全 文 ：第24 卷　第 4期　　　　　　　　　　　　　植　　　物　　　研　　　究 2004 年　10月
Vol.24　No.4　　　　　　　　　　　　BULLETIN OF BOTANICAL RESEARCH Oct., 　2004
基金项目:国家自然科学基金(No.30370083)和教育部科学技术研究重点项目(No.01043)
第一作者简介:马广岳(1965—),男 ,硕士研究生,主要从事重金属对水生植物毒害影响的研究工作。
收稿日期:2003-11-17
铈对紫萍抗铜能力的影响
马广岳　施国新　王　学
(南京师范大学生命科学学院 , 南京　210097)
摘　要　铈能减缓铜胁迫导致的紫萍(Spirodela polyrhiza L.)叶片膜透性的增加 、可溶性蛋白含量和
叶绿素 a/b值的下降以及超氧阴离子(O2—·)、丙二醛(MDA)的积累。与同浓度的单一铜处理相比 ,加
入20 mg/L 的铈后 ,超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)的活性和类胡萝卜
素(Car)、抗坏血酸(AsA)含量不同程度的增强或增多 ,暗示铈可能通过提高紫萍活性氧清除能力以
增强对铜的抗性和耐性 。
关键词　铜;铈;紫萍;抗性
Effects of Cerous on the Cu-resistance of Spirodela polyrhiza
MA Guang-Yue　SHI Guo-Xin　WANG Xue
(College of Life Science , Nanjing Normal University ,Nanjing　210097)
Abstract　Cerous relieved the increase of membrance penetrability (MP), the decrease of soluble protein con-
tent and chlorophyll a/b value , the accumulation of O2—· andMDA in Spirodela polyrhiza L.leaves under stress
of Cu2+.Compared with those of single Cu2+ treatment , 20 mg/L Ce improved the activities of superoxide dis-
mutase(SOD), catlase(CAT)and peroxidase(POD), the content of Car and AsA to a certain extent.The re-
sults implied that Ce could enhance the abilities of reactive oxygen species(ROS)scavenging system in the
plant , therefore increase the resistance and tolerance to Cu stress.
Key words　Cu;Ce;Spirodela polyrhiza L.;resistance
铜是植物必需的一种微量元素 ,但如果过量吸
收 ,则会产生毒害效应。多年来农业生产中含铜杀
菌剂的频繁使用以及工矿企业“三废”排放量的增
加 ,植物铜中毒及其对环境的污染愈来愈严重 ,已引
起社会各界的广泛关注。铈是重要的稀土元素 ,虽
然铈对作物的生理作用及其所具有的抗逆性已有研
究[ 1 ,2] ,但其对水生植物重金属抗性的影响尚未见报
道。本文初步探讨了铈对紫萍铜抗性的增强作用 ,
以期为重金属污染防治提供一定的理论依据。
1　材料和方法
1.1　材料
紫萍(Spirode polyrhiza L.)属浮萍科 ,浮水小草
本 ,采自南京师范大学生命科学学院水生植物培育
池。
1.2　实验方法
紫萍于 6月中旬(温度 20℃～ 28℃)采集后置于
大玻璃缸中 ,用自来水预培养 2 d ,然后选取长势一
致的植株移至容积为 2 L 且加有Cu(SO4)2·5H2O(浓
度梯度为 1 、2 、4 、8 mg/L)及其与Ce(NO3)3的复合处
理(即以上各梯度都加入 20 mg/L的 Ce3+)的玻璃缸
中。各种处理均以去离子水配制 ,金属离子的浓度
均以纯Cu或纯 Ce 计 ,另取一定量的植株置于去离
子水中培养以作对照。所有材料均置于 Forma—
3744型全封闭光照培养箱中 ,空气温度 25℃/15℃,
光照周期 12 h/12 h ,光照度70 molphotons M-2S-1 ,处
理2 d后取叶片测定有关生理生化指标。
1.3　生理生化指标的测定
叶绿素及类胡萝卜素(Car)含量采用沈伟其[ 3]
的方法。可溶性蛋白含量用考马斯亮蓝G —250
法[ 4] ,以BSA作标准蛋白。过氧化氢酶(CAT)活性
用氧电极法[4] 。过氧化物酶(POD)活性用愈创木酚
比色法[ 5] 。超氧阴离子(O2—·)产生速率的测定参照
王爱国 、罗广华方法[ 6] 。丙二醛(MDA)含量按 Heath
等[ 7]的硫代巴比妥酸(TBA)比色法。质膜透性的测
定采用谢田 、徐中际的紫外吸收法[ 8] 。超氧化物歧
化酶(SOD)活性和抗坏血酸(AsA)含量根据南京建
成生物工程公司生产的相关测试盒的顺序进行测
定。实验设 3次重复 ,取其平均值 ,用统计分析软件
SPSS对数据进行相关性及差异显著性分析。
2　实验结果及分析
2.1　铈对铜胁迫下的紫萍膜透性(MP)的影响
细胞膜与植物的抗性关系密切。随着铜浓度的
加大 ,紫萍叶片质膜透性先升后降(图1),2 mg/L Cu
处理时的MP比对照增加 3.90倍 ,而复合处理的则
呈逐渐增加趋势(r=0.961 2＊＊),2 mg/L Cu处理的
MP仅增加 1.37倍 ,经统计分析 , t =4.31 , P <0.
05
＊ ,两种处理差异显著。
2.2　铈对铜胁迫下的紫萍可溶性蛋白含量和叶绿
素 a/b值的影响
由图2可以看出 ,可溶性蛋白受 Cu影响较大 ,
图 1　铈对铜胁迫下的紫萍膜透性的影响
Fig.1　Effects of Cerous on MP in
Spirdela polyrhiza L.leaves under stress of Cu2+
图 2　铈对铜胁迫下的紫萍可溶性蛋白含量的影响
Fig.2　Effects of Cerous on soluble protein content in
Spirdela polyrhiza L.leaves under stress of Cu2+
图 3　铈对铜胁迫下的紫萍叶绿素 a/ b 值的影响
Fig.3　Effects of Cerous on chlorophyll a/ b value in
Spirdela polyrhiza L.leaves under stress of Cu2+
其含量随 Cu 浓度的加大急剧下降 ,8 mg/L时仅为
对照 7.76%,而复合处理(r=-0.988 7＊＊)8 mg/L
时则达对照的31.86%。复合处理与单一 Cu处理差
异极显著(t=7.18 , P<0.01＊＊)。
叶绿素 a/b值随 Cu浓度的增加逐渐降低(r=
-0.985 2＊＊)(图 3),8 mg/L时含量仅为对照的 41.
75%,而复合处理同浓度则达对照的 58.21%,两种
处理差异达极显著水平(t =7.423 , P<0.01＊＊)。
2.3　铈对铜胁迫下的紫萍超氧阴离子产生速率和
丙二醛含量的影响
如图4所示 ,随Cu浓度的逐渐增加 , O2—·产生速
率逐渐加大 , 8 mg/L 时达对照的 7.25倍。施加
图 4　铈对铜胁迫下的紫萍 O2—·产生速率的影响
Fig.4　Effects of Cerous on O2—· generatiom rate in
Spirdela polyrhiza L.leaves under stress of Cu2+
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图 5　铈对铜胁迫下的紫萍丙二醛含量的影响
Fig.5　Effects of Cerous on MDA content in
Spirdela polyrhiza L.leaves under stress of Cu2+
20mg/L Ce 后 ,虽然O2—·产生速率变化趋势与单一
Cu处理相似(r =0.960 6＊＊),但上升幅度明显减
小 ,8 mg/L 时仅为对照的 3.49倍 ,两种处理差异显
著(t =3.593 , P<0.05＊)。
MDA是反映膜脂过氧化程度的重要指标。由
图5可见 ,紫萍叶MDA含量也随 Cu浓度的加大而
增加(r=0.898 8＊),2 mg/L时为对照的 1.45倍 ,复
合处理则仅为 1.13倍。从2 mg/L开始 ,两处理组
MDA含量都呈逐渐下降趋势 ,这可能是大量 MDA
与蛋白质发生交联而使测定结果偏低所致 ,即使如
此 ,8 mg/L 加Ce 组MDA 含量仍比单一 Cu处理低 ,
统计分析结果表明两种处理差异显著(t=3.46 , P <
0.05＊)。
图 7　铈对铜胁迫下的紫萍CAT 活性的影响
Fig.7　Effects of Cerous on CAT activity in
Spirdela polyrhiza L.leaves under stress of Cu2+
图 9　铈对铜胁迫下的紫萍类胡萝卜素含量的影响
Fig.9　Effects of Cerous on Car content in
Spirdela polyrhiza L.leaves under stress of Cu2+
图 6　铈对铜胁迫下的紫萍 SOD活性的影响
Fig.6　Effects of Cerous on SOD activity in
Spirdela polyrhiza L.leaves under stress of Cu2+
2.4　铈对铜胁迫下紫萍抗氧化酶活性的影响
SOD、POD 、CAT 是植物体内清除活性氧的重要
保护酶。如图 6所示 ,Cu 胁迫下 , 8 mg/L时的 SOD
活性比对照下降了 46.3%(r=-0.992 0＊＊),相应
复合处理仅下降了 22.1%(r=-0.904 2＊),基本上
保持了平衡。Cu 胁迫下 , CAT 活性呈先升后降趋
势 ,20mg/L Ce的加入提高了CAT 活性 ,统计分析结
果为 t =3.786 , P <0.05＊ ,两种处理差异达显著水
平(图7)。随 Cu浓度的逐渐加大 ,POD活性急剧下
降 ,与处理浓度呈显著负相关(r=-0.945 4＊), 加
Ce 后 , POD 活性虽也呈逐渐 下降趋势(r =
-0.964 2＊＊),但明显高于对应的单一 Cu 处理组 ,
两种处理差异显著(t =3.516 ,P<0.05＊)(图 8)。
图 8　铈对铜胁迫下的紫萍 POD活性的影响
Fig.8　Effects of Cerous on POD activity in
Spirdela polyrhiza L.leaves under stress of Cu2+
图 10　铈对铜胁迫下的紫萍抗坏血酸含量的影响
Fig.10　Effects of Cerous on AsA content in
Spirdela polyrhiza L.leaves under stress of Cu2+
4454期　　　　　　　　　　　　　　　　　马广岳等:铈对紫萍抗铜能力的影响
2.5　铈对铜胁迫下的紫萍类胡萝卜素和抗坏血酸
含量的影响
随Cu浓度的增加 ,类胡萝卜素含量逐渐下降
(r=-0.921 3)(图 9), 8 mg/L 时下降为对照的
67.9%。而 加 Ce 组 呈 先升 后降 趋势 (r =
-0.989 6＊＊),8 mg/L时仍为对照的 87.2%,两种
处理差异极显著(t =10.17 , P<0.01＊＊)。
随Cu浓度的增加 ,AsA含量急剧下降 , 8 mg/L
时AsA仅为对照的 2.75%,而加 Ce组 AsA含量呈
先升后降趋势 , 8mg/L时AsA高达对照的 1.38倍 ,
两种处理差异极显著(t =11.67 , P <0.01＊＊),由
此推测 AsA 在清除活性氧方面可能起重要作用
(图 10)。
3　讨 论
本实验表明 ,由于Cu胁迫对紫萍 SOD 、POD的
活性有明显抑制作用 ,造成三种抗氧化酶活性比例
失衡(图 6 ～ 8),同时又降低了抗氧化剂类胡萝卜
素 、抗坏血酸含量(图 9 , 10),活性氧清除能力下
降 ,细胞内自由基含量随之增加(图 4)。由于 O2—·
可通过 Feton—Wess 反应生成破坏力更强的·OH ,
而·OH 又可直接启动膜脂过氧化反应 ,造成 MDA
大量增加(图 5),MDA的不断积累反过来又可抑制
保护酶的活性 ,加剧膜结构的破坏。由此看来 ,活
性氧清除能力可能决定着膜系统的受损程度。20
mg/L Ce的加入提高了抗氧化酶的活性和抗氧化
剂的含量 ,即增强了细胞清除活性氧的能力 ,因而
提高了紫萍的 Cu抗性 。
另外 ,具有两个价态的Ce 还具有清除O2—·的功
能[ 9] :Ce4++ O2—· +2H+※Ce3++H2O2 , Ce3++
O2
—· ※Ce4++O2 ,因而加入 Ce3+后 ,可明显降低超
氧自由基产生速率 ,因此降低了·OH水平 ,O2—· 、·OH
下降又可使呼吸链复合体 Ⅱ、Ⅳ活性上升并使二者
之间活性下降率变小[ 2] ,这样 ,呼吸链电子传递通
畅 ,电子漏出减少而呈良性循环。
稀土元素还具有似 Ca 的作用 ,施用稀土元素
后 ,Ce可占据膜上 Ca 的吸收位置或替代蛋白中 Ca
的结合[ 10]而扮演 Ca 的“角色” ,从而补充了因 Cu
毒害而导致的膜中 Ca的流失 ,从而提高了膜系统
的稳定性 。
还值得一提的是 Cu大部分以离子形式络合到
细胞壁物质如木质素 、纤维素上[ 11] ,而POD活性升
高有助于木质素和木栓质的合成[ 12] 。施加 20 mg/
L Ce后 ,POD活性较单一 Cu 处理有不同程度的提
高 ,这与严重玲[ 13]等的研究结果明显不一致 ,我们
认为可能与植物材料及胁迫因子不同有关 ,并推测
POD活性的相对提高可能既有利于清除大量的活
性氧 ,也有利于在H2O2的参与下 ,起到催化木质素
前体(香豆酸等)的交联 、聚合反应的作用[ 14] ,从而
提高了组织木质化程度 ,进而通过细胞壁的金属沉
淀作用 ,避免了过量的 Cu 进入原生质体影响细胞
代谢 ,使植物对Cu表现出一定的耐性 ,这也可能是
铈提高紫萍抗 Cu能力的重要机制之一。
参　考　文　献
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