全 文 ：氯苯胁迫对蚕豆幼苗生长和细胞分裂的影响 3
刘　宛 3 3 　周启星　李培军　孙铁珩　台培东　许华夏　张春桂　张海荣
(中国科学院沈阳应用生态研究所 ,沈阳 110016)
【摘要】　研究了 1 ,2 ,42三氯苯 ( TCB)对蚕豆幼苗生长、根尖细胞分裂及染色体畸变的影响. 结果表明 ,随
TCB 浓度增加和处理时间延长 ,蚕豆幼苗根长的生长及根尖细胞有丝分裂指数降低甚至停止. TCB 诱发
蚕豆根尖细胞有丝分裂过程中染色体数目畸变和结构畸变. 50～100μg·g - 1 TCB 胁迫 12～24h ,蚕豆根尖
染色体的主要损伤形式为 c2有丝分裂、染色体桥和不均匀排列 ,其出现百分率达 1. 0 %～10. 3 %. 300μg·
g - 1 TCB 胁迫 12～96h ,蚕豆根尖细胞中染色体粘连 (S) 、S + 染色体断裂 (S + B) 、S + 染色体环 (S + R) 、S +
染色体不均匀排列 (S + A)及 S + 染色体桥 (S + Be) 出现的百分率达 47. 9 %～88. 9 % ,各种类型染色体断
裂出现的百分率仅为 18. 1 %～29. 6 % ,说明蚕豆根尖细胞染色体畸变分析可作为 TCB 土壤污染监测的敏
感生物监测指标.
关键词 　1 , 2 , 42三氯苯胁迫 　蚕豆 　染色体畸变 　有丝分裂
文章编号 　1001 - 9332 (2003) 04 - 0585 - 04 　中图分类号 　X173 　文献标识码 　A
Effects of chlorobenzene stress on seedling growth and cell division of Vicia f aba . L IU Wan , ZHOU Qixing ,
L I Peijun , SUN Tieheng , TAI Peidong , XU Huaxia , ZHAN G Chungui , ZHAN G Hairong ( Institute of A p2
plied Ecology , Chinese Academy of Sciences , S henyang 110016 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2003 ,14 (4) :
585～588.
Effects of 1 , 2 ,42trichlorobenzene ( TCB) stress on seedling growth , cell division and chromosomal aberration
frequency of root2tip cells of V icia f aba were studied. The results indicated that the growth of the root length
and mitotic index of root tip cells were successively decreased and even stopped with the increase of TCB concen2
trations and treatment duration. Numerical and structural chromosomal aberrations at metaphase and anaphase of
root2tip cells in V icia f aba seedlings were produced by 50～300μg·g - 1 TCB treatment for 12～96h. The per2
centage of c2mitosis , chromosomal bridge and chromosomal asymmetry array in root tip cells exposed to 50～
100μg·g - 1 TCB for 12～24h was up to 1. 0～10. 3 %. The percentage of chromosomal stickiness (S) , chromo2
somal stickiness + chromosomal breakage (S + B) , chromosomal stickiness + chromosomal ring (S + R) , chro2
mosomal stickiness + chromosomal asymmetry array ( S + A) and chromosomal stickiness + chromosomal
bridge (S + Be) in root tip cells reached 47. 9～88. 9 % , and 18. 1～29. 6 % for different kinds of chromosomal
breakage at 300μg·g - 1 TCB for 12～96h. Thus , the chromosomal aberration of root tip cells in V icia f aba
seedlings could be used as a sensitive biomarker of monitoring soil contaminated with TCB.
Key words 　1 ,2 ,42trichlorobenzene stress , V icia f aba , Chromosomal aberration , Mitosis.3 中 国 科 学 院 知 识 创 新 项 目 ( KZCX22401 , KZCX22SW2416 ,
SCXZD0103) 、国家重点基础研究发展规划项目 ( G19990118) 、中国
科学院沈阳生态实验站 ( K88 GGSBS0202) 和中国科学院陆地生态过
程重点实验室基金资助项目.3 3 通讯联系人.
2002 - 09 - 20 收稿 ,2002 - 11 - 18 接受.
1 　引 　　言
氯苯类化合物是一类普遍存在于环境中的有毒
有机污染物 ,由于其具有致突变、致癌、致畸特征及
其在环境中残留持久 ,美国国家环保局所列 129 种
优先控制污染物中氯苯类化合物占 25 种之多[5 ] .
以未经适当处理的废水、垃圾、废气和废渣排放是向
环境释放氯苯类化合物的重要污染源. 我国该类化
合物污染也相当严重 ,在沈阳等大城市及其周边地
区的土壤及地下水检测浓度均较高[19 ] . 农作物受到
氯苯类化合物污染后 ,不仅影响其产量和质量 ,更为
严重的是氯苯类化合物经食物链进入人体 ,并在人
体内富集 ,危害人类健康[19 ,20 ] . 因此 ,研究这些污染
物对生态系统可能带来的负面影响及其机理具有重
要的理论和现实意义. 研究表明 ,氯苯类化合物因其
疏水性、辛醇/ 水分配系数 ( Kow)高而易于在生物体
内积累 ,并直接或间接作用于 DNA 分子 ,引起 DNA
分子损伤 ,进而影响细胞分裂、诱发染色体畸变及微
核形成[5 ,16～18 ] . 目前上述研究在重金属、农药、生
物 碱、抗 菌 素、辐 射 等 胁 迫 条 件 下 报 道 较
多[2～4 ,7 ,8 ,10 ,13 ,14 ] ,但氯苯类化合物对高等植物的细
胞毒理效应研究则少见报道. 本实验以蚕豆幼苗为
材料 ,研究了不同浓度的 TCB 这一典型氯苯类化合
物对蚕豆幼苗生长、根尖细胞有丝分裂指数及染色
应 用 生 态 学 报 　2003 年 4 月 　第 14 卷 　第 4 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Apr. 2003 ,14 (4)∶585～588
体畸变率的影响 ,旨在为农业生产早期预报氯苯类
化合物对作物的毒理效应 ,为环境监测中氯苯类污
染预警与评价提供理论指导与科学依据.
2 　材料与方法
211 　实验材料
供试蚕豆品种选用华中师范大学生物系筛选并培育的
敏感蚕豆品种松滋青皮豆 ( V icia f aba ,2n = 12) . 实验所用
TCB 纯度为 99. 5 % ,购自 Fluka ChemieA G公司. 所用土壤
采自中国科学院沈阳生态试验站大豆小区 (0～20cm 耕层) ,
其有机质含量为 2. 21 % ,全 N 含量 0. 12 %.
212 　实验方法
2ml 丙酮溶解的不同浓度的 TCB ,加蒸馏水 3ml 摇匀后
投配至 600g 土壤中拌匀. 蚕豆种子经 0. 1 % HgCl2 表面消
毒 5min ,去离子水冲洗干净 ,23 ℃下经浸种、催芽 ,初生根长
至 2cm 时 ,将其分别播种于含有 0、50、100、200、300μg·g - 1
(风干土壤) TCB 的塑料杯 («= 9. 5 cm ,H = 10. 5cm) 中 ,以丙
酮为对照. 蚕豆幼芽播种后每 24h 测量根长及其直径 ,并从
每一处理组随机切取 5 个根尖 ,Carnoy 氏溶液固定 24h ,于
28 ℃、5 mol·L - 1 HCl 中解离 23min. Feulgen 染色、常规方法
压片、油镜下观察、拍照[9 ] . 每一处理观察 5000 个细胞 ,统
计有丝分裂指数. 染色体畸变测定步骤基本同上 ,其取材时
间为蒸馏水修复生长后 17h ,以有丝分裂中期和后期产生的
畸变细胞百分率表示 [17 ] . 所有试验重复 2 次.
3 　结果与分析
311 　TCB 胁迫对蚕豆幼苗根系生长的影响
　　图 1 表明 , TCB 处理对蚕豆幼苗根系生长产生
不同程度的抑制作用 ,初生根长度随着 TCB 浓度的
增加而减少. 处理 24h 后统计 ,50μg·g - 1 TCB 处理
组 24h 根平均生长为 1. 4 cm , 100、200、300μg·g - 1
TCB 处理组分别为 0. 9、0. 6 和 0. 4cm. 随着处理时
间的延长 ,根的生长递减甚至停止. 例如 ,300μg·
g - 1 TCB 处理 48h 后 ,根系伸长生长基本停止 ,说明
TCB 胁迫对蚕豆根尖细胞的抑制和毒害作用具有
明显积累效应.
　　TCB 处理后 ,蚕豆根端形态也发生明显变化.
处理 24h 后 ,200～300μg·g - 1 TCB 范围内 ,根部开
始扭曲变形 ,膨大变粗 ;处理 72 h 后 ,根部前端明显
弯曲 ,并明显增加根尖直径. 这可能是因为 TCB 胁
迫诱导根尖细胞内乙烯大量合成之故 ,也是 TCB 胁
迫下幼苗根系伸长生长受阻的一种补偿反应.
312 　TCB 胁迫对蚕豆根尖细胞有丝分裂指数和染
色体畸变率的影响
　　根尖细胞有丝分裂指数是体细胞分裂频率和作
为根尖生长速率的一个重要参数. 由表 1 可知 ,不同
图 1 　TCB 胁迫对蚕豆幼苗根系长度的影响
Fig. 1 Effects of TCB stress on root length of root2tip cells in broadbean
seedlings.
Ⅰ. 对照 CK , Ⅱ. 50μg·g - 1 , Ⅲ. 100μg·g - 1 , Ⅳ. 200μg·g - 1 , Ⅴ. 300μg
·g - 1.
浓度 TCB 处理 ,蚕豆根尖细胞有丝分裂指数随 TCB
浓度增高及处理持续时间的延长而递减 , 300μg·
g - 1 TCB 处理 24h 后 ,有丝分裂指数迅速下降 ,96h
降为 0 ,这一结果与前述 TCB 对蚕豆幼苗根尖伸长
生长的影响是一致的. 即根尖有丝分裂指数的高低
与根生长的快慢是平行的 ,说明 TCB 对蚕豆初生根
伸长生长的抑制主要是由于抑制了细胞有丝分裂过
程的结果.
表 1 　TCB胁迫不同时间对蚕豆幼苗根根尖细胞分裂指数的影响
Table 1 Effects of TCB stress on mitotic index of root2tip cells in
broadbean seedling at different time
TCB 浓 度
TCB
concentra2
tion
(μg·g - 1)
处理时间 Treatment time (h)
24 48 72 96
0 12. 2 12. 6 12. 0 12. 4
50 10. 2 9. 2 8. 2 7. 9
100 8. 4 7. 2 3 4. 6 3 3 2. 9 3 3
200 6. 6 3 4. 3 3 3 2. 4 3 3 1. 2 3 3
300 5. 6 3 3 3. 1 3 3 1. 4 3 3 03 P < 0. 05 , 3 3 P < 0. 01. 下同 The same below.
　　TCB 胁迫对蚕豆根尖细胞有丝分裂过程中染
色体形态的影响主要表现为下列几种形式 :C2有丝
分裂、染色体桥、染色体不均等排列、染色体环、染色
体断裂及染色体粘连 (表 2) . 其中 C2有丝分裂、染
色体桥及染色体不均匀排列为细胞学上的轻、中度
毒害作用 ,是 50～100μg·g - 1 TCB 处理 12～24h 后
根尖细胞中的主要染色体损伤形式 ,其出现比例达
1. 0～10. 3 % ,但浓度增高到 300μg·g - 1时中亦有少
量比例存在 (表 2) . 染色体桥出现在有丝分裂后期 ,
当两个染色单体的着丝点移向相对的两极后 ,两者
的一臂仍粘连在一起 ,形成后期桥 ,没有相应的断片
存在. 染色体桥可导致产生染色体数目和结构变异
的细胞.
　　染色体粘连、断裂则是细胞学上的重度毒害作
用 ,300μg·g - 1 TCB 处理 12～96h ,蚕豆根尖细胞中
685 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷
出现多种类型的染色体粘连 ,如不同形态的染色体
粘连、染色体粘连 + 染色体断裂、染色体粘连 + 染色
体不均匀排列、染色体粘连 + 染色体桥、染色体粘连
+ 染色体环的细胞比例随处理浓度升高和处理时间
延长呈明显上升趋势 ,达到 47. 9 %～88. 9 % ;而各
种类型的染色体断裂 ,如染色体断裂、染色体断裂 +
染色体粘连、染色体断裂 + 染色体环、染色体断裂 +
表 2 　TCB胁迫不同时间对蚕豆幼苗根尖染色体畸变率的影响
Table 2 Effects of TCB stress on chromosomal aberration frequency of
root2tip cells in broadbean seedlings at different time
TT TCB DC 畸变细胞百分率 Anomalous dividing cell ( %)
C Be S B S +B B + A ,B + R
S +Be ,
S + A ,
S + R
A ,
A + R TAC
0 0 500 0. 3 0. 2 0 0 0 0 0 0 0. 5
12 0 500 0. 4 0 0 0 0 0 0 0 0. 4
50 500 0. 6 0. 4 0 0 0 0 0 0 1. 0
100 450 2. 2 1. 8 1. 5 0. 9 0 0 0 2. 7 9. 1
300 210 2. 3 1. 7 24. 3 2. 2 13. 1 2. 8 10. 5 2. 9 59. 8 3 3
24 0 400 0. 4 0. 2 0 0 0 0 0 0 0. 6
50 400 1. 1 0. 3 0 0 0 0 0 0. 7 2. 1
100 365 2. 4 2. 9 3. 0 0. 4 0 0 0 5. 0 13. 7 3 3
300 97 2. 5 0 45. 1 3. 9 17. 1 4. 2 16. 6 2. 8 92. 2 3 396
0 400 0. 7 0. 1 0 0 0 0 0 0 0. 8
50 400 1. 7 1. 1 1. 8 0 0 0 0 0. 6 5. 2
100 310 3. 8 2. 7 24. 9 3. 1 7. 4 5. 8 10. 4 5. 1 63. 2 3 3
300 27 0 0 55. 6 3. 7 18. 5 7. 4 14. 8 0 100. 0 3 3
TT:处理时间 Treatment time(h) ,TCB : TCB 浓度 TCB concentration (μg·g - 1) ,DC:分裂细胞数 Dividing
cells ,TAC:畸变细胞总百分率 Total percentage of anomalous cells( %) . C:c2mitosis ,Be :Bridge ,S:Sticky chro2
mosome ;B :Breakage ,A :Asymmetry array ;R:Rings ,S +B :Sticky +Breakage at the same cell.
染色体不均匀排列出现的比例亦有增加 ,仅为 18. 1
～29. 6 %(表 2) ,其出现比例明显小于染色体粘连.
4 　讨 　　论
　　本研究结果表明 , TCB 对蚕豆根生长和根尖分
生组织有丝分裂过程均具有抑制和毒害作用. TCB
浓度大于 100μg·g - 1的处理 ,48h 后对蚕豆根生长
和根尖细胞有丝分裂有明显的抑制作用 ;随着 TCB
浓度增加和处理时间延长 ,其抑制作用更加明显 ,说
明 TCB 对蚕豆根的毒害有累积作用. 这一结论与
Brusick[1 ]报道对2二氯苯降低植物细胞有丝分裂指
数的结论是一致的. 恢复培养结果表明 ,50～300μg·
g - 1 TCB 处理组均不同程度地恢复生长 ,有丝分裂
指数上升 ,染色体畸变细胞率下降.
　　研究表明 , TCB 是细胞膜上 Ca2 + 通道的抑制
剂 , 通过降低细胞质中 Ca2 + 浓度 ,阻止微管蛋白聚
合而抑制微管的装配 ,从而损害纺锤体的形成和功
能 ,导致染色体被阻止而停留在该分裂时期 ,或使染
色体不分离而形成多倍化细胞[16 ] . 本实验条件下 ,
50～100μg·g - 1 TCB 抑制蚕豆根尖细胞有丝分裂 ,
明显增加 C2有丝分裂细胞的比例 ,表明 TCB 对蚕
豆根尖细胞纺锤体具有损伤作用 ,亦说明较低浓度
的 TCB 诱导蚕豆根尖细胞中染色体数目发生变异.
　　据有关资料报道[12 ] ,在有丝分裂的前中期 ,通
过着丝粒定向作用 (centromere orientaton) 使染色体
集合 (congression)于赤道板. 本研究结果表明 ,50～
100μg·g - 1 TCB 诱导蚕豆根尖有丝分裂中期染色体
不均匀排列的比例较高 ,说明 TCB 可能干扰有丝分
裂过程中姐妹着丝粒、纺锤体、纺锤丝之间的相互作
用 ,使姐妹着丝粒趋于单向分布 ;或干扰了染色体的
重新定向 ,从而导致中期染色体的不均匀排列.
　　TCB 是毒性很强的诱变剂 ,可被细胞色素 P450
酶系氧化为 TCB24 ,52环氧化物和 TCB25 ,62环氧化
物[17 ] . 这些中间产物极不稳定 ,化学活性极强 ,极
易与鸟嘌呤中的氨基反应而产生 TCB2DNA 加合
物[15 ,16 ] ;也可以作用于 DNA 的初级结构 ,直接造成
DNA 结构断裂 ;或影响组蛋白分子中巯基水平的改
变以及减少谷胱甘肽 ,从而使染色体纤维不能正常
折叠为染色单体 ,并通过亚染色单体桥的作用使染
色体相互粘结在一起[12 , 15 , 16 ] . 本实验结果证实 ,
若 TCB 胁迫的毒害效应较轻 ,则形成染色体部分粘
连 (表 2) ;如果 TCB 毒害效应严重 ,可导致染色体
相互粘结而聚缩成不规则的团块状 ,致使染色体的
个体性模糊 (表 2) ;或在染色体粘连的同时 ,引起染
色体断裂或染色体环的形成 (表 2) . TCB 胁迫下 ,
蚕豆根尖细胞中出现不同类型的染色体畸变现象
(如 S + B ,S + R ,S + Be ,S + A ,B + R ,B + A ,A + R)
相当普遍 ,但在其它文献中尚未见报道. 染色体粘
连、断裂是不可逆的重度毒害作用 ,进而可诱导细胞
凋亡[6 ,11 ,15 ] .
　　本研究结果还表明 , TCB 胁迫对蚕豆幼苗根尖
细胞具有较强的诱变性能 ,这同用人体细胞所得到
的结论相同[16 ,18 ] ,说明利用蚕豆根尖的细胞学方法
进行 TCB 的遗传毒理分析和诊断具有相当程度的
可信度. 通过分析不同浓度 TCB 对蚕豆根尖细胞
不同类型染色体畸变率的影响发现 ,尽管 TCB 可引
起染色体断裂 ,但各种类型染色体粘连占有更大的
比例 (47. 9 %～88. 9 %) ,这与邻2二氯苯主要诱发哺
乳动物染色体断裂[18 ]的结论存在差异. 这可能与
动、植物细胞对 TCB、邻2二氯苯的反应性能及敏感
性有关 ,有待于进一步研究.
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作者简介 　刘 　宛 ,女 ,1963 年生 ,博士 ,副研究员 ,主要从
事污染生态学研究 ,发表论文 20 余篇. E2mail : liuwan63 @
hotmail. com
885 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷