全 文 ：第 22卷　第 3 期　　　　　　　　　　　　　植　　　物　　　研　　　究 2002 年　7月
Vol.22　No.3　　　　　　　　　　　BULLETIN OF BOTANICAL RESEARCH July , 　2002
二氧化硫衍生物对蚕豆幼苗生长和细胞周期的影响
仪慧兰　司良燕　孟紫强＊＊
(山西大学环境医学与毒理学研究所 , 生命科学与技术学院 ,太原 030006)
摘　要　研究 SO2 体内衍生物 NaHSO3 与 Na2SO3(1:3 ,mmol L)对蚕豆幼苗生长和细胞分裂的影
响。结果表明:SO2衍生物(浓度在 0 ～ 30mmol L)对幼苗生长的抑制作用具有剂量效应和时间效
应关系 ,短时间处理效应不明显 ,处理 48h后蚕豆幼根生长抑制 ,168h后幼苗根上部分长度(芽长)
表现生长抑制 ,根长和芽长与处理浓度间呈负线性相关 。SO 2衍生物处理 12 ～ 36h ,导致根尖细胞
分裂指数下降 ,根尖中前期细胞减少 ,间期 、后期和末期细胞增多 ,表明 SO2 衍生物能够阻止细胞
进入分裂态 ,延长分裂过程 ,这可能是SO2 衍生物处理组根尖细胞分裂指数降低 ,幼苗生长抑制的
主要原因 。
关键词　二氧化硫;蚕豆;生长抑制;分裂指数;细胞周期
THE EFFECTS OF SULFUR DIOXIDE DERIVATIVES
ON THE GROWTH AND CELL CYCLE OF VICIA FABA SEEDLINGS
YI Hui-lan　SI Liang-yan　MENG Zi-qiang＊＊
(Institute of Environmental Medicine and Toxicology , College of Life Science and Technology , Shanxi University , Taiyuan 030006)
Abstract　The effects of the derivatives of sulfur dioxide(sodium bisulfite)on the cell division and growth of
V.faba seedlings were investigated.The results showed that bisulfite inhibited seedling growth and both
length of buds and roots had negative relation to the concentrations(in the range of 0 ～ 30mmol L).The mi-
totic index decreased significantly in root tips when seedlings exposed to sodium bisulfite for 12 ～ 36 h.The
number of prophase cells was decreased but the number of the cells at interphase and anaphase and telophase
increased after exposure 12 ～ 36 h.The results indicate sodium bisulfite prevent the cells from going split and
delay the mitosis process , the effects may include delays in passing through S into G2 , a protracted G2 and
an effect on the speed of passage through mitosis itself.That may be the cause for the growth inhibition and
the decrease in mitotic index.
Key words　sodium bisulfite;Vicia faba;growth inhibition;mitotic index;cell cycle
　　工业的迅速发展造成了严重的大气污染 ,含硫
燃料的使用使大气中 SO2含量逐年增加。我国是世
界上最大的煤炭生产国和消费国 ,也是目前少数几
个以煤炭为主要能源的国家之一。大量煤炭的燃烧
山西省教委环境科学重点学科基金资助
第一作者简介:仪慧兰(1963-),女 ,副教授 ,主要从事环境生物学方面的研究。
收稿日期:2001-04-03
＊＊通讯联系人
导致我国 SO2 排放量急剧增加 ,据统计 ,至 1997年 ,
我国排放 SO2 量已达到 2346万吨 ,居世界第一位 。
大气污染造成的酸雨面积也大幅增加 ,年均降水 pH
值低于 5.6的区域面积已占全国面积的 40%左右 。
绿色植物能够吸收大气中的 SO2 ,起净化空气的作
用 ,但是SO2 超过一定量时会危害植物 ,表现为叶绿
素含量降低 ,光合作用减弱 ,降低农牧业生产率。研
究发现 ,SO 2能够导致植物生长抑制 ,多种代谢酶活
性改变 ,细胞内氨基酸含量改变 ,并使胞内遗传物质
损伤[ 1 ～ 4] 。
蚕豆是重要的经济作物之一 ,也是遗传学常用
实验材料 ,蚕豆根尖微核实验是国际上公认的水环
境致突变性检测技术 ,具有重复性好 、灵敏度高 ,检
测物谱广 ,设备和操作简单等特点[ 4 ～ 6] 。本文根据
SO2衍生物在体内中性条件下以 Na2SO3 和 NaHSO3
分子比3:1存在的事实 ,模拟 SO2污染 ,研究其对蚕
豆生长分裂的毒理作用 ,探讨 SO2 作用的机理 。
图 1　NaHSO3 处理 48h 对蚕豆幼苗生长的影响
Fig.1 Effect of sodium bisulfite on the growth of
V.faba seedlings exposed for 48h
图 2　NaHSO3 处理 168h 对蚕豆幼苗生长的影响
Fig.2 Effect of sodium bisulfite on the growth of
V.faba seedlings incubated for 168h
1　材料和方法
1.1　材料
蚕豆(Vicia faba)以本地蚕豆“晋美特 208”种子
作为实验材料 。
1.2　实验方法
1.2.1　蚕豆萌发　蚕豆种子于 23℃蒸馏水中浸泡
36h ,湿纱布包裹催芽 24h 。选已萌发的蚕豆放入
垫有湿脱脂棉的培养皿中培养 36h 。其间每 12h换
水一次。选根长1 ～ 1.5cm的蚕豆随机分组 ,用于毒
性试验。
1.2.2　对幼苗生长的影响 　处理组用 NaHSO3 —
Na2SO3(1:3 , mmol L)混合液 ,浓度(以 Na2SO3 浓度
计)分别为 0.1 , 0.5 ,2.5 , 10 , 20 ,30mmol L。于 23℃
恒温培养 ,每 12h 换一次处理液。在处理 24h 、48h
和 168h时测量每组 30株幼苗的根 、芽长度 ,作为各
组的幼苗根长和芽长 。对照用蒸馏水。
1.2.3　蚕豆根尖细胞制片 　处理组用 NaHSO3 —
Na2SO3(1:3 , mmol L)混合液 ,浓度(以 Na2SO3 浓度
计)分别为 0.17 , 0.67 , 3.30 ,10.0 ,15mmol L ,在处理
12h ,24h 和 36h后 ,于蒸馏水中恢复培养 24h 。切取
根尖 1cm ,用卡诺氏固定液(甲醇:冰乙酸=3:1)固
定 24h后 ,转入 70%的乙醇中 ,4℃保存。
制片时 , 根尖经 1mol L 的 HCl 解离 , 孚尔根
(Feulgen)法染色。切取根尖分生区约 1mm长 ,常规
压片 。每个处理观察 6 ～ 8株幼苗的根尖 ,每个根尖
约 1000个细胞。
1.3　实验数据的统计分析
对所得数据进行方差分析 ,采用 t检验 ,检测不
同处理与对照之间的差异显著性。
2　结果与讨论
2.1　SO2 衍生物抑制蚕豆幼苗生长
测量结果表明 ,处理 24h时 SO2 衍生物处理组
与对照组蚕豆幼根和根上部分(芽)长度差异不明
显。48h时(图 1)SO2 衍生物组与对照组幼苗的芽
长无明显差异 ,但SO2 衍生物组根的生长受到抑制。
低浓度组(0.1～ 2.5 mmol L)抑制作用不明显 ,高浓度
(10 ～ 30mmol L)组根长明显短于对照组和低浓度组 ,
处理浓度增大时抑制作用增强。根长(y1)与浓度(x)
之间具有显著(p <0.01)的负线性对应 , y1 =-
0.0435x+2.6649 ,相关系数 r=-0.95。
在处理 168h时(图 2),SO2 衍生物组蚕豆根和
芽的生长受到抑制 ,根长(y2)与处理浓度间为负线
306 　　　　　　植　　物　　研　　究　　　　　　　　　　　　　　　　　　22 卷
性相关(p<0.01), y2=-0.1404x +4.8138 ,相关系
数为-0.98;浓度在 20mmol L 以上的 SO2 衍生物处
理组 ,芽长短于其它组 ,芽长(y3)与浓度的关系式
为:y3 =-0.0460x + 3.9431 , r =-0.75 (p <0.
05)。
统计结果表明 , SO2 衍生物对蚕豆幼苗的生长
抑制具有剂量效应和时间效应 ,对根的生长抑制出
现较早 ,且抑制强度大于根上部分;随着处理时间的
延长 ,各 SO2 衍生物组与对照组幼苗的生长差异增
大 ,线性关系式中的斜率增大 。
2.2　SO2 衍生物影响根尖细胞有丝分裂周期
对蚕豆根尖细胞镜检结果(表 1)表明 ,SO2 衍生
物处理组蚕豆根尖分生区细胞有丝分裂减少 ,分裂
指数明显低于对照组 。随着处理时间的延长 ,SO2
衍生物处理组的分裂指数有所增高 ,但仍低于对照 ,
各SO2 衍生物处理组根尖细胞分裂指数维持在较低
水平 。因此 ,一定时间后 ,外观上表现为处理组蚕豆
的生长抑制。
表 1　SO2 衍生物对蚕豆根尖有丝分裂指数的影响
Table 1　Effect of sodium bisulfite on the mitotic index of V.faba root tips
浓度 Concentration
(mmol L)
不同接触时间后的分裂指数 Mitotic index of various duration
12(h) Decrease(%) 24(h) Decrease(%) 36(h) Decrease(%)
0 18.77 23.67 20.59
0.17 10.37 44.75 9.79 58.64 13.94 32.29
0.67 8.59 54.24 13.40 43.39 10.08 51.04
3.30 10.01 46.67 12.96 45.25 13.57 29.24
10.0 12.16 35.22 12.46 47.36 13.79 28.17
15.0 10.25 45.39 10.98 53.61 14.75 18.65
　　SO2 衍生物处理组与对照间有显著或极显著差异
　　镜检中还发现 ,SO2 衍生物处理后蚕豆根尖细
胞周期改变 ,处于不同时期的细胞比例发生明显变
化:与对照组相比 ,处理组间期细胞增加 ,分裂期细
胞减少 ,处于分裂各阶段的细胞比率发生变化。表
2为处理 12h后根尖分生区镜检结果 ,SO2 衍生物处
理组根尖间期细胞增加 ,前期 、中期 、后期细胞明显
减少 ,末期细胞除 3.30mmol L 组减少外 ,其余处理
组接近对照 ,但是末期细胞占分裂细胞的份额是对
照组的 2倍。
表 2　SO2 衍生物处理 12h 对蚕豆根尖细胞有丝分裂周期的影响
Table 2　Effect of sodium bisulfite on the cell cycle in V.faba root tips exposed for 12h
浓度 Concentration
(mmol L)
观察细胞数
Number of scored cells
各期细胞比率Frequencies of mitotic cells at different stages(%)
前期
Prophase
中期
Metaphase
后期
Anaphase
末期
Telophase
间期
Interphase
0 6245 10.11 5.39 2.51 1.76 81.23
3.30 7042 6.88 0.99 0.57 1.17 90.39
10.0 6947 7.55 1.90 1.00 1.71 87.84
15.0 6031 4.26 2.50 1.64 1.85 89.75
　　表 3中处理 24h的结果与处理 12h的结果基本
相似 ,各处理组分裂期细胞减少 ,间期细胞增多。与
表2不同的是 , SO2 衍生物处理组根尖细胞中 , 中
期 、后期和末期细胞比例增大 ,说明细胞分裂期时间
拖长 。
　　表 4为处理 36h后根尖细胞的镜检结果。比较
3个不同时间的处理结果 ,可以发现 , 与对照组比
较 ,在处理 12 ～ 36h 时 SO2 衍生物处理组间期细胞
比例增大 ,前期细胞减少 ,说明 SO2衍生物处理能阻
滞细胞由间期进入分裂态 ,并使细胞间期时间拖长;
在分裂指数降低的同时 ,SO2 衍生物处理组根尖末
期细胞增多(表 4),表明 SO2 衍生物处理组细胞分
3073期　　　　　　　　　　　　　仪慧兰等:二氧化硫衍生物对蚕豆幼苗生长和细胞周期的影响
裂末期时间延长;同理 ,处理组根尖细胞中处于中 、
后 、末期的细胞在分裂细胞中所占份额明显高于对
照 ,说明细胞分裂过程被延滞 ,细胞分裂过程需要的
时间延长 。
表 3　SO2 衍生物处理 24h 对蚕豆根尖细胞有丝分裂周期的影响
Table 3　Effect of sodium bisulfite on the cell cycle in V.faba root tips exposed for 24h
浓度 Concentration
(mmol L)
观察细胞数
Number of scored cells
各期细胞比率Frequencies of mitotic cells at different stages(%)
前期
Prophase
中期
Metaphase
后期
Anaphase
末期
Telophase
间期
Interphase
0 5810 11.67 5.98 2.86 2.16 76.33
0.17 6708 5.40 1.89 1.06 1.30 90.35
0.67 6200 7.53 2.34 1.61 1.92 86.60
3.30 7012 7.01 2.44 1.50 2.01 87.04
10.0 6944 6.57 2.49 1.52 1.88 87.54
15.0 6128 5.22 2.56 1.47 1.73 89.02
表 4　SO2 衍生物处理36h对蚕豆根尖细胞有丝分裂周期的影响
Table 4　Effect of sodium bisulfite on the cell cycle in V.faba root tips exposed for 36h
浓度 Concentration
(mmol L)
观察细胞数
Number of scored cells
各期细胞比率Frequencies of mitotic cells at different stages(%)
前期
Prophase
中期
Metaphase
后期
Anaphase
末期
Telophase
间期
Interphase
0 5646 11.67 4.99 2.32 1.61 79.41
0.17 6751 6.45 3.25 1.94 2.30 86.06
0.67 6009 4.31 2.37 1.62 1.89 89.82
3.30 7096 5.91 3.08 1.83 2.75 86.43
10.0 6947 5.78 3.36 1.73 2.93 86.21
15.0 6332 4.58 4.10 2.58 3.49 85.25
　　实验结果表明 ,SO2 衍生物对蚕豆根尖细胞分
裂的影响有两个方面:(1)抑制细胞进入分裂态 ,使
根尖中的分裂细胞数目减少;(2)延滞细胞分裂过
程 ,从而使细胞周期延长。推测细胞周期的延长可
能包括 DNA合成前后(G1和 G2期)、合成期(S期)
以及细胞分裂期的延滞。这两个方面的作用使细胞
有丝分裂指数下降 ,外观表现为幼苗生长的抑制 。
此外 ,SO2 衍生物处理组根尖细胞中出现了多
种核异常和染色体异常(结果另文发表),也是根尖
细胞分裂减少 、幼苗生长抑制的一个原因。主要的
核异常有微核与固缩[ 1] ,染色体异常包括:染色体断
片 、粘连 、染色体桥和落后染色体。细胞转入固缩态
不再分裂 ,部分核异常或染色体异常的细胞 ,由于遗
传物质的缺失不能进入下一个分裂周期 ,细胞停止
分裂 ,由此导致分裂指数下降 ,幼苗生长抑制 。
本文结果 ,SO2 衍生物抑制蚕豆幼苗生长 ,延滞
细胞周期 ,降低细胞分裂指数 ,与大蒜根尖的实验结
果相似[ 1 , 2] ,与人外周血淋巴细胞的实验结论相一
致[ 8] 。研究结果表明:SO2 衍生物对细胞分裂的抑
制效应在植物中具有一定的普遍性 ,外来物对植物
细胞周期的影响一定程度上代表了其对动物细胞的
影响 。
以植物根尖细胞作实验材料 ,采用压片技术制
备细胞标本 ,细胞分裂过程中各阶段的细胞能够在
显微镜下直接观察 ,易于统计分裂指数 ,计算各阶段
细胞比率 ,分析外来物对细胞周期的影响 ,与动物细
胞相比实验更简便 ,是一种经济 、快速的检测方法 。
参　考　文　献
1.仪慧兰 ,孟紫强.SO2 衍生物对大蒜根尖细胞遗传损伤作
用的研究.环境科学学报 , 2001 , 21(4):486 ～ 490
2.仪慧兰 ,孟紫强.SO2 衍生物对大蒜幼苗生长和细胞分裂
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3093期　　　　　　　　　　　　　仪慧兰等:二氧化硫衍生物对蚕豆幼苗生长和细胞周期的影响