全 文 ：广 西 植 物 Guihaia 22(1)：92— 96 2002年 1月
／＼ 价铬污染对水车前叶片生理生化及
细胞超微结构的影响
徐勤松，施国新，杜开和
(南京师范大学生命科学学院，江苏南京 210097)
摘 要：以培养在铬(VI)浓度梯度的污水中6 d的水车前为实验材料，分析了叶绿素含量和抗氧化酶系统的
变化，并用透射电镜观察了叶细胞超微结构的损伤 实验结果表明：(1)叶绿素含量在 0．1 rag／1 浓度达到最
高，而后下降。而可溶性蛋白则一直成下降趋势；(2)SOD(超氧化物歧化酶)、POD(过氧化物酶)、CAT(过氧
化氢酶)活性影响明显 ：三者分别在 0．1 mg／I 10 mg／I 、和 1 mg／L处理浓度有抗性峰出现，随处理浓度的继
续增大则下降；(3)对超微结构造成不可逆损伤，特别是对叶绿体、线粒体和细胞核：叶绿体膨胀，被膜破裂和
消失，叶绿体解体；线粒体脊突膨胀和空泡化；细胞核变形，染色质凝集和核质解体 ，核膜破裂。并根据实验结
果初步讨论了重金属对植物的毒害机制。
关键词：水车前；铬；污染；生理生化；超微结构
中圈分类号：Q945 11 文献标识码 ：A 文章编号：1000—3142(2002)01—0092—05
Effects of Cr(VD on physiol ogical and
ul trastructural changes in I eaves of
Ottelia alismoides(L．)Pers
XU Qin—song，SHI Guo—xin，DU Kai—he
(College tile 5c t ，Nanfing N~maE unM~dty．Nan)ing 210097，China
Abstract：Ot~tm atfsmoides(I ．)Pers was cultivated in water medium polluted with Cr(VI)of different gradi—
ell concentration for 6 days．Chlorophyll content and antioxidant enzyme systems changes were如alyzed and
the u Ltrastructura[damages of lea[ceU5 were observed using e Lectron microscopy
． The conclusion showed that
(1)chloropy[I content reachedthe highest point at 0．1mg／I concentration and decreased aft￡rward．while s0Iu
hie protein content decreased with the increasing of cultural concentration；(2)Cr(VI)had a bad effect 0n the
activity of superoxide dismutase(SOD)，peroxidase(POD)and catalase(CAT)：they had a resistant peak at
0-1，10，and 1 mg／I—respectively and decreased afterward；(3)Cr(VI)induced non reversIh【e dama e of ultra
—
structure，especially of the chloroplast，mitochondrla and nucleus． That was the swel【ing 0f chloroplast，disrup-
tion and dLsappearance 0f chLoropLast membrane，disintegration of chloroplast at Last；the sweIlLng of cristae 0f
mitochondria and vacuotat]on of mitochondrla；deforming of nucleus，agg[utination of chromatin 0f nucleus
． de一
收稿 El期 ：2000-10-08
怍者简介 ：棘勤按 (1 976一)·男，山东临沐人，在读{页士研究生 ．主要研究重金属污染水对术生植物的毒害髟响
。
基金项目：国家 白I=}；科学基盘资助项 目(编号：39770049)
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1期 德勤松等：六价铬污染对水车前叶片生理生化及细胞超微结构的影响 93
ruct n of nucleo~8sm arld d[smpfiorL of nuclear membralie．The toxic mechanism of heavy metaIs was dis—
cussed pr[marity。n the base of experimental consult．
Key words：Ott m alis toides(1 ．)Per；Cr(V1)}pollution physidogy and chemistry；o|trastrueture
重金属干扰了许多人体和其他生物体内的必
不可少的酶的活性，并且在水生生态系统中由于生
物放大作用而常常使重金属毒害问题复杂化。 。因
此，如何监测水环境中的重金属污染，对及时治理
具有重要意义。
铬(vI)作为工业“五毒”之一，是一种毒性较大
的致畸、致突变剂 ，前人详细研究了它对种子萌
发、细胞分裂和染色体的影响。 。而关于对水生植
物尤其是对沉水植物的影响的报道则较少，本文即
以沉水植物水车前(Oudia al~noides(I ．)Pers)为材
料，系统研究了铬(V1)对它生理生化的影响及细胞
超微结构的损伤，以探讨重金属对植物的毒害机
理，也为水环境污染的监测和治理提供有价值的参
考
1 材料和方法
1．1实验材料
水车前(Otdia alismoides(I ．)Pers．)，又称水
带菜，属于水鳖科，采自江苏胜浦镇。
1．?实验方法
将实验材料放在大玻璃缸(20 L)中用蒸馏水驹
化培养，7 d后选取状态一致、大小相当的植株，移
种在含K 。O (AR)的培养液中，浓度梯度为 0．1、
1、10、50、100mg／I (以纯 0r计)，另设对 照为 0。
培养第 6 d，分析生理生化指标井观察超微结构的
损伤。
1-2．1酶液 的制备 将 叶片放 在加 了适 量 jO
mmol／I 磷酸缓冲液(pH7．8)的研钵中，冷冻研磨，
10 000 g离心 20 rain，上清液分析 SOD、POD、CAT
活性和可溶性蛋白含量 的变化。
1．2．2叶绿素含量的测定 分光光度法“ 。单位：
mg／g·FW。
1-2．3叶片SOD活性的测定 化学比色法，按从南
京建成生物工程研究所购买的试剂盒的顺序测定。
单位 ：NU／g·FW。
1．2-4叶片 POD 活性 的测定 愈创木 酚法 。单
位：470 nm／min．g·FW。
1-2-5叶片CAT活性的测定 一般分光光度法，按
从南京建成生物工程研究所购买的试剂盒的顺序
测定 。单位：U／g·FW。
1．2．6可溶性蛋白含量的测定 考马斯亮蓝染色
法“ ，以结晶牛血清清蛋白为标准，测 595 nm处光
吸收。单位 ：mg／g·FW。
1．2．7叶细胞超微 结构的 电镜观 察 处 理第 6天，
取拳卷幼叶，用 2．5 戊二醛和 2 锇酸双重固定，
丙酮系列脱水 ，Epon 812包埋，LKB超薄切片机切
片，切片经醋酸双氧铀一柠檬酸铅双重染色，于 Hi-
tachi 600一A一2型透射电镜下观察并拍照。
2 结 果
2．1铬污染对叶绿素吉■的影响
从图 1看出，低浓度(0．1～1 mg／I )对叶绿素
的台成有刺激作用，0．1 mg／I 处理达到最高点，随
污染浓度的增大对叶绿素的破坏程度也增大，表现
为叶绿素含量下降比较明显，100 mg／I 处理使含量
仅为对照的 17 。
2．2铬污染对叶片SOD活性的影响
SOD活性在 0．1 mg／L处理处有一抗性峰出
现，而后下降，100 mg／I 处理使 SOD活性下降了
35．61 (图 2)
2．3铬污染对叶片 POD活性的影响
POD活性从 0．1～10 mg／I 处理呈上升趋势，
随浓度的继续增加则呈下降趋势(图 3)。
2．4铬污染对叶片CAT活性的影响
CAT活性在 1 mg／L处理有一抗性高峰，50
mg／I 处理使酶活性降为对照的 4．2 ，浓度增大为
100 mg／I 时则几乎测不出酶活性(图 4)。
2．5铬污染对可溶性蛋白台■的影晦
可溶性蛋白含量随处理浓度的增大一直呈下
降趋势，100 mg／I 处理使含量降为对照的 24．2
(图 5)。
2．6铬污染对叶细胞超徽结构的损伤
2 6-1叶绿体 叶绿体是植物细胞中较大的细胞
器，正常叶细胞中的叶绿体通常为椭圆形，基粒类
囊体片层垛叠整齐紧密，与闻质类囊体相连，被膜
完整(图版 I}1) 0．1～1 mg／I 处理的叶绿体无明
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94 广 西 植 物 22卷
蛔
如
档
蜡
铬浓度
Cr cOOCeOtratiOn
(mgtL)
图 1 铬污染对叶绿索古量的影响
窖．1 Effect (VD on thlomphylt content
!}冬
。
已
铬浓度
Cr CONCentratioN
(Ⅲ L)
图 3 铬持染对 POD活性的影响
F ．3 Effect of Cr(V1)on activity of POD
毛
窖
O O l lO 50 10O
铬浓度
Cr concentratiOn
(ⅢE／L)
图 5 锦f‘染对可溶性蛋白古量的影响
Fig．5 Effc—L ()f C r rV】)on content of soluble protein
掣{基
喜
铬浓度
Cr CONCentrat ioN
(mgtL)
图 2 铬污染对 SOD活性的影响
F ．2 Effect ofCr(Ⅵ )oil．activ~y of SOD
80
64
寒三苣 粕
§ 。
16
0
0 0 1 l l0 50 100
铬浓度
Cr concentration
(ug／L)
图 4 铬污染对 CAT活性的影响
Fig．4 Effect of Cr(V1)on activity of CAT
显变化 ，10 mg／I 的浓度则使叶绿体膨胀，类囊体排
列无序(图版 I：3)；叶绿体膨胀成圆球形，类囊体
片层明显肿胀，部分膜破裂和类囊体模糊(图版 1：
4)，最终肿胀的类囊体散出(图版 I：5)，叶绿体解
体(图版 I：6，7)
2．6．2线粒体 正常线粒体为比较规则的椭圆形，
双层膜清晰，脊突呈管状(图版 I：2)。10 mg／I 处理
的线粒体膨胀成圆形，脊突肿胀和排列紊乱(图版
I：7，11)，50 mg]l 的浓度则使线粒体的脊突明显
减少，被膜模糊，明显空泡化(图版 I：6)。
2·6．3细胞核 正常叶片细胞的细胞核为椭圆形，
双层膜清晰、完整，染色质分布均匀，棱仁清楚(图
版 I：8)，铬污染后，细胞核首先变形，核膜内折(图
版 I：10)，有的核膜之间形成空泡状(图版 I：9)，
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1期 徐勤松等；六价铬污染对水车前叶片生理生化及细胞超微结构的影响 95
细胞核核仁散开 ，染 色质凝集，部分核质融解 (图版
I：12)和核膜破裂，细胞核变成空核(图版 I：13)。
3 讨 论
叶绿素作为植物光合作用的主要色素，含量的
高低与植物光合作用水平的强弱密切相关，尽管低
浓度(0．I～1 mg／1 )的Cr(vI)处理刺激了叶绿素
的合成，但 1 mg／I 处理已表现出下降趋势，尤其是
高浓度 (100 mg／I )对 叶绿 素 的破 坏 更 明显 ，AL
berte 的研究认为其主要原因是由于叶绿体片层中
捕光Chla／b—Pro复合体合成受到抑制 而叶绿体是
植物细胞所特有的能量转换细胞器，它受重金属的
影响也比较明显，随铬污染浓度的增大对它的破坏
呈加重趋势，这表现为叶绿体膨胀、类囊体排列紊
乱、被膜消失和叶绿体解体。由于叶绿体中SOD活
性的下降使对 0 的歧化能力减弱，从而导致高浓
度的 0。 通过 Harber—Weis反应转化成氧化能力
很强的羟自由基(OH‘)而直接攻击膜脂不饱和脂
肪酸，引发过氧化作用，导致对叶绿体的损伤 。我
们发现在同一个细胞中，即使是同一细胞器(叶绿
体)对同一种逆 境胁迫的 反应也不 同(图版 I：7)，
这种对逆境反应的不同步性，可保证细胞在逆境下
适应性生理调节和正常生理功能的同时进行，对提
高植物对逆境的抵抗力有重要意义。由于重金属 cr
(V1)污染既导致了叶绿素含量的下降，又对叶绿体
的正常结构造成不可逆损伤。所以，最终将严重影
响植物的光合作用的正常进行。
线粒体是植物有氧代谢的非光台作用能量转
换的中心，它含有多种酶类，参与细胞的氧化作用、
电子传递和能量转换 ，是细胞进行呼吸作用的场
所。前人的研究 指 出植物细胞的线粒体的膜脂脂
肪酸不饱和程度较高，线粒体又是高效率利用分子
氧的亚细胞器，部分基态分子氧能在线粒体内膜进
行单电子还原成超氧物自由基。彭鸣等 ”的研究认
为线粒体是比较敏感的细胞器。由于重金属cr(vI)
胁迫严重破坏了体内抗氧化酶系统，尤其是SOD的
活性，这必将使在植物体内高度积累的o 启动并
加剧膜脂过氧化作用，从而破坏膜的通透性，导致
线粒体脊突的膨胀和空泡化等致死性损伤。这表明
重金属 Cr(VI)抑制了线粒体的正常生理功能，破坏
了线粒体内的氧化磷酸化循环和电子传递系统。最
终导致细胞呼吸作用减弱。
与叶绿体和线粒体相比，细胞核是比较稳定的
细胞器，较高浓度(50～100 rag~1 )的 cr(V1)，污染
使细胞核变形，染色质凝聚，核质解体和成为空核。
细胞核的变形和核膜内折会严重影响正常基因的
活动和细胞内蛋白质合成及细胞分化 ”。染色质的
凝集和核质解体是由于铬渗入细胞后与细胞核内
的核酸等大分子物质结合，从而使DNA凝集，导致
染色体断裂和畸变。 的结果 ，是对细胞核的不可逆
损伤。细胞核作为细胞生命活动的调控中心，对它
的破坏将导致细胞生命活动的紊乱 ，最终导致细胞
死亡 。
由此推测重金属对植物的毒害机理之一是通
过破坏植物体内的酶促保护酶系统——SOD、POD、
和 CAT的活性，导致活性氧对细胞器膜的不饱和
脂肪酸的过氧化作用，对细胞器产生不可逆损伤，
从而破坏植物进行正常生命活动的结构基础；另一
机理可能是重金属与蛋白质结合而使蛋白质变性，
使膜蛋白的功能改变和功能丧失 最终都是通过破
坏细胞的膜系统而对植物造成伤害。
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图 版 说 明
Ce叶绿体膜 ；CP一叶绿体 ；CW一细胞壁{Mi一线粒体 }N一细胞核 }Nm一核膜；Nu一核仁。
囤版 I
1．对照叶细胞的超微结构 ，示正常的叶绿体(×1 5 000)；8．对照叶细胞中的线粒体 (×15 000)；8-10mg／1 处理的叶细
胞，示叶绿体膨胀，类囊体排列紊乱(×17 ooo)；4．1OOmg／1 处理的叶细胞，示圆球形叶绿体和类囊体膨胀(×17 000)；
5．50mg／I 处理的叶细胞，示叶绿体被膜破裂(×17 000)；6．50mg／I 处理的叶细胞，示叶绿体解体和线粒体空泡化(×
17 000)；7．10mg／I 处理的叶细胞，示叶绿体勰体，线粒体膨胀和细胞器囊泡化(×20 000)}8．对照叶细胞的超微结构t
示细胞核和核仁(×6 000)；9．100 mg／1 处理的叶细胞，示染色质凝集和核周腔明显膨太(箭头)(×8 000)；10．50 mg／I
处理的叶细胞，示细胞核变形(×10 000)；11．10mg／I 处理的叶细胞，示线粒体脊突膨胀(×20 ooo)；12．1oo mg／I 处
理 的叶细胞 ，示核质开始勰体(×10 ooo)；13．50 mg／I 处理的叶细胞，示核膜破裂，核质消失和叶绿体被膜破裂(×8
000)
Explanation of Plates
Ce—Chloroplast envelope；CP—Chloroplast：CW—Cel W al；Mi—M [tchondria；N-Nucleusf Nm—Nuclear membrane；Nu—Nu—
cleolus．
PlateI
1．U[trastructure of controlleaf cells，showing normal chloroplast(×15 000)；2．Mitchondriain controlleaf cell(×15 0oo)；
3．Leaf cells treated with 10 mg／I Cr(V1)for 6 dayst showing sweling of chloroplasts and thylakoids arranged irregularly
(×17 ooo)；4．Leaf celstreated with100mg／I．Cr(V1)for 6 days，showing round chloroplasts and swollenthylakoids(×
1 7 00o)；5．Leaf celstreated with 50mg／I．Cr(V1)for 6 dayst showing disruption of chloroplast membrane(×17 000)；6．
Leaf ceils treated with 50mg／l Cr(V1)ior 6 days，showing disintegration of chloroplasts and vacuolation of mitchondrla(×
17 ooo)；7．Leaf cellstreated with10mg／l Cr(VI)for 6 dayst showing disintegration of ch orop[asts，swollenmitchondria
and vacuo[ation of organeles(×17 000){8．Uhrastructure of control leaf ceLls，showing i~ucleus and nucleolus(×6 000)：9．
Leaf cells treated with 100 mg／I Cr(VI)for 6 days，showing agglutination of chromatin and enlarged perinuclear spaee(ar—
row)(×8 000)；10．Leaf celstreated with 50mg／l Cr(VI)for 6 days·showing deforming of nucleus(×i0 ooo)；11．i ear
celstreated withlOmg／I Cr(V|)fo~6 dayst showing swelling of crlstae ofmhochondria(×2O 000)：12．Lear cellstreated
with 100 mg／I Cr(VI)for 6 days，showing destruction of nueleoplasm(×10 000)I 13．Leaf celstreated with 50mg／I Cr
(VI)for 6 dayst showing disruption of nuclear membrane and cbloroplast membran e，disappearance of nueleoplasm(× 8
000)．
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沈显生，等：浙江朱家尖观音湾古术层中果实与种子的分类学研究
SHEN Xian sheng，et at．：Taxonomy about the fruits and seeds of ground ancient—w。ods
at Guanyin bay of Zhujiajian in Zhejiang province
图版
Plate
See explanation at the end。f te
xt
； l1．。
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