全 文 ：农业环境科学学报 2008,27(3):1057-1065
JournalofAgro-EnvironmentScience
摘 要:采用苗期水培的方法,研究铜胁迫和营养缺失及二者的复合作用对矿区和非矿区长萼鸡眼草生长及氮代谢的影响差异。
结果表明,植物吸收的Cu绝大部分分配在植物的根部。Cu胁迫使植物组织中硝态氮(NO-3)含量和硝酸还原酶(NR)活性降低,使植
物叶中铵态氮(NH+4)含量和谷氨酰胺合成酶(GS)活性升高,植物生物量减少。Cu胁迫下矿区植物叶中 Cu含量、根中 GS活性比非
矿区的低,矿区植物叶生物量、组织中NR活性比非矿区的高。营养缺失使植物组织中NH+4含量、NO-3含量、NR活性、GS活性显著降
低,根生物量显著增加,且矿区植物叶中GS活性的变化比非矿区的少。Cu胁迫营养缺失复合作用使植物组织中 Cu含量、叶中 GS
活性显著升高,使根生物量、根中NR活性显著降低,且矿区植物叶中Cu含量增加的比非矿区的少。低营养胁迫可促进长萼鸡眼草
对外源 Cu的吸收,同时也刺激了植物根的生长,Cu胁迫和营养缺失环境下非矿区植物氮代谢的紊乱程度要比矿区的高,来源于矿
区的植物对贫瘠和高Cu环境表现出更强的适应性。Cu及营养缺失对植物氮代谢的影响是非常复杂的,与植物组织中可利用氮和
碳的改变有关,也与植物组织中酶活性的直接改变有关。
关键词:长萼鸡眼草;Cu胁迫;营养缺失;氮代谢;生长
中图分类号:Q945.78文献标识码:A 文章编号:1672-2043(2008)03-1057-09
收稿日期:2007-08-15
基金项目:国家自然科学基金项目(20477032)
作者简介:甘金华(1979—),女,硕士研究生,主要从事生态毒理学研究。E-Mail:Rabbit_gjh@sina.com
铜胁迫对两种不同来源长萼鸡眼草生长及氮代谢的影响
甘金华 1,李进平 2,熊治廷 2,李 荣 1
(1.中国水产科学研究院长江水产研究所,湖北 荆州 434000;2.武汉大学资源与环境科学学院,湖北 武汉 430079)
Effects of Copper Stress on Growth and Nitrogen Metabolism of Kummerowia stipulacea(Maxim.)Makino
from TwoDifferent Sites
GANJin-hua1,LIJin-ping2,XIONGZhi-ting2,LIRo1
(1.YangtzeRiverFisheriesResearchInstitute, ChineseAcademyofFisherySciences, Jingzhou 434000, China;2. SchoolofResource and
EnvironmentalScience,WuhanUniversity,Wuhan430079,China)
Abstract:Aresearchwasmadeontheeffectsofcopperstressandnutrientdeficiencyaswellastheircombinationalactionongrowthandni-
trogenmetabolismofKummerowiastipulacea(Maxim.)Makinofromacoppermine-fieldandfromanuncontaminatedonebyusingsolution
cultureofseedlings.Theresultsshowedthatthecopperabsorbedbytheplantwasmostlydistributedintheroot,andthecontentofnitrateni-
trogenandnitratereductase(NR)activityintheplanttissuedecreasedundercopperstress, withtheammoniumnitrogen(NH+4)contentand
glutamine synthetase(GS)activityin the leafincreasingand the plant biomass decreasing. Under the copper stress, copper content in the
leafandGSactivityintherootoftheplantfromacoperminefieldsitewerelowerthanthosefromtheuncontaminatedone,whilethebiomass
oftheleafandNRactivityinthetissueoftheplantfromtheminefieldsitewerehigherthanfromtheuncontaminatedone.Nutrientdeficien-
cymadeNH+4andNO-3contentsandNRandGS activitiesintheplanttissuedecreasesignificantly, whilecausingthebiomassoftherootto
increasesubstantially.Furthermore,theactivityofGSintheleafoftheplantfromtheminesitechangedlessgreatlythanthatfromtheuncon-
taminatedone. ThecombinationalactionofbothCustressandnutrientdeficiencymadecoppercontentintheplanttissueandGSactivityin
theleafincreasesignificantly, whilecausingthebiomassofandNRactivityintheroottodecreasesubstantially. Besides, thecontentofcop-
perintheleafoftheplantfromtheminesiteincreasedlessthanthatfromtheuncontaminatedone.Thus, itcanbeconcludedthatthenutri-
tion deficiencystress could promote the absorption ofexogeneous copper byKorean Lespedeza Kummerrowia stipulacea(Lesp d za sti u-
lacea)and the growth of the root simultaneously, while under the combined stress of copper stress and nutrient deficiency, nitrogen
2008年5月
Cu是植物生长必需的微量元素之一,参与植物光
合作用等许多过程,在植物的生长发育过程中起着重
要的作用[1]。但Cu也是具有潜在毒性的元素,是土壤
中主要污染物。大部分植物以土壤有效Cu含量低于
5mg·kg-1为缺乏临界值[2]。铜作为仅次于铁的重要工
业原料,通过采矿废弃物、工业污泥与污水、大气沉
降、家畜粪肥、化肥及农药等多种形式进入到土壤
中[3],使土壤中Cu的污染日益严重[4]。Cu对植物的毒
性作用,归根结底在于Cu对植物体内正常的物质代
谢的干扰,以及对细胞结构和功能的干扰和破坏[5]。
长萼鸡眼草Kummerowiastipulacea(Maxim.)Maki-
no,英文名:Koreanlespedeza,豆目,蝶形花科,鸡眼草
属,一年生草本,广泛分布于我国各省市[6]。大冶铜绿
山是我国古代大型铜矿之一,已有 3000多年的历
史,其土壤具有高铜等特点[7]。经野外调查发现长萼鸡
眼草在大冶铜绿山废弃铜矿区为优势种植物之一。生
长于铜矿区的长萼鸡眼草在长期的自然选择压力下
会进化出某些生长于非污染区植物所不具有的抗铜
机制进而形成一种新的生态型[8]。
氮是植物生长重要的营养元素,植物吸收的氮素
形态主要有无机态氮(硝态氮和铵态氮)、有机态氮如
尿素等。硝态氮被植物吸收后只有转化为铵态氮才能
被利用。在植物体内NO-3还原为NH+4需要两种酶,即
硝酸还原酶(NR)和亚硝酸还原酶(NiR)的催化才能
完成。硝酸还原酶是氮代谢过程中的第一个酶,也是
硝酸盐同化过程中的限速酶,它是一种底物诱导酶,
催化硝态氮到亚硝态氮的转化,已证明这是硝酸盐同
化过程中的关键步骤[9]。Cu积累不仅影响硝酸盐的转
运而且减少 NR酶催化生成亚硝酸盐。根部吸收的
NH+4,或由硝酸盐还原和分子氮固定产生的氨,均可
与呼吸作用所产生的各种酮酸形成氨基酸。铵态氮转
入碳架主要是通过 GS和 GOGAT酶来实现的[10]。氮
素的吸收和同化与植物的很多生理生化过程关系密
切,因此研究环境有害物质对植物氮代谢的影响具有
广泛的理论和实际意义。
本试验的目的是研究 Cu胁迫和营养缺失对长
萼鸡眼草氮代谢的影响,以揭示 Cu胁迫、营养缺失
及它们的复合作用对长萼鸡眼草营养生长期氮代谢
的影响机制。
1 材料与方法
1.1材料及幼苗预培养
试验材料:长萼鸡眼草 Kummerowia stipulacea
(Maxim.)Makino,英文名:Koreanlespedeza,豆目,蝶形
花科,鸡眼草属,一年生草本。试验用长萼鸡眼草
Kummerowiastipulacea(Maxim.)Makino种子分别取自
大冶铜绿山(矿区种子)和武大附中草坪(非矿区种
子)。铜试剂为购于武汉博大化学试剂仪器有限公司
CuSO4·5H2O,分析纯。
幼苗期试验材料的培养与处理:长萼鸡眼草种子
用砂纸进行物理打磨至种胚处隐约露出白色即可,用
二次蒸馏水冲洗置于恒温培养箱中,于(25±1)℃恒
温、75%的湿度条件下浸泡过夜至发芽。将发芽的种
子播入石英砂中固定一星期后,用Hoagland全营养液
培养一个月,然后分别用1/2Hoagland营养液和1/20
Hoagland营养液恢复培养一星期后进行染毒处理。
染毒的浓度根据预备试验确定为 10μmol·L-1Cu
(CuSO4·5H2O,AR)溶液。以后每隔 3 d换一次培养
液,两星期后收获。试验处理方案如表1所示。所有试
验处理均在自然光照下培养,水培所用的蒸馏水均暴
气12h后才使用。
1.2测定方法
生物量、植物体内的Cu含量、硝态氮、脯氨酸的
测定方法参考李合生等[11]。铵态氮的测定方法参考Chen
和Kao[12]。NR的测定方法采用活体法[11]。GS的测定方
法见文献[13]。实验所作标准曲线相关系数均在0.999
表1实验处理方案(每个处理3个重复,每盆12株)
Table1 Scheduleoftheexperimentaltreatments(3repl cations,
12plantsperpot)
metabolismin the plant fromthe uncontaminated site would be more disturbed than that in the plant fromthe copper mine field one which
displayed more adaptabilitytothe barren environment ofhigh copper content. Effects ofcopper stress and nutrient deficiencyon nitrogen
metabolismintheplantrelatednotonlytochangesofnitrogenandcarbonavailableinplantbutalsodirectlytochangesofenzymeactivityin
theplanttissue.
Keywords:Kummerowiastipulacea(Maxim.)Makino;copperstress;nutrientdeficiency;nitrogenmetabolism;growth
营养液 Cu处理浓度
浓度 0μmol·L-1 10μmol·L-1
1/2Hoagland矿区 非矿区 矿区 非矿区
1/20Hoagland矿区 非矿区 矿区 非矿区
甘金华等:铜胁迫对两种不同来源长萼鸡眼草生长及氮代谢的影响1058
第27卷第3期 农 业 环 境 科 学 学 报
以上,质控样的加标回收率均在99%以上。
1.3统计分析
实验结果以平均数+标准偏差来表示,实验数据
均采用SPSS13.0软件进行方差分析及相关性分析。
2 结果与分析
2.1 Cu胁迫和营养缺失对植物体内Cu含量的影响
Cu胁迫和营养缺失对植物体内 Cu含量的影响
见图1和图2。方差分析结果显示Cu胁迫使植物根
叶中Cu含量显著升高(根:P<0.001,叶:P<0.001),使
植物根叶中Cu含量的比值显著性升高(P<0.001),且
此时矿区植物根叶Cu含量之比比非矿区的小。营养
缺失使植物根叶中 Cu含量及二者之比显著性降低
(根:P<0.001,叶:P<0.001,根/叶:P<0.001)。Cu胁迫
营养缺失复合作用使植物根叶中 Cu含量及二者之
比升高极为显著(根:P<0.001,叶:P<0.001,根/叶:P<
0.001)。总之,植物根中Cu含量比植物叶中Cu含量
高,Cu胁迫和营养缺失之间有交互作用,二者的复合
作用使植物根中Cu含量升高得最多。相关性统计分
析显示植物根叶中的Cu含量呈显著正相关,植物根
叶中Cu含量与Cu处理浓度呈显著正相关,植物根
中Cu含量与营养液浓度呈显著负相关。
2.2 Cu胁迫和营养缺失对植物生物量的影响
生物量是反映植物生长状况的重要指标。Cu胁
迫和营养缺失对植物生物量的影响见图3和图4。Cu
胁迫使植物叶生物量显著降低(P<0.001),且非矿区
注:*P<0.05;**P<0.01;***P<0.001。Fp表示种群(铜污染区和非污染区)
对F值的影响,Fc表示铜处理浓度 (10μmol·L-1和0μmol·L-1铜浓度)对
F值的影响,Fs表示营养液浓度 (1/2Hoagland和1/20Hoagland营养液)对
F值的影响,Fp×c表示按种群和铜处理浓度二者交互作用对 F值的影响,
Fp×s表示种群和营养液浓度二者交互作用对 F值的影响,Fc×s表示铜处
理浓度和营养液浓度二者交互作用对 F值的影响,Fp×c×s表示种群、铜处
理浓度及营养液浓度三者交互作用对F值的影响,下同。
表2长萼鸡眼草组织中铜含量方差分析结果(F-value)(n=3)
Table2 ANOVAofcoppercontentsintissuesofK.stipulacea
(F-value)(n=3)
图1长萼鸡眼草叶中铜含量
Figure1 CoppercontentsinleavesofK.stipulacea
图2长萼鸡眼草根中铜含量
Figure2CoppercontentsinrootsofK.stipulacea
图3长萼鸡眼草叶生物量
Figure3 BiomassofleavesofK.stipulacea
UCS代表非污染区种群,CS代表矿区种群。加铜浓度为10μmol·L-1。1/
2HS代表用 1/2Hoagland营养液培养,1/20HS代表用 1/20Hoagland营养
液培养,下同。
1059
2008年5月
F值
叶 根 根/叶
Fp 3.85 0.36 0.09
Fc 3.08 12.31** 10.49**
Fs 9.51** 30.40*** 24.78***
Fp×c 0.14 0.17 0.13
Fp×s 1.86 1.80 0.85
Fc×s 0.32 0.75 4.57*
Fp×c×s 0.75 0.13 2.41
表4长萼鸡眼草组织中硝态氮含量方差
分析结果(F-value)(n=3)
Table4 ANOVAofnitratecontentsintissuesofK.stipulacea
(F-value)(n=3)
图6长萼鸡眼草根中硝态氮含量
Figure6 NitratecontentsinrootsofK.stipulacea
植物叶生物量比矿区植物叶生物量下降得更为显著
(P<0.05),使根生物量发生显著变化(P<0.01)。营养
缺失使植物叶干重显著降低(P<0.001),根生物量显
著增加(P<0.01),使植物根叶生物量之比显著增加
(P<0.001)。Cu胁迫营养缺失复合作用使矿区和非矿
区植物根生物量发生显著变化(P<0.001),使植物根
叶生物量的比值发生显著变化(P<0.01)。相关性统计
分析显示,植物根生物量与 Cu处理浓度、营养液浓
度呈显著负相关;叶生物量与营养液浓度呈显著正相
关,与Cu处理浓度、植物叶中Cu含量呈显著负相
关。
2.3 Cu胁迫和营养缺失对植物氮素含量的影响
Cu胁迫和营养缺失对植物组织中硝态氮含量的
影响见图5、图6。Cu胁迫时植物根中的硝态氮含量
显著降低(P<0.01)。营养缺失时植物根叶中的硝态氮
含量都显著降低(根:P<0.001,叶:P<0.01)。Cu胁迫和
营养缺失复合作用使植物根叶中的硝态氮含量较之
其他处理组降低得最多,但统计分析表明它们无交互
作用。相关性统计分析表明,植物叶中硝态氮含量与
营养液浓度、植物叶生物量呈显著正相关,与叶中的
Cu含量呈显著负相关;植物根中硝态氮含量与营养
液浓度、根生物量呈显著正相关,与Cu处理浓度、植
物根中Cu含量呈显著负相关。
Cu胁迫和营养缺失对植物组织中铵态氮含量的
影响见图7、图8。矿区植物根中铵态氮含量比非矿区
表3长萼鸡眼草生物量方差分析结果(F-value)(n=3)
Table3 ANOVAofbiomassofK.stipulacea(F-value)(n=3)
F值
叶 根 根/叶
Fp 3.69 0.18 1.17
Fc 30.15*** 17.94*** 2.79
Fs 55.62*** 14.11** 34.10***
Fp×c 6.18* 2.64 0.01
Fp×s 2.68 2.29 0.04
Fc×s 1.75 32.34*** 11.60**
Fp×c×s 1.47 0.15 0.77
图4长萼鸡眼草根生物量
Figure4 BiomassofrootsofK.stipulacea
甘金华等:铜胁迫对两种不同来源长萼鸡眼草生长及氮代谢的影响1060
第27卷第3期 农 业 环 境 科 学 学 报
的高(P<0.001)。Cu胁迫使植物叶中铵态氮含量显著
升高(P<0.001)。营养缺失使植物根中铵态氮含量显
著降低(P<0.01)。相关性统计分析表明,植物叶中铵
态氮含量与Cu处理浓度、植物叶中Cu含量、叶中谷
氨酰胺合成酶活性呈显著正相关,与植物叶生物量、
叶中硝酸还原酶活性呈显著负相关;植物根中铵态氮
含量仅与营养液的浓度呈显著正相关。
2.4 Cu胁迫和营养缺失对植物氮同化酶的影响
Cu胁迫和营养缺失对长萼鸡眼草组织中的 NR
活性的影响见图9、图10。Cu胁迫使植物根叶中NR
活性显著降低(叶:P<0.001,根:P<0.001),且非矿区
植物根叶中 NR的活性比矿区降低得更为显著 (P<
0.01)。营养缺失使植物根叶中NR活性显著降低(叶:
F值
叶 根 根/叶
Fp 3.58 1.12 0.03
Fc 183.29*** 199.41*** 1.61
Fs 43.47*** 43.88*** 0.64
Fp×c 9.27** 9.23** 0.05
Fp×s 0.05 2.77 1.98
Fc×s 0.21 6.04* 3.08
Fp×c×s 0.92 0.16 0.40
图9长萼鸡眼草叶中硝酸还原酶活性
Figure9 NRactivityinleavesofK.stipulacea
表6长萼鸡眼草组织中硝酸还原酶活性方差
分析结果 (F-value)(n=3)
Table6 ANOVAofNRactivitiesintissuesofK.stipulacea
(F-value)(n=3)
F值
叶 根 根/叶
Fp 4.38 29.98*** 14.38**
Fc 26.07*** 1.99 19.55***
Fs 0.38 13.67** 3.15
Fp×c 3.06 0.35 0.47
Fp×s 0.05 2.98 1.01
Fc×s 2.19 1.17 0.05
Fp×c×s 0.02 22 0.69
图7长萼鸡眼草叶中铵态氮含量
Figure7 AmmoniumcontentsinleavesofK.stipulacea
图8长萼鸡眼草根中铵态氮含量
Figure8 AmmoniumcontentsinrootsofK.stipulacea
表5长萼鸡眼草组织中铵态氮含量方差
分析结果 (F-value)(n=3)
Table5 ANOVAofammonuimcontentsintissuesofK.stipulacea
(F-value)(n=3)
图10长萼鸡眼草根中硝酸还原酶活性
Figure10 NRactivityinleavesofK.stipulacea
1061
2008年5月
P<0.001,根:P<0.001)。Cu胁迫和营养缺失复合作用
使植物根中NR活性进一步降低(P<0.05),营养缺失
加重了Cu对植物体内NR活性的影响程度。相关性
统计分析显示,植物叶中硝酸还原酶活性与 Cu处理
浓度、植物叶中Cu含量、叶中铵态氮含量、叶中谷氨
酰胺合成酶活性呈显著负相关,与营养液浓度、植物
叶生物量、叶中硝态氮含量呈显著正相关;植物根中
硝酸还原酶活性与Cu处理浓度、植物根中Cu含量
呈显著负相关,与根生物量、根中硝态氮含量呈显著
正相关。
Cu胁迫和营养缺失对植物体内 GS活性的影响
见图11、图12。矿区植物叶中GS活性比非矿区的低
(P<0.01)。Cu胁迫使植物叶中 GS活性升高(P<
0.001)。营养缺失使植物根叶中 GS活性降低(P<
0.05),且此时矿区植物叶中GS活性降低得比非矿区
的少(P<0.01)。Cu胁迫和营养缺失复合作用时植物
叶中GS活性进一步显著升高(P<0.001)。相关性统计
分析显示,植物叶中谷氨酰胺合成酶活性与 Cu处理
浓度、植物叶中 Cu含量、叶中铵态氮含量呈显著正
相关,与植物叶生物量、植物叶中硝酸还原酶活性呈
显著负相关,而植物根中谷氨酰胺合成酶活性仅与营
养液浓度呈显著正相关。
3 讨论
植物吸收 Cu离子过程可分为慢速和快速 2个
阶段,当外界 Cu浓度很低(0.01μmol·L-1)时,植物吸
收Cu的速度很慢,其体内的Cu浓度很低;当外源Cu
浓度增大时,吸收速度加快,组织中的 Cu含量迅速上
升[14]。本试验中,在10μmol·L-1Cu2+胁迫时植物组织中
的Cu含量显著升高,且植物根中的Cu含量显著高
参数 铜浓度 营养液 叶生物量 叶铜含量 叶硝态氮 叶氨态氮含量 叶NR活性 叶GS活性
铜浓度
营养液 0.000
叶生物量 -0.506* 0.688**
叶铜含量 0.690** -0.381 -0.629**
叶硝态氮含量 -0.295 0.517** 0.575** -0.430*
叶氨态氮含量 0.707** -0.085 -0.538** 0.660** -0.229
叶NR活性 -0.845** 0.411* 0.771** -0.810** 0.513* -0.739**
叶GS活性 0.698** -0.219 -0.450* 0.761** -0.236 0.727** -0.703**
F值
叶 根 根/叶
Fp 12.11** 0.25 5.29*
Fc 69.36*** 1.12 19.79***
Fs 6.84* 12.67** 13.21**
Fp×c 0.06 9.02** 7.00*
Fp×s 10.83** 0.68 6.14*
Fc×s 26.47*** 0.06 1.54
Fp×c×s 0.62 0.00 0.09
图11长萼鸡眼草叶中谷氨酰胺合成酶活性
Figure11 GSactivitiesinleavesofK.stipulacea
图12长萼鸡眼草根中谷氨酰胺合成酶活性
Figure12 GSactivitiesinleavesofK.stipulacea
表7长萼鸡眼草组织中谷氨酰胺合成酶活性方差
分析结果(F-value)(n=3)
Table7 ANOVAofGSactivitiesintissuesofK.stipulacea
(F-value)(n=3)
表8长萼鸡眼草叶中测定指标间相关性分析结果(Pearsoncorrelation)
Table8 CorrelationanalysisbetweentestedparametersofleavesofK.stipulacea(Pearsoncorrelation)
甘金华等:铜胁迫对两种不同来源长萼鸡眼草生长及氮代谢的影响1062
第27卷第3期 农 业 环 境 科 学 学 报
表9长萼鸡眼草根中测定指标间相关性分析结果(Pearsoncorrelation)
Table9 CorrelationanalysisbetweentestedparametersofleavesofK.stipulacea(Pearsoncorrelation)
于叶中的Cu含量,这与许多学者的研究结论相同[4、5、16],
且在 Cu胁迫营养缺失复合作用,矿区植物根叶 Cu
含量之比是所有处理中最大的,这说明此时植物体内
的Cu绝大部分分布在植物的根部,根部对Cu离子
的滞留作用对植物抗Cu污染有重要意义[17]。而且有
研究结果显示,在低营养胁迫条件下,低浓度的外源
Cu就可促使植物根中的Cu浓度显著升高,营养液浓
度的升高可抑制植物根中Cu浓度的升高[18]。这主要
是与营养元素铁和磷有关。铁和磷的缺失可促进植物
对铜的吸收,这是因为铁缺失/磷缺失诱导质膜上产
生的H+-ATP酶释放出的质子降低了植物根际的 pH
值,从而促进了植物对阳离子的吸收[19、20],而且,铁缺
失诱导产生的非特异性二价阳离子运输体可促进植
物对二价铜的吸收[21]。
在本试验中,1/20Hoagland营养液处理组中矿区
和非矿区植物根生物量都呈显著的升高趋势,即1/20
的全营养缺失条件可刺激植物根生物量的增加,而在
Xiong等的研究中也发现同样的现象[18]。这可能是因
为营养缺失刺激了植物的某些应激机制,植物不断的
通过根的增长使植物具有较大的吸收表面积[22]。
Cu胁迫营养缺失复合作用时矿区植物叶中 Cu
含量增加比非矿区的低,这是因为矿区植物在 Cu胁
迫下维持体内矿物营养元素平衡的能力比非矿区的
植物强,矿区植物可减少铜毒害对植物根细胞质膜损
伤所带来的植物组织中离子的流失和脂质过氧化[23]。
这也表明矿区植物在矿区高铜贫瘠的土壤环境下已
进化出对高铜和贫瘠胁迫的双重抗性机制,而这两种
机制之间的联系是遗传学上的还是生理学上的还有
待于进一步的研究。
植物的生长发育是在遗传和环境因素及其相互
作用下,通过极其复杂的生理、生化过程完成的,其
中无机氮(主要是 NO-3)的还原、同化和有机含氮化
合物的合成及其之间的相互转化是低、高等植物获得
有机氮的最主要途径。因而氮代谢是植株体内最基本
的物质代谢之一,是植物正常生长发育的物质基础。
对无机氮素的吸收直接影响到植物的生长发育。
硝酸还原酶活性被认为是判断植物生长速度的
生化指标,它是硝酸盐同化过程中的起始酶,也是限
速酶,在氮素代谢作用中处于关键地位。硝酸还原酶
活性(NRA)高低不仅表明了植物体内硝酸盐的吸收、
积累水平,也反映着植物对氮素的利用水平,在植物
氮代谢的研究中,硝酸还原酶活性是研究重点之一[24]。
在受到Cu胁迫和营养缺失作用时植物叶根中NR活
性降低,而在Cu胁迫营养缺失复合作用时植物根中
NR活性进一步降低,且植物叶中的硝酸还原酶活性
比根中的高。这与前人的研究结果是一致的。Cu引起
NR活性降低的原因可能是:(1)Cu直接或间接地通
过减少水分吸收,导致气孔关闭从而减少光合作用中
二氧化碳的固定,而气孔关闭能够快速抑制 NR活
性;(2)Cu离子也可能通过与硝酸还原酶中的巯基基
团结合而使该酶失活[25]; (3)Cu胁迫诱导产生的活性
氧自由基会使植物组织中的蛋白水解酶活性升高,从
而使硝酸还原酶水解失活;(4)引起 NR活性降低也
可能反映了光合作用的降低减少了植物组织中糖的
供应,而糖对NR的表达至关重要[9]。同时NR是一种
诱导酶,根叶中NR的存在对NO-3有一定的依赖性,
Cu胁迫下 NR活性的降低与植物体内 NO-3减少相
关[26],植物根叶中硝酸还原酶活性与植物相应组织中
的硝态氮含量呈显著正相关也正说明了这一点。Cu
胁迫时矿区植物根叶中硝酸还原酶活性降低得比非
矿区的少。而其中是哪一种或哪几种机制在矿区植物
抗铜性方面起重要作用还有待于进一步的研究。
在高等植物中,GS是氨同化的主要酶。在 ATP
供能的情况下,该酶催化NH+4与谷氨酸转变成谷氨酰
胺。它与谷氨酸合成酶形成的循环反应为其他所有含
氮有机化合物的合成提供前体。GS在不同植物组织
参数 铜浓度 营养液 根铜含量 根生物量 根硝态氮含量 根氨态氮 根NR活性 根GS活性
铜含量
营养液 0.000
根铜含量 0.663** -0.507*
根生物量 -0.455* -0.502* -0.353
根硝态氮含量 -0.446* 0.701** -0.733** -0.101
根氨态氮含量 -0.173 0.454* -0.345 -0.135 0.378
根NR活性 -0.846** 0.397 -0.856** 0.303 0.744** 0.367
根GS活性 -0.168 0.564** -0.378 -0.195 0.633** 0.2 7 0.282
1063
2008年5月
或器官中都存在[27]。在本试验中Cu胁迫时植物叶中
GS活性显著升高。M#ck等的研究表明,当大麦体内
的NH+4-N含量升高时,GS活性相应的升高[28]。Tercé-
Laforgue等解释说 GS活性的升高是植物对其体内
NH+4含量升高的一种适应机制,此时GS基因的表达
和活性被诱导[29、30]。CruzC等的研究表明植物叶中GS
活性比根中高[31],这与本试验的结果一致。也有研究
发现植物叶中 GS活性对胁迫更为敏感[29],这很可能
就是Cu胁迫时植物叶中GS活性升高,而根中GS活
性没有显著变化的原因。GS活性升高跟NH+4浓度升
高密切相关,这也可以解释为什么在营养缺失时植物
体内NH+4含量降低,GS活性降低。同样的,Cu胁迫营
养缺失复合作用时植物叶中NH+4含量最高,而此时植
物叶中GS活性也最高。
植物体内所有无机氮首先被逐步还原,经过再循
环后变成有机氮形态以供植物代谢所用。因此NR和
GS酶在植物氮素代谢中是两种非常重要的酶,这两
个酶若发生改变必将影响到氮素的代谢。相关性统计
分析表明,植物叶中谷氨酰胺合成酶活性与植物叶中
的硝酸还原酶活性呈显著负相关,这表明 Cu胁迫使
植物组织中氮代谢处于一种紊乱状态,从而减少了植
物体内干物质的积累。
总之,Cu及营养缺失对植物氮代谢的影响是非
常复杂的,与植物组织中可利用氮和碳的改变有关,
也与植物组织中酶活性的直接改变有关。
4 结论
(1)低营养胁迫可促进长萼鸡眼草对外源 Cu的
吸收,同时也刺激了植物根的生长。
(2)来源于矿区的长萼鸡眼草对贫瘠和高铜的环
境表现出更强的适应性。
(3)Cu胁迫和营养缺失环境下非矿区植物氮代
谢的紊乱程度要比矿区的高。
参考文献:
[1]胡筑兵,陈亚华,王桂萍,等.铜胁迫对玉米幼苗生长、叶绿素荧光
参数和抗氧化酶活性的影响[J].植物学通报,2006,23(2):129-137.
HUZhu-bing,CHENYa-hua,WANGGui-ping,etal.Effectsofcopper
stress on growth, chlorophyll fluorescence parameters and antioxidant
enzymeactivitiesofZeamaysSeedlings [J].ChineseBulletinofBotany,
2006,23(2):129-137(Ch).
[2]StrattonML, BarkerAV, RechciglJE. Soilamendmentsandenviron-
mentalquality[M].BocaRaton:LeewisPublishers,1995.
[3]孙 权,何振立,杨肖娥,等.铜对小白菜的毒性效应及其生态健康
指标[J].植物营养与肥料学报,2007,13(2):324-330.
SUNQuan,HEZhen-li,YANGXiao-e,etal.Toxiceffectsofcopperon
Chinesecabbageand itsecological health parameter[J]. Plant Nutrition
andFertilizerScience,2007,13(2):324-330(Ch).
[4]康立娟,谢忠雷.铜对水稻和玉米污染效应及累积规律的对比研
究[J].吉林农业大学学报,2006,28():656-659.
KANGLi-juan,XIEZhong-lei.Contrastivestudyofpollutioneffectand
accumulativerulesofCopperoncornandrice[J]. JournalofJilinAgri-
culturalUniversity,2006,28(6):656-659(Ch).
[5]StiborovaM, DitrichovaM, BrezinovaA. Effectsofheavymetal ionson
growth and biochemical characteristics of photosynthesis of barley and
maizeseedling[J].BiologyPlant,1987,29:453-467.
[6]中国科学院中国植物志编辑委员会.中国植物志[M].北京科学出版
社出版,1985.160-161.
EditingCommittee ofFlora ofChina of Chinese Academyof Sciences.
FloraofChina[M].Sciencepress,1985.160-161(Ch).
[7]华觉明,卢本珊.长江中下游铜矿带的早期开发和中国青铜文明[J].
自然科学史研究,1996,15(1):1-16.
HUAJue-ming,LUBen-shan.EarlyminingofCoppermaterialdeposits
inthemiddleandlowerreachesofYangtseRiverandChinasbronzeciv-
ilization[J].StudiesintheHistoryofNaturalSciences, 1996, 15(1):1-
16(Ch).
[8]熊治廷.植物抗污染进化及其遗传生态学代价[J].生态学杂志,1997,
16(1):53-57.
XIONGZhi-ting.Pollution-resistantevolutioninplantsanditsgeneco-
logicalcosts[J].ChineseJournalofEcology,1997,16(1):53-57(Ch).
[9] Campbell W H. Nitrate reductase structure, function and regulation:
bridgingthe gap between biochemistryand physiology[J]. Annual Re-
viewofPlantPhysiologyandMolecularBiology,1999,50:277-303.
[10]罗亚平,刘 杰,蔡湘文,等.铜对水稻种子萌发和生长的影响[J].
广西农业科学,2005,36(4):16-340.
LUOYa-ping,LIUJie,CAIXiang-wen,etal.Effectofcopper(Cu)on
seed germination and growth ofrice[J]. Guangxi Agricultural Science,
2005,36(4):16-340(Ch).
[11]李合生.植物生理生化实验原理和技术[M].北京:北京高等教育出
版社,2000.
LI He- sheng. Experimental Principle and Technology of Plant Bio-
chemistry[M].HigherEducationPress,2000, 1stedition(Ch).
[12]ChienHF, KaoCH. Accumulationofammoniuminriceleavesin re-
sponsetoexcesscadmium[J].PlantScience,2000,156:111-115.
[13] ZhangG, Fukami M, SekimotoH. Influence of Cadmiumon mineral
concentrations and yield components in wheat genotypes differing in
Cdtoleranceatseedlingstage[J]. FieldCropsResearch, 2002, 77:93-
98.
[14]FernandoCL, FernandoSH. Coppertoxicityinrice:Diagn siticcr -
teriaand effect on tissue Mn and Fe [J]. Soil Science, 1992 ,154(2):
130-135.
[15]Penelope A R, Hileni C H. Identification of differential responses of
cabbage cultivars to copper toxicity in solution culture[J]. Amer Soc
HorticSci,1987,12(6):928-931.
[16]王 威,刘宗愉,蒋悟生,等.Cu2+对大蒜生长的影响及大蒜根、叶及
蒜瓣对Cu2+的积累[J].西北植物学报,2001,21(2):306-312.
甘金华等:铜胁迫对两种不同来源长萼鸡眼草生长及氮代谢的影响1064
第27卷第3期 农 业 环 境 科 学 学 报
WANGWei, LIUZong-yu, JIANGWu-sheng, etal. Effectsofcopper
on Alliumsativumand accumulation of Cu2+by its roo s, bulbs and
shoots[J].ActaBotanicaBoreali-occidentaliaSinica,2001,21(2):306
312(Ch).
[17]刘 杰,熊治廷,李天煜.两个不同来源的齿果酸膜种群对铜吸收
与抗性差异[J].农业环境科学学报,2003,22():271-273.
LIU Jie, XIONG Zhi-ting, LI Tian-yu. Uptake of and resistance to
Copper oftwoRunmaxacetosa L. Populations fromdifferent spots[J].
JournalofAgro-environmentalScience,2003,22(3):271-273(Ch).
[18]XiongZhiting,LiYihong,XuBin.Nutritioninfluenceoncopperaccu-
mulationbybrassicapekinensisRupr [J]. Ecotoxicologyandenviron-
mentalsafety,2002,53:200-205.
[19]FoxTC,GuerinotML.Molecularbiologyofcationtransportinplants[J].
AnnuRevPlantPhysiolplantMolBiol,1998,49:669-696.
[20]LoganKAB, ThomasRJ, RavenJA. Effectofammoniumand phos-
phorussupplyonH+ roductioningelbytwotropicalforagegrasses[J].
JournalofplantNutrition,2000,23:41-54.
[21] Cohen CK, FoxTC, Garvin DF, et al. The role ofiron-deficiency
stressresponsesinstimulatingheavy-metaltransportinplants[J].Plant
physiology,1998,116:1063-1072.
[22]MarschnerH,KirkbyEA,CakmakI. Effectofmineralnutritionalsta-
tusonshoot-rootpartitioningofphotoassimilatesandcyclingofminer-
alnutrients[J].JournalofExperimentalBotany,1996,47:1255-1263.
[23]KeWenshan, XiongZhiting, ChenShijian, etal. Effectsofcopperand
mineralnutritionongrowth, copperaccumulationandmineral element
uptakeintwoRumexjaponicuspopulationsfromacoppermineandan
uncontaminatedfieldsites[J].EnvironmentalandExperimentalBotany,
2007,59:59-67.
[24]许振柱,周广胜.植物氮代谢及其环境调节研究进展[J].应用生态
学报,2004,15(3):51-51.
XU Zhen- zhu, ZHOU Guang- sheng. Research advance in nitrogen
meta-bolismofplantanditsenvironmentalregulation[J].ChineseJour-
nalofAppliedEcology,2004,15(3):51-51(Ch).
[25]XIONGZhiting,LIUChao,GENGBing.Phytotoxiceffectsofcopperon
nitrogenmetabolismandplantgrowthinbrassicapekinensisRupr. [J].
EcotoxicologyandEnvironmentalsafety,2006,64:273-280.
[26]刘 丽,甘志军,王宪泽.植物氮代谢硝酸还原酶水平调控机制的
研究进展[J].西北植物学报,2004,24(7):1355-1361.
LIU Li, GAN Zhi-jun, WANG Xian-ze. Advances of studies on the
r gulation ofnitrate metabolismofplants at nitrate reductase level[J].
Acta Botanica Boreali-occidentalia Sinica, 2004, 24(7):1355-1361
(Ch).
[27]李常健,林清华,张楚富,等.NaCl对水稻谷氨酰胺合成酶活性及
同工酶的影响[J].武汉大学学报(自然科学版),1999,45(4):497-
500.
LI Chang-jian, LINQing-hua, ZHANGChu-fu, et al. Effect ofNaCl
stressonactivityandisozymesofglutaminesynthetaseinriceplants[J].
Wuhan University Journal(Na ural Science Edition), 1999, 45(4):
497-500(Ch).
[28]M#ck G. Organ ecific changes in the activityand subunit composi-
tion ofglutamine synthetase isoforms ofbarley(Hordeumvulgare L.)
a tergrowthondifferentlevelofNH+4[J].Planta,1995,196:231-238.
[29]Tercé-Laforgue T, Hirel B. Is glutamine synthetase ammonium-regu-
lated[C]//Martins-Louc%oMA,LipsSH.(Eds.).Nitrogeninasustain-
ableecosystem.Leiden,BackhuysPublishers,335-338.
[30]HirelB,Le PJ.Thebiochemistry,molecularbiology,andgeneticma-
nipulationofprimaryammoniumassimilation[C]//FoyerCH, NoctorG.
(Eds.).Photosyntheticnitrogenassimilationandassociatedcarbonand
respiratorymetabolism.London,Kluwer,2002.71-92.
[31]CruzC,BioAF,Domínguez-ValdiviaMD, etal. Howdoesglutamine
synthetase activitydetermine plant tolerance toammonium[J]. Planta,
2005,10:1-13.
1065