全 文 ：*通讯作者
收稿日期:2006-08-15;修回日期:2006-12-23
基金项目:国家自然科学基金项目(30470270);国家重点基础研
究发展规划(2004CB418503);安徽省高等学校青年教师科研基金
(2004JG124)
作者简介:刘雪云(1978-),女 ,安徽合肥市人 ,硕士 , 研究方向
为环境生态学与污染生态学.
文章编号:1679-5021(2007)02-0045-05
镉胁迫下天蓝苜蓿的生理生态响应
刘雪云 ,陈明林 , 杨　艳 ,汪　敏 ,刘登义*
(安徽师范大学生物多样性研究中心 /重要生物资源保护与利用安徽省重点实验室 , 安徽　芜湖　241000)
　　摘要:通过盆栽实验研究了 Cd 胁迫对天蓝苜蓿生长和抗氧化酶系统的影响。结果表明:天蓝苜蓿整株鲜重 、地
上部分鲜重 、地下部分鲜重随 Cd 胁迫增大呈显著降低趋势。天蓝苜蓿叶片电导率和膜脂过氧化产物 M DA 水平随
Cd 胁迫增大而增加 , 呈极显著正相关 ,相关系数分别为 0. 955(P<0. 01)和 0. 984(P<0. 01)。随着 Cd 浓度的升高 ,
超氧化歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性呈先增后降趋势 , 说明抗氧化酶系统既具有解毒
功能 ,同时又是 Cd2+植物毒性的作用位点 ,天蓝苜蓿 3 种抗氧化酶对 Cd 敏感程度表现为 SOD>POD>CAT 。
　　关键词:镉;天蓝苜蓿;细胞膜;抗氧化酶
　　中图分类号:Q945. 78　　　文献标识码:A
　　随着采矿 、冶炼以及 Cd处理等工业的发展 , Cd
污染日益严重[ 1] , 我国镉污染的土地面积约 114
万 hm2[ 2] 。目前 ,有关重金属毒害及抗性研究主要
集中在农作物 , 尚无对野生豆科植物天蓝苜蓿
(Medicago lupulina L. )在重金属胁迫下生理生态
响应及耐性机理的研究报道。天蓝苜蓿是一年生或
越年生草本 ,分布广泛 ,生长迅速 ,对环境适应性强 ,
同时也是少数几个在尾矿小面积呈优势种的豆科植
物[ 18] 。因此 ,天蓝苜蓿在矿业废弃地的生态恢复中
有较好的发展潜力和应用价值 。本文研究了重金属
Cd胁迫下 ,铜陵狮子山尾矿库生长的天蓝苜蓿生理
代谢及抗氧化酶活性的特点 ,探讨了天蓝苜蓿对重
金属 Cd的耐性。
1　材料与方法
1. 1　试验材料
以安徽师范大学校内田园土为供试土壤 ,进行温
室盆栽实验 ,供试土壤为黄棕壤 ,CEC24. 37g kg -1 ,有
机质 2.65%,pH 值 6.76 ,总氮 0.291%,总磷 0. 211%,
总钾 3.86g kg- 1 ,电导率 145.76μs cm -1 。天蓝苜蓿
采自铜陵狮子山 ,用清水清洗根部 ,在实验室稳定培养
1周 ,选长势一致的植株进行盆栽。
1. 2　试验设计
实验设置 6个Cd处理浓度 ,分别为 0、1mg kg -1 、
5mg kg -1 、10mg kg -1 、20mg kg -1 、40 mg kg -1(以
纯Cd计)。将 CdCl2 2. 5H 2O 与去离子水配成母
液 ,再逐级稀释成处理浓度并且与过 2mm 筛的土
壤均匀混合 ,在温室中平衡 1周 ,每盆装土 500g ,每
个浓度设 6个重复 。每盆 10 株植物在温室培养 6
周后收获 ,测生物量和生理指标。
1. 3　测定方法
1. 3. 1　生物量
将土培天蓝苜蓿连根取出 ,除去根部土壤 ,自来
水冲洗 ,滤纸吸干 ,称取每种处理下整个植株的总鲜
重 ,然后用剪刀将根部与地上部分开 ,再分别称量根
鲜重和地上部鲜重[ 8] 。
1. 3. 2　叶片细胞膜透性的测定
取各处理组同一功能区鲜叶 0. 2g ,剪成 1cm长小
段 ,加入装有 40ml双蒸水的三角瓶中 ,于电动振荡机
上以400次 min-1的振荡速度振荡1h ,过滤后用DDS
- 307型电导仪测定电导率(μs cm- 1)[ 8] 。
1. 3. 3　MDA 、SOD 、POD 、CA T 活性测定
硫代巴比妥酸(TBA)法测定 MDA [ 13] ;氮蓝四
唑(NBT)光还原法测定 SOD活性[ 14] ;愈创木酚法
测定 POD活性[ 15] ;过氧化氢法测定 CAT 活性 [ 15] 。
1. 4　数据处理
采用 SPSS11. 5 软件进行方差分析 、相关与回
归运算 ,所有数据均为 3次重复均值。
2　结果与分析
2. 1　镉对天蓝苜蓿生长的影响
—45—
第 29 卷　第 2 期　　　　　　　　　　中　国　草　地　学　报　　　　　　　　　　2007 年 3 月
　 Vol. 29　No. 2　 　　　　　　　　　Chinese Journal of G rassland　　　　　　　　　　Mar. 2007 　
不同 Cd处理浓度下 , 天蓝苜蓿整株 、地下
部分和地上部分生物量均呈下降趋势(图 1)。
在 Cd处理浓度为 1. 0 mg kg - 1时 , 天蓝苜蓿
地上和地下部分生物量都略有升高 , 分别比对
照升高了 1. 5 %和 0. 6%。说明 Cd 处理浓度
为 1. 0 mg kg - 1时 , 对天蓝苜蓿生长的影响
很小 ,甚至能刺激其生长 。这可能是天蓝苜蓿
长期生长于 Cd 污染土壤(狮子山土壤 Cd 含
量 :0. 23 ～ 6. 8 0) , 对 Cd 具有一定的耐性 , 同
时也可能是天蓝苜蓿根系对低浓度的 Cd 具
有应激反应 [ 1 6] 。其详细机理有待进一步深
入研究 。
在 Cd处理浓度为 5. 0 mg kg - 1时 ,天蓝苜
蓿地上部分和地下部分生物量分别比对照下降
了 30. 09%和 2 0. 17%(P<0. 01)。当 Cd处理
浓度为 40mg kg - 1时 ,地上部分和地下部分生
物量分别比对照下降 64. 83%和 60. 35 %(P <
0. 01)。天蓝苜蓿整株 、地上部分和地下部分生
物量与 Cd 处理浓 度呈极 显著负相 关(P <
0. 01) , 相关系数分别为 - 0. 793 、 - 0. 764 和
- 0. 791 。这是由于高浓度 Cd对天蓝苜蓿具有
毒害效应 ,影响植物根尖有丝分裂数 , 使分裂速
度减慢 ,影响植物的光合作用和呼吸代谢而使
得植物生长发育不良 , 部分植物出现黄化 、矮
化 ,甚至死亡 。同时 , Cd 导致细胞直径变化和
液泡化 ,细胞结构发生变化 ,各细胞器受到不可
逆转的 、致死性的伤害 ,造成细胞功能丧失或细
胞死亡[ 1 7] 。
图 1　不同浓度 Cd 处理下天蓝苜蓿的整株 、地上部分及根鲜重
Fig . 1　F resh w eights o f whole plant , aboveg round and
roo t in Medicago lupulina L. trea ted with diffe rent
concentr ations of Cd
2. 2　Cd胁迫对天蓝苜蓿叶片细胞膜透性的影响
质膜透性可作为评定植物对污染物响应的指标之
一 ,细胞外渗液的电导率与污染物浓度呈正相关 [ 3] 。
Cd胁迫对天蓝苜蓿叶片细胞膜透性的影响如图 2
所示 ,其细胞膜透性随着土壤 Cd 浓度的增加先微
增再速增 ,总体呈上升趋势 。回归分析表明 ,细胞膜
透性与 Cd浓度之间呈极显著正相关 ,线性回归方
程为 Y=24. 057X+96. 133(P <0. 01),细胞膜透性
与 Cd浓度相关系数为0. 955 。在低浓度 Cd胁迫时
天蓝苜蓿电导率变化很小 ,说明此时 Cd 对天蓝苜
蓿细胞膜影响很小 ,表明在一定的浓度范围内天蓝
苜蓿对 Cd具有耐性 。而在高浓度 Cd胁迫时 ,天蓝
苜蓿叶片细胞膜透性明显高于对照组 。当 Cd处理
浓度为 40mg kg - 1时 , 电导率比对照增加了
90. 00%,显示出 Cd胁迫对天蓝苜蓿的损害突出地
表现为叶细胞膜透性变大。其原因可能是大量 Cd
进入植物体后 ,Cd与细胞膜蛋白的 - SH 或磷脂分
子层的磷脂类物质反应 ,造成膜蛋白的磷脂结构改
变 ,致使细胞膜结构改变 ,膜系统遭受损坏 ,透性增
大 ,使细胞内一些可溶性物质外渗 ,从而电导率增
大。
图 2　Cd 胁迫对天蓝苜蓿叶片细胞膜透性的影响
Fig . 2　Effects o f Cd on permeability o f cell membrane
in Medicago lupulina L. leave s
2. 3　Cd胁迫对天蓝苜蓿膜脂过氧化水平的影响
MDA 是膜脂过氧化的重要产物 ,可与蛋白质 、
核酸 、氨基酸等活性物质交联 ,形成不溶性的化合物
(脂褐素)沉积 ,干扰细胞的正常生命活动[ 12] 。
Cd胁迫对天蓝苜蓿膜脂过氧化水平的影响如
图 3所示 ,天蓝苜蓿叶片 MDA 含量随 Cd浓度的增
大而升高 。回归分析表明 ,两者之间呈极显著正相
关 ,相关系数 0. 984**(P<0. 01), 回归方程为 Y=
—46—
中国草地学报　2007年　第 29 卷　第 2 期
0. 2106X+0. 598(P <0. 01)。在 Cd 处理浓度为
40 mg kg - 1 时 , MDA 含 量 比 对 照 增 加 了
122. 27%,说明高浓度Cd胁迫使 MDA 在植物体内
大量积累 ,膜脂过氧化水平升高 ,膜结构损伤程度加
深 ,使得植物抗重金属能力减弱。
图 3　Cd 胁迫对天蓝苜蓿叶片 MDA 的影响
F ig . 3　Effects of Cd on the concent of MDA in
Medicago lupulina L. leaves
2. 4　Cd胁迫对天蓝苜蓿活性氧清除系统酶的影响
Cd胁迫对天蓝苜蓿活性氧清除系统酶的影响
如图 4所示 ,天蓝苜蓿 3 种酶活性随 Cd浓度的升
高呈先升后降的趋势 , 但对 Cd 的敏感程度不同 。
在浓度为 1. 0mg /L 时 , SOD活性达峰值 ,比对照增
加了 51. 02%。POD 、CA T 酶活性在 Cd处理浓度
为 5. 0mg kg - 1时达峰值 。3种酶活性在峰值后均
呈下降趋势 , 3 种保护酶对 Cd 敏感性表现为 SOD
>POD>CAT 。 3 种酶与 Cd 浓度呈曲线回归关
系 ,其相关程度为 SOD>POD>CA T。
SOD 、CA T 共同作用能把 O 2 - 和 H 2O 2 转化成
H 2O和 O2 ,并能减少毒性和高活性的 OH 的形
成;POD和CA T 则可催化 H2O2 形成 H2O ,从而有
效阻止 O 2 - 和 H2O2 的积累 ,限制这些自由基对膜
脂过氧化的启动[ 4 ～ 6] 。POD 、SOD 、CA T 共同组成
植物体内一个有效的活性氧清除系统 ,有效清除植
物体内的自由基和过氧化物[ 4 , 7] 。本试验中 ,低 Cd
胁迫时(<5. 0 mg kg - 1), SOD 、POD 、CA T 酶活
性一直上升 ,说明 SOD 、POD 、CAT 确实起到了清
除活性氧的作用 。高浓度 Cd胁迫使天蓝苜蓿体内
活性氧清除系统遭到破坏 , SOD 、POD 、CA T 活性
大大降低(图 4),造成对活性氧的清除能力的下降 ,
O
-
2 和 H 2O 2 等自由基和过氧化物在植物体内累
积 ,造成膜脂过氧化 ,膜结构损伤 ,加速了组织细胞
的衰老 ,高 Cd浓度下(>5. 0mg kg - 1)MDA 含量
的上升也说明了这一点 。高 Cd浓度下 ,3种酶活性
均有不同程度的下降 ,说明其活性受到了不同程度
抑制 。这是由于 Cd2+结合酶活性中心或蛋白巯基
而取代蛋白反应中心的必需金属 Ca 、Fe 、Zn ,释放
自由离子 ,诱发氧化胁迫 ,引起膜脂的过氧化 ,导致
膜的损伤[ 10] 。高浓度 Cd2+会明显抑制抗氧化酶活
性 ,加剧活性氧的释放 , 导致植物生长严重受抑
制[ 11 , 12 , 19] 。
图 4　Cd对天蓝苜蓿叶片 POD 、CAT 、SOD活性的影响
Fig. 4　Effects of Cd on the activities of POD 、CAT 、SOD in
Medicago lupulina L. leave s
　　因为 Cd干扰了抗氧化酶的分子结构或改变了
其空间结构或产生了大量活性氧自由基超过了保护
酶清除范围 ,在低 、高浓度 Cd2+胁迫下 ,植物分别表
现出抗氧化活性增加和减少两种情况 ,说明抗氧化
酶系统既具有解毒功能 ,同时又是 Cd2+植物毒性的
作用位点[ 9] 。
3　结论
低浓度 Cd 胁迫下天蓝苜蓿生物量略有升高 ,
而电导率和 MDA 含量升高的幅度却很小 ,说明低
浓度 Cd胁迫对天蓝苜蓿的生长影响较小 ,天蓝苜
蓿对低浓度 Cd 胁迫具有一定的应激反应和耐性。
高浓度 Cd胁迫使MDA 在植物体内大量积累 ,电导
率显著增加 ,显示膜脂过氧化水平升高 , 膜透性增
大 ,膜结构损伤程度加深 ,使得植物抗重金属能力减
弱。高浓度 Cd胁迫使天蓝苜蓿体内活性氧清除系
统遭到破坏 , SOD 、POD 、CAT 活性大大降低 ,造成
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刘雪云　陈明林　杨　艳　汪　敏　刘登义　　镉胁迫下天蓝苜蓿的生理生态响应
对活性氧的清除能力下降和 H 2O 2 等自由基和过氧
化物在植物体内累积 , 造成膜脂过氧化 ,膜结构损
伤 ,加速了组织细胞的衰老 。天蓝苜蓿抗氧化酶活
性随 Cd浓度的增加呈先增加后减少的趋势 ,说明
抗氧化酶系统既具有解毒功能 ,同时又是 Cd2+植物
毒性的作用位点。3种保护酶对 Cd 敏感性表现为
SOD>POD>CAT 。
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中国草地学报　2007年　第 29 卷　第 2 期
Physi-ecological Responses of Medicago lupulina
L. to Cadmium Stress
LIU Xue-yun ,CHEN M ing-lin ,YANG Yan ,WANG Min , LIU Deng-yi
(B iodiversity Research Center /Prov incial K ey Laboratory o f Conservation and E xploi tation o f
B iological Resources , Anhui Normal University ,Wuhu 241000 , China)
Abstract:The study w ith pot experiment showed that the f resh weight of Medicago lupulina L. , above-
ground and under-g round fresh weight of Medicago lupul ina L. decreased wi th increasing Cd concentra-
tion. The pe rmeability of cell membrane and content of MDA increased w ith increasing Cd concentration.
There w as a signi ficant co rrelation betw een these tw o indices and Cd concentrat ion (0. 955** and
0. 984** , respectiv ely). With increasing Cd concentration , antio xidat ive enzyme activi ties rised a t first ,
then fell. P lant antio xidat ive enzyme sy stem does no t only have deto xification function but also is the reac-
tional si te of Cd
2+
phy to-toxicity . The sensibility of antioxidative enzymes to Cd st ress w as SOD>POD>
CA T.
Key words:Cadmium ;Medicago lupulina L. ;Cel l membrane;Antio xidat ive enzyme
【责任编辑　胡卉芳】
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刘雪云　陈明林　杨　艳　汪　敏　刘登义　　镉胁迫下天蓝苜蓿的生理生态响应