全 文 ：武汉植物学研究 1999, 17( 3) : 206～210
Journal of Wuhan Botanical Research
Cd2+、Hg2+对菱幼苗生长及其超氧化物
歧化酶、过氧化物酶活性的影响
李大辉 施国新 丁小余 周长芳 解凯彬 常福辰
(南京师范大学生物系 南京 210097)
提 要 利用不同浓度 Cd2+ 、Hg 2+处理菱幼苗,研究重金属离子对菱生长、超氧化物歧化酶
( SOD)、过氧化物酶( POD)活性的影响 ,比较 Cd2+ 、Hg 2+ 对同一植物的毒性差异。Cd2+、Hg 2+
各处理浓度均抑制菱幼苗生长,使叶绿素含量下降, 但 Cd2+ 的抑制作用比 Hg 2+的作用明显。
Cd2+ 、Hg 2+ 对 SOD、POD 活性有不同的影响效果: Cd2+ 处理最初诱导 SOD、POD 活性升高,
但随浓度加大时间延长酶活性急剧下降; Hg 2+ 处理的酶活性变化相对平缓, 其中 5 mol/ L
和 10 mo l/ L Hg 2+ 处理的 POD 活性持续上升。实验结果表明, 在相同处理时间和浓度条件
下, Cd2+ 比 Hg 2+ 对菱的毒性要大。依据实验结果, 作者探讨了重金属对植物的毒害机制。
关键词 Cd2+ , Hg 2+ , 菱, 超氧化物歧化酶, 过氧化物酶
镉、汞等重金属是环境中毒性较大的污染物,它们可以通过食物链传递, 从而对人体健康造成威胁〔1〕。
关于 Cd2+、Hg 2+ 等重金属对植物生理生化特性的影响, 国内外已有许多研究和报道〔2～8〕, 其中超氧
化物歧化酶( SOD )和过氧化物酶( POD )等酶活性受到重金属离子胁迫后的变化是近年来的研究热
点〔3, 4, 7, 8〕。SOD 和 POD 在生物体内对氧自由基、过氧化物起着清除作用,抑制自由基对膜脂的过氧化作
用, 避免膜的损伤和破坏。重金属离子胁迫可诱导这些酶的活性变化, 从而可以反映出植物的受害状况。
但前人这些研究多是以单一重金属离子作用来研究,缺乏 Cd2+ 、Hg 2+ 对同一种植物影响的比较研究。
水生高等植物可以净化水质〔9〕,作为水质监测的指示植物〔1〕,受到污染后的生理生化变化可以作为
水质污染的生态学指标。因此,对水生植物受污染的研究有着现实的意义。我们以水生维管植物——菱
为研究对象, 研究 Cd2+ 、Hg2+ 的毒性,探讨重金属毒害机制。
菱角( T rapa bisp inosa Roxb. )是一年生水生植物, 果实可食, 是一种在我国各地广泛栽培的水生经
济植物。
1 材料和方法
本实验所用菱角栽种于南京师范大学生物系花房。待菱角萌发后第 3 周, 将菱角采出, 水培在玻璃
缸中, 所用水为自来水(不含 Cd2+ 、Hg2+ ) , 并在其中加 N、P、K 等无机离子( 10- 8 mol/ L )。缸容积25 L。
Cd2+ 、Hg 2+ 处理浓度设置为 5、10、15、20 mol/ L , Cd2+ 以 CdCl2配制, Hg 2+ 以 HgCl2 配制。以不加 Cd2+ 、
Hg2+ 处理为对照,以 0 mol/ L 表示。
每隔 1 d, 在上午 8∶00～10∶00 定时采样,进行以下测定(酶活性测定重复 2 次)。
收稿日: 1998-06-01,修回日: 1998-08-05。第一作者:男, 1972年 12月出生,硕士研究生,从事植物发育生物学
研究。
国家自然科学基金和江苏省自然科学基金资助课题。
( 1) 植株生长量: 以幼苗鲜重( FW ) g 表示。每处理随机取菱苗标记后, 隔日定时称重。
( 2) 菱苗浮水叶叶绿素含量测定: 分光光度法, 参照华东师范大学生物系编《植物生理学实验指导》
( 1980)。用 754 型分光光度计,在波长 663 nm 和 645 nm 下测定。
( 3) 酶液制备: 取浮水叶叶片洗净、吸干、称重后, 剪碎,加 50 mmo l/ L 磷酸缓冲液( pH7. 8) ,冰浴中
研磨匀浆, 冷冻离心机( 0～4℃) 15 000 r / min 离心 20 min。上清即为酶液。
( 4) 超氧化物歧化酶( SOD)酶活性测定: 氯化硝基四氮唑蓝( NBT )光化还原法,参照刘祖祺等编
《植物抗性生理学》( 1997)。560 nm 波长, 754型分光光度计比色测定。以抑制 NBT 光化还原 50%作为
1 个酶活单位,酶活性以 U/ mg pro tein 表示。
( 5) 过氧化物酶( POD)酶活性测定:参照张志良编《植物生理学实验指导》( 1990)。酶活性以 A 470/
( min·mg pro tein)表示。
( 6) 蛋白质含量测定: 考马斯亮蓝 G-250 法, 参照张志良编《植物生理学实验指导》( 1990)。
2 实验结果
2. 1 外部形态
处理第 1 d, 各株菱苗菱盘浮出水面, 浮水叶质硬,翠绿; 此时只在茎节上有 1～2 cm 长的沉水叶,其
丝状裂片未长出,仅有突起出现; 不定根须状淡绿色。Cd2+处理的第 3 d, 叶片褪绿明显,从 10 mol/ L 开
始, 浮水叶出现灰绿斑,多位于叶缘、叶尖端, 根变成棕褐色; Hg2+ 处理的各梯度,浮水叶无灰绿斑, 与对
照差别不大, 只有少数叶褪绿发黄。第 5 d 至第 7 d,对照浮水叶翠绿, 沉水叶长 6～14 cm, 叶细裂如丝,
裂片长 1～3 cm, 且十分密集; Cd2+ 处理的除 5 mol/ L 外,从 10 mo l/ L 开始, 浮水叶大多数变黑褐色,
叶柄发白, 叶片易落,沉水叶 3～5 cm 长,裂片 0. 05～0. 1 cm 长,十分稀疏; Hg 2+处理的只是浮水叶褪绿
加重, 沉水叶比 Cd2+ 处理的生长得要好。第 9 d, 对照正常生长,浮水叶组成的菱盘增大,顶芽出水; Cd2+
处理的从 10 mo l/ L 开始,浮水叶进一步老化变黑,整张叶呈灰黑色, 卷曲,叶柄松软发白,叶易落,茎干
发软, 顶芽沉入水中, 整个植株外观呈灰暗的颜色, 5 mo l/ L 处理的叶出现灰绿色斑; Hg 2+处理的各株
均与对照差别不大, 浮水叶无坏死的病斑,仅褪绿发黄的叶增多,沉水叶由绿转变为黄褐色。
2. 2 菱幼苗生长量
Cd2+ 、Hg 2+ 处理对菱幼苗生长均有不同程度抑制作用, 在相同处理时间、浓度条件下, Cd2+ 对菱幼
苗生长抑制作用比 Hg 2+ 处理的抑制作用明显: Cd2+ 抑制显著性水平在 P < 0. 01 和 P < 0. 001 之间,
Hg2+ 在 P < 0. 05 和 P < 0. 01之间 (表 1) , 至第 9 d, Cd2+ 处理的菱幼苗比 Hg2+ 处理的少增长 11. 7%～
36. 3%。
表 1 Cd2+ 、Hg2+ 处理对菱幼苗生长量的影响( 5 株平均植)
Table 1 Ef fect s of Cd2+、Hg2+ on grow th weight of T . Bisp inosa seedlings( average of 5 individuals ) ( g/ plant )
项 目
Item
0 mol /L
CK
5 mol/ L
C d2+ Hg2+
10 m ol/ L
Cd2+ Hg2+
15 mol /L
Cd2+ Hg2+
20 mol/ L
C d2+ Hg2+
处理前称重
Weig ht before t reatment
12. 235 13. 580 13. 062 13. 683 13. 058 13. 266 13. 090 13. 692 12. 896
处理第 3 d称重
Weigh t on the third day
12. 732 14. 084 13. 544 14. 375 13. 527 13. 749 13. 537 14. 190 13. 335
处理第 5 d称重
Weight on th e f ifth day
14. 248 15. 593 15. 040 15. 871 15. 024 15. 222 15. 038 15. 665 14. 807
处理第 7 d称重
Weight on the s eventh day
16. 951 17. 508 17. 754 17. 301 17. 527 16. 595 17. 521 16. 874 17. 298
处理第 9 d称重
Weight on the n inth day
21. 273 21. 239 21. 953 18. 045 21. 740 17. 113 21. 739 17. 280 20. 311
9 d后增重的百分比
Increas ing rate nin e days later
73. 9 56. 4** 68. 1*** 30. 2* 66. 5*** 29. 0* 58. 4** 26. 0* 57. 5**
* P < 0. 001; ** P < 0. 01; *** P< 0. 05 .
207 第 3期 李大辉等: Cd 2+ 、Hg2+ 对菱幼苗生长及其超氧化物歧化酶、过氧化物酶活性的影响
2. 3 浮水叶叶绿素含量
从表 2 可以看出,浮水叶叶绿素含量减少随 Cd2+、Hg 2+处理时间延长、浓度加大而增加; Cd2+、Hg 2+
处理叶绿素含量减少不同: Cd2+ 处理的减少( P< 0. 001)比 Hg2+ 处理的减少(P < 0. 05～P < 0. 01)更显
著, 最大相差 81. 6% ( 5 m ol/ L ,第 9 d)。
表 2 Cd2+ 、Hg2+ 对菱幼苗浮水叶叶绿素含量的影响 ( 5 株平均值)
T able 2 Effects o f Cd2+ 、Hg2+ on chlo rophy ll content of T . bisp inosa
s eedlings ( aver age of 5 indiv iduals) ( mg / g FW)
浓度
Concen-
tr at ion
( mol / L)
第 3 d
T he thir d day
Cd2+ Hg 2+
第 5 d
T he f if th day
Cd2+ Hg2+
第 7 d
T he seventh day
Cd 2+ Hg2+
第 9 d
T he nin th day
Cd2+ Hg2+
0 1. 288 0 1. 281 2 1. 277 4 1. 279 6
5 0. 929 6** 1. 2560 0. 484 3* 1. 203 6*** 0. 397 6* 1. 2014*** 0. 1362* 1. 187 4***
10 0. 715 2* 1. 2414 0. 458 0* 1. 142 9** 0. 102 7* 1. 1335** 0. 0322* 1. 066 8**
15 0. 684 5* 1. 2119*** 0. 250 0* 0. 969 0** 0. 021 1* 0. 9132** 0. 0057* 0. 873 2**
20 0. 617 3* 1. 1857*** 0. 133 0* 0. 798 1** 0. 013 8* 0. 7716* 0. 0012* 0. 717 5*
* P < 0. 001; ** P < 0. 01; *** P< 0. 05 .
2. 4 浮水叶超氧化物歧化酶( SOD)酶活性
重金属胁迫引起 SOD 活性发生改变, 而对照的改变不明显(图 1) ; Cd2+ 处理的 3～5 d 均引起 SOD
活性 升高, Hg2+ 处理 3～7 d 均引起 SOD 活性升高; 到第 9 d, SOD活性下降, 15 mol/ L 和 20 mol/ L
Cd2+ 处理的已测不到活性(图 1A ) , Hg 2+处理的仍有较高活性(图 1B)。
图 1 不同浓度 Cd2+ 、Hg2+ 处
理对浮水叶 SOD 活性的影响
Fig. 1 Effect s of Cd2+ 、Hg 2+
on SOD act ivity of f loat leaf
tr eated with dif f erent
concent rations
2. 5 浮水叶过氧化物酶( POD)酶活性
POD 活性的变化与SOD 的相似, Cd2+ 、Hg2+ 处理的开始时期, POD 活性升高(图2) , 但Cd2+处理的
POD很快降低(图 2A ) ,而 5mo l/ L 和 10m ol/ LHg 2+ 处理的 POD 持续上升(图 2B) ,其它梯度相对缓
慢下降。
图 2 不同浓度 Cd2+、Hg2+ 处
理对浮水叶POD活性的影响
Fig. 2 Ef fects of Cd2+、Hg2+
on POD act ivity of f loat leaf
t reated w ith dif feren t
con cent rat ions
208 武汉 植 物学 研究 第 17卷
3 讨论
( 1) 在高等植物中, 重金属的毒害主要表现在抑制植物水分的吸收和运输〔6〕, 抑制光合作用〔10〕、呼
吸作用〔2, 11〕, 抑制氮素代谢〔12〕及细胞分裂等方面〔13〕。从而使植物出现褪绿、萎黄、矮化、物候期延迟和生
物量下降, 严重者致死。本实验中菱幼苗生长受到 Cd2+、Hg2+ 抑制(表 1)是光合作用、呼吸作用、蒸腾作
用等方面受到破坏的综合结果, 因为它们是植物最基本的生理活动, 一旦受到抑制必然导致整个植株代
谢过程紊乱, 生长发育受到影响。
( 2) 叶子褪绿是植物受重金属毒害而出现的普遍现象〔5, 14〕。在实验中, Cd2+、Hg 2+ 处理均引起叶片
褪绿(表 2)。褪绿是重金属进入叶片内积累到一定量时, 叶绿素受到破坏而发生的现象。Stobar t AK〔15〕
等认为叶绿素含量下降的原因: 一是重金属抑制原叶绿素酸酯还原酶 ( pro tochlor ophyllide r eductase) ;
二是影响氨基- -酮戊酸( amino laevulinic acid)的合成,而这两样都是叶绿素生物合成所必需的。叶绿素
含量的下降会影响光合作用, 对植物生长发育产生负面影响而出现毒害效应。
( 3) 超氧化物歧化酶( SOD )、过氧化物酶( POD )是植物抗氧化酶系统中两种重要的酶。它们在活性
氧的清除、抑制膜脂过氧化等植物抗逆生理方面发挥作用。本实验中 Cd2+ 、Hg2+ 处理引起SOD、POD活
性变化, 反映了重金属胁迫使活性氧自由基增多,膜脂过氧化加剧。在低浓度 Cd2+ 、Hg2+ 处理时,植物体
内 SOD、POD 受到活性氧自由基的诱导, 活性上升,参与清除自由基;在长时间高浓度作用后, 酶系统就
会被重金属离子破坏而使 SOD 和 POD 活性下降 (图 1, 图 2) , 植株对自由基和过氧化物的防御能力减
弱。这与前人研究结果相符〔3, 4, 16〕。杨居荣等〔16〕认为当 SOD活性下降时,多烯不饱和脂肪酸就可能过多
地被过氧化, 致使一部分类囊体膜被破坏。重金属胁迫作用下, 使 SOD、POD 活性下降,植物对自由基和
过氧化物的防御能力降低, 从而受到毒害,这也是重金属的毒性机制。
( 4) 综合实验结果, 我们认为 Cd2+ 、Hg 2+ 这两种污染物对植物危害的方式和机理不完全相同, 因
此, 产生的伤害症状也是有区别的。Cd2+对菱起一种急性毒害的作用, 毒性较强, 而 Hg2+ 则起慢性毒害
的作用, 毒性较弱。Cd2+ 在处理的第 3 d, 就使菱叶片很快呈现明显的病症, 出现各种坏死斑,随处理时间
延长、浓度的加大,生长受严重影响(P < 0. 001) , 整个叶片枯萎死亡( 20 mo l/ L ,第 9 d) ; 在相同处理浓
度、作用时间条件下, Hg2+ 对菱没有产生明显的毒害症状, 而随时间延长, 浓度加大, 才逐渐使叶子失绿
黄化, 生长受抑制和叶绿素含量减少(P < 0. 05～P< 0. 01) , 不如 Cd2+ 作用结果严重(表 1, 表 2)。SOD、
POD 活性变化较为平缓, 其中 POD 在 5 mol/ L 和 10 mo l/ L Hg2+ 处理时, 活性持续升高(图 1B, 图
2B) ,也体现 Cd2+ 比 Hg2+ 对菱的毒害要大。
( 5) Cd2+ 、Hg2+ 对菱幼苗产生的不同作用, 也反映了菱对 Cd2+ 、Hg 2+的耐受性不同。从图 1和图 2
中看出, Cd2+处理的, SOD、POD活性急剧下降,至完全失活; Hg2+ 处理的, 酶活性变化相对平缓 ,说明酶
受到保护, 以维持受重金属干扰时的正常代谢过程, 表现对Hg 2+较强的耐受性。这种耐受差异的机制仍
有待进一步研究。
参 考 文 献
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EFFECTS OF Cd
2+ , Hg
2+
ON GROWTH AND
ACTIVITY OF SUPEROXIDE DISMUTASE AND
PEROXIDASE IN TRAPA BISPINOSA
ROXB. SEEDLINGS
Li Dahui Shi Guoxin Ding Xiaoyu Zhou Chang fang Xie Kaibin Chang Fuchen
( Dep ar tment of B iology , Nanj ing N ormal Univ er si ty Nanjing 210097)
Abstract T reat ing t he Seedling of T rapa bisp inosa using differ ent concentr ations o f Cd2+ and Hg2+ , the
effects of Cd2+ and Hg 2+ on g r ow th and activit y o f supero x ide dismutase ( SOD) and pero x idase ( POD)
in the species w ere studied. A ll t reatm ents w ith different concentr ations Cd2+、Hg2+ can inhibit gr ow th
and reduce chlor ophyll content of T . bisp inosa seedling s, but the inhibition of Cd2+ ar e more significant
than that of Hg 2+ . Effects of Cd2+ and Hg 2+ on activ ity o f SOD and POD are differ ent: treat ment w ith
Cd2+ can initially induce t he activ ity o f SOD and POD to rise, but w ith ext ending time and incr easing
concent ration, the activ ity declines sharply ; w hile activ ity of SOD and POD tr eated with Hg2+ relatively
changes smoo thly , in w hich act ivity o f POD treat ed w ith 5 mo l/ L and 10 mo l/ L Hg 2+ rises continual-
ly . Exper imental r esults indicate that to xicity of Cd2+ on T . bisp inosa seedlings is heav ier than that of
Hg2+ under the same tr eating t ime and concent ration. According to the results, author s t ry t o inquir e in-
to t he t ox icity mechanism of heavy metal on plant s.
Key words Cd2+ , Hg 2+ , T trap a bisp inosa Roxb., SOD , POD
210 武汉 植 物学 研究 第 17卷