全 文 ：重金属镉对粗梗水蕨生长及叶片中蛋白质含量的影响
张继飞，陈青云，吴 名，董元火*
(江汉大学 生命科学学院，湖北 武汉 430056)
摘 要：采集长势相似的野生粗梗水蕨，用不同浓度重金属 Cd2+（0.1，1.0 和 5.0mg/L）处理，并设空
白对照．结果表明，高镉浓度下粗梗水蕨叶片发生黄化现象，粗梗水蕨叶中蛋白质含量随着 Cd2+浓度的
升高而降低．重金属处理下叶蛋白含量都低于对照组．表明升高的 Cd2+离子抑制了植物的生理生化过程，
降低了蛋白质的合成速度，影响了植物的生长发育，加剧了粗梗水蕨的濒危甚至消失．
关键词：粗梗水蕨；濒危；镉胁迫；蛋白质含量
中图分类号：Q946.1；Q16 文献标志码：A 文章编号：1673-0143 2011 04-0092-03
粗梗水蕨（Ceratopteris pteridoides），隶属水
蕨科（Parkeriaceae）水蕨属（Ceratopteris），为一
年生水生蕨类植物 1，主要分布在中美洲和南美
洲、东南亚、印度东部和中国 2．粗梗水蕨为一
年生的同型孢子蕨类植物，主营漂浮生活，少数
营固着生活．在我国，主要生长在湖北、湖南、
江苏、安徽、云南、广西等热带和亚热带地区的
湖泊、池塘、江河和水沟中．水蕨属植物不仅是
重要的食用、药用和观赏植物，更是研究植物性
别决定、配子体的形态建成、遗传学、分子生物
学、生物化学和细胞生物学等的模式植物之一 3．
长期以来，特别是近几十年来，由于人类活动的
影响，粗梗水蕨在我国的分布范围和种群数量正
日趋减少，濒临灭绝，现已被列为国家二级重点
保护野生植物 4．
目前，有关粗梗水蕨的研究，主要涉及分布
调查、孢粉学和遗传多样性研究 1, 5 9．Dong Yuan-
huo等 7 用 ISSR分子标记分析了 5 个现存粗梗水
蕨种群的遗传多样性和基因流，结果表明粗梗水
蕨有较低水平的遗传多样性（PPB：ISSR 44. 8 %）
和种群间高水平的基因流．陶玲等 8 认为低浓度
的除草剂苄嘧磺隆可抑制粗梗水蕨配子体的生长
并影响其性器官的分化，使粗梗水蕨有性繁殖能
力减弱．原生境的破坏、湿地的减少和水质的恶
化可能是导致粗梗水蕨濒危的原因 7．
重金属污染现已成为危害最大的水污染问题
之一．我国的黄河、淮河、松花江、辽河等十大
流域的重金属超标断面的污染程度均为超 V
类 10．1994 1995 年，上海市水质普查结果表明
镉为重金属污染的主要污染物，其次是汞 11．与
历史记录相比，黄浦江干流表层沉积物中镉超标
2 倍，而苏州河中镉超标 75 % 12．可见，在我国
的水体中，镉污染日益加剧，对水生植物构成了
严重的威胁 13 14．
研究重金属对水生植物的影响，对于用水生
植物来监测环境水污染和水生植物多样性的保护
具有重要的意义 14．目前，有关重金属镉对水生
植物影响的研究，就其研究对象而言，主要是几
种常见的水生植物如水车前（Ottelia alismoides）、
浮 萍（Lemna minor）、金 鱼 藻（Ceratophyllum
demersum）、凤眼莲 ( Eichhornia crassipes)、轮叶
狐尾藻 (Myriophyllum verticillatum)、水浮莲 (Pistia
stratiotes ) 和伊乐藻 ( Elodea nuttallii) 等 13, 15 16．
研究表明镉过量时，对水生植物表现出强烈的毒
性，抑制植物的生理生化过程，降低有机体内
RNA 和蛋白质的合成速度，影响植物的生长发
育 16 17．然而，重金属镉对濒危水生植物如粗梗
水蕨的影响鲜见报道．水质中的化学因子变化，
特别是重金属是否是导致粗梗水蕨濒危的因素及
其作用机制的研究尚显单薄．衡量植物代谢和生
收稿日期：2011－05－03
基金项目：武汉市科技计划项目 (201150699189-02)
作者简介：张继飞 (1988 — )，男，安徽阜阳人，主要从事生物多样性研究．
*通信作者：董元火 (1964 — )，男，湖北黄冈人，副教授，博士，主要从事生物多样性及保护生物学研究．
E-mail: dongyh2008@yahoo.com.cn
第39卷 第4期
2011年12月
江汉大学学报 (自然科学版 )
J. Jianghan Univ. (Nat. Sci. Ed.)
Vol.39 No.4
Dec. 2011
2011年第4期 张继飞，等：重金属镉对粗梗水蕨生长及叶片中蛋白质含量的影响 93
理状态的重要指标之一是植物细胞中可溶性蛋白
的含量，它的变化能反映细胞内蛋白质变性、合
成和降解等信息 16．因此，本研究的目的是探讨
水中化学因子重金属镉浓度的变化对蛋白质含量的
影响，从生理生化的角度探讨粗梗水蕨濒危的原
因，为更好地保护该物种提供基础资料和科学依据．
1 材料与方法
1.1 粗梗水蕨植物的培养
从自然界中采集长势基本一致的粗梗水蕨植
株，采用 Knops 营养液（表 1）先进行预培养．
由于植株个体比较大，采取在水桶中进行培养．
培养液中不加入重金属，每组选取 3 株大小一致
的植株，在室外避雨处培养 7 d．预处理的目的
是使所采取的植株适应营养液以及本地环境，从
而使植株能更好的生长．
表 1 Knops营养液配方
化学物质 硝酸钙 硝酸钾 硫酸镁 磷酸二氢钾
硫酸
亚铁
含量 0.8 0.2 0.2 0.2 微量
1.2 重金属镉胁迫处理粗梗水蕨
根据我国水污染物排放限值标准的第一类污
染物最高允许排放浓度（Cd2+最高允许排放浓度
为 0.1 mg/L）和 GB 3838-2002《地表水环境质量
标准》，CdCl2用 Knops 营养液按照逐级稀释的方
法配成 0（空白对照）、0.1、1.0、5.0 mg/L 的浓度
梯度．浓度均为有效成分含量浓度．每一处理均
做 3 个重复．将预处理的粗梗水蕨分别转移到以
上浓度梯度的培养液中进行培养处理．处理时间
均是 7 d．重金属处理在室外避雨处，温度是自
然温度，光照时间为自然光照下的时间．为了植
株更好的生长，尽量做到植株在自然环境下处理
生长．
1.3 叶片蛋白质的提取与含量测定
待重金属 Cd2+胁迫处理植株 7 d 后，分别采
取不同重金属浓度下处理的新鲜粗梗水蕨叶，称
取 0. 2 g 幼叶．放入研钵中，加入 5 mL 蒸馏水在
冰浴中研成匀浆．4000 r/min，离心 10 min，将上
清液倒入 10 mL 容量瓶；再向残渣中加入
2 mL 蒸馏水，悬浮后再离心 10 mL，合并上清
液，备用．
采用考马斯亮蓝 (G-250) 染色法测定各处理
叶片中蛋白质的含量．
2 结果
2.1 镉胁迫下粗梗水蕨植株生长状况
在粗梗水蕨植株的培养阶段，笔者观察发现
在重金属镉高浓度（5. 0 mg/L）的处理中，植物
叶第 3 天就开始出现少许黄叶，到第 5 天出现大
量的黄叶，有的上面出现黑斑（图 1）．
2.2 镉对的粗梗水蕨植物叶蛋白质含量的影响
表 2 用考马斯亮蓝 (G-250) 法测定的不同
浓度的重金属镉胁迫下的粗梗水蕨植物叶中可溶
性蛋白含量．表 2 中可看出：随重金属镉浓度的
增高，粗梗水蕨叶中可溶性蛋白质含量逐步下
降．重金属镉浓度越高，叶中的可溶性蛋白含量
下降越多．重金属处理下叶蛋白质含量都低于对
照组．利用 Origin7.0 数据分析软件对数据进行统
计学分析 , 方差分析结果表明 , 处理组粗梗水蕨
叶中蛋白质含量与对照组比较差异有统计学意义．
表 2 不同浓度镉胁迫下的粗梗水蕨植物叶中可溶性蛋白含量
镉处理组 / (mg L 1) 0 (对照) 0.1 1.0 5.0
样品中蛋白质含量 / ( g g 1) 4800± 1. 41 4200 ± 2. 83* 3950± 1. 41* 3700 ± 2. 12*
注：*表示处理组与对照组比较差异有统计学意义.
3 讨论
实验表明不同浓度的重金属镉胁迫对粗梗水
蕨植物叶中可溶性蛋白含量有较明显的影响．随
重金属镉浓度的增高，粗梗水蕨叶中可溶性蛋白
含量逐步下降．葛才林等 18 报道了在 3 种重金属
（Cu2+、Cd2+和 Hg2+）胁迫下小麦和水稻叶蛋白质
含量随 3 种重金属浓度升高都表现为降低的趋
/ (g L 1
图 1 重金属镉胁迫处理粗梗水蕨的生长状况
94 江汉大学学报（自然科学版） 总第39卷
势，并且认为可能源于其对基因表达的抑制，进
而抑制蛋白质合成．本研究中不同浓度的重金属
镉胁迫对粗梗水蕨叶蛋白含量的影响结果与葛才
林等 18 一致．进一步说明重金属对植物特别是作
物和水生植物的蛋白含量有重要影响 19．通过重
金属镉对小麦幼苗生物大分子损伤的研究，谭晓
荣等 20报道了重金属镉胁迫下小麦幼苗蛋白质损
伤增加．镉过量时 , 一方面可能是由于重金属胁
迫的影响，破坏核糖核蛋白体，抑制了 RNA 和
蛋白质合成，另一方面可能由于重金属胁迫引起
DNA胞嘧啶的甲基化，导致了DNA的损伤 13, 18．
因此，重金属镉影响了水生植物粗梗水蕨的蛋白
质合成等一些生理和代谢过程，进而影响了植物
的生长和发育，加剧了粗梗水蕨的濒危甚至从原
生境中消失．叶绿素含量是表示植物光合器官生
理状况和衡量叶片衰老的重要指标．常福辰等 16
报道水生植物金鱼藻在低浓度镉胁迫下，叶绿素
的含量小幅度上升，但随着镉浓度的增大，叶绿
素的含量下降．在粗梗水蕨植株的培养阶段，笔
者发现在重金属镉高浓度（5. 0 mg/L）的处理中，
叶由绿变黄，而且随着培养时间的延长，黄叶不
断增多，表明在高浓度镉胁迫下粗梗水蕨植株叶
绿素的含量下降．可能是镉离子的积累抑制叶绿
素酸酯还原酶和影响氨基- -戊酮酸的合成，从而
影响叶绿素的生物合成 21．DNA 甲基化修饰是
调节基因活性的主要方式之一，DNA 甲基化对
植物生长和发育都有重要影响．如果甲基化不足
或太高，都会导致植物生长发育的不正常和形态
异常 22．有研究表明，逆境（如冷胁迫、热胁
迫、光照、干旱、盐胁迫、重金属胁迫）对 DNA
的甲基化水平会造成影响 18 19, 21 23．DNA甲基化
水平改变，进而造成基因调控紊乱和蛋白质合成
受抑制 18, 22 23．
要更好地探讨重金属镉胁迫对粗梗水蕨植物
叶中可溶性蛋白含量的影响机制，下一步有待于
研究重金属镉对粗梗水蕨 DNA 甲基化水平的影
响．研究水污染因子重金属对濒危粗梗水蕨生理
生态、分子机制的影响，对探讨粗梗水蕨濒危的
机制和保护策略有重要的理论和实践意义．
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（责任编辑：陈 旷）