全 文 ：第 25 卷第 11 期
2005 年 11 月
生　　态　　学　　报
A CTA ECOLO G ICA S IN ICA
V o l. 25,N o. 11
N ov. , 2005
镉污染对烟草叶片超微结构及部分元素含量的影响
袁祖丽1, 马新明13 , 韩锦峰1, 李春明1, 吴葆存2
(1. 河南农业大学农学院, 郑州　450002; 2. 河南省岩业矿物测试中心, 郑州　450012)
基金项目: 国家烟草专卖局重大招标资助项目 (110200201005)
收稿日期: 2005202216; 修订日期: 2005210226
作者简介: 袁祖丽 (1963～ ) , 女, 河南南阳人, 博士生, 副教授, 主要从事植物资源及污染生态研究. E2m ail: zu liyuan@yahoo. com. cn
通讯作者A utho r fo r co rrespondence. E2m ail: x inm ingm a@ 371. net
Foundation item: T he P ro ject is an impo rtan t b idding p rogram from Ch ina Tobacco A utocratic Selling Bureau (N o. 110200201005)
Rece ived date: 2005202216; Accepted date: 2005210226
Biography: YUAN Zu2L i, Ph. D. candidate, A ssociate P rofesso r, m ain ly engaged in p lan t resources and effect of contam ination in p lan t. E2m ail:
zu liyuan@yahoo. com. cn
摘要: 采用水培试验, 利用电感耦合等离子体、透射电镜、扫描电镜等技术研究了镉污染对烟草 (N icotiana tabacum ) 叶绿素含量
及叶绿素 aöb 值、叶下表皮气孔器密度、腺毛密度、叶片细胞超微结构和 P、K、Ca 等元素含量的影响, 以及叶片细胞、腺毛对镉
污染的反应。结果表明随着营养液中镉浓度的增高, 烟草叶绿素含量及叶绿素 aöb 值降低; 叶下表皮气孔器的密度及腺毛的密
度增加; 叶绿体中组成基粒的类囊体层数减少、分布不均、或粘连成索状, 叶绿体膜系统崩溃, 内外膜均解体, 类囊体消失; 但烟
草可通过将镉隔离于细胞壁中或排出表皮细胞或通过腺毛分泌作用来减少其毒害。随着营养液中镉浓度的增高, 腺毛分泌物中
Si、K、A l、Ca、M g、Fe 的含量增加; 浓度为 3m göL 的镉污染可增加叶片中 P、Ca、M g、Fe、Cu、Zn、A l 元素的含量, 但浓度为 30
m göL 的镉污染造成叶片中 P、Ca、M g、Fe、Cu、Zn、A l 元素含量的减少; 镉污染可引起叶片中N a 含量增加, 且随着营养液中镉
浓度的增高N a 含量增加; 镉污染造成 K、M n 在叶片中的含量下降, 而且随着营养液中镉浓度的增高, K、M n 含量下降幅度
增加。
关键词: 烟草; 镉污染; 叶片; 超微结构; 元素含量
文章编号: 100020933 (2005) 1122919209　中图分类号: X503123　文献标识码: A
Effect of Cd Con tam ina tion on ultram icroscop ic structure and som e elem en ts
con ten t of tobacco leaves
YUAN Zu2L i1,M A X in2M ing13 , HAN J in2Feng1, L I Chun2M ing1,W U Bao2Cun2　 (11Colleg e of A g ricu ltare, H e′
nan A g ricu ltu ra l U niversity , Z heng z hou , 450002, Ch ina; 2. H e′nan P rov ince D eterm ina tion Cen ter of R ock M inera l, Z heng z hou , 450012, Ch ina).
A cta Ecolog ica S in ica , 2005, 25 (11) : 2919～ 2927.
Abstract: To determ inate the effects of cadm ium (Cd) tox icity on tobaccoes (N icotiana tabacum L. ) , ch lo rophyll con ten t and
the value of ch lo rophyll aöb, density of stom atas and trichom es on abax ial ep iderm is of leaves, u ltram icro scop ic structu re of
the leaves, con ten t of som e elem en ts in leaves and secret ing m ateria ls by trichom es w ere studied under Cd stress. Tobacco
seedlings w ith sam e num ber of leaves ( six leaves) and sam e heigh t w ere selected. A fter roo ts w ere w ashed w ith deion ized
w ater, the seedlings w ere transferred and cu lt ivated hydropon ically in po ts con tain ing nu trien t so lu t ion (acco rding to m ethod of
Hoagland ). A fter 20d cu lt ivated in nu trien t so lu t ion, the cadm ium w as added to nu trien t so lu t ion at the fo llow ing
concen trat ions (calcu lated w ith pu re Cd) : 0 m göL , 3 m göL , 30 m göL , 100 m göL in Cd (CH 3COO ) 2. Each treatm en t w as
rep licated th ree t im es. T he nu trien t so lu t ion w ith differen t concen trat ions of Cd w as renew ed every 5d. T he seedlings w ere
aerated 3 h everyday. A fter 5d the seedlings cu lt ivated in Cd100 m göL died. T he o ther samp les w ere co llected after 40 day′
cu lt ivat ion.
T he assay of ch lo rophyll con ten t and the value of ch lo rophyll aöb in leaves w ere acco rding the m ethod of Zhu Guanglian.
To determ ine the m ineral elem en ts con ten t in leaves treated w ith differen t concen trat ions of Cd, the samp les w ere selected
at the six th leaf from the base to top in each treatm en t. 0. 1g dried leaf samp les at sam e locat ion of the leaf ( removed m ain
vein s) w ere ground and the pow der w as digested w ith a m ix tu re of HNO 3+ HC l+ HC lO 4 ( in the p ropo rt ion of 3∶2∶115). T he
concen trat ion of HNO 3, HC l and HC lO 4 w ere 1140göm l, 1119göm l, and 1167göm l respect ively. Samp les w ere evapo rated to
dry on a p lank heated by electricity at 300℃. T he elem en ts w ere ex tracted w ith 1 m l 10% HC l, T hen the HC lw as added to 10
m l. T he samp les w ere pu t in ICP ( IR IS In trep id) to determ ine con ten t of the elem en ts.
To observe u ltram icro scop ic structu re of ch lo rop lasts and cell w alls, the samp les w ere selected at the fifth leaf from the
base to top in each treatm en t at the sam e locat ion of the leaf. L eaf segm en ts w ere fixed in 3% glu taraldehyde (PH 712) fo r 4 h
at 4℃ and po st fixed in 1% O sO 4 over a n igh t. T he segm en ts w ere dehydrated w ith ethyl alcoho l and em bedded in Spurr’resin
at 60℃ fo r 8 h. Sect ions (60～ 90nm ) w ere m ade w ith L KB28800 u ltram icro tom e, sta ined w ith 1% uranyl acetate and observed
by JEM 2100SX.
To observe secreted m ateria ls by trichom es in leaves, leaves w ere in it ia lly exam ined using a m ult i2m ateria l m icro scope
(A X IO PLAN 2, ZE ISS, Germ an). T hen leaf segm en ts w ere at tached to alum inum stubs glued on bo th sides. T he alum inum
stubs w ith specim ens w ere pu t on the stage of cham ber. Samp les w ere analyzed using environm en tal scann ing electron ic
m icro scope (QUAN TA 600F, FE I, Ho lland) w ith an energy2dispersive X2ray analysis system ( IN CA x2sigh t, OXFORD
IN STRUM EN T S, B rita in).
A fter 40 days cu lt ivated hydropon ically in nu trien t so lu t ion w ith differen t Cd concen trat ions, the ch lo rophyll con ten ts of
leaves and their aöb value w ere separately 718, 319, 119, and 3136, 2183, 2131 respect ively under 0 m göL , 3m göL and 30
m göL of Cd treatm en ts. T he density of stom atas and trichom es on abax ial ep iderm is of leaves increased w ith the Cd
concen trat ion in nu trien t so lu t ion.
Fo r the ch lo rop last under the Cd 3m göL stress, bo th the num bers of granas and the thylako ids sacked to granas w ere
reduced. U nder the Cd 30 m göL stress, the m em brane system of ch lo rop last co llap sed. T he ou ter m em brane edge of
ch lo rop last becam e vague, and granas disappeared. T here w ere som e cavit ies in the thylako ids system. In som e ch lo rop lasts
there w ere no obvious m em brane system s. It suggested that Cd had obvious effects on ch lo rop lasts and Cd m igh t have som e
effects on pho to syn thesis, and even tually affect on the grow th and developm en t of tobacco.
T he con ten t of Cd in leaves increased w ith Cd concen trat ion in nu trien t so lu t ion. T he con ten ts of P、Ca、M g、Fe、Cu、Zn、A l
in leaves increased in Cd 3m göL treatm en t, bu t decreased sharp ly in Cd30 m göL treatm en t. T he con ten t of N a in leaves
increased along w ith the rise of Cd concen trat ion in nu trien t so lu t ion, bu t the con ten t ofM n decreased along w ith the rise of Cd
concen trat ion in nu trien t so lu t ion.
By observat ion of the leaf u ltram icro scop ic structu re w ith transm ission electron ic m icro scope, it w as found that there w ere
som e globu lar o sm iopoh ilic m ateria ls appearing in cell w all, in tercellu lar layer, cavity among adjacen t cell and on the ou ter
su rface of the cell w alls of ep iderm is under Cd stress, bu t there w ere no globu lar o sm iopoh ilic m ateria ls in con tro lled tobacco
leaves. By analysis of globu lar o sm iopoh ilic m ateria ls w ith an energy2dispersive X2ray analysis system fit ted w ith ESEM , it
revealed that globu lar o sm iopoh ilicm ateria ls con tained Cd. It suggested that tobacco leaves cou ld reduce Cd ions by segregating
Cd in cell w all o r exuded Cd ou t of the cells to dim in ish Cd tox icity.
In tobacco there are m ain ly tw o k inds of trichom es in mo rpho logically. O ne is long, the o ther is sho rt. U sing
environm en tal scann ing electron ic m icro scope it w as found that bo th long and sho rt trichom es cou ld secrete crystals. A n
energy2dispersive X2ray analysis system fit ted w ith ESEM revealed that the crystals had Cd and o ther elem en ts after Cd
treatm en ts, bu t there w as no Cd elem en t in con tro lled one. In Cd 3m göL treatm en t the con ten t of Cd w as 0. 11% of crystals
w eigh t, and in Cd 30 m göL treatm en t the con ten t of Cd w as 0. 25% of crystals w eigh t. It suggested that the con ten t of Cd in
crystals increased w ith the concen trat ion of Cd in nu trien t so lu t ion. T he con ten t of elem en ts of Cd, Si, K, A l, Ca, M g and Fe
in crystals secreted by Cd treated tobaccoes increased w ith the rise of concen trat ion of Cd in nu trien t so lu t ion.
T he resu lts of th is study demonstrated that Cd great ly inh ib ited the grow th and developm en t of tobacco leaves. O n one
hand Cd stress resu lted in the leaf ch lo ro sis, because Cd inh ib ited syn thesis of ch lo rophyll and rep licat ion of ch lo rop lasts,
reduced ch lo rophyll con ten ts, and changed aöb value. O n the o ther hand Cd resu lted in u ltram icro scop ic structu re changes of
ch lo rop lasts such as the num bers of granas reduction, som e cavit ies appearance in thylako ids system , even co llap se of
m em brane system s. T he con ten t of Cd in treated leaves increased w ith the rise of Cd concen trat ion in nu trien t so lu t ion. T he
study revealed that under Cd stress tobaccoes in som e degree cou ld segregate Cd in cell w alls, in tercellu lar layers, cavit ies
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among adjacen t cells and on the ou ter su rface of the cell w alls of ep iderm is, and secrete Cd by trichom es to reduce Cd tox icity.
T he con ten t of Cd, Si, A l, K, Ca, Fe in crystals secreted by trichom es of treated tobacco increased w ith the rise of Cd
concen trat ion in nu trien t so lu t ion.
Key words: Tobacco leaves; Cd con tam ination; u ltram icro scop ic structu re; con ten t of elem en ts
　　镉是环境中的主要污染物之一。环境中的镉主要来自于采矿、冶炼、交通及矿物肥料的副产品等。镉虽然是植物生长的非必
需元素, 但却很容易被根吸收且部分被运输到地上部[1, 2 ]。镉污染对植物的生长发育造成一系列的伤害, 如引起油菜 (B rassica
nap us) 叶片卷曲、失绿[3 ]; 增加白柳 (S a lix a lba)、红皮柳 (S. p u rp u rea) 等植物气孔的密度, 减少其气孔的体积和开度[4 ]; 减少菜
豆 (P haseolus vu lg aris)、玉米 (Z ey m ay s) 等植物叶绿素的生物合成[5～ 8 ]; 改变水稻 (O ry z a sa tiva) 等植物细胞膜的组成, 增加膜
的过氧化[4, 9, 10 ]; 阻碍烟草 (N icotiana tabacum ) DNA 的合成及导致DNA 的破坏和基因突变[11 ]; 在桦木 (B etu la p end u la) 中加
剧根、枝条中 K、Ca、M g 浓度的减少[12 ]; 镉污染导致大麦 (H ord eum vu lg are) 植株中M n、Cu 及茎叶中 Fe 浓度的急剧减少[13 ];
镉污染引起玉米 (Z ey m ay s) 根系和茎叶中Ca、M g、Fe、Cu 的吸收量随镉浓度提高而增加, K、Zn 的吸收量随镉浓度提高而减
少[5 ]。镉污染不仅对植物的生长发育造成危害, 而且可以通过谷物、水果、蔬菜等植物部分作用进入食物链威胁人类健康[14 ]。镉
一旦进入人体, 不会发生分解, 而是积蓄在体内, 引起致畸、致癌和致突变等[15 ]。以往有关镉污染对烟草影响的报道多集中在生
理生化方面, 对镉污染下烟草叶片、叶绿体的超微结构、叶片矿物质元素的变化和适应胁迫环境的机理研究较少。本研究试图通
过感应耦合等离子体、透射电镜、扫描电镜等技术探讨镉污染对烟草叶片细胞及叶绿体超微结构的影响, 叶片 P、K、Ca 等矿物
质元素含量的影响, 及叶片对镉污染的适应, 为无公害烟叶的生产提供理论依据。
1　材料和方法
111　试验材料
试验材料为云烟 85 (N icotiana tabacum L. )烟草品种。
营养液的配制按Hoagland 配方用去离子水加A 2Z 微量元素配制。
112　试验设计
试验共设 4 个处理: 在营养液中加入乙酸镉, 配置成每生营养液中纯镉浓度为 0m g (对照CK)、3m g、30m g、100 m g 的溶液,
每个处理重复 3 次。
113　试验方法
从苗床挖取有 6 片真叶且长势一致的幼苗, 用流水仔细漂去根上的泥土, 再用去离子水冲洗 3 次, 移栽至营养液中, 移栽后
每天定时用加氧泵通气 3h, 每隔 5d 换一次新营养液。培养 20d 后烟苗生长正常 (此时叶片数为 4) , 移栽至加入配置好的乙酸镉
处理液中。每 5d 换一次各处理的营养液。处理 40d 后取样观察。
114　测定项目与方法
(1)叶绿素含量　参照朱广廉[16 ]等的方法, 每个处理重复 3 次。
(2)叶片中金属元素含量　将不同浓度镉处理烟草同一叶位 (自下而上第 6 片叶) 的叶片取下, 去除主脉后烘干, 分别称取
烘干磨碎试验材料 011g, 将试验材料放入 6m l 的硝酸+ 盐酸+ 高氯酸 (按 3∶2∶115 比例)酸液中 (硝酸浓度 1140göm l; 盐酸浓
度 1119göm l; 高氯酸浓度 1167göm l) , 置于 300℃的电热板蒸干, 然后用 1m l 10% 盐酸提取, 定容至 10mm l, 用电感耦合等离子
体 ( ICP2A ES) IR IS Irtrep ld 型全谱直读光谱仪测定 (美国 T hermo E lem en tal)。0138m 焦距, 中阶梯光栅 5216 条ömm , 21℃石英
棱镜, 电荷注入式 (C ID )检测器, In tellifram Tm 智能摄谱 512×512 像素 (p ixel) , 波长范围 165～ 1050nm , 每个处理重复3 次。
(3) 叶片和叶绿体超微结构　用双面刀片将烟叶同一叶位叶片的同一部位 (自下而上第 5 片叶中部距中脉 1cm 处) 切成
2～ 3 mm 3的小块, 用 3% 戊二醛 (用 2 mo löL 的磷酸缓冲液配制, pH 712) 在 4 ℃下前固定 6 h, 同时抽气直到切块下沉为止。
1 mo löL 磷酸缓冲液冲洗后, 用 1% 锇酸在 4 ℃下后固定过夜, 1 mo löL 磷酸缓冲液冲洗后, 4 ℃下系列乙醇脱水, 纯丙酮过渡,
Spu rr (Dow Chem ical Co1 U SA ) 包埋, 在 68 ℃下聚合 8 h。修块后用L KB 28800 型切片机切片 (厚度为 60～ 90 nm ) , 醋酸双氧
铀和柠檬酸铅双染色, 在 JEM 2100SX 透射电镜下观察叶片细胞和叶绿体超微结构。
(4)叶片表皮气孔器、腺毛密度　采用A X IO PLAN 2 (德国 ZE ISS 公司)显微镜观察, 取 6 次观察结果的平均值。
(5)叶片表皮腺毛及其分泌物　采用带有X2射线能谱仪 (牛津分析仪器有限公司O xfo rd Instrum en ts A nalyt ical L im ited)
的环境扫描电镜 (美国 FE I 公司生产, 型号: QUAN TA 600F ) 观察。将材料用双面胶粘在样品台上放入样品室, 工作距离为
10mm , 电子束直径 1Λm , 加速电压 30kV , 每个处理重复 3 次。
2　结果与分析
211　镉污染对烟草叶片有关性状的影响
129211 期 袁祖丽　等: 镉污染对烟草叶片超微结构及部分元素含量的影响 　
水培营养液中施入乙酸镉 5d 后Cd 100m göL 处理的烟苗已经死亡, 镉污染 40d 后对烟叶的叶绿素含量、叶绿素 aöb 值、叶
片下表皮气孔器和腺毛密度等性状进行观察, 结果如表 1。
表 1　镉污染对烟叶叶绿素含量、叶绿素 aöb 值下表皮气孔密度、腺毛密度的影响
Table 1　Effect of Cd on con ten ts of chlorophyll, value of chlorophyll aöb, den sity of stomatas and tr ichomes on abax ia l ep iderm is of leaves
处理
t reatm ents
叶绿素含量 (m gögFW ) 叶绿素 aöb 值 气孔器密度 (N oömm 2) 腺毛密度 (N oömm 2)
con ten ts of ch lo rophyll value of ch lo rophyll aöb density of stom atas density of trichom es
CK 7. 8±0. 25 aA 3. 36±0. 015 aA 66±1. 53 aA 17±1. 00
Cd3 (m göL ) 3. 9±0. 06 bB 2. 83±0. 031 bB 71±0. 58 bB 19±0. 58
Cd30 (m göL ) 1. 9 ±0. 1 cC 2. 31 ±0. 015 cC 78±1. 00 cC 25±0. 58
　　同列内平均值后有相同小写或大写字母的表示差异未达到 5% 或 1% 显著水平; 下同W ith in any co lum n, m eans fo llow ed by the sam e sm all
o r cap ital let ters are no t sign ifican tly differen t at 5% o r 1% levels, respectively; the sam e below.
　　从表 1 中可以看出, 烟草叶片叶绿素含量随着镉污染浓度的增高而急剧下降, 其中Cd3m göL 处理的叶片叶绿素含量为对
图 1　对照叶片的叶绿体, 示类囊体呈平行状排列
F ig. 1 　 T he ch lo rop last under Cd 0m göL treatm ent show ing
thylako ids in parallel array
T: 类囊体 thylako id; P: 质体小球 p lastogobulus; × 40000 tim es
照的 50% , 而 Cd30 m göL 处理的叶片叶绿素含量仅为对照的
24% , 这与随镉处理浓度的增高叶片失绿症状加重表现一致。叶
绿素 aöb 值也随着镉浓度的增高而下降, 说明镉污染对叶绿素 a
的影响较大。叶下表皮气孔器的密度及腺毛的密度随镉浓度的
增高而增多, 气孔密度增多的结果与L unácεková在白柳 (S a lix
a lba ) , 红皮柳 ( S a lix p u rp u rea ) 等植物中所观察到的结果一
致[6 ]。
2. 2　镉污染对烟草叶片叶绿体超微结构的影响
通过对叶绿体超微结构的观察得知, 镉污染可造成烟草叶
片中叶绿体结构的破坏。烟草正常的叶绿体有完整的双层被膜,
内部结构清楚, 即有亲水的蛋白质基质和密布在基质间的类囊
体, 类囊体呈平行状排列 (图 1) , 在基质间到处延伸, 组成了复
杂的膜系统。在镉污染条件下类囊体的形态发生变化, 其中在
Cd 3m göL 处理 40d 后, 叶绿体的类囊体层次减少、分布不均, 或
图 2　Cd 3m göL 处理后的叶绿体, 示叶绿体内的类囊体稀疏、层次
减少、粘连成索状; C: 类囊体空泡; L : 索状类囊体, (×20000 倍)
F ig. 2　T he ch lo rop last under Cd 3m göL treatm ent show ing th in ly
scattered thylako id m em braness, reduced num bers of thylako id
m em brane, thylako id m em branes adhered in line; C: cavity, L :
adhered thylako ids. in line; × 20000 tim es
粘连成索状 (图 2)。Cd 30m göL 处理 40d 后叶绿体膜系统开始崩
溃, 外膜边界不清, 有的类囊体消失, 有的类囊体出现空泡, 有的
类囊体垛叠混乱, 质体小球增多 (图 3)。有的叶绿体内外膜均解
体, 且其内已无任何类囊体结构 (图 4)。类囊体结构的完整有序,
对正常有效的光能转化是非常重要的[17 ]。类囊体垛叠紧密, 可使
膜电荷保持稳定, 膜成分区域化, 能更有效传递光能, 使光合系
统处于较佳状态[18 ]。类囊体粘连不利维持光合反应的区隔化, 直
接影响到光合作用的正常进行。可见对叶绿体结构的破坏是镉
对烟草毒害的机制之一。
2. 3　镉污染对烟草叶片细胞壁的影响
通过对烟草叶片细胞超微结构的观察得知, 在镉污染的叶
肉细胞壁及胞间隙中有黑色的嗜锇颗粒沉积 (图 6, 图 7) , 同时
在镉污染的叶片表皮细胞的外壁上亦可观察到黑色的嗜锇颗粒
排出体外 (图 8) , 而在对照细胞壁中及胞间隙中无黑色的嗜锇颗
粒 (图 5) , 通过对这些嗜锇颗粒的X2射线能谱分析发现嗜锇颗
粒中含有镉, 说明细胞壁可通过将这些含镉嗜锇颗粒隔离在细
胞壁中或胞间隙中。
2. 4　镉污染对烟草叶片腺毛分泌物及叶片某些元素含量的影响
烟草植株茎、叶表面密布腺毛, 主要有两种类型: 长腺毛和短腺毛。在光学显微镜和环境扫描电镜下观察到两种腺毛均具有
向外产生分泌物的功能 (图 9、图 11) , 这些分泌物主要为类萜化合物[19 ]。烟叶腺毛的分泌活动与叶片的发育密切相关。通过用
2292　 生　态　学　报 25 卷
　　　　　　　　　
图 3　Cd 30m göL 处理后的叶绿体, 示部分类囊体消失出现空泡, 类
囊体垛叠混乱, 质体小球增多; C: 类囊体空泡; P: 质体小球, (×
20000 倍)
F ig. 3 　 T he ch lo rop last under Cd 30m göL treatm ent show ing
disappearance of som e thylako ids, and there w as emp ty in
thylako ids, the thylako ids arrayed diso rderly, there w ere m any
p lastogobulus in the ch lo rop last; C: cavity, P: p lastogobulus. ×
20000 tim es
图 4　Cd 30m göL 处理后叶绿体, 示外膜解体, 类囊体、基粒片层消
失; D: 消失的外膜, (×20000 倍)
F ig. 4 　 T he ch lo rop last under Cd 30m göL treatm ent show ing
disappearance of the ch lo rop last envelope, thylako ids. and grana
lam ella; D: disappearance of the ch lo rop last envelope. × 20000
tim es
图 5　对照处理的叶肉细胞的细胞壁及胞间隙; C: 胞间隙; S: 淀粉
粒;W : 细胞壁, (×40000 倍)
F ig. 5　T he cell w alls and in tercellu lar emp ties of m esophyll under
Cd 0m göL treatm ent, C: cavity, S: starch, W : cell; × 40000
tim es
图 6　Cd30m göL 处理下叶肉细胞的胞间层; 示嗜锇颗粒。O: 嗜锇
颗粒;W : 细胞壁, (×10000 倍)
F ig. 6 　 T he in tercellu lar layer of m esophyll under Cd 30m göL
treatm ent show ing o sm iopoh ilic m aterials in in tercellu lar layer of
m esophyll, O : o sm iopoh ilic m aterials, W : cell w alls of m esophyll;
×10000 tim es
图 7　Cd3m göL 处理下的叶肉细胞壁及胞间隙, 示嗜锇颗粒; C: 胞
间隙; W : 细胞壁, (×20000 倍)
F ig. 7　T he cell w alls and emp ties of m esophyll under Cd 30m göL
treatm ent show ing o sm iopoh ilic m aterials in cell w alls and emp ties
of m esophyll; C: cavity of m esophyll, W : cell w all of m esophyll;
× 20000 tim es
图 8　Cd30m göL 处理下的叶片表皮细胞外壁, 示嗜锇颗粒; O : 嗜
锇颗粒; S: 淀粉粒;W : 细胞壁, (×10000 倍)
F ig. 8　T he outer cell w all of ep iderm is under Cd 30m göL treatm ent
show ing o sm iopoh ilic m aterials. 0: o sm iopoh ilic m aterials, S:
starch, W : outer cell w all of ep iderm is; ×10000 tim es
329211 期 袁祖丽　等: 镉污染对烟草叶片超微结构及部分元素含量的影响 　
带有X2射线能谱仪的环境扫描电境对烟叶表面的腺毛及腺毛分泌物分析得知, 对照的腺毛虽然可以向外产生分泌物, 但其分
泌物中不含有镉元素 (图 10) , 而在镉污染条件下长、短腺毛均可向外分泌出晶体状物质 (图 11) , 且其分泌物中含有镉元素
(图 12)。
图 9　光学显微镜下的长腺毛及其分泌物
F ig. 9 　A long trichom e and its secreting m aterials taken by
m icro scope
图 10　对照长腺毛分泌物的X2射线能谱图
F ig. 10　Spectrum of secreting m aterials from a trichom e under Cd
0m göL treatm ent analyzed by an energy2dispersive X2ray analysis
system
图 11　Cd30m göL 处理的一个长腺毛及其分泌物的扫描电镜图
F ig. 11 　A long trichom e and its secreting m aterials taken by
environm ental scanning electron ic m icro scope under Cd30m göL
treatm ent
图 12　Cd30m göL 处理长腺毛分泌物的X2射线能谱图
F ig. 12 　 Spectrum of secreting m aterials from a trichom e under
Cd30m göL treatm ent analyzed by an energy2dispersive X2ray
analysis system
　　为了比较腺毛分泌物中镉含量与镉处理浓度的关系, 对 2 个处理及对照的腺毛分泌物的成分进行了比较, 由表 2 中腺毛分
泌物的成分分析可知, 对照腺毛分泌物中无镉出现, 在Cd3m göL 处理中镉占分泌物重量为 0113% , 在 Cd30m göL 处理中镉占
分泌物重量增加到 0125% , 可以看出分泌物中Cd 的含量随着营养液中镉处理浓度的增加而增加; 同样分泌物中 Si, K, A l,
Ca, M g, Fe 的含量也是随着镉处理浓度的增加而增加。
叶片中镉的含量在对照中为 0m gökgDW , 在Cd3m göL 处理中为 137m gökgDW , 在Cd30 m göL 处理中为 205m gökgDW , 表
明随着镉在营养液中浓度的增高叶片镉的含量明显增加; 从表 3 中可以看出, 镉污染对烟草叶片中不同的矿物质元素有不同的
影响, 镉浓度在 3m göL 时可增加叶片中 P、Ca、M g、Fe、Cu、Zn、A l 等元素的含量, 但随着营养液中镉浓度的增高 (Cd30 m göL ) ,
叶片中的 P、Ca、M g、Fe、Cu、Zn、A l 等元素的含量减少; 镉可引起叶片中N a 的含量增加, 且N a 的含量随着营养液中镉浓度的
增高而增高; 但镉污染引起 K、M n 元素在叶片中的含量下降, 而且 K、M n 的含量随着营养液中镉浓度的增高而下降。经统计分
析, 各处理间元素含量的差异均达到极显著水平。
3　讨论
叶片是植物光合作用的器官, 叶绿体是叶片进行光合作用的细胞器, 叶绿体的数量、叶绿体的正常结构、叶绿素的含量是叶
片乃至整个植株正常生长发育的基本条件。通过试验得知, 镉污染不仅造成烟草叶片叶绿体类囊体片层减少、分布不均、或粘连
成索状, 甚至导致膜系统崩溃, 而且镉污染明显降低叶绿素的含量、造成叶绿素 aöb 值随着镉污染浓度的上升而下降, 导致叶片
失绿。据 Stobart 报道, 叶绿素生物合成的几个关键步骤对镉高度敏感, 镉通过影响原叶绿素酸酯还原酶的活性来抑制大麦
(H ord eum vu lg are) 叶绿素的生物合成, 且使右氨基乙酰丙酸的合成受到影响[8 ]; Padm aja 认为氨基乙酰丙酸脱氢酶对镉高度
敏感[7 ]; Ho rvath 认为镉影响原叶绿素酸酯还原酶整合叶绿素分子为色素蛋白复合体的过程[20 ]; 镉污染还影响叶绿体的繁殖,
4292　 生　态　学　报 25 卷
据Baryla 等报道, 生长在Cd 100m gökg 上的油菜 (B rassica nap us) , 叶绿体含量减少了 50% , 但增加质体小球的数量和体积[3 ]。
本试验的结果也表明镉污染导致叶绿体中质体小球的数量增加, 说明了镉污染加速叶绿体的衰老。杨居荣报道受镉危害的几种
作物中不仅叶绿体提取量均有下降, 而且在叶绿体提取物中检出有镉, 说明镉可能取代叶绿体酶中的活性微量金属元素如 Fe、
Zn 等使其受到破坏[21 ]。叶绿体的亚显微结构及色素的变化显示, 镉污染严重影响植物的光合作用中光能的捕获、传递, 加之镉
污染导致叶片的含水量下降[22 ] , 而水分的短缺也会影响光合作用、细胞分裂、营养元素的运输, 因此镉污染强烈抑制烟草叶片
的生长发育。
表 2　镉对烟叶腺毛分泌物元素的影响
Table 2　The effect of Cd on elemen ts secreting by tr ichomes
元素
E lem ent
CK Cd3 (m göL ) Cd30 (m göL )
重量百分比 原子量百分比 重量百分比 原子量百分比 重量百分比 原子量百分比
W eigh t% A tom ic% W eigh t% A tom ic% W eigh t% A tom ic%
C 46. 36±3. 61 53. 87±3. 41 39. 79±0. 91 48. 78±1. 42 42. 10±1. 36 53. 28±1. 59
N 6. 59±0. 32 6. 58±0. 33 8. 86±0. 55 9. 19±0. 58 9. 31±0. 86 10. 10±0. 9
O 43. 6±2. 72 38. 10±2. 93 41. 87±1. 43 37. 89±1. 22 28. 74±1. 91 27. 31±1. 09
N a 0. 03±0. 01 0. 02±0. 01 0. 19±0. 04 0. 12±0. 03 0. 30±0. 03 0. 20±0. 02
M g 0. 28±0. 06 0. 16±0. 03 0. 43± 0. 09 0. 26±0. 05 0. 87±0. 03 0. 56±0. 02
A l 0. 57±0. 28 0. 29±0. 15 2. 10±0. 23 1. 07±0. 11 3. 27±0. 23 1. 84±0. 13
Si 0. 21±0. 08 0. 11±0. 03 1. 40±1. 60 0. 73±0. 82 5. 83±0. 21 3. 15±0. 12
P 0. 16±0. 06 0. 08±0. 03 0. 25±0. 07 0. 12±0. 04 0. 16±0. 01 0. 08±0. 01
S 0. 27±0. 00 0. 12±0. 0 0. 25±0. 04 0. 11±0. 02 0. 25±0. 01 0. 11±0. 01
C l 0. 18±0. 05 0. 07±0. 02 0. 28±0. 04 0. 11±0. 02 0. 30±0. 02 0. 13±0. 01
K 1. 08±0. 30 0. 39±0. 11 2. 07±0. 11 0. 76±0. 03 3. 70±0. 18 1. 50±0. 17
Ca 0. 52±0. 17 0. 18±0. 06 1. 96±0. 11 0. 71±0. 04 3. 27±0. 16 1. 24±0. 06
M n 0. 01±. 002 0. 00±0. 01 0. 09±0. 06 0. 02±0. 01 0. 02±0. 02 0. 01±0. 01
Fe 0. 04±0. 02 0. 01±0. 01 0. 29±0. 26 0. 08±0. 07 1. 42±0. 09 0. 38±0. 03
Cu 0. 02±0. 02 0. 01±0. 01 0. 08±0. 06 0. 02±0. 02 0. 14±0. 01 0. 03±0. 01
Zn 0. 04±0. 03 0. 01±0. 01 0. 05±0. 01 0. 01±0. 00 0. 04±0. 01 0. 04±0. 05
Cd 0. 00 0. 00 0. 13±0. 02 0. 02±0. 00 0. 25±0. 01 0. 03±0. 01
总计 To tal 100. 00 100. 00 100. 00 100. 00 100. 00 100. 00
表 3　镉对烟草叶片矿物质元素含量的影响
Table 3　The effect of Cd on m ineral elemen ts of tobacco leaves
元素
E lem ent
CK Cd3 (m göL ) Cd30 (m göL )
含量m gökgDW : conten t m gökgDW 含量m gökgDW : conten t m gökgDW 含量 m gökgDW : conten t m gökgDW
Cd 0. 00 137±2. 52 bB 205±2. 52 aA
P 2580±7. 0 bB 3150±11. 53 aA 1410±7. 57 cC
K 23700±2. 52 aA 14600±3. 06 bB 13200±2. 52 cC
Ca 8080±1. 0 bB 11400±2. 52 aA 4300±3. 06 cC
N a 46. 2±0. 74 cC 136±2. 08 bB 452±2. 52 aA
M g 2390±7. 81 bB 3120±57. 81 aA 1570±1. 53 cC
Zn 8. 06±0. 11 bB 8. 69±0. 03 aA 8. 08±0. 04 bB
M n 58. 9±0. 40 aA 45. 5±0. 91 bB 31. 5±0. 3 cC
Fe 141±3. 52 bB 156±2. 52 aA 100±1. 53cC
Cu 3. 36±0. 07 bB 4. 32±0. 05 aA 2. 57±0. 01 cC
A l 111±2. 52 bB 149±3. 51 aA 87±1. 00 cC
　　3 m gökgDW : 每千克叶片干重中元素的毫克量M icrogram of elem ent in every k ilogram dry leaves
　　虽然镉污染严重抑制烟草叶片的生长发育, 但植物已进化出各种对镉耐受的途径, 在一定程度上适应胁迫环境, 这样的途
径包括对镉离子的固定、排除、螯合、区室化以及普遍地胁迫反应机制的表达[23 ]。不同的植物对镉适应方式不同, 一些植物中以
植物螯合素螯合镉作为解毒的主要方式[24 ] , 但亦有报道植物螯合素并非对镉的耐性起作用[25 ]。在油菜 (B rassica nap us)中镉主
要被贮藏在液泡和细胞质中[26 ]; 在真菌 (P ax illus involu tus)中是通过把镉结合在细胞壁和积累于液泡中而实现解毒的[27 ]; 在莲
(N ym p haeaceae)中镉则是积累在表皮腺细胞内[28 ]。通过对烟草叶片亚显微结构的研究表明, 烟草叶片可以通过将镉隔离在细
胞壁及胞间层, 或通过表皮细胞将镉排出体外。此外, 通过扫描电镜揭示烟草还可以通过腺毛的分泌作用排出一部分镉而且叶
529211 期 袁祖丽　等: 镉污染对烟草叶片超微结构及部分元素含量的影响 　
片腺毛数量随着镉在营养液中浓度的增高而增加, 说明烟草在一定浓度镉污染下, 可以通过将镉隔离和排出体外以减少细胞质
中的镉含量, 达到体内平衡, 从而减少镉的毒害, 这是烟草对镉毒性的一种适应。
镉污染对烟草大量及微量元素的含量均有明显影响, 同一浓度镉对不同的元素影响不同, 不同浓度的镉对同一元素影响也
不同。镉污染明显减少烟草根、茎、叶内的 K、P、Ca 大量元素的总含量, 且减少量随镉在营养液中浓度的增加而增加, 同时增加
微量元素 Zn、M n、Fe、Cu、A l 的含量, 增加的量也随着镉在营养液中的含量增加而增加[22 ]。镉的浓度在 3m göL 时可增加叶片中
P、Ca、M g、Fe、Cu、Zn、A l 等元素的含量, 这说明在Cd3m göL 处理时可促进烟草植株内的 P、Ca 向叶部转移。由于随着镉在营养
液中浓度的增高, 强烈地抑制了根尖细胞的分裂[29 ] , 使得根系生长缓慢或停止, 根系的体积大大减小, 根系的吸收能力急剧下
降, 加之叶面积急剧下降[22 ], 叶片的蒸腾拉力大大减小, 从而导致营养元素的运转能力的下降, 因此在 Cd30m göL 处理时叶片
中 P、Ca、M g、Fe、Cu、Zn、A l 元素含量减少。叶片中的 K、M n 含量随着镉在营养液中浓度的增高而逐渐降低, 说明Cd 对 K、M n
的吸收、运输有抑制作用。因为K 与烟叶的品质密切相关, 因此表明镉污染可造成烟叶品质的下降。叶片中的N a 含量随镉浓度
的增高而增加, 说明Cd 对N a 的吸收、运输有促进作用。
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