全 文 ：热带亚热带植物学报 2005，13(3)：217—223
Journa／ofTropical and Subtropical Botany
两种浮萍植物的叶绿体超微结构
对模拟酸雨的敏感性
林植芳，彭长连，徐信兰，林桂珠
(中国科学院华南植物园，广东数字植物园重点实验室，广州 510650)
摘要：用蒸馏水和不同pH值(5．5，4．5，3．5和2．5)的模拟酸雨培养浮萍 Lemna minor L．)和紫萍(Spirodela polyrrihiza(L)
Schleid)48 h后，测定叶状体膜系统渗漏率，观察叶绿体超微结构的变化。结果表明，随酸雨pH的下降，两种浮萍叶状
体的膜系统渗率增大，叶绿体超微结构受损。浮萍和紫萍对酸雨的敏感性和伤害时细胞与叶绿体形态变化显示一定的
种间差别。浮萍的结构性损伤始于pH 4．5，原生质体收缩，出现质壁分离，基粒结构混乱；pH 3．5时叶绿体肿胀呈球状，
片层结构破坏并出现许多空泡。紫萍在pH 3．5时膜系统的外渗率仍较低，基粒和基质类囊体结构无明显改变；pH 2．5
时叶绿体结构才出现严重伤害，但未见明显的肿胀与质壁分离现象。因此认为在两种浮萍的共生水体中，紫萍对酸雨
污染有较强的生存竞争能力，而浮萍则可用作pH<4．5水体的灵敏指示植物。
关键词：浮萍；紫萍；模拟酸雨；叶绿体超微结构；膜渗漏率
中图分类号：Q945．78 文献标识码：A 文章编号：1005—3395(2005)03—0217—07
The Sensitivity of Chloroplast Ultrastructure of Two
Duckweed Species to Simulated Acid Rain
LIN Zhi—fang，PENG Chang一1 ian，XU Xin一1an，LIN Gui-zhu
(South China Botanical Garden，the Chinese Academy of Sciences，Guangdong Key
Laboratory ofDigital Botanicd Garden，Guangzhou 510650，China)
Abstract： The membrane leakage rate and chloroplast ultrastructure were investigated in the fronds of two
duckweeds，Lemna minor L．and spirodela polyrihiza(L_)Schleid，cultured in distiled water and in diferent pH
values(5．5，4．5，3．5，2．5)of simulated acid rain for 48 h．The membrane leakage rate and alteration of chloroplast
ultrastructure in tw o duckw eeds were enhanced with the decreasing pH value． A diferent sensitivity to acid rain
and changing paaem of injured chloroplast morphology were found between two species．In L．minor，the damages
of chloroplast and membrane system began at pH 4．5， subsequently， severe plasmolysis， circular dilated
chloroplast and the confused structure of grana with numerous vesicles were observed， as pH value of acid rain
was dropped down to 3．5．However，in S．polyrihiza under pH 3．5，less membrane leakage rate (17％)was
accompanied by partial break in the outer envelope of chloroplast， while the structures of grana and stroma
thylakoid showed no obvious change．The evident damage of chloroplast ultrastructure in S．polyrrihiza appeared
at pH 2．5， but no severe plasmolysis and chloroplast swelling were seen． It is postulated that in the freshwater
body，S．polyrrihiza may exhibite a s~onger ability of existence competition to acid pollution than L．minor，and L．
minor may be used as a sensitive plant indicator for water body with pH value less than 4．5．
Key words： Lemna minor；spirodela polyrrihiza； Simulated acid rain； Chloroplast ultrastructure； Membrane
leakage rate
收稿日期：2004一lO一13 接受日期：2oo5—02-22
基金项目：国家自然科学基金项 目(30470282)；中国科学院知识创新前沿领域项目一华南植物园园主任基金资助
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218 热带亚热带植物学报 第 13卷
近年来，酸雨的频率、强度和分布地区日益增
大，已成为威胁世界各国生态环境的重要问题之一。
天然未污染雨水呈弱酸性，pH约 5．6，接近于被 CO：
饱和的蒸馏水的pH⋯。低于pH 5．6的降水称为酸
雨．其中两个重要的污染成分是空气中的NO 和
SO 与H2o反应形成的硝酸和硫酸的混合物。据报
道，西欧的酸雨pH为4．0-4．5，北美的东北大部份地
区的湖水受酸雨的影响，已丧失其原初碱性的40％
以上[1。朝鲜半岛降水的年均pH值为4．6-4．8 。我国
40％的国土．广东省80％的地区受到酸雨的影响【3,41。
甚至在工业不甚发达的韶山森林地区，年酸雨频率也
达 70％．酸雨的pH为4．3—5．5之间，平均pH4．72圈。据
统计，全国11个省、自治区由酸雨引起的生态效益
经济损失约高达459亿元[61。因此，研究酸雨对森
林、农田和水体生态系统的影响，可为制订相应的
对策减少酸雨造成的经济损失提供依据，而阐明酸
雨伤害植物的机理，尤其是伤害直接生长于酸雨污
染的水体中的水生植物的机理，并寻找对酸雨敏感
的指示植物和抗酸雨性能较强的植物种，具有重要
的科学意义和实用价值。
浮萍植物(duckweed)是水生飘浮的维管束植物，
共有4属40种，广布于热带到温带地区的淡水和含
盐的港湾中[71。我国的浮萍科植物有3属 6种[81。由于
浮萍类体积小，生长快，易培养且能适应于多种水生
环境，因而已被广泛应用于研究水体的各种毒性和
植物抗性试验，包括重金属、煤渣、营养物、有机物及
毒性有机体等，作为一种灵敏的植物毒性监测工
具[7,9101。最常用作试验材料的有浮萍属Lemma和紫
萍属spirodela植物。但迄今对这些重要的浮萍植物
在酸雨污染条件下的生长和生理生化特性研究甚
少[1l1，亚细胞结构特征则未见报道。叶绿体是细胞中
对外界环境条件变化最敏感的细胞器，环境胁迫如
高温【l21、低温[131皆可导致叶绿体超微结构的破坏和
光合功能丧失。对木本植物龙眼的研究也初步观察
到模拟酸雨作用下叶绿体膜系统出现崩解现象【l41。
然而植物不同的物种、生活型和生态型对不良环境
的响应和耐受性程度往往不尽相同。本文以I-r绿体
超微结构的变化为切入点，利用不同pH值的模拟
酸雨研究其对两种浮萍植物叶绿体结构的影响，结
合对细胞渗漏率的测定，比较其叶绿体超微结构对
酸雨响应的敏感性的差异，为浮萍作为酸雨的生物
监测工具的可能性及酸雨对水生植物的影响提供
依据。
1材料和方法
材料和处理 浮萍(Lemna minor L．)和紫萍
( irodela polyrrhiza(L．)Schleid)采自中国科学院华
南植物园的水塘中，两者混生成覆盖水面的飘浮植
物群落。植株经自来水漂洗后，置于含不同pH溶液
的培养皿中。酸雨按广州地区1997年酸性降水中
的SO2-与NOr的摩尔浓度比2．75：1配制，用 pH计
测定，调节pH值为5．5，4．5，3．5和 2．5，以蒸馏水为
对照。每个培养皿中放入 l5株紫萍和 30株浮萍，
室温(约30~C)和室内漫射光(约 20 t．Lmol m s 2)下培
养48 h，两次重复培养试验。
细胞膜渗漏率测定 取 8个植株洗净去根，
加 15 ml重蒸水，25℃浸泡 2 h，用电导仪(DDS．11A
型)测定浸出液的电导度，随后煮沸 15 min，冷却后
再次测定，以煮沸前后的相对电导率％表示细胞膜
渗漏率。
叶绿体超微结构观察 将叶状体于冰浴上
切成约 3 mmxl mm的片段，经 4％戊二醛和 1％锇
酸固定，系列乙醇溶液脱水，Epon812树脂包埋。超
薄切片后用2％乙酸双氧铀及6％柠檬酸铅染色，叶
绿体超微结构以JEM一1010(日本)透射电镜观察和
拍照。
叶绿素吸收光谱测定 叶状体用 80％丙酮
提取，UV—Vis分光光度计(Beckman DU一7，USA)于
400—700 nm波段扫描。
数据处理 用t值检验所得细胞渗漏率数据
差异的显著性。
2结果
2．1外观。叶绿素吸收光谱和细胞膜渗漏率
浮萍与紫萍的叶状体大小、根数及叶背颜色有
明显的不同。浮萍的叶状体两面皆呈绿色，宽约 2—
3 mm，只有一条根。紫萍的叶状体宽4—6 mm，且厚
度比浮萍大，有 5条以上的根，叶状体背面紫色 。
两种植物经不同pH的模拟酸雨处理后，叶状体出
现不同程度的失绿现象，以pH 3．5和2．5者较明显，
并伴以部分根的脱落。浮萍在pH 2．5时叶色己呈黄
白色，而紫萍仍保持淡绿色，这表明此时浮萍已完
全失去吸收光能进行光合作用的能力，紫萍则保持
部分光能吸收、转化的能力。
细胞膜渗漏率是表示膜系统稳定性的重要指
标。从图1可见，随酸雨pH值的下降，叶状体的细
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热带亚热带植物学报 第 l3卷
分进入引起叶绿体和类囊体腔膨胀变形，而膜蛋白
和膜脂的变性则使叶绿体结构瓦解，形成大量嗜锇
颗粒和空泡。对陆生植物的研究证明模拟酸雨低于
pH 4．0—4．5时可引起细胞膜渗漏率和膜脂过氧化产
物 MDA含量增高【，】；光合电子传递速率和净光合
速率下降，叶绿体中部分重要多肽如Rubisco大亚
基减 -9】；叶片细胞汁液pH值降低。在模拟酸雨为
pH 3．5下龙眼的细胞开始瓦解，叶绿体和类囊体膜
崩解，基粒片层结构混乱，抗氧化能力下降 。酸雨
处理水稻种子和幼苗引起其光系统Ⅱ的叶绿素荧
光非光化学猝灭系数NPQ下降，使植物更易于遭
受光抑制和光破坏【4】。
从上述的生理生化与细胞结构变化指标可以
推测。造成本文中供试的两种浮萍叶绿体超微结构
对酸性逆境响应特性的种间差别的原因可能取决
于其细胞汁液的对 H+的缓冲能力，细胞和叶绿体
膜系统的稳定性程度，以及抗氧化能力的不同。酸
雨中较高水平的H 进入细胞后如超过细胞本身的
缓冲能力，则这些H 将会改变酶类和蛋白质的带电
性及许多物质的电离状况，破坏酶的结构【 ，并可能
由于膜结构组分上的蛋白质和类脂的变构及胞
内氧化还原状态的改变而使细胞膜和叶绿体膜
结构受到伤害。有报道指出与Lemna gibba和 ．
valdiviana相 比， Spirodela oligorhiza有 较高 的
Rubisco活性和光合速率，而较高的碳水化合物水平
有助于增强对 SO32-的抗性【161。因此，与 irodela
oligorhiza同属的紫萍 polyrrhiza)也可能因其含较
多叶绿素(外观深绿色，Chl a+b约为 3．57 Ixg cm～，
而浮萍 L．minor的 Chl a+b仅为 2．79 Ixg cm-2)，能吸
收和利用较多的光能形成较多的碳水化合物等而
提高其对酸雨的抗性。此外，紫萍叶背含紫色的花
色素苷，而花色素苷具有抗氧化性 ，有助于减轻较
强酸性引发的膜脂过氧化，这可能也是紫萍对酸性
水体抗性比浮萍高的原因之一。此外，自然条件下
水体 pH下降可促进重金属如Al，Zn等的解离，从
而增强对水生生物的毒害作用【zn。本文中的培养介
质为蒸馏水，与自然水体有所不同，可以排除不同
植物种类对重金属抗性差异的影响。然而，要揭示
酸雨对植物的伤害和植物间不同抗性的机制尚有
待于深入的研究。
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图版说明
图版 I
l一3． H20中培养的浮萍细胞(1)，叶绿体(2)和基粒(3)结构；
4-6．pH 5．5酸雨中的正常细胞(4)，叶绿体(5)和基粒(6)结构；
7-9．pH 4．5酸雨中的细胞出现质壁分离(7)’叶绿体肿胀，外膜局部
破裂，基粒结构混乱 (8，9)：
lO一12．pH 3．5酸雨中的原生质体堆积于细胞中央(1O)，叶绿体肿胀
呈圆球状(11)，内部结构完全瓦解，出现许多空泡(12)；
l3—15．pH 2．5酸雨中的叶绿体结构变化与 pH 3．5者相似：
细胞 (图 l，4，7，10，13)x2 500；叶绿 体 (图 2，5，8，ll，14)
x15 00O：基粒 (图3，6，9，12，15)x60000
图版 Ⅱ
l一3．H2O中培养的紫萍细胞(1)，叶绿体(2)和基粒(3)结构；
4-6． 经pH 5．5酸雨处理的细胞(4)，叶绿体(5)和基粒 (6)结构；
7-9．pH 4．5酸雨处理后出现轻度质壁分离(7)，叶绿体和基粒结构
正常(8，9)；
10-12．pH 3．5酸雨处理后部分叶绿体外膜破裂(10，l1)，基粒保持正
常结构(12)；
l3一l5．pH2．5酸雨处理的叶绿体内部结构异常(13，14)，基粒粘连或
降解，排列无序(1 5)．
细胞(图 l，4，7，10，13)x3 000；叶绿 体(图 2，5，8，ll，l4)
xl2 000-20 000；基粒(图 3，6，9，12，15)x60 000
Explanation ofplates
PlateI
1—3． Showingtheultrastructures of(Lemna minorL．)cel(1)，chloro-
plast(2)andgrana(3)in control(H2O)；
4-6． Showing the normal ultrastructures of cel(4)，chloroplast(5)
andgrana(6)treatedbypH 5．5 acidrain；
7-9． Showing plasmolysis(7)，chloroplast sweling tl partialy
broken outer envelope(8)，and disorderly grana(9)in treat-
mentwitlpH4．5 acidrain；
lO一15．Showing the contracted protoplasma in the center ofcel caused
by severe plasmolysis(10，13)，the tireular dilated chloroplasts
(1 1，14)，and the numerous vesicles in colapsed thylakoid(12，
15)resulted from pH 3．5 and 2．5 acid rain stress，respectively；
Cel(Figs．1，4，7，10，13)x2 500；Chloroplast(Figs．2，5，8，1 1，14)
x15 000；~BIla(Figs．3，6，9，12，15)x60000
PlateII
1—3． Showing the(Spirodela polyrrhiza)cel(1)，chloroplast(2)and
grana(3)structurein control(H )；
4-6． Showing no changes in structure ofchloroplast treated by pH 5．5
acidrain；
7-9．Showing slight plasmolysis and normal structure of chloroplast in
treatmentwitlpH4．5 acidrain；
10-12．Showi ng the outer broken envelope in some chloroplasts treated
bypH 3．5 acidrain；
l3—15．Showing the disintegrated sticking thylakoids r15)．
Cel(Figs．1，4，7，10，13)x3 000；Chloroplast(Figs．2，5，8，1 1，14)
x12 000-20 000；Gl~na(Figs．3，6，9，12，15)x60 000
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Control
p[1 5．5
pH 4．5
ptI 3．5
DH 2．5
：I冬l版
热 热 植物学报 第 13卷
l_lN Zhl—I；an cl a】：P1 Ic
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第 3
ContrO]
pH 5．5
pH 4．5
pH 3．5
p“ 2．5
朴捕芳等： i}-汗萍{=l!【物的叶 体超微 构刊髓拟陆『仃Ijf】敏感性
L J Zhi- lIl Plate
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