全 文 ：收稿日期:2006-10-09
基金项目:国家重点基础研究发展计划项目(2004CB418504)
作者简介:王萍萍(1981-),女,沈阳农业大学硕士研究生,从事生物化学研究。*通讯作者Corespondingauthor:唐 咏(1955-),女,沈阳农业大学
教授,从事生物化学研究。
Cu2+胁迫对苘麻抗氧化酶系
及根尖细胞超微结构的影响
王萍萍,唐 咏*,吴 阔,刘鹏举
(沈阳农业大学 生物科学技术学院,沈阳110161)
摘要:研究Cu2+胁迫对苘麻(Abutilontheophrasti)抗氧化酶系及根尖细胞超微结构的影响。通过室内盆栽试验,测定苘麻在不同浓
度Cu2+胁迫下抗氧化酶活性的变化,并采用透射电镜观察对苘麻根尖细胞超微结构的影响。结果表明:随 Cu2+胁迫浓度的增加,苘
麻根、茎、叶中超氧化物岐化酶(SOD)活性和过氧化物酶(POD)活性呈上升趋势,Cu2+胁迫导致根尖细胞超微结构破坏严重。Cu2+胁
迫可增加苘麻抗氧化酶活性并严重破坏根尖细胞的超微结构。
关键词:铜胁迫;苘麻;抗氧化酶系;超微结构
中图分类号:S563.6;Q554 文献标识码:A 文章编号:1000-1700(2007)03-0362-04
EfectsofCu2+StressontheAntioxidantEnzymes’Systemsand
UltrastructureintheRootTipCelsofAbutilontheophrasti
WANGPing-ping,TANGYong*,WUKuo,LIUPeng-ju
(ColegeofBiologicalScienceandTechnology,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang110161,China)
Abstract:EfectofCu2+ stressontheantioxidantenzymessystemsandultrastructuralofroottipcelsofAbutilontheophrasti
werestudied.Baseonpotcultivationexperimentingreen-house,theactivitiesofantioxidantenzymessystemsweredetermined,
andultrastructureintheroottipcelsofAbutilontheophrastiwasobservedundertheconditionofdiferentCu2+stress.There-
sultsindicatedthattheactivitiesofSODandPODincreasedwiththeriseofstressconcentrationintheroots,stemsandleaves,
andultrastructureofroottipcelswasdamagedseriously.Itcouldincreasetheactivitiesofantioxidantenzymesandseriously
damagedtheultrastructureofroottipcelsofAbutilontheophrastiwithCu2+stress.
Keywords:copperstress;Abutilontheophrasti;antioxidantenzymessystems;ultrastructure
随着现代化工业的发展,土壤中重金属含量逐年增加,其造成的污染也日益严重,有关重金属污染的生态
效应和治理的研究已成为热点研究领域[1,2]。铜是环境污染的主要重金属元素之一,同时铜对植物的正常生长
发育和生理生化过程是必需的[3],但是过量的Cu2+会产生大量的自由基(O2
·和·OH),引起新陈代谢的紊乱,并且
不同的作用强度对植物的影响不同[4]。植物体内的抗氧化酶系统(SOD,POD)在清除自由基和活性氧的过程中起
着重要作用[5]。目前植物铜毒害方面的文献报道正逐渐增多,但关于铜毒害与重金属耐性植物生理代谢之间关
系的研究尚少。研究表明,苘麻对铅、锌、铜、铬等重金属都有较强的吸收和富集能力[6]。有关铜对苘麻属植物抗
氧化酶系及细胞结构的影响的研究还未见报道。本研究以苘麻为材料,采用不同浓度的Cu2+处理,调查Cu2+对
苘麻抗氧化酶系及根尖细胞超微结构的影响,为进一步揭示苘麻铜耐性机理提供理论依据。
1 材料与方法
试验于2006年4～8月在沈阳农业大学生物化学实验室进行。供试土壤为草甸土,采自沈阳市东陵区汪家,土壤
风干后,过1mm筛备用。土壤理化性质为:pH值6.7,有机质含量16.8g·kg-1,阳离子交换量(CEC)为19.6cmol·kg-1,土
壤Cu含量65.35mg·kg-1。供试苘麻(Abutilontheophrasti)种子采自沈阳农业大学园艺试验基地。
取风干土 1.5kg置于塑料盆(15cm×16cm)中,加入 CuSO4溶液,平衡 1周。设计 Cu2+浓度为 0(CK),0.5,
1.0,3.0,5.0,8.0mmol·kg-1土6个处理,3次重复。苘麻种子用1%的次氯酸消毒,清洗后用蒸馏水浸泡,23℃萌
发3d后,播种于营养基质,长至5片叶子时移入塑料盆中进行处理,分别于处理20,30,40,50,60d进行抗氧化
沈阳农业大学学报,2007-06,38(3):362-365
JournalofShenyangAgriculturalUniversity,2007-06,38(3):362-365
第3期
酶活性测定,SOD活性用NBT法[7],POD活性用愈创木酚法[8]。
取23℃萌发3d的苘麻种子分别用50,100mg·L-1的CuSO4溶液处理,以无离子水处理为对照。每24h更换
处理液,室温下培养72h后,取各处理根尖5mm,采用日本电子JEM-100CXⅡ透射电镜观察,照相。
2 结果与分析
2.1 Cu2+对苘麻SOD活性的影响
苘麻根、茎、叶中 SOD活性随着 Cu2+处理浓度的增加有明显的上升趋势,这种趋势在根中表现的最明显
(图1)。相关性分析表明,各处理时期根中SOD活性大小与Cu2+浓度间的相关系数r分别为0.988**,0.724**,
0.573,0.813**,0.842**,(*和**分别表示在p<0.05和p<0.01水平差异显著,下同)。茎中的相关系数r分别为
0.598*,0.902**,0.746**,0.280,0.325,叶中的相关系数r分别为0.571,0.690*,0.109,0.493,0.762**。方差分析
显示,各处理浓度下,苘麻的不同器官SOD活性的变化也有很大差异。SOD活性变化是根>叶>茎,平均增长是
149.15%,32.37%,25.93%。
当Cu2+浓度为0.5～5.0mmol·kg-1时,随处理时间的延长SOD活性增加明显,至30d时达到最大值,随后趋于稳
定;当Cu2+浓度为8.0mmol·kg-1时,SOD活性在40d时达到最大值并趋于稳定。各生长时期根中SOD活性的平均增长
幅度分别为对照的308.30%、27.31%、-7.46%、21.76%、135.02%,茎SOD活性的平均增长幅度分别为对照的1.27%,
76.20%,33.66%,-11.92%,-7.79,叶SOD活性的平均增长幅度分别为对照的36.86%,0.46%,0.05%,3.23%,8.00%。
2.2 Cu2+对苘麻POD活性的影响
不同Cu2+处理的苘麻根、茎、叶中POD活性随时间的变化都有相同的趋势,处理20～30d时,POD活性呈上
升趋势,此后POD活性随着处理时间的延长而下降(图2)。方差分析和相关性分析表明,根中POD活性在30d
和40d分别在0.01和0.05水平上达到显著,相关系数r为0.764**,0.687*,其他各时期差异不显著;茎和叶中
POD活性差异极显著,相关系数 r分别为茎中 0.897**,0.906**,0.731**,0.836**,0.875**,叶中 0.753**,
0.958**,0.889**,0.952**,0.837**。
0 0.5 1.0 3.0 5.0 8.0
50
40
30
20
10
0
PO
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活
性
/u
.g
-1
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vi
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20 30 40 50 60
处理时间/d
Treatmenttime
根Root 6000
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3000
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0
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处理时间/d
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茎 Steam 6000
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4000
3000
2000
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0
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20 30 40 50 60
处理时间/d
Treatmenttime
叶 Leaf
图 2苘麻根、茎、叶中POD酶活性变化
Figure2ChangeofPODactivitiesinroots,stemsandleaves ofAbutilontheophrastiMedic.
0 0.5 1.0 3.0 5.0 8.0
6000
5000
4000
3000
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处理时间/d
Treatmenttime
根Root
图 1苘麻根、茎、叶中SOD酶活性变化
Figure1ChangeofSODactivitiesinroots,stemsandleavesofAbutilontheophrastiMedic.
20 30 40 50 60
处理时间/d
Treatmenttime
SO
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茎 Steam 6000
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叶 Leaf
王萍萍等:Cu2+胁迫对苘麻抗氧化酶系及根尖细胞超微结构的影响 363· ·
第38卷沈 阳 农 业 大 学 学 报
在不同浓度 Cu2+处理下根、茎、叶中的 POD活性存在较大差异。在处理 30～50d时,低浓度条件下,根中
POD活性小于对照,而当Cu2+浓度为5.0mmol·kg-1时,则大于对照。不同处理时间POD的变化规律是:Cu2+浓度
在0～1.0mmol·kg-1时POD活性逐渐下降,之后随着处理浓度的增大,POD活性随之上升,其中在处理30d时表
现最为显著,当Cu2+处理60d时POD活性下降到与20d相近的水平,且各处理间差异不大。茎和叶中POD活
性随着Cu2+浓度的增加而呈现明显的正相关,其中茎中POD活性变化20d和30d较明显,叶中是50d和60d
较为明显。
2.3 Cu2+对苘麻根尖细胞超微结构的影响
电镜观察结果表明(图版Ⅰ),对照苘麻根尖细胞呈椭圆状,高尔基体、线粒体和细胞核等细胞器结构正常。
细胞壁,细胞膜结构正常,细胞膜平滑,细胞壁与细胞膜紧密结合;线粒体为圆球形,脊突成管状,分布均匀,间质
浓密;细胞核为椭圆形,核膜清晰,核仁致密与核质界限分明,显示出良好的结构与功能状态。
铜胁迫导致细胞结构发生明显变化,在50mg·L-1Cu2+处理下细胞壁与细胞膜发生质壁分离,高尔基体消失,
线粒体的变化表现为脊突膨胀,脊突排列无序,细胞核变形,核膜皱折,内陷;100mg·L-1Cu2+处理下细胞壁与细胞
膜质壁分离情况更严重,细胞膜有明显的突起,大部分细胞壁发生断裂,细胞壁和细胞膜上有高密度电子体附
着,细胞核几乎成空核,核膜破裂,核仁解体和核质散入细胞质中。
3 结论与讨论
在Cu2+胁迫下,苘麻不同组织中SOD活性变化幅度为根>叶>茎。Cu2+处理20d时,苘麻根中SOD酶活性随
处理浓度的增加而升高;随着处理时间的延长,低浓度处理的 SOD活性略有下降,而 Cu2+浓度≥5.0mmol·kg-1
的处理,SOD活力一直保持较高的水平。POD活性变化表现为,随着Cu2+处理时间的延长,POD活性先升高后
降低。Cu2+胁迫对根尖细胞的影响表现为,随处理浓度增加,细胞发生质壁分离,细胞膜断裂,线粒体嵴突膨胀,
细胞核扭曲成不规则形,并有大量的高密度电子体沉积在细胞壁上。
SOD和POD及其他保护酶能够维持自由基在植物体内的动态平衡,从而排除自由基对植物细胞膜结构的
氧伤害,其活性高低与植物的抗逆性相关,在适度逆境诱导下能增加其活性以提高植物的适应能力。本研究表
明,在一定浓度Cu2+胁迫下,SOD和POD活性有明显变化,从而提高苘麻的耐铜性,这与前人研究结果一致。
细胞壁是重金属进入细胞的第一道屏障[9],根中的铜大约有50%结合在细胞壁上[10]。本试验结果也表明,当Cu2+
浓度≥50mg·L-1时,有大量的铜在根细胞壁上沉积。因此,可以认为细胞壁的金属沉淀作用对植物的重金属耐
受性起一定作用。Cu2+胁迫可引起苘麻根尖细胞膜、线粒体和细胞核的损伤。线粒体是细胞产生能量的主要场
所,其结构的破坏会导致细胞呼吸作用减弱,糖的有氧代谢受阻,ATP生成减少。重金属胁迫使核仁逐渐消失,
降解产物与核质中破坏的染色体和其他物质凝聚而出现很多染色体的纤维状颗粒[11],本研究也证实了这一现
象。Cu2+胁迫下,使细胞核核质解体,核空泡化,最终导致细胞全部功能的丧失。
参考文献:
[1]BAKERAJM,MCGRATHSP,SIDOLICMD,etal.Thepossibilityofinsituheavymetaldecontaminationofmetal-pol-
lutedsoilsusingcropsofmetal-accumulatingplants[J].Resources,Conservation&Recycling,1994,11:41-49.
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inAnthoxanthumodoratumL[J].PlantScience,1985,42:61-66.
364· ·
第3期
图版Ⅰ:CW.细胞壁;CM.细胞膜;Cu.晶体;G.高尔基体;Mi.线粒体;N.细胞核;Nm.核膜;Nu.核仁。
1.对照根细胞,示细胞壁、细胞膜 ×36000;2.50mg·L-1Cu2+处理的根细胞,示细胞壁、细胞膜质壁分离 ×36000;3.100mg·L-1Cu2+处理的根细胞,示
细胞壁、细胞膜,细胞膜突起 ×29000;4.100mg·L-1Cu2+处理的根细胞,示细胞膜突起及高密度电子体附着 ×14000;5.100mg·L-1Cu2+处理的根细
胞,断裂的细胞膜及高密度电子体附着 ×14000;6.50mg·L-1Cu2+处理的根细胞,示微肿胀的线粒体 ×58000;7.对照细胞根细胞,示椭圆状线粒体
及活动旺盛的高尔基体 ×58000;8.对照根细胞,示细胞核、线粒体、高尔基体等细胞器 ×5800;9.50mg·L-1Cu2+处理的根细胞,示质壁分离,细胞膜
轻微突起×5000;10.100mg·L-1Cu2+处理的根细胞,示核膜破裂,内含物与细胞质混合 ×5800。
PlateⅠ:CW.celwal;CM.celmembrane;Cu.crystaloid;G.Golgiapparatus;Mi.mitochondria;N.nucleus;Nm.nuclearmembranes;Nu.nucleolus.
1.Rootcelofcontrol,showingthecelwal,celmembrane×36000;2.Rootceloftreatedwith50mg·L-1Cu2+,showingtheplasmolysis×36000;3.
Rootceloftreatedwith100mg·L-1Cu2+,showingcelwal、celmembrane,protuberanceofcelmembrane×29000;4.Rootceloftreatedwith
100mg·L-1Cu2+,showingprotuberanceofcelmembraneandheavydensityelectronadhesion×14000;5.Rootceloftreatedwith100mg·L-1Cu2+,
showingsunderingofcelmembraneandheavydensityelectronadhesion×14000;6.Rootceloftreatedwith50mg·L-1Cu2+,showingswolenmito-
chondria×58000;7.Rootcelofcontrol,showingelipticalmitochondriaandnormalGolgiapparatus×58000;8.Rootcelofcontrol,showingsome
organeleshucasnucleus、mitochondria、Golgiapparatus×5800;9.Rootceloftreatedwith50mg·L-1Cu2+,showingtheplasmolysis,protuberanceof
celmembrane×5000;10.Rootceloftreatedwith100mg·L-1Cu2+,disruptionofcelmembraneandinclusionmixwithcytoplasm×5800.
[责任编辑 马迎杰]
[10]IWASAKIK,SAKURAIK,TAKAHASHIE.CopperbindingbytherootcelwalsofItalianryegrassandredclover[J].Soil
ScienceandPlantNutrition,1990,36(3):431-439.
[11]刘翠英,刘江梅.植物细胞超微结构的研究进展[J].榆林学院学报,2003,13(3):25-27.
王萍萍等:Cu2+胁迫对苘麻抗氧化酶系及根尖细胞超微结构的影响 365· ·