全 文 ：第 1 8卷第6期
1 9 9 8年 11月
学 报
ACTA ECoLoGICA SINICA
Vo1．1 8，No．6
NOV．． 1 998
镉、铁及其复合污染对烟草叶片
6 一 r，『 氨基酸含量的影响
奎 元 祖艳群
(云南农业大学环境科学系 昆明 650201)
壬逸蕉。
xs=i }
72 1／
(云南大学生物系 昆明 65009i)
摘要 通过大田模拟试虢，研究了cd、Fe、cd+Fe和 Fe+cd处理下红花大金元烟草(Nicotianata~ um
L )叶 7种蛋自木解氨基酸和总氨基酸含量的变化情况。结果表明：Cd、Fe、cd+Fe和Fe+cd处理均不改
变氨基醺的种类组成{cd对烟草叶片氮基酸含量的影响比 h 大{Fe抑制Cd对氨基酸含量的影响，C,d也抑
制 的作用，cd与 相互拮抗 ，并衬步探讨了拮抗机制；建议在Cd污染地区通过施加 Fe柬减轻 cd对烟
草的毒害。
关键词：担喜·里 里宝，蕙董壁垒量，造 韭星： 、乏
EFFECTS 0F CADM IUM AND IR0N 0N AM INO ACID
CoNTENT IN T0BACC0 LEAVES
Li Yuan Zu Yanqun
(De partu re of Environmemal S~ience，Yunnan Agricultural Univer~ty，KunminK．650201，China)
W ang Huanxiao
(Biology Department，Yun~ n U 蛐 ，Ku~ ing·650091，China)
Abstract Based oh simulated field experiments，this paper provided information about the
changes of the content of 1 7 amino acid and total amino acid in tobacco leaves under the
treatment of cd、Fe、Cd Fe and Fe+Cd。The results showed that the types of amino acid
did not change under the treatment of Cd、Fe、CdJ_Fe and Fe+Cd；Amino acid content in
creased with the increase of CA eoncentration the effect of CA on amino acid content was
more significant than that of Fe：the effect of cd on amino acid content was inhibited by
Fe．and the effect of Fe was decreased by Cd。The interaction between Cd and Fe was an
tagonistica1．On the antagonistical mechanism ，it is suggested that the poison of Cd on to—
bacco could he impaired by Fe supply in Cd pollution area．
Key words： tobacco，Cd，Fe，amino acid content，antagonism．
Cd作为一种对植物毒害的主要污染物 现已有大量的研究报道 Fe一般作为植物生长所需的矿质
* 国家自然科学基金资助项 目
收稿日期；1096 06-05，修改稿收到臼期：1997 05 31
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6期 李 元等：镉、铁及其复合污染对烟草叶片氨基酸舍量的影响 641
营养元素，其毒性研究尚不多见，但目前已发现烟草被Fe升含量超过1．5mg／kg的池水喷灌后产生毒害。水
稻 的“青铜色病”，“Alkagave病 、“Akiock病 以及甘蔗的 斑叶病 也都与 Fe的毒害有关 。Coughtrey
等 研究了Pb、zn和 Cd共存时的复合污染，国内外的一些学者还研究了Cd与 Fe的相互作用和对植物的
影响 卜 ，但多集中于 cd影响Fe的吸收与富集，还未深入到生理生化水平。有人研究了 Cd污染对烟草
的影响，但多涉及CA的吸收富集 。。作者过去的工作表明，Cd降低烟草叶片内Fe含量，而Fe增加CA
含量 ，而以烟草叶片过氧化氢酶活性 、吲哚乙酸氧化酶活性、氪基酸含量_1 及叶绿素含量、总烟碱含量和蛋
自质含量 为指标时，Cd与 Fe相互拮抗 “]。丰文研究了CA、Fe及其复合污染对烟草叶片l7种蛋白水解
氪基酸和总氯基酸含量的影响。探讨 cd、Fe及其相互作用的机制，为减轻 cd污染地 区cd对烟草的毒害
提供一定的理论依据
1 材料与方法
红花大盒元烟草(Nicotiana 删 L．) 大田模拟试验于云南主要烟区江川县烟 田进行 ，水稻土t经
实测Ⅲ ，pH7．99，Cd<0．001mg／kg，Fe 12247．6mg／kg，N 0．0314 t有机质5．1 9 ，盐基饱和度77．98 。
烟草单株移苗栽培，恢复生长后，以污灌方式在根际一次性施入 CdC1·2．5H O或 FeSO ·7HzO溶液。烟株
根际土壤体积按0．7× ×18 ×1 5(cm。)计(即半径为1 8cm，高为]5cm的圆柱体体积的0．7倍)。实测土壤容
重为0．95g·cm 坝Ⅱ根际土重为10．]Skg1] 。以根际土壤中舍纯 cd、Fe浓度计，cd和 Fe的处理方式和浓度
有4个系列，Cd 0、lO、50、100、150 mg／kg；Fe o、tOO、500、tO00、S000mg／kg{cd1LFe 50+0，50+l0o，50—
500，50+ i000，50+3000mg／kg{Fe—cd i000+0，1∞0__10·1000+50，lO∞十lO0t1000+150mg／kg。每处
理3个重复。据分析，云南cd污染区土壤Cd浓度为2．5～7．43 mg／kg。本文采用的Cd处理浓度依此设计，
最大 Cd处理浓度(150mg／kg)约为污染区CA浓度的20倍
烟叶成熟后，采摘中部叶片在农村烤房烘烤(27～9O℃，6d)。取烘烤过的烟叶，去至脉 ，粉碎 ，酸水解制
样 ，用 HITACHI 835—50型氯基酸 自动分析仪分析测定 ，即得17种蛋白水解氨基酸含量和总氨基酸含量 ，单
位为 ，即 mg／a00mg干物质。
2 结果与分斩
2．1 烟草叶片氨基酸的种类与含量
如表1，在对照中，烟草叶片含有17种氪基酸 不同种类氪基酸含量有较大的差异。脯氪酸含量最高，胱
氪酸音量最低。业 已证明，在一定范围内，烟草 叶片育高的烟碱含量和低的蛋自质含量，其品质为好 ，而
烟碱和蛋自质是氨代谢产物，它们的含量之间往往呈显著负相关，而氟基酸含量与蛋自质含量是一致的，
所以，氪基酸含量影响到烟叶品质0 “]：
Cd、Fe、cd+Fe和 Fe+cd处理均不改变烟草叶片氨基酸的种类组成．但对其含量有影响．具体分析见
后 。
2．2 Cd对烟草叶片氪基酸含量的影响
Cd处理中，各种氨基酸的含量均出现增加的趋势(见表1)。其中，天门冬氪酸、苏氪酸、答氨酸、丙氪
酸、胱氨酸、异亮氨酸、酪氨酸、赣氨酸、组氪酸、精氪酸、脯氪酸和总氪基酸告量随 Cd处理浓度增加而递增
(蹦图1为倒)=蛋氪酸含量在 cd l Omg／kg时比对照降低14 ，且呈极显著差异 (F值为24．82>Fj(O．01)
21．20， = 3)
经相关分析 ，各种氨基酸含量均与 Cd处理浓度呈正相关 ，其中，l0种氨基酸为极显著水平 ．5种为显著
水平 (表1)。
Cd对各种氨基酸含量，尤其是对总氯基酸含量的影响．与其对蛋自质含量的影响是一致的 ]，同时
也表明．Cd处理引起的氨基酸含量增加，对烟草品质是不利的【” 。
植物受到环境胁迫时．体内脯氟酸含量会发生明显变化．这是植物的一种适应 。晡氪酸可能作 为贮
氨的一种形式 ，以减轻过多的游离氮积累造成的对植物的毒害0 Cd处理导致氪含量增加 ．脯氪酸含量
也显著增加，可用脯氪酸含量变化作为烟草受 cd毒害的一个生理指标 。。
2．3 Fe—cd对烟草叶片氨基酸含量的影响
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642 生 态 学 报 l8卷
表1 Cd对烟草叶片氯基醴含量的影响( )
Table 1 The effect of Cd oil lul~mo acid co]1tent in tobaoc0 le~tves
天门冬氨酸 (ASP) 0．530 0．564 0 670 0．730 0 825
苏妻【酸 (THR) 0．175 0．179 0 187 0．197 0．201
墼氨酸 (SER) 0．200 0．1 97 0．223 0．222 0．239
罄氨酸 (GLU) 0．792 0．792 0．879 1．022 1．105
甘氨酸 (GLY) 0．181 0．184 0．194 0．193 0．204
丙氨酸 (ALA) 0．262 0．266 0．269 0．286 0．288
胱氨酸 (CYS) 0．030 0．033 0．038 0．052 0．076
缎氨酸 (VAL) 0．243 0 243 0．241 0．256 0．312
蛋氮酸 (MET) 0．050 0．043 0．056 O-074 0．蚰2
异亮氨酸 (ILE) 0．172 0．181 0．1 93 0．193 0．199
亮氨酸 (LEU) 0．271 0．274 0．279 0．282 0．277
酪氨酸 (TYR) 0．104 0．107 0．118 0．129 0 136
苯丙氨酸 (PHE) 0．205 0．201 0．237 0．236 0．236
赖氨酸 (LYS) 0．205 0．206 0．218 0．231 0．245
组氨酸 (HIS) 0．084 0．085 0．094 0．096 0．101
精氨酸 (ARG) 0．188 0 190 0．192 0．196 0．212
脯氨酸 (PRO) 0．940 0 940 1．033 1 181 1．233
总氨基酸 (TOTAL)4．632 4．693 5．1l6 5 577 5．965
* 为梗显著P<0．01， 为显著P<0．05， 5表2、表3同表4．
Note=* *，- Signi{ieam atP< 0．01 and 0．05，respectEvely(n= 5)．The s&Ine meansinTable 2。Tabl㈣3 dTab1e
4．
氪基酸古量(除苯丙氪酸外)的变化趋势在Fe+cd处理和cd处理时基本相同。值得注意的是，在 Fe
+Cd 1000+10mg／kg处理时，丝氪酸和精 氪酸古量分别 比Fe+Cd 1000+0mg／kg(对照)降低11．0 和
13+3 ，分别达到差异极显著水平(F值为25．77>F：(0．01)21．20． 一3)和差异显著水平(F值为8．88>Fj
(0+05)7+71， 3)
Fe+Cd处理中，天门冬氪酸、总氪基酸、脯氪酸、苏氪酸、谷氪酸、缬氪酸、赖氪酸、苯丙氪酸古量均比
单独 cd处理的相应浓度低得多·以天门冬氪酸为例，见图1。而丝氪酸、甘氪酸、胱氪酸、亮氪酸古量则比单
独cd处理的相应浓度高。以丝氪酸为例，见图2。其余5种氪基酸古量在 Fe+cd处理中低 cd时比单独 cd
处理的相应浓度低，而在高 cd时．则 比单独 cd处理的相应浓度高。
相关分析表明(见表2)，在 Fe+Cd处理中，8种氪基酸古量与 cd处理浓度呈极显著正相关，9种呈显著
正相关，苯丙氪酸为负相关，其余均为正相关。
以上分析表明，Fe降低丁 cd对氪基酸古量的影响，Fe对 cd拮抗。这 与笔者对烟草叶片其它 指
标0 “ 及其它学者 ” 的研究是一致的。有些氪基酸中，cd与Fe的相互作用在cd低浓度和高浓度时是
不一致的，这表明在研究cd与Fe相互作用时．处理浓度以及测试指标的敏感性是十分重要的。
2-4 Fe对烟草叶片氪基酸古量的影响
Fe对烟草叶片不同种类氪基酸古量的影响差异较大。随 Fe处理浓度的增加．组氪酸、总氪基酸、脯氨
酸、天门冬氪酸、谷氪酸、丙氪酸、蛋氪酸、酪氪酸和赖氪酸的含量下降，且均为负相关，其 中3种达极显著水
平，组氪酸达显著水平(见表3)，以组氪酸为例 (见图3)。另一些氪基酸的古量则随 Fe处理浓度增加而增
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加，以苏氨酸为侧(图4)，这些氨基酸含量与Fe处理浓度呈正相关，其中苏氨酸和异亮氨酸选极显著水平
4种氨基酸达显著水平(见表3)。
表2 Fe+Cd对烟草叶片氨基酸含量的影响( )
TabJe 2 The effect 0f Fe+ Cd 0n n0 acid~omtent in tobacco|ea~es
天门冬氨酸
苏氟酸
丝氟酸
答氟酸
甘氟酸
丙氟酸
胱氟酸
缴氟酸
蛋氟酸
异亮氟酸
亮氟酸
酪氟酸
革丙氟酸
植氟酸
组氟酸
精氨酸
脯氟酸
总氟基酸
(ASP)
(THR)
(SER)
(GLU)
(GLY)
(ALA)
(CYS)
(VAL)
(Ml )
(1LE)
(LEU)
(TYR)
(PHE)
(LYS)
(HIS)
(ARG)
(PR0)
(TOTAL)
0．472 0．518 0．666 636 0．747
0．181 0 161 0 i77 0．191 0 203
0 109 0．229 0．231 0．234 0．266
0．692 0．746 0．864 0 961 1．1 52
0．186 0 189 0．194 0．203 0．289
0．254 m 252 0．264 0．287 0．336
m 032 0．038 0．040 064 0．083
0．251 0 243 0 243 0．244 0 266
0．036 0．064 0．060 0．066 0．056
0．186 0．187 0．189 0．198 0．818
0-292 0 296 0．292 0．289 0．380
0．098 m 994 0．116 0．i19 0．178
0．818 0．243 0．224 o 206 0．198
0-i92 0．196 0．208 0．816 0．237
0．077 0．074 0．087 0．005 0．119
0．811 0 183 0．160 0．207 0．270
0-906 0．923 0 957 0-988 1．046
4．476 4．640 4．902 5．209 6．611
0．9012’
0 8797
0．8810’
0 0933
0．8870
0．9606 。
0 0643
0．4648
0．6123
0．8897。
0．7489
0．9226
— — 0．7273
0．9885’’
0．9722 ’
0．7799
0．9936 ’
0．9666
图1 加 Fe前后，天门冬氟酸含量与cd处理浓度的关系
Fig 1 The relation be tween ASP content and Cd
treatment concentration before and a~ter Fe
supply
i-Cd处理 Cdtrea盯n t，2．Fe-fCd处理 Fe十
Cd treatmenttFe：1O0Omg／kg
图2 加Fe前后，丝氟酸含量与 cd处理浓度的关系
Fig．8 The relation between SER content and Cd treat．
ment concentration before and af硅r Fe supply
1-Cd处理 Cd trestment，2．Fe+Cd处理 Fe+
Cd treatment．Fe}1000n~／kg
一
密
【： ／ ＼l0 o
n m 叭 n 弛 翳群
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生 态 学 报 18卷
表3 Fe对烟草叶片氨基酸含量的影响( )
Table 3 The effect of Fe 0n~tlrlJlo add coltt~n|in lobae~o leaves
天门冬氨酸
苏氨酸
丝氨酸
备氨酸
甘氨酸
丙氮酸
肚氮酸
缬氮酸
蛋氪酸
异亮氨酸
亮氪酸
酷氪酸
苯丙氨酸
赖氪酸
组氨酸
精氨 酸
脯氮酸
总氪基 酸
(ASP) o．530 o Sll o-495 o．47
,
2 o·469
(THR) 0．175 o 174 0．178 0 181 0．194
SER) o 200 o．187 o．195 0 199 o 216
(GLU) O 792 O．716 cj．69S O．692 0 680
(GLY) 0．18l o．176 o 175 o．185 0 193
( A) o．262 0．268 0．259 0 254 o．252
(CYS) o．030 o 029 o．o31 O 032 o-034
VAL) 0．243 0 231 0．233 0 251 0．251
(MET) 0 t)50 0．049 0．047 0．036 0-034
(1LE) 0 172 0．175 0 l74 o．186 o 202
(LEU) 0 27l f】_265 0．267 O．292 0．285
(TYR) 0．104 O 103 0．101 0．098 0．084
(PHE) 0．205 0 208 O．204 O 212 —0．224
(LYS) 0．205 0 198 0．196 0 192 O 178
(HIS) 0 084 0．083 0 083 0．077 0 074
(ARG) 0 188 o．182 0 106 O．211 0 _924
从相关系数以及相关程度来看 ．Fe对氨基酸含量的影响比 cd小，这可能因为 Fe是植物体正常生长
发育所需的矿质元素，植物对其敏感性差，另外，本试验土壤背景Fe浓度较高，也可能影响到试验结果。而
Cd是对植物有毒害作用的元索 ，且土壤背景值较低 ，植物对其较敏感沛 物体内各项指标的反应也较为一
致 。
1．5 cd十Fe对烟草叶片氨基酸含量的影响
如表4+在 cd十Fe处理中．随 Fe处理浓度的增加，总氨基酸、脯氨酸、苏氨酸、丝氨酸 答氨酸、甘氨酸、
缬氨酸、异亮氨酸、苯丙氪酸、赖氨酸、组氨酸和精氨酸的含量表现出上升趋势。但CA+Fe 50+100nag／kg
处理与CA~Fe 50+Omg／kg(对照)相比．总氨基酸、丝氨酸、眷氨酸、甘氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸和赖氨酸
的F值分别为38．97、943、1395．4、435、56．s8、38．47和212．3，均大于F：(0．O1)21．20．为极显著降低．纽氨
酸的F值为12．3> (0．05)7．71，为显著降低 其它氨基酸在不同处理浓度下的反应是不同的。在 Cd+Fe
5D 4-1O0 mg／kg处理时，天 门冬氪酸和胱氨酸含量降低 ．F值分别为172．39和253．5，均大于 (0．o1)
21．20，达极显著水平。Cd-~Fe 50+lO(~mg／kg处理时+氨基酸含量低于对照的原国尚不清楚。
cd+Fe处理中，酪氨酸含量与 Fe处理浓度呈负相关，其它氨基酸含量则呈正相关 ，其中苏氮酸、缬氪
酸、脯氨酸和精氨酸含量达显著相关水平
Cd的加入，完全改变了Fe对组氨酸等8种氨基酸含量的影响，由负相关变为正相关(图3) 同时也导
系苏氨酸等8种氯基酸含量与 Fe处理浓度的相关系数减少。这在一定程度上表明，以氮基酸含量为指标
时，Cd削弱了 Fe对氨基酸含量的影响 ，Cd拮抗 ，这与笔者对烟草叶片其它生理指标 m ：及其它学
懑
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6期 李 元等：镉、铁及其复台污染对烟草叶片氨基酸含量的影响 645
者 一研究的结果一致。
表4 Cd+Fe对烟草叶片氯基酸含量的影响( )
Table 4 The effect of Cd+Fe on RnlLi[IO acid content in tol~ecco]eaves
氨基酸
Amino acid
!竺兰 !竺 ! ! ! ! 竺t!!竺竺t! 竺 相关系数
50+ 0 50+ i00 50+500 30+ 1000 50+3000 Corelation coemciem
i!。-
岂c
Cd 00mg／kg
Cd+Ye扯理
。喘 0 ———
n ‰
I驾3 加 Cd前后，组氨酸含量与Fe扯理淮度的关系
Fig 3 The re]ation betw~ n H1S content and Fe tre8t
Ⅻ nt concentration before and a~ter Cd supply
1 Fe l处理 Ye treat㈣ t，2 cd+Fe处 理 cd+
Fe treatment．Cd-50 mg／kg
§l
嚣
。
— — —
肃
一
Fe处理浓度(mg[kg)
re t eatm ent⋯ ce口tratIon
圉4 加 Cd前后，苏氨酸古量与Fe处理浓度的美蒹
Fig 4 The relation betw~ n THR ∞ nten c and Fe
treanne n1 concentration before and a{te Cd
supply
1-Fe处理 Fetreatment，2 cd+Fe扯理 cd+
Fe treatment．CA ：00 mg／kg
3 小结与讨论
3 1 d，Fe，CdTFe和 Fe+Cd处理均不改变烟草叶片蛋白水解氮基酸的种类组成
，但影响其含量，从而
改变了烟草叶片的品质 ·¨一。
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646 生 态 学 报
3．2 Cd污染导致烟草叶片蛋白水解氨基酸的含量增加
Cd污染导致蛋白水解氨基酸含量增加的原因，可能是增加了烟草Cd含量 ，引起烟草氮代谢的改
变0 ，降低烟草根部烟碱的台成，促进氨基酸的合成[] ，这与 cd处理后烟草叶片蛋白质含量增加，总烟碱
音量降低是吻合的 。另一方面，蛋白水解氨基酸含量与蛋白质含量是一致的 “。而 cd污染增加烟草叶
片蛋白质含量[] ，可能是 cd与DNA结合叫 后，刺激 DNA的活性，增加蛋白质的合成，这是植物对cd毒
害的反应，也是一种解毒机制[ ．如cd诱导烟草产生金属硫蛋白和 cd一硫蛋白[舶。
3．3 Cd与 的相互作用
从蛋白水解氨基酸含量来看．Cd与 Ft相互拮抗 ，选与笔者对烟草叶 片其它指标的研究结果是一致
的[1 “ ，其原因可能有两方面 ：①烟草根系受 Cd毒害后，分泌还原剂的能力降低，削弱了 还原过程．减
步了 含量．降低了Fe有效性}②Cd与导管内 的载体苹果酸和柠檬酸E“ 相结合，使从根部运输到茎
叶组织的 减少[I 。另外，Cd还可能竞争蛋白质或酶上 Fe。 的位点或与一SH结合，破坏蛋白质结构和酶
功能 删 已有报道表明，cd降低白菜内 从根部向茎，叶运输啪，cd在硅藻需 和吸收 过程中是一
种竞争抑翩剂D 。而Fe的加入，可增强 Fe的竞争力，所以表现为Cd与Fe相互拮抗。本文中有些氨基酸含
量未较好地反映出Cd与Fe的相互关系，这如同Ca蚪、Mg抖在低浓度时降低cd毒性．但在高浓度时会出
现相反的情形 一拌。元素问相互作用是十分复杂的，不仅与浓度、植物吸收与运输以及测试指标的敏感
性有关，而且与体内棱酸、蛋白质、脂类，特别是酶等生物大分子的结合位点的竞争有关[] ，这是一个值得
耀入研究的重要方面。
3．4 Cd对烟草叶片氨基酸含量的影响比 Fe大
从蛋白水解氨基酸含量变化的程度和相关性来看，污染物毒性大小表现为 Cd>Fe+cd>Fe，说明Cd
比Fe对植物的毒性大。可能由于cd是有毒害作用的元素_1 ]，加之土壤背景值较低，烟草对它十分敏感。
是烟草正常生长必需的矿质营养元素 “ ．土壤背景值较高，植物对它的敏感性较差。同时，也与烟草对
Cd、Fe的吸收和运转有关 。
3．5 加 可缓勰 Cd对烟草的毒害
烟草叶片的其它生理指标 和车文的试验结果表明，cd对烟草的毒害可通过 加 得到缓解。在 田
河已观察到．Cd污染下烟抹矮化 ．叶片变小，叶色变黄褪绿，旌加 后这些症状可得到改善。因此，在 Cd
污染地区．叶面喷施 Fe溶液[]。 和施加 盐[] 来减弱 cd毒害．是可行的。
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1999年《动物学研究》
动袖学类按心期刊 双月刊
Zoological Research ISSN 0254-·5853 CN 53-·1040／Q
《动物学研究》是中国科学院昆明动物研究所主办的、向国内外公开发行的动物学类学报级学术刊物 ，
经国家科委批准创刊于]98o~。
本刊辟有研究论文、综述、简报、通讯、书评等栏 目．主要刊登动物学领域各分支学科有创新性的基础
和应用基础的研究报告。质量较高的论文将在6个月内发表 。本刊一直刊用英文来稿，为利于 国际交流，鼓
励作者甩英文撰稿，并在同等条件下优先发表英文稿件
应广大读者要求，从]998年起，本刊 已由季刊改为双月刊，双月22日出版。单价10．o0元，全年60．o0元。
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