全 文 ：第 23 卷　第 3 期　　　　　　　　　　　　　植　　　物　　　研　　　究 2003年　7 月
Vol.23　No.3　　　　　　　　　　　BULLETIN OF BOTANICAL RESEARCH July , 　2003
SO2衍生物诱发蚕豆根尖细胞微核和后期异常的研究
仪慧兰 李新锋 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———亚硫酸钠和亚硫酸氢钠混合液(3:1 mmol·L-1/mmol·L-1)诱
发蚕豆根尖细胞微核和后期异常的效应 。结果表明:SO2衍生物处理可诱发蚕豆根尖间期细胞微
核和核芽 ,使分裂后期出现多种染色体异常 ,如断片 、桥以及滞后染色体等 。异常细胞中以微核细
胞和染色体断裂细胞居多。在一定浓度范围内 ,细胞异常率与处理液浓度之间表现正的线性相
关。这些研究结果表明 ,蚕豆根尖间期微核和后期染色体异常有可能用作检测 SO2污染的生物剂
量计 。
关键词　SO2衍生物;蚕豆;微核;后期异常;生物剂量计
MICRONUCLEUS AND ANAPHASE ABERRATIONS IN VICIA FABA
ROOT TIPS INDUCED BY THE DERIVATIVESOF SULFUR DIOXIDE
YI Hui-Lan　LI Xin-Feng　MENG Zi-Qiang＊＊
(Institute of Environmental Medicine and Toxicology , School of Life Science and Technology ,
Shanxi University , Taiyuan 　030006)
Abstract　The micronucleus and anaphase aberrations in Vicia faba root tips induced by a mixture of
sodium sulfite and sodium bisulf ite 3:1 , a solut ion form of sulfur dioxide , were investigated.The re-
sults showed that sodium bisulf ite solution caused micronucleus and nuclear buds in interphase cells
and also anaphase aberrations such as chromosomal segment , bridge and lagging in division cells.The
abnormal cells w ith micronuclei or chromosomal breakage were the most of all aberrant cells in the
Vicia root tips af ter exposure to bisulfi te.The frequencies of cells w ith various aberrations had posi-
tive response to the t reated concentrations.These results indicate that SO2 can induce cytogenetic
damage in plant cells and both frequencies of Vicia micronucleus and anaphase aberrations could be
used as the biological dosimeters to monito r SO2 pollutant in the environment.
Key words　sulfur dioxide derivatives;Vicia faba ;micronucleus;anaphase aberrations;biological
dosimeter
　　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 。硫是
植物必需的元素 , 植物吸收硫以生成重要的化合
物 ,如辅酶A 、硫辛酸 、生物素 、蛋白质中的胱氨酸 、
半胱氨酸 、蛋氨酸等 。植物中的硫主要来源于根系
从土壤中吸收的硫酸盐 ,如 CuSO4 、MgSO4和 K2
基金项目:山西省自然科学基金和山西省教委环境科学重点学科基金资助(KD00-26)。第一作者简介:仪慧兰(1963—),女 ,副教授 ,主要从事环境毒理学方面的研究 。＊＊为通讯联系人。收稿日期:2002-09-21
SO4 ,也有部分来自空气中的硫 。低浓度 SO2促进
植物生长 ,特别是土壤中硫不足时 。但是大气中的
硫含量超过植物可以利用的量时 ,硫就会在植物中
积累 ,达到一定的水平后对植物产生毒害[ 1] 。SO2
对植物的危害 ,一方面是植物吸收 SO2 气体引起
的。植物吸收 SO2 后在细胞内经水合作用形成亚
硫酸根离子和亚硫酸氢根离子 ,而后氧化产生硫酸
根离子 。环境 SO2 浓度过高时 ,植物吸收过量的
SO2 ,导致细胞中SO2-3 和HSO—3 积累 ,进而对细胞
产生毒性作用 ,使细胞组成和遗传结构等发生变
化[ 2 ～ 5] ,光合作用减弱[ 6] 。另一方面 , SO2 污染形
成酸雨导致土壤和水系酸化 ,也会影响植物的生长
发育 。
蚕豆根尖微核实验是全球公认的环境致突变
性检测技术[ 7 ,8] ,根尖细胞微核与分裂后期异常是
环境污染监测中常用的两项指标 。本实验根据
SO2衍生物 Na2SO3和 NaHSO3在体液中性条件下
二者分子比为 3:1的实际情况[ 9 , 10] ,研究其对蚕豆
根尖细胞微核和细胞分裂后期染色体畸变的诱导
效应 ,探索应用蚕豆根尖细胞检测环境 SO2污染的
可能性。
1　材料和方法
1.1　材料
　　蚕豆(Vicia faba)“晋美特 208”为实验材料 。
1.2　实验方法
1.2.1　蚕豆培养 参照国标方法[ 8] ,蚕豆经浸
泡 、催芽后 , 放入垫有湿脱脂棉的培养皿中 ,于
23℃暗培养。
1.2.2　药物处理 选根长 1 ～ 1.5 cm 的蚕豆随机
分组 。阴性对照用蒸馏水。SO2衍生物采用 Na2
SO3-NaHSO3(3:1)混合液 , 处理浓度(以 Na2SO3
浓度计)分别为 0.17 , 0.67 , 3.30 , 10.00 , 15.00
mmol·L -1 。环磷酰胺用生理盐水配成5 μg/mL ,
作阳性对照。12 h 换一次处理液。23℃恒温培养
12 h 和 36 h时 ,分别从不同处理组中取 8粒蚕豆 ,
放入蒸馏水中恢复培养 24 h 。之后切取蚕豆根尖 ,
用甲醇:冰乙酸(V:V ,3:1)固定过夜 ,转入 70%的
乙醇中低温保存。
1.2.3　根尖细胞染色与制片 孚尔根(Feulgen)
法染色后 ,切取根尖分生区约 1 mm 长 ,加 1 滴蒸
馏水 ,常规压片 ,显微镜观察 。
1.3　实验数据的统计分析
实验数据经过反正弦变换 ,然后进行方差分析
和 Duncan多重比较 ,检测不同浓度处理组与阴性
对照组间的差异显著性 。
2　结果与讨论
2.1　SO2 衍生物诱发蚕豆根尖细胞间期异常
SO2衍生物处理后根尖细胞中发现多种异常 ,
包括核异常和染色体异常。在有丝分裂的各个时
期均能检到微核细胞 ,其中 80%以上为间期微核 。
多数细胞具有 1个微核 ,少数有 2个微核 ,个别细
胞有大小不等的 3 ～ 5个微核 。
蚕豆根尖细胞微核是环境毒性检测的一个有
效指标 , 可用于对水质 、土壤中多种有毒物的检
测[ 7 , 8] 。在 SO2衍生物处理后 ,蚕豆根尖中有些间
期细胞核向胞质凸出同颜色的芽状结构 , 呈园形 、
表 1　 SO 2衍生物处理 12 h 诱发蚕豆根尖细胞间期异常
Table 1　Abnormal cells at interphase in V.faba root tips induced by sulfur diox ide derivatives exposed fo r 12 h
浓 度
Concent rat ion
(mmol·L-1)
观察细胞数
Number of
scored cells
间期细胞数
Number of
interphase cells
核出 芽
Number of
nuclear buds
微 核
Number
of MCN
微 核率
Frequencies
of MCN(‰)
总异常率
Frequencies of
abnormal cells(‰)
0 4 504 3 512 3 8 1.78 2.44
0.17 5 364 4 808 76 136 25.35＊＊ 39.52＊＊
0.67 5 492 4 920 52 132 24.03＊＊ 33.50＊＊
3.30 4 360 3 894 38 128 29.36＊＊ 38.07＊＊
10.0 4 885 4 140 60 195 39.91＊＊ 52.20＊＊
15.0 5 307 4 521 42 156 29.40＊＊ 37.31＊＊
＊＊p < 0.01
3093 期　　　　　　　　　　　　仪慧兰等:SO2衍生物诱发蚕豆根尖细胞微核和后期异常的研究
长球形或枝桠状 ,作为核出芽 。根尖细胞镜检结果
(表1和表2)表明 ,SO2衍生物处理 12 h和 36 h能
够诱发蚕豆根尖细胞微核显著增加 ,处理组的核芽
明显多于对照组 。
实验还发现 , 在测试浓度范围内(0.17 ～ 15
mmol·L-1),处理 12 h 时 10 mmol·L-1组根尖微
核率最高(表 1),而在处理 36 h 时 , 0.17 mmol·
L-1处理组微核率最高 ,10 mmol·L-1和 15 mmol·
L-1组微核率较低(表 2)。结果表明 , SO2 衍生物
低浓度(0.17 mmol·L-1)处理组随着处理时间的
延长根尖细胞微核率增高 ,而高浓度(10 mmol·
L-1和 15 mmol·L-1)组在作用时间延长时根尖微
核率降低 ,与其它化学毒物的作用特性一致[ 11] 。
我们前期的研究表明 ,SO2 衍生物能够抑制蚕豆幼
苗生长 ,导致根尖中分裂细胞数目减少 ,分裂指数
降低 ,细胞周期延滞[ 3] ,是高浓度组根尖细胞微核
率降低的一个重要原因 。不同浓度 SO2 衍生物作
用12 h和36 h后根尖微核率和总异常率均显著增
高 ,表明蚕豆根尖微核实验可用于对环境 SO2 衍
生物的检测。
表 2　SO2衍生物处理 36 h 诱发蚕豆根尖细胞间期异常
Table 2　Abnormal cells at interphase in V.faba root tips induced by sulfur diox ide derivatives exposed fo r 36 h
浓度
Concent rat ion
(mmol·L-1)
观察细胞数
Number of
scored cells
间期细胞数
Number of
interphase cells
核出 芽
Number of
nuclear bud
微核
Number
of MCN
微 核率
Frequencies
of MCN(‰)
总异常率
Frequencies of
abnormal cells(‰)
0 6 001 4 888 2 50 8.33 11.66
0.17 4 224 3 594 36 150 35.51＊＊ 44.03＊＊
0.67 6 390 5 754 64 144 22.54＊＊ 34.74＊＊
3.30 5 202 4 582 44 154 29.60＊＊ 39.98＊＊
10.0 6 472 5 798 68 116 17.92＊＊ 36.46＊＊
15.0 4 878 4 170 44 96 19.68＊＊ 30.75＊
　　＊p < 0.05;＊＊, p < 0.01
2.2　SO2衍生物诱发蚕豆根尖细胞后期异常
SO2 衍生物处理组蚕豆根尖中 ,可以看到分裂
后期染色体断片 、桥 、滞后以及微核。作用 12 h
后 ,处理组根尖细胞后期异常明显多于对照组(表
3),后期细胞中异常细胞最高达 70%,占根尖细胞
的 25.59‰。1 种染色体异常可在细胞中单独发
生 ,或者一个细胞中 2 种以上的异常同时发生 ,多
种异常的并发率随处理浓度的增高而增大。SO2
衍生物处理组根尖间期细胞中可以看到大小不同
的几个微核 ,与细胞中同时出现多种染色体异常相
一致 。
表 3　SO2衍生物处理 12 h 诱发蚕豆根尖细胞后期异常
Table 3　Anaphase aberra tions in V.faba root tips induced by sulfur dioxide deriv atives exposed fo r 12 h
浓度
Concent rat ion
(mmol·L-1)
观察细胞数
Number of
scored cells
断裂
Number
of break
桥
Number
of bridge
滞后
Number of
laggards
微核
Number
of MCN
后期异常率
Frequencies
of abnormal1(‰)
异常 率
Frequencies
of abnormal2(‰)
0 4 504 0 0 1 0 10.00 0.44
0.17 4 023 7 1 2 1 35.29＊＊ 4.47＊＊
0.67 4 119 7 1 4 1 43.75＊＊ 6.55＊＊
3.30 4 360 10 1 1 2 38.90＊＊ 4.13＊＊
10.0 3 908 24 12 9 20 70.73＊＊ 25.59＊＊
15.0 3 538 2 2 4 4 31.00＊＊ 5.56＊＊
　　后期异常率:后期异常细胞占后期细胞的比率;异常率:异常后期细胞占观察细胞的比率
310 　　　　　　植　　物　　研　　究　　　　　　　　　　　　　　　　　　23 卷
SO2 衍生物处理组后期细胞中的异常率以及
后期异常细胞占观察细胞的比率均明显高于对照
组。在一定浓度范围内(0 ～ 10.0 mmol·L-1),后
期异常细胞数表现对处理浓度的依赖性 ,浓度增大
时后期异常细胞比率相应增高 ,说明后期异常细胞
的比率可以作为环境监测的观察指标。最高浓度
组(15 mmol·L-1)并未出现最高畸变率 ,与微核率
的变化趋势相同 ,其原因在于高浓度处理导致部分
细胞分裂停滞 ,甚至细胞死亡所致 。
表 4　 SO2衍生物处理 36 h 蚕豆根尖细胞分裂后期异常
Table 4　Anaphase aberrations in V.faba root cells induced by sulfur diox ide deriv atives exposed fo r 36 h
浓度
Concent rat ion
(mmol·L-1)
后期细胞数
Number of
anaphase cells
微核
Number
of MCN
断裂
Number
of break
桥
Number
of bridge
滞后
Number of
laggards
0 242 1 44 13 8
0.17 251 4 71＊＊ 16 7
0.67 435 5 128＊＊ 18 14
3.30 436 5 101＊ 28 10
10.0 586 3 178＊＊ 21 9
15.0 673 3 208＊＊ 25 5
　　＊＊p < 0.01
实验结果表明 ,后期异常细胞中主要是染色体
断片(表 3和表 4),且随着作用时间的延长 ,具有
染色体断片的细胞所占比例增大 ,说明:(1)SO2衍
生物对细胞的遗传损伤以染色体断裂为主;(2)这
种断裂作用具有时间累计性 ,作用时间延长时 ,断
裂效应增强。
蚕豆幼苗生长实验结果表明[ 3] :SO2衍生物作
用 24 h时处理组蚕豆幼苗根长和芽长与对照组无
明显差异 ,48 h 时处理组根生长抑制 , 168 h时芽
生长抑制。与本文结果比较 ,可以看出:SO2衍生
物对蚕豆幼苗的生长毒性出现较晚 ,而遗传损伤发
生较早 ,因此 ,蚕豆根尖细胞微核和后期异常可以
作为观测指标 ,用于对环境 SO2污染的早期监测 ,
以便采取相应措施预防和减少 SO2污染对植物的
危害 。
参　考　文　献
1.谭常.植物对 SO2的反应和抗性的研究.环境科学学报 ,
1981 , 1(3):25～ 27.
2.仪慧兰 , 孟紫强.SO2衍生物对大蒜根尖遗传损伤作用
的研究.环境科学学报 , 2001 , 21(4):468～ 490
3.仪慧兰 , 司良燕 , 孟紫强.SO2衍生物对蚕豆幼苗生长
和细胞周期的影响.植物研究 , 2002 , 22(3):305 ～ 309
4.钱永常 , 余叔文.二氧化硫对作物游离氨基酸浓度的作
用.环境科学学报 , 1992 , 12(3):325～ 332
5.陈小勇 , 宋永昌.用 SOD活性作为检测环境 SO2污染指
标的可行性研究.植物生态学报 , 1995 , 19(1):23～ 28
6.Wang H W , Shen Y G.How bisulfite enhances pho tosyn-
thesis.J P lant Physiol Mol Bio , 2002 , 28(4):247 ～ 252
7.Grant W F.Higher plant assays for the detection of chro-
mosomal aberrations and gene mutations— a brief historical
backg round on their use for screening and monitoring envi-
ronmental chemicals.Mutat Res , 1999 , 426:107 ～ 112
8.金波 , 陈光荣.遗传毒理与环境检测.武汉:华中师范
大学出版社 , 1998.276～ 278
9.Hayatsu H , Wataya Y , Kai K , et al.Reaction of sodium
bisulfite w ith uracil , cy tosine and their deriv atives.
Biochem , 1970 , 9:2858 ～ 2865.
10.Shapiro R.Genetic effects o f bisulfite(sulfur dioxide).
Mutat Res , 1977 , 39:149 ～ 176
11.段昌群 , 王焕校.重金属对蚕豆的细胞遗传学毒性作
用和对蚕豆根尖微核技术的探讨.植物学报 , 1995 , 37
(1):14 ～ 24
3113 期　　　　　　　　　　　　仪慧兰等:SO2衍生物诱发蚕豆根尖细胞微核和后期异常的研究