全 文 ：中国生态农业学报 2013年 7月 第 21卷 第 7期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jul. 2013, 21(7): 872−876


* 财政部植物修复−醋糟粉煤灰优良基质的配置项目(2011-118)和山西省高校科技开发项目(2010126)资助
赵宇(1978－), 男, 博士, 副教授, 主要研究方向为重金属污染的植物修复技术。E-mail: pingtaizupei@126.com
收稿日期: 2012−12−25 接受日期: 2013−03−05
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2013.00872
油菜素内酯对龙葵幼苗 Cd毒害耐受性的影响*
赵 宇 梁志英 杨艳君
(晋中学院 榆次 030600)
摘 要 以重金属超富集植物龙葵为试验材料, 分析了油菜素内酯(BR)对幼苗镉(Cd)毒害耐受性影响的生理
机制。Cd毒害导致龙葵幼苗出现氧化伤害, 同时降低了幼苗超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和抗坏
血酸过氧化物酶(APX)活性。表油菜素内酯(eBL, 人工合成的 BR)处理增加了龙葵幼苗对 Cd毒害的敏感性, 与
eBL 处理的结果相反，施用油菜素唑(Brz, BR 合成的特异性抑制剂)增加了 Cd 毒害下龙葵幼苗的抗氧化酶活
性, 降低了 ROS的累积, 减少了幼苗的氧化伤害。Brz处理后幼苗株高和根长较 Cd处理的对照分别增加 29%
和 28%, MDA水平和 Evans blue染色程度较 Cd处理的对照分别降低 37%和 20%, 进一步证明 BR增加了 Cd
毒害下龙葵幼苗的氧化伤害, 从而加重了 Cd胁迫对幼苗生长的抑制作用。表明 BR通过降低龙葵幼苗的抗氧
化能力, 增加了幼苗对 Cd毒害的敏感性。
关键词 龙葵 Cd毒害 油菜素内酯 抗氧化酶 氧化伤害
中图分类号: X592 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2013)07-0872-05
Effects of exogenous brassinosteroid on Cd tolerance in Solanum nigrum seedlings
ZHAO Yu, LIANG Zhi-Ying, YANG Yan-Jun
(Jinzhong College, Yuci 030600, China)
Abstract Cadmium (Cd) is one of the most toxic heavy metals with a strong inhibitory effect on plant growth. Although the effects
of auxin on Cd tolerance and accumulation has been reported, the role of brassinosteroid (BR) on Cd stress response has remained
unclear. In this study, the physiological effects of BR on Cd stress in Solanum nigrum seedlings were investigated. Cd toxicity
induced oxidative damage and decreased the activities of SOD, CAT, and APX in S. nigrum seedlings. Treatment with epibrassinolide
(eBL, a synthetic BR) increased Cd sensitivity in S. nigrum seedlings. On the contrary, supplementation with brassinazole (Brz, a
specific inhibitor of BR biosynthesis) increased anti-oxidative enzyme activities and reduced reactive oxygen species (ROS)
accumulation and oxidative damage. This improved Cd tolerance in S. nigrum seedlings exposed to Cd stress. After treatment with
Brz, plant height and root length increased by 29% and 28%, respectively. Also MDA level and Evans blue staining decreased by
37% and 20%, respectively compared with Cd treatment alone. This suggested that BR increased Cd-induced oxidative damage and
growth inhibition in S. nigrum seedlings. The results suggested that enhanced Cd sensitivity by BR was correlated with decreasing
activities of anti-oxidative capacity in S. nigrum seedling. These results suggested that manipulation of BR level was an effective
approach to improve Cd tolerance in plants. It modulated anti-oxidative enzyme activity and ROS accumulation, and provided
detailed insights into novel phytoremediation strategies.
Key words Solanum nigrum, Cadmium toxity, Brassinosteroid, Anti-oxidative enzyme, Oxidative damage
(Received Dec. 25, 2012; accepted Mar. 5, 2013)
土壤是人类最重要的自然资源之一。随着现代工
业的高速发展, 矿山开采、冶炼和电子产业发展迅猛,
导致土壤遭受严重的重金属污染[1]。其中, 镉(Cd)污
染尤其严重。Cd 污染引起植物生理功能紊乱、营养
失调。同时 Cd污染的植物可通过食物链进入人体内,
对人类的健康造成极大威胁。在我国, 受 Cd、Cr、
As 等重金属污染的可耕作土地面积近 2 000 万 hm2,
约占总耕地面积的 20%[2]。近年来, 人们对植物响应
Cd胁迫的分子生理机制有了较为深入的认识。
植物激素作为信号分子, 在植物的正常生长发
第 7期 赵 宇等: 油菜素内酯对龙葵幼苗 Cd毒害耐受性的影响 873


育过程及调节植物响应各种逆境胁迫中均发挥着重
要作用。Cd毒害显著影响了植物体内激素的含量变
化和分布。Xu等[3]发现Cd处理降低了龙葵幼苗根系
生长素的含量 , 并改变了生长素在根尖的分布。
Fuhrer[4]发现Cd毒害提高了菜豆叶片的乙烯水平。油
菜素内酯(BRs)是一类重要的植物激素, 是广泛存在
于植物中的相似于动物甾醇类激素的一种天然产
物。 1968年 , 日本的丸茂晋吾首次从蚊母树
(Distylium racemosum)叶中提取到该物质, 发现它具
有促进黄化水稻(Oryza sativa)叶片弯曲的作用。BRs
具有促进生长、增加植物的抗逆性、延缓衰老, 以
及促进细胞的再分化等生理功能, 其中最突出的作
用就是促进植物的生长和增强对多种逆境胁迫的
耐受性[5], 在生产上已广泛应用。BRs促进植物生长
的机制显然不同于生长素和赤霉素。其中一个典型
的特征是BRs在促进生长的过程中具有双重作用 :
纵向伸长和横向扩展。这似乎具备了生长素和赤霉
素的双重功效[5]。但是, 有关BRs在调节植物重金属
耐受, 尤其是Cd胁迫响应的研究却很少。本研究以
重金属超富集植物龙葵(Solanum nigrum)为试验材
料 , 分析了BR对幼苗Cd毒害耐受性的影响及生理
机理。
1 材料与方法
供试材料龙葵种子由晋中学院生物系重金属植
物修复实验室保存。将龙葵种子用75%酒精消毒
1 min后, 置于50%漂白水消毒8 min。无菌水冲洗5
遍, 灭菌滤纸吸干水分后, 播种于1/2 MS培养基上,
每皿20粒, 16 h光照25 ℃环境中萌发。将萌发5 d的幼
苗分别转入以下几种处理的1/2 MS培养基中继续培养:
(1)1/2 MS对照; (2)50 μmol·L−1 CdCl2; (3)10 nmol·L−1表
油菜素内酯(eBL, 人工合成的BR); (4)10 nmol·L−1油菜素
唑 (Brz, BR合成的特异性抑制剂 ); (5)50 μmol·L−1
CdCl2+10 nmol·L−1 eBL; (6)50 μmol·L−1 CdCl2+10
nmol·L−1 Brz。1周后对幼苗进行生理生化分析。试
验设3次重复。ImageJ软件统计幼苗的生长指标。采
用Evans blue染色检测根尖细胞死亡程度[6]; 采用Li
等 [7]的方法分析丙二醛含量; 采用分光光度法检测
H2O2含量 [8]; SOD活性以抑制氮蓝四唑光氧化还原
的50%酶量为1个活力单位; CAT活性测定采用高锰
酸钾滴定法 , 以每分钟分解H2O2的毫克数为1个酶
活力单位 [9]; APX活性测定参照Mishra等 [10]的方法,
以290 nm吸光值每分钟氧化1 μmol·L−1ASA的酶量
为1个酶活单位。
统计学分析结果是建立在至少3组独立的生物
学重复基础之上的, 为证实数据变化和结果的有效
性, 所有试验数据都使用SPSS软件进行误差和显著
性分析(P<0.05)。
2 结果与分析
2.1 油菜素内酯降低了龙葵幼苗对 Cd毒害的耐受性
BR调控植物对寒、旱、盐耐受性的研究已有报
道, 但其在植物响应重金属毒害中的研究较少。为
探测BR在调控植物Cd响应中的生理机制 , 本研究
使用一种人工合成的BR(eBL)和一种BR合成抑制剂
(Brz)对萌发5 d的龙葵幼苗进行处理。表1表明, 10
nmol·L−1的eBL和Brz对龙葵幼苗的正常生长无显著
影响。因此, 选取该浓度进行后续试验。
表 1 eBL 和 Brz 浓度对龙葵幼苗生长的影响
Table 1 Effects of eBL and Brz on the growth of Solanum nigrum seedlings cm
eBL浓度 eBL concentration (nmol·L−1) Brz浓度 Brz concentration (nmol·L−1) 项目
Item 0 1 10 20 50 100 0 1 10 20 50 100
株高
Plant height
3.50±0.70 3.60±0.28 3.40±0.40 2.80±0.19 2.10±0.23 1.60±0.22 3.50±0.23 3.40±0.42 3.41±0.41 2.48±0.22 1.90±0.20 1.34±0.13
根长
Root length
2.50±0.43 2.45±0.32 2.30±0.28 1.80±0.20 1.40±0.09 1.00±0.13 2.50±0.19 2.48±0.30 2.51±0.25 1.40±0.18 1.20±0.16 0.88±0.10

Cd毒害显著抑制了幼苗的生长发育。Xu等 [11]
的研究表明, 50 μmol·L−1 CdCl2对龙葵幼苗的生长即
出现显著抑制作用, 幼苗的株高和根长均显著低于
对照。在本试验的前期处理中也得到了相似的结果
(图1)。添加eBL处理的幼苗, 其株高和根长较单独50
μmol·L−1 CdCl2处理的对照分别降低34%和45%(图
1)。进一步分析表明, eBL显著提高了幼苗的MDA水
平和Evans blue染色程度, 说明eBL处理增加了幼苗
膜氧化伤害的程度, 因而更加抑制了幼苗的生长。
为进一步证实eBL处理对Cd毒害下龙葵幼苗生
长的抑制作用是由于油菜素内酯作用的结果, 本研
究使用BR合成抑制剂Brz对幼苗进行处理。如图1所
示, 与eBL处理的结果相反, Brz处理后的幼苗, 其株
高和根长较Cd处理的对照分别增加 29%和 28%,
MDA水平和Evans blue染色程度较Cd处理的对照分
别降低37%和20%, 进一步证明BR增加了Cd毒害下
龙葵幼苗的氧化伤害, 从而加重了Cd胁迫对幼苗生
长的抑制作用。
874 中国生态农业学报 2013 第 21卷



图 1 BR 对龙葵幼苗株高(A)、根长(B)、MDA(C)和根尖细胞死亡程度(D)的影响
Fig. 1 Effect of BR on the plant height (A), root length (B), MDA production (C), and cell death in root tip (D)
of Solanum nigrum seedlings
CK: 对照 control; eBL: 10 nmol·L−1表油菜素内酯 10 nmol·L−1 epibrassinolide; Brz: 10 nmol·L−1油菜素唑 10 nmol·L−1 brassinazole; Cd:
50 μmol·L−1 CdCl2; Cd+eBL: 50 μmol·L−1 CdCl2+10 nmol·L−1表油菜素内酯 50 μmol·L−1 CdCl2+10 nmol·L−1 epibrassinolide; Cd+Brz: 50
μmol·L−1 CdCl2+10 nmol·L−1油菜素唑 50 μmol·L−1 CdCl2+10 nmol·L−1 brassinazole。下同 The same below.

2.2 油菜素内酯增加了 Cd毒害下龙葵幼苗中 ROS
的累积水平
上述研究表明, BR可能通过增加幼苗的氧化伤
害, 提高了龙葵幼苗对Cd毒害的敏感性, 因而进一
步分析了BR对Cd处理条件下龙葵幼苗ROS水平的
影响。如图2所示, 与正常生长的对照相比, Cd胁迫
幼苗的ROS水平增加了37%。eBL处理后进一步提高
了幼苗ROS含量 , 比正常生长的对照增加58%, 比
Cd胁迫下的幼苗增加15%。相反, Brz处理后显著降
低了幼苗ROS水平, 比Cd胁迫下的幼苗降低21%。表
明BR处理提高了Cd胁迫下幼苗的ROS累积, 因而造
成了氧化伤害。

图 2 BR 对龙葵幼苗 H2O2 水平的影响
Fig. 2 Effect of BR on H2O2 production of Solanum nigrum
seedlings
2.3 油菜素内酯降低了龙葵幼苗抗氧化酶活性
已有研究表明, Cd毒害显著影响了龙葵抗氧化
酶的活性。因而, 进一步研究了BR对Cd胁迫下龙葵
幼苗抗氧化酶的影响。SOD、CAT和APX是细胞中3
种重要的抗氧化酶。如图3所示, Cd胁迫降低了龙葵
幼苗中SOD、CAT和APX的活性, eBL处理后更加抑
制了这些抗氧化酶的活性, 比Cd胁迫下的幼苗分别
降低25%、26%和16.4%。相反, Brz处理后的幼苗不
同程度地提高了这些抗氧化酶的活性, 比Cd胁迫下
的幼苗分别升高25%、8%和10%。研究结果表明, BR
可能通过降低抗氧化酶的活性, 提高了Cd毒害下龙
葵幼苗的氧化伤害, 从而抑制了幼苗生长。
3 讨论与结论
植物激素不但调控了植物的各种生长发育过程,
同时在植物响应逆境胁迫过程中发挥着重要作用[3,5]。
基因芯片和蛋白组学研究已经表明[12−13], BR做为一
类重要的植物激素, 参与了植物对重金属胁迫的响
应过程, 但其中详细的生理和分子机制尚不清楚。
本研究以超富集植物龙葵为材料, 分析了BR对幼苗
响应Cd毒害的抗氧化响应的特征。研究表明, BR通
过降低龙葵幼苗抗氧化酶的活性, 提高了ROS水平,
因而对幼苗造成了氧化伤害和生长抑制。
第 7期 赵 宇等: 油菜素内酯对龙葵幼苗 Cd毒害耐受性的影响 875



图 3 BR 对龙葵幼苗抗氧化酶活性的影响
Fig. 3 Effect of BR on the antioxidative enzymes activities of
Solanum nigrum seedlings
氧化伤害是重金属胁迫的一个重要次生胁迫之
一。植物在受到氧化伤害时, 通过调动多种抗氧化
酶、修复蛋白和一些抗氧化分子对氧化胁迫应答。
然而 , 过量的重金属离子抑制了抗氧化酶的活性 ,
导致活性氧水平迅速升高, 引起细胞的膜损伤, 包
括降低膜流动性 , 以及膜脂过氧化造成的功能丧
失。膜脂过氧化伤害程度和膜损伤的程度可分别通
过分析膜脂过氧化产物MDA的含量和细胞膜透性
来评价[14−15]。本研究表明, Cd处理提高了龙葵幼苗
MDA水平和根尖细胞的死亡率 , 而BR加深了这种
伤害的程度。进一步的研究发现, BR通过降低龙葵
幼苗抗氧化酶活性 , 从而增加了ROS的累积 , 加重
了细胞的氧化伤害, 因而提高了龙葵对Cd胁迫的敏
感性。下一步拟将采用分子生物学手段, 分析BR调
控抗氧化酶活性改变的信号途径。
Cd影响了植物的光合作用, 抑制蒸腾作用。植
物在受到Cd胁迫时, 体内会产生大量的O2−、OH−和
HOO−等活性氧(ROS), 导致蛋白质和核酸等大分子
变性和膜脂过氧化, 改变了细胞膜的渗透性, 从而
使植物细胞内的正常新陈代谢活动紊乱, 最终伤害
植物的生长。植物在长期进化过程中, 形成了一套
防卫体系——各种抗氧化酶, 如SOD、 POD、 CAT、
APX等。还有一些非酶类抗氧化剂如抗坏血酸(AsA)
等[14]。Boominathan等[16]比较了超富集植物天蓝遏蓝
菜 (Thlaspi caerulescens)和 非 超 富 集 植 物 烟 草
(Nicotiana tabacum)在Cd处理下的抗氧化酶含量 ,
发现Cd超富集植物具有更强的抗氧化能力。以往的
研究表明, BR增加了植物对各种非生物和生物逆境
胁迫的耐受性。然而本研究发现, BR通过减低幼苗
抗氧化酶的活性, 增加了植株对Cd胁迫的敏感性。
这一研究丰富了对BR调控植物耐逆性生理机理的
了解, 有助于进一步深入系统地研究BR在调控植物
响应重金属胁迫的信号转导途径。
参考文献
[1] Wei S H, Zhou Q X, Wang X, et al. Potential of weed species
applied to remediation of soils contaminated with heavy met-
als[J]. J Environ Sci, 2004, 16(5): 868–873
[2] 郎明林 , 张玉秀 , 柴团耀 . 植物重金属超富集机理研究进
展[J]. 西北植物学报, 2003, 23(11): 2021−2030
Lang M L, Zhang Y X, Chai T Y. Advances in research of
mechanisms of heavy metal hyperaccumulation in plants[J].
Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica, 2003, 23(11):
2021−2030
[3] Xu J, Wang W Y, Yin H X, et al. Exogenous nitric oxide im-
proves antioxidative capacity and reduces auxin degradation
in roots of Medicago truncatula seedlings under cadmium
stress[J]. Plant and Soil, 2010, 326(1/2): 321–330
[4] Fuhrer J. Ethylene biosynthesis and cadmium toxicity in leaf
tissue of Beans (Phaseolus vulgaris L.)[J]. Plant Physiology,
1982, 70(2): 162–167
[5] Krishna P. Brassinosteroid-mediated stress responses[J]. J
Plant Growth Regul, 2003, 22(4): 289−297
[6] Baker C J, Mock N M. An improved method for monitoring cell
death in cell suspension and leaf disc assays using Evans blue[J].
Plant Cell, Tissue and Organ Culture, 1994, 39(1): 7−12
[7] Li B L, Mei H S. Relationship between oat leaf senescence
and activated oxygen metabolism[J]. Acta Phytophysiologica
Sinica, 1989, 15(1): 6−12
[8] Xu J, Yin H X, Li Y L, et al. Nitric oxide is associated with
long-term zinc tolerance in Solanum nigrum[J]. Plant Physi-
ology, 2010, 154(3): 1319–1334
[9] 李合生. 植物生理生化实验原理和技术[M]. 北京: 高等教
育出版社, 2000: 125−128
Li H S. Experimental principle and technology of plant
physiology and biochemistry[M]. Beijing: Higher Education
Press, 2000: 125−128
[10] Mishra S, Srivastava S, Tripathi R D, et al. Phytochelatin
synthesis and response of antioxidants during cadmium stress
in Bacopa monnieri L[J]. Plant Physiology and Biochemistry,
2006, 44(1): 25–37
[11] Xu J, Yin H X, Li X. Protective effects of proline against cad-
mium toxicity in micropropagated hyperaccumulator, Solanum
876 中国生态农业学报 2013 第 21卷


nigrum L.[J]. Plant Cell Reports, 2009, 28(2): 325−333
[12] Herbette S, Taconnat L, Hugouvieux V, et al. Genome-wide
transcriptome profiling of the early cadmium response of Arabi-
dopsis roots and shoots[J]. Biochimie, 2006, 88(11): 1751–1765
[13] Xu J, Sun J H, Du LG, et al. Comparative transcriptome
analysis of cadmium responses in Solanum nigrum and So-
lanum torvum[J]. New Phytol, 2012, 196(1): 110–124
[14] 孙弘, 刘合刚, 崔谨谨, 等. 外源甘氨酸对镉胁迫下苜蓿幼
苗生长和氧化损伤的影响 [J]. 中国生态农业学报 , 2010,
18(5): 1022–1025
Sun H, Liu H G, Cui J J, et al. Effect of exogenous Gly on the
growth and oxidative damage of alfalfa seedling under Cd stress[J].
Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2010, 18(5): 1022–1025
[15] 李玉龙, 高峰, 孙建杭, 等. Fe 对龙葵幼苗 Zn 毒害耐受性
的影响[J]. 中国生态农业学报, 2012, 20(10): 1334–1339
Li Y L, Gao F, Sun J H, et al. Effects of Fe supplementation
on Solanum nigrum seedling growth under Zn toxicity[J].
Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2012, 20(10): 1334–1339
[16] Boominathan R, Doran P M. Cadmium tolerance and anti-
oxidative defenses in hairy roots of the cadmium hyperaccu-
mulator, Thlaspi caerulescens[J]. Biotechnology and Bioen-
gineering, 2003, 83(2): 158–167

JJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJ
农业资源研究中心“百人计划”招聘启事
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