全 文 ： * ?通讯作者
收稿日期 : 2004-11-03 改回日期 : 2004-12-13
镉、锌胁迫对番茄幼苗生长及其脯氨酸与谷胱甘肽含量的影响
丁海东 齐乃敏 朱为民 * 万延慧
(扬州大学农学院 扬州 225009) (上海市农业科学院园艺研究所 上海 201106)
摘 要 试验研究重金属 Cd、Zn胁迫对水培番茄种子萌发、幼苗生长及相关生理指标的影响结果表明 ,Cd、Zn明显
抑制番茄种子的发芽势和根的伸长、幼苗株高和干物质积累 , 而对种子发芽率的影响则较小 ; 番茄叶片叶绿素含量
和 a/ b值减小 ,高浓度处理时茎和叶片中含水量明显降低 ,可溶性糖、脯氨酸和谷胱甘肽含量增加 ,且叶片含量均高
于根系。
关键词 Cd Zn 番茄 脯氨酸 谷胱甘肽
Effects of Cd , Zn stress on the growth, contents of proline and GSH of tomato seedlings . DING Hai-Dong, QI Nai-Min
(Agricultural Collegeof Yangzhou University, Y angzhou 225009,China) , ZHU Wei-Min, WAN Yan-Hui(Horticultural Re-
search Institute,Shanghai Academy of Agricultural Sciences, Shanghai 201106,China) , CJEA ,2006,14(2) :53～55
Abstract An experiment was carried out to evaluate the effects of various cadmium and zinc stress on the germination,
growth and correlatively physiological indicators of tomato seedlings . The results show that thecadmium and zinc remark-
ably inhibitethesprouting potential and theroot elongation, but sprouting ratio is affected little . Theplant height , biomass
accumulation, water content of leaves and stem, chlorophyll content andchlorophyll a/ b ratio are decreased . The contents
of soluble sugar, proline and GSH are increased and those contents in leaves are higher than those in roots .
Key words Cd, Zn, Tomato, Proline, GSH
( Received Nov .3,2004; revised Dec .13,2004)
蔬菜区重金属主要来源于工业“三废”排放、垃圾、污泥、农药和化肥的施用等 , 重金属元素被蔬菜根系
或叶片吸收并积累超过一定量时 , 即造成机体危害甚至死亡 , 并通过食物链给人类健康带来潜在的危
害[ 1 ,7] 。逆境条件 (旱、涝、盐害等 )下一些物质如可溶性糖、脯氨酸等在植物体内积累 , 以提高植物的抗性和
对逆境的适应性[ 2] 。目前有关蔬菜体内可溶性糖、脯氨酸和谷胱甘肽含量变化对重金属污染抗性方面的研
究尚少见报道。本试验研究 Cd、Zn胁迫对番茄幼苗生长及其可溶性糖、谷胱甘肽和脯氨酸含量的影响 , 为
探讨蔬菜重金属污染的抗性育种和生物监测提供依据。
1 试验材料与方法
供试番茄品种为“浦红 909”,由上海市农业科学院园艺研究所提供 , 种子萌发即取饱满种子经 55℃烫种
15min后置于重金属离子 Cd和 Zn( 为 CdCl2·2 .5H2O 和 ZnSO4·7H2 O, 均为分析纯 )各处理液 [ 分别设 Cd、Zn
浓度 为 0mmol/ L ( 对 照 , CK , 为 蒸 馏 水 ) 、0 .001mmol/ L (? )、0 .010mmol/ L (? )、0 .100mmol/ L (? ) 、
1 .000mmol/ L (? )和2 .000mmol/ L (? )各 6个处理 ] 中浸种 6h 后 , 置于铺有滤纸 (预先用处理液浸湿 ) 的
6cm培养皿中 ,每皿 50粒于 25℃恒温培养箱中萌发 ,第 3d测定其发芽势 , 第 7d测定发芽率 , 重复 4次。番
茄种子经烫种、浸种和催芽后播于盛河沙的黑色营养钵中 , 待 2 片子叶充分展开时用 0 .2 剂量番茄营养液
(华南农业大学自制 ) 进行浇灌 ,2片真叶展开时选择大小一致苗移栽 10L 黑色塑料桶中 , 每桶 4棵苗 ( 用泡
沫板和海绵固定 )用 0 .5剂量营养液进行水培 , 为防止沉淀将 P 降为 0 .2剂量 , 重复 3 次。当苗龄 2叶 1心
时更换营养液 ,并分别按 Cd、Zn对照和?～?处理浓度在营养液中加入重金属离子 ,每天用增氧泵增氧、以
HCl 调营养液 pH 值为 5 .0,胁迫 7d后进行各项指标测定。取根、茎、叶置 80℃烘箱烘干 48h后称干物质量 ,
用乙醇比色法 [ 3] 测定叶片叶绿素含量 , 以蒽酮比色法 [ 3] 测定可溶性糖含量 , 用 DTNB 显色法 [ 4] 测定谷胱甘
肽含量 ,以酸性 艹印三酮显色法 [ 3] 测定脯氨酸含量。
第 14 ?卷第 2期 中 国 生 态 农 业 学 报 Vol .14 No .2
2 0 0 6 ?年 4 月 Chinese Journal of Eco-Agriculture April, 2006
表 1 Cd、Zn对番茄种子萌发的影响
Tab.1 Effects of Cd and Zn on the germination of tomato seeds
项 目
I tems
对 照
Control
处 理 Treatments
Cd Zn
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
发芽势/ % 69 ?. 5 73 . 0 66 . 0 69 .0 51. 0 41. 5 74 . 0 67 ?. 0 63 .0 52 /. 5 23 . 0
发芽率/ % 97 ?. 5 97 . 5 97 . 0 96 .0 95. 0 93. 0 96 . 0 96 ?. 0 96 .5 96 /. 0 94 . 0
根 长/ cm 7 ?. 65 6 . 49 7 . 53 4 .79 0. 35 0. 31 7 . 54 7 ?. 71 5 .98 0 /. 93 0 . 50
2 结果与分析
2.1 Cd、Zn对番茄种子萌发的影响
低浓度 0 .001mmol/ L (? )
Cd、Zn 处理可促进种子发芽势 ,
Cd比对照增加 5 .04% , Zn则增
加 6 .47% ,且随浓度的增大而表
现出明显抑制作用 (见表 1) ; 对
根长抑制作用最明显 , 高浓度处
理根的生长几乎完全被抑制 ,而对发芽率的影响则较小。这表明低浓度重金属促进番茄种子发芽势 , 而高
浓度处理则抑制种子发芽势、发芽率和根的生长 , 且抑制作用为根 > 发芽势 > 发芽率。
2 . 2 Cd、Zn 对番茄幼苗生长及叶片叶绿素含量的影响
随 Cd、Zn 处理浓度的增加 , 番茄幼苗株高和
干物质积累量下降 ( 见表 2) , 重金属对株高的影响
小于对干物质积累的影响 ,高浓度处理根、茎、叶干
物质量均下降。生物量积累受抑可能与叶片中叶
绿素含量下降、细胞膜遭到破坏、一些矿质元素的
吸收和运输受抑制等有关。叶绿素 a与 b、叶绿素
总量和 a/ b 值随均随处理浓度增高而降低 ( 见表
3) ,但高浓度 ( ? )处理叶片呈暗绿色 , 除叶绿素 a/ b
表 2 Cd、Zn 对番茄幼苗生长的影响
Tab.2 Effects of Cd and Zn on the growth of tomato seedlings ?
项 目
I tems
对 照
Control
处 理 Treatments
Cd Zn
? ? ? ? ? ?
叶干物质量/ g 0 ?.235 0. 217 0. 184 0 . 119 0 .193 0 .125 0. 092
茎干物质量/ g 0 ?.072 0. 065 0. 053 0 . 039 0 .068 0 .037 0. 036
根干物质量/ g 0 ?.093 0. 086 0. 076 0 . 048 0 .074 0 .061 0. 011
株 高/ cm 14 ?.25 13 .85 13. 05 10 . 60 14 . 25 10 .38 8 .85
表 3 Cd、Zn对番茄幼苗鲜叶片叶绿素含量影响
Tab. 3 Effects of Cd and Zn on the chlorophyll parameters
of leaves of tomato seedlings
项 目
I tems
对 照
Control
处 理 Treatments
Cd Zn
? ? ? ? ? ?
叶绿素 a* / mg·g - 1 P0 ?. 658 0 ?. 645 0 . 522 0 <. 581 0 Q. 651 0 f. 358 0 {. 543
叶绿素 b* / mg·g - 1 V0 ?. 155 0 ?. 154 0 . 125 0 <. 150 0 Q. 156 0 f. 095 0 {. 167
叶绿素a+ b* / mg·g- 1 V 0 ?. 813 0 ?. 799 0 . 647 0 <. 731 0 Q. 807 0 f. 453 0 {. 710
叶 绿 素 a / b 值 4 ?. 245 4 ?. 188 4 . 176 3 <. 873 4 Q. 173 3 f. 768 3 {. 251
* 为鲜物质量。
值外其他参数值反而偏高 , 但低于对照。叶绿
素含量降低是重金属对植物毒害的普遍现象 ,
其原因可能是重金属与叶绿体中蛋白质的-SH
结合或取代其中的 Fe2 + 和 Mg2 + 等 , 破坏叶绿
体结构和功能 ,使叶绿素分解所致[ 5] 。高浓度
处理叶片呈暗绿色 ,可能是因重金属影响了番
茄对一些元素的吸收如 P、Mg和 Fe等 ,表现出
明显缺素症状 , 使叶片短期内呈暗绿色、色素
偏高 ,但叶绿素 a/ b值呈持续降低。
2 . 3 Cd、Zn 对番茄幼苗含水量及可溶性糖、脯氨酸及谷胱甘肽含量的影响
随处理浓度的增加而幼苗体内含水量变化趋于明显 , 高浓度处理幼苗含水量最低 ( 见表 4)。表 4 表明
Cd浓度为0. 10mmol/ L (? ) 时茎、叶中含水量分别比对照下降1. 13% 和2. 1% , 而Zn则分别下降3. 4% 和
5. 6% , 且对叶片的影响
大于茎 , 表明高浓度处理
番茄幼苗受水分胁迫所
抑。可溶性糖、脯氨酸和
谷胱甘肽含量均随处理
浓度的增加而增大 , 且叶
片中含量高于根系 , 根系
中可溶性糖含量变化相
对平缓 , 高浓度 Zn 处理
叶片中可溶性糖含量迅
速提高。高浓度处理根、
叶中脯氨酸含量均为对
照的 2倍 多 , Cd浓 度 为
表 4 Cd、Zn对番茄幼苗含水量、可溶性糖及脯氨酸、谷胱甘肽含量的影响
Tab. 4 Effects of Cd and Zn on thecontents of water, soluble sugar ,
proline and GSH of tomato seedlings
项 目
I tems
对 照
Control
处 理 Treatments
Cd Zn
? ? ? ? ? ?
含 水 量 / % 茎 95 ?. 683 95 j. 379 95 .404 94 `. 601 95 . 599 94 V.880 92. 417
叶 92 ?. 204 92 j. 165 92 .107 90 `. 286 92 . 223 91 V.892 87. 019
可溶性糖 */ mg·g- 1 I叶 3 ?. 143 2 j. 872 2 .930 3 `. 941 3 . 139 7 V.608 9. 351
根 1 ?. 342 1 j. 232 1 .413 1 `. 965 1 . 402 1 V.654 1. 668
脯 氨 酸 * / μg·g - 1 E叶 28 ?. 600 32 j. 458 45 .316 62 `. 082 36 . 074 54 V.214 65. 153
根 24 ?. 901 32 j. 067 40 .020 56 `. 871 33 . 261 44 V.009 56. 455
谷胱甘肽 * / μg·g- 1 ?叶 71 ?. 630 78 j. 700 82 .940 108 `. 280 75 . 800 82 V.950 143. 750
根 21 ?. 800 26 j. 390 29 .210 40 `. 390 23 . 370 27 V.530 54. 480
* 为鲜物质量。
54 中 国 生 态 农 业 学 报 第 14 ?卷
0 .10mmol/ L (? ) 时根、叶中谷胱甘肽含量分别为对照的 1 .9倍和 1 .5 倍 , Zn则分别为对照的 2 .5 倍和 2 .0
倍。相同浓度处理根、叶中可溶性糖和脯氨酸含量 Cd低于 Zn, 而谷胱甘肽则除?处理外 ,其他基本为 Cd高
于 Zn。重金属处理植物可溶性糖含量增加的原因可能是其叶片内不溶性糖降解以及光合产物运输受阻的
结果 ,亦可能是葡萄糖酶、蔗糖酶活性异常所致[ 5] 。但也可能是幼苗对重金属胁迫环境的一种生理反应。
高浓度处理番茄幼苗含水量降低 ,受水分胁迫 , 积累的可溶性糖可作为渗透调节物质保护细胞免受伤害 , 维
持原有的生理过程。Schat H .等[ 8] 研究认为重金属胁迫下脯氨酸的积累取决于重金属诱导植物体内水分缺
失状况。Cd、Zn处理番茄幼苗体内发生水分胁迫 , 脯氨酸积累意义之一是作为渗透调节物质 ,保持细胞和组
织持水平衡 , 稳定生物大分子结构 , 保持膜结构的完整性使细胞免受伤害。近年来许多研究表明脯氨酸具
有清除活性氧的功能[ 9] 。笔者研究认为 Cd、Zn处理番茄幼苗体内活性氧代谢失衡 , 根系和叶片发生膜脂过
氧化 ,丙二醛积累 , 抗氧化酶活性提高。因此 Cd、Zn胁迫下脯氨酸可能参与体内活性氧自由基的清除 , 减少
重金属对细胞膜和蛋白质造成的损伤 ,提高番茄抗重金属的能力。逆境条件下植物体内谷胱甘肽在代谢过
程中起着重要作用 ,尤其是抵御活性氧伤害[ 6 ,10] 。重金属胁迫下谷胱甘肽合成及利用的平衡取决于其抗氧
化作用和植物螯合肽 (PC)合成前体 [ 10] 。Cd、Zn 污染使番茄幼苗体内谷胱甘肽含量升高 , 功能是作为抗氧
化剂清除细胞内活性氧 , 抵御活性氧的伤害 ; 作为植物螯合肽合成前体与重金属离子螯合是植物重要的解
毒机制 ,同时谷胱甘肽也可直接与重金属离子进行螯合 , 从而避免重金属对植物的伤害。
3 小 结
Cd、Zn对番茄幼苗生长的影响表现为各器官干物质积累降低、植株高度下降和叶片叶绿素含量减少 ,叶
绿素 a/ b值与胁迫浓度具有很好的相关性 ,可将 a/ b值作为衡量蔬菜受污染程度的生理指标之一。随 Cd、
Zn胁迫浓度的提高而番茄幼苗含水量降低 ,受水分胁迫。可溶性糖和脯氨酸积累可在水分胁迫下维持细胞
正常生理功能 ,番茄幼苗可溶性糖和脯氨酸的积累可视为对 Cd、Zn胁迫的生理性保护性适应。Cd、Zn诱导
番茄幼苗体内活性氧增加 ,除抗氧化酶系统 , 谷胱甘肽和脯氨酸在清除活性氧 , 减少自由基的危害 , 保护细
胞结构和功能等方面起很大作用。植物螯合肽与重金属离子螯合是植物重要的解毒机制 , 谷胱甘肽在番茄
幼苗抵御 Cd、Zn胁迫起重要作用。脯氨酸清除活性氧功能尚需深入研究 ,脯氨酸积累量和 Cd、Zn胁迫浓度
具有显著相关性 , 能否将蔬菜体内脯氨酸含量作为蔬菜受重金属污染及蔬菜抗性的指标 , 尚有待于与其他
生理生化指标进一步比较分析。
致谢 上海市农业科学院园艺研究所朱龙英、杨杰志、杨晓峰、陈建林及上海市设施园艺技术重点实验室范
林华先生对本项研究给予帮助 ,谨表谢意 !
参 考 文 献 h
1 汪雅谷 , 张四荣 .无污染蔬菜生产的理论与实践 .北京 : 中国农业出版社 , 2001
2 汤章城 .逆境条件下脯氨酸的累积及意义 .植物生理学通讯 , 1984 ( 1) : 15～21
3 邹 琦 .植物生理学实验指导 .北京 :中国农业出版社 , 2000
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5 孙塞初 , 王焕校 ,李启任 .水生微管植物受镉污染后的生理变化及受害机制初探 .植物生理学报 , 1985 , 11( 2) : 113～121
6 陈少裕 .植物谷胱甘肽的生理作用及意义 .植物生理学通讯 , 1993 , 29( 3) : 210～214
7 Wanger G .J . Accumulation of cadmium in crop plants and its consequences to human health . Adv . Agron ., 1993, 51:173～205
8 ?Schat H ., Sharma S .S ., Vooijs R . Heavy metal- induced accumulation of free proline in a metal-tolerant and a nontolerant ecotype of Si lene
vulgaris . Physiol . Plant, 1997, 101: 477～482
9 ?Alia Saradhi P .P ., Mohanty P . Involvement of proline in protecting thylakoid membranes against free radical- induced photodamage . Pho-
tochem . Photobiol ., 1997B , 38: 253～257
10 ?Nagalakshmi N ., Prasad M .N . Responses of glutathione cycle enzymes and glutathione metabolism to copper stress in Scenedesmus bijuga-
tus . Plant Sci ., 2001, 160( 2) : 291～299
第 2 ?期 丁海东等 : 镉、锌胁迫对番茄幼苗生长及其脯氨酸与谷胱甘肽含量的影响 55