全 文 ：中国生态农业学报 2013年 3月 第 21卷 第 3期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Mar. 2013, 21(3): 356−364


* 国家自然科学基金项目(29877018)资助
† 共同第一作者: 薛洪宝(1979— ), 男, 博士, 主要从事生物分析技术研究, E-mail: hongbaoxueqhd@126.com; 张晖(1966— ), 男, 硕士,
讲师, 主要研究方向为生物分析技术研究, E-mail: zhanghuicsu688@163.com
收稿日期: 2012−07−26 接受日期: 2012−10−25
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2013.00356
玉米发芽过程重金属镉中毒机理研究*
薛洪宝1† 张 晖1† 梁丽丽1 焦艳娜2 李 晖2
(1. 蚌埠医学院化学教研室 蚌埠 233030; 2. 四川大学化学工程学院 成都 610065)
摘 要 为了深入探讨重金属胁迫下植物重金属代谢过程及机理, 采用有一定重金属镉耐受能力的农作物玉
米为试验材料, 综合研究了不同镉浓度(5~100 μmol·L−1)及不同处理时间下玉米幼苗发芽、不同组织部位镉含
量及分布、镉中毒前后液相色谱−质谱联用谱图(HPLC-MS)、核磁共振氢谱图(1H NMR)和总蛋白氨基酸含量。
结果表明, 低于 50 μmol·L−1的镉浓度能促进玉米发芽, 高于此浓度可明显抑制发芽。镉在胚乳、根、茎、芽
等新鲜组织部位的分布不均, 其分布情况为: 胚乳>根>茎>芽。HPLC-MS和 1H NMR分析结果表明, 玉米中镉
以金属螯合剂(PC)形式络合。总蛋白氨基酸含量分析说明镉胁迫影响营养物质的吸收及合成。重金属镉在整
个玉米幼苗中传输积累过程为: 大量镉吸附在胚乳中, 部分直接吸附在根表面; 部分镉以游离形式存在, 部分
以植物金属螯合剂螯合形式存在; 镉在细胞中与各种蛋白作用, 在胞液、液泡、胞间连丝等细胞器间传递; 镉
经根、茎传输到芽, 此过程主要受浓度梯度影响; 镉的传输过程很可能遵循顺浓度梯度的协助扩散过程, 试验
证明了此过程的合理性。
关键词 镉中毒 镉胁迫 玉米 金属螯合剂 传输积累过程 解毒机理
中图分类号: X503.231 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2013)03-0356-09
Research on cadmium toxicity mechanism during maize germination
XUE Hong-Bao1, ZHANG Hui1, LIANG Li-Li1, JIAO Yan-Na2, LI Hui2
(1. Department of Chemistry Teaching and Research, Bengbu Medical College, Bengbu 233030, China; 2. College of Chemical
Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)
Abstract To explore the mechanism of heavy metal metabolism in plants under heavy metal stress, maize tolerance to cadmium
(Cd) was investigated as a test case. Maize seedling was germinated under different Cd concentrations (5~100 μmol·L−1) and the
processing time was studied. The parameters of maize seedling, Cd content and distribution in different tissues, High Performance
Liquid Chromatography-Mass Spectrometry spectra (HPLC-MS), Nuclear Magnetic Resonance spectra (1H NMR) and amino acids
contents were investigated. The results showed that under Cd stress <50 μmol·L−1, maize germination was significantly enhanced.
When, however, Cd stress exceeded 50 μmol·L−1, maize germination was inhibited. Cd was unevenly distributed in the fresh
endosperm, root, stem and bud tissues in the order of endosperm > radicle > stem > burgeon. HPLC-MS and 1H NMR analyses
indicated Cd chelation in maize in the form of phytochelatin (PC). Total protein amino acid content analysis showed that nutrient
absorption and synthesis were to some extent affected by Cd stress. Cd accumulation and transmission process in maize seedling was
such that while a large amount of Cd was adsorbed on maize endosperm, limited Cd was directly adsorbed on radicle surface. Cd
existed in both free and phytochelatin forms in the maize plant. Cd interacted with various cell proteins and was transmitted among
cytosol, vacuole, cell plasmodesmata and other seedling organelles. Cd was transmitted to burgeon through the radicle and stem and
the transfer process was driven mainly by concentration gradient. The process likely followed along a concentration gradient
facilitated by diffusion, and the rationality of which was proven by the experiment.
Key words Cadmium toxicity, Cadmium stress, Maize, Phytochelatin, Transmitting and accumulation process, Detoxifying
metabolism
第 3期 薛洪宝等: 玉米发芽过程重金属镉中毒机理研究 357


(Received Jul. 26, 2012; accepted Oct. 25, 2012)
在过去 200 年的工业化过程中, 有毒金属的排
放量大大增加, 超过来自自然界的其他金属。这些
有毒金属正不断通过土壤、水和大气流入到生物圈
中[1]。有毒金属通过可食农作物的金属吸收和积累
进入人类食物链 [2], 污染食物 , 进而对人类和动物
健康构成威胁。金属镉(Cd)作为人类十分关注的生
物体非必需金属元素 [3], 其离子更容易被植物的根
系吸收[4]。许多植物体金属毒理学的共性问题可以
通过 Cd2+研究的实例来说明, 因此植物体内有毒金
属镉研究的报道相对较多。镉毒性主要是使信号传
递系统中毒, 导致某些酶转录激活。有研究证明, 对
镉的解毒作用主要通过植物金属螯合剂途径实现。
任何植物本身都具有一定的抵抗有毒金属侵害的本
能, 植物基因多样性导致不同组织对有毒金属镉的
积累差别较大, 而玉米等农作物对镉有高度的耐受
能力。因此本试验选较有代表性的玉米为研究对象。
本试验通过用镉溶液培养玉米幼苗发芽, 归纳
玉米发芽过程中诸多生理特征变化 , 采用显微观
察、质谱法、核磁共振波谱法及毛细管电泳法等研
究方法对玉米幼苗组织中镉的含量、分布、布局及
化学形态进行研究 , 结合前期研究报道 [5−6]总结出
重金属镉在玉米体内的吸收、胁迫、代谢途径和解
毒机理等, 为重金属胁迫下植物重金属代谢过程及
机理研究提供相关生物学信息。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试 验 用 玉 米 (Zea mays L.) 品 种 为 “ 杂 交
31×P138”, 由中国农业大学提供。镉胁迫用 CdCl2,
为分析纯试剂 , 用蒸馏水配制成浓度分别为 5
μmol·L−1、10 μmol·L−1、30 μmol·L−1、50 μmol·L−1、
70 μmol·L−1和 100 μmol·L−1的溶液。
1.2 玉米种子的培养及待分析样品制备
培养过程在参考文献[5,7]基础上略作改动: 精
选 5 批玉米种子, 每批 30 粒, 用蒸馏水冲洗后用
75%的乙醇浸泡杀菌, 再用蒸馏水浸泡 4 h。把玉米
种子放入依次编号的玻璃培养皿中, 100 mL蒸馏水
为空白对照 , 其他分别为配制好的不同浓度的
CdCl2诱导培养液。将每批玉米种子放在滤纸上浸泡
到培养液中, 培养皿放入恒温培养箱, 培养温度 28
, ℃ 明暗时间比为 16 h/8 h。试验重复 3次。分别在
第 1 d、2 d、3 d、4d、5 d测定不同浓度镉处理的玉
米的发芽率和发芽势, 并测定 50 μmol·L−1的玉米的
根、茎、芽长度。
培养后 , 弃去培养液 , 用 pH 为 5.6 的 5
mmol·L−1 EDTA溶液清洗相关植物组织表面以除去
表面吸附的 Cd2+, 用刀片小心切割分离根、芽、胚
乳等组织, 并收集待分析。然后将组织置于烘箱中
加热至 65 , ℃ 干燥约 34 h至恒重。取上述恒重的混
合样品, 粉碎成细小颗粒(粒径<5 μm), 称量作为待
测样品。
1.3 镉含量测定的样品制备
分别称取 1.000 0 g培养 4 d的根、芽、胚乳样
品至消化罐中, 加入 5.0 mL硝酸、2.0 mL双氧水和
1.0 mL 高氯酸 , 使用微波消解仪 (MARSXpres,
Compagnie Electromecanique, USA)消解处理后, 加
热赶酸, 过滤并定容至 10 mL 用于 ICP-AES 分析,
同时作空白试验。电感耦合等离子发射光谱仪
(ICP-AES, IRIS Aduantage type, JY/7015-1996)仪器
条件: 温度 20 , ℃ 相对湿度 65%, 功率 1 150 W, 载
气压力 1.866 atm, 样品流速 2.05 mL·min−1, 检测波
长 228.802 nm。
1.4 显微观察样品的制备
取 1.2中 50 μmol·L−1镉处理的培养 4 d的玉米
芽、茎、根等组织部位样本进行显微观察, 所用仪
器包括光学显微镜(CX21FS1, Olympus Corporation,
Tokyo, Japan)和数码相机(Nikon D7000)。先用去离
子水冲洗组织部位 , 再用刀片进行组织切片(厚度
10 μm)。其中, 进行根及芽切片时, 选择离根尖部或
芽尖部 3 mm 左右位置切片。把切后的薄片组织放
在 载 玻 片 上 , 用 0.02% 邻 苯 二 酚 紫 (PCS,
pyrocatechol sulfonphthalein) 、 2.5% 乌 洛 托 品
-NH3·H2O缓冲液(pH=6.2)染色 15 min, 之后用 2.5%
乌洛托品- NH3·H2O缓冲液(pH=6.2)冲洗, 并在光学
显微镜下观察[8]。
1.5 HPLC-MS及 1HNMR分析的样品制备
所用仪器包括高效液相色谱−质谱仪(HPLC-MS,
waters公司, quattro premier XE)和核磁共振仪(NMR,
Bruker BioSpin, Switzerland)。取一定量 1.2过程中
50 μmol·L−1镉处理的培养 4 d 的样品, 加入无水乙
醚溶解浸泡, 超声浸提 18 h, 过滤残渣, 低温蒸去乙
醚层, 得待测样品。将待测样品分成 2份: 一份用氘
代氯仿溶解做 NMR 分析, 另一份用 80%甲醇溶解,
待 HPLC-MS分析, 同时做相应空白试验。
1.6 毛细管电泳法总蛋白氨基酸分析样品制备
取各氨基酸标准品用 0.1 mol·L−1盐酸配成浓度
为 1.00 g·L−1的溶液, 并于冰箱中 4 ℃保存, 使用时
用 0.1 mol·L−1盐酸稀释至所需浓度。采用同样的方
358 中国生态农业学报 2013 第 21卷


法用 0.1 mol·L−1盐酸配制浓度与上述标准溶液相当
的乙醇胺内标溶液。邻苯二甲醛 /琉基乙醇
(OPA/MCE)衍生剂的配制: 称取 0.200 g OPA 晶体
溶于 5 mL无水甲醇中, 加入 β-MCE 200 μL, 混匀,
用 0.4 mol·L−1磷酸缓冲溶液(pH=9.5)稀释至 50 mL,
置于棕色瓶, 并于冰箱中 4 ℃保存, 每 2~3 d补加 20
μL β-MCE, 每 2周重配 1次。
准确移取氨基酸标准溶液和内标溶液 l.00 mL,
置于 5 mL 反应瓶中混合均匀, 加入 OPA 衍生剂
2.00 mL, 振荡 30 s后, 用 0.45 μm尼龙滤膜过滤, 准
确控制反应时间 2 min, 即得标准待分析样品。
准确称取一定量 1.2过程培养 4 d的样品放入试
管, 再加入 10 mL 6 mol·L−1 HCl溶液, 通入氦气 30
min, 以排除氧气, 密封试管。加热至 110 ℃进行水
解反应 22~24 h, 之后, 水解产物通过滤膜过滤, 真
空干燥去除HCl, 将该溶液转入容量瓶中, 加入 0.02
mol·L−1的 HCl定容。取此样品溶液采用上述方法进
行衍生化处理待分析。
毛细管电泳分析采用 P/ACETM MDQ毛细管电
泳系统 (Beckman)和激光诱导荧光检测器 (laser-in-
duced fluorescence detection, LIF), 检测器激发波长
为 488 nm, 检测波长为 520 nm, 毛细管长度 57 cm,
采用压力(0.5 psi)进样, 进样时间为 3 s, 分离电压 15
kV, 升压时间为 10 s, 毛细管温度保持在 25 ℃。
1.7 统计分析
试验数据采用 Origin 8.0软件统计最大值、最小
值、平均值、标准差和变异系数, 应用 SPSS软件进
行方差分析(LSD法)和主成分分析[9]。
2 结果与分析
2.1 镉胁迫对玉米发芽率和发芽势的影响
通过 50 μmol·L−1Cd2+培养的玉米根茎芽长度测
量(表 1)可知, Cd 胁迫对玉米幼芽生长有明显影响:
培养 3 d、4 d的玉米幼苗较培养 1 d、2 d、5 d的长。
此结果与 50 μmol·L−1Cd2+培养液发芽情况一致。试
验数据显示, 镉在一定浓度和培养天数范围内能诱
导玉米种子发芽, 浓度过高、培养天数过长时将抑
制种子发芽。根、茎芽长情况显示出一定的规律性。
不同 Cd2+浓度培养下的玉米种子发芽率和发芽
势各不相同。在 Cd2+浓度较高, 如: 70 μmol·L−1和
100 μmol·L−1 时, 发芽势几乎为 0, 此浓度下, 种子
中毒严重。在低 Cd2+浓度 , 如 : 5 μmol·L−1、10
μmol·L−1和 30 μmol·L−1时, 与空白样品相比, 种子
发芽率和发芽势均较高 , 且 Cd2+浓度在 5~10
μmol·L−1时, 可显著促进玉米种子萌发(图 1)。数据
显示 , 镉在一定浓度范围内能诱导玉米种子发芽 ,
浓度过高时将抑制种子发芽, 发芽率和发芽势的变
化显示出相应的规律性。培养天数对发芽状况有一
定影响。
2.2 镉胁迫对玉米幼芽不同组织的总镉分布的影响
图 2为 ICP-AES法测定不同玉米组织部位的镉
分布。总体上, 玉米幼芽胚乳干重的镉积累量低于
胚芽(图 2a)。当培养液中镉浓度高于 50 μmol·L−1时,
Cd 在胚芽中积累量显著增加并达到最大值 , 为
21.34 μmol·g−1(干重 ), 当培养液中镉浓度低于 50
μmol·L−1 时, 胚芽中镉的积累水平较低, 小于 2.60
μmol·g−1(干重)。而胚芽中镉含量水平普遍较低, 约
为 2.40 μmol·g−1(干重)。图 2b显示低镉培养液浓度
下(≤50 μmol·L−1), Cd 在不同玉米组织干重中积累
量的顺序为: 根>茎>芽>胚乳。当培养液 Cd2+浓度不
超过 50 μmol·L−1时, 玉米幼芽胚乳鲜重的 Cd 积累
量高于胚芽 (图 2c), 当培养液 Cd2+浓度高于 70
μmol·L−1时, 情况恰好相反。图 2d 显示不同玉米组
织部位鲜重的 Cd 分布顺序为: 胚乳>根>茎>芽。产
生该结果的主要原因是胚乳和芽有不同的失水率
——胚乳失水率更低。因此, 镉的传输过程很可能遵
循顺浓度梯度的协助扩散(即: 镉在不同新鲜组织部
位中的传输主要是由于存在一定的浓度梯度, 在此
浓度梯度下发生的扩散现象)过程, 而不是逆浓度梯
度的主动输出过程。

表 1 50 μmol·L−1Cd2+培养的玉米根、茎、芽长度情况
Table 1 Length of burgeon, stem and radicle of maize cultivated in 50 μmol·L−1 Cd2+
纯水 Pure water 50 μmol·L−1 Cd2+ 培养天数
Cultivating day
(d)
根长
Radicle length (mm)
茎长
Stem length (mm)
芽长
Burgeon length (mm)
根长
Radicle length (mm)
茎长
Stem length (mm)
芽长
Burgeon length (mm)
1 0a 0a 0a 0a 0a 0a
2 0a 1a 6a 0a 2a 7a
3 19±1b 6a 14a 18±1b 7a 13a
4 25±1b 20±1b 22±1b 24±1b 18±1b 23±1b
5 27±1b 24±1b 24±1b 14a 9a 16±1b
同列数据后不同字母表示处理间差异显著(P<0.05) Different letters after data within the same column indicate significant difference at 0.05
level. 下同 The same below.
第 3期 薛洪宝等: 玉米发芽过程重金属镉中毒机理研究 359




图 1 不同 Cd2+浓度及不同培养天数的玉米发芽率(a)和发芽势(b)
Fig. 1 Seed germinating rate (a) and viability (b) of maize cultivated in different Cd2+ concentrations for different days



图 2 不同 Cd2+浓度培养 4 d的玉米组织镉含量分布(ICP-AES)
Fig. 2 Cd distribution in different maize seedling tissues cultivated in different Cd2+ concentrations for 4 days (ICP-AES)
a: 胚乳、胚芽干重 Dry weight of endosperm and embryo; b: 胚乳、胚芽(含茎、芽、根)干重 Dry weight of endosperm and embryo (including
burgeon, stem, radicle); c: 胚乳、胚芽鲜重 Fresh weight of endosperm and embryo; d: 胚乳、胚芽(含茎、芽、根)鲜重 Fresh weight of endosperm
and embryo (including burgeon, stem, radicle).

正如上述 , 当培养液中 Cd2+浓度较低 (≤50
μmol·L−1)时, 在不同的玉米组织部位总镉积累量也
较低。然而, 与低 Cd2+浓度相比, 当培养液 Cd2+浓
度达到 70 μmol·L−1时, Cd积累量急剧增加。此阶段,
植物体内的重金属中毒防御系统可能由于 Cd2+浓度过
高而遭到严重破坏, 因而有大量 Cd被植物体所吸收。
与发芽率和发芽势结果相对应, 可以明显看出
玉米幼苗在较高 Cd2+培养浓度 (70 μmol·L−1, 100
μmol·L−1)下受到了较为严重的毒害作用。为了分析
Cd在新鲜组织内部的分布情况，对芽、茎、根等组
织进行解剖、显微观察其生理状况, 其研究结果见
镉中毒前后显微结构分析。
2.3 镉胁迫对玉米幼芽不同组织显微结构的影响
玉米芽、茎、根等部位中游离 Cd2+分布可以通
360 中国生态农业学报 2013 第 21卷


过 PCS染色法来确定。PCS不仅与 Cd2+反应, 而且
与其他各种离子如 Al3+、Fe3+、Zn2+、Cu2+等发生反
应。然而, 由于这些元素离子的浓度远远低于试验
培养过程中的 Cd2+浓度, 试验证明, 其产生的干扰
很小。
经 PCS染色的玉米各器官不同横截面切片照片
如图 3 所示。Cd-PCS 配合物颜色较深。经过 Cd2+
溶液培养的玉米幼苗中, Cd2+在芽、茎、根等部位的
积累、分布无明显规律性。从图中可以看出,Cd2+积
累较多, 且大部分 Cd2+吸附在细胞壁上, 在细胞质
及细胞核中的分布很少。
图 3Ⅰa 是低分辨率 Cd2+处理的芽截面显微照
片, 芽截面的颜色较深。叶肉染色比较严重, 可能主
要是因为有大量的 Cd2+在叶肉细胞中积累; 从高分
辨率照片(图 3Ⅰc)可以看出镉积累分布不均。一些
关于其他金属的报道也有相似结果, 如: 铝在茶叶
表皮细胞的积累[10], 在对所有铝积累植物(10 种)的
研究中 , 生长在巴西中部的 cerrado 植物 [11]和
Richeria grandis Vahl[12]的分析结果也显示植物的叶
表皮细胞可能是金属积累的重要场所。
从茎截面的低分辨率显微图(图 3Ⅱa)可以看出,
Cd2+处理的茎截面染色较轻微, 仅有部分茎细胞着
色; 在幼茎截面中心, 可以清楚地看到类木质部组
织。图 3Ⅱc 是 Cd2+处理的茎横截面高倍显微图,
可以看出有大量的 Cd2+在细胞壁上积累(箭头所示),
此结果在低倍显微图上也可明显看出。然而, 幼茎
的木质部只能轻微着色。
根在植物发芽成长过程中起重要作用。Cd2+处
理的根截面显微图(图 3Ⅲa)显示, 主根和须根均呈
现出不规则的深颜色; 须根的外表皮细胞有明显的
Cd2+积累(图 3Ⅲc), 须根的外表皮细胞在吸收水分
和营养物质包括各种金属离子方面活性较高, 大部
分有毒金属如镉等能被此类细胞所吸收。
未经 Cd2+处理的空白组织样品的显微图(图 3Ⅰ
b、d,Ⅱb、d，Ⅲ, b、d)显示, 不管是低分辨率还是
高分辨率显微图片，经 PCS染色后的空白样品的芽、
茎和根显微照片上均观察不到 Cd-PCS 配合物所显
示的较深的颜色 , 而是呈较浅的颜色 , 说明没有
Cd2+积累。
图片的结果表明在玉米幼苗的芽、茎和根中
Cd2+积累及分布不均匀。与其他组织相比, 茎中的
Cd2+积累量较少, 芽中积累较多。推断 Cd2+可能更
容易在叶绿体中积累, 光合作用也可能会因 Cd2+的
累积而遭到削弱。这与 Krantev等[13]的研究相吻合。
此外 , 组织切片深颜色的不规则性也可能与
PCS 的渗透性有关。尽管芽、茎、根等组织细胞内
没有被明显着色, 亦不能排除细胞内 Cd2+的存在。
PCS在细胞内含物中的各个部位渗透性尚无法确定,



图 3 游离 Cd2+在 50 μmol·L−1 Cd2+培养 4 d(a、c)及空白对照(b、d)的玉米幼苗芽(Ⅰ)、茎(Ⅱ)和根(Ⅲ)的低分辨率
(×100)(a、b)和高分辨率(×1 000)(c、d)分布图(图中白色箭头示 Cd2+)
Fig. 3 Low (×100) (a, b) and high(×1 000) (c, d) resolution microphotographs of free Cd2+ localization in burgeon (Ⅰ), stem (Ⅱ)
and radical (Ⅲ) of maize seedlings under 50 μmol·L−1 Cd2+ for 4 days (a, c) and blank (b, d) (white arrows indicate Cd2+)

第 3期 薛洪宝等: 玉米发芽过程重金属镉中毒机理研究 361


因此, 深蓝色只是游离的 Cd2+被 PCS所着色的结果,
所以显微观察结果与 ICP-AES测定结果有一定差异
性(图 2)。为了确定镉的存在形态, 又对其做了质
谱、核磁共振氢谱等研究。
2.4 HPLC-MS和 1H NMR分析结果确定玉米幼芽
镉中毒后有含硫化合物的存在
50 μmol·L−1镉处理的玉米幼苗提取液色谱图中
(图 4a上), 除在 14.03 min和 15.38 min处有相应的
两特殊峰外, 其余各处与空白样品几乎相同。在色
谱分离基础上, 以质谱数据获得其中间碎片信息。
通过对样品 14.03 min 处特征色谱峰成分进行
TOF-MS 分析, 从其色谱紫外检测器柱后质量碎片
图 4b可知: 质谱峰质核比 m/z 306.1和 307.1分别为
脱氢还原型谷胱甘肽(GSH)和还原型谷胱甘肽所显
示的质量片段。图 4c是样品 15.38 min处特征色谱
峰的质谱图(图 4c上)及空白样品质谱图(图 4c下)。



图 4 50 μmol·L−1 Cd2+培养 4 d的玉米及空白和标准样品 HPLC-MS分析结果
Fig. 4 HPLC-MS results of maize seedlings cultured under 50 μmol·L−1 Cd2+ for 4 days, control sample and standard sample
a: 玉米样品(上)及空白(下)的 HPLC谱图 HPLC spectrograms of maize seedling (upper) and blank control (lower); b: 14.03 min处玉米样品
质谱图 Mass spectrum of maize seedling at 14.03 min; c: 玉米样品(上)及空白(下)的 15.38 min处质谱图 Mass spectrums at 15.38 min of maize
seedling (upper) and blank control (lower); d: 还原型谷胱甘肽质谱图 Mass spectrum of reduced glutathione; e: 氧化型谷胱甘肽质谱图 Mass
spectrum of oxidized glutathione; f: 半胱氨酸质谱图 Mass spectrum of cysteine.

362 中国生态农业学报 2013 第 21卷


与空白样品相比, 50 μmol·L−1 镉处理的玉米幼苗提
取液的质谱图更为复杂, 但与标样对比可以清晰看
到: 质核比 m/z 为 307.1、613.2 分别是还原型谷胱
甘肽和氧化型谷胱甘肽。与含硫化合物标准样品质
谱图(图 4d、e、f)对照, 虽未见明显单一含硫化合物
存在, 但从样品质谱图的复杂形势可发现, 体系中
可能存在植物螯合剂(PCs)等。
核磁共振氢谱(图 5)结果表明: 与空白样品相比,
样品中的活化氢明显减少, 并且有较强的金属螯合
物峰。此峰氢的化学位移不同于其他常规有机化合
物, 其化学位移出现在 0 ppm以上。除此之外, 其他
位置的化学位移, 谱峰强度几乎完全相同。由此可
见, 玉米 Cd 中毒后组织内部活性氢含量大大降低,
并出现特殊的金属螯合物峰。结果表明, Cd 中毒的
样品组织中可能有植物含硫化合物的存在, 其存在
可能起到一定的重金属解毒作用。



图 5 50 μmol·L−1 Cd2+培养 4 d的玉米样品及空白 NMR
图(1H: 氘代氯仿溶剂; a: 空白; b: 样品)
Fig. 5 NMR spectrums of control and maize seedling cultured under
50 μmol·L−1 Cd2+ for 4 days (1H: CDCl3; a: blank; b: maize sample)

Cd 中毒会对幼芽生长发育有一定影响, 表现最
为明显的是不利于光合作用发生, 营养物质的吸收
及合成受到影响, 含量降低, 为了分析其毒影响程
度, 对样品进行总蛋白质氨基酸含量分析。
2.5 镉胁迫对玉米硫醇化合物及总蛋白氨基酸含
量的影响
毛细管电泳法测定氨基酸含量结果见表 2。由
结果可知, 镉胁迫下玉米幼苗蛋白质(氨基酸)总量
减少 3.37%, 除半胱氨酸、缬氨酸、脯氨酸、精氨酸
略有增加外, 其他氨基酸含量均减少, 其中以谷氨
酸减少量最多。产生此结果的可能原因是, 植物重
金属镉中毒后, 重金属在叶绿体上沉积, 进而影响
光合作用, 影响有机物包括蛋白质的合成, 减少了
营养成分的积累, 不同种类的氨基酸合成受到不同
的影响。镉胁迫下玉米幼苗总蛋白含量及氨基酸含
量的变化间接反映了玉米重金属镉中毒生理状况。
3 讨论与结论
试验结果表明, Cd 胁迫对玉米的发芽情况, 包
括根茎芽长、发芽率、发芽势等有一定影响, 并呈
一定规律性变化。当 Cd2+浓度在 10~50 μmol·L−1范
围时, 发芽势达最大值, 是激活玉米种子发芽的适
宜浓度范围。除培养 5 d 的样品外, 培养液中 Cd2+
浓度对玉米幼苗中镉含量的影响均呈线性变化。玉
米幼苗样品中不同组织部位的镉含量差别较大, Cd
含量依次为胚乳>根>茎>芽。不同部位新鲜组织切片
显微观察显示: 镉在不同组织内分布不均匀, 根>芽>
茎。HPLC-MS、1HNMR 结果显示有植物金属螯合
剂的存在。当培养液中有一定量 Cd2+存在时, 会诱
导合成植物金属螯合剂, 当浓度高于某一值时, 抵
抗金属毒性防御系统遭到破坏, 生长发育受到一定
的影响, 营养物质含量降低, 总蛋白氨基酸含量也
有一定幅度的下降。镉胁迫下玉米幼苗含硫化合物
含量有所变化, 但并未发现相应规律性。
镉能经植物根系传输到叶 , 除生物利用度外 ,
吸收活性和传输速度也能决定金属暴露水平及金属
积累量。假设进入根细胞的仅有金属离子发挥其毒
性作用并引起毒性反应, 同样其他转移到芽和叶的
金属离子也会发挥类似毒性作用。过去 20年中, 阐
明植物细胞吸收 Cd2+的分子学理论已取得重大进展,
很早以前人们就知道过量的必需元素阳离子 , 如
Zn2+和 Ca2+等对 Cd2+中毒有拮抗作用[14]。此结果可
用吸附作用的相互竞争来解释。在 20 世纪 90 年代
中期, 人们确定了植物体内确实有 Fe2+、Zn2+及其他
必需阳离子的吸收系统[15−16]。为确定这些运输载体
是否可能对 Cd2+的吸收也有促进作用, 假定 Cd2+是
一种非必需金属离子, 无专门吸收机制。Cd2+及其他
非必需金属离子将经过必需阳离子吸收系统进入植物
细胞。在麦蛋白 LCT1 上显示了上述作用, 原因可能
是由于基因不均一表达所致。在酵母细胞中 LCT1 能
调节 Ca2+的流入和传输, 同时对 Cd2+亦非常敏感[17]。
此事实能为 IRT1 是 Cd2+流入根细胞的载体提供有
效的间接证据[18]。
传输过程可以通过根细胞对金属络合路径的活
性来确定植物地上部分迁移速率, 金属络合路径有
特定的流动性, 金属是通过根经过内皮以一种有效
第 3期 薛洪宝等: 玉米发芽过程重金属镉中毒机理研究 363


表 2 50 μmol·L−1 Cd2+培养 4 d对玉米幼苗氨基酸含量的影响
Table 2 Amino acids analysis of maize seedlings under 50 μmol·L−1 Cd2+ for 4 days c/%
氨基酸
Amino acid
0 μmol·L−1 Cd2+ 50 μmol·L−1 Cd2+ 差值
Decrement
氨基酸
Amino acid
0 μmol·L−1 Cd2+ 50 μmol·L−1 Cd2+ 差值
Decrement
Glu(Gln) 2.011 45 1.893 98 0.117 47 Met 0.184 20 0.172 79 0.011 41
Asp(Asn) 0.733 19 0.676 11 0.057 07 Ala 0.820 17 0.810 56 0.009 61
Phe 0.529 94 0.479 46 0.050 48 Leu 0.301 57 0.293 21 0.008 37
Ile 1.196 11 1.150 35 0.045 76 Lys 0.278 01 0.275 46 0.002 56
Tyr 0.292 82 0.263 72 0.029 10 Cys 0.280 24 0.299 81 −0.019 56
Ser 0.492 61 0.465 96 0.026 66 Val 0.369 27 0.391 93 −0.022 66
Gly 0.381 71 0.357 20 0.024 51 Pro 0.783 51 0.807 20 −0.023 69
Thr 0.363 80 0.342 26 0.021 54 Arg 0.381 75 0.409 85 −0.028 10
His 0.258 58 0.243 25 0.015 34
总含量
Total content
9.658 94 9.333 09 0.325 85 差值
Decrement
— — 0.033 74
c/%表示占样品总质量的百分数 c/% indicates the percentage of total mass.

辐射状单一路径进入植物体内, 最终依靠木质部吸
收活性, 从木质部薄壁组织细胞流入木质部。结合
Clemens[3]报导的有毒金属镉在植物体内传输过程
可知: 镉作为植物体非必需元素, 体内无相应传输
系统, 因此 Cd2+是通过 Fe2+/Zn2+传输器——ZIP族蛋
白或 Ca2+传输器/传输通道进入细胞组织内部。在胞
液中, Cd2+更可能是以螯合态存在, 而不是“自由”的
水合离子。最初配体可能是 GSH[二谷胱甘肽-Cd配
合物 , GS2-Cd(II)]及其他未知分子 [X-Cd(II)][19]。
GS2-Cd(II)与合成 PCS 的表达酶相互作用, 激发 PC
的合成。PC-Cd(II)配合物(低分子量配合物, 低 MW)
可以通过未知的 ABC-型传输器传到液泡中。在液泡
中形成高分子量(高 MW)含硫配合物。目前此高分子
量配合物代谢途径尚不清楚, 可能是一种短暂存在
形式。液泡螯合的第 2个路径可能是 Cd2+/H+抑制端
口, 在哥伦比亚种野生拟南芥中称此蛋白为 CAX2。
有一部分液泡中的 Cd2+以高分子量配合物或未知配
合物 [Z-Cd(II)-Z]形式存在 , 这些配合物能通过
AtNramp3蛋白的作用流回胞液。单一迁移过程需要
有高亲和性的配体[GS2–Cd(II), X-Cd(II)][20], 且有
较高的流动活性。木质部的吸收能力取决于周围细
胞质膜的流动泵输出能力, 拟南芥菜中称此流动泵
为 AtHMA4。通常认为 PC-Cd(II)配合物有一定的流
动性。Cd2+经根、茎等组织部位传递到芽细胞, 进入
叶绿体, 通过与叶绿体中Mg等金属交换, 影响植物
体正常光合作用。
结合以上试验结果, 并综合前人研究结果, 发
现玉米发芽过程中, Cd2+主要是通过根吸收, 经茎等
若干细胞器官传递转移至叶肉细胞, 并在各个细胞
组织上积累。镉在整个植物体内的流通、配合、传
输过程见图 6。植物中 Cd2+可能以金属螯合剂(PC)形
式络合。镉的传输过程很可能遵循顺浓度梯度的协助
扩散过程, 而不是逆浓度梯度的主动输出过程。


图 6 Cd在玉米幼苗体内的吸收、配合及传输过程示意
图(综合 Clemens[3]的研究并做改动)
Fig. 6 Sketch map of processes involved in the uptake,
sequestration and translocation of Cd in maize seedling
(according Clemens’s research[3] with changes to a certain extent)
X: 未知分子 Unknown molecules; GSH: 还原型谷胱甘肽
Reduced glutathione; PC: 植物金属螯合剂 Phytochelatins; 低 MW:
低分子量配合物 Low molecular weight complex; 高 MW: 高分子量
配合物 High molecular weight complex; Nramp3: 传输蛋白 Trans-
mission protein; HMA4: 细胞质膜流动泵 Plasma membrane flowing
pump; ATP: 三磷酸腺苷 Adenosine triphosphate; ADP: 二磷酸腺苷
Adenosine diphosphate.
364 中国生态农业学报 2013 第 21卷


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