全 文 ：铜污染对天蓝苜蓿幼苗生长及活性氧代谢的影响＊
储　玲1 , 2 　晋　松1 , 2　吴学峰1 , 2 　刘登义1 , 2＊＊
(1 安徽师范大学重要生物资源保护与利用研究安徽省重点实验室 , 芜湖 241000;2 安徽师范大学生命科学学院
生物多样性研究中心 , 芜湖 241000)
摘　要　通过盆栽实验研究了重金属铜(Cu)污染对天蓝苜蓿(Medicago lupulina L.)幼苗的生长及活
性氧代谢系统的影响。结果表明 ,低 Cu污染(<500 mg·kg-1)对天蓝苜蓿幼苗生长无明显抑制现象 ,
甚至还具有一定的促进作用 ,电导率略微升高 ,而植株鲜重 、干重 、叶片可溶性蛋白质含量及叶片色素
含量均在 500 mg·kg -1处理浓度时达到峰值。同时 ,丙二醛(MDA)水平降低 , 活性氧清除系统内超氧
化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性均略微升高 , 保护酶系统仍保持平衡。
但随 Cu 浓度继续增加(500—3 000 mg·kg-1)则显示对幼苗生长的一定的负效应 , 与对照组相比 , 植株
鲜重 、干重和可溶性蛋白质含量均显著下降 , 叶片电导率明显增大 , MDA 水平上升 ,且 SOD和 CAT 活
性显著下降(分别下降了 19.14%和 20.81%),而 POD活性却明显上升(比对照上升了 2.01 倍), 表明
活性氧清除系统遭到破坏 ,保护酶系统失衡。
关键词　铜 , 天蓝苜蓿 , 生长 , 活性氧代谢
中图分类号　X171.5　　　文献标识码　A　　　文章编号　1000-4890(2006)12-1481-05
Ef fects of Cu pollution on Medicago lupulina L.seedlings growth and active oxygen metabolism.CHU
Ling1 , 2 , JIN Song1 , 2 , WU Xuefeng1 , 2 , L IU Dengyi1 , 2(1Provincial Key Laboratory of Conservation and
Exploitation of Biological Resources , Anhui Normal University , Wuhu 241000 , China ;2Biodiversity Re-
search Center , Anhui Normal University , Wuhu 241000 , China).Chinese Journal of Ecology , 2006 , 25
(12):1481 ～ 1485.
The study with pot experiment showed that low concentrations of Cu (<500 mg·kg-1)had no obvious in-
hibitory effects on the seedlings g rowth of Medicago lupulina L., while in adverse , could promo te it.The
leaf electric conductivity increased slightly , and the plant fresh and dry weights as w ell as the leaf soluble pro-
tein and pigments contents all reached their highest values at 500 mg Cu·kg-1.In the meantime, leaf MDA
content decreased , supero xide dismutase(SOD), ca talase(CAT)and perox idase(POD)activities slightly in-
creased , and protective enzyme sy stem still kept in balance.How ever , definite negative effects of Cu were ob-
served w ith the increase of Cu concentration(500—3000 mg·kg-1).Compared with the control , the plant
fresh and dry weights as well as the leaf soluble protein and pigments contents decreased drastically , and leaf
electric conductivity and malondialdehyde(MDA)content increased rapidly.Meanw hile , the POD activity
increased obviously while SOD and CAT activities decreased markedly , w hich indicated that the active oxygen
metabolism system was destroyed , and the balance of protective enzyme system w as broken.
Key words　copper , Medicago lupulina L., g rowth , active oxygen metabolism.
＊国家重点基础研究发展规划项目(2004CB418503)、国家自然科学
基金(30470270)、安徽省教育厅自然科学基金(2005kj183)和安徽师
范大学校青年资金资助项目(2005xqn11)。
＊＊通讯作者
收稿日期:2005-12-28　　接受日期:2006-09-20
1　引　言
土壤环境中出现的污染问题引起了人们的广泛
关注。重金属 Cu 是常见的有毒环境污染物质之
一 ,由于矿产开采与冶金业的迅猛发展 ,大量 Cu 进
入环境造成污染 。吴燕玉等[ 9] 、胡正义等[ 11]研究了
Cu等重金属污染物在农田生态系统中的迁移动态
和转化情况;王友保等[ 3]对 Cu , As等重金属对作物
种子萌发和幼苗生长的影响情况 ,郑春荣等[ 10] 、余
国营等[ 7] 对 Cu , Pb , Zn等重金属污染物对土壤 、作
物系统的危害情况均进行了报道;Abuzid[ 16]就 Cu
污染对植物 、重金属对玉米幼苗生长的影响情况也
进行了较为深入的研究 。但以上研究对象多为水
稻 、小麦 、玉米等农作物 ,而对于矿业废弃地复垦植
物受重金属毒害的研究甚少。近年来 ,随着矿业开
采 ,工矿业废弃地面积已占污染土壤相当大比例 ,因
此矿业废弃地复垦工作已引起人们的重视[ 14] ,对复
垦植物的研究也显得意义重大。笔者在安徽铜陵五
公里铜尾矿废弃地进行实地调查时发现 ,豆科植物
生态学杂志 Chinese Journal of Ecology　2006 , 25(12):1481～ 1485　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　
DOI :10.13292/j.1000-4890.2006.0282
天蓝苜蓿(Medicago lupulina L.)为当地植被的优
势种[ 14] 。故本文以安徽铜陵铜尾矿废弃地自然定
居的天蓝苜蓿为例 ,通过盆栽实验研究了 Cu 对天
蓝苜蓿几项生理指标的影响 ,为深入研究 Cu 污染
对野生植物的毒害原理和天蓝苜蓿的耐铜机制提供
理论依据 ,并为进一步开展对铜尾矿废弃地的植被
复垦和生态恢复工作提供参考 。
2　材料与方法
2.1　实验材料与设计
2.1.1　供试植物　天蓝苜蓿幼株 ,采于安徽铜陵五
公里铜尾矿废弃地 。在花房中稳苗 2周后 ,选取植
株高度 、生物量大致相同的天蓝苜蓿幼苗进行栽培 。
2.1.2　实验设计　以安徽师范大学校园土为栽培
土 ,一次性加入 CuSO4·5H2O ,使土壤含 Cu量(以纯
Cu 计算)分别为500 、1 000 、2 000和3 000 mg·kg-1
土 ,以安徽师范大学校园土为对照 。在花房内进行
盆栽实验 ,每花盆装土 2 kg ,分别栽 10株天蓝苜蓿
幼株 ,每盆设 3个重复。60 d后取样测试 。
2.2　测试指标与方法
2.2.1　植株生长状况　测定植株干重和鲜重生物
量(mg)。
2.2.2　蛋白质含量 　采用考马斯亮蓝 G-250
法[ 4] ,于 595 nm 处测定光密度(mg·g-1FW)。
2.2.3　叶片细胞膜透性　称取天蓝苜蓿叶片 0.2
g ,剪成约 1 cm 长小段 ,加入装有 20 ml蒸馏水的三
角瓶中 ,振荡 50 ～ 60 min ,由 DDS-12型电导率仪测
定电导率(μs·cm-1)。
2.2.4 　MDA 水平 　按林植芳的硫代巴比妥酸
(TBA)法[ 6]测定(μmol·g-1 FW)。
2.2.5　叶片色素含量　分别取鲜叶0.25 g ,采用分
光光度法[ 6] ,用 80%丙酮研磨提取后 ,于 663 、645
和 440 nm 处测定光密度(mg·g-1 FW)。
2.2.6　保护酶活性　POD活性采用分光光度法[ 6] ,
在470 nm 波长下测定光密度 ,以每分钟光密度的变
化值 ,即 ΔOD470 min-1·g-1FW为酶活性单位。
CAT 活性采用过氧化氢分解量法[ 1] 测定 (U·
g-1 FW·min-1)。
SOD活性利用其对氮蓝四唑(NBT)的光抑制作
用[ 4] ,酶液在 15 000 r·min-1冷冻离心 15 min ,于 560
nm处测定其光密度(ΔOD560·g-1 FW·h-1)。
2.3　数据处理
采用 SPSS(V 11.5)统计软件 , 差异显著性
(P<0.05 , P<0.01)采用 ANOVA方法检验 。
3　结果与分析
3.1　Cu处理对天蓝苜蓿幼苗生长的影响
梯度浓度的 Cu处理后的天蓝苜蓿幼苗 ,在各
项生长指标上的变化均表现出一致的规律性:植株
单株鲜重 、干重和叶片可溶性蛋白质含量均在低 Cu
浓度(<500 mg·kg-1)时略微升高 ,然后随着 Cu浓
度增加而递减(表 1),但总体呈递增趋势 ,相关系数
r 分别为-0.963＊＊ , -0.925＊和-0.969＊＊(＊显
著相关性 P <0.05 , ＊＊极显著相关性 P <0.01 ,下
同)。低 Cu 浓度时 ,鲜重和干重相比对照各增加
6.53%和 10.33%。当 Cu浓度递增时 ,鲜重相比对
照依次下降 11.59%、54.84%和 69.88%;而干重与
对照 相比先上 升 0.35%, 再下 降 49.82%和
58.72%。
表 1　不同 Cu浓度对天蓝苜蓿生长与蛋白质含量的影响
Tab.1　Effects of Cu concentrations on the growth and protein content
of M.lupulina
Cu浓度
(mg·kg-1)
单株鲜重(mg) 单株干重(mg) 蛋白质含量(mg·g-1FW)
0(对照) 3265.8±189.7 2071.0±145.9 391.2±24.7
500 3479.1±175.9 2285.0±157.1 415.5±23.4
1000 2887.2±109.6 2072.8±168.2 359.4±19.5
2000 1474.9±116.4 1039.2±69.6 261.7±14.7
3000 983.5±74.5 855.0±47.8 159.8±11.9
注:平均数±标准差(n=3),下同。
3.2　Cu处理对天蓝苜蓿叶片细胞膜损伤程度的影
响
3.2.1　Cu处理对天蓝苜蓿叶片电导率的影响　细
胞膜是选择透过性膜 ,它能调节和控制细胞内外物
质的运输和交换 ,其透性是评定植物对污染物反应
的指标之一[ 15] 。天蓝苜蓿叶片外渗液电导率随 Cu
浓度的增加先略升再迅速上升 ,总体呈上升趋势 ,呈
极显著正相关(图 1),相关系数为 0.979＊＊。在 Cu
处理下 , 500 、1 000 、2 000和 3 000 mg·kg-1浓度情
况下 , 叶片电导率分别是对照组的 102.96%,
137.63%,155.99%和 183.92%。
3.2.2　Cu处理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 , 15] 。天
蓝苜蓿叶片 MDA 含量随 Cu浓度先略降再逐渐升
高(图 2),呈显著正相关 ,相关系数为 0.903＊。由
图 2可见 ,Cu污染对叶片膜脂过氧化水平的影响显
1482　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　生态学杂志　第 25卷　第 12 期　
著 ,在浓度为 500 、1 000 、2 000和 3 000 mg·kg -1的
Cu 处理下 , 叶片 MDA 含量分别是对照组的
92.70%、108.46%、118.16%和 180.43%。
3.3　Cu处理对天蓝苜蓿叶片色素含量的影响
叶绿素是植物进行光合作用的色素 ,叶绿素含
量高低在一定程度上反映了光合作用水平的高低 。
叶绿素含量低 ,光合作用弱 , 会导致植株鲜重降
低[ 5 ,13 , 15] 。Cu处理下 ,天蓝苜蓿叶片叶绿素 a、b 、
a+b和类胡萝卜素的含量均在低 Cu 浓度(<500
mg·kg -1)时增高 ,然后随 Cu浓度的增加而递减 ,总
体呈下降趋势 ,呈显著或极显著负相关性(图 3),相
关系数 r 分别是 -0.941＊ , -0.951＊ , -0.964＊＊
和-0.969＊＊。
3.4　Cu处理对天蓝苜蓿保护酶系统(SOD 、POD 、
CAT)的影响
SOD 、POD 、CAT 共同组成植物体内一个有效
的活性氧清除系统 ,三者协调一致的共同作用 ,能有
效地清除植物体内的自由基和过氧化物[ 2 ,13 , 17] 。
经梯度浓度Cu处理后 ,叶片 SOD和CAT 活性均在
500 mg·kg -1浓度 Cu处理下达到峰值(图 4),分别
为对照组的 111.11%和102.79%。然后随Cu浓度
的继续增大而下降 ,在 1 000 、2 000 和 3 000 mg·
kg
-1
3 个浓度下 , SOD活性分别比对照组下降了
3.09%、7.64%和 19.14%,总体呈下降趋势 ,相关
系数 r 为-0.862 ,不呈显著相关性;CAT 活性分别
比对照降低了 5.51%, 17.57%和 20.81%,总体呈
下降趋势 , 呈极显著相关性 , r 为 -0.973＊＊。而
POD活性则随Cu浓度的增高而逐渐增加(图4),与
对照组相比增加了 2.01倍 ,呈极显著相关性 , r 为
0.994＊＊。
4　讨　论
4.1　Cu处理对天蓝苜蓿幼苗生长的影响
随着Cu浓度(0 ～ 3 000 mg·kg-1)的增加 ,天蓝
苜蓿幼株鲜重 、干重 、可溶性蛋白质含量以及叶绿素
a 、b 、a+b和类胡萝卜素均先增大后减小 ,且各指标
在 Cu浓度为 500 mg·kg-1时 ,均达到峰值。
幼苗各指标在低 Cu 浓度(<500 mg·kg-1)时
增大 ,当 Cu微量存在时 ,细胞代谢活动旺盛 、分裂
1483储　玲等:铜污染对天蓝苜蓿幼苗生长及活性氧代谢的影响
速度加快 ,促使植株生长迅速 ,长势良好 ,因而各指
标值升高 。这与王友保等[ 3]的探讨根尖有丝分裂
指数的结论相一致。
随Cu浓度增大(500 ～ 3 000 mg·kg-1),植株生
物量下降 ,主要是高浓度的 Cu对植株根系造成胁
迫 ,使其幼苗根尖细胞有丝分裂数减少 ,分裂速度减
慢 ,导致幼苗生长缓慢 ,长势不良。可溶性蛋白质含
量降低 ,是由于重金属胁迫破坏了细胞的蛋白质合
成系统 ,使蛋白质合成受阻;而且保护酶系统的失衡
对蛋白质合成系统的紊乱也有间接影响 。总之 ,重
金属 Cu可以通过影响酶促进生理活动 ,进而对植
物的光合作用 、呼吸代谢功能产生不良影响[ 10] 。而
叶绿素的减少 ,一是 Cu离子被植物吸收后 ,细胞内
的重金属离子作用于叶绿素合成途径的几种酶(原
叶绿素酯还原酶 ,δ-氨基乙酰丙酸合成酶和胆色素
原脱氨酶)的肽链中富含-SH 的部分 ,改变了它们的
正常构型 ,抑制了酶的活性并阻碍了叶绿素的合
成[ 3 ,5 ,13 , 15] ;二是重金属胁迫条件下植株体内活性
氧自由基增多 ,引起了叶绿素含量的减少。同时 ,
Cu离子也可以直接损伤植物的质膜系统而影响其
生理代谢水平 ,主要表现在电导率和 MDA 两项指
标上。当大量 Cu离子进入天蓝苜蓿后 ,植物体内
Cu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 ,膜系统遭到破坏 ,透性增大 ,细胞内一些可
溶性物质外渗 , 从而导致电导率增大[ 3] 。同时 ,
MDA水平升高 , MDA 是膜脂过氧化的重要产物 ,
其水平直接反映了细胞膜的受破坏程度 。细胞内可
溶性物质外渗 ,可能破坏细胞内酶及代谢作用原有
的区域 ,使细胞代谢紊乱 ,从而出现生物量下降和叶
片褪绿情况 ,使植株出现受毒害症状[ 5] 。
4.2　Cu处理对天蓝苜蓿幼苗活性氧清除系统的影
响
Cu离子同样也对植株活性氧清除系统产生影
响。在低 Cu浓度(<500 mg·kg-1)时 ,天蓝苜蓿体
内SOD 、POD和 CAT 活性均略微升高 ,使保护酶系
统仍能保持平衡 ,从而保证植物自身正常的生长代
谢。当Cu浓度继续升高时 ,SOD和 CAT 活性随之
降低 ,但 POD活性仍继续升高 ,导致保护酶系统原
来的平衡被打破 。
近年来的研究表明 ,逆境下植物产生更多的活
性氧自由基 ,引起膜脂过氧化而导致膜系统受损 ,最
终使组织受到破坏 。SOD 、POD 和 CAT 则共同组
成植物体内一个有效的活性氧清除系统 ,能够有效
地清除植物体内的自由基和过氧化物[ 2 , 13 ,17] 。其
中 SOD是存在于植物细胞中最重要的清除氧自由
基的酶之一 , 其主要功能是清除 O-·2 ,产生 H2O2;
CAT 和 SOD 共同作用能把 O-·2 和 H2O2 转化成
H2O和 O2 ,并起到减少毒性和高活性的·OH 的形
成的作用;POD 可以清除体内的 H2O2 ,而 CAT 和
POD共同作用又可催化 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[ 5 ,8 ,18 , 19 ,20] 。本实验中 ,低浓度 Cu处
理后 , SOD 、POD 和 CAT 的活性均有所提高 ,说明
植物在轻微逆境中 ,体内已经产生了相应的活性氧
自由基 ,而植株为避免遭受伤害做出了相应的适应
性反应 ,此时保护酶系统仍处于正常状态 ,植株自身
生长代谢也趋于正常。随着 Cu 浓度的增加 ,重金
属对植株的胁迫加重 。Cu进入植物体内后通过一
系列的生理生化反应产生了对自身有害的过氧化
物 ,随着这种物质的增加 ,POD利用 H2O2 来催化这
些过氧化物的氧化分解 ,因此 ,随植物体内这些
POD的底物浓度的增加 ,致使 POD活性逐渐增加。
而对于 CAT 和 SOD来说 ,活性氧自由基的产生可
能已超过 SOD 、POD等抗氧化系的清除能力 ,造成
保护酶系统的平衡被打破 ,不能有效地阻止 O2-·和
H2O2的积累 ,导致植物体内活性氧过多 ,最终引起
植物的生理代谢紊乱[ 5 , 15] 。
参考文献
[ 1] 　山东农学院.1980.植物生理学实验指导[ M] .济南:山东科
技出版社 , 109～ 112.
[ 2] 　马成仓.1998.Hg 对油茶叶细胞膜的损伤及细胞的自身保护
作用[ J] .应用生态学报 , 9(3):323～ 326.
[ 3] 　王友保 , 刘登义.2001.Cu , As及其复合污染对小麦生理生态
指标的影响[ J] .应用生态学报 , 12(5):773～ 776.
[ 4] 　朱广廉.1990.植物生理学实验指导[ M ] .北京:北京大学出
版社 , 51～ 53 , 126～ 130.
[ 5] 　刘登义 , 王友保 , 张徐祥 , 等.2002.污灌对小麦幼苗生长及
活性氧代谢的影响[ J] .应用生态学报 , 13(2):179～ 182.
[ 6] 　陈建勋.2002.植物生理学实验指导[ M ] .广州:华南理工大
学出版社.
[ 7] 　余国营 , 吴燕玉 , 王　新.1995.重金属复合污染对大豆生长
的影响及其综合评价研究[ J] .应用生态学报 , 6(3):433 ～
439.
[ 8] 　严重玲 , 洪业汤 , 付舜珍 , 等.1997.Cd , Pb胁迫对烟草叶片
中活性氧清除系统的影响[ J] .生态学报 , 17(5):488～ 492.
[ 9] 　吴燕玉 , 王　新 , 梁仁禄 , 等.1998.Cd , Pb , Cu , Zn , As 复
合污染在农田生态系统的迁移动态研究[ J] .环境科学学报 ,
18(4):407～ 414.
[ 10] 　郑春荣, 陈怀满.1990.土壤-水稻系统中重金属的迁移及其
对土壤的影响[ J] .环境科学学报 , 10(2):145～ 152.
[ 11] 　胡正义 , 沈　宏 , 曾志洪.2002.Cu污染土壤-水稻系统中 Cu
1484　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　生态学杂志　第 25卷　第 12 期　
的分布特征[ J] .环境科学 , 21(2):62～ 65.
[ 12] 　徐勤松 , 施国新 , 杜开和.2001.Cd2+胁迫对水车前叶片抗氧
化酶系统和亚显微结构的影响[ J] .农村生态环境 , 17(2):30
～ 34.
[ 13] 　徐勤松 , 施国新.2003.Cd , Zn 复合污染对水车前叶绿素含量
和活性氧清除系统的影响[ J] .生态学杂志 , 22(1):5～ 8.
[ 14] 　储　玲 , 王友保 , 刘登义.2003.安徽铜陵五公里铜尾矿废弃
地的植被调查[ J] .生物学杂志 , 20(1):15～ 19.
[ 15] 　储　玲 , 刘登义 , 王友保 , 等.2004.铜污染对三叶草幼苗生
长及活性氧代谢影响研究[ J] .应用生态学报 , 1(15):120～
122.
[ 16] Abuzid MM.1992.C opper pollution on plants and the uptake of
heavy metals by corn seedlings [ J] .Moscow U niv .Soi l S ci.
Bu ll., 47(3):37～ 39.
[ 17] 　Chis B , Marc VH , Dirk I.1992.Superoxide dismutase and
st ress tolerance [ J] .Annu.Rev .P lant Physiol.Plant Mol.
B iol., 42(1):83～ 116.
[ 18] 　Cilina M L , Claudio AG , Victorio ST.1994.Oxidative damage
caused by an excess of copper in oat leaves [ J] .Plant Cel l Phys-
iol., 35:11～ 15.
[ 19] 　Panla KP , Thompson JE.1984.Evidence for the accumulation
of peroxidized lipids in membranes of senescing cotyledons [ J] .
P lant Physiol., 75:1152～ 1157.
[ 20] 　S candalios JG.1993.Oxygen st ress and superoxide dismu tase
[ J] .Plan t Physiol., 101(1):7～ 12.
作者简介　储　玲 ,女 , 1977 年 6 月生 ,博士研究生。主要从
事污染生态学和恢复生态学研究, 发表论文 6 篇。 E-mail:
chuling7776@sina.com
责任编辑　王　伟
《生态学杂志》2005年影响因子和总被引频次
分别居国内生物学类期刊第 6名和第 8名
　　根据中国科学技术信息研究所 2006年 10月发布的《2006年版·中国科技期刊引证报告(核心版)》:《生
态学杂志》2005年影响因子为 0.944 ,在国内 58种生物学类期刊中排名第 6位(在国内 1652种科技核心期
刊中排名第 111位);2005年总被引频次为 1486 ,在国内 58种生物学类期刊中排列第 8位(在国内 1652种
科技核心期刊中排名第 115位)。
2005年生物学类期刊影响因子和总被引频次排序表(节选)＊
排名 刊名 影响因子 排名 刊名 总被引频次
1 生态学报 1.688 1 应用生态学报 5270
2 应用生态学报 1.680 2 生态学报 5233
3 植物生态学报 1.523 3 Journal of Integ rative Plant Biology 3134
4 生物多样性 1.129 4 植物生态学报 2383
5 遗传学报 1.050 5 植物生理学通讯 2172
6 生态学杂志 0.944 6 西北植物学报 1648
7 生物磁学 0.910 7 遗传学报 1642
8 动物学报 0.867 8 生态学杂志 1486
9 植物生理与分子生物学学报 0.817 9 植物生理与分子生物学学报 1412
10 昆虫学报 0.767 10 水生生物学报 1108
注:＊引自《2006 年版·中国科技期刊引证报告(核心版)》 。
1485储　玲等:铜污染对天蓝苜蓿幼苗生长及活性氧代谢的影响