全 文 ：文章编号 :100028551 (2005) 032214205
重金属对水稻光合作用和同化物输配的影响
葛才林　骆剑峰　刘　冲　殷朝珍　王泽港　马　飞　罗时石
(扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室 , 江苏 扬州　225009)
摘　要 :光合速率测定表明 ,01025～110mmolΠL 的 Cu2 + 、Cd2 + 和 Hg2 + 显著抑制水稻叶片的光合
速率 ,且抑制程度随 Cu2 + 、Cd2 + 和 Hg2 + 浓度的增高而增强。示踪动力学分析表明 ,015mmolΠL
的 Cu2 + 、Cd2 + 和 Hg2 + 抑制光合产物在叶内不同状态间的转化 ,影响叶中光合产物的输出 ,导致
叶内小分子糖的累积 ,使叶片光合速率受糖浓度增高的反馈调节而下降。电泳分析表明 ,
Cu2 + 、Cd2 + 和 Hg2 + 抑制叶内淀粉酶同功酶的表达 ,并进而抑制光合同化物在叶内可输配态和
暂贮态之间的转化。
关键词 :重金属 ;水稻 ;光合速率 ;示踪动力学
EFFECT OF HEAVY METALS ON THE PHOTOSYNTHESIS AND
PHOTOSYNTHATES TRANSFORMATION IN RICE
GE Cai2lin 　LUO Jian2feng 　LIU Chong 　YIN Chao2zhen 　WANG Ze2gang 　MA Fei 　LUO Shi2shi
( Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology of Jiangsu , Yangzhou University , Yangzhou , Jiangsu ,225009)
Abstract :The photosynthetic rate in rice leaf was significantly inhibited by 01025～110mmolΠL of Cu2 + , Cd2 + and
Hg2 + . With increasing of Cu2 + , Cd2 + and Hg2 + concentration , the inhibiting degree of photosynthetic rate was
enhanced. Tracer kinetic analysis indicated that , 015mmolΠL Cu2 + , Cd2 + and Hg2 + inhibited the transformation
between starch and sugar , disturbed the translocation of photosynthates from leaves. Consequently , sugar
accumulated in the leaves , which might induce a feedback2regulation of photosynthetic rate. Using polyacrylamide
concentration gradient gel electrophoresis to analyze the activity of amylase isozymes indicateed that , the amylase
isozymes expression in rice leaf was inhibited by 011 ～ 015mmolΠL Cu2 + , Cd2 + and Hg2 + , hence , the
transformation between starch and sugar was blocked.
Key words :heavy metals ;rice ;photosynthesis ;trace kinetics
收稿日期 :2004207201
基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (30300026)
作者简介 :葛才林 (1962 - ) ,男 ,江苏高淳人 ,副教授 ,博士 ,从事生物物理方面研究。Email :gecailin10 @163. com
重金属抑制植物的光合作用己被许多研究所证实 ,一般认为其抑制机理包括 : (1) 重金属使叶绿体
含量降低[1 ] ,引起叶绿体结构损伤[2 ,3 ]和叶绿体膜系统的损伤[4～6 ] ; (2) 重金属导致叶片内光合酶的损伤
并引起光合色素含量降低 ,Cu2 + 能抑制光合和非光合磷酸化[7 ] ,抑制 RuBp 羧化酶的活性。较高浓度的
铜能抑制光系统 Ⅱ的电子传递[8～10 ] ,Hg2 + 、Cu2 + 和 Ni 能导致茶树叶内叶绿素含量的显著降低 ,并降低
Hill 反应活力[11 ] ; (3) 重金属可通过影响叶片气孔开放来抑制植物的光合作用[12 ] 。
重金属对光合作用影响机理的研究 ,大多局限于叶绿体内光合同化物的最初形成过程 ,对光合同化
物形成后输配过程研究较少 ,而这种叶内输配对光合速率起着重要的调节作用[13 ] 。为此 ,本试验应用
示踪动力学方法研究不同浓度的 Cu2 + 、Cd2 + 和 Hg2 + 对水稻叶片光合产物输配的影响 ,并探讨其对光合
作用可能的反馈调节。
412　 核 农 学 报　2005 ,19 (3) :214～218Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
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1 　材料与方法
111 　材料
供试水稻品种为扬稻 6 号和武运粳 8 号。NaH14 CO3 购于中科院上海原子核研究所。
112 　材料培养及重金属处理
水稻的水培采用稍加改进的木村 B 培养液 ,待灌浆期将水稻转移到分别含有浓度为 01025、0105、
011、015、110、210mmolΠL 的 Cu2 + 、Cd2 + 或 Hg2 + 的培养液中 ,进行重金属处理 ,7d 后测定光合速率 ,并进行
光合标记。光合速率测定采用氧电极法 ,光合速率单位为μmol O2Π(dm2·h) 。
113 　叶片光合同化物输配的示踪动力学分析
11311 　14 C光合标记和测定　将叶片置于橡皮泥密封的叶室内 ,用循环气泵将反应瓶中产生的14 CO2 泵
入叶室内 ,在日光下进行单叶光合标记。标记时间为 30min ,标记结束后 ,用本单位自制的 TP2802 作物
多探头活体测量仪连续测定标记叶光合产物的残留动态。
11312 　标记光合产物在叶中分配和输出的示踪动力学分析　示踪动力分析采用两库室模型。假设光
合产物形成后 ,一可输出到叶肉细胞外 ,被装载到韧皮部向库器官运输 ;另一部分可在叶内合成暂贮态
物质 (如淀粉) ,同时暂贮态物质也能被分解为可输配态参与输出。假设标记光合同化物被一次性引入
到叶内 ,且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
物在水稻叶片中行为的隔室模型如下 :
k10 可输配态 q1
k12
k21
暂贮态 q2
其中 , k10表示可输配态光合同化物被输出到输导系统的速率常数 ; k12表示可输配态光合同化物转
化为暂贮态物质的速率常数 ; k21表示单位时间内暂贮态物质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 q2
dq2Πdt = k12 q1 - k21 q2
　　设 k11 = - ( k10 + k12 ) , k22 = - k21 ,那么标记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
根据示踪动力学理论 ,可得 :
k10 = [α1 ( D11 + D21 ) +α2 ( D12 + D22 ) ]Π( - q10 )
k22 = α1α2Π( - k10 ) = - k21
k11 = α1 +α2 - k22
k12 = - k11 - k10
　　利用指数剥离法对叶片标记光合产物残留曲线进行拟合 ,可求出混合参数α1 、α2 、D11 + D12 、D21 +
D22的值 ,进而可分别计算出 k10 、k21 、k12的取值[14 ] 。
114 　叶中淀粉酶同功酶活性分析
11411 　酶液提取　取处理和对照叶片剪碎 ,称重后置于预冷的研钵中 ,按 1∶3 的比例 (重量比) 加入预
冷的提取介质 (蔗糖 11198g , Tris 0160g ,抗坏血酸钠 01088g ,半胱氨酸 01030g ,氯化镁 01020g ,定容至
100ml ,pH 714) ,冰浴上研磨成匀浆 ,0 ℃下 15000rpm 离心 30min ,上清液即为酶提取液。
11412 　淀粉酶活性测定和同功酶分析 　吸取上述酶提取液 20μl ,采用聚丙烯酰胺浓度梯度 (4 %～
30 %)凝胶电泳技术进行同功酶分离。4 ℃下 220V 稳压电 10h。电泳后的凝胶置于 1 %淀粉中 1h ,待淀
粉被凝胶吸收后 ,将凝胶置于 012mmolΠL、pH510 的乙酸缓冲液中 ,37 ℃保温 115h , 然后进行 I22KI 显色。
显色后的凝胶保存在 10 份乙醇、4 份冰乙酸、2 份甘油和 8 份水的混合液中。
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2 　结果和分析
211 　重金属对水稻光合速率的影响
图 1 　重金属对武运粳 8 号水稻倒
二叶光合速率的影响
Fig. 1 　Effect of heavy metal on potosynthetic
rate in the second leaf from top of rice
Wuyungen No. 8 at filling stage
图 2 　重金属对扬稻 6 号水稻倒
二叶光合速率的影响
Fig. 2 　Effect of heavy metal on potosynthetic
rate in the second leaf from top of rice
Yangdao 6 at filling stage
图 1 和图 2 分别为 Cu2 + 、Cd2 + 和 Hg2 + 对灌浆期武运粳 8 号和扬稻 6 号倒二叶光合速率的影响。从
图 1 和图 2 可看出 ,随 Cu2 + 、Cd2 + 和 Hg2 + 浓度的增高 ,武运粳 8 号和杨稻 6 号叶片光合速率迅速下降 ,
当 Cu2 + 、Cd2 + 和 Hg2 + 浓度 > 011mmolΠL 时 ,武运粳 8 号叶片光合速率持续缓慢降低。当 Cu2 + 、Cd2 + 和
Hg2 + 浓度达 110mmolΠL 时 ,光合速率分别下降至对照的 3515 %、4118 %和 3318 %。表明较低浓度的
Cu2 + 、Cd2 + 和 Hg2 + 显著抑制水稻叶片光合速率 ,且抑制程度随 Cu2 + 、Cd2 + 和 Hg2 + 浓度的增高而增强。
图 3 　重金属对扬稻 6 号水稻光合产物
在叶内残留的影响
Fig. 3 　Effect of heavy metal on the remains
of labeled photosynthate in the
leaf of rice Yangdao No. 6
Cu2 + 、Cd2 + 和 Hg2 + 的浓度为 015mmolΠL ,表同。
The concentration of Cu2 + , Cd2 + and Hg2 +
was 015mmolΠL. The same as Table 1.212 　重金属对水稻叶片光合产物输配的影响21211 　重金属对标记光合产物在水稻叶中残留动态的影响 　图 3 为 015mmolΠL 的 Cu2 + 、Cd2 + 和 Hg2 + 对标记光合产物在扬稻 6 号倒二叶 (标记叶) 残留动态的影响。从图 3 可以看出 ,015mmolΠL 的 Cu2 + 、Cd2 +和 Hg2 + 均导致水稻倒二叶中标记光合产物放射性活度随时间的推移速率明显降低 ,说明重金属能明显影响水稻叶中光合产物的输配和代谢。21212 　标记光合产物输出和在叶中分配的示踪动力学分析 　表 1 为采用示踪动力学方法所获得的015mmolΠL Cu2 + 、Cd2 + 和 Hg2 + 对扬稻 6 号倒二叶标记光合产物各输出速率常数的影响。表 1 的数值显示 : (1) 015mmolΠL的 Cd2 + 和 Hg2 + 使输出速率常数 k10较对照显著提高 ,说明 015mmolΠL 的 Cd2 + 和 Hg2 + 促进扬稻 6 号倒二叶光合产物从叶片输出 ,但 015mmolΠL 的 Cu2 + 则导致扬稻 6 号倒二叶标记光合产物输出速率常数 k10显著低于对照 ,说明 015mmolΠL 的 Cu2 +
能明显抑制扬稻 6 号倒二叶光合产物从叶片的输出 ; (2) 015mmolΠL 的 Cu2 + 、Cd2 + 和 Hg2 + 使速率常数 k12
较对照显著降低 ,说明 015mmolΠL 的 Cu2 + 、Cd2 + 和 Hg2 + 能抑制扬稻 6 号倒二叶内可输配态光同化物向
暂贮态物质的合成 ,且这种抑制作用以 Cu2 + 为最强 ,015mmolΠL 的 Cu2 + 使 k12 = 0 ,即导致扬稻 6 号倒二
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表 1 　光合产物在扬稻 6 号叶内分配
和输出的各速率常数值
Table 1 　The parameter value of distribution
and translocation of photosynthate
in Yangdao No. 6 leaves
处理
treatments
例二叶 the second leaf from top
k10 k12 k21
Ck 010218 010416 010661
Cd2 + 010320 010369 010275
Hg2 + 010349 010252 010355
Cu2 + 010094 0 0叶光同化物在叶内合成暂贮态物质的过程完全停止 ; (3) 015mmolΠL 的 Cu2 + 、Cd2 + 和 Hg2 + 也导致速率常数 k21较对照显著降低 ,表明 015mmolΠL 的 Cu2 + 、Cd2 + 和 Hg2 + 能抑制扬稻 6 号倒二叶中暂贮态物质的分解过程 ,3 种重金属对暂贮态物质分解的抑制程度为 : Cu2 + > Cd2 + >Hg2 + 。213 　重金属对水稻叶内淀粉酶活性的影响目前一般认为 ,光合产物在植物叶内暂贮态和可输配态之间的转化形式为淀粉的合成和
分解 ,为此应用聚丙烯酰胺浓度梯度凝胶电泳技术分析了 Cu2 + 、Cd2 + 和 Hg2 + 对水稻叶内淀粉酶同功酶
活性的影响。
图 4 　重金属对扬稻 6 号和武运粳 8 号叶片淀粉酶同功酶的影响
Fig. 4 　Effect of heavy metals on the amylase isozymes in the leaves of Yangdao No. 6 and Wuyuagen No. 8
注 :0 :对照 ;1、2、3 : 分别为 0105、011、015mmolΠL 的 Cu2 + 处理 ;4、5、6 : 分别为 0105、011、015mmolΠL 的 Cd2 + 处理 ;
7、8、9 : 分别为 0105、011、015mmolΠL 的 Hg2 + 处理。
Note :0 :control ; 1 , 2 , 3 : 0105 , 011 , 015mmolΠL Cu2 + treatments , respectively ; 4 ,5 ,6 :0105 ,011 ,015mmolΠL Cd2 + treatments , respectively ;
7 ,8 ,9 : 0105 ,011 ,015mmolΠL Hg2 + treatments , respectively.
从图 4 可看出 : (1) 扬稻 6 号和武运粳 8 号灌浆期叶片中主要表达分子量较大的第 Ⅰ组淀粉酶同功
酶和分子量较小的第 Ⅱ组淀粉酶同功酶 (由 3 条带组成) ; (2)扬稻 6 号和武运粳 8 号叶中第 Ⅰ组淀粉酶
同功酶受 Cd2 + 的影响较小 ,但受到 Cu2 + 和 Hg2 + 的明显抑制 ,015mmolΠL 的 Cu2 + 和大于等于 011mmolΠL
的 Hg2 + 使扬稻 6 号和武运粳 8 号叶中第 Ⅰ组淀粉酶同功酶基本消失。(3) 015mmolΠL 的 Cd2 + 使武运粳 8
号叶中第 Ⅱ组淀粉酶基本消失 ,015mmolΠL 的 Cu2 + 和 Hg2 + 也使武运粳 8 号叶中第 Ⅱ组淀粉酶活性明显
降低 ;扬稻 6 号叶片中第 Ⅱ组淀粉酶同功酶受 015mmolΠL Cu2 + 的显著抑制 ,015mmolΠL Cd2 + 和 Hg2 + 也明
显抑制扬稻 6 号叶片第 Ⅱ组淀粉酶同功酶活性。这和表 1 中暂贮态物质转变为可输配态光合同化物的
速率常数 k21的测定结果一致。表明重金属可通过抑制水稻叶内淀粉酶同功酶的表达进而抑制光合产
物在叶内暂贮态和可输配态之间的转化。
3 　小结与讨论
己有研究表明 ,浓度大于等于 0105mmolΠL 的重金属 (Cu2 + 、Cd2 + 和 Hg2 + ) 能对水稻的生长发育造成
显著伤害[15 ] ,其伤害机理之一是抑制水稻叶片的光合作用。
对光合速率的测定表明 , 01025～110mmolΠL 的 Cu2 + 、Cd2 + 和 Hg2 + 显著抑制水稻叶片的光合速率 ,
且抑制程度随 Cu2 + 、Cd2 + 和 Hg2 + 浓度的增高而增强。在较低的 Cu2 + 、Cd2 + 和 Hg2 + 浓度 (01025～
0105mmolΠL)范围内 ,重金属对武运粳 8 号叶片光合速率的抑制程度大于对扬稻 6 号的抑制程度 ;而在
较高浓度范围内 ( ≥015mmolΠL) ,重金属对扬稻 6 号叶片光合速率的抑制程度大于武运粳 8 号。
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重金属对作物光合作用的抑制机理较复杂 ,作者的研究表明 ,重金属可通过抑制水稻叶片的叶绿素
含量导致叶绿素 aΠb 比值改变 ,造成 PS Ⅰ、PS Ⅱ、捕光色素2蛋白质复合体的解体或形成的抑制 ,影响连
结 PS Ⅰ和 PS Ⅱ两个光系统的中间电子载体系统 ———Cyt b6Πf 复合体的含量 ,从而影响光合链上的电子
传递 ,进而直接影响光合作用[15 ] 。
示踪动力学分析证实 ,较高浓度 (如 015mmolΠL)的重金属 (Cu2 + 、Cd2 + 和 Hg2 + ) 抑制水稻叶片光合作
用的另一个重要原因是通过影响光合产物的输出、分配及其在叶内的代谢进而对光合作用进行负反馈
调节。015mmolΠL 的 Cu2 + 以及 Cd2 + 和 Hg2 + 均导致扬稻 6 号叶片 k21和 k12大幅度降低。这表明水稻叶中
与光合同化物在叶内转化有关的酶对重金属的敏感性较高 ,导致光合产物在叶内不同状态之间的转化
受阻 ,使叶内的小分子糖类大量累积。此外 ,较高浓度 Cu2 + 还能显著抑制光合产物向库的分配 ,进而加
剧光合同化物在叶内的累积 ,使水稻叶片光合作用受糖浓度增高的反馈调节而大幅度下降。
015mmolΠL 的 Cd2 + 和 Hg2 + 导致扬稻 6 号叶片光合产物的输出速率常数 ( k10 ) 明显提高。Art 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[13 ] 。以上结果
提示 ,Cd2 + 和 Hg2 + 胁迫可能会导致水稻叶肉细胞膜透性增高 ,使光合产物顺浓度梯度向质外体泌溢的
速率显著增大 ,进而导致水稻叶片光合产物输出到输导系统的速率常数增高。015mmolΠL 的 Cu2 + 则导
致扬稻 6 号叶片光合产物输出速率常数 k10显著低于对照 ,这可能由于 015mmolΠL 的 Cu2 + 显著抑制了光
合产物从扬稻 6 号叶片的主动输出过程。
对淀粉酶同功酶的电泳分析表明 ,扬稻 6 号和武运粳 8 号叶中第 Ⅰ组和第 Ⅱ组淀粉酶同功酶活性
均受到 015mmolΠL Cu2 + 、Cd2 + 和 Hg2 + 的显著抑制 ,且 015mmolΠL Cu2 + 对扬稻 6 号叶片各组淀粉酶同功酶
的抑制程度最显著 ,这与暂贮态物质和可输配态光合同化物之间相互转变速率常数 ( k12和 k21 ) 的测定
结果相一致。表明较高浓度重金属造成光合同化物在叶内可输配态和暂贮态之间的转化受阻的主要机
理之一是抑制叶内淀粉酶同功酶的表达。
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