全 文 ：金属离子胁迫产生植物膜脂过氧化的能力与
离子的极化能力正相关*
杨摇 慧1,2, 高摇 波3, 李唯奇1**
(1 中国科学院昆明植物研究所, 云南 昆明摇 650204; 2 中国科学院研究生院, 北京摇 100049;
3 红河学院, 云南 蒙自摇 661100)
摘要: 金属离子胁迫导致植物产生多种生理损伤, 其中包括膜脂的过氧化。 不同的金属离子诱导植物产生
膜脂过氧化差异很大, 迄今对这些差异与金属离子性质之间的具体关系所知甚少。 金属离子对阴离子和其
他分子的作用主要取决于其电荷数量、 半径大小和电子层结构, 亦即取决于其极化作用。 作者以水培拟南
芥与油菜为材料, 以不同极化作用的金属离子 (Li+、 Na+、 K+、 Ca2+、 Fe2+与 Fe3+) 为研究对象, 检测了
极化作用不同的金属离子胁迫拟南芥与油菜 1、 3、 5 d 后膜脂过氧化产物丙二醛 ( Malondialdehyde,
MDA) 的含量变化。 结果发现, 相同浓度的一价离子 Li+、 Na+与 K+胁迫 5 d后, 离子半径较小的 Li+诱导
拟南芥与油菜产生的丙二醛比 Na+与 K+高 2 倍以上; 相同浓度下电子层结构相同的 Fe3+与 Fe2+胁迫 5 d后,
电荷高的 Fe3+诱导拟南芥产生的丙二醛比 Fe2+高 2 倍以上, 而 Fe3+诱导油菜产生的丙二醛比 Fe2+高 5 倍以
上; 相同浓度的二离子 Fe2+与 Ca2+胁迫, 电子层结构复杂的 Fe2+比 Ca2+诱导更多的丙二醛产生。 运用离子
势综合表征离子极化能力, 则丙二醛的含量与离子势大小显著正相关。 上述结果说明, 金属离子诱导膜脂
过氧化的胁迫能力与金属极化作用正相关, 即电荷越高、 离子半径越小及电子层越复杂, 产生氧化胁迫程
度越强。
关键词: 拟南芥; 油菜; 金属离子; 丙二醛; 离子势
中图分类号: Q 945摇 摇 摇 摇 摇 摇 文献标识码: A摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 文章编号: 2095-0845(2011)03-293-06
Lipid Peroxidation Induced by Metal Ion Stress is Positively
Related to Lonic Polarization in Plants
YANG Hui1,2, GAO Bo3, LI Wei鄄Qi1**
(1Kunming Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Kunming 650204, China, 2 Graduate University of Chinese
Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3 Honghe University, Mengzi 661100, China)
Abstract: Metal ion stress results in a variety of physiological damage to plants, including membrane lipid peroxida鄄
tion. The effects of different metal ions on the membrane lipid peroxidation are various, and so far, the little knowl鄄
edge about the relationship between lipid peroxidation and characteristics of metal ions is known. The physical and
chemical effects of metal ions on the anions and other moleculars depend on the polarization of metal ions, such as
the amount of charge, radius and electron shell structure. In this study, the stresses caused by metal ions with dif鄄
ferent ionic polarization on hydroponic Arabidopsis thaliana and Brassica napus seedings were investigated, and the
production of Malondialdehyde (MDA) of both plants incubated to different metal ions for 1, 3 and 5 days were test鄄
ed. The results indicated that with the same concentration treatment, Li+ induced more production of MDA than that
of Na+ and K+, Fe3+ induced more production than that of Fe2+, and Fe2+ induced more production than that of Ca2+ .
植 物 分 类 与 资 源 学 报摇 2011, 33 (3): 293 ~ 298
Plant Diversity and Resources摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 DOI: 10. 3724 / SP. J. 1143. 2011. 10218
*
**
基金项目: 国家自然科学基金 (30870571)
通讯作者: Author for correspondence; E鄄mail: weiqili@ mail. kib. ac. cn
收稿日期: 2010-11-29, 2010-12-29 接受发表
作者简介: 杨慧 (1985-) 女, 硕士, 主要从事植物生理及分子生物学。 E鄄mail: yanghui@ mail. kib. ac. cn
That is, with the same amount of metal ions, the smaller ion radius, higher ion potential and more complicated elec鄄
tronic shell, the more MDA were produced in plants. The results suggested that there was positive relationship be鄄
tween the ability of inducing MDA production and the ionic polarization, that is, the higher charge, smaller ionic ra鄄
dius and more complex the electron shell, the more severe oxidative stress were induced.
Key words: Arabidopsis thaliana; Brassica napus; Metal ions; Malondialdehyde; Ionic Polarization
摇 植物对金属离子的利用或趋避有着严格的
选择性, 土壤环境中金属离子的种类、 含量、 状
态和比例对植物生长和发育起着不可替代的作
用。 农业生态系统中, 非必须金属离子的过高浓
度和必须金属离子的过低浓度, 都会造成对农作
物的产量和品质的严重损失。 随着人类活动的加
剧, 环境染污问题日趋严重 (刘万玲, 2006)。
金属离子污染, 特别是重金属离子的染污, 通过
作物吸收积累的生物学过程, 严重威胁食品安
全; 通过影响植物的生长, 造成生态问题
(Dudka和 Adriano, 1997), 而且由金属离子决
定的生理活动遍及整个生命过程, 因此研究植物
对金属离子胁迫的响应具有重要的科学意义和应
用价值。 金属离子的胁迫会引起细胞广泛的反
应。 虽然某些金属离子 (Mg2+、 Ca2+、 Fe2+、 K+
与 Zn2 +等) 是植物生长发育必不可少的, 但当
离子浓度超过一定的阈值就会对植物造成毒害,
这种毒害的产生与物种、 植株生态型, 以及金属
离子自身的生化性质等相关联; 有些金属离子植
物生长发育不需要, 当其在很低浓度时就会对植
物造成很强的毒害 (如 Cd2+、 Pb2+等)。 过量的
铜可以引起类囊体结构与功能的破坏, 从而使光
合过程的 PS玉与 PS域之间的联系阻断, 光合作
用严重受阻 (Gupta和 Singha, 1995)。 土壤中镉
含量过高, 会破坏植物叶片的叶绿素结构, 减少
根系对水分和养分的吸收, 抑制根系生长, 造成
植物生理障碍而降低产量 (郭亚平和胡曰利,
2005)。 重金属胁迫可导致细胞膜透性的严重破
坏, 使细胞膜透性增加 (李元等, 1992), 而细
胞膜的损伤必然导致膜上结合酶和细胞内酶的失
调, 大量物质外渗, 有毒物质自由进入细胞, 导
致细胞一系列生理生化过程的紊乱, 严重时导致
植株死亡。
在漫长的进化史中, 植物已形成了一系列完
整的机制来应对各种逆境。 对于盐害引起的渗透
胁迫, 植物主要通过增加体内的渗透保护物质
(如脯氨酸、 甜菜碱和可溶性糖等) 来维持细胞
内外的渗透平衡; 对于离子胁迫和渗透胁迫引起
的氧化胁迫, 植物主要通过提高相关活性氧清除
酶类基因的表达和增加抗氧化物含量来解除
(Burdon 等, 1996)。 正常条件下, 植物细胞内
的活性氧代谢是一个动态平衡的过程, 但植物在
受到非生物胁迫时, 逆境胁迫会破坏活性氧的平
衡, 引起膜脂氧化, 细胞内产生大量的活性氧,
高浓度的活性氧对植物产生毒害, 甚至可能威胁
植物的生命。 丙二醛 (Malondialdehyde, MDA)
是细胞内膜脂氧化的主要产物之一, 是一种高活
性的脂质过氧化产物, 并被广泛用于自由基含量
的表征 (Kunert和 Ederer, 1985)。 因此, 丙二醛
含量是反映脂质过氧化作用强弱的一个重要指标。
在水溶液体系中, 金属离子对周围分子和离
子的作用, 主要取决于其电荷、 半径和电子层结
构。 离子使异号离子极化而变形的作用称为该离
子的 “极化作用冶。 离子电荷高、 半径小和电子
层结构复杂的离子, 对周围环境作用的电场强,
亦即极化作用力强的离子, 容易与阴离子结合生
成沉淀物质, 也容易对其他分子和离子产生影响。
生物毒性大的金属离子, 例如 Pd2+和 Cd2+, 都是
极性作用大的离子 (蒲树森, 1987)。 在金属离子
胁迫中, 离子的极化作用与植物的响应之间是怎
样的关系, 例如, 离子的极化作用与植物膜脂过
氧化之间是怎样的关系, 未见具体的研究。
本文以拟南芥与油菜为材料, 在水培条件下
施加不同极化能力的金属离子 ( Ca2+、 Fe2+与
Fe3+), 检测了植物在胁迫 1、 3、 5 d后膜脂过氧
化产物丙二醛的含量变化。 发现金属离子诱导膜
脂过氧化的胁迫能力与金属极化作用正相关。
1摇 材料与方法
1. 1摇 材料培养
拟南芥与油菜种子经 70%酒精表面消毒 2 min, 无菌
水冲洗干净, 再经 5译次氯酸钠表面消毒 2 min, 无菌水
492摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 植 物 分 类 与 资 源 学 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 第 33 卷
3 ~ 5 次冲洗干净, 为了使种子尽可能萌发一致, 将种子
置于 4益春化 24 h, 再将种子点种到 1 / 2MS 培养基上,
进行水培培养 (Smeets等, 2008) 。 培养室的日温 22益,
夜温 19益; 光强 120 滋mol·m-2·s-1, 光周期 12 h / 12 h;
相对湿度 60% 。
1. 2摇 金属离子胁迫
将拟南芥与油菜用 Hoagland营养液培养 6 周后, 用
含不同金属离子的溶液 (由去离子水配制) 进行处理
(表 1), 取完全由 Hoagland 营养液培养的材料为对照
(0 d)。 金属离子处理 1、 3、 5 d后分别取样, 每个处理
取 5 个重复, 测定丙二醛含量。
表 1摇 金属离子溶液的浓度及配制
Table 1摇 Concentrations of metal ions
金属盐
Metal salt
金属离子浓度 (mmol·L-1)
Concentrion of metal ion
LiNO3 10
NaNO3 10
KNO3 10
Ca (NO3) 2·4H2O 1. 2
FeSO4·7H2O 1. 2
Fe2 (SO4) 3 1. 2
1. 3摇 丙二醛含量的提取、 测定及计算 (Hodges等, 1999)
称取植物地上部分材料 0. 4 ~ 0. 5 g, 加入 2 mL 10%
TCA (三氯乙酸), 研磨至匀浆, 将匀浆转移至离心管
中, 以后逐次加 1 mL洗干净研钵 (洗 3 次), 合并提取
液; 12 000 r·min-1离心 10 min, 得到上清液;
丙二醛的检测: 吸取离心得到的上清液 1 mL, 加入
1 mL 0. 6% TBA (硫代巴比妥), 混匀, 置于沸水浴
中 20 min后, 插入冰水浴中迅速冷却; 取上清液分别测
定 450、 532、 600 nm吸光值。
丙二醛含量的计算:
提取液中的丙二醛浓度(滋mol L-1 ) = 6. 45(OD532 -
OD600)-0. 56OD450
丙二醛质量摩尔浓度(滋mol g-1)= 提取液的浓度伊提
取液的体积衣植物组织鲜重
1. 4摇 统计分析
利用 Q鄄test剔除极端离散的数值后在 Microsoft Excel
2003 中计算平均值和标准差; 在排除离散值后用 Origin
7. 0软件作图; 最后使用 SPSS 16. 0在 P<0. 05的水平上进
行 T鄄test, 检测处理间的数据显著性, 并标注到图表中。
2摇 结果与分析
2. 1摇 相同浓度的 Li+、 Na+与 K+胁迫处理拟南
芥和油菜, 半径小的 Li+诱导的丙二醛含
量显著高于其它两种离子
选取周期表中 IA 族第二周期、 第三周期和
第四周期 Li+、 Na+与 K+对拟南芥和油菜进行胁
迫处理。 这 3 个离子电荷都是+1, 但是离子半
径依次增加。 3 个离子的浓度都是 10 mmol·L-1。
Li+胁迫拟南芥与油菜 3 d后, 幼苗表现出叶片萎
蔫的现象, 胁迫 5 d后萎蔫程度加深, 而相同浓
度的 Na+与 K+胁迫, 幼苗没有表现出萎蔫的现
象。 由图 1 可知, Na+与 K+胁迫 1、 3、 5 d 后,
拟南芥与油菜中丙二醛的含量并没有明显的升
高趋势, 而 Li+胁迫拟南芥 3 d 后丙二醛含量却
显著上升。 Li+胁迫拟南芥 3 d后丙二醛含量上升
至 0. 006892 滋mol·g-1 FW, 与相同浓度相同时
间 Na+与 K+ 胁迫后的丙二醛含量差异显著 (P
<0. 05); 5 d 后拟南芥中丙二醛的含量上升至
0. 012536 滋mol·g-1 FW, 仍然与相同浓度相同时
间 Na+与 K+胁迫后的丙二醛含量差异显著 (P<
0. 05)。 相同处理情况下的油菜中, Li+与 Na+胁
迫 5 d后的丙二醛含量差异显著 (P<0. 05)。 上
述结果说明, 半径小的离子诱导膜脂过氧化的能
力强。
2. 2摇 相同浓度的 Fe2+与 Fe3+胁迫处理拟南芥和
油菜, 电荷高的 Fe3+诱导的丙二醛含量显
著高于电荷低的 Fe2+
为了比较离子电荷对植物膜脂过氧化的影
响, 选取半径相近但电荷有差异的 Fe2+与 Fe3+进
行胁迫实验 (表 2)。 用相同浓度 (1. 2 mmol·
L-1) 处理拟南芥和油菜 3 d后, 发现 Fe3+处理的
的植物萎蔫的现象比 Fe2+的严重。 这两种离子都
能显著的诱导丙二醛的产生, 但是 Fe3+处理中植
物的丙二醛显著地高于 Fe2+处理中植物的丙二醛
含量。 这个结果说明, 电荷高的离子诱导膜脂过
氧化的能力强 (图 2)。
表 2摇 金属离子性质
Table 2摇 Characters of some metal ions
性质 Characters
金属离子 Metal ion
K+ Na+ Li+ Ca2+ Fe2+ Fe2+
离子半径 Ionic radius (mm) 0. 138 0. 102 0. 076 0. 100 0. 078 0. 065
离子势 Ionic potential 7. 250 9. 840 13. 160 20. 000 25. 640 43. 410
5923 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 杨慧等: 金属离子胁迫产生植物膜脂过氧化的能力与离子的极化能力正相关摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
图 1摇 相同浓度的 Li+, Na+与 K+处理对拟南芥与油菜丙二醛含量的影响
数值为平均值依标准差 (n=4 或 5); 同一处理时间, 相同字母代表差异不显著 (P<0. 05)
Fig. 1摇 Effects of the same concentration of Li+, Na+ and K+ treatment on MDA accumulation in Arabidopsis thaliana and Brassica napus
Values are means依S. D. (n=4 or 5) . Among the same treatment time, the same letter do not differ significantly at P<0. 05
图 2摇 相同浓度的 Fe2+与 Fe3+处理对拟南芥与油菜丙二醛含量的影响
数值为平均值依标准差 (n=4 或 5); 同一处理时间, 相同字母代表差异不显著 (P<0. 05)
Fig. 2摇 Effects of the same concentration of Fe2+ and Fe3+ treatment on MDA accumulation in Arabidopsis thaliana and Brassica napus
Values are means依S. D. (n=4 or 5) . Among the same treatment time, the same letter do not differ significantly at P<0. 05
692摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 植 物 分 类 与 资 源 学 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 第 33 卷
2. 3摇 相同浓度的 Ca2+与 Fe2 +胁迫处理拟南芥和
油菜, 电子层复杂的 Fe2 +诱导的丙二醛含
量显著高于 Ca2+
为了比较离子的电子层结构对植物膜脂过氧
化的影响, 我们选取了同是周期表第四周期的元
素 Ca2+与 Fe2+进行胁迫实验。 Ca2+是主族元素,
其最外层电子结构是稳定稀有气体 [Ar] 结构,
而 Fe2+是过渡元素, 其最外层电子结构是不稳定
的 [Ar] 3d6结构, 离子的极化能力 Ca2+小于
Fe2+。 用相同浓度 (1. 2 mmol·L-1) 处理拟南芥
和油菜 3 d后, 发现 Fe2+处理的的植物有轻度萎
蔫的现象, 而 Ca2+离子处理的植物无显著表型变
化。 Fe2+处理植物的丙二醛含量显著地高于 Ca2+
处理植物的丙二醛含量 (图 3)。 这个结果说明,
电子结构复杂的离子诱导膜脂过氧化的能力强。
2. 4摇 极化能力强的离子诱导产生更多的丙二醛
金属离子的电荷、 半径和电子层结构对其性
质的影响, 可以归结为离子的极化能力。 极化能
力可以综合离子的性质用离子势 渍=Z / r 来标度,
其中 Z是电荷, r是离子半径。 根据金属离子的
电荷和半径, 计算了本文中所用金属离子的离子
势 (表 2), 统计分析了离子诱导的丙二醛含量
对与离子势在 1、 3 和 5 d 处理中的相关性 (表
3), 发现两者成极显著的正相关的关系。 说明
金属离子胁迫植物产生膜脂过氧化的能力主要取
决于其极化能力。
表 3摇 金属离子诱导丙二醛含量与离子的相关性校验
Table 3摇 Correlation test between MAD and ionic potential
金属离子处理 (day) 线性相关系数 校验结果 (P<0. 01)
1 0. 627 极显著正相关
3 0. 563 极显著正相关
5 0. 876 极显著正相关
3摇 讨论
不同的金属离子对植物的胁迫能力不同, 特
别是重金属离子 (过渡元素, 例如 Pb2+、 Cd2+
等) 胁迫能力比轻金属 (碱金属和碱土金属,
例如 Na+、 Ca2+等) 强很多。 这种胁迫能力差异
的本质是什么? 从化学的角度来看, 金属离子对
其他分子或者离子的作用, 主要是其极化能力的
图 3摇 相同浓度的 Fe2+与 Ca2+处理对拟南芥与油菜丙二醛含量的影响
数值为平均值依标准差 (n=4 或 5); 同一处理时间, 相同字母代表差异不显著 (P<0. 05)
Fig. 3摇 Effects of the same concentration of Fe2+ and Ca2+ treatment on MDA accumulation in Arabidopsis thaliana and Brassica napus
Values are means依S. D. (n=4 or 5) . Among the same treatment time, the same letter do not differ significantly at P<0. 05
7923 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 杨慧等: 金属离子胁迫产生植物膜脂过氧化的能力与离子的极化能力正相关摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
强弱, 本质取决于离子产生的电场的强弱。 金属
离子的电场强弱正比于电荷数、 反比于其半径,
电子层结构可以通过半径和有效核电荷数也归结
为电荷和半径的作用。 重金属离子极化作用比轻
金属离子极化作用强很多。 在自然界中, 金属离
子分布在土壤中, 植物对金属离子胁迫的感受主
要是通过根部进行的。 不同性质的金属离子对根
细胞的影响, 应该能通过极化作用体现出来。 我
们的实验证明, 植物能感应金属离子极化能力的
差异。 极化能力大的金属离子, 植物生长受到影
响重, 对植物产生的胁迫效果就重; 极化能力小
的金属离子, 植物生长受到的影响小, 产生的胁
迫效果就轻。 这样的效果, 还反映在植物地上部
分的膜脂过氧化效果上。
摇 摇 正常生长条件下, 植物细胞内自由基的产生
和消除处于动态平衡状态。 逆境胁迫下这种平衡
遭到破坏, 大量的自由基积累在细胞内, 促使膜
脂不饱和脂肪酸发生过氧化分解反应, 膜相分
离, 造成细胞膜系统的破坏, 导致植物生长异常
(王正秋等, 2002)。 丙二醛是膜脂氧化的最终产
物之一, 它能导致细胞质膜受损伤, 细胞质内电
解质外渗量增加, 因而丙二醛含量代表膜脂过氧
化伤害程度或者膜系统遭受破坏的程度 (王正
秋等, 2002; 孙文越等, 2001), 是植物逆境生理
研究中一项重要的生理指标。 我们的结果表明,
极化能力不同的金属离子, 能导致拟南芥与油菜
中丙二醛含量不同程度的升高。 金属离子极化能
力强的, 产生的丙二醛含量高, 说明了金属极化
能力是在金属离子其胁迫过程中影响植物的本质
因素。
也参摇 考摇 文摇 献页
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