全 文 ：　文章编号 :100028551 (2002) 0320167207
重金属胁迫对小麦光合产物输配影响的
示踪动力学研究
葛才林1 　蔡新华2 　孙锦荷3 　罗时石1
王泽港1 　龚　峥1 　马　飞1
(11 扬州大学农学院 ,江苏 扬州　225009 ;21 江苏省辐射环境监测管理站 ,江苏 南京　210029 ;
31 浙江大学核农学研究所 ,浙江 杭州　310029)
摘 　要 :应用示踪动力学方法研究了不同浓度的 3 种重金属离子 (Cu2 + 、Cd2 + 和 Hg2 + )
胁迫对小麦幼苗叶片光合产物输配影响。结果表明 (1) Cu2 + 、Cd2 + 和 Hg2 + 能明显使
小麦倒一叶光合产物输出速率常数 k10随其胁迫浓度的增大逐步减小 ;随 Cu2 + 、Cd2 +
和 Hg2 + 胁迫浓度的升高 ,小麦倒二叶光合产物的输出速率常数 k10均表现为先上升
后下降的趋势 ,表明重金属胁迫能影响小麦叶片光合产物从叶内的输出。(2)较低浓
度 (50mgΠL)的 Cu2 + 、Cd2 + 就使小麦倒一叶和倒二叶 k21和 k12大幅度降低 ,尤其当 Cu2 +
浓度达 150mgΠL 时 ,k21和 k12均等于零 ;100mgΠL 的 Hg2 + 胁迫使倒一叶 k21和 k12大幅度
降低 ,50mgΠL 的 Hg2 + 胁迫也使倒二叶 k21大幅度降低 ,表明重金属胁迫能影响小麦叶
片光合产物在叶内的分配代谢。(3) Cu2 + 、Hg2 + 和 Cd2 + 能明显抑制光合产物向根系
的积累。
关键词 :重金属 ;小麦 ;光合产物 ;示踪动力学
收稿日期 :2001212228
作者简介 :葛才林 (1962～) ,男 ,博士 ,扬州大学农学院副教授 ,从事核农学及生物物理的教学研究工作
重金属污染是环境中的污染源之一 ,易随农业灌溉用水进入到农田生态系统中 ,在农田中
积累[1 ] ,对农作物的生长发育带来不利影响[2～4 ] 。为此 ,本文应用示踪动力学方法研究了 3 种
不同浓度的重金属离子 (Cu2 + 、Cd2 + 和 Hg2 + )胁迫对小麦幼苗叶片光合产物输配影响。
1 　材料和方法
111 　材料
供试重金属离子为 Cu2 + (CuSO4·H2O) 、Cd2 + (CdCl2·215H2O)和 Hg2 +〔Hg(CH3 COO) 2〕。14 C2
Na2 CO3 购于上海核子研究所。供试水稻 ( Triticum) 品种为扬麦 10 号 ,由扬州大学稻麦研究室
提供。
112 　方法
761　核 农 学 报　2002 ,16 (3) :167～173Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
11211 　供试材料的培养 　用木村 B 培养液对催芽后的小麦幼苗进行水培 ,将原培养液中的柠
檬酸铁改为同浓度的 EDTA2铁 ,调节培养液的 pH至 618 左右。每隔 7d 换培养液一次 ,并用气
泵向培养液中增氧。
11212 　光合产物的14 C标记 　待小麦幼苗长到 4 叶期 ,将所有幼苗置于密闭玻璃罩内对所有
幼苗进行群体光合标记 ,罩中放一微型风扇 ,罩外正上方吊一人工光源 ,反应产生的14 CO2 气体
经气泵泵入罩内 ,经风扇吹匀后通过光合作用被小麦吸收。
11213 　醇溶物和醇不溶物的分离及其放射性活度的测定 　自标记后连续 36h 取样 ,标记结束
后 0、015、1、2、3、5、7、10、14、18、22、26、36h 测定各部位的放射性活度。每次取幼苗 3 株 ,120 ℃
杀青 ,60 ℃烘干。按不同部位 (倒一叶、倒二叶、根系、幼叶和芽) 分开 ,称重并剪碎 ,置于 10ml
试管中 ,加入 2ml 80 %乙醇 ,于 80 ℃恒温水浴提取 30min ,重复提取 3 次 ,洗涤 1 次。合并提取
液与洗涤液 ,用 80 %乙醇定容至 10ml ,吸取 0125ml 于计数瓶中 ,加 5ml 闪烁液混匀 ,于 LS29800
液闪仪上测定醇溶物放射性活度 A1 。在提取后的残渣中加入 60 %高氯酸 2ml 和 30 %过氧化
氢 115ml ,60 ℃水浴上消化 2h ,定容至 10ml。吸 0125ml 消化液 ,加 8ml 闪烁液测定醇不溶物放
射性活度 A2 。从而得出不同部位放射性总活度 A(A = A1 + A2 ) 。
11214 　标记光合产物在叶中分配和输出的示踪动力学分析 　采用两库室模型对标记光合产
物在叶中分配和输出进行示踪动力学分析。
2 　结果和分析
211 　重金属胁迫对标记光合产物在叶中残留动态的影响
图 1～3 分别为不同浓度的 Cu2 + 、Cd2 + 和 Hg2 + 胁迫对标记光合产物在倒二叶内残留动态
的影响。从图中可以看出 ,重金属胁迫能明显影响光合产物在叶内的残留动态 ,且叶内标记光
合产物的放射性活度随时间的下降速率因重金属种类、胁迫浓度的不同而有所差异。具体表
现为 : (1)各浓度的 Hg2 + 胁迫均使倒二叶中残留的标记光合产物放射性活度随时间的下降速
率较对照明显增大 ; (2)较低浓度 (50、100mgΠL)的 Cu2 + 胁迫也使倒二叶中残留的标记光合产物
放射性活度随时间的下降速率较对照明显增大 ,而 150mgΠL 的 Cu2 + 胁迫则使之显著低于对照 ;
(3) Cd2 + 胁迫对功能叶中残留的标记光合产物放射性活度随时间下降速率的影响和 Cu2 + 胁迫
相似 ,且同浓度的 3 种重金属胁迫对倒一叶标记光合产物残留动态的影响和倒二叶相似 ,说明
重金属胁迫能明显影响小麦功能叶中光合产物的输出和代谢。
212 　标记光合产物输出和在叶中分配的示踪动力学分析
为进一步研究重金属胁迫对小麦叶片光合产物的输出和在叶内代谢转化的影响机理 ,现
应用示踪动力学分析技术加以分析。
21211 　库室模型的建立和放射性残留工作方程的获得 　光合产物一经形成 ,一方面可输出到
叶肉细胞外进而被装载到韧皮部向库器官运输 ,另一方面可在叶内合成暂贮态物质而贮存 ,同
时暂贮态物质也能被分解为可输配态而参与输出。呼吸作用中释放一部分14 CO2 在此忽略不
计。并假设标记光合同化物被一次性引入到叶内 ,迁移速率和各室放射性活度之间呈线性关
系。
根据上述分析和假设 ,可建立描述标记光合产物在叶片中行为的隔室模型。
861 核　农　学　报 16 卷
图 1 　Cu 胁迫对小麦倒二叶标记光合
产物残留影响
Fig. 1 　Effect of Cu2 + stress on remains of la2
beled photosynthate in the second leaf from top
of wheat
Cu - 1、Cu - 2 和 Cu - 3 分别为 50 ,100 ,150mgΠL 的 Cu 处理
Cu - 1、Cu - 2 and Cu - 3 are concentrations of 50 ,100 ,150mg
Cu2 + ΠL respectively 图 2 　Cd 胁迫对小麦倒二叶标记光合产物残留影响Fig. 2 　Effect of Cd2 + stress on remains of la2beled photosynthate in the second leaf from topof wheatCd - 1 ,Cd - 2 ,分别为 50 ,100 ,150mgΠL 的 Cd 处理Cd - 1 ,Cd - 2 and Cd - 3 are concentrations of 50 ,100 ,150mgCd2 + ΠL respectively
图 3 　Hg 胁迫对小麦倒二叶标记光合
产物残留影响
Fig. 3 　Effect of Hg2 + stress on remains of la2
beled photosynthate in the second leaf from top
of wheat
Hg - 1 ,Hg - 2 ,Hg - 3 分别为 50 ,100 ,150mgΠL 的 Hg 处理
Hg - 1 ,Hg - 2 and Hg - 3 are concentrations of 50 ,100 ,150mg
Hg2 + ΠL respectively可输配态k10 k12k21 暂贮态　　其中 k10表示可输配态光合同化物被输出到叶肉细胞外的速率常数 ; k12 表示每一个可输配态光合同化物被转化为暂贮态物质的速率常数 ;k21表示暂贮态物质被转为可输配态物质的速率常数。根据上述库室模型可建立如下微分动力学方程 : dq1Πdt = - ( k10 + k12 ) q1 + k21 q2dq2Πdt = k12 q1 - k21 q2设 k11 = - ( k10 + 12 ) , k22 = - k21 ,根据示踪动力学理论 ,上述方程的解应为 :q1 = D11 eα1 t + D12 eα2 t (1)q2 = D21 eα1 t + D22 eα2 t (2)
那么光合产物在叶中残留的工作方程应为 :
qR = ( D11 + D21 ) eα1 t + ( D12 + D22 ) eα2 t (3)
显然上述方程式所给出的曲线为双指数曲线 ,这与标记光合产物在叶中残留的测定结果相一
致。根据示踪动力学理论 :
α1 + α2 = k11 + k22 (4)
α1α2 = k11 k22 - k12 k21 (5)
对方程 (3)求导 ,并令 t = 0 得 :
961　3 期 重金属协迫对小麦光合产物输配影响的示踪动力学研究
dqRΠdtt = 0 = α1 ( D11 + D21 ) +α2 ( D12 + D22 ) (6)
又根据微分方程可得 :
dqRΠdtt = 0 = ( dq1Πdt + dq2Πdt) t = 0 = - k10 q10 (7)
根据 (6) = (7)得 :
k10 = [α1 ( D11 + D21 ) +α2 ( D12 + D22 ) ]Π( - q10 ) (8)
又根据 (5)式 ,并将 k21 = - k22 , k11 = - k10 - k12代入其中得 :
α1α2 = ( k11 + k12 ) k22 = - k10 k22
则 :
k22 = α1α2Π( - k10 ) = - k21 (9)
根据 (4)得 : k11 =α1 +α2 - k22 ,又由于 : k11 = - ( k10 + k12 ) ,故得 :
k12 = - k11 - k10 (10)
由上可知 ,只要示出混合参数α1 、α2 、D11 + D12 、D21 + D22的值 ,就可根据式 (8) 、(9) 、(10) 分别
计算出 k10 、k21 、k12的取值。
21212 　参数的实际求解和分析 　利用指数剥离法对倒一叶和倒二叶标记光合产物残留曲线
进行拟合 ,可获得的混合参数α1 、α2 、D12 + D12 、D21 + D22的值。再利用式 (8) 、(9) 、(10) 分别计
算得 k10 、k12 、k21值。表 1 为不同浓度的 Cu2 + 、Cd2 + 和 Hg2 + 胁迫对标记光合产物各速率常数的
影响动态。
表 1 　光合产物在小麦叶内分配和输出的参数值
Tabel 1 　The parameter of allocation and exportation of
photosynthate in the leaf of wheat
处理
treatments
倒一叶
the first leaf from top
倒二叶
the second leaf from top
K10 K12 K21 K10 K12 K21
CK 0. 178　 0. 142　 0. 0527 0. 150　 0. 226　 0. 102　
Cd250 0. 122 0. 067 0. 0297 0. 0947 0. 129 0. 0646
Cd2100 0. 120 0. 085 0. 0241 0. 173 0. 139 0. 0461
Cd2150 0. 0619 0. 0610 0. 0301 0. 123 0. 0800 0. 0496
Cu250 0. 179 0. 112 0. 0633 0. 136 0. 109 0. 0720
Cu2100 0. 134 0. 133 0. 0608 0. 232 0. 102 0. 0405
Cu2150 0. 0448 0 0 0. 0315 0 0
Hg250 0. 0769 0. 105 0. 105 0. 416 0. 247 0. 0405
Hg2100 0. 174 0. 065 0. 0244 0. 268 0. 244 0. 0412
Hg2150 0. 144 0. 0900 0. 0434 0. 152 0. 116 0. 0673
　50 ,100 ,150 分别为 50 ,100 ,150mgΠL 离子浓度。
　Note :50 ,100 ,150 are ion concentration of 50 ,100 ,150mgΠL ,respectively.
由表 1 中的各速率常数的值可以看出 ,随 Cd2 + 胁迫浓度的增加 ,倒一叶记光合产物输出
速率常数 k10持续下降 ,说明 Cd2 + 能明显抑制小麦叶片光合产物从叶片的主动输出 ,并随 Cd2 +
胁迫浓度的增高抑制作用增强。对于倒二叶 , k10随 Cd2 + 胁迫浓度的升高表现为先上升后下降
的趋势 ,表明 Cd2 + 胁迫浓度为 100mgΠL 时 ,倒二叶光合产物从叶片的输出反而加快 ,可能是由
于在该浓度下 Cd2 + 胁迫使细胞膜透性增高 ,光合产物顺浓度梯度的被动输出加快所致。而当
Cd2 + 胁迫浓度达 150mgΠL 时 ,光合产物
输出速率常数又显著降低 ,随 Cd2 + 胁迫
浓度增高 ,倒一叶和倒二叶的 k12均表现
为持续下降的趋势 ,且下降速度迅速 ,仅
50mgΠL 的 Cd2 + 浓度就使 k12降为对照的
一半左右 ,说明即使较低浓度的 Cd2 + 胁
迫 ,也可使光合产物在叶内合成暂贮态
物质受阻 ,致使叶内可输配态物质累积。
随 Cu2 + 胁迫浓度增加倒一叶光合
产物的输出速率常数 k10持续降低 ,但倒
二叶光合产物的输出速率常数随 Cu2 +
胁迫浓度的增加先上升后下降。当
Cu2 + 浓度达 150mgΠL 时 ,不论倒一叶还
是倒二叶 ,其输出速率常数 k10约只有对
照的 1Π3 左右。和 Cd2 + 胁迫相似 ,倒一
叶和倒二叶内可输配态标记光合产物转
071 核　农　学　报 16 卷
化为暂贮态的速率常数 k12和暂贮态物质转化为输配态光合物的速率常数 k21也随 Cu2 + 胁迫
浓度的增加逐步下降 ,且当 Cu2 + 胁迫浓度达 150mgΠL 时 , k12和 k21均降为 0 ,说明 150mgΠL Cu2 +
胁迫使光合产物的暂时贮存过程完全受阻 ,因此认为高浓度的 Cu2 + 胁迫对光合产物在叶内的
转化及跨膜主动运输的抑制更为显著。
随 Hg2 + 胁迫浓度升高倒一叶光合产物的输出速率常数 k10也有逐步下降的趋势 ,但下降
幅度明显小于 Cu2 + 和 Cd2 + 胁迫所引起的 k10的下降。对于倒二叶 ,随 Hg2 + 胁迫浓度升高 ,倒
二叶光合产物的输出速率常数表现为先大幅度上升然后逐步下降的趋势。同时各叶片 k12的
下降幅度也相对较小 (尤其是第二功能叶) ,表明不仅 Hg2 + 胁迫对光合同化物的主动跨膜迁移
和暂贮态物质合成的抑制不如 Cu2 + 和 Cd2 + 胁迫明显 ,并且在 50～100mgΠL 的 Hg2 + 胁迫浓度范
围内反而极显著促进了倒二叶光合产物的输出过程 ,且对在叶内可输配态光合产物合成暂贮
态物质的影响也不显著。在所有浓度的 Hg2 + 胁迫下 ,暂贮态物质转化为输配态光合产物的速
率常数 k21比对照显著降低 ,说明 Hg2 + 胁迫对叶内暂贮态物质的分解有明显的抑制作用。
表 1 结果还显示 ,与 k10相比 , k21对 3 种重金属胁迫的敏感性相对较高 ,不论是倒一叶还是
倒二叶 ,较低浓度的 Cu2 + 、Cd2 + 和 Hg2 + 胁迫就使小麦叶片 k21大幅度降低 ,表明大分子的暂贮
态物质分解为小分物质的过程对重金属胁迫抑制的敏感性较高。
213 　重金属胁迫对光合产物在库器官中积累动态的影响
由图 4～6 可看出 ,根系中标记光合产物的放射性活度随时间变化的总趋势表现为先迅速
上升 ,而后或缓慢上升 ,或达到一个坪区 ,或有所下降。重金属胁迫对库器官光合产物的输入
产生明显影响 ,具体表现为 :Cu2 + 、Hg2 + 和 Cd2 + 能明显抑制光合产物向根系的积累。当根系中
的标记光合产物的输入动态达坪区时 ,随 3 种重金属离子胁迫浓度的增高 ,其坪的高度也有明
显降低。3 种重金属离子对根系中标记光合产物积累动态的影响也有一定的差异。当 Cu2 + 浓
度为 100mgΠL 时 ,根系标记光合产物累积曲线的坪高度显著降低 ;当 Cu2 + 浓度达 150mgΠL 时 ,
坪高度极显著降低 ,不足对照的一半 ;当 Hg2 + 浓度达 150mgΠL 时 ,坪的高度也显著降低 ,约为
对照的 2Π3 ;而各浓度 Cd2 + 胁迫对根系标记光合产物累积曲线的影响相对较小 ,对坪的高度的
影响也不显著 ,说明重金属胁迫能明显抑制光合产物向库的分配。
图 4 　Cu 胁迫对小麦根系标记光合产物输入的影响
Fig. 4 　Effect of Cu2 + stress on the dynamics
of labeled photosynthate transporting into roots
图 5 　Cd 胁迫对小麦根系标记同化物输入的影响
Fig. 5 　Effect of Cd2 + stress on the dynamics
of labeled photosynthate transporting into roots
171　3 期 重金属协迫对小麦光合产物输配影响的示踪动力学研究
图 6 　Hg胁迫对小麦根系标记光合产物输入的影响
Fig. 6 　Effect of Hg2 + stress on the dynamics
of labeled photosynthate transporting into roots
3 　讨 　论
重金属胁迫能明显影响小麦叶片光合产物
的输出速率常数。高浓度的 Cu2 + 和 Cd2 + 胁迫
能明显使倒一叶和倒二叶输出速率常数较对照
降低 ;而高浓度的 Hg2 + 胁迫也使倒一叶输出速
率常数较对照降低 ,表明高浓度的重金属胁迫
能明显抑制叶片光合产物的主动输出。与倒一
叶相比 ,100mgΠL Cu2 + 和 Cd2 + 以及 50、100mgΠL
的 Hg2 + 胁迫使倒二叶光合产物的输出速率常数
较对照明显提高 ,而倒一叶未出现这一现象 ,说
明较低浓度的 Hg2 + 胁迫能明显促进光合产物从倒二叶中的输出。Aart J E认为 ,许多植物在光
合产物从叶片被装载到韧皮部过程中既有共质体途径也有质外体途径 ,而象小麦这样的草本
类植物则可能以质外体途径为主[10 ] 。以上结果可能暗示 ,低浓度的重金属胁迫对倒二叶细胞
膜透性的影响可能大于对倒一叶的影响 ,进而使倒二叶细胞膜透性明显增大 ,光合产物顺浓度
梯度向质外体泌溢的速率显著增大。
较低浓度 (50mgΠL)的 Cu2 + 、Cd2 + 就使小麦倒一叶和倒二叶 k21和 k12大幅度降低 ,100mgΠL
的 Hg2 + 胁迫使倒一叶 k21和 k12大幅度降低 ,500mgΠL 的 Hg2 + 胁迫也使倒二叶 k21大幅度降低 ,
表明小麦叶中与光合同化物在叶内转化有关的各种酶对重金属胁迫的敏感性较高。尤其当
Cu2 + 浓度达 150mgΠL 时 k21和 k12均等于零 ,表明光合产物在叶内不同状态间的分配完全受阻 ,
使叶内的小分子糖类大量累积 ,进而使叶片光合速率受糖浓度增高的反馈调节而大幅度下降。
由于输出速率等于输出速率常数和可输配态光合产物浓度的乘积 ,因此 ,输出速率常数并
不能完全代表叶片光合产物输出速率的大小 ,它的大小还与可输配态光合产物的浓度有关 ,这
可能造成如下结果 ,尽管 50mgΠL Cd2 + 胁迫能使小麦倒二叶 (如表 1) 输出速率常数 k10有所下
降 ,但由于 Cd2 + 胁迫抑制叶内合成暂贮态物质的过程 ,使叶内可输配态物质浓度的上升 ,导致
50mgΠL Cd2 + 胁迫反而使光合产物从倒二叶的输出速率高于对照 ,因而出现叶内标记光合产物
残留随时间的下降速率略高于对照的现象 (图 2) 。
参考文献 :
[ 1 ] 　严小龙 ,张福锁 著. 植物营养遗传学. 北京 :中国农业出版社 ,1997 ,2～4
[ 2 ] 　Huang Y2S(黄玉山) ,Luo G2H(罗广华) ,Kwan K2M(关　文) . Peroxidation damage of oxygen freee radicals induced by Cadmium
to plant . Acta Bot Sin (植物学报) ,1997 ,39 :522～526
[ 3 ] 　Zhang Yu2Xiu(张玉秀) ,Chai Tuan2Yao (柴团耀) ,Gerard Burkard. Research advances on the mechanisms of heavy metal tolerance
in plants. Acta Bot Sin (植物学报) ,1999 ,41 (5) :453～457
[ 4 ] 　Wu Y2Y(吴燕玉) ,Wang X(王新) ,Liang R2L (梁仁禄) . Ecological effect of compound pollution of heavy metals in soilplant sys2
tem Ⅱ: Effect on element uptake by crops ,alfalfa and tree.J Appl Ecol (应用生态学报) ,1997
271 核　农　学　报 16 卷
USING TRACE KINETICS TO STUDY THE EFFECT OF HEAVY METAL STRESS ON
THE TRANSPORTATION AND ALLOCATION OF PHOTOSYNTHATE IN WHEAT
GE Cai2lin1 　CAI Xin2hua2 　SUN Jin2he3 　LUO Shi2shi1
WANG Ze2gang1 　GONG Zheng1 　MA Fei1
(1. Agricultural College , Yangzhou University , Yangzhou , Jiangsu prov . 210029 ;
2. Jiangsu Radiation Environment Management and Monitoring Center , Nanjing , Jiangsu prov. 225009 ;
3. Institute of Nuclear Agricultural Sciences , Zhejinag University , Hangzhou , Zhejiang prov. 310029)
ABSTRACT :The trace kinetics was used to study the effect of different concentration of Cu2 + 、
Cd2 + 、Hg2 + stress on the transportation and allocation of photosynthate in wheat. The results
showed as follows. ( 1) With the concentration of Cu2 + 、Cd2 + and Hg2 + increasing ,the export rate
constant of photosynthate in the first leaf from top of wheat decreased. The export rate constant of
photosynthate in the second leaf from top of wheat increased when Cu2 + 、Cd2 + and Hg2 + was in
lower concentration range ,and it decreased when the Cu2 + 、Cd2 + and Hg2 + was in higher concen2
tration range , indicating that Cu2 + 、Cd2 + 、H2 +g stress might affect the export of photosynthate in
the leaves of wheat. ( 2) The lower concentration ( 50mgΠL) of Cu2 + and Cd2 + stress caused the
k21 and k12 of the first and second leaf from top to decrease signif icantly ,especially with the Cu2 +
concentration of 150mgΠL. The k21 and k12 of the first and second leaf from top decreased to 0.
100mgΠL Hg2 + stress caused the k21 and k12 of the first leaf from top to decrease signif icantly.
50mgΠL Hg2 + stress also caused the k21 of the second leaf from top to decrease signif icantly , indi2
cating that Cu2 + 、Cd2 + 、Hg2 + stress might also affect the metabolism and allocation of photosyn2
thate in the leaves of wheat. ( 3) Cu2 + 、Hg2 + and Cd2 + stress could inhibit the accumulation of
photosynthate in roots.
Key words :heavy metal ; wheat ; photosynthate ; trace kinetics
371Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
2002 ,16 (3) :167～173