全 文 ：书第 35 卷第 2 期 河池学院学报 Vol. 35 No. 2
2015 年 4 月 JOUＲNAL OF HECHI UNIVEＲSITY Apr. 2015
重金属胁迫背景下的任豆幼苗抗性生理试验
覃勇荣，盘芳丽，吴达伟，牟光福，刘旭辉
(河池学院 化学与生物工程学院，广西 宜州 546300)
［摘 要］ 分别用浓度为 0 ～ 30 mg /L和 0 ～ 150 mg /L 的重金属 Cu2 +、Cd2 +、Pd2 +、Zn2 +处理任豆幼苗，观察
其生长情况，测定其叶片的叶绿素含量、丙二醛含量及总黄酮含量，分析其抗性生理特征。结果表明:任豆幼苗对
不同重金属离子胁迫的耐性不同，在不同浓度的同一重金属离子胁迫下，任豆幼苗叶片的叶绿素、丙二醛、黄酮含
量有明显差异;任豆幼苗对不同重金属的抗性不同，对 Cu2 +、Cd2 +、Pd2 +、Zn2 +四种重金属离子耐性大小的排序为:
Pd2 + ＞ Zn2 + ＞ Cd2 + ＞ Cu2 +。根据任豆幼苗在重金属胁迫下所表现出的抗性生理特征及相关的实验结果，可利用任
豆对 Pd、Zn、Cd、Cu污染的土壤进行修复。
［关键词］ 重金属胁迫;任豆幼苗;抗性生理
［中图分类号］ X503. 23;S540. 34 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1672 － 9021(2015)02 － 0001 － 08
［作者简介］ 覃勇荣(1963 －)，广西平南人，河池学院化学与生物工程学院教授，主要研究方向:高校生物学
教学、岩溶地区生态环境保护。
［基金项目］ 广西高校重点实验室———桂西北特色资源研究与开发实验室资助项目(桂教科研〔2010〕6
号);广西高校校地校企共建科技创新平台———桂西北地方资源保护与利用工程中心资助项目(桂教科研〔2012〕9
号);广西高等学校特色课程及专业一体化建设基金资助项目(桂教高教〔2011〕102 号);广西教育科学“十二五”
规划 2013 年度立项 B 类课题———服务广西区域经济发展的民族地区高校科技创新平台建设探索与实践
(2013B026)。
在矿产资源开发过程中，由于管理不善以及环保工作滞后等原因，资源浪费和环境破坏的问题十分严
峻［1］，重金属污染是金属矿区普遍存在的现象之一［2 － 3］。
土壤重金属污染治理越来越受到政府和学术界的关注。目前，土壤重金属污染修复方法主要有:工程物
理方法、化学方法、农业方法和生物方法等。工程物理方法是比较经典的土壤重金属污染治理方法，它具有
相对彻底、稳定的优点，但工程量大，成本高，破坏土壤结构，容易引起生物活性下降和土壤肥力退化;化学方
法的优点是治理效果相对明显且简单易行，但化学修复是在土壤原位上进行的，它只改变了重金属在土壤中
存在的形态，金属元素仍保留在土壤中，容易再度活化造成危害，故不可作为一项永久的修复措施;农业方法
具有操作简单、投资费用低的优点，但治理周期长，效果不显著;生物方法主要是利用生物削减、净化土壤中
的重金属或降低重金属毒性，此法简便易行、投资费用少、对环境破坏小，且效果相对显著，因此成为土壤重
金属污染修复研究的热点。在生物方法中，植物修复属于原位修复技术，具有保护表土，不破坏土壤结构，减
少土壤侵蚀和水土流失的功效，不仅对环境影响小，产生的废物少，又可回收重金属，因此被认为是一项成本
低廉、环境友好的污染处理技术［4］。
任豆(Zenia insignis)是我国特有的树种，生长速度快，适应性广，根穿透力、萌芽力、耐旱性及抗病虫能
力都比较强，是石山造林绿化的优良树种，具有良好的生态效益和经济价值。研究发现，任豆幼苗具有较强
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的重金属耐性，可作为土壤重金属污染的修复材料［5 － 6］。广西矿产资源丰富，但重金属污染问题比较严重，
选择优良的植物品种(尤其是乡土树种)进行重金属污染治理是比较现实的利民之举。为此，笔者用人工模
拟(盆栽试验)方法，分析重金属胁迫下的任豆幼苗抗性生理特征，以便为广西及相邻地区土壤重金属污染
的植物修复提供理论支持。
1 材料与方法
1. 1 仪器与试剂
1. 1. 1 主要仪器
101 － 2 － BS电热恒温鼓风干燥箱(上海跃进医疗器械厂)、AL204 电子天平(梅特勒 －托利多仪器上海
有限公司)、艾柯 DZG －303A纯水仪(成都唐氏康宁科技发展有限公司)、UV －765 紫外可见分光光度计(上
海精密科学仪器有限公司)、80 － 2 台式电动离心机(常州国华电器有限公司)、KQ5200DA 型数控超声波清
洗仪(昆山市超声仪器有限公司)、FZ102 微型植物粉碎机(天津市泰斯特仪器有限公司)。
1. 1. 2 主要试剂
三氯乙酸，2 －硫代巴比妥酸(国药集团化学试剂有限公司) ，无水乙醇(天津市光复科技发展有限公
司) ，硝酸铝(天津市光复精细化工研究所) ，氢氧化钠、亚硝酸钠(汕头市西陇化工股份有限公司)。以上试
剂均为分析纯(AＲ) ，实验用水均为去离子水。
1. 2 实验材料及处理
1. 2. 1 发芽及育苗
选取大小均匀、颗粒饱满、外观完好的任豆种子(种子由广西田东县种植户提供) ，用 60 ～ 75 ℃的温水
浸泡 1 h，催芽后，转移至无重金属污染旳沙床进行培育。定期用去离子水喷洒，保持沙床湿润，以提高任豆
种子的发芽率和幼苗成活率。在幼苗株高达 15 cm后，再用于重金属胁迫的模拟实验。
1. 2. 2 试验设计
(1)水培适应性试验。
从苗床中选取生长状况良好、大小规格一致的任豆幼苗，用泡沫塑料板将任豆苗固定好，将任豆幼苗培
养于装有 4 L Hoagland氏培养液［7］的培养盆中。水培适应期为两周，期间定期用充氧机给培养液充氧，以提
供任豆幼苗根部呼吸所需的氧气。
(2)重金属胁迫试验。
将经过水培适应性试验的任豆幼苗分别转入添加重金属元素 Cu2 +、Cd2 +、Pd2 +和 Zn2 +的 Hoagland 氏培
养液中培养。其中 Cu2 +和 Cd2 +的浓度分别为 0、5、10、15、20、25、30 mg /L，Pd2 +和 Zn2 +的浓度分别为 0、25、
50、75、100、125、150 mg /L，每盆培养液总体积均为 4 L。定期向培养液充氧，重金属胁迫的幼苗培养时间为
30 d。
1. 2. 3 样品处理
用去离子水将采收后的任豆幼苗清洗 3 次，将任豆幼苗的根、茎、叶分开，编号。将每盆任豆幼苗的叶片
混合均匀，称取 1 g以上的新鲜叶片，用于测定任豆幼苗叶片中的叶绿素含量和丙二醛含量。将根、茎及余
下叶片置于 60 ℃烘箱中烘干后，分别用微型植物粉碎机粉碎，置干燥阴凉处保存，备用。干燥的任豆幼苗叶
片样品用于总黄酮含量的测定。
1. 3 抗性生理指标测定
叶绿素含量的测定用比色法，丙二醛含量的测定用硫代巴比妥酸法［8］，总黄酮含量的测定用超声波辅
助―乙醇浸提，三氯化铝比色法［9 － 10］。
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1. 4 数据处理
实验数据的处理及相关分析使用 Excel 2010、SPSS 20. 0 和 Origin8. 0 等软件进行。
2 结果与分析
2. 1 铜胁迫对任豆幼苗生理性状的影响
从图 1 可见，在低浓度的重金属 Cu2 +的胁迫下，任豆幼苗叶绿素含量逐渐增加，当 Cu2 +浓度为 20 mg /L
达到最大值，然后逐渐下降，当 Cu2 +浓度为 25 mg /L时，叶绿素含量基本上趋于稳定。所有添加重金属 Cu2 +
处理的任豆幼苗，其叶绿素含量均比空白对照的高。丙二醛含量的变化则比较复杂，当培养液中的 Cu2 +浓
度低于 10 mg /L时，任豆幼苗叶片的丙二醛含量逐渐降低(在 Cu2 +浓度为 10 mg /L时达到最小值) ，之后，丙
二醛含量逐渐增加，在 Cu2 +浓度为 20 mg /L时，丙二醛含量达到最大值，然后逐渐下降。总黄酮含量的变化
则比较简单，当 Cu2 +浓度小于 25 mg /L 时，任豆幼苗叶片总黄酮含量一直呈下降趋势(在 Cu2 +浓度为 25
mg /L时达到最小值) ，之后，总黄酮含量又逐渐增加。
图 1 Cu2 +胁迫下的任豆幼苗生理指标变化
2. 2 镉胁迫对任豆幼苗生理性状的影响
从图 2可以看出，当 Cd2 + ＜10 mg /L时，任豆幼苗叶片的叶绿素含量逐渐增加;当 10 mg /L ＜ Cd2 + ＜20 mg /L
时，任豆幼苗叶片的叶绿素含量则逐渐降低;当 Cd2 + ＞ 20 mg /L 时，任豆幼苗叶片的叶绿素含量又逐渐增
加。在不同浓度的 Cd2 +胁迫下，任豆幼苗叶片的丙二醛含量均比对照低，尤其是 Cd2 +为 10 mg /L时，任豆幼
苗叶片的丙二醛含量最低。总黄酮含量则呈先下降后升高的趋势，当 Cd2 +为 10 mg /L 时，总黄酮含量达到
最低值。
图 2 Cd2 +胁迫下的任豆幼苗生理指标变化
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2. 3 铅胁迫对任豆幼苗生理性状的影响
由图 3 可知，在不同浓度重金属 Pb2 +的胁迫下，任豆幼苗叶片的叶绿素含量呈现先升后降再升再降的
变化，当 Pb2 +浓度为 150 mg /L时，任豆幼苗叶片的叶绿素含量最低;丙二醛含量的变化起伏较大，值得注意
的是，当 Pb2 +浓度为 25、75、150 mg /L时，任豆幼苗叶片丙二醛含量均比对照的低;随着 Pb2 +浓度的增加，总
黄酮含量也出现波动，但总的趋势是上升，当 Pb2 +浓度为 150 mg /L 时，任豆幼苗叶片的总黄酮含量也达到
最大值，所有添加重金属 Pb2 +胁迫的任豆幼苗，其总黄酮含量均比对照的高。
图 3 Pb2 +胁迫下的任豆幼苗生理指标变化
2. 4 锌胁迫对任豆幼苗生理性状的影响
由图 4 可以看出，在不同浓度重金属 Zn2 +的胁迫下，任豆幼苗叶片的叶绿素含量呈下降趋势，总的来
看，Zn2 +浓度越大，任豆幼苗叶片中的叶绿素含量越低;与之相反，丙二醛含量呈逐渐上升趋势，随着 Zn2 +浓
度的增加，丙二醛含量逐渐增加;随着 Zn2 +浓度的增加，总黄酮含量则先升后降，添加不同浓度 Zn2 +胁迫的
任豆幼苗，其总黄酮含量均比对照的高。在浓度为 125 mg /L 和 150 mg /L 重金属 Zn2 +胁迫下，实验盆栽的
任豆幼苗几乎全部死亡，因此无法获得足够的实验材料测定相关的实验数据。
图 4 Zn2 +胁迫下的任豆幼苗生理指标变化
2. 5 不同重金属胁迫对任豆幼苗生理的影响
为了更加直观地说明不同重金属胁迫对任豆幼苗生理的影响，将不同重金属胁迫下任豆幼苗同一生理
性状的变化绘制于同一曲线图，如图 5、图 6 和图 7。由此可见，不同重金属元素对任豆幼苗生理的影响不
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覃勇荣，等 重金属胁迫背景下的任豆幼苗抗性生理试验
同，从叶绿素含量这一生理指标看，任豆幼苗对 Pb2 +的耐性比较强，对 Zn2 +的耐性次之，对 Cu2 +和 Cd2 +的耐
性较差(见图 5)。从丙二醛含量的变化来看，任豆幼苗对 Pb2 +的耐性明显比对 Zn2 +的耐性强，对 Cd2 +的耐
性比对 Cu2 +的耐性稍强，但任豆幼苗耐受 Cu2 +和 Cd2 +的浓度明显比 Pb2 +和 Zn2 +的浓度低，与 Pb2 +相比，
Zn2 +胁迫下的任豆幼苗，其丙二醛含量急剧增加，说明其细胞伤害程度比较严重，实验发现，当 Zn2 +浓度超
过 100 mg /L时，任豆幼苗几乎全部死亡，而 Pb2 +浓度在 150 mg /L时，部分任豆幼苗还能存活(见图 6)。从
总黄酮含量的变化来看，任豆幼苗对 Cu2 +、Cd2 +、Zn2 +胁迫的反应比较敏感，对 Pb2 +胁迫的反应比较迟钝;
在能够耐受的范围内，随着重金属离子浓度的增高，任豆幼苗总黄酮含量也呈上升的趋势。因此，在重金属
胁迫下，植物体内总黄酮的作用值得关注(见图 7)。
图 5 不同重金属胁迫对任豆幼苗叶绿素含量的影响
图 6 不同重金属胁迫对任豆幼苗丙二醛含量的影响
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图 7 不同重金属胁迫对任豆幼苗总黄酮含量的影响
2. 6 相关性分析
为了说明任豆幼苗不同生理指标对重金属胁迫的响应，对任豆幼苗叶绿素含量、丙二醛含量及总黄酮含
量与不同浓度重金属胁迫的相关性进行分析。从表 1 可以看出，任豆幼苗总黄酮含量与 Cu2 +浓度呈极显著
负相关，叶绿素含量和丙二醛含量与 Cu2 +浓度有一定的正相关，但不显著;任豆幼苗的叶绿素含量与 Zn2 +浓
度呈显著的负相关，丙二醛含量与 Zn2 +浓度呈极显著的负相关，总黄酮含量与 Zn2 +浓度呈显著的正相关;叶
绿素含量、丙二醛含量及总黄酮含量与 Cd2 +、Pb2 +浓度有一定的相关性，但并不显著。
表 1 不同浓度重金属胁迫与任豆幼苗生理指标的相关性
重金属离子 叶绿素含量 丙二醛含量 总黄酮含量
Cu2 + 0. 478 0. 391 － 0. 879＊＊
Cd2 + 0. 496 － 0. 362 0. 069
Pb2 + 0. 193 － 0. 039 0. 701
Zn2 + － 0. 889* － 0. 963＊＊ 0. 904*
说明:＊＊和* 分别表示在 0. 01 水平和 0. 05 水平(双侧)上显著相关。
3 讨论
叶绿素含量是植物营养状况、光合作用能力及发育阶段的生理指标，也是评价植物健康状态及受环境胁
迫程度的重要指标［11］。由图 1 至图 4 可看出，在 0 ～ 30 mg /L的浓度范围内，添加 Cu2 +、Cd2 +处理的任豆幼
苗，其叶绿素含量均比对照的高;添加低浓度(＜ 50 mg /L)Pb2 +处理的任豆幼苗，其叶绿素含量也比对照稍
高;而所有添加 Zn2 +处理的任豆幼苗，其叶绿素含量均比对照的低。说明任豆幼苗对重金属 Zn2 +的反应比
较敏感，而低浓度的部分重金属元素(Cu2 +、Cd2 +和 Pb2 +)对任豆幼苗生长有一定的促进作用，这与覃勇荣
等人对桑树幼苗的相关研究结果相似［12］。
丙二醛含量可以反映植物细胞膜受损害的程度，也可以作为植物抗逆生理的重要指标［13 － 17］。重金属镉
胁迫下的任豆幼苗，其叶片中的丙二醛含量反而比对照组的低(见图 2) ，说明在一定浓度范围内，任豆幼苗
对重金属镉有较好的耐性，重金属镉对任豆的伤害不一定是破坏其细胞膜。由此可见，重金属对植物的伤害
途径、方式和机理可能是多种多样的，破坏植物细胞膜仅是其中一种方式和途径而已。如果以丙二醛含量高
低作为判断植物对重金属的耐性强弱，任豆幼苗对重金属 Cu2 +、Cd2 +、Pb2 +、Zn2 +的耐性排序为:Cd2 + ＞
Cu2 + ＞ Pb2 + ＞ Zn2 +。
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覃勇荣，等 重金属胁迫背景下的任豆幼苗抗性生理试验
黄酮类化合物具有抗氧化、延缓衰老、清除自由基等作用［18］。由表 1 可知，在 Zn2 +的胁迫下，Zn2 +浓度
与任豆幼苗的叶绿素、丙二醛含量均有显著或极显著的负相关，与总黄酮含量有显著的正相关，说明任豆幼
苗对 Zn2 +的胁迫比较敏感;在另一组试验中，在 Cu2 +的胁迫下，任豆幼苗的总黄酮含量却与 Cu2 +浓度呈极
显著的负相关。因此，黄酮类化合物在植物生理调控及解除重金属毒害的作用，尚需进一步的研究。
根据任豆幼苗水培试验可知，Cu2 +和 Cd2 +胁迫下的任豆幼苗，除对照组和 5 mg /L的 Cu2 +处理组外，其
余处理组均出现部分叶子枯黄掉落现象，部分处理组出现枝条枯萎现象，高浓度处理组的情况更为严重。而
加入重金属 Pb2 +和 Zn2 + 2 d后，浓度为 150 mg /L 处理组的任豆幼苗均有枯萎的现象，15 d 后，浓度为 100
mg /L 的 Zn2 +胁迫下的任豆幼苗部分叶子发黄严重，有枯萎迹象，浓度为 125 mg /L和 150 mg /L Zn2 +胁迫下
的任豆幼苗几乎全部死亡。收苗前，对照组的任豆幼苗长势良好，添加 Cu2 +和 Cd2 +处理的任豆幼苗叶片均
有部分枯萎现象，且老叶表现较为明显，Cu2 +处理的任豆幼苗叶片枯萎情况比 Cd2 +处理的严重;而添加
Pb2 +处理的任豆幼苗在收苗时长势依然良好，叶片茂盛浓密，Zn2 +处理的任豆幼苗新叶发白，并有叶片发黄
脱落现象。
4 结论
根据实验研究结果及以上分析讨论，可以初步得到以下结论:
(1)任豆幼苗叶绿素、丙二醛含量等生理指标对不同重金属胁迫的响应不同，对 Zn2 +胁迫比较敏感，对
Pb2 +、Cu2 +和 Cd2 +胁迫的响应情况比较复杂。
(2)植物减轻和解除重金属毒害有多种方式和复杂的机制，评价任豆幼苗对重金属 Cu2 +、Cd2 +、Pd2 +、
Zn2 +耐性的强弱，不能从单一的生理指标轻易下结论，而应根据相关生理指标的测定数据及植物长势等形态
指标进行综合判断。
(3)任豆幼苗对不同重金属胁迫的耐性有差异，综合考虑各种形态和生理指标，任豆幼苗对 Cu2 +、
Cd2 +、Pd2 +、Zn2 +耐性强弱排序为:Pd2 + ＞ Zn2 + ＞ Cd2 + ＞ Cu2 +。
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Ｒesistance Physiological Experiment of Zenia insignis
Seedlings in Heavy Metal Stress Environment
QIN Yong-rong，PAN Fang-li，WU Da-wei，MOU Guang-fu，LIU Xu-hui
(School of Chemistry and Bio-engineering，Hechi University，Yizhou，Guangxi 546300，China)
［Abstract］Using heavy metal Cu2 +，Cd2 +，Pd2 + and Zn2 + with concentration of 0 ～ 30 mg /L or 0 ～ 150 mg /L
to treat the Zenia insignis seedings respectively，the author observed the growth of Zenia insignis seedings，determi-
nation the chlorophyll content，MDA content and total flavonoids content of the leaves，and analyzed the resistance
physiological characteristics of Z． insignis seedings． The results showed that Z． insignis seedings had different tol-
erance when stressed with different heavy metal ions． There is significant difference of chlorophyll content，MDA
content，total flavonoids content of Z． insignis seedings leaves，when it was stressed with different concentration of
the same heavy metal ion． The resistance of Z． insignis seedings to different heavy metal was different，the order of
Z． insignis seedings to Cu2 +、Cd2 +、Pd2 +、Zn2 + was as follows:Pd2 + ＞ Zn2 + ＞ Cd2 + ＞ Cu2 + ． Based on the resist-
ance physiological characteristics and related results，Z． insignis was considered to be used for soil remediation of
lead，zine，cadmium and copper pollution．
［Key words］heavy metal stress;Zenia insignis seedinigs;resistances physiology
收稿日期 2015 － 01 － 05
［责任编辑 刘景平］
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