋白质中富 Cd
量较高.
关键词 Cd 耐性机理 农作物
Tolerance mechanism of crops to Cd pollution. Y ang Jurong, He Jianqun, Zhang Guoxi-
ang and Mao Xianqiang ( Beij ing N ormal Univer sity , B eij ing 100875) . -Chin. J . App l.
Ecol. , 1995, 6( 1) : 87- 91.
Studies on Cd fo rms in 8 kinds of cr ops under Cd pollut ion show that the Cd to lerance of
crops is closely related t o the distr ibution o f Cd fo rms. In Cd-to ler ant cr ops, the percent-
age of Cd combined w ith pr otein ( polypeptide) is higher , or ganic Cd and Cd hydrophos-
phar e ar e m ore, and Cd-induced prot ein cont ains definite amounts of bound Cd which lim-
its the ex istence o f free Cd. In cr ops with low er Cd to ler ance, big molecular pr otein is
r ich in Cd.
Key words Cd, T olerance mechanism, Crops.
* 国家自然科学基金资助项目.
1994年 4月 29日收到, 7月 7日改回.
1 引 言
Cd是对植物具有明显毒害作用的金
属元素,其对植物的毒害不仅表现在 Cd 易
累积于可食部位,使农产品质量下降,而且
过量的 Cd还会影响植物的正常生长发育,
使农作物的产量降低 [ 4] . 但是, 不同植物种
类,甚至同一种植物的不同品种对 Cd等重
金属毒害的耐受性都有很大差异. 国外一
些研究认为[ 9, 11]这种差异受外部因素(诸如
Cd等重金属在根际的溶解度和移动性、离
子间的相互作用等)和内部因素(包括离子
的选择性吸收、细胞壁或细胞膜透性、植物
对重金属的固定作用、增强拮抗代谢物及
被抑制酶的活性、分泌金属螯合物或生化
互作物质等)所影响. 从国内研究看, 这方
面的报道还很少, 仍停留在根据植物表观
性状(生育状况或残留量) , 筛选耐性种等
研究上 [ 1, 2] . 本文通过对不同耐性作物体内
Cd的化学形态及 Cd结合蛋白(多肽)的对
比分析,从植物体内 Cd 的存在形态角度探
讨了植物的耐Cd 机理.
2 材料与方法
2. 1 试验作物
试验用作物及其品种为: 冬小麦 ( T r iticum
aestivum) (冬协 4 号)、旱稻(Ory za sativ a) (中远 1
号 )、玉米 ( Zea may s ) (中单 121)、大豆 (Gly cine
max ) (中作 83- 117)、菜豆( Phaseolus v ulgaeis )
( 双季豆架豆)、油菜( Bras sica campestr is ) (四叶
曼)、黄瓜(Cucumis sativ us ) (津研4 号)、笋( L actu-
ca sativ a) (尖叶笋) . 将其栽培于土壤含 Cd200m g
应 用 生 态 学 报 1995年 1月 第 6卷 第 1期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , Jan. 1995, 6( 1)∶87—91
·kg -1(北京草甸褐土,投加 Cd 形态为硝酸镉)的
盆缶本中, 每种作物重复 3 盆, 在温室中培育 25 日
后调查其生长发育状况. 采集新鲜植株, 将地上部
与根分离, 洗净, 剪成 1- 2mm2细块,备形态提取
用.
2. 2 Cd 形态分析
准确称取 2. 000g 鲜样, 置于烧杯中, 加入
37. 5ml提取剂, 使样品保持浸透状态, 并在 30℃
恒温箱中放置过夜 (约 17- 18h) , 次日回收提取
液, 再加入同体积的同样提取液,浸取 2h 后再回
收提取液, 重复 2 次, 即在 24h 内提取 4 次, 集 4
次提取液(共 150ml)于烧杯中,测定 Cd 的含量.
提取剂及提取顺序为 80%乙醇、去离子水、
1mo l氯化钠溶液、2%醋酸、0. 6mol盐酸.
2. 3 Cd 结合体分离分析
首先采用分级离心法, 将植物细胞各组分进
行区分[ 3] , 再将分离得到的可溶性组分( 105g , 4℃,
高速离心的清液)经高效液相色谱分离. 色谱柱为
Preteim -pax 300 sw , 流动相为 0. 02mo l T ris-HCl
缓冲液( pH 7. 28) , 流速 0. 8ml·min-1, 254nm 紫
外检测器. 按峰型收集洗脱液, 峰后每隔 4min 收
集 1次, 直到 60min. 分离蛋白质分子量的测定采
用标准蛋白质法, 标准蛋白为磷酸化酶 ( 94KD)、
牛血清白蛋白 ( 6. 7KD )、肌动蛋白( 4. 3KD )、碳酸
酐酶 ( 3. 0KD )、烟草花叶病毒外壳蛋白 ( 1. 75
KD) .
2. 4 Cd 的测定
提取液经蒸发近干后,用一定比例硝酸-高氯
酸消化, 用 10%硝酸定容,在原子吸收分光光度计
上测定(日立 180- 80) Cd 含量.
3 结果与讨论
3. 1 不同耐性作物体内 Cd 的存在形态
在投加 Cd浓度下, 一些作物的生长已
受到Cd 的危害,但因作物种类不同而有较
大差异,如旱稻和小麦表现了较强的耐受
性,而黄瓜、笋、菜豆等的耐性较差.各种作
物的相对生物量变动于 64- 105%之间 [ 2] .
将 8种作物根及茎叶中 Cd 存在形态
的分析结果示于表 1、2.可以看出, 不同种
作物体内Cd存在形态的共同特征是:根中
各种形态 Cd的含量均高于茎叶相应形态
的含量, 表明 Cd 在根中的蓄积较强; 从不
同形态 Cd含量占总量的比例看,根和茎叶
中均以氯化钠提取态 Cd占绝对优势,根中
所占比例为 50 - 88% , 茎叶中占 43 -
85%,其次是醋酸可提取态,根中所占比例
为 1. 8- 21. 0%, 叶中为 1. 1- 23. 3%, 其
余形态所占比例均较低.
根据已有工作成果 [ 9]可知, 由于金属
在不同提取剂中的溶解度有很大差别, 故
不同提取剂的提取量反映了 Cd等重金属
的存在形态,其中乙醇提取态( FE ) , 提取以
硝酸盐、氯化物为主的无机盐以及氨基酸
盐;去离子水提取( Ew )水溶性有机酸盐、重
金属的一代磷酸盐( M ( H2PO 4) 2等;氯化钠
溶液提取( FNaCl)果胶酸盐,与蛋白质结合
态或呈吸着态的重金属等; 醋酸提取
( FHAC )难溶于水的重金属磷酸盐, 包括二
代磷酸盐( MHPO4 )、正磷酸盐 ( M 3COP4 )
等; 盐酸提取( FHCl)草酸盐等. 本试验得到
8种作物体内均以氯化钠提取态占很大比
例的结果说明,进入到植物体内的 Cd多集
中于蛋白质部分.
对比不同作物体内各种形态 Cd 所占
比例可见,虽其主导形态均为氯化钠提取
态,但因作物种类不同,该形态所占比例有
一定差异.若以相对生物量作为耐 Cd性指
标,则可见到有随氯化钠提取态的比例增
加,作物耐受性减少的趋势,二者之间呈显
著负相关关系.相关系数 r= -0. 8001( n=
8, 0. 02显著水准) , 相对生物量与茎叶中氯
化钠提取态 Cd的相关系数 r 为 0. 7769( n
= 8, 0. 05显著水准) .
众所周知,在生物体内重金属离子的
一些性质如有效性大小和溶解度等都是金
属离子本身及存在的配位体和溶剂的函
数. Cd最主要的生物化学特性是对蛋白质
88 应 用 生 态 学 报 6 卷
表 1 作物根中不同提取态 Cd 的含量(mg·kg-1)
Table 1 Content of diff erent extracted Cd in crop roots
作 物
Crops
相 对生物量
Rela-
tive
bio-
mass
各提取态含量 Content of ext racted Cd
FE
含量
C on-
tent
占总量
( % )
% of
total
FW
含量
Con-
tent
占总量
( % )
% of
total
FNaCl
含量
Con-
tent
占总量
( % )
% of
total
FHAC
含量
C on-
tent
占总量
( % )
% of
total
FHCl
含量
Con-
tent
占总量
( % )
% of
total
Fr*
含量
Con-
tent
占总量
( % )
% of
total
旱 稻
Dry rice
105. 56 2. 883 4. 24 15. 495 22. 81 36. 624 58. 33 9. 369 13. 79 0. 539 0. 79 0. 025 0. 04
小 麦
Wheat
95. 24 0. 850 2. 67 3. 340 10. 50 20. 395 64. 12 6. 900 21. 69 0. 199 0. 63 0. 125 0. 39
玉 米
Maize
79. 70 1. 100 6. 41 2. 650 15. 45 11. 235 65. 51 2. 100 12. 24 0. 026 0. 15 0. 038 0. 22
大 豆
S oy-
bean
90. 76 0. 800 2. 40 3. 700 17. 09 16. 985 50. 94 4. 750 14. 24 5. 100 15. 29 0. 110 0. 03
油 菜
Rape
66. 77 0. 658 1. 78 3. 791 10. 25 24. 404 65. 98 7. 948 21. 49 0. 525 1. 42 0. 030 0. 08
架 豆
Kidney
bean
65. 51 1. 400 4. 24 3. 650 11. 04 27. 485 83. 16 0. 500 1. 51 0. 012 0. 04 0. 003 0. 01
笋
Paragu s
let tuce
64. 26 0. 342 7. 00 0. 342 7. 00 4. 091 83. 73 0. 680 1. 39 0. 032 0. 66 0. 010 0. 21
黄 瓜
Cucum-
ber
64. 05 0. 650 5. 94 0. 350 3. 20 9. 735 88. 99 0. 200 1. 83 0. 005 0. 05 0. 00 0. 00
* Fr 为残碴态. (下同)
表 2 作物茎叶中不同提取态 Cd 的含量(mg·kg-1)
Table 2 Content of diff erent extracted Cd in stems and leaves
作 物
Crops
相 对生物量
Rela-
tive
bio-
mass
各提取态含量 Content of ext racted Cd
FE
含量
C on-
tent
占总量
( % )
% of
total
FW
含量
Con-
tent
占总量
( % )
% of
total
FNaCl
含量
Con-
tent
占总量
( % )
% of
total
FHAC
含量
C on-
tent
占总量
( % )
% of
total
FHCl
含量
Con-
tent
占总量
( % )
% of
total
Fr*
含量
Con-
tent
占总量
( % )
% of
total
旱 稻
Dry rice
105. 56 0. 650 18. 90 0. 400 11. 63 1. 485 43. 17 0. 800 23. 25 0. 010 2. 87 0. 006 0. 17
小 麦
Wheat
95. 24 0. 050 2. 92 0. 200 11. 69 1. 235 72. 21 0. 050 2. 91 0. 082 4. 80 0. 094 5. 47
玉 米
Maize
79. 76 0. 250 7. 92 0. 300 9. 50 2. 485 78. 71 0. 100 3. 16 0. 007 0. 21 0. 016 0. 51
大 豆
S oy-
bean
90. 76 0. 150 11. 66 0. 050 3. 88 0. 985 76. 53 0. 050 3. 86 0. 010 0. 81 0. 042 3. 26
油 菜
Rape
66. 77 0. 204 7. 55 0. 392 14. 51 1. 986 73. 53 0. 083 3. 09 0. 027 1. 01 0. 008 0. 30
架 豆
Kidney
bean
65. 51 0. 050 8. 05 0. 029 4. 73 0. 485 77. 97 0. 050 8. 00 0. 004 0. 69 0. 004 0. 56
笋
Paragu s
let tuce
64. 26 0. 100 4. 86 0. 050 2. 43 1. 735 84. 34 0. 150 7. 28 0. 017 0. 82 0. 006 0. 27
黄 瓜
Cucum-
ber
64. 05 0. 050 2. 86 0. 050 2. 86 1. 485 85. 04 0. 150 8. 57 0. 009 0. 50 0. 003 0. 17
或其他有机化合物中的巯基有很强的亲合
力,对蛋白质中其他侧链也有亲合力,因此
在作物体内, Cd 常与蛋白质结合[ 10] . 这种
结合形态一方面可减少以自由态存在的
891 期 杨居荣等: 农作物对 Cd 毒害的耐性机理探讨
Cd含量,使其有效性和移动性降低,另一
方面则由于 Cd可能和体内功能蛋白相结
合,从而对其功能发生干扰, 造成生理、生
化代谢过程紊乱. 对于不同种作物来说,受
其遗传和生理特征的影响,使进入体内 Cd
的形态分布比例有较大差异, 而那些与体
内活性蛋白质结合 Cd 量相对较低的作
物,受 Cd的危害也相对低,从而表现出较
强的耐受性, 这是一些作物对 Cd 的耐受
机理之一.
从表 1、2 结果还可看出, 对 Cd 耐受
性相对较强的禾本科作物体内,水溶态 Cd
的含量要比耐性较差的蔬菜类的比例要
高.如前所述,去离子水主要提取水溶性的
有机酸盐和金属的一代磷酸盐等. 这种金
属与有机酸结合所形成的螯合物可限制金
属在体内的移动性, 金属螯合物不仅能在
溶液、细胞壁,也能在原生质膜表面的结合
位置上形成,因而降低了金属离子与这些
细胞成分的相互作用. 许多试验[ 11, 12 ]证
明,螯合剂是限制金属离子跨膜运输的主
要物质,有机螯合剂的产生、组成及初始水
平是植物对金属离子抗性基因型差异的基
础.本试验得到作物耐 Cd 性有随有机酸
盐态 Cd 含量增高而增强的趋势, 但两者
未呈明显正相关, 说明该机制不一定是耐
性主导机制,但也不能排除其对某些作物
耐受Cd 中的作用.
3. 2 不同耐性作物体内的 Cd结合体
实验结果表明,耐性作物体内氯化钠
可提取态的比例相对要低, 除此之外,在与
蛋白质的结合上有哪些异同, 它们对作物
的耐受性有哪些影响,仍是一个比较复杂
的问题. 笔者采用高效液相色谱法对 4种
耐 Cd 性不同的作物根可溶性组分的 Cd
结合蛋白质(多肽)进行分离, 得到 7个蛋
白质 (多肽) 峰, 其表观分子量分别为
37KD、29- 31KD、25- 26KD、17- 18KD、
11- 13KD、6. 0KD、3KD(峰型编号按顺序
为 1- 7) . Cd处理组与对照组的对比分析
表明, 1- 6 峰均为作物的固有蛋白质(多
肽)组分, 7则为对照所不具有的经 Cd 诱
导产生的诱导蛋白质(多肽) ,其表观分子
量为 3KD.不同作物经 Cd 处理后, 这些蛋
白质组分占总量比例的变化及其与耐性的
关系,已在文献中讨论,在此仅将这些蛋白
质(多肽)组分富集 Cd 的分析结果列于表
3.
表 3 作物根中 Cd结合体的富 Cd量
Table 3 Accumulated Cd of Cd-binding complex in crop
roots
编号
No.
表 观分子量
M ole-
cular
w eight
( KD)
富集C d量*
Cd con cen trat ion ( g·L-1) *
小麦
Wheat
玉米
Maize
黄瓜
Cucum-
ber
大 豆
Soy-
bean
1 37
痕量
T race
1. 830 0. 646 0. 290
2 29- 31 0. 470 22. 416 16. 105 20. 853
3 25- 26 16. 712 5. 653 2. 565 15. 364
4 17- 18
痕量
T race
7. 004 6. 316 12. 221
5 11- 13 0. 504 2. 430 1. 600 4. 466
6 6. 0 1. 343 0. 910 0. 395 1. 521
7 3. 0 0. 913
痕量
T race
痕量
T race
0. 594
* 分离峰洗脱液的含 Cd量.
可以看出, 各蛋白质组分富集 Cd 量
因作物种类不同而有差异, 耐性较强的小
麦与耐性相对差的大豆、玉米、黄瓜相比,
有以下两点不同:首先,耐性较强的小麦根
内, 以分子量为 25- 26KD的蛋白质组分
的富 Cd 量最高,而大豆、玉米和黄瓜除该
组分富 Cd 外, 在分子量较大的 37KD、29
- 31KD 的组分中也富 Cd, 尤以 29 -
31KD 的富集量最高; 其次是小麦根内有
分子量为 3KD的诱导蛋白质(多肽)产生
(编号 7) , 并结合一定量的 Cd, 而耐性相
对差的玉米和黄瓜根中未分离出该组分,
耐性中等的大豆根中虽分离出该组分, 但
其结合 Cd 量比小麦低.
诱导蛋白质(多肽)的产生,在植物体
中具有减轻 Cd 毒害的生理作用, 是植物
90 应 用 生 态 学 报 6 卷
对 Cd 等金属的耐性机理之一, 已为一些
研究所证实[ 6] . 本试验中耐性较强的小麦
根内, 分离出 Cd 诱导蛋白质(多肽)的事
实,说明其在小麦耐 Cd性中起一定作用.
但该组分的含 Cd 量与其他结合蛋白质
(多肽)结合 Cd 量相比并不最高, 说明其
对 Cd的束缚作用有限.
耐性相对差的玉米、黄瓜、大豆根内比
小麦多出分子量为 37KD、29- 31KD、17
- 18KD富 Cd蛋白质(多肽)组分,并已确
知它们是植物体内固有蛋白质(多肽)成分
(限于试验条件,对这些蛋白质组分未进一
步纯化和鉴定) (表 3) .据有关报道[ 7, 10]表
明, Cd 等重金属进入植物体内后可与功能
蛋白质相结合,占据酶的活性位置,使酶活
性受到影响, Cd可取代许多锌酶中的 Zn,
或取代镁激活酶中的 Mg , 这些金属离子
往往是它们活性中心的组成部分, Cd 进入
后妨碍了酶活性. 此外 Cd 等金属元素还
可能与酶中半胱氨酸残基( -SH)键结合,
而半胱氨酸中的-SH 基在许多酶中处于催
化活性部分, 当 Hg+ 2等金属元素与之成键
之后,使酶的活性受到抑制,甚至使酶蛋白
质变性,造成植物体内的生化过程紊乱,如
对光合作用产生危害, 使 N 代谢紊乱等.
本试验中, 这 3种植物固有蛋白质(多肽)
中结合了较多量的 Cd,其活性和功能会受
到 Cd的影响,这可能是耐 Cd 性相对差的
原因之一.以上这种耐性不同作物体内富
Cd 蛋白质(多肽)分布的差异, 有无普遍
性,是否是小麦耐 Cd 机制之一, 尚需进一
步研究验证.
4 结 论
4. 1 Cd在作物体内以 NaCl可提取态为
主导形态,但因作物种类不同,该形态所占
比例有一定差异,随着 NaCl提取态比例
的增加,作物对 Cd的耐受性下降.在耐 Cd
性较强的禾本科作物体内, 水溶性有机酸
盐和一代磷酸盐态 Cd的比例相对偏高.
4. 2 在耐性较强的小麦体内分离得到分
子量为 3KD的 Cd诱导蛋白质(多肽) , 其
上结合一定量的 Cd,是小麦耐 Cd的机理
之一.在耐性相对差的作物体内,表观分子
量约为 37KD、29- 31KD的蛋白质组分富
Cd 量较大,这些蛋白质组分是植物体内固
有蛋白质(多肽) , 其活性和功能受到 Cd
的干扰,是这些作物耐性较差的原因之一.
致谢 刘 虹、陈燕丰同志参加了试验工作, 特
此致谢.
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