全 文 ：武汉植物学研究 2002, 20( 6) : 417～420
Journal of Wuhan Botanical Research
镉胁迫下小麦根尖分生细胞中 Ca2+分布的变化

何宇清　王炳锐　王建波


(武汉大学植物发育生物学教育部重点实验室, 武汉　430072)
摘　要: 运用透射电镜细胞化学方法对镉胁迫下小麦根尖分生细胞中 Ca2+ 分布的变化进行了观察。在正常生长条
件下, Ca 2+ 广泛分布于细胞质、细胞核、细胞间隙中,特别是液泡中有大量的 Ca 2+ ;在镉胁迫条件下, 细胞质基质内
Ca2+ 减少, 而细胞核、质膜与细胞壁之间、细胞壁中 Ca 2+ 明显增多, 细胞液泡化,液泡中仍有较多 Ca2+。结果表明,
Cd2+ 引起细胞中原有 Ca2+分布发生明显变化, 这很可能引起细胞生理功能紊乱, 进而影响植物的生长。
关键词: 小麦; 根尖分生细胞; 镉胁迫; Ca2+分布
中图分类号: Q942; Q945　　　　　文献标识码: A　　　　　文章编号: 1000-470X ( 2002) 06-0417-04
Changes of Ca
2+
Distribution in Root Apical Meristematic
Cells of Wheat under Cadmium Stress
HE Yu-Qing, WANG Bing-Rui, WANG Jian-Bo
( K ey Laboratory of MOE f or P lant Deve lop mental Biology, Wuhan Univ ersit y, Wuhan　430072, C hina)
Abstract: Changes of Ca
2+
dist ribut ion in ro ot apical meristematic cel ls of w heat under cadmium
stress w er e observ ed w ith elect ron micr oscopic-cy to chem ical method. When the r oots g rew in
non-cadmium env ir onment , it w as show n that the calcium ant imonates distr ibuted in cytoplasm ,
nucleus and intercellular spaces, especially in the vacuoles o f cy toplasm. When the roots grew in
cadmium stressed env ir onment , the amount of calcium ant imonates in cy toplasm decreased, w hile
the amount of calcium ant imonates in the nucleus, betw een plasma membrane and cell w all , and in
cell w all incr eased. M oreover, the cells v acuo lizated, and there w ere some calcium ant imonates in
vacuoles. These results indicated that cadm ium could distur b cellular metabo lism by disrupt ing
Ca
2+
homeostasis and af fect the grow th o f roots.
Key words : Wheat ; Root apical meristemat ic cell; Cadmium stress; Ca
2+
dist ribut ion
　　随着工农业生产的发展,三废的排放, 矿产的开
发和利用,农药和除草剂的使用,镉污染问题日益严
重[ 1]。镉在植物体内积累不仅会阻碍植物生长, 而且
会通过食物链危及人体健康。镉是植物非必需元素,
镉进入植物并积累到一定程度, 就会表现出毒害症
状,如植株矮小、生长迟缓、退绿、产量下降等[ 2]。镉
能改变细胞膜透性,降低光合速率,抑制呼吸作用,
破坏细胞核和核仁的结构, 引起 DNA 合成和染色
体复制受阻,从而影响植物的生长发育[ 1, 3]。
钙是植物生长发育的必需元素, 也是细胞信号
传递的第二信使。一些研究认为,镉的毒害在于干扰
了植物钙代谢[ 2]。Andersson 和Nilsson 认为钙可以
与镉竞争植物根系上的吸收位点[ 4]。有实验表明, 施
用外源钙能明显缓解镉对玉米、白菜的毒害作用[ 2]。
Prasad 报道, 镉诱导玉米、水稻合成一种称为热激
蛋白同源物( heat-shock pro tein cognate)的磷蛋白,




通讯作者。
收稿日期: 2002-05-08,修回日期: 2002-07-17。
基金项目:湖北省自然科学基金和武汉大学植物发育生物学教育部重点实验室开放课题资助。
　作者简介:何宇清( 1974- ) ,女,硕士,现从事植物逆境细胞生物学研究。
可以限制和修复环境胁迫引起的蛋白质损伤;镉诱
导的蛋白质磷酸化的改变可能是植物对镉和其它胁
迫反应进行转录调节的信号转导机制[ 5]。Behra 指
出,镉能通过激活钙调素诱导蛋白质磷酸化 [ 6]。细胞
学研究对于认识 Cd2+ -Ca2+ 相互作用至关重要, 目
前,这方面的研究主要集中于镉对细胞超微结构的
影响及镉在细胞超微结构中的分布 [ 7] , 关于镉胁迫
下钙在细胞超微结构中的分布却了解不多。因此,笔
者用焦锑酸钾沉淀法, 对镉胁迫下小麦根尖细胞中
Ca
2+的分布进行了观察,以期为揭示镉对植物的毒
害机理和植物对镉的耐性机制提供证据。
1　材料和方法
1. 1　材料的培育及处理
实验所用材料为普通小麦( Tr iticum aestivum)
白皮 224品种。将种子于 70%乙醇中消毒10 m in,
蒸馏水洗涤 3次后, 浸种 1 h, 然后将其放于培养皿
内用蒸馏水浸湿的滤纸上。幼苗萌发 3 d后,实验组
于新换的蒸 馏水中加入 CdCl2, 处 理浓度为
50
mol/ L , 处理时间分别为 8 h、16 h、24 h、32 h,
对照组不加 CdCl2。
1. 2　Ca2+的细胞化学方法
参照王红等的方法[ 8] ,采用焦锑酸钾沉淀法对
根尖分生组织进行 Ca2+细胞化学定位,经丙酮系列
脱水, Spurr 树脂渗透、包埋, LKB8800型超薄切片
机切片, 切片经醋酸双氧铀染色或不染色, 用
JEM 100CX/Ⅱ型透射电镜观察,该方法可显示细胞
中的疏松结合态钙。对照切片用 pH8. 0, 0. 1 mol / L
的 EGTA 37℃孵育 2 h,再观察、拍照。
2　实验结果
2. 1　正常生长条件下根尖分生细胞中Ca2+ 的分布
经焦锑酸钾反应后,疏松结合态 Ca2+ 形成焦锑
酸钙沉淀,在透射电镜下呈电子不透明的黑色颗粒。
观察结果表明,正常生长条件下小麦根尖分生细胞
中分布有丰富的 Ca2+ 沉淀颗粒, 主要在细胞核、细
胞质中。细胞核中, 核基质内 Ca2+沉淀颗粒较多,核
仁及染色质中的 Ca2+ 沉淀颗粒较少(图版Ⅰ: 1) ;细
胞质中,除基质内均匀分布 Ca2+ 沉淀颗粒外(图版
Ⅰ: 1) , 小液泡中 Ca2+ 沉淀颗粒的浓度很高,聚集成
块, 电子密度大(图版Ⅰ: 2) , 前质体中也有零星的
Ca2+ 沉淀颗粒出现(图版Ⅰ: 3) ;细胞壁中未观察到
Ca
2+沉淀颗粒; 细胞间隙可以观察到 Ca2+ 沉淀颗粒
(图版Ⅰ: 3)。以上现象, 与前人的观察结果一致[ 9]。
切片经过 Ca2+ 专一性螯合剂 EGT A 处理后, 在原
来沉淀颗粒出现的部位形成透明空洞(图版Ⅰ: 4) ,
表明这些颗粒是 Ca2+ 沉淀颗粒。
2. 2　Cd2+ 胁迫下根尖分生细胞中 Ca2+分布的变化
经过 50
mol/ L 的镉胁迫后,小麦幼苗叶片的
生长基本正常, 但根的生长受到抑制,几乎不再伸
长, 形态上观察到根弯曲、顶端变黄, 表明较低浓度
的 Cd2+ 主要抑制根的伸长,而对叶片的生长影响不
大。
镉胁迫8 h 和 16 h后的现象相似。胁迫 8 h后,
分生细胞中 Ca2+的分布发生改变, 主要表现为质膜
与细胞壁之间出现 Ca2+ 沉淀颗粒; 细胞间隙仍有
Ca
2+ 沉淀颗粒(图版Ⅰ: 5)。胁迫16 h后,除了上述现
象, 还观察到液泡中 Ca2+ 沉淀颗粒明显增加(图版
Ⅰ: 6,图版Ⅱ: 1)。
镉胁迫24 h 后, 细胞中Ca2+的含量和分布都发
生明显改变, Ca2+ 沉淀颗粒大量分布于细胞核中以
及质膜与细胞壁之间。质膜与细胞壁之间的Ca2+ 沉
淀颗粒较小,沿着质膜整齐排列成一圈;细胞质基质
内的 Ca2+ 沉淀颗粒减少, 质体中仍有 Ca2+ 沉淀颗
粒, 这一点与 Al3+ 胁迫引起的现象一致[ 9] ; 细胞核
的核膜上出现零星微小的 Ca2+ 沉淀颗粒, 核仁及染
色体中有较多大的 Ca2+沉淀颗粒(图版Ⅱ: 2)。
镉胁迫 32 h 后, 除了上述现象,还观察到细胞
核开始变形, 出现空泡, 核膜解体; 细胞壁中出现
Ca
2+ 沉淀颗粒, 沿着壁层整齐排列成一圈(图版Ⅱ:
3) ; 细胞液泡化, 液泡增多、增大, 其中仍有 Ca2+ 沉
淀颗粒(图版Ⅱ: 4)。
3　讨论
焦锑酸钾沉淀法作为疏松结合态 Ca2+ 的定位
方法被广泛应用, 不同的作者应用不同方法证实了
其可靠性。用 Ca2+ 专一性螯合剂 EGTA 处理时, 电
子不透明的沉淀颗粒消失, 这就证明了沉淀颗粒是
Ca
2+ 与焦锑酸根结合所形成的沉淀 [ 8] ; 利用 X-射线
分析也证实, 沉淀颗粒产生了具有 Ca2+ X-射线特征
的信号[ 10]。
3. 1　质膜与细胞壁之间 Ca2+分布的变化
质膜使细胞内部与外界环境分隔, 其主要功能
是控制细胞与外界环境的物质交换, 调节和维持细
胞内微环境的相对稳定; 此外,质膜还有接受和传递
外界信号的功能。镉胁迫下, 质膜首先接触到镉, 相
应地镉首先并直接地影响到质膜。镉的浓度越高, 胁
迫时间越长,对植物细胞质膜的组成、结构、选择透
418 武 汉 植 物 学 研 究　 　　　　　　　　　　　　　　　　第 20 卷　
性等的伤害就越大。徐秋曼等用不同浓度的 CdCl2
溶液处理油菜幼苗,发现浓度大于 1 mg / L 时, 叶组
织细胞膜脂质过氧化水平升高, 膜结构损伤,膜透性
增大 [ 11]。孔祥生等利用不同浓度的镉处理玉米幼
苗,其叶片电导率和 MDA 含量随镉浓度的增大而
增大,证明在镉胁迫下,植物叶片细胞质膜的组成和
完整性遭到严重破坏[ 12]。
钙能维持细胞壁、细胞膜及膜结合蛋白的稳定
性,参与生长发育的调节过程[ 13]。一些研究指出,钙
信使系统与植物的抗氧化能力和细胞的膜脂过氧化
有关[ 14]。钙信使系统一方面可通过增强抗氧化系统
提高植物抗逆性;另一方面又参与胁迫下活性氧的
产生和膜脂过氧化。钙信使系统的功能与胁迫的类
型及强度有关,胁迫强度在植物所能忍受的范围内,
钙通过增强抗氧化系统而提高植物抗性; 胁迫强度
过大时,逆境引起的钙信号及其产生的活性氧过多,
会对植物产生伤害。
我们的结果表明, 在镉胁迫下,小麦根尖分生细
胞中质膜与细胞壁之间的 Ca2+ 的分布首先受到影
响; 随着胁迫时间的延长, 质膜与细胞壁之间的
Ca
2+ 逐渐增多。细胞中的钙稳态是通过 Ca2+ 泵和
Ca
2+ 通道维持的。Cd2 +通过质膜 Ca2+ 通道进入细
胞[ 15 ] ,两种离子对 Ca2+ 通道的竞争,将影响 Ca2+ 从
细胞外向细胞内的运输,造成细胞中 Ca2+ 分布发生
明显的变化, 质膜与细胞壁之间的Ca2+ 增多。
在长期的进化过程中,植物产生了一系列耐镉
机制, 其中之一是使镉结合于细胞壁或主动外
流[ 16 ]。Choi等发现镉胁迫下烟草的一种解毒方式,
通过叶片毛状体分泌包含有镉和钙的晶体 [ 17]。我们
的结果表明, 细胞壁上原来没有疏松结合态 Ca2+ ,
镉胁迫一段时间后,质膜与细胞壁之间 Ca2+ 增多,
细胞壁上出现大量疏松结合态 Ca2+ ; 而细胞质基质
内的 Ca2+减少。我们认为, Ca2+对植物的耐镉机制
具有重要意义, 它们可能通过与 Cd2+结合而将其排
出体外。
3. 2　细胞核中 Ca2+ 分布的变化
我们的结果还表明,继质膜与细胞壁之间 Ca2+
增多后, 核膜上出现 Ca2+ ; 核膜上出现 Ca2+ 的时间
较短, 随后, 细胞核开始变形,出现空泡, 核膜解体,
核内出现大量 Ca2+。这一现象表明持续高浓度的
Ca
2+可能对细胞核有害,但关于细胞核中 Ca2+ 大量
出现的原因尚待研究。一般认为,钙信号是在细胞质
产生的[ 14, 18]。Luit 等的研究表明, 细胞核中也可产
生钙信号并可调控基因表达,他们发现,低温和风均
可引起烟草细胞中[ Ca2+ ] cyt 和[ Ca2+ ] nuc 快速增
加,但细胞核中出现的钙信号落后于胞质钙信号, 其
强度也低于胞质钙信号[ 19]。
总之, 镉胁迫会导致 Ca2+ 在细胞中的异常分
布,细胞质基质内的 Ca2+减少, 细胞核、质膜与细胞
壁之间、细胞壁中的 Ca2+明显增多。Ca2+ 稳态的破
坏, 势必造成细胞生理功能紊乱, 抑制植物生长发
育。
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图 版 说 明
Ch.染色质; CP .细胞质; CW. 细胞壁; IS .胞间隙; ER .内质网; N .细胞核; Nu. 核仁; NE.核膜; P. 前质体; PM .质膜; V .液泡
图版Ⅰ: 1～4为正常生长条件下小麦根尖分生细胞中 Ca2+ 的分布, 5～6 为经 Cd2+胁迫后小麦根尖分生细胞中 Ca2+ 的分布。
1.示正常细胞的细胞核(核仁、染色质、核基质)、细胞质中的 Ca2+ 沉淀颗粒, ×12 000; 2. 正常细胞的小液泡中的 Ca2+ 沉淀颗
粒, ×12 000; 3.正常细胞间隙中的 Ca 2+ 沉淀颗粒,×21 000; 4.经 EGTA 处理后的对照切片,在原来形成沉淀颗粒的部位形成
电子透明区域,×14 400; 5.经 Cd2+胁迫 8 h 后, Ca2+排列在质膜与细胞壁之间, 胞间隙中仍有 Ca2+沉淀颗粒, ×12 000; 6. 经
Cd2+ 胁迫 16 h 后, 细胞核、细胞质、质膜与细胞壁之间的 Ca2+ 沉淀颗粒, ×12 000
图版Ⅱ:经 Cd2+ 胁迫后小麦根尖分生细胞中 Ca2+ 的定位分布。1. 示经 Cd2+ 胁迫 16 h 后, 液泡、胞间隙中的 Ca2+ 沉淀颗粒,
×8 700; 2.经 Cd2+胁迫 24 h 后,细胞核、细胞质、质膜与细胞壁之间的 Ca2+ 沉淀颗粒, ×12 000; 3. 经 Cd2+ 胁迫 32 h 后, 细胞
壁中的 Ca2+ 沉淀颗粒,×12 000; 4. 经 Cd2+ 胁迫 32 h 后, 液泡中的 Ca2+ 沉淀颗粒, ×12 000
Explanation of plates
Ch. Chromatin; CP . Cy toplasm ; CW . Cell wall; I S. I nter cellula r space; ER . Endoplasmic ret iculum; N . Nucleus; Nu. Nucleolus;
NE. Nuclear envelope; P . Pr oplastid; PM . P lasmalemma; V . Vacuo le
Plate Ⅰ: 1～4. T he localization of Ca2+ in the meristematic cells of w heat r oo t g rowing under no rm al environment , 5～6. The
localiza tion o f Ca2+ in the mer istemat ic cells of w heat ro ot gr ow ing under cadmium stress. 1. T he calcium antimonate pr ecipi-
tates v isualized in nucleus ( including nucleolus, chromatin, nucleoplasm ) and cytoplasm, ×12 000; 2. Show ing the antim onate
precipita tes in small v acuo les, ×12 000; 3. Show ing the antimanate precipitat es in intercellular spaces, ×21 000; 4. Section
tr eated with EGTA , showing electronic tr anspar ent ar eas at the same sites w her e t he antimonate precipit ates located befor e
the tr eatment, ×14 400; 5. T he calcium antimonate precipitat es a rr anged in the inner side o f plasmalemma under 8h cadmium
stress, and t here still w er e antim onate pr ecipitates in inter cellular space ,×12 000; 6. Show ing the ant imonat e precipita tes in
nucleus, cytoplasm and betw een plasmalemma and cell w all under 16 h cadmium str ess,×12 000
Plate Ⅱ: The localization o f Ca2+ in t he m eristema tic cells of w heat r oo t g rowing under cadmium stress. 1. Showing the anti-
monate precipit ates in vacuo les and int ercellular space under 16 h cadmium str ess,×8 700; 2. Showing the ant imonat e pr ecipi-
tates in nucleus, cytoplasm and the inner side o f pla smalemma under 24 h cadmium str ess, ×12 000; 3. Showing the antim onate
precipita tes in cell w all under 32 h cadmium str ess, ×12 000; 4. Showing the antimonat e precipit ates in vacuoles under 24 h
cadmium st ress,×12 000
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何宇清等:镉胁迫下小麦根尖分生细胞中 Ca2+分布的变化 图版Ⅰ
HE Yu-Qing et al.: Changes of Ca
2+
disty ibut ion in root apical meristemat ic cells of w heat
under cadmium stress P late Ⅰ
See explanat ion at the end of tex t