全 文 ：镉和铅对长柔毛委陵菜体内锌的亚细胞分布和化学形
态的影响
周小勇1 ,仇荣亮1 ,2＊ ,胡鹏杰1 ,李清飞1 ,张涛1 ,于方明3 ,赵璇1
(1.中山大学环境科学与工程学院 ,广州　510275;2.广东省环境污染控制与修复技术重点实验室 , 广州　510275;3.广西师
范大学环境与资源学院 ,桂林　541004)
摘要:通过营养液培养并采用差速离心技术和化学试剂逐步提取法 ,分析了 Cd 和 Pb 及不同 Zn 盐对长柔毛委陵菜(Potentilla
griffithii var.velutina)叶片 、叶柄和根中 Zn 的亚细胞分布和化学形态的影响.结果表明 , 除对照外 , 长柔毛委陵菜体内 46%～
74%和 16%～ 33%的 Zn 分别分布在细胞壁和可溶部分中;在所有处理中 ,细胞壁和可溶部分的 Zn含量占总量的 74%～ 95%,
这说明细胞壁和可溶部分是 Zn 在植物体内的 2 个主要分布位点.与对照相比 , Zn 、Cd 和 Pb 的添加使 Zn 在细胞壁的分配比例
显著增加 9%～ 38%(p<0.05),而可溶部分的分配比例则显著减少 6%～ 40%(p<0.05).与单 Zn 处理相比 , Cd 和 Pb 虽然没
有改变Zn 亚细胞分布中“细胞壁>可溶部分>细胞核和叶绿体>线粒体”的格局 , 但增加了在细胞壁或可溶部分的分配比例 ,
促进Zn 向细胞壁或液泡中转移.Zn在长柔毛委陵菜体内以多种化学形态存在:在对照中植物各部位和单 Zn 处理的叶片中 ,
Zn的乙醇提取态和水提取态所占比例达到 61%～ 87%;在单 Zn处理的叶柄和根中 , Zn 的氯化钠提取态和乙醇提取态占总量
的62%～ 73%;在Zn Cd和 Zn Pb 复合处理中 , 氯化钠提取态 、乙醇提取态和水提取态等 3 种化学形态占总量的 70%～ 89%.
Zn、Cd和 Pb 的添加大多提高了Zn 的氯化钠提取态的分配比例 , 而降低乙醇提取态的分配比例 , 促进 Zn 向活性较弱的结合形
态转移.这些结果表明细胞壁固持 、液泡区隔化和活性较强化学形态的减少是长柔毛委陵菜在单 Zn 处理 、Zn Cd 和 Zn Pb复合
处理下耐Zn 的主要机制.此外 ,不同 Zn盐对长柔毛委陵菜的 Zn 亚细胞分布没有明显影响 ,而硝酸锌处理使Zn 的乙醇提取态
成为优势形态.
关键词:长柔毛委陵菜;亚细胞分布;化学形态;锌
中图分类号:X53;X503.23　文献标识码:A　文章编号:0250-3301(2008)07-2028-09
收稿日期:2007-07-24;修订日期:2007-10-21
基金项目:国家自然科学基金项目(40571144);广东省自然科学基金重点项目(05101824);广东省自然科学基金团队项目(06202438);教育部“新
世纪优秀人才支持计划”项目(NCET-04-0790);985二期“环境与污染控制技术创新平台”项目作者简介:周小勇(1976～ ),男 ,博士研究生 ,主要研究方向为重金属污染修复工程 , E-mail:dhszxy@hotmail.com
＊通讯联系人 , E-mail:eesqrl@mail.sysu.edu.cn
Effects of Cadmium and Lead on Subcellular Distribution and Chemical Form of
Zinc in Potentilla griffithii var.velutina
ZHOU Xiao-yong1 ,QIU Rong-liang1 , 2 ,HU Peng-jie1 ,LI Qing-fei1 ,ZHANG Tao1 , YU Fang-ming3 ,ZHAO Xuan1
(1.School of Environmental Science and Engineering , Sun Yat-Sen University , Guangzhou 510275 , China;2.Guangdong Provincial Key
Laboratory for Environmental Pollution Control and Remediation Technology , Guangzhou 510275 , China;3.College of Resource and
Environment , Guangxi Normal University , Guilin 541004 , China)
Abstract:Using the differential centrifugation technique and sequential chemical extraction method , effects of Cd , Pb and different Zn salts on
subcellular distribution and chemical form of Zn in Zn hyperaccumulator Potentilla griffithii var.velutina under nutrient solution culture were
analyzed.Under all treatments except for the control , 46%-74% and 16%-33% of total Zn in the plants are distributed in cell wall and in
soluble fraction , respectively.Further , 74%-95% of total Zn are localized in these two parts under all treatments , which suggest that cell wall
and soluble fraction in the plant are major storage sites for Zn.Compared with the control , Zn percentage significantly increases by 9%-38% in
the cell wall and decreases by 6%-40% in the soluble fraction with addition of Zn , Cd and Pb treatment(p<0.05).Although the addition of
Cd and Pb has no influence on the pattern of Zn subcellular distribution presenting cell wall>soluble fraction>karyon and chloroplast>
mitochondrion , it generally reduces Zn percentage in the chloroplast , karyon and mitochondrion and increases that in the cell wall or soluble
fraction , suggesting that Cd and Pb promote the transferring processes of Zn from organelle to either cell wall or vacuole.As to the chemical
forms , 61%-87%of total Zn exist as ethanol- and water-extractable forms in plants under control and only leaves under Zn addition treatment;
while 62%-73% of total Zn exist as NaCl- and ethanol-extractable forms in leafstalks and roots under Zn addition treatment.NaCl-, ethanol-
and water-extractable forms are also the main chemical forms in the plants , occupied almost 70%-89% of total Zn under Zn Cd and Zn Pb
compound treatments.The addition of Zn , Cd and Pb generally increases the percentage of NaCl-extractable Zn forms , but decreases that of
ethanol-extractable Zn , which facilitates Zn chemical form transferring from relatively higher active forms to less active ones.These results
mentioned above indicate that cell wall binding , vacuolar compartmentalization and reduction of total percentage in higher active chemical forms
第 29 卷第 7期
2008 年7 月 环　　境　　科　　学ENVIRONMENTAL SCIENCE
Vol.29 , No.7
July , 2008
DOI :10.13227/j.hjkx.2008.07.048
are main tolerance mechanisms for Zn in Potentilla griffithii var.velutina in response to Zn , Zn Cd and Zn Pb treatments.Additionally , different
Zinc salts have no obvious influence on Zn subcellular distribution in the plant , whereas the treatment of Zinc nitrate turns Zn ethanol-extraction
to a dominant chemical form.
Key words:Potentilla griffithii var.velutina;subcellular distribution;chemical form;zinc
　　植物对重金属的抗性可通过避性和耐性 2种途
径来实现 ,耐性又包括金属排斥和金属富集两个方
面[ 1] .超富集植物富集重金属的特殊能力与其在细
胞和亚细胞水平上对有毒金属的区隔化密切相
关[ 2] ,所以研究亚细胞分布能为植物对重金属的解
毒和生物富集机制提供必要信息[ 3 , 4] .迄今为止 ,人
们就重金属超富集植物的耐性和富集机制进行诸多
研究.在组织水平上 ,重金属主要分布在表皮细胞 、
亚表皮细胞和表皮毛中[ 2, 5 ～ 7] ;在细胞水平上 ,重金
属则主要分布在细胞壁[ 5 , 7 , 8] 和液泡中[ 6, 9 , 10] .国内外
主要采用组织化学(histochemistry)[ 11] 、差速离心(cell
fractionation)[ 8, 12] 、 X 射 线 微 量 分 析 (X-ray
microanalysis)[ 2 , 9 , 11]和微粒子诱导 X射线发射(micro-
PIXE)[ 13]等技术研究重金属在植物组织 、细胞和亚
细胞水平上的分布 ,其中差速离心技术因操作简单
和能定量分析而得到较多应用[ 8 , 12 , 14 ,15] .重金属在植
物体内结合形态的研究对揭示植物对重金属的毒理
和耐性也有重要意义[ 16, 17] .但目前超富集植物体内
重金属亚细胞分布和化学形态多集中于单金属研
究[ 2 ,4 , 18, 19] ,而重金属之间相互作用对超富集植物的
耐性和富集机理的影响研究却鲜见报道.
长柔毛委陵菜(Potentilla griffithii var.velutina)
是新发现的一种 Zn超富集植物[ 20] ,同时对Cd和 Pb
也表现出较强的吸收能力.前期曾对硫酸锌处理下
长柔毛委陵菜的亚细胞分布和化学形态作过报
道[ 15] ,在此基础上 ,本研究进一步分析了 Cd 和 Pb
复合处理及不同 Zn盐对长柔毛委陵菜体内 Zn的亚
细胞分布和结合形态的影响 ,以揭示长柔毛委陵菜
在复合污染下耐 Zn机制.
1　材料与方法
1.1　植物培养
供试植物为 Zn超富集植物长柔毛委陵菜.用采
自云南铅锌矿区的种子在营养土中萌发 ,生长 100 d
后 ,选择长势良好和生长一致的植株 ,用自来水洗净
后移至Hogland全营养液培养 ,其中 ZnSO4·7H2O 换
成同浓度的Zn(NO3)2·6H2O ,在温室预培养4 d后进
行处理.单 Zn 设置 2 个处理(mg·L-1):10 和 100;
Zn Cd设置 4个处理(mg·L-1):10 Zn+5 Cd 、10 Zn+
20 Cd 、100 Zn+5 Cd和 100 Zn+20 Cd;Zn Pb也设置
4个处理(mg·L-1):10 Zn+10 Pb 、10 Zn+40 Pb 、100
Zn+10 Pb 和 100 Zn+40 Pb;另设一个对照(未加
Zn 、Pb和Cd).Zn 、Pb 、Cd分别以 Zn(NO3)2·6H2O 、Pb
(NO3)2 和 CdCl2·2.5H2O加入营养液中.每个处理 3
个重复 ,每个重复 3株苗 ,连续曝气 ,每4 d更换 1次
营养液 ,并用 0.1 mol·L-1 HCl或 NaOH 调节 pH 至
5.6左右 , 21 d后收获.植株先用自来水冲洗 ,再用
20mmol·L-1 Na2-EDTA 交换 20 min ,去除根系表面
吸附的 Zn2+ 、Pb2+和 Cd2+ ,最后用去离子水洗净 ,吸
干表面水分 ,保存于-20℃冰箱内备用.每个处理的
植物样品先分成叶片 、叶柄和根系3个部位 ,每个部
位又分成3部分 ,分别用于测定亚细胞组分 、化学形
态和重金属全量.
1.2　植物亚细胞组分的分离
采用差速离心法分离不同的细胞组分.在
Weigel等[ 21] 和Gabbrielli等[ 22] 的方法基础上加以改
进:准确称取鲜样0.500 0 g , 加入 20 mL 提取液
[ 0.25 mol·L-1蔗糖+50 mmol·L-1 Tris-HCl缓冲液
(pH 7.5)+1 mmol·L-1二硫赤鲜糖醇] ,研磨匀浆 ,
匀浆液在冷冻离心机 300 r min下离心 30 s ,沉淀为
细胞壁组分(F1);上清液在2 000 r min下离心 15
min ,沉淀为细胞核和叶绿体组分(F2);上清液在
10 000 r min下离心 20 min ,沉淀为线粒体组分(F3);
上清液为含核糖体的可溶组分(F4).全部操作在
4℃下进行.
1.3　植物体内的化学形态分析
采用化学试剂逐步提取法[ 16] ,具体操作如下:
准确称取鲜样0.500 0 g ,加入 20 mL提取剂研磨匀
浆后转入50 mL的塑料离心管 ,在 25℃恒温振荡 22
h后 ,5 000 r min离心 10 min.倒出上清液 ,再加入 10
mL的提取剂 , 25℃恒温振荡 1 h , 5 000 r min离心 10
min ,倒出上清液.合并 2次上清液.采用下列 5种提
取剂依次逐步提取:80%乙醇(FE),去离子水(FW), 1
mol·L-1 NaCl 溶液 (FNaCl), 2% HAc(FHAc), 0.6
mol·L-1 HCl(FHCl),最后为残留态(FR).
1.4　Zn含量的测定
以提取剂作为空白 ,上清液直接用 HITACHI公
司生产的原子吸收分光光度计(Z-5000)测定 Zn含
量;沉淀和残渣部分用去离子水多次冲洗转入 100
20297 期 周小勇等:镉和铅对长柔毛委陵菜体内锌的亚细胞分布和化学形态的影响
mL三角瓶中 ,在电热板上蒸干 ,与测定植物重金属
全量一样采用 HNO3-HClO4 法 ,消煮至澄清 ,用去离
子水定容后测定.采用SPSS11.5软件对数据进行方
差分析 ,用 Dunan新复极差法(SSR)在显著水平 0.05
时作多重比较分析.
2　结果与分析
2.1　长柔毛委陵菜中Zn的亚细胞分布
Zn在长柔毛委陵菜中的亚细胞分布如表 1和
表 2所示.在植物的亚细胞组分分离中 , Zn的回收
率达80%～ 100%,说明差速离心法能较好用于 Zn
的亚细胞水平分布研究.
从表1和表 2可知 ,除在对照中植物地上部(叶
片和叶柄)呈现F4>F1外 ,在其它处理中植物各部
位的Zn亚细胞组分的含量或分配比例都呈现 F1>
F4>F2>F3的分布格局 ,即均以含细胞壁的 F1组
　　　　　　表 1　Cd对 Zn在长柔毛委陵菜叶、柄和根中的亚细胞分布的影响1)
Table 1　Effect of Cd on Zn subcellular di stribution of leaves, leafstalks and roots in Potentilla griffithii var.velutina
处理 mg·L-1
Zn Cd
部
位
Zn含量 mg·kg -1
F1 F2 F3 F4 全量
回收率
%
分配比例 %
F1 F2 F3 F4
叶 33.27±8.89b 11.60±2.31c 3.95±1.59c 62.57±5.11a 106.47±9.62 94.86 29.61b 10.34ab 3.49bc 56.56a
0 0 柄 21.18±3.70a 8.51±1.79b 5.04±1.13b 25.52±5.63a 57.20±2.40 95.60 35.30d 14.11a 8.34abc 42.26a
根 27.86±2.84a 9.10±0.56b 7.50±1.43b 24.93±5.31a 75.60±2.68 88.71 40.13e 13.19b 11.00a 35.67a
叶 191.42±14.38a 36.68±7.30b 13.59±1.70c 49.02±3.25b 318.94±15.04 91.15 65.79a 12.66a 4.67bc 16.89c
0 柄 132.12±9.09a 24.96±1.84b 13.00±1.60c 33.33±4.52b 246.45±25.12 82.53 64.92ab 12.30ab 6.41cd 16.37c
根 135.52±17.52a 40.33±2.09b 19.17±4.34c 45.53±2.10b 275.50±28.59 87.32 56.20c 16.83a 7.98b 18.99cd
叶 146.57±16.04a 19.98±3.37c 20.93±9.06c 55.63±9.48b 269.09±17.55 90.97 60.39a 8.25bc 8.58a 22.78bc
10 5 柄 126.74±8.52a 23.75±7.47c 18.58±1.94c 36.26±1.56b 211.05±22.04 97.41 61.80bc 11.41abc 9.06a 17.74c
根 130.51±14.86a 17.56±3.19c 8.61±1.63c 45.74±8.81b 218.53±9.67 92.81 64.46b 8.64c 4.30d 22.61c
叶 152.60±24.55a 24.22±5.25c 13.99±4.44c 62.94±11.19b 259.32±21.00 98.36 60.19a 9.51bc 5.46b 24.85b
20 柄 136.77±14.67a 20.77±5.68c 15.48±1.65c 44.73±9.32b 231.96±19.78 94.08 62.76abc 9.46bc 7.12bc 20.65c
根 89.62±16.10a 26.76±2.01c 16.80±2.50c 49.07±2.93b 191.99±11.82 94.96 48.94d 14.79ab 9.27ab 27.01b
叶 401.78±18.82a 43.33±5.58c 21.14±2.85d 177.38±10.73b 806.88±27.13 79.77 62.42a 6.75cd 3.28bc 27.56b
0 柄 591.95±16.94a 92.31±15.73c 42.04±13.67d 142.22±2.27b 1 060.10±14.43 81.93 68.19a 10.61bc 4.82d 16.37c
根 605.69±31.91a 146.72±2.67b 48.16±3.51c 160.10±7.21b 1 016.43±37.89 94.51 63.03b 15.28ab 5.03cd 16.67d
叶 818.01±51.94a 57.18±32.67c 34.63±5.62c 307.73±101.11b 1 427.17±215.09 85.55 67.77a 4.53de 2.85bc 24.86b
100 5 柄 822.42±172.24a 113.02±25.54c 71.85±5.17c 409.75±88.81b 1 639.41±109.06 85.99 57.94c 8.07cd 5.17d 28.83b
根 536.50±64.37a 144.94±7.19c 70.26±10.15d 214.60±13.19b 1 058.26±102.48 91.45 55.43c 15.05ab 7.26bc 22.26c
叶 498.42±63.64a 19.30±5.02c 15.79±3.14c 218.63±33.19b 816.82±110.07 92.45 66.19a 2.63e 2.13c 29.06b
20 柄 508.57±37.16a 53.84±10.79c 18.34±5.83c 285.17±78.54b 949.18±125.63 91.26 59.03c 6.34d 2.09e 32.53b
根 522.60±35.46a 45.16±4.84c 15.46±4.79c 122.89±7.65b 786.99±33.44 89.85 73.98a 6.40d 2.17d 17.44d
1)F1为细胞壁组分 , F2为细胞核和叶绿体组分 , F3为线粒体组分 ,F4为可溶组分 ,表中 Zn含量为植株鲜重含量 ,表中数据为平均值±标准差
(n=3), Zn含量中同一行的不同字母和分配比例中同一列中的相同部位的不同字母表示有显著差异(p<0.05),下同
分的分布最高 ,占46%～ 74%,其次是可溶组分 F4 ,
占16%～ 33%,两者占全量的 74%～ 95%,F2和 F3
组分的分布都较低.同时 ,与对照相比 ,单Zn处理和
Zn Cd和 Zn Pb复合处理都使F1组分的分配显著增
加9%～ 38%,而 F4组分的分配比例显著下降 6%
～ 40%.以上结果说明细胞壁和含核糖体的可溶组
分是 Zn在长柔毛委陵菜体内的主要分布位点 ,只有
少量的Zn分布在细胞核 、叶绿体和线粒体等细胞器
中;也说明Zn 、Cd和 Pb 的添加使细胞壁对 Zn 的滞
留作用在显著增强.同时 ,与单 Zn 处理相比 , Zn Cd
和Zn Pb复合处理对 Zn亚细胞的分布 F1>F4>F2
>F3格局没有改变 ,但对 Zn在各亚细胞组分的分
配产生不同影响.
与对照相比 ,单 Zn处理(表 1)使植物各部位的
F1组分的分配比例显著增加 16%～ 36%,而 F4组
分的分配比例却显著减少17%～ 39%;并且高Zn处
理(100 mg·L-1)使植物各部位的F1和 F4分配比例
之和都高于对照.这说明植物细胞壁对Zn滞留作用
随 Zn处理浓度的增加而增强 ,同时高 Zn 处理减少
Zn在细胞核 、叶绿体和线粒体等细胞器中的分配比
例 ,有利于植物进行正常的生理活动.
在Zn Cd复合处理中(表 1),在叶片中 ,低 Zn
(10 mg·L-1)时 Cd的添加使 Zn在可溶组分 F4的分
配比例增加 6%以上 ,在高 Cd(20 mg·L-1)处理时达
到显著水平;同时 , Zn 在 F1和 F4 中的分配比例之
和随Cd处理浓度的增加而增加.在叶柄中 ,高 Zn时
Cd的添加分别使 F1组分的分配比例显著减少 9%
以上 ,而 F4组分的分配比例显著增加 12%以上 ,其
2030 环　　境　　科　　学 29 卷
它2个组分的分配比例在高 Cd处理中都显著下降.
在根中 ,低 Zn时添加低 Cd(5 mg·L-1)和高 Zn时添
加高 Cd一样 ,分别使 F1组分的分配比例显著增加
8%和 11%,同时显著降低 F2 和 F3组分的分配比
例;低 Zn时添加高Cd和高Zn时添加低Cd一样 ,分
别显著降低 F1的分配比例达 7%和 8%,同时分别
显著增加 F4的分配比例达 8%和 6%.上述结果表
明Cd对 Zn的亚细胞分布的影响主要表现在减少
Zn在F2和 F3组分的分布 ,增加向 F1或 F4组分中
的分布 ,即 Cd能促进Zn向细胞壁或可溶组分转移.
同样 ,在Zn Pb复合处理中(表 2),在叶片中 ,加
Pb使低 Zn处理的 F1组分的分配比例下降 5%以
上 ,而使 F4组分的分配比例显著增加 11%以上.在
叶柄中 ,Pb的添加使低Zn处理的 F1组分的分配比
例显著下降11%～ 19%,而F4组分的分配比例显著
上升10%～ 14%;高Zn时 Pb的添加导致 F1组分的
分配比例最大下降 12%,而 F4 组分的分配比例显
著提高 4%～ 10%.在根中 ,低Pb使F4组分的 Zn分
配比例显著增加 10%.以上结果表明加 Pb 导致 Zn
在植物各部位的 F4组分的分配比例增加和F1组分
的分配比例下降 ,即 Pb能促进Zn向可溶组分转移.
2.2　Zn在长柔毛委陵菜中的化学形态分布
表 2　Pb 对 Zn在长柔毛委陵菜叶 、柄和根中的亚细胞分布的影响
Table 2　Effect of Pb on Zn subcellular distribution of leaves , leaf stalks and roots in Potentilla griffithii var.velutina
处理 mg·L-1
Zn Pb
部
位
Zn含量 mg·kg -1
F1 F2 F3 F4 全量
回收率
%
分配比例 %
F1 F2 F3 F4
叶 33.27±8.89b 11.60±2.31c 3.95±1.59c 62.57±5.11a 106.47±9.62 94.86 29.61b 10.34ab 3.49b 56.56a
0 0 柄 21.18±3.70a 8.51±1.79b 5.04±1.13b 25.52±5.63a 57.20±2.40 95.60 35.30d 14.11a 8.34ab 42.26a
根 27.86±2.84a 9.10±0.56b 7.50±1.43b 24.93±5.31a 75.60±2.68 88.71 40.13d 13.19b 11.00a 35.67a
叶 191.42±14.38a 36.68±7.30b 13.59±1.70c 49.02±3.25b 318.94±15.04 91.15 65.79a 12.66a 4.67b 16.89c
0 柄 132.12±9.09a 24.96±1.84b 13.00±1.60c 33.33±4.52b 246.45±25.12 82.53 64.92a 12.30abc 6.41bc 16.37e
根 135.52±17.52a 40.33±2.09b 19.17±4.34c 45.53±2.10b 275.50±28.59 87.32 56.20bc 16.83a 7.98b 18.99c
叶 165.17±20.93a 18.39±6.41c 14.39±2.48c 77.50±15.25b 276.87±26.01 99.79 59.86a 6.62b 5.25ab 28.28b
10 10 柄 138.46±11.36a 28.53±3.97c 21.62±1.13c 67.30±13.20b 257.98±13.18 99.04 54.21b 11.12bc 8.55ab 26.12c
根 124.72±16.38a 21.33±2.86c 18.44±1.72c 67.42±3.62b 235.78±38.77 99.08 53.66c 9.18c 7.98b 29.18b
叶 150.62±50.91a 23.19±3.89bc 13.82±5.17c 70.71±12.90b 266.95±54.15 96.62 57.48a 9.40ab 5.57ab 27.55b
40 柄 90.14±15.06a 25.69±7.08c 19.56±5.66c 59.38±8.13b 198.67±51.03 99.54 46.25c 13.05ab 10.05a 30.65b
根 88.73±11.92a 22.91±6.01b 17.98±2.40b 29.20±3.16b 167.30±24.87 95.37 55.88bc 14.33ab 11.41a 18.39c
叶 401.78±18.82a 43.33±5.58c 21.14±2.85d 177.38±10.73b 806.88±27.13 79.77 62.42a 6.75b 3.28b 27.56b
0 柄 591.95±16.94a 92.31±15.73c 42.04±13.67d 142.22±2.27b 1060.10±14.43 81.93 68.19a 10.61c 4.82c 16.37e
根 605.69±31.91a 146.72±2.67b 48.16±3.51c 160.10±7.21b 1016.43±37.89 94.51 63.03a 15.28ab 5.03cd 16.67c
叶 418.59±101.08a 78.49±3.98bc 33.95±7.04c 187.75±62.28b 789.91±119.88 90.69 58.00a 11.22a 4.73b 26.05b
100 10 柄 517.52±48.09a 100.80±11.91c 59.08±18.76c 244.77±18.76b 1029.64±138.82 89.97 56.14b 10.92bc 6.33bc 26.61c
根 490.59±131.90a 73.62±3.83c 28.00±13.79c 216.06±20.03b 869.92±211.65 93.87 60.08ab 9.27c 3.64d 27.00b
叶 369.11±76.92a 56.84±17.40c 46.49±13.23c 152.24±45.47b 679.37±82.73 91.27 59.29a 9.13ab 7.43a 24.16bc
40 柄 504.08±19.84a 63.16±14.98c 44.67±0.65c 158.82±16.24b 791.42±50.98 97.47 65.47a 8.14d 5.81bc 20.57d
根 538.13±111.87a 77.40±20.51c 53.59±14.21c 159.37±23.29b 844.73±122.58 97.56 64.92a 9.27c 6.42c 19.39c
　　Zn在长柔毛委陵菜中的化学形态分布如表 3
和表 4所示.在植物的化学形态提取中 ,Zn 的回收
率为 82%～ 100%,说明化学试剂逐步提取法也能
很好的用于Zn的化学形态研究.
由表 3可知 ,对照中植物叶片 、叶柄和根的 Zn
化学形态都以乙醇提取态和水提取态为主 ,两者分
别占总量的 87%、72%和 63%,表明植物体内的 Zn
主要以活性较强的结合形态存在 ,这可能与其体内
Zn含量较低有关;单 Zn 处理中的叶片也以乙醇提
取态和水提取态为主 , 两者分别占总量的 61%和
69%,而叶柄和根中却以氯化钠提取态和乙醇提取
态为主 ,两者占总量的 62%～ 73%.与对照相比 ,单
Zn处理使叶片和叶柄的乙醇提取态的分配比例显
著减少 18%～ 30%,根中的水提取态也分别显著减
少 17%和 23%,而各部位的氯化钠提取态的分配比
例却显著增加 6%～ 27%,并使叶片和根中的醋酸
提取态分别显著增加 13%和 5%以上.总之 ,单 Zn
处理使植物各部位中活性较强的乙醇提取态和水提
取态的所占比例之和比对照减少 15%～ 25%.
在Zn Cd复合处理中(表 3),与单 Zn 处理不同
的是 ,水提取态取代醋酸提取态与乙醇提取态和氯
化钠提取态一起成为优势形态 ,三者占总量的 70%
～ 88%,其中叶片中以乙醇提取态的含量最高 ,而叶
柄和根中以氯化钠提取态的含量最高.同时 , Cd对
Zn的化学形态分布产生不同影响.在叶片中 ,低 Zn
时添加Cd对Zn的乙醇 、水 、氯化钠提取态等主要形
20317 期 周小勇等:镉和铅对长柔毛委陵菜体内锌的亚细胞分布和化学形态的影响
2032 环　　境　　科　　学 29 卷
20337 期 周小勇等:镉和铅对长柔毛委陵菜体内锌的亚细胞分布和化学形态的影响
态无显著影响;高Zn时添加 Cd 使乙醇提取态的分
配比例降低 7%～ 14%,而氯化钠提取态的分配比
例显著增加 9%～ 18%.在叶柄中 ,添加 Cd 对 Zn 的
主要化学形态没有显著影响.但在根中 ,添加 Cd 使
Zn的氯化钠提取态的分配比例显著增加 ,同时导致
乙醇提取态显著下降 13%～ 19%;虽然在高 Zn 时
Cd的添加使水提取态的分配比例显著上升 ,但乙醇
提取态和水提取态的分配比例之和比单 Zn处理时
低.以上结果说明Cd的添加促进植物体内的 Zn 向
活性较弱的形态转移.
在Zn Pb复合处理中(表 4),与Zn Cd复合处理
一样 ,植物各部位的化学形态以氯化钠提取态 、乙醇
提取态和水提取态为主导形态 ,三者占总量的 79%
～ 89%.同时 ,Pb对Zn的化学形态分布也造成不同
影响.在叶片和叶柄中 ,低 Zn时添加 Pb对 Zn的氯
化钠提取态 、乙醇提取态和水提取态等主导形态无
显著影响;高Zn时添加 Pb 使乙醇提取态的分配比
例降低15%～ 23%,而氯化钠提取态的分配比例显
著增加9%～ 27%;与Cd相比 ,高Zn时添加Pb使叶
片和叶柄中的乙醇提取态的分配比例多减少 9%～
16%,而氯化钠提取态的分配比例多增加 9%～
15%.其中叶片中的高 Zn 时添加 Pb 使氯化钠提取
态成为含量最高的形态 ,而乙醇提取态由首位形态
跌至第 3位 ,位于水提取态之后.在根中 ,Pb的添加
使根中 Zn 的氯化钠提取态的分配比例显著增加
15%～ 17%,同时导致乙醇提取态显著下降 14%～
21%;虽然 Pb的添加使根中水提取态的分配比例上
升 ,但乙醇提取态和水提取态的分配比例总和比单
Zn处理时低 7%～ 12%.这些结果说明 Pb 的添加也
促进植物体内的 Zn向活性较弱的形态转移.
同时从表 3和表 4可知 ,所有处理中 ,植物各部
位Zn的乙醇提取态和水提取态的分配比例之和呈
现叶片>叶柄>根的格局 ,其分配比例的平均值分
别为 60%、50%和 38%;而氯化钠提取态却相反 ,即
总体上表现为叶片<叶柄<根 ,其分配比例的平均
值依次为 22%、35%和 41%,这表明 Zn 在根中主要
与蛋白质等结合向地上部运输 ,而在地上部以活性
较强的形态存在 ,可能与有机酸等络合储存在液泡
中.此外 ,Zn的各种化学形态中 ,没有一种占绝对优
势的形态存在 ,这说明植物各部位中的细胞中有多
种配位基团与 Zn结合.
3　讨论
3.1　关于长柔毛委陵菜的亚细胞分布
细胞壁固持和液泡区室化可能在植物对重金属
的解毒 、耐性和超富集方面起着主要作用[ 23, 24] .Zn
超富集植物 Thlaspi caerulescens内的 Zn主要富集在
叶和根的液泡中 , 其次分布在叶的非原生质体
中[ 2 , 6 , 9] ;Zn超富集植物 Arabidopsis halleri 中的 Zn主
要富集在根部表皮的细胞壁和叶肉细胞的液泡
中[ 5 , 7] ;同样 , Zn 超富集植物东南景天(Sedum
alfredii)中的 Zn 主要分布在细胞壁中 ,其次在可溶
部分[ 8] .在非超富集植物玉米中 , Zn 也主要分布在
细胞壁和以液泡为主的可溶部分中 ,只有少量的分
布在叶绿体 、线粒体 、细胞核等细胞器中[ 14] .本结果
与上述结果类似 ,从表 1和表 2可知 ,长柔毛委陵菜
各部位的Zn主要分布在细胞壁和可溶部分中 ,而在
细胞核 、叶绿体和线粒体中分布较少 ,表明细胞壁和
以液泡为主的可溶部分是长柔毛委陵菜的储存 Zn
的 2个最重要部位.Zn2+可能与长柔毛委陵菜细胞
壁上的果胶质 、多糖和蛋白质等成分结合 ,束缚大量
的Zn2+ ,减少其跨膜运输和向细胞内的迁移 ,从而
降低原生质部分的 Zn2+浓度 ,细胞壁可能是保护原
生质体免受 Zn毒害的第一道屏障;进入细胞内的大
部分 Zn2+与柠檬酸 、苹果酸和草酸等有机酸络合 ,
富集在以液泡主的可溶部分[ 18] ,使其它细胞器免受
毒害.因此 ,Zn在细胞壁沉淀和可溶部分的液泡区
隔化可能是长柔毛委陵菜耐 Zn的机制之一.
同时 ,从表 1和表 2可知 ,Cd和 Pb的添加基本
上使植物各部位的 Zn在细胞核 、叶绿体和线粒体中
的分配比例没有显著增加 ,大多数情况下反而显著
下降 ,细胞壁或可溶部分的分配比例在大多数处理
下显著上升 ,这表明在 Zn Cd和 Zn Pb复合污染下 ,
非必需元素Cd和 Pb一定会分布于植物的细胞核 、
叶绿体和线粒体中 ,导致这些器官中的重金属离子
浓度高于单Zn处理时的 Zn2+浓度 ,但通过减少 Zn
在这些器官中的分布 ,并向细胞壁或以液泡为主的
可溶部分转移 ,以此减轻Cd和 Pb对植物的危害 ,这
也许是长柔毛委陵菜适应 Zn Cd和 Zn Pb复合污染
的一种防卫表现.
此外 ,本试验以相同的单 Zn 处理浓度(10 和
100 mg·L-1)和培养时间(21 d)来比较不同 Zn盐对
长柔毛委陵菜亚细胞分布的影响.ZnSO 4·7H2O 处理
使植物各部位的 Zn主要分布在细胞壁部分(40%～
55%),其次是可溶部分(17%～ 27%),在叶绿体和
线粒体中分布较少[ 15] .而Zn(NO3)2·6H2O处理使植
物各部位的 Zn 也主要分布细胞壁部分(56%～
68%),其次是可溶部分(16%～ 28%),其它细胞器
2034 环　　境　　科　　学 29 卷
中也分布较少(表 1).这说明不同 Zn盐处理对 Zn
在长柔毛委陵菜的亚细胞分布格局没有明显影响.
3.2　关于长柔毛委陵菜的化学形态分布
采用乙醇 、去离子水 、氯化钠 、醋酸和盐酸等不
同提取剂 ,顺序性提取植物组织中的不同结合形态
的重金属 ,随着上述提取剂极性的增强 ,所提取出的
重金属活性和在植物体内的迁移能力不断降
低[ 16 , 25] .东南景天的超累积生态型在 Zn =0.5
mmol·L-1处理时 ,其叶和茎中的 Zn 以乙醇提取态 、
水提取态和氯化钠提取态为主导形态 ,并认为 Zn在
植物体内与多种金属配位体结合[ 26] .本研究结果
(表 3和表 4)与对东南景天的研究结果相似 ,叶片
中也以乙醇提取态和水提取态占优势 ,而在叶柄和
根中基本上以氯化钠提取态 、乙醇提取态和水提取
态为主要结合形态.但与青菜和玉米中 Zn的化学形
态分布有所差异 ,青菜地上部和根部的 Zn分别以醋
酸提取态和氯化钠提取态 、醋酸提取态为主[ 25] ;而
玉米根中的Zn以水提取态为主 ,在叶和茎中以氯化
钠提取态 、醋酸提取态和水提取态为主要形态[ 27] .
这说明Zn的化学形态分布与植物种类有关.
同时 ,在 Zn Cd和 Zn Pb 复合处理中 ,Cd 和 Pb
对高 Zn处理时的叶片 、Pb 对高 Zn处理时的叶柄以
及Cd和 Pb对单Zn处理的根一样 ,都显著降低了乙
醇提取态的分配比例 ,而显著提高了氯化钠提取态
的分配比例(表 3和表 4).与此类似 ,玉米在 NTA 诱
导下 ,叶和茎中的Cu 和 Zn的氯化钠提取态所占比
例有所增加[ 27] .这说明在 Cd和 Pb 对 Zn化学形态
的影响主要表现在减少活性较强形态的分布 ,使 Zn
向活性较弱的结合形态转移 ,从而增强植物对 Zn的
耐性.这也许是长柔毛委陵菜适应复合污染的一种
积极响应.
此外 ,长柔毛委陵菜在 ZnSO4·7H2O 处理下的
化学形态以氯化钠提取态和水提取态为主导形态 ,
这2种形态所占比例除在低 Zn 处理的叶片中较低
外 ,其它都在 55%～ 72%之间[ 15] .而在相同浓度的
Zn(NO3)2·6H2O 处理下(表 3),植物叶片中以乙醇
提取态和水提取态为主 , 两者占总量的 61% ～
69%,叶柄和根中都以氯化钠提取态和乙醇提取态
为最高形态 ,2种形态占总量的 62%～ 73%.从中可
以看出 ,Zn(NO3)2·6H2O 处理使乙醇提取态成为优
势形态 ,说明不同Zn盐对长柔毛委陵菜化学形态产
生显著影响 ,这与乙醇提取剂主要浸提的是以硝酸
锌 、氯化锌为主的无机盐及氨基酸盐有关[ 16] .
4　结论
(1)长柔毛委陵菜的细胞壁和含核糖体的可溶
部分是 Zn在细胞内的主要结合位点 ,而在其它 2个
组分的分布较少;单Zn处理 、Zn Cd和Zn Pb复合处
理都显著促进 Zn在细胞壁的富集(p <0.05),同时
显著减少Zn在可溶部分的分布(p<0.05);与单 Zn
处理相比 ,虽然Cd和 Pb没有改变Zn在各亚细胞组
分所呈现的 F1>F4>F2>F3的分布总体格局 ,但基
本上减少 Zn在细胞核 、叶绿体和线粒体中的分布 ,
增加在细胞壁或可溶部分的比例 ,从而促进Zn向细
胞壁或液泡中转移.
(2)不同处理对长柔毛委陵菜体内的Zn化学形
态的影响不尽相同:对照中的各部位和单 Zn处理的
叶片中都以乙醇提取态和水提取态为主 ,单Zn处理
的叶柄和根中主要以氯化钠提取态和乙醇提取态为
优势形态;而复合处理中植物各部位的Zn都以氯化
钠提取态 、乙醇提取态和水提取态占优势;在所有处
理中 , Zn的盐酸提取态和残留态的所占比例都较
低;Zn 、Cd和 Pb的添加大多能显著提高 Zn的氯化
钠提取态的分配比例 ,而显著降低其乙醇提取态的
分配比例 ,从而促进 Zn 向活性较弱的结合形态
转移.
(3)不同 Zn 盐处理对长柔毛委陵菜体内 Zn的
亚细胞分布格局没有明显影响 ,而硝酸锌处理使乙
醇提取态变为优势形态.
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