全 文 ：　　小飞扬草（ L.）属
大戟科大戟属植物，耐贫瘠，匍匐生长，生命力
强，有利于保护土壤表层。潘伟斌等 ，邢前国
通过对广州市郊区、韶关冶炼厂、韶关凡口铅
锌采矿区、大宝山凡洞采矿区调查，发现小飞扬
草对Cd具有超积累特性。
本研究通过差速离心技术和化学试剂逐步提
取法，研究镉元素在小飞扬草根、茎、叶中的亚
细胞分布特征和化学形态，试图从Cd在小飞扬草
根、茎、叶3个器官中的亚细胞分布特征和形态差
异来揭示Cd在小飞扬草中的积累机制，为进一步
探索小飞扬草超积累Cd的机制提供参考。
Euphorbia thymifolia
[1]
[2]
　　 　 ：
　　
　　 　　　　　　 文献标识码： A
　　
· ·
摘 要
关键词：
中图分类号：
Abstract:
　　 Key words
CLC number
X53
　　 X53
:
:
采用差速离心法和逐步提取法，分析 超积累植物小飞扬草根、茎、叶中 的亚细胞分布和化学形
态。培养液中 浓度 和 条件下，在小飞扬草根、茎、叶中，细胞壁和细胞膜是 主要的结合场
所，含量分别占总量的 、 、 ，其次是胞液组分，含量分别占
、 、 ，细胞器组分中 含量较少。 在小飞扬草根、茎、叶中均以氯
化钠提取态为主，含量分别占 、 、 。根部各提取态含量依次为 ＞
＞ ＞ ＞ ＞ ，茎、叶中各提取态含量依次为 ＞ ＞ ＞ ＞ ＞ 。在小飞扬
草中， 与细胞壁和细胞膜中的果胶酸和蛋白质等物质结合固定，而进入细胞的 大部分与有机酸络合而隔离于
液泡内，这可能是小飞扬草忍耐并超积累 的机制。
小飞扬草 ；镉；亚细胞分布；化学形态
Cd Cd
Cd 5mg/L 10 mg/L Cd
47.1%~49.0% 39.7%~41.4% 42.9%~56.2%
37.5%~41.4% 28.2%~40.7% 35.2%~46.8% Cd Cd
70.5%~84.8% 72.4%~83.0% 50.0%~74.8% C
C C C C C C C C C C C
Cd Cd
Cd
L.
The differentialcentrifugationtechniqueand the sequential chemical extraction method were carried outtostudy
the subcellular distribution and chemical forms of Cd in the roots, stems and leaves of L.. Under the
conditionof5mg L and10 mg L Cdinsolution,mostofCd wasboundtothecellwalland periplastofroots,stemsandleaves,
theproportionof themwere47.1%~49.0%,39.7%~41.4%and42.9%~56.2%,respectively. High Cd concentration wasalsofound
in the cytosolfraction,the proportion of them were 37.5%~41.4%, 28.2%~40.7%, 35.2%~46.8%,and onlyasmall quantityof Cd
distributed in cytoplasmic fraction. The NaCl-extractable Cd was the most forms in roots, stems and leaves of
L., the proportion of them were 70.5%~84.8%, 72.4%~83.0%, 50.0%~74.8%. The chemical forms of Cd in roots
decreased in the order:C >C >C >C >C >C , while the chemical forms of Cd in stems and leaves decreased in the order:
C >C >C >C >C >C . The study indicated that Cd was bound to the cell wall and periplast by pectic acid and proteinon
them, mostofCd that got into cell wascombinedwithorganic acid and compartmented invacuole,this mightbe the main patience
andsuperaccumulationmechanismof L.toCd.
L.;Cadmium;SubcellularDistribution;ChemicalForm
NaCl
HAC EtOH HCl W R NaCl HCl HAC EtOH W R
NaCl HAC EtOH HCl W R
NaCl HCl HAC EtOH W R
Euphorbia Thymifolia
Euphorbia thym folia
Euphorbia
thymifolia
Euphorbia thymifolia
Euphorbia Thymifol a
-1 -1
2012-11-28收稿日期：
钟海涛（1988-），男，硕士研究生。研究方向：生态工程与环境修复。E-mail:alex_524@163.com
E-mail：ppwbpan@scut.edu.cn
作者简介：
*通讯作者：
小飞扬草（ L.）中镉的亚细胞分布及化学形态Euphorbiathymifolia
SubcellularDistributionandChemicalFormsofCadmiumin L.Eup orbi thymif li
钟海涛，潘伟斌，张太平，陈 捷，蒋 岚，宋之怡
（华南理工大学环境与能源学院，广东　广州　510006）
*
·环境生态·
环境保护科学　第39卷　第3期　2013年6月
－50－
1　材料与方法
2　结果与分析
1.1　植物培养及预处理
1.2　Cd在小飞扬草各器官的亚细胞分布
1.3　Cd在小飞扬草中的化学形态分析
1.4　Cd含量测定
2.1　Cd在小飞扬草各器官的亚细胞分布
　　本研究的小飞扬草采自广州大学城华南理
工大学校道旁。选择长势良好、生长一致的植
株，用自来水洗净后，再用去离子水清洗3遍，
转移至Hogland营养液中，室温条件下预培养
15 d后进行Cd处理。设置3个Cd浓度处理水平
（mg/L）:CK，5，10；Cd以CdCl·2.5HO水溶液
的形式加入培养液中。每个水平3个重复，每个重
复15株苗，每3d更换一次培养液，7d后收获。收
获的植株先用自来水冲洗，植株根部再置于
20mmol/LNa-EDTA溶液中20 min，以去除根表
面吸附的Cd ，再用去离子水洗净，吸干植株
表面水分。每个处理的植物样品分成根、茎和
叶3部分，分别用于测定亚细胞分布、化学形态。
　　采用差速离心法分离不同细胞组分。在
Weigel等 、Rathore等 和潘秀等 的方法基础
上改进，实验匀浆液成分为：0.25 mol/L蔗糖
+50 mmol/L Tris-HCl(pH7.5)+1 mmol/L MgCl+
10mmol/L半膀氨酸。准确称取鲜样0.5000g，加
入15mL预冷的匀浆液，将其在组织匀浆器中以
21000r/min转速匀浆1min，再利用超声波细胞破
碎仪将细胞充分破碎，参数为：间隔时间3 s， 超
声时间5s、全程时间10min。匀浆液和组织于高速
冷冻离心机中在相对离心力6.5g条件下离心30s，
沉淀为细胞壁和细胞膜组分，通过显微镜观测，
细胞壁约占72%，细胞膜占28%；再将上清液在相
对离心力10390g条件下离心45min，沉淀为细胞
器组分，上清液为胞液组分，主要包含液泡和细
胞质内有机物和无机离子。以上匀浆过程和分离
过程均在4℃条件下进行。
　　采用化学试剂逐步提取法，在许嘉琳等 ，
秦建桥等 和FuXetal 的方法基础上改进，准确称
取鲜样0.5000g，加入25mL提取剂后利用匀浆器
以21000r/min转速匀浆1min，转入50mL离心管，
在室温下振荡22h后，5000g条件下离心10min，取
出上清液，再在离心管中加入同一提取剂10 mL，在室
温下振荡1h后，5000g条件下离心10min，取出
上清液。将两次上清液合并。采用下列5种提取
剂依次逐步提取：80%乙醇; 去离子水1mol/L
NaCl溶液；2%醋酸；0.6mol/LHCl。最后为残渣态。
　　上清液直接用日立Z-2000塞曼原子吸收分
光光度仪测定溶液中Cd的含量；沉淀和残渣用
去离子水冲洗入50mL锥形瓶中，在电热板上蒸
干，采用HNO-HClO消解法 ，消煮至澄清，用
去离子水定容后测定；消解所用HNO、HClO均
为优级纯。
　　小飞扬草根、茎、叶亚细胞组分中Cd的分
布情况见表1。
2 2
2
2
3 4
3 4
2+
[3] [4] [5]
[6]
[7] [8]
[9]
表1　小飞扬草根、茎和叶亚细胞组分中Cd的分布
注：C1：细胞壁和细胞膜组分，C2：细胞器组分，C3：胞液组分；Cd质量分数以鲜重计，含水率为68.6%~72.0%
小飞扬草（ L）中镉的亚细胞分布及化学形态　钟海涛Euphorbiathymifolia .
－51－
不同Cd浓度处理条件下，Cd在根各亚细胞
组分中的含量高低顺序为：细胞壁和细胞膜组分
＞胞液组分＞细胞器组分，Cd主要分布在细胞
壁和细胞膜组分中，占总量的47.1%~66.9%，其
次是胞液组分，占总量的12.8%~41.4%，而细胞
器组分只占总量的11.6%~20.3%。
Cd在茎各亚细胞组分中的含量高低顺序
为：细胞壁和细胞膜组分≈胞液组分＞细胞器组
分，Cd主要分布在细胞壁和细胞膜组分与胞液
组分中，二者没有显著差异，细胞壁和细胞膜组
分占总量的33.3%~41.4%，胞液组分占总量的
28.2%~44.4%， 而 细 胞 器 组 分 只 占 总 量 的
19.7%~30.5%。
Cd在叶各亚细胞组分中的分布则分为未受
Cd胁迫和受到Cd胁迫两种情况，未受到Cd胁迫
时，Cd在各亚细胞组分中分布均一，没有显著
差异，细胞壁和细胞膜组分占总量30.0%，细胞
器组分占总量40.0%，胞液组分占总量30.0%；
受到Cd胁迫时，Cd主要分布在细胞壁和细胞膜
组分中，占总量的42.9%~56.2%，其次是胞液组
分，占总量的35.2%~46.8%，细胞器组分只占总
量的8.6%~10.4%，与Cd在根各亚细胞组分中的
含量呈相同规律。
上述结果表明小飞扬草各部位的Cd主要富
集在细胞壁和细胞膜组分与胞液组分中，细胞器
组分的分布较少。
Cd在根、茎细胞壁和细胞膜组分与细胞器组
分的分配比例下降，在胞液组分的分配比例则升
高；Cd在叶细胞壁和细胞膜组分分配比例上升，
而在细胞器组分和胞液组分的分配比例下降。这
说明随着Cd处理浓度的增加，根、茎细胞壁和细
胞膜对Cd的滞留作用减弱，而叶细胞壁和细胞膜
对Cd的滞留作用增强，同时根、茎、叶减少Cd在
细胞核、线粒体和叶绿体等细胞器的分配比例，
有利于小飞扬草进行正常的生理活动。
小飞扬草各部位的细胞壁和细胞膜组分的分
配比例由高到低的顺序是根＞茎＞叶，其比例的
平均值分别为54.3%、43.0%、38.1%；胞液组分的
分配比例由高到低的顺序是茎>叶>根，其比例的
平均值分别为37.8%、37.3%、30.5%。这表明，小
飞扬草不同部位的亚细胞对Cd的分布有影响。根
部细胞壁和细胞膜对Cd的区隔化作用最强，而叶
片主要表现为胞液组分对Cd的区隔化作用。
　　小飞扬草根、茎、叶中Cd的化学形态分布见表2。
随着 处理浓度的提高， 在小飞扬草根、
茎和叶亚细胞组分中分配比例变化见图 。
Cd Cd
1
图1　Cd在小飞扬草根、茎和叶亚细胞组分中分配比例变化
2.2　Cd在小飞扬草中的化学形态
表2　小飞扬草根、茎和叶中Cd的化学形态分布
　　注：C：乙醇提取态，C ：去离子水提取态，C ：氯化钠提取态，C ：醋酸提取态，C ：盐酸提取态，C ：残E W NaCl HAc HCl R留态； 质量分数以鲜Cd
重计，含水率为68.6%~72.0%
100
80
60
40
20
0
根5 根10 茎5 茎10 叶10叶5
环境保护科学　第39卷　第3期　2013年6月
－52－
由表2可知，小飞扬草根、茎、叶中的Cd以
氯 化 钠 提 取 态 为 优 势 形 态 ， 占 总 量 的
50.0%~84.8%。
各Cd浓度处理下，根中Cd的氯化钠提取态
占总量的70.5%~84.8%，其余各种形态的Cd含量
低于12.5%，乙酸提取态1.1%~12.5%，乙醇提取
态0.8%~12.1%，盐酸提取态4.3%~6.3%，去离子
水提取态1.0%~2.3%，残留态0%~0.8%。
茎中Cd的氯化钠提取态占总量72.4%~
83.0%，盐酸提取态4.6%~13.8%，乙酸提取态
3.4%~6.9%，乙醇提取态3.4%~6.3%，去离子水
提取态0.8%~3.4%，残留态0.1%~3.4%。
叶中Cd的氯化钠提取态占总量50.0%~
74.8%，盐酸提取态4.8%~21.4%，乙酸提取态
7.1%~14.3%，乙醇提取态4.1%~7.1%，去离子水
提取态1.2%~7.1%，残留态0.4%~7.1%。
细胞壁中含有多种能配位结合重金属离子的
成分，如多糖、果胶酸和蛋白质等，这些成分可
将重金属离子固定，减少重金属离子的跨细胞膜
运输，降低细胞内重金属浓度，细胞壁成为保护
细胞正常生理活动的第一道屏障；当重金属离子
在细胞壁上的结合达到饱和，大部分进入到细胞
的重金属被转运至液泡中，与液泡中的有机酸络
合，实现区隔化 。如在圆锥南芥体内，细胞
壁是贮存Cd的重要部位 。Cd在高粱属植物各亚
细胞组分中的分布表现为细胞壁＞可溶性部分＞
细胞核、叶绿体组分＞线粒体 。本研究中，
Cd处理下，根、茎、叶细胞壁和细胞膜组分与
胞液组分Cd含量所占比例不低于28.2%，细胞壁
和细胞膜组分中Cd含量比例在39.7%~56.2%，胞
液组分Cd含量比例在28.2%~46.8%，而细胞器组
分中Cd含量较低。由此可见，细胞壁和细胞膜
是小飞扬草Cd的主要贮存点，进入到细胞内的
Cd则主要贮存在液泡内，从而减少对细胞正常
生理活动的不利影响，起到解毒作用，这可能是
小飞扬草耐Cd的机制之一。
在植物细胞内重金属很少以游离态存在，重
金属必须与细胞内的多肽类、有机酸和蛋白质等
物质结合，才能使重金属毒性钝化 。由于不同
形态重金属在不同提取剂中的溶解度区别很大，
不同提取剂的提取量可以反映重金属存在的化学
形态差异 。乙醇主要提取醇溶性蛋白质、氨基
酸盐等物质；去离子水主要提取水溶性有机酸
盐、重金属的一代磷酸盐M(HPO)等物质；氯化
钠主要提取果胶酸盐、与蛋白质结合态或呈吸着
态的重金属等；醋酸主要提取难溶于水的重金属
磷 盐（MHPO、MPO）；盐酸主要提取草酸
盐等 。本研究中，小飞扬草根、茎、叶中的
Cd以氯化钠提取态为优势形态，占总量的
50%~84.8%，其次是盐酸提取态，占总量的
4.3%~21.4%，表明Cd在小飞扬草体内主要以果
胶酸盐、蛋白质结合态或吸附态的形式存在，结
合分析Cd在小飞扬草中亚细胞分布特征，这部
分形态的Cd可能与细胞壁和细胞膜中果胶酸和
蛋白质等的固定作用有关；其次是以草酸盐的形
式存在 ，这部分形态的Cd可能与液泡中的有机
酸的络合作用有关。
（1）营养液中Cd浓度5 mg/L和10mg/L条件
下培养，在小飞扬草根、茎、叶中，细胞壁和细
胞膜是Cd主要的结合场所，含量分别占总量的
47.1%~49.0%、39.7%~41.4%、42.9%~56.2%，其
次是胞液组分，含量分别占37.5%~41.4%、
28.2%~40.7%、35.2%~46.8%，细胞器组分中
Cd含量较少。
（2）Cd在小飞扬草根、茎、叶中均以氯化
钠提取态为主，含量分别占70.5%~84.8%、
72.4%~83.0%、50.0%~74.8。根部各提取态含量
依次为C ＞C ＞C ＞C ＞C ＞C ，茎、叶
中各提取态含量依次为C ＞C ＞C ＞C ＞
C ＞C 。
（3）在小飞扬草中，Cd与细胞壁和细胞膜
中的果胶酸和蛋白质等物质结合固定，而进入细
胞的Cd大部分与有机酸络合而隔离于液泡内，
这可能是小飞扬草忍耐并超积累Cd的机制 。
3　讨论
4　结论
2 4 2
2 4 3 4
NaCl HAC EtOH HCl W R
NaCl HCl HAC EtOH
W R
[10, 11]
[12]
[13]
[3]
[14]
[6, 15]
[16]
[17,18]
小飞扬草（ L.）中镉的亚细胞分布及化学形态　钟海涛Euphorbiathymifolia
－53－
参考文献
[1]潘伟斌,张太平,邢前国, 等.一种土壤重金属污染的植物修复方法
[P].中国专利,2005-3-16.
[2]邢前国.镉、铅污染土壤的植物修复技术研究[D].广州:华南理工
大学,2004.
[3]Weigel H J, Jager H J. Subcellular distribution and chemical form of
cadmiuminbeanplants[J].PlantPhysiology,1980,65:480-482.
[4]Pathore V S, Bajat Y P S, Wittwer S H. Subcellularlocalization of zinc
and calcium in bean (Phaseolus vulgaris L.) tissues[J]. Plant Physiol,
1972,49:207-211.
[5]潘　秀,刘福春,柴民伟, 等.镉在互花米草中积累、转运及亚细胞
的分布[J].生态学杂志,2012,31(3):526-531.
[6]许嘉琳,鲍子平,杨居荣, 等.农作物体内铅、镉、铜的化学形态研
究[J].应用生态学报,1991,2(3):244-248.
[7]秦建桥,夏北成,赵　鹏, 等.镉在五节芒(Miscanthus floridulus)不同
种群细胞中的分布及化学形态[J].生态环境学报,2009,18(3):817-823.
[8]FuX, DouC,ChenY,etal.Subcellulardistributionand chemicalforms
of cadmium in Phytolacca americana L.[J]. Journal of Hazardous
Materials,2011,186(1):103-107.
[9]钟闱桢,李明顺,唐文杰, 等.矿区植物重金属元素测定的两种前处
理方法比较[J].分析科学学报,2007,23(4):467-470.
[10]ALLEN D L, JARRELL W M. Proton and copper adsorption tomaize
and soybeanrootcellwalls[J].PlantsPhysiology,1989,89:823-832.
[11]RAUSERWE. Structure andfunctionof metal chelators produced by
plants[J].Cell BiochemandBiophys,1999,31:19-48.
[12]于方明, 汤叶涛, 周小勇,等.镉在圆锥南芥(Arabis panicula
Franch)中的亚细胞分布及其化学形态[J].中山大学学报:自然科
学版,2007,46(6):87-92.
[13]刘大林,胡楷崎,刘伟国,等.高粱属植物对土壤镉吸收及亚细胞
的分配[J].生态学杂志,2011,30(6):1217-1221.
[14]杨居荣,贺建群,张国祥.农作物对Cd毒害的耐性机理探讨[J]. 应
用生态学报, 1995,6(1):87-91.
[15]廖　斌,邓冬梅,杨　兵,等.铜在鸭跖草细胞内的分布和化学形
态研究[J].中山大学学报：自然科学版,2004,43(2):72-75.
[16]徐向华,施积炎,陈新才,等.锰在商陆叶片的细胞分布及化学形
态分析[J].农业环境科学学报,2008,27(2):515-520.
[17]WengB,XieX,WeissDJ,etal.Kandeliaobovata(S.,L.)Yongtolerance
mechanisms to Cadmium: Subcellular distribution, chemical forms and
thiolpools[J].MarinePollutionBulletin,2012,64(11):2453-2460.
[18]XuQ,MinH, CaiS,etal.Subcellulardistributionandtoxicityofcadmium
inPotamogetoncrispusL.[J].Chemosphere,2012,89(1):114-120.
（上接第11页）
参考文献
虫发生；而25 处理的植株生长旺盛，凤眼莲
体内总氮、总磷的净积累量明显高于15和35
处理，35 处理的凤眼莲浮岛植物体内TN、
TP的净积累量高于15 处理。
　　通过与无植物对照组比较，生态浮岛工艺具
有很好的净化效果，而且其具有美化环境，提供
鱼类产卵场等众多生态功能。但浮岛技术对温度
要求较高，在北方地区特别是东北地区应用会受
到气温的限制。以沈阳为例，平均气温高于20 ℃
天数，约为120天，仅占全年的33.3%。为提高人
工浮岛技术在北方地区的处理效果，将人工浮岛
技术与接触氧化工艺相结合，研发立体人工浮
岛，提高低温环境下的处理效率是北方地区应用
人工浮岛技术的发展方向。
　　
℃
℃
℃
℃
致谢：本试验的分析测试由东北大学的刘馨
同学协助完成，在此表示感谢！
[1]严以新，操家顺，李欲如．冬-春季节浮床技术净化重污染河水
的动态试验研究[J]. 河海大学学报：自然科学版，2006，
34(2):119-122
[2]I.Aranjuelo,J.J.Irigoyen,M.Sanchez-Diaz．Effectofelevatedtemperature
andwateravailabilityonCO2exchangeandnitrogenfixationof nodulated
alfalfaplants[J].Environ.Exp.Bot.2007,59,99-108.
[3]Mian-Hao Hu, Ju-Hong Yuan, Xiao-E. Yang, et al. Effects of
temperature on purification of eutrophic water by floating eco-island
system[J].ActaEcologicaSinica,2010(30):310-318.
[4]晁　雷，刘　馨，胡　成，等．人工浮岛技术在北方地区水质改
善中的研究进展[J]．黑龙江农业科学,2012(2):135-138．
[5]黄　蕾，翟建平，王传瑜．四种水生植物在冬季脱氮除磷效果的
试验研究[J]．农业环境科学学报，2005，24(2)：366-370．
[6]国际环境保护总局编．水和废水检测分析方法[M]．北京：中国环
境科学出版社，2002，200-285．
[7]罗固源，郑剑锋，许晓毅，等.4种浮床栽培植物生长特性及吸收
氮磷能力的比较[J].环境科学学报，2009，29(2):285-290
[8]Mian-Hao Hu, Ju-Hong Yuan, Xiao-E Yang, et al. Effects of
temperature on purification of eutrophic water by floating eco-island
system[J].ActaEcologicaSinica,2010,5(30):310-318.
[9]胡洪营，钱　易．大型水生植物在水污染治理中的应用研究进展
[J]．环境污染治理技术与设备，2003，4(2):36-40．
[10]杨海清，李秀艳，赵　丹．植物-水生动物-填料生态反应器构
建和作用机理[J]．环境工程学报，2008，2(6)：852-857．
[11]Soda S, Ike M, Ogasawara Y. Effects of light intensity and water
temperature on oxygen release from roots into water lettucerhizosphere
[J]．Water Research,2007,41:487-491.
环境保护科学　第39卷　第3期　2013年6月
－54－