全 文 ：植物生理学通讯 第 44卷 第 3期，2008年 6月 449
外源多胺对铜胁迫下荇菜叶片生物膜的保护作用
王学 *，徐恒戬
山东理工大学生命科学学院，山东淄博 255049
提要：研究外源亚精胺和精胺对铜胁迫下荇菜叶片细胞膜透性、膜脂脂肪酸组成、光合、呼吸、铜积累影响的结果表明，
50 µmol·L-1 CuSO4处理导致膜脂脂肪酸组分中饱和脂肪酸组分增加，不饱和脂肪酸组分及不饱和指数(IUFA)下降，细胞
膜透性加大，光合速率下降，呼吸速率迅速上升，铜在叶细胞中大量积累。外施0.1 mmol·L-1亚精胺和精胺可以稳定生物
膜的结构和功能，降低铜在细胞中的累积。
关键词：多胺；铜；荇菜；生物膜
Protective Effect of Exogenous Polyamines on Biomembranes of Nymphoides
peltatum (Gmel) O. Kuntze Leaves under Cu Stress
WANG Xue*, XU Heng-Jian
College of Life Science, Shandong University of Technology, Zibo, Shandong 255049, China
Abstract: The effects of exogenous spermidine (Spd) and spermine (Spm) on the membrane permeability, fatty
acid composition, photosynthesis, respiration and copper accumulation in the leaves of Nymphoides peltatum
under Cu stress were studied. Results showed that 50 µmol·L-1 copper treatment increased the levels of satu-
rated fatty acids, lowered the levels of unsaturated fatty acids and the index of unsaturated fatty acid (IUFA),
enhanced membrane permeability, decreased photosynthesis rate, increased respiratory rate, and accelerated Cu
accumulation in the leaves of N. peltatum. 0.1 mmol·L-1 exogenous Spd or Spm stabilized the structure and
function of biomembranes, and reduced Cu accumulation.
Key words: polyamines; copper; Nymphoides peltatum; biomembranes
收稿 2008-02-25 修定 2008-05-27
资助 国家自然科学基金(30670121)和山东理工大学博士科研
启动经费(4 041 -406 027 )。
* E-ma il：xue_wang@163.com；Tel：05 33-2 7626 30
生物膜是细胞或细胞器与其外界环境接触的
所有膜的总称。近几十年的研究表明，生物膜与
环境胁迫及其抗逆性有密切关系(Murata和Wada
1995)。植物细胞除质膜(细胞膜)外，还有线粒
体、叶绿体等细胞器膜。不同的生物膜具有不同
的生理功能。生物膜的组成成分主要是脂质和蛋
白质。它们对环境胁迫都十分敏感，尤其是膜
脂。膜脂主要由磷脂组成，脂肪酸又是磷脂的主
要成分。生物膜必须具有一定流动性才能完成生
物各种生命活动功能(Sergent等 2005)。而保证膜
的流动性的一个很重要的方面就是防止膜脂脂肪酸
氧化。在重金属(Ouariti等 1997)、高温(Larkindale
和Huang 2004)、盐(El-shintinawy 2000)等胁迫
下，脂肪酸的不饱和程度急剧下降，膜的流动性
变差，从而影响各种生物膜的正常生理功能。
多胺(polyamines，PAs)是生物代谢过程中产
生的具有生理活性的低分子量脂肪族含氮碱，广
泛分布于高等植物体中，其中腐胺(putrescine，
P u t )、亚精胺( s p e r m i d i n e，S p d )和精胺
(spermine，Spm)分布尤为普遍。生理 pH值下，
PAs常常带有很多正电荷，它们可以与膜上带负
电荷的膜脂及蛋白质结合，从而保护脂膜防止其
受活性氧的袭击。但外施 PAs能否缓解重金属胁
迫下膜脂脂肪酸的氧化，还未报道( Agaz i o 等
1988；Gorecka等 2007)，因此研究外源 PAs对
重金属胁迫下植物细胞膜透性、膜脂脂肪酸组分
的影响是有意义的。此外，重金属积累是造成植
物重金属毒害加剧和高营养级的生物体内重金属富
集的原因，如何最大限度地减少植物体内重金属
积累，减轻或避免重金属通过食物链对高营养级
的生物乃至人类造成威胁也是人们注视的热点。
材料与方法
荇菜[Nymphoides peltatum (Gmel) O. Kuntze]
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采自苏州太湖无污染的淡水里，用自来水和蒸馏
水冲洗干净后，放入加有 1/10Hoagland培养液的
玻璃缸中。选取高度和重量大约相同的植株为实
验材料，培养于环境可调的培养箱中，光照周期
12 h/12 h，光暗温度 25 ℃/18 ℃，光照强度 115
µmol·m-2·s-1。2周后，植物材料转入已加有 1 L
培养液的烧杯中。实验处理有：(1)对照植物培养
于 1/10Hoagland培养液中(含有 32 nmol Cu)，叶
面喷施蒸馏水；(2) Cu处理的植物培养于加有 50
µmol·L-1 CuSO4的1/10Hoagland培养液中，叶面喷
施蒸馏水；(3) Cu+Spd处理的植物培养于加有 50
µmol·L-1 CuSO4的1/10Hoagland培养液中，叶面喷
施 0.1 mmol·L-1 Spd；(4) Cu+Spm处理的植物培
养于加有 50 µmol·L-1 CuSO4的 1/10Hoagland培养
液中，叶面喷施 0.1 mmol·L-1 Spm。每天于 7:00
和 19:00，向植物叶片上喷施蒸馏水、0.1 mmol·L-1
Spd 和 0.1 mmol·L-1 Spm 2次。喷施溶液内加入
Tween-80作为粘附剂。喷施的浓度是根据预备实
验结果确定的。每 2 d更换一次培养液，处理 4
d后，选取充分展开 10 d的叶片进行各项生理指
标测定。
膜脂的提取按Amenta (1970)的方法。类囊体
膜的制备根据Dunahay等(1984)介绍的方法。脂
肪酸的提取参照刁丰秋等(1997)文中的方法。将
备好的膜脂或类囊体膜悬浮液置于玻璃管中，用
1890气相色谱仪和 3295积分仪(均为惠普上海分
析仪器有限公司产品)分析脂肪酸，用外标法确定
保留时间，结果用归一法求得。膜透性测定参照
谢田和徐中际(1986)的紫外吸收法。叶绿素含量
参照Arnon (1949)的方法测定。铜含量用电感耦
合等离子体发射光谱法(ICP-MS)测定。采用薄膜
氧电极和自动记录装置，参照李德耀等(1982)和
Gao等(1988)文中的方法测定叶片的光合速率和呼
吸速率，以碎叶片放氧和吸氧的速率表示。
实验重复 3次，结果用平均值 ±标准误差表
示，重量皆为鲜重，用 t检验法对组间数据进行
差异显著性分析。
结果与讨论
1 外源 PAs对铜胁迫下荇菜叶片膜脂脂肪酸组分
的影响
从图 1可知，受 50 µmol·L-1 CuSO4胁迫的荇
菜叶膜脂脂肪酸组分发生明显变化，其中饱和脂
肪酸 16:0和 18:0分别提高 18.5%和 47.1%，不饱
和脂肪酸 18:1和 18:3分别下降 15.8%和 20.8%，
而 16:1和 18:2几乎没有变化，从总体上看，由
于饱和脂肪酸组分增加，不饱和脂肪酸组分下
降，以致脂肪酸不饱和指数(IUFA)显著降低(图 2) ；
而外施 Spd和 Spm可以降低 16:0和 18:0的含量，
延缓 18:1和 18:3的下降速度，因而铜胁迫下荇菜
叶片膜脂的 IUFA提高(图 2)。
2 外源 PAs对铜胁迫下荇菜叶片类囊体膜脂肪酸
组分的影响
从图 3可见，外源 PAs对铜胁迫下荇菜叶片
类囊体膜脂肪酸组分的影响比对叶片总膜脂脂肪酸
组分的影响显著得多。受 50 µmol·L-1 CuSO4胁迫
的荇菜叶片类囊体膜的饱和脂肪酸 16:0和 18:0分
别提高 82.2%和 189.5%，不饱和脂肪酸 18:1、18:2
和 18:3分别降低 43.5%、18.5%和 25.6%，但对
16:1的影响不显著。由于不饱和脂肪酸的降低和
图 1 外源 PAs对铜胁迫下的荇菜叶片膜脂脂肪酸组分的影响
Fig.1 Effects of exogenous PAs on the fatty acid composition in the membrane of N. peltatum leaves under Cu stress
植物生理学通讯 第 44卷 第 3期，2008年 6月 451
饱和脂肪酸的升高，IUFA显著下降(图 2) ；外施
Spd和 Spm均可逆转铜对上述脂肪酸的影响，提
高 IUFA (图 2)。
3 外源 PAs对铜胁迫下荇菜叶片膜透性和铜积累
的影响
重金属对植物伤害的生理机制之一是破坏其
膜系统的完整性，降低其对外界物质的选择透过
性。由图 4可见，50 µmol·L-1 CuSO4处理 4 d后，
荇菜叶片的膜透性极显著提高(P<0.01)，比未经
铜处理的提高 204.6%。外施 Spd和 Spm均可有效
地阻止膜透性的提高，铜胁迫下经 Spd和 Spm处
理的荇菜叶的膜透性分别下降 34.3% (P<0.01)和
25.7% (P<0.01)。由此可见，Spd和 Spm都可有
效地保护铜胁迫下的植物细胞膜系统。S p d 和
Spm保护细胞膜系统可能是通过提高铜胁迫下荇
菜叶片膜脂的 IUFA (图 2)，阻止生物膜由液晶态
向凝胶态转变，防止其脆性变大，透性提高。此
外，膜脂过氧化也是膜透性提高的一个重要原
因，我们以前的研究(Wang等2007)发现铜胁迫导
致了荇菜叶内大量活性氧产生，从而使得膜脂的
过氧化程度提高，MDA大量积累，膜的损伤程
度加大。而外施 Spd和 Spm可以抑制活性氧的产
生，保护质膜，从而有效地阻止膜透性的提高。
膜透性的改变必然会影响重金属胁迫下的植
物体内毒性元素的积累。从图 4可以看出，随着
膜透性的增加铜在荇菜体内急剧积累。未经铜处
理的荇菜叶中铜的含量仅为 0.72 µg·g-1，经铜处
理 4 d后，荇菜叶中的铜含量上升至 129.3 µg·g-1，
比未经铜处理的提高 177.8倍(P<0.01)。外施 Spd
和Spm后荇菜叶中的铜含量分别降至60.7和108.2
µg·g-1，与单一铜处理的植物相比分别降低 46.9%
(P<0.05)和 16.3% (P<0.05)，其中外源 Spd的效
图 2 外源 PAs对铜胁迫下的荇菜叶片及类囊体膜 IUFA的影响
Fig.2 Effects of exogenous PAs on the IUFA in leaves and thylakoid membrane of N. peltatum under Cu stress
*表示与铜处理组的显著性差异(*P<0.05，**P<0.01；Student’s t-test)，下同。IUFA＝{[16:1 mol%×1]+[18:l mol%×1]+[18:
2 mol%×2]+[18:3 mol%×3]}×100%。
图 3 外源 PAs对铜胁迫下的荇菜叶类囊体膜脂脂肪酸组分的影响
Fig.3 Effects of exogenous PAs on the fatty acid composition in the thylakoid membrane of N. peltatum leaves under Cu stress
植物生理学通讯 第 44卷 第 3期，2008年 6月452
果要优于外源 Spm。
4 外源PAs对铜胁迫下荇菜叶片叶绿素含量的影响
Patsikka等(2002)的研究指出，在评价不同胁
迫条件的效应时必须将叶绿素含量变化考虑在内。
本文中，铜胁迫下叶绿素的含量也显著降低。由
图 5可见，50 µmol·L-1 铜处理 4 d的荇菜叶内的
叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量分别下降48.5%
(P<0.01)、56.3% (P<0.01)和 51.1% (P<0.01)，三
者均达到极显著水平。外施 Spd和 Spm均可有效
缓解铜胁迫下叶绿素含量下降。其中外施 Spd的
叶绿素 a、叶绿素 b 和总叶绿素含量分别提高
57.6% (P<0.05)、59.4% (P<0.01)和 58.1% (P<0.01)，
外源 Spm的缓解作用略小于外源 Spd，外施 Spm
能分别提高 44.4% (P<0.05)、46.6% (P<0.05)和
45.1% (P<0.05)。
5 外源 PAs对铜胁迫下荇菜叶片光合速率和呼吸
速率的影响
从图 6可见，50 µmol·L-1 CuSO4处理 4 d的
荇菜叶光合速率下降，呼吸速率极显著上升，外
施 Spd和 Spm均可显著提高铜胁迫下荇菜叶的光
合速率，抑制其呼吸速率的上升。
外施 Spd和 Spm抑制铜胁迫下荇菜叶光合速
图 4 外源 PAs对铜胁迫下的荇菜叶片膜透性和铜积累的影响
Fig.4 Effects of exogenous PAs on cell membrane permeability and copper accumulation in N. peltatum leaves under Cu stress
图 5 外源 PAs对铜胁迫下的荇菜叶片叶绿素 a、
叶绿素 b和总叶绿素含量的影响
Fig.5 Effects of exogenous PAs on chlorophyll a,
chlorophyll b and total chlorophyll contents
in N. peltatum leaves under Cu stress
图 6 外源 PAs对铜胁迫下的荇菜叶片光合速率和呼吸速率的影响
Fig.6 Effects of exogenous PAs on photosynthesis rate and respiratory rate in N. peltatum leaves under Cu stress
植物生理学通讯 第 44卷 第 3期，2008年 6月 453
率下降的原因可能是：(1)提高铜胁迫下荇菜叶中
类囊体膜的 IUFA (图 2)，阻止其光合速率下降。
类囊体膜是叶绿体内进行光合作用的膜，其中膜
脂是光合膜的基本骨架。完整的类囊体膜的双分
子层内部的疏水区与膜蛋白互相作用，从而可以
保证色素顺利吸收光能并能引起光合电子的产生和
传递以及光合磷酸化的正常进行。铜胁迫下类囊
体膜 IUFA下降后，膜的流动性降低，从而会影
响光能的正常吸收和转换。(2)防止作为光合色素
成员的叶绿素含量的减少(图 5)。
此外，外施 Spd和 Spm还可以通过抑制铜胁
迫下荇菜叶 IUFA的下降，防止生物膜的流动性变
差、透性提高、细胞内酶与底物接触，从而抑
制铜胁迫诱导的呼吸速率的提高。
总之，外源 PAs通过抑制生物膜 IUFA的下
降，可有效保护各种生物膜的生理功能，防止细
胞膜选择透过性和类囊体膜光合作用能力的减弱，
进而阻止铜在荇菜叶内的过度积累、光合速率的
下降和呼吸速率的上升，最终有效缓解荇菜的铜
毒害。
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