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第1 8卷第3期
l 9 9 8年 5月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
VoI_l8，N0．3
M ay， l998
镉、铅及其相互作用对小白菜根系生
理生态效应的研究
盘
(华中农业大学 砖汉 430070)
吴玉树u王焕校 李启任
(云南大学 昆咀 65009i)
弓6； ·。f )( 。j、王 f
搞要 采用溶藏培养方法 镉 铅作为胁迫因子 研究了不同镉 始浓度对小白菜根系生理生态的影响。实
验结果表咀 培养藏中镉超过0．i mg／L 后，衡根数目减步，根的分枝程度降低，根系生物量和体积下降，根
系生长发育受阻，根系不发达 ，根系对锰 锌的吸收能力受到抑制，根系活动降低，对硝酸盐吸收能力下降，蛋
白质分解加快，游离氨基酸积累，氮代谢紊乱、失调。在古错的培养液中．旃入铅 ，由于铅的加入，加强了镉对
根系的生理生态效应。
关蕾词：里 竺尘旦量，! 生理生态鼓应
EFFECT oF CADM IUM ，LEAD AND THEIR INTERACTIoNS
oN THE PHYSIoLoGICAL AND ECoLoGICAL CHARA—
CTERISTICS oF RooT SYSTEM oF Brassica chinensis
Qin Tiancai
(H uazho~g Agricultural Univosity，W uhan r430070，China)
W U Yushu Wang Huanxiao Li Qiren
(Yunnan Uni~ 5ity rKwamlng，650091)
Ahstract The physiological and ecological effects on root system of Brassica chinensis
grown in hydroponic culture under the stresses at different concentration of cd and Pb
were studied．The experimental results show that the Cd solution concentration of greater
than 0 1 mg／L significantly inhibited the root growth，decreased the number of lateral
roots，suppressed the root branching，lowered the root biomass and volume，hindered the
development of root system ，depressed the uptake of M n，Zn by root，reduced the root ac—
tivities．accelerated the decomposition of protein in root．made the free amino acid accumu
lotion，led to a reduction in nitrate contents in Brassica chinensis，and caused nitrogen
metabolism disorder．W hen Pb had added to the culture solution containing Cd，physiologi—
col and ecological efects(toxicity)of Cd on root system was strengthened．
Key words： cadmium ，lcad，Brassica chinensis，root system ，physiological and ecological
effect．
* 国家 自然科学基 金资助项 目
收稿13期：1996-O1—10，修改稿收到日期：1997—02-21
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0期 秦天才：镉、铅及其相互作用x,td,白菜根系生理生态效应的研究 32I
重金属污染对生态系统的影响是当今世界上普遍关注的环境问题之一。在重金属污染中，镉、铅污染
尤为突出。镉、铅在生态系统中迁移积累，最终影响人类．危害人体健康。
国内外对镉、铅研究做了大量工作 ，多是集中在研究镉 、铅对植物地上部分的影响方面，如抑制植物光
合作用和燕腾作用，干扰植物的代谢进程，降低植物产品的产量和质量，加速植物衰老等 。 但对根系生
态效应研究报道不多，由于根系生长在地下，研究起来较为困难。根系是植物与土壤环境接触的重要界面，
对土壤环境更为敏感 ，更易对土壤环境作出反应。为了探讨镉、铅胁迫对植物根系生态教应，本文以小白菜
为试验材料，采用溶液培养方法，研究了不同镉、铅淮度对小白菜根系生长发育状况t根系对矿质元素的吸
收，根系活力，植物体中硝酸盐含量，根中游离氯基酸含量和可溶性蛋白质含量等方面的影响，以期为污染
生态学的研究提供理论依据。
1 实验和方法
1．1 材料为江苏小白菜(Brassica chinensis L．)由云南省蔬菜种子公司提供，处理方法同文献[43，即 种子
消毒，在含腐殖 质土苗 床上发 芽、生长 ，待 长出3片真叶后，选择均 匀一致的苗，移栽至塑料盏 中，用
Hoagland完垒培养液进行培养。一定天数后，更换溶液，然后一次性施入氰化镉或醋酸铅，使培养液中镉
(以纯镉计)的浓度为0 mg／L、0 1 mg／L、5 mg／L、10 mg／L、50 mg／L；铅 (以纯铅计)的浓度为0 mg／L、10O
mg，L、200 mg／L。镉、铅单独及复合一共I5个组合，其中培养液 中镉 、铅浓度为0的组合是对照．实验设3个
重复，植入镉、铅7d后收获材料 ，进行各指标的分析
1．2 测试指标 根的数量，统计长>2ram的根；根系长度直接测量，单位为 cm{根系生物量，根系烘干，直
接称量，单位为 mg F根系体积用排水法测定 ]，单位为ml F锰、锌、铣含量 测定，HNO ～HC10 湿法消化，用
E P 700型原子吸收分光光度计测定，单位为 ／~g／g干重 ；根系播力的测定，采用 a一萘胺氧化法嘲，单位为
Mg／g·h鲜重；硝酸盐含量用比色法测定 ，单位为 ／~g／g鲜重；游离氪基酸用 HITACHIMODEL 835～50
氨基酸自动分析仪测定，单位为 mg／100g鲜重；可溶性蛋白质含量采用考马斯亮兰染色法测定 ．单位为
mg／g鲜重。
2 结果与讨论
2．1 Cd、Pb及其相互作用对小白菜根系生长发育的影响
2．1．1 对根的数日和根 系长度的影响 小白菜的根系是由主根和侧根组成 ，其根的数目和根系长度是反
映根系发育状况的一个指标。小白菜经 Cd、Pb处理后，其根的数目和根系长度都发生变化(表1) 培养液中
植入0～50mg／L的Cd，小白菜根系的I级侧根、2级侧根、3级侧根数 目髓 cd的浓度增大而减少(0．1mg／L
的cd除外)，相对减少的幅度其大小顺序是：3级侧根>2级侧根>1级侧根 ，说明cd影响侧根的发生。在含
Cd的培养液中施入 Pb，由于 Pb的加入 ，进一步减少了侧根的数 日。根系长度的变化也与 Cd、Pb浓度有
关 ，随着培养液中 cd的浓度增加，根系长度逐渐减短，说明Cd对根的伸长生长有抑制作用 在含Cd的培
养液中施入 Pb，小白菜根系长度要比单独 Cdl处理时要短 ，但Cd、Pb浓度达到一定阚值后，根系生长出现
停止，本文的结论与 Burton等人，”和 Hassett等人- 的结论一致。
2．1．2 对根系生物量和体积的影响 根系生物量和体积是反映根系生长发育状况的另一个指标。从表2
中可看出，不同cd、Pb浓度处理，小白菜根系生物量和体积的变化情况。培养液中单独植入0～50mg／L的
cd，根系生物量和体积表现出相同的变化趋势，即髓着 cd的浓度增加而降低。Cd处理后，引起小白菜根变
短变粗，根毛缺乏，侧根分枝减少，根幅变小(数据未列出)，根系不发达．从而使小白菜根系的生物量和体
积比对照少 在含 Cd的培养液中植入 Pb，随着 Pb的浓度增加，根系生物量和体积进一步降低 ，说明Cd、
Pb抑制根系生长发育。根系的生长舟质中存在过多的Cd、Pb时，对根系直接产生毒害作 甩，抑制根 系生
长，导致根系生物量和体积下降 另外 cd、Ph干扰根的细胞分裂 ]，抑制根系生长发育 ，从而使根系生物量
和体积下降。根系生长发育受阻，相应地会影响根系的生理生化活动。
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322 生 态 学 报 1 8卷
表1 Cd、Ph及其相互作用对根的数目和根系长度的影响
Table 1 Effect of Cd and Pb and their interaction on the num ber of root and the length of root system
从 上述结果(表1、表2)可见，微量 Cd( 0
2 2 Cd、Pb及其相互作用对根系生理的影
响
2 2．1 对根系吸收矿质元素的影响 表3反
映 丁Cd、Pb及其复合处理根 中 Mn、Zn、Fe
含量的变化情况 实验结果表明：培养液中施
^0～50mg／L的 cd，除 cd在0 1mg／L时，
短期内根中 Mn、Zn含量略高于对照外，其它
处理 ，根中Mn Zn含量均随Cd的浓度增加
而降低，而Fe表现出另外一种趋 势，即随着
Cd的滩度增加而增加，说明 Cd影响根系对
Mn、Zn、Fe的吸收；在含Cd的培养液中施入
斗：同浓度的Pb，Pb的浓度越高，根中 Mn、Zn
含量下降越快，而 含量均比对照高，说明
Cd、Pb协同抑制根系对 Mn、Zn的吸收，而对
Fe的吸收有促进作用。已知 Cd、Pb与 Mn、
zn具有接近相等的离子半径和相同的价态
(+2价)，化学上具有相似性 ，Cd、Pb、Mn、Zn
在根的表面有类似的吸收位点，它们之间易
发 生拮抗作 用，即 存在竞 争吸收 ，根 中
Cd、Pb含量增加，占据了大量吸收位点，从而
lmg／L)对植物根系的生长有促进作用
表2 Cd、Pb及其相互作用对根系生物量和体积的影响
Table 2 Effect of Cd and Ph and their interaction
on the biomass and volum e of root system
影响了对 Mn、Zn的吸收，而且 cd、Pb含量越高，占据 的值点越多 Ⅲ，对 Mn、Zn的吸收就越少，根 中Mn、
Zn含量就越低 。关于 Cd、Pb对根中 Fe含量的影响，有不同的报道，即 cd、Pb抑制或促进根系对 Fe的吸
收 ，其机理尚不清楚=
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3期 秦天才：镉、铅及其相互作用对小白菜根系生理生态效应的研究 323
表3 Cd、Pb及其相互作用对根中 MⅡ、Zn、Fe舍量的影响
~able 3 Efleet of Cd aⅡd Pb and tbeir interaction 0n the eoutents of MⅡtZⅡand Fe in root
*{J自菩考文献[4]．Quoted{tom ye~eyence(4)，
2．2．2 对根系活力的影响 根系活力与根系生命活动的强弱有直接的关系．它是植物生长的重要生理指
标之一。表4反映了不同Cd、Ph浓度处理，小白菜根系活力的变化情况。培养液中单独施入0～50mg／L的
cd，根系活力与Cd的浓度密切相关，Cd的浓度越高，根系活力越低，说明Cd降低根系活力。在 cd、Pb复
台处理时，含 cd的培养液中加入 Pb，根 系活力比培养渡中仅吉Cd时下降更快，说明Pb的加入。协同cd
起作甩。降低了根系活力，过可能与 Cd、Pb对根系的直接毒害作用有关：Cd、Pb处理导致根系活力的降低．
无疑台影响植物 一系列生理生化过程，进而使根系对矿质元素和水分吸收能力降低。
2 2．3 对根中游离氨基酸组成和含量的影响 经对l7种氯基酸的分析结果表明，Cd、Ph处理没有造成氨
基酸组分的差异，只是对各氯基酸变化幅度有所影响(表5】：培养液中单独藏入0～50mg／L的 Cd，在 Cd为
0．1mg／L时，根中游离氨基酸总量比对照低 ，可能是低浓度的 Cd刺激了蛋白质的台成，减少了谱离氨基酸
的缘故；随着培养液中 Cd的浓度增加。根中游离氨基酸总量随之增加 ，大多数氨基酸如天门冬氨酸、各氯
酸、丙氯酸、脯舞酸、苯丙氨酸等表示出相同的趋势，Cd处理浓度与游离氪基酸总量之间呈显著正相关，说
明 Cd处理导致了根中前离氯基酸积累。在舍 cd的培养液中旆入 Pb，由于Ph的加入，造成了根中游离氯
基酸的进一步积累。渗透调节被认为是植物适应
逆境的主要生理调节机制 ，游离氯基酸的积累参
与了侉透调节；Cd能抑制植物对水分的吸收和运
输 ，引起植物体内水势降低，导致植物体内水分不
平衡 ’“]，游离氮基酸的积累能提高植物细胞的渗
透压．使植物避免失水，对Cd、Pb胁迫产生一种生理
适应
2 2．4 对根中可溶性蛋白质含量的影响 表6反
映了 同 Cd、Ph浓度处理 时，根中可溶性蛋白质
含萤的变化情况 ．结果表明．在培养液 中单独施八
0～50oag／L的 Cd，Cd在0．1mg／L时短期内能使
表4 Cd、Pb及其相互作用对根系活力的影响
1able 4 Efleet of Cd and Pb and their
tefaction ON root aetivities
*根系活力 a萘胺氧化力来表示。
Root activity was expressed by NA o~ddlzing power
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324 生 态 学 报 18卷
表5 Cd、Pb及其相互作用对根 中游离氨基酸和氨的含量影响
Table 5 Effect of Cd and Pb and their interaction ol the colxtents of free amtnO acld and NH4+in root
根中可溶性蛋白质含量略高于对照；Cd超过0．1mg／L以后 ，根中可溶性蛋白质含量均随 Cd的浓度增加而
降低，虽CA 能迅速启动一种新的蛋白质合成基因，合成一类称为盒属硫蛋白的蛋白质 ，但根中可溶性蛋
白质含量仍呈下降趋势‘，说明低浓度的 Cd能促进蛋白质合成 ，高浓度的 CA 对蛋白质合成起破坏作用。在
古 cd的培养液中，加入 Ph后，根中可溶性蛋白质含量比单独 cd处理时下降要快得多，说明 Pb与 cd一
起，参与对蛋白质的破坏作用。一般来讲 ，植物在逆境条件下，体内蛋白质含量降低而小分子的有机化合物
如氨基酸的积累，这是由于蛋 白质分解加快而合成受到抑制的结果 】6] Cd处理导致蛋白质含量下降有两
方面的原因；一是 Cd加强了原有蛋白质分解 ，二是 Cd抑制了新蛋白质合成。从本实验结果来看 ，CA 引起
蛋白质含量下降，是蛋白质分解大于合成的缘故。
2·3 Cd、Pb及其相互作用对植物体 内硝酸盐含量的影响
表7反映了Cd、Pb及其复合污染处理时，小白菜体内硝酸盐含量变化情况。实验结果表明：培养液中单
独施A0～5~ g／L的CA ，小白菜体内硝酸盐的含量均比对照低(Cd在0．1rog／L时除外)，而且施入 cd的
浓度越高t体内硝酸盐含量越低t说明 Cd达到一定浓度后，能阻止根系耐硝酸盐的吸收和转运 在含 Cd的
培养液中t加入 Pb以后 t植物体内硝酸盐含量进一步降低．说明 Pb加强了CA 的作用。硝酸盐是植物体内
重要的氮源，植物吸收同化硝酸盐后为蛋 白质
合成提供了氮基酸原料，cd处理能降低硝酸还
原酶活性 ]，使植物体内硝酸盐含量下降，从而
影响氮供应，使合成氨基酸的氮源受阻，蛋白质
合成也受以抑制
3 结论
根系是植物的重要器官，在植物的生长发
育、生理功能和物质代谢中发挥重要作用 ．它能
感受逆境信号．井在形态和生理上产生一系列
反应 =
3·1 生长在 cd，Ph胁迫环境中的植物，直接受
表6 Cd，Pb爰其相互作用对根中可溶性蛋白质
含量的影响
Table 6 Effect of Cd and Pb and their interaction o1
the conternts of soluble protein in root
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3期 秦天才：镉、铅及其相互作用对小白菜根系生理生态效应的研究 325
害的器官是根系，在形态上表现为侧根数 目减
少 ．根系生物量和体积 下降．根系生长发育 受
阻，根系不发达。
3．2 Cd、Pb对根系生长的抑制作用与环境中
Cd，Pb谁度有关 环境中Cd、Pb谁度越高，植物
体内积累越多，对根系生长的抑制作用越强，根
系发育越差。
3．3 Cd、Pb对植物的毒害与蔽坏植物代谢有
关。Cd、Pb能使植物的根东活力降低，对 Mn、Zn
的吸收能力下降 ，弓f起植物体内元素不平衡。同
时，Cd、Pb能降低根系对硝酸盐的吸收，加快蛋
衰7 cd、Pb及其相互作用对植物体内硝酸盐
含量的影响
TaIbe 7 Effect ofCA and Pb andtheirlntera~ti0n
on the nRratecontents 0f Bra+ssiea~blnensis
自质的分解，造成游离氨基酸的积累，使氮代谢紊乱、失调，进而使植物受害。
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