全 文 ：文章编号: 1001- 4616( 1999) 04- 0081- 05
汞污染对金银莲花叶片细胞超微结构的影响
尤文鹏 ,施国新 ,杜开和 ,丁小余 ,杨顶田
摘要　对重金属离子 Hg2+ 胁迫下金银莲花形态学伤害和幼叶细胞亚显微结构的变化进行了研
究 .随着 Hg2+ 处理浓度升高或处理时间延长 ,金银莲花形态学受害程度加深、细胞亚显微结构受
损严重 .细胞核表现为先是核仁边界模糊、染色质凝聚 ( 4 mg / L) ,接着核膜少量溶解、核基质呈无
序状态 ( 8 mg / L) ,最后核膜完全溶解 ,核基质散入细胞质中 ( 16 mg / L) .叶绿体从低浓度到高浓
度 ,先是叶绿体发生形变、类囊体受挤压 ,接着基粒膨胀或解体、类囊体散乱排列 ,最后叶绿体内外
膜破坏、基质流出、类囊体翻转 .晶体细胞和巨型淀粉粒也清晰可见 .
关键词　金银莲花 ,毒害症状 , Hg2+ ,亚显微结构 ,形态学
中图分类号　 Q949. 776. 04
0　引言
随着当前环境污染所导致的陆地水质酸化及水体富营养化 ,水环境污染日益严重 .特别是
重金属离子污染水环境对水生植物的生长发育产生了不可忽视的影响 .植物叶片出现黑褐色
斑点 ,植株生长受阻 ,甚至枯萎、死亡 [1 ]的现象时有发生 . Hg2+ 是水体中毒性较强、分布较广的
重金属离子 .目前对于重金属汞影响植物的研究多限于陆生植物 ,而且多为生理生化和植物对
Hg
2+ 的吸收、积累及迁移转化 [ 2]方面的研究 .本文以 Hg2+ 处理金银莲花 [Nymphoides indica
( L. ) O. Kuntze ]来观察其形态和幼叶超微结构的变化 ,为水体污染结构植物学增添一些素材 ,
也为环境检测提供直观依据 .
金银莲花龙胆科根生浮叶草本植物 ,在我国大陆各省及台湾大面积分布、也为世界广布
种 .全株可作猪、家禽饲料 ,还可作绿肥 .
1　材料和方法
金银莲花采自苏州市吴县东山镇及南京师范大学生命科学学院花房内 .将金银莲花植株
洗净 .经适应培养后 ,再分组培养在含有 2、 4、 6、 8、 10、 12、 16 mg /L Hg2+ (以 HgCl2配制 )梯度
溶液中 ,作无土栽培 ,并以纯净水培养作对照 (平均温度 20℃ ) .保证各组植株生理年龄及大小
基本一致 ,便于观察、比较植株在不同 Hg2+浓度胁迫下的形态 ,也便于取材进行亚显微结构观
察 .由于金银莲花老茎粗长 ,含有丰富的营养物质 ,短时间处理不会影响金银莲花正常生长 .
叶面积测定采用丁小余 [3 ]等方法 .处理 2 d后 ,分别取具有代表性的浓度组 0、 4、 8、 12、 16
mg /L嫩叶 1 mm2左右 ,用 4%戊二醛及 1%锇酸双重固定 ,丙酮系列脱水 , EPON 812包埋 ,
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第 22卷第 4期 南京师大学报 (自然科学版 ) Vol. 22 No. 4
1999年 JOU RNAL OF N AN JING NO RM AL UNIVERSI TY( Natural Science) 1999
收稿日期: 1999- 03- 29.
基金项目:国家自然科学基金和江苏省自然科学基金资助 .
作者单位:南京师范大学生命科学学院 , 210097,南京 .
LKB超薄切片机切片 ,醋酸双氧铀 /柠檬酸铅双重染色 , HI TACHI 600A- 2透射电镜观察、摄
影 .
2　实验结果
培养当天各浓度组培养的金银莲花就出现较明显的受害症状 .第 3天 , 4 mg /L Hg2+胁迫
下的金银莲花幼叶发生向内拳卷 ,中部及边缘部分的组织出现棕褐色、直径约 1 mm的斑点 ,
斑点处的组织明显褪绿 .随着 Hg2+ 浓度增大或处理时间的延长 ,叶片面积扩展变慢 ,坏死斑的
数量增多、直径增大 .第 5天 ,坏死斑直径扩大至约 9 mm ,其中心的叶片组织已经完全失绿 ,
呈半腐烂状态 .第 6天统计在 8～ 16 mg /L各组坏死部分面积比 ,均已经超过 50% .非坏死部
分呈从浅绿色至枯黄色 ,已失去生理功能 .各浓度组不定根在 1 d内也出现明显的受害症状:
根尖发黄、生长缓慢 ; 2 d可观察到有较多的根尖枯死 .与不定根混生的花柄大量脱落 .受害程
度随着处理浓度升高或处理时间延长而加深 .下面主要报道叶片细胞超微结构的变化 .
2. 1　 Hg2+胁迫下叶片超微结构观察
在 4 mg /L处理组可见典型的质壁分离现象 (图版Ⅰ . 3) ,而在 8 mg /L处理组 ,细胞原生
质高度浓缩成小球 ,并有部分质膜破损 ,细胞基质流入细胞周腔中 (图版Ⅱ . 5) .
2. 1. 1　细胞核受害情况
在 4 mg /L处理组 ,质膜完整并靠近核膜 ,而且核膜清晰可见 .但是核仁边缘模糊 ,染色质
开始凝聚 (图版Ⅰ . 2) . 8 mg /L处理组细胞核电子密度高、核膜部分溶解、细胞核内容物呈无
序状态 ,并有少量核物质流入细胞质中 (图版Ⅱ . 3) . 16 mg /L处理组细胞核膜严重受损 ,内容
物已大量流入细胞质 .无法辨清核膜、核仁 (图版Ⅱ . 4) .说明细胞核受害已经到了相当严重程
度 .作者自始至终未观察到类似重金属离子处理陆生植物而出现的微核现象 .
2. 1. 2　叶绿体受害情况
叶绿体是叶细胞中典型的细胞器之一 .其为长椭圆形 ,基粒类囊体垛叠整齐而致密 ,基质
类囊体片层排列整齐 (图版Ⅱ . 1) ,在每个切面上均可见数个叶绿体 . 4 mg /L处理组细胞中叶
绿体收缩成不规则形状的实体 ,基粒和基质类囊体片层被挤压 (图版Ⅰ . 3) .在 8 mg /L处理
组 ,在横切的叶绿体中可见基粒解体、类囊体数目减少 ,类囊体片层呈不规则排列并有淀粉颗
粒存在 (图版Ⅰ . 3) . 12 mg /L处理组中基粒类囊体和基质类囊体片层出现明显的膨胀 ,也可见
基质类囊体片层断裂、基粒类囊体松散膨胀微现象 (图版Ⅰ . 5) . 16 mg /L处理组中叶绿体被膜
破损 ,基质流入细胞质中、类囊体翻转、基粒松散分布 , (图版Ⅰ . 1) .此时 ,叶绿体已被完全破
坏 ,失去生理功能 .
2. 1. 3　其它受害情况
在 8 mg /L处理组叶绿体中可见淀粉颗粒分布 (图版Ⅰ . 3) , 12 mg /L处理组叶绿体几被
巨型淀粉粒占满 (图版Ⅰ . 4) ,在 8、 12、 16 mg /L处理组中可见有较多的晶体细胞出现 ,晶体类
型为针晶 .有的晶体细胞原生质体完全死亡、消失 (图版Ⅰ . 2) .核糖体只在 4 mg /L处理组少
量可见 ,同时可见残存的内质网和高尔基体碎片 .
3　讨论
Hg
2+ 处理金银莲花 ,会引起叶细胞原生质团应激性地收缩 ,即质壁分离 ,也会引起叶片失
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南京师大学报 (自然科学版 )　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第 22卷第 4期 ( 1999年 )
绿 . Stoba rt等认为重金属毒害使叶片褪绿是叶绿素生物合成所必需的酶和原料受到破坏的结
果 [4 ] ,前人也观察到随着重金属浓度的增加 ,植物叶绿素含量逐渐下降的现象 [5 ] . Hg2+为植物
非必需元素 ,易与酶活性中心的 - SH结合 ,抑制和破坏酶的活性 [6 ] .金银莲花为水生植物 ,直
接接触污染的水环境 ,易于吸收溶液中的 Hg2+植物体内的 Hg2+又会抑制水分的吸收和运输 ;
抑制氮素代谢 ;抑制光合作用 [ 7]、呼吸作用 [5 ]和细胞分裂 [ 10]等 .因此金银莲花出现了上文所述
形态学受害症状 .经过观察 ,受 HgCl2毒害的金银莲花叶细胞中细胞器结构的破坏在一定程度
上可以佐证前人生理生化方面的研究结论 .
Hg2+ 还是毒性较强的诱变剂 [8 ] ,对染色体和核仁的毒害最为严重 [ 8、 9、 10] , Hg2+ 还能改变生
物大分子 ,如核酸和蛋白质的构象 ,在分子水平上造成 DNA损伤 ,引起染色体的畸变 [ 8] .因此
4 mg /L处理组出现核仁膨胀、分散 ,染色质电子密度增大 (图版Ⅰ . 5) ; 8、 16 mg /L两个处理组
核仁消失 ,染色质解体 ,核膜受损、核基质外溢 (图版Ⅱ . 1)也说明了这一点 .细胞核受损必将导
致遗传信息不能准确表达、核糖体不能正常合成 .由于实验材料和手段有异 ,实验中一直未观
察到类似陆生植物细胞受重金属毒害而出现的微核现象 [10 ] .
目前对于受重金属毒害的植物光合作用变化主要采用生理生化方法测定 .作者认为除了
酶系统受损外 ,还与 Hg2+ 破坏叶绿体、内质网等膜系统而引起细胞整个膜系统受损有关 .叶绿
体从形变 ,类囊体受挤压 (图版Ⅰ . 4)到类囊体片层膨胀、散乱 (图版Ⅰ . 2)、断裂 (图版Ⅰ . 1) ,最
后叶绿体内外膜破裂、类囊体翻转、基质外流 (图版Ⅰ . 6) ,而类囊体的完整性和有序性对于叶
绿体在光合作用进行有效的光能转换是非常必要的 [11 ] .实验中类囊体受害情况 ,反映出 Hg2+
对于叶绿体破坏具有明显的浓度梯度效应 .另外 , Hg2+ 在光合膜电子传递链上存在专一的抑
制位点 [12 ] ,影响叶绿体的光能转化 ,降低光合效率 .叶绿体是提供植物细胞能量的细胞器 ,其
受到毒害 ,植物各个器官或组织必将表现出毒害症状 .如叶绿体内形成的同化淀粉粒不能再进
行转化运输而形成巨型淀粉粒 [13 ] (图版Ⅰ . 3) .晶体形成可以作为细胞生命活动减弱的标
志 [13 ] ,在 8、 12、 16 mg /L三个处理组均出现较多的晶体细胞 ,而且有的晶体细胞原生质体死
亡、消失 (图版Ⅱ . 2) .淀粉粒积累、晶体细胞出现说明这些细胞明显受到毒害作用 .
根据观察结果 , Hg2+对于金银莲花细胞超微结构的破坏是与其形态学受害症状一致的 .
因此 Hg2+ 对于金银莲花的毒害是从酶系统、细胞器和膜系统进行整体伤害 ,实验现象的差异
只是不同器官、组织的耐受性不同而已 .细胞器受害情况可以作为环境检测指标 .
4　图版说明
CW细胞壁 ; Cm细胞膜 ; N细胞核 ; Ce叶绿体膜 ; Sg淀粉粒 ; CN染色质和核质 ; C晶体 ; CM细胞质 ; M线粒体 ; Ch l叶
绿体 ; G基粒 ; Nm核膜 ; Nu核仁 .
图版Ⅰ
1　 16 mg /L处理组叶绿体双层膜破裂基质流入细胞质中　　× 25 000;
2　 4 mg /L处理组细胞核 ,核仁边界模糊　　× 10 000;
3　 4 mg /L处理组叶绿体扭曲形变、基粒和类囊体受挤压　　× 17 000;
4　 12 mg /L处理组叶绿体几被淀粉粒占满　　× 20 000;
5　 8 mg /L处理组仅剩的类囊体散乱排列　　× 20 000;
6　 12 mg /L处理组叶绿体基粒解体 ,类囊体膨胀、断裂　　× 25 000.
图版Ⅱ
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尤文鹏 等:汞污染对金银莲花叶片细胞超微结构的影响
1　对照组正常叶绿体和细胞核　　× 12 000;
2　 12 mg /L处理组晶体细胞 ,原生质已消失　　× 10 000;
3　 8 mg /L处理组细胞核 ,核膜受损 ,核基质无法辨清结构并有少量溢出　　× 35 000;
4　 16 mg /L处理组细胞核膜完全破损 ,核基质散入细胞质中　　× 60 000;
5　 8 mg /L处理组叶细胞过度质壁分离 ,质膜部分破损 ,细胞质少量流入细胞周腔　　× 6 000
图版Ⅰ 图版Ⅱ
参考文献
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Studies on the Effect of Hg
2+
Pollution on Leaf s Ultrastructure
of Nymphoides indica (L. )O. Kuntze
YouWenpeng , Shi Guoxin , Du Kaihe ,Ding Xiaoyu , Yang Dingtian
Abstract　 This paper mainly deals with the morpho lo gica l changes and the ulst rastr uctur e in new leaves of
Nymphoides indica( L. ) Kuntze by th e st ress of Hg2+ po llution. With mo re tr ea tment time o r with highe r cul-
tural concentr ation, deg ree of the mo rpholog ical injury is becoming mo re deeply. Distracted deg ree of ultr a-
structur e in cells inc reases as the t reated concentr ation rising. Fir st ly , the bo rder of nucleous is unclear , chro-
matin co tracts( 4 mg /L) . Nuclear membrane disso lv es a little, nucleoplasm appear s v er y disorde rly in 8 mg /L
Hg2+ so lution. Finally , nuclear membrane disappea rs comple tely , nucleoplasm flow s into the cytoplasm ( 16
mg / L) . Chlo roplasts change their shapes, so la yer s o f g ranas and g ranas a re crashed in 4 mg /L Hg2+ polluted
w ater. Plastid g ranas either swelled o r disinteg ra tes, lay ers o f g ranas get diso rderly in 8 mg / L so lution. In 16
mg / L concentra tion, chlo r oplast envelopes ge t disrupted, pla sto g lobuli in the chlo r oplast flow s into cyto-
plasm, lay ers o f g rana s a re entering the cytoplasm too. Crysta l cells and huge star ch g rains can be seen clea r-
ly .
Keywords　 Nymphoides indica ( L. ) O. Kuntze, poisoning sym ptom, Hg2+ , ultra structure , mo rpho lo gical
Author s address　 Colleg e of Life Science, Nanjing No rmal Univ ersity , 210097, Nanjing, PRC.
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尤文鹏 等:汞污染对金银莲花叶片细胞超微结构的影响