全 文 ：第 33卷　第 4期
2009年 7月
南京林业大学学报 (自然科学版)
JournalofNanjingForestryUniversity(NaturalScienceEdition)
Vol.33, No.4
July, 2009
　收稿日期:2008-02-20　　　　修回日期:2008-06-29
　基金项目:国家 “十一五 ”科技支撑计划(2006BAD03A1403);安徽省教育厅自然科学基金资助项目(KJ2007B350ZC)
　作者简介:王广林(1970—),博士生。 ＊张金池(通讯作者),教授 ,研究方向为水土保持。 E-mail:jczhang@njfu.edu.cn。
　引文格式:王广林 ,张金池 ,王　丽 ,等.铜 、锌胁迫对丁香蓼生理指标的影响 [ J] .南京林业大学学报:自然科学版 , 2009, 33(4):43
-47.
铜 、锌胁迫对丁香蓼生理指标的影响
王广林1, 2 ,张金池 1＊ ,王　丽1 ,王友保 3
(1.南京林业大学森林资源与环境学院 ,江苏　南京　210037;2.皖西学院化学与生命科学系 ,安徽　六安　237012;
3.安徽师范大学生命科学院 ,安徽　芜湖　 241000)
摘要:通过盆栽实验研究了铜 、锌单一及复合胁迫时对丁香蓼(LudwigiaprostrateRoxb)叶片叶绿素含量和活性氧
清除系统的影响。结果表明:较低质量分数铜(100 mg/kg)、锌(100 mg/kg)处理时 , 叶绿素含量上升 , SOD活性
增加 ,电导率 、MDA水平则下降 ,可认为这是植物的一种保护性机制。 但随着铜 、锌处理质量分数的增大 , SOD
活性下降 , 800mg/kg铜 、锌处理下丁香蓼 SOD活性分别是对照的 67.05%和 53.58%;POD活性则逐渐增加 ,起
主要抗氧化作用 ,其中以铜(200 mg/kg)+锌和锌(200 mg/kg)+铜两个处理系列变幅最大;MDA含量随处理质
量分数的增加而增加 ,其中 200 mg/kg铜 +800 mg/kg锌和 200 mg/kg锌 +800 mg/kg铜处理时 , MDA分别高出
对照 110%和 130%;CAT活性持续下降 , 但在此过程中作用不明显。因此 , 铜 、锌胁迫明显地影响活性氧清除系
统 ,导致丁香蓼叶片活性氧代谢失调。
关键词:丁香蓼;铜 、锌胁迫;活性氧;复合污染
中图分类号:Q945　　　　文献标志码:A　　　　文章编号:1000-2006(2009)04-0043-05
EffectsofCuandZnstressonphysiologicalindications
ofLudwigiaprostrateRoxb
WANGGuang-lin1, 2 , ZHANGJin-chi1＊ , WANGLi1 , WANGYou-bao3
(1.ColegeofForestResourcesandEnvironment, NanjingForestryUniversity, Nanjing210037, China;2.DepartmentofChemistry
andLifeScience, WestAnhuiUniversity, Luan237012, China;3.ColegeofLifeScience,
AnhuiNormalUniversity, Wuhu241000, China)
Abstract:EffectsofsingleandcombinedstressofCuandZnonchlorophylcontentandscavengingsystemofactivated
oxygeninleavesofLudwigiaprostrateRoxbwerestudiedbycultivationexperiments.Theresultsshowedthattheactivity
ofSODandcontentsofchlorophylincreasedfirstlyinlowerconcentrationofCu(100mg/kg)andZn(100mg/kg).At
thesametime, electricconductivityandMDAcontentofleafcellsdecreased.Thosemayberegardedasaprotecting
functionofplants.WiththeincreaseofconcentrationofCuandZn, theactivityofSODdecreased.Whentheconcentra-
tionofCu＆Znwas800mg/kg, theactivityofSODwere67.05% and53.58% ofthecontrol, respectively.Whilethe
activityofPODincreasedgraduallyandtookimportantpartsinantioxidationathigherconcentrationofCuandZnstress.
ThecontentofMDAofCu(200 mg/kg)+Zn(800 mg/kg)＆Zn(200mg/kg)+Cu(800 mg/kg)wasenhanced
withCu, Znconcentrationincreasing.Comparedwiththecontroltheywereincreasedby110% and130%, respective-
ly.TheactivityofCAThadlittleeffect.TheresultsindicatedthatCuandZnstressafectedscavengingsystemofactiva-
tedoxygenandresultedinimbalanceofactivatedoxygenmetabolism.
Keywords:LudwigiaprostrateRoxb;CuandZnstress;activatedoxygen;combinedpolution
工农业的迅速发展 ,使得重金属的污染日趋严重 。土壤中过量的重金属不仅限制植物的正常生长 ,甚
至可通过食物链传递从而对人体的健康造成严重的威胁 。这种污染往往以复合污染的形式出现 ,而重金
属元素之间的复合污染是当前无机复合污染研究的重点之一[ 1] 。
南 京 林 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) 第 33卷
铜作为蛋白质和酶的结构和催化化合物的辅助因子 ,是植物正常生长发育和生理生化过程必需的 ,但
过量的铜会产生大量的自由基和丙二醛(MDA),影响氧化还原过程 ,抑制植物的生长 ,引起植物新陈代谢
的紊乱[ 2] 。锌作为植物生长的必需元素 ,在植物体内的生化过程中相当活跃 ,但作为重金属元素加之在
植物代谢过程中易于转移 ,当其过量时(质量浓度大于 5mg/L)会对植物的正常生长造成伤害[ 3] 。在自然
界中 ,人们已经注意到铜 、锌的共生状况及其在土壤 -植物系统的行为特征 [ 4-5] 。但有关植物受铜 、锌复
合胁迫及其耐性机制的研究还鲜见报道 。
杂草是一类人为与自然选择压力下产生的高度进化的植物类群 ,它们生物量大 、抗逆性强 、生长迅速 ,在
水土保持 、土壤改良和农业生物多样性维持等方面起着重要作用[ 6] 。因此 ,从杂草中筛选重金属超富集植
物 ,并对相关重金属胁迫的耐性机制进行研究 ,对于利用杂草修复土壤重金属污染有一定科学意义。丁香蓼
(LudwigiaprostrateRoxb)属柳叶菜科丁香蓼属植物 , 1年生草本 ,株高 30 ～ 70cm,是一种常见的田间杂草 ,广
泛分布于我国长江流域及以南各省 ,对铜 、锌的胁迫表现出较强的耐性和富集性[ 7] 。笔者研究比较铜 、锌及
其复合胁迫对丁香蓼叶片生理生化指标的影响 ,以期为利用植物修复重金属污染土壤提供科学依据 。
1　材料与方法
1.1　供试植物
6月中旬从芜湖市冶炼厂污灌区的农田里采集刚萌发的丁香蓼幼苗 ,用自来水冲洗干净后 ,置于花房
内 ,用正常土壤预培养 2周(幼苗长至 10 cm左右)备用 。
1.2　盆栽实验
土壤取自皖西学院园田土 ,其基本化学性质测定结果中 , pH为 7.31,有机质为 13.6 mg/kg,铜的本底
值为 25.46 mg/kg,锌的本底值为 30.15mg/kg。
表 1　铜 、锌复合处理的实验设计
Table1　ExperimentaldesignofCuandZntreatment
c铜 /
(mg·kg-1)
c锌 /(mg·kg-1)
0 100 200 400 800
0 + + + + +
100 + - + - -
200 + + + + +
400 + - + - -
800 + - + - -
　　注:+示有处理组合 , -示无处理组合。
盆栽实验中 , 每盆装土 4 kg, 一次性施入
(NH4)2SO4 、KH2PO4各 2 g。以水溶液形式一次性加
入 ZnSO4·7H2O、CuSO4·5H2O,以单纯铜 、锌计算 ,混
合均匀 ,平衡 1周后上盆 ,每盆栽种大小相当的 3株
丁香蓼幼苗 ,每种处理设 5个重复 ,置于花房内培养
40 d后 ,取样分析 ,各处理铜 、锌质量分数及组合设计
如表 1。
1.3　生理指标的测定方法
(1)细胞膜透性测定时 ,取新鲜叶片 0.2 g,剪成 1 cm长小段 ,加入装有 20 mL双蒸水的三角瓶中 ,于
电动振荡机上以 400次 /min振荡 1 h后用 DDS-12型电导仪测定叶片电导率[ 8] 。
(2)叶片叶绿素含量测定参照文献 [ 9]的方法。用 721A型分光光度计分别测量 645、663nm处的吸光值。
(3)MDA含量按文献 [ 10]中硫代巴比妥酸(TBA)法测定。
(4)保护酶活性的测定中 ,超氧物歧化酶(SOD)活性按文献 [ 8]中方法 ,酶活力单位用抑制氮蓝四唑
(NBT)光化还原 50%时所需酶量表示 。过氧化氢酶(CAT)活性采用文献 [ 11]的方法 ,酶活性单位用在
20℃条件下 1min内 1g植物材料分解的 H2O2的微克数表示 。过氧化物酶(POD)活性采用文献 [ 11]的
方法 ,酶活性单位用 1g植物材料氧化愈创木酚的微克数表示。
2　结果与分析
2.1　铜 、锌胁迫对丁香蓼叶绿素含量的影响
各处理系列叶片中叶绿素 a、b的含量在低浓度铜 、锌处理时增加 ,但是 ,随着铜 、锌浓度的增大 ,叶片叶
绿素 a、b含量逐渐减少 ,处理浓度和叶绿素含量之间均具有显著相关关系。其中以铜(200 mg/kg)+锌(不
同质量分数)和锌(200mg/kg)+铜(不同质量分数)两个处理系列最明显(图 1)。
植物体内摄入过量的重金属很可能与参与叶绿素合成的某些酶(原叶绿素酸酯还原酶 、δ-氨基乙酰丙酸
合成酶、胆色素原脱氨酶)的 -SH结合 [ 12] ,改变了酶的构象 ,使酶失活 ,进而造成叶绿素含量的下降 ,铜 、锌的复
合作用明显大于单一的铜或锌的作用。同时实验也表明:对于铜 、锌胁迫 ,叶绿素 b比叶绿素 a更敏感。
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　第 4期 王广林 , 等:铜 、锌胁迫对丁香蓼生理指标的影响
2.2　铜 、锌胁迫对丁香蓼叶片细胞膜透性的影响
细胞膜作为植物调节和控制细胞内外物质运输
和交换的重要结构 ,其透性是评定植物对胁迫反应的
常用方法之一。铜 、锌胁迫下 ,丁香蓼叶片电导率除铜
(100 mg/kg)或锌(100 mg/kg)处理时低于对照叶片 ,
其他均高于对照 ,且随铜 、锌浓度的增高 ,其电导率明
显升高。 800 mg/kg铜 、800mg/kg锌 、200mg/kg铜 +
800mg/kg锌和 200mg/kg锌 +800 mg/kg铜处理下
叶片电导率分别是对照的 1.4倍 、1.5倍 、2.0倍和
2.1倍(图 2)。细胞外渗液电导率与胁迫呈正相
关[ 13-14] ,分别达到显著或极显著的水平。电导率的
增大 ,表明细胞膜脂过氧化水平升高[ 13] ,引起细胞膜
结构损伤 ,细胞膜透性增大 ,使细胞内一些可溶性物
质外渗 ,破坏细胞内酶及代谢作用原有的区域 ,严重伤害植物。
铜 、锌的复合作用对电导率的影响明显大于单一的铜 、锌处理 ,这与铜 、锌影响叶片叶绿素含量是一致的。
2.3　铜 、锌胁迫对丁香蓼叶片 MDA的影响
丙二醛(MDA)的积累来自不饱和脂肪酸的降解 ,它的生成是植物体内自由基引发而产生的 , MDA的积
累能够反映植物体内自由基的活动状态[ 15] 。因此 ,在植物逆境生理研究中 , MDA被普遍地作为一种表示伤
害的指标 。铜 、锌单一胁迫除 100 mg/kg处理时 MDA含量低于对照外(图 3A),随处理浓度的增加 MDA含
量开始增加 , 800 mg/kg的铜 、锌处理下丁香蓼叶片 MDA分别高出对照 40%和 80%。而铜(200 mg/kg)+锌
和锌(200 mg/kg)+铜两个处理系列 ,叶片中 MDA含量随处理浓度的增加而升高 ,其 200 mg/kg铜 +
800mg/kg锌和 200mg/kg锌 +800mg/kg铜处理时 ,叶片 MDA分别高出对照 110%和 130%。
MDA含量的增加显示膜脂过氧化水平升高 ,造成膜透性增大 ,膜结构受损伤程度加深 ,使植物的抗性
能力减弱 [ 9] 。
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南 京 林 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) 第 33卷
2.4　铜 、锌胁迫对叶片 POD活性的影响
各处理系列中 ,随铜 、锌处理浓度的增大 ,其 POD活性逐渐增大 ,其中以 200mg/kg铜 +锌和 200mg/kg
锌 +铜两个处理系列变幅最大 ,单一的铜 、锌处理活性变化相对较小(图 3B)。
POD活性的增加是由于过量的铜 、锌进入植物体后 ,通过一系列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来催化这些对自身有害的过氧化物的氧化分解 ,参与了
叶绿素的降解 ,并且 POD活性与叶绿素含量呈负相关 [ 15] 。该实验中随着铜 、锌处理浓度的增加 , POD活
性逐渐增加 ,叶绿素含量减少 ,这也说明铜 、锌通过 POD活性增加直接或间接地影响叶绿素的降解作用。
2.5　铜 、锌胁迫对 SOD活性的影响
SOD是防护氧自由基对细胞膜系统伤害的防护酶 ,它作为超氧自由基清除剂 ,其活性高低与植物抗
性大小有一定的相关性 [ 15] 。在适度逆境诱导下 , SOD活性有所提高 ,以增加植物抗逆能力而适应逆境得
以生存。试验中 , SOD在铜 、100 mg/kg锌处理时达到峰值 ,随处理浓度继续增大而下降 ,铜 、800 mg/kg锌
处理的酶活性分别是对照的 67.05%和 53.58%,二者组合处理下的酶活性下降更明显(图 3C)。在铜 、锌
的胁迫下丁香蓼体内所具有的活性氧清除酶系统和具抗性特征的生理活动被诱导而加快 , SOD在此诱导
下 ,其活性逐渐增加 ,用以消除土壤中铜 、锌胁迫导致叶片所产生的 O-·2 。但是随着铜 、锌浓度的持续增
加 ,叶片中 O-·2 的增加超过了叶片正常的歧化能力极限 ,而对叶细胞多种功能膜及酶系统造成破坏 ,以至
SOD活性急剧或缓慢下降 ,铜 、锌的复合作用与单一作用相比 ,使 SOD活性下降幅度更大 。
2.6　铜 、锌胁迫对叶片 CAT活性的影响
CAT能够清除细胞内过多的 H2O2 ,以维持细胞内 H2O2在一个正常水平 ,从而保护膜结构。各处理
系列叶片中 CAT活性随着处理浓度的增高而逐渐减小(图 3D)。由于 CAT活性的降低 ,清除活性氧的功
能降低 ,过氧化作用加强 ,内源抗御活性氧毒害的能力减弱 。
3　讨　论
正常生长条件下 , SOD、POD、CAT及其他保护物质能够维持自由基在植物体内产生和清除的动态平
衡 ,从而排除自由基对细胞膜结构伤害的可能性 [ 16] ,且 SOD、POD、CAT活性的维持和提高也被认为是植
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　第 4期 王广林 , 等:铜 、锌胁迫对丁香蓼生理指标的影响
物耐受重金属胁迫的物质基础之一 [ 17] 。该实验中 ,低浓度铜 、锌处理时 ,叶片 SOD酶活性升高 ,这是因为
活性氧信号作为第二信使 ,启动了细胞的防御反应[ 18] 。但很明显 ,这种现象受到重金属浓度的限制 ,随处
理浓度的增大 ,重金属离子在机体内积累量加大 ,从而对植物的毒害作用加剧 ,重金属胁迫使植物细胞内
产生活性氧自由基超过保护酶系统的清除能力时 ,就会导致自由基在叶细胞内的大量积累 ,从而诱导对植
物细胞的过氧化伤害[ 19] 。这也表明重金属胁迫条件下植物体内活性氧清除系统对植物细胞的保护作用
是有一定限度的 , Luna等的实验结果也证明了重金属对植物的伤害是通过自由基介导的[ 20] 。
叶片 SOD和 POD活性在试验范围内均有大幅度提高 ,结合细胞膜透性以及 MDA的变化趋势 ,可以
认为这两种酶能在一定程度上缓解自由基积累与膜脂过氧化 ,并在铜 、锌胁迫过程中起主要抗氧化作用 。
在整个试验过程中 ,叶片 CAT随着处理浓度的增加其活性呈下降趋势。处理组活性低于对照 ,可见
CAT比 SOD、POD对铜 、锌敏感更易受到它们的伤害 。因此 ,在此胁迫过程中作用不明显。
叶片褪绿是植物受重金属毒害后出现的普遍现象 。原因之一可能是重金属离子作用于叶绿素生物合
成途径的几种酶的肽链中富含 -SH的部分 ,改变了它们的正常构象 ,抑制了酶的活性和阻碍了叶绿素的
合成 [ 12] ;另一种原因可能是重金属胁迫条件下活性氧自由基作用 ,主要是强反应性的· OH所致[ 21] 。该
实验中 SOD等抗氧化保护酶活性的损伤和抑制作用几乎是与叶绿素含量的下降同步 ,也间接证明重金属
胁迫下活性氧的伤害机理。
重金属铜 、锌单一及复合胁迫都使植物细胞的保护酶 ———SOD、POD、CAT活性比例失调 ,尤其是复合
处理的破坏性更大 ,使植物体内活性氧的产生和消除失衡 ,并促使活性氧的产生 ,这将导致植物的生理代
谢紊乱 ,从而加速植物的衰老和死亡。
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(责任编辑　郑琰燚)
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