全 文 ：园 艺 学 报 2008，35(9)：1291—1296
Aeta Horticulturae Sinica
镉对花椰菜光合作用的影响及其在亚细胞中的分布
汤惠华 ，杨 涛 ，胡宏友 ，汤朝凤 ，卢昌义
( 厦门大学环境科学研究中心，福建厦门 361000； 厦门市农产品质量安全检验测试中心，福建厦门361000)
摘 要：研究cd在花椰菜的残留分布及其对光合作用的影响，设置0、5、15、30 mg·L 4个 cd浓
度的水培试验，测定生长期间叶片的叶绿素含量，光合作用参数，cd的亚细胞分布，化学形态分布和器官
(根、茎 、叶、花球)分布。结果表明，cd处理两周后，叶片叶绿素 a和 b含量明显比对照降低，气孔导
度 、净光合速率和蒸腾速率亦显著降低，胞间 CO，浓度变化不大。不同浓度 cd处理的叶片中 cd在亚细胞
中的分布主要以细胞质组分为主 (70．19％ ～74．40％)，其次为细胞壁组分 (22．56％ ～27．12％)，叶绿体
和线粒体组分仅占0．90％ ～2．49％。叶片中cd的化学形态分布比率大小顺序为氯化钠提取态 >去离子水
提取态 >醋酸提取态 >乙醇提取态 >盐酸提取态 >残渣态。在不同器官分布上，cd 5 mg·L 处理下，花
球 cd累积最少 (14．50 mg·kg )，其次是茎叶 (78．30～87．30 mg·kg )，而根的累积达857．90 mg·
kg-。。
关键词：花椰菜；叶绿素；光合作用；镉残留分布
中图分类号：S 635．3 文献标识码：A 文章编号 ：0513．353X (2008)09一l29l-06
Efects of Cadmium and Its Subcellular Distribution on the Photosynthesis of
Cauliflower
TANG Hui-hua ，YANG Tao ，HU Hong．you ，TANG Chao．feng ，and LU Chang．yi
( Environmental Science Research Center，Xiamen University，Xiamen，Fujian 361000，China； Xiamen Agriculture Product
Quality and Safety Testing Center，Xiamen，Fufian 361000，China)
Abstract：The efects of cadmium (Cd)(5，15，30 mg·L )on chlorophyl levels and photosynthe-
sis of cauliflower(Brassica oleracea L．var．botrytis)were studied under different concentrations of Cd using
hydroponics system．Meanwhile，the differential centrifugation techniques and sequential extraction methods
were used to determine the subcellular distribution and chemica1 form of Cd in leaves．Cd contents in different
parts of plant were also measured after harvest．The results showed that，after different contents of Cd were
supplied for two weeks，except intercelular CO2 concentration(Ci)，the levels of chlorophyl a and b，net
photosynthesis rate(Pn)，stomatal conductance(Gs)and transpiration rate(Tr)al decreased signifcantly
compared with the contro1． For the leaves． Cd was mainly distributed in the fractions of cytoplasm
(70．19％ 一74．40％)and cell wal(22．56％ 一27．12％)．and less distributed in the fractions of mitochon—
drion and chloroplast(0．90％ 一2．49％)． I11e sequential extraction results of Cd in leaves indicated that
NaC1 extractable Cd was predominated(33％ 一39％)．and the distribution of six Cd forms in 1eaves was as
folowing：FN cl> FH
，
o> F}1Ac> FAI 。h。I> FHcl> FR ，d ． Most of Cd absorbed by plant was accumulated in
roots．1ittle of them was transported to the aboveground potions．The order of Cd accumulation in diferent
plant pans was：roots>stems，leaves>flowers．
Key words：cauliflower；chlorophyll；photosynthesis；Cd residues distribution
收稿13期：2008—05—23；修回13期：2008—07—08
基金项目：厦门市科技计划项目 (3502Z20071098)
$通讯作者 Author for correspondence(E-mail：lucy@Kmu．edu．cn)
致谢：本文承蒙庄伊美教授审阅，深表感谢。
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园 艺 学 报 35卷
近年来，随着农村城市化进程的加快，有些蔬菜产区施肥不合理，造成不同程度镉 (Cd)污染，
从而影响蔬菜食用安全 (汤惠华 等，2007)。
cd影响植物光合作用等多种生理过程，抑制生长发育 (Moya et a1．，1992)。环境中Cd毒性不
仅与其总量有关，还与植物的特性相关。有关叶菜类蔬菜 cd的污染累积及 cd对其光合作用的影响
已有研究，cd在植物中的亚细胞和形态分布也有人涉及 (廖斌 等，2004；李德明 等，2005)，但在
花椰菜上把它同光合作用联系起来的研究较少。
本研究中以花椰菜为材料，进行0、5、15、30 mg·L 4个 Cd浓度的水培试验，探讨 Cd在器
官和亚细胞水平的积累、分布特点及对光合作用的影响，为控制 Cd对花椰菜的污染及蔬菜食用安全
提供科学依据。
1 材料与方法
试验于2004年 10月在厦门市农业科学研究所进行。供试花椰菜 (Brasica oleracea L．var．botry一
)为 ‘夏花杂交4号 ’。
无土育苗 36 d时选择生长一致 的植株移植于 Hoagland全营养液水培系统中，6 d后添加
Cd(NO ) ·4H O，进行不同浓度Cd(0、5、15、30 mg·L )处理。每处理3个重复，每重复20
株，随机排列。营养液每周更换 1次，定期观察各处理的植株生长状况。
处理7 d和 14 d时测定叶片叶绿素；14 d后测定光合作用；随后分别进行 Cd的亚细胞分布和形
态分布分析。每项指标每次测定时采集植株顶叶下数第4片完整叶，每处理采集 l0株共 10片叶混匀
后测定。cd处理 60 d(蕾期)进行终期采样，收获花球，每处理采集 3株，按根、茎、叶、花球解
析，洗净、风干、磨碎过筛，供 cd含量测定。
处理组叶片光合作用参数采用美国产 LI-6400光合仪测定，叶绿素用丙酮法测定。
cd的亚细胞分布测定参照周卫等 (1999)方法略有改动：按料液比1：10的比例，取鲜样2 g，
以预冷的匀浆液 [250 mmol·L 蔗糖，50 mmol·L～Tris．HCL(pH 7．4)，1 mmol·L 二硫赤藓糖
醇 (C H。0 S!)]在4℃下研磨匀浆。匀浆液依次在600×g离心 10 min，1 000×g离心 15 min，
10 000×g离心20 min，依次得沉淀为细胞壁、叶绿体、线粒体组分；最后上清液为细胞质组分 (含
液泡及核糖和蛋白等)。各组分供 cd含量测定。
叶片中Cd的化学形态分析采用连续提取法 (廖斌 等，2004)。取鲜样 2 g，加 10 mL提取剂，
所用的提取剂依次为：80％乙醇、去离子水、1 mol·L 氯化钠、2％醋酸、0．6 mol·L 盐酸。每种
形态分2次提取，第 1次震荡提取22 h，5 000×g离一t2,，回收提取液，残渣再加入同样体积提取剂经
振荡提取 1 h再离心回收提取液，两次提取液合并，供 cd含量测定。
cd含量的测定采用4 mL HNO +2 mL H O 消解，原子吸收分光光度计法 (岛津 AA-6800火焰模
式；德国耶拿Vario-6石墨炉模式)测定 Cd含量。
试验结果采用 SPSS和 EXCEL2000进行数据统计分析。
2 结果与分析
2．1 镉对花椰菜叶绿素含量和光合作用的影响
Cd处理7 d后，低、中浓度 Cd(5、15 mg·L )处理没有显著影响叶绿素a和b含量 (表1)，
但高浓度 Cd(30 mg·L )处理时两者分别比对照降低 15．69％和 16．82％，叶绿素 a／b值仅在 Cd
15 mg·L 处理出现下降 (比对照减少 14．98％)。Cd处理 14 d后，3个处理的叶绿素 a和 b含量均
显著低于对照，叶绿素 a／b值各处理间均无差异。这表明，cd对植物叶绿素的毒害不仅与浓度有关，
还具有时间累积效应。
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注：括号内数据为处理占对照的％。同列数值后注有不同英文字母表示差异显著性达0．05水平。下同。
Note：Datum in bracket is rate (％ ) of treatments／contro1．Means in the same column with diferent leters are significantly diferent at level
of 0．05．The same below．
处理 14 d时，低 cd处理 (5 mg·L )未对净光合速率 (Pn)造成显著影响，但中、高 cd
(15、30 mg·L )呈显著抑制作用 (表2)。进一步对光合作用参数分析表明，低 Cd处理显著抑制
了气孔导度 (Gs)，从而影响到光合作用过程，但可能由于处理时间较短，并未影响净光合速率，
中、高 cd处理导致叶片气孑L导度和蒸腾速率 (rr)显著下降，其中，气孔导度分别降为对照的
65．53％和29．67％，而蒸腾速率降为对照的81．27％和51．47％；但 Cd各处理问胞问CO，浓度 (Ci)
未 见显著差异
表2 不同浓度 Cd对花椰菜光合作用参数的影响
Table 2 Efects of diferent concentrations of Cd on the photosynthetic parameters
2．2 镉在花椰菜叶片内的亚细胞分布
综合分析各处理组亚细胞 cd含量 (表3)表明，cd在亚细胞组分间呈不均匀分布，其中以细胞
质的分配率最高，占总量的70．19％ ～74．40％；其次为细胞壁；叶绿体和线粒体中cd含量较少，仅
占0．90％ ～2．49％。Cd处理浓度增加，叶片 cd总量和各亚细胞组分Cd含量显著增加，其中，和低
浓度相比，叶片cd总量增加了2．0倍，细胞质 Cd增加了2．2倍，叶绿体和细胞壁 cd分别增加了
1．6、1．7倍，线粒体 Cd仅增加 1．2倍。说明随着 cd处理浓度提高，呈现Cd向细胞质分配增加，而
向其余组分分配相对减少的趋势。
表3 不同浓度 Cd处理花椰菜叶片亚细胞 Cd含量及其分配率
Table 3 Contents and percent distributions of diferent concentrations of
Cd in subcelular fractions ofleaves ／ (mg·kg )
注 ：ND表示未检出。
Note：ND means no Cd was detected
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2．3 镉在花椰菜叶片内的化学形态分布
综合各处理组形态分析结果，花椰菜体内cd以氯化钠提取态为主，其次为水提取态，其它形态
的Cd含量相对较低。其比率顺序为：氯化钠提取态 (33．48％ ～38．80％) >水提取态 (20．24％ ～
25．36％) >醋酸提取态 (17．74％ ～23．76％) >酒精提取态 (9．60％ ～16．03％) >盐酸提取态
(2．68％ ～5．98％) >残渣态 (0．21％ ～0．25％)。残渣态比例很少，说明 Cd是活性较大的一种重金
属 (图 1)。
目酒精提取态F
cd浓度／(mg L‘)Concentrations ofCd
图1 不同浓度 Cd处理叶片内Cd的化学形态分布
Fig． 1 Cd contentsin diferent chemicalformsinleaves
随着Cd浓度提高，处理组间各种形态 Cd含量显著增加，但增加趋势有所不同。当Cd处理浓度
由5 mg·L 升至 l5 mg·L 时，活性较强的组分酒精、H 0和 NaC1提取态提高幅度较大，分别提
高了76．09％、104．45％、95．62％，残渣态Cd增加幅度也达80．99％，而醋酸和盐酸提取态 cd变化
不大。处理浓度进一步上升，H 0和 NaC1提取态 Cd升高不显著，醋酸和盐酸提取态 Cd则显著提
高，而酒精提取态 Cd则显著下降。表明浓度提高时，Cd多以果胶酸盐、蛋白质、水溶性有机酸盐形
式存在，这部分被区域化于细胞质中，便于规避毒害，而进入组织部分结合成难溶性物质的醋酸和盐
酸提取态增加较少，增加植物的抗性。
2．4 花椰菜不同器官的镉含量及其富集系数
花椰菜各器官 Cd含量及富集系数见表4。
随Cd处理浓度的提高，叶、花球、茎和根的Cd含量也显著增加，其相关系数r分别为0．969 ，
0．989 ，0．958 ，0．969 。不同器官间总体呈现根 cd含量最高，茎、叶其次，花球最低 (仅为根
的1．69％ ～2．37％)。根据富集系数分析，各器官对 Cd的富集能力为根 >叶 >茎 >花球，所不同的
是富集系数随着 Cd处理浓度提高基本上呈减小的趋势。由此可见，土壤环境中 Cd的含量是决定花
椰菜体内Cd累积的重要因子。
表4 不同浓度 Cd处理各器官 Cd含量及富集系数
Table 4 Cd contents in the organ and its accumulation coeficient under Cd treatment
注：富集系数为各器官 cd含量除以处理 cd浓度。
Note：Accumulation coefficient= The contents of Cd in each organ／Cd concentration of treatment．
∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞
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2．5 镉分布与光合作用参数的相关分析
尽管叶绿体中Cd含量在亚细胞中所占比例较少 (仅为0．9％ ～1．39％)且相对稳定，但与净光
合速率、气孑L导度、蒸腾速率呈显著负相关 (分别为 r=一0．958 、r=一0．990 、r=一0．980 )
(表5)，说明cd积累造成了对叶绿体的毒害。而净光合速率与线粒体中cd负相关不显著，这与线粒
体所承担的呼吸作用功能有关。但线粒体中Cd含量与气孔导度呈显著负相关，说明 Cd胁迫影响了
呼吸作用。有关研究表明，线粒体的毒害可引起 ATP代谢不正常，从而影响气孔开张的能量供应
(孙自玲 等，2005)。而叶片Cd的化学形态对光合作用影响程度不同，除盐酸提取态 Cd与气孔导
度、蒸腾速率和净光合速率呈显著或极显著负相关，醋酸提取态 cd与气孑L导度显著负相关外，其它
形态没有相关性，表明不同形态 cd对植物初生代谢影响存在差异。可见，植物可能通过体内 cd化
学形态变化来调控Cd转运，适应 Cd胁迫，提高对 Cd的抗性。
表5 Cd在亚细胞中的含量及其几种化学形态与光合作用参数间的相关性分析
Table 5 The correlations between Cd contents of subcellular and chemical form with the photosynthetic parameters
注： 和 分别表示显著相关和极显著相关。
Note： and } nlean data correlation between raw and column significantly at levels of 0．05 and 0．01
3 讨论
3．1 植物体内镉形态影响转运及抗性
cd在花椰菜各营养器官中的分布表明，cd主要累积在根部，茎叶居次，而在花序中累积量大大
减少，表明植物通过减少繁殖器官中 cd的累积而减少 cd对繁殖过程的影响，保证了群体遗传的稳
定性，这可能是植物对 Cd胁迫的一种生态适应。从 Cd化学形态分析，Cd之所以集中在根部，可能
是根中cd主要以 NaC1提取态和醋酸提取态存在 (江行玉 等，2003)。NaC1提取态主要是与果胶、
蛋白质结合的重金属，而醋酸提取态主要是难溶于水的重金属磷酸盐， Cd进入根的皮层细胞后和根
内蛋白质、多糖类、核糖类、核酸等合成络合物沉淀，影响了cd的转运。本研究表明，Cd经花椰菜
根吸收转运至叶后，主要 以难移动的 NaC1和醋酸提取态为主，二者之和 占总量达 51．22％ ～
65．6l％，这为解释花椰菜花序中Cd含量较少提供了证据。
3．2 镉胁迫对光合作用影响的亚细胞水平分析
相关分析表明，叶绿体 cd含量与叶片 cd含量呈显著正相关，说明根吸收的 cd转运至叶后，在
叶绿体累积产生毒害而直接影响到光合作用，这种毒害与接触 Cd的时间、浓度和不同器官对 cd毒
害的灵敏程度有关，如 Cd处理7 d时，5 mg·L 处理的叶绿素含量不受影响，但30 mg·L 处理时
即受影响，而 14 d时所有处理浓度的叶绿素含量、气孔导度和蒸腾速率和净光合速率急剧降低。可
见，从亚细胞水平分析，cd污染导致光合作用降低，直接原因是cd对叶绿体的伤害造成的，多种植
物均有这种现象 (Kumara et a1．，1999；Pankovic et a1．，2000)。从毒害机理分析，Cd对叶绿体的毒
害主要表现在 Cd造成叶绿体密度降低、基粒片层排列紊乱、嗜锇粒增多 (周卫 等，1999)。线粒体
中Cd积累影响了气孔开张的能量供应，对光合作用产生间接影响。植物对 cd毒害有一定的适应机
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制，可能通过调整 cd在亚细胞组分中的分配实现。细胞质中 cd含量占绝对优势，而叶绿体和线粒
体中cd含量最低，cd处理浓度增加，cd在细胞质中增加幅度大于细胞壁。本研究与李德明等
(2005)的结果一致。
3．3 植物体内镉积累特点与蔬菜的无公害生产
据表4结果，Cd在花椰菜可食部分花球中的累积量远远低于非可食部分，根中Cd浓度是花球的
42．18～59．17倍 ，是茎 、叶的 3．61～6．20和 4．22
花球的蔬菜污染风险要比可食部分为茎、叶的小，
～ 6．83倍，因此，在相同污染环境下，可食部分为
如同为芸薹属的花椰菜的风险可能要比甘蓝小。当
土壤中可溶性 Cd含量达5 mg·L 时，花椰菜花球 Cd含量已超过国家食品中污染物限量标准0．05
mg·kg～，不适合种植花椰菜。从食品安全考虑，在低 Cd污染土壤上，种植叶菜比种植花椰菜的cd
污染风险大，因此，选择合适的蔬菜种类很有必要。此外，蔬菜的茎叶尤其根等残体应在当季生产后
尽量清出农田集中处理，以达到逐步降低土壤的Cd污染，为无公害蔬菜生产创造更好的环境。
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