全 文 ：　 　 倡 苏州市科技计划（社会发展 ）项目（SZD０４１４）和苏州科技学院科研基金项目（０３０２５０００３）资助
收稿日期 ：２００５唱０８唱０５ 　 改回日期 ：２００５唱１２唱０９
稀土镧对镉胁迫小麦遗传学防护效应的研究 倡
叶亚新 　金 　进 　王金虎 　田 　苗 　高 　平
（苏州科技学院生物系 　苏州 　 ２１５００９）
摘 　要 　 以有丝分裂指数和染色体畸变率为指标 ，应用水培法研究了重金属 Cd对小麦幼苗的毒害及稀土 La的防
护效应 。 结果表明 ：Cd 胁迫降低根尖细胞有丝分裂指数 ，增加染色体畸形率 ，且毒害效应与剂量和处理时间正相
关 。 Cd 胁迫下小麦根外观上呈现大量褐色斑块并伴有不同程度的扭曲 ，生长延缓或停滞 ；细胞分裂过程中表现为
高频率出现的微核及染色体滞留 。 La对小麦幼苗 Cd 污染具有防护效应 ，可使小麦细胞有丝分裂指数升高 、染色
体畸变率下降 ，且对微核的防护效应尤其显著 。
关键词 　 镧 　 镉 　 小麦幼苗 　 有丝分裂指数 　 染色体畸变率 　防护效应
Genetic effects of lanthanum on wheat （ Tritium aestivum L ．） seedlings under cadmium stress ． YE Ya唱Xin ， JI N Jin ，
WANG Jin唱Hu ， TIAN Miao ， GAO Ping （Depar tment of Biology ， Suzhou Science and Technology University ， Suzhou
２１５００９ ， China） ，CJEA ，２００７ ，１５（３） ：９７ ～ ９９
Abstract 　 Mitotic index and frequency of chromosomal aberration of root tip cells of wheat seedlings were used as indexes
to study the protective effects of lan thanum （La） on wheat seedlings cultured under water planting with heavy metal （Cd）
st ress ． The results show mitotic index decrease and frequency of chromosomal aber ration increase under Cd stress ， the
higher Cd concentrations ，and the longer t reatment durations ， the st ronger repression effects ．The poisonous effect of Cd
on root tip apparen tly appearing as brown spots and twisted roots induces g rowing stagnation and abnormal cell chromo唱
some behaviors ， including chromosome lag ．La can protect wheat seedlings from Cd stress by increasing mitotic index and
decreasing f requency of chromosomal aberration ，especially reducing formation of micronuclei in root tip cells ．
Key words 　 Lanthanum ，Cadmium ，Wheat seedling ，Mitotic index ，Chromosomal aberration frequency ，Protective effect
（Received Aug ．５ ，２００５ ；revised Dec ．９ ，２００５）
镉（Cd）是生物非必需的重金属元素之一 ，由于具有高毒性及在水体中较为稳定 ，被认为是最重要的重
金属环境污染物之一 。 农业 、采矿业 、工业生产活动使大量的 Cd 进入环境中 ，随着污泥农用及污灌的应用 ，
越来越多的 Cd进入农业生态系统 。 Cd不仅降低作物产量 ，而且通过食物链传递可能危害消费者的健康 ，因
而降低 Cd在作物中的富集 ，减少 Cd进入食物链的研究已受到广泛关注［１］ 。 目前稀土微肥广泛运用于农业
生产 ，适当与适量的稀土在促进作物优质增产的同时 ，尚有诱导植物抗性 ，进而提高植物耐酸雨 、臭氧及重
金属污染胁迫的能力［２ ～ ４］ 。 胡忻等研究了稀土元素铈（Ce）对 Cd 造成的小麦损伤的防护效应［１］ ，周青等研
究了稀土元素镧（La）对 Cd 胁迫下菜豆幼苗生长的影响［５］ ，张义贤研究了 ６ 种重金属对大麦的毒性［６］ 。 这
些研究或是从生理生化方面进行的或只研究了重金属的遗传毒性 。 到目前为止 ，稀土元素对重金属污染的
遗传防护效应的相关研究尚不多见 。 有丝分裂指数反映了作物的生长状况 ，而染色体畸变率则能反映作物
的受损程度 。 本文以小麦为实验材料 ，研究稀土 La 对小麦幼苗重金属 Cd 污染的遗传防护效应 ，旨在为农
业生产预报重金属对作物的毒害效应及评价重金属污染提供理论依据 ，并为客观评价稀土应用的价值取向
提供参考 。
1 　 实验材料与方法
供试小麦（ Tritium aestiv um L ．，２ n ＝ ４２）品种为“扬麦 １５８” ，由江苏省太湖农业科学研究所提供 。 称
取 ５０mg LaCl３·nH２O 固体 ，蒸馏水稀释定容至 １００mL ，配成浓度为 ５００mg／L 的母液 ，再配成浓度为 ５mg／L 、
１０mg／L 、２０mg／L 、３０mg／L 、４０mg／L 的 La处理液 。 称取 ２２畅８３５g CdCl２ 固体 ，蒸馏水溶解定容至 １００mL ，配
成浓度为 １mol／L 的母液 ，再配成浓度为 ０畅１mmol／L（ Ⅰ ） 、０畅５mmol／L（ Ⅱ ） 、１mmol／L（ Ⅲ ） 、５mmol／L（ Ⅳ ）的
第 １５卷第 ３ 期 中 国 生 态 农 业 学 报 Vol ．１５ 　 No ．３
２ ０ ０ ７ 年 ５ 月 Chinese Journal of Eco唱Agriculture May ，　 ２００７
Cd处理液 ，La 与 Cd 混合液按 Cd浓度从小到大的顺序依次用 Ⅰ ＋ La 、Ⅱ ＋ La 、Ⅲ ＋ La 、Ⅳ ＋ La表示 。
选粒大 、饱满的小麦籽粒 ，经 ２ ％ 的 NaClO 消毒 ３０min ，蒸馏水冲洗数次后 ，室温下浸种 ４h ，然后将种子
放入铺有滤纸的培养皿中室温避光发芽 ，待胚根长至 １cm 时进行 La与 Cd 的污染实验 。 共 １０ 个处理组 ，每
组 ３ 次重复 。 CK 为蒸馏水 ，阳性对照为 １０mmol／L 的 Pb（NO３ ）２ 。 每 １２h 更换一次处理液 。 培养至 ２４h 、
４８h 、７２h时 ，迅速剪取小麦主胚根（约长 ５mm） ，固定 ２４h ，经 ９０ ％ 、７０ ％ 酒精清洗 ，在 ７０ ％ 酒精中低温保存
（４ ℃ ） 。 制片参照文献［７］ ，每处理观察 ５ ～ ６ 个根尖约 ３０００ 个细胞 ，记录根尖分生组织细胞有丝分裂指数及
染色体畸变率 。 双盲法计数 ，采用统计软件 SPSS １１畅０ 对实验结果进行分析处理 。
2 　 结果与分析
2畅1 　 LaCl3 最适浓度的筛选
为确定 LaCl３ 促进小麦生长的最佳效应浓度 ，实验中设置了 ５mg／L 、１０mg／L 、２０mg／L 、３０mg／L 、４０mg／L
LaCl３ 的 ５ 种等差梯度溶液 ，以发芽势为指标进行筛选 。 结果表明在所设定的 ５ 个浓度范围内 ，LaCl３ 均有
提高小麦种子发芽势的作用 ，以 １０mg／L 效果为最佳 ，其效应序列为 １０mg／L ＞ ５mg／L ＞ ２０mg／L ＞ ３０mg／L ＞
４０mg／L LaCl３ 。 据此 ，以下关于 LaCl３ 对小麦幼苗 Cd污染的遗传防护效应皆采用 １０mg／L的 LaCl３（用 La表示） 。
2畅2 　 Cd污染对小麦根尖细胞有丝分裂指数和染色体畸变率的影响
表 1 　 La和 Cd对小麦根尖细胞有丝分裂指数的影响
Tab ．１ 　 Effects of La and Cd on mitotic index in root
tip cells of wheat seedlings
处 　 理
T reatments
有丝分裂指数 ／ ％ Mi tot ic index
２４h ４８ h ７２h
CK ５畅３７ ± ０畅２０ ５畅５９ ± ０畅２５ ５畅１７ ± ０畅２７
Ⅰ ５畅５５ ± ０畅１３ ２畅５５ ± ０畅０４ １畅１３ ± ０畅２９
Ⅱ ２畅２０ ± ０畅０８ １畅６２ ± ０畅０５ １畅０５ ± ０畅１１
Ⅲ ２畅０７ ± ０畅０８ １畅６０ ± ０畅０７ ０畅６８ ± ０畅１０
Ⅳ １畅５７ ± ０畅１０ １畅０２ ± ０畅０７ ０畅５４ ± ０畅０２
La ６畅５２ ± ０畅４７ ６畅６７ ± ０畅２４ ７畅６３ ± ０畅４５
Ⅰ ＋ La ６畅４２ ± ０畅２１ ２畅５５ ± ０畅０７ １畅６８ ± ０畅０８
Ⅱ ＋ La ２畅５８ ± ０畅０５ ２畅０５ ± ０畅１１ １畅５１ ± ０畅１０
Ⅲ ＋ La ２畅５０ ± ０畅１７ １畅５９ ± ０畅０３ １畅５４ ± ０畅０６
Ⅳ ＋ La １畅９３ ± ０畅１１ １畅１６ ± ０畅０８ ０畅７９ ± ０畅０６
　 　 实验结果表明 ，小麦根尖经 Cd 处理后 ，有丝分裂指数
均有不同程度的下降 。 由表 １ 可见 ，在所有 Cd 处理浓度
范围内均表现出对细胞分裂的抑制 ，浓度越大 ，处理时间
越长 ，抑制效应越强 。 且只有 Ⅰ 组在 ２４h 时的有丝分裂指
数保持较高的水平 ，与 CK相比差异不显著 。 在其他处理浓
度和处理时间下 ，有丝分裂指数大幅度下降 ，说明小麦根尖
对 Cd污染很敏感 。 随着 Cd 浓度升高和处理时间延长 ，根
尖出现褐色斑块 ，根生长表现为延缓以至停滞 。 细胞学观
察发现绝大多数分裂细胞处于前期和中期 ，很少见后期和
末期的分裂细胞 。 随着 Cd 污染时间的延长 ，出现有丝分
裂过程中的多种畸变类型 ，包括微核 、染色体滞留 、核破
裂 、核固缩等 ，其中微核和染色体滞留最为多见 。 由表 ２ 可
见 ，与 CK 组相比 ，４ 种 Cd 处理浓度下 ４８h 和 ７２h 的染色
体畸变率显著提高 ，浓度越大 ，处理时间越长 ，畸变率越高 ，与有丝
分裂指数一样也表现为明显的剂量效应和时间效应 。
2畅3 　 La对小麦根尖 Cd污染的防护效应
实验结果（表 １）显示 ，La 单独培养时小麦根尖细胞有丝分裂
指数最高 ，与 CK 相比在 ２４h 、４８h 、７２h 时差异极显著（ P ＜ ０畅０１） ，
因此适当浓度的 La能明显提高小麦根尖有丝分裂指数 ，进而促进
根尖的生长 ，这与前人的研究结果相一致［５］ 。 La与 Cd 混合培养
下小麦根尖细胞有丝分裂指数比 Cd 单独培养时都有不同程度提
高 ，t检验结果显示 ，低浓度组的 Ⅰ ＋ La 在 ２４h 、４８h 、７２h 时的防
护效应显著（ P ＜ ０畅０５）或极显著（ P ＜ ０畅０１） 。 较高 Cd 浓度和较
长时间培养下 ，有丝分裂指数急剧下降 ，混合培养时虽都表现了防
护效应 ，但有丝分裂指数仍保持在低水平 。 可见 ，高 Cd 浓度及长
表 2 　 La 和 Cd 对小麦根尖细胞染色体畸变率的影响
T ab ．２ 　 Eff ec ts o f La and Cd on freque nc y of c hro m osom al
a be r rat i on in roo t t ip ce lls of w hea t seedl in gs
处 　 理
T rea tments
染色体畸变率 ／ ‰
Frequency o f chromosomal aberration
４８h ７２h
CK １畅１５ ± ０畅１５ １畅１３ ± ０畅０２
Ⅰ ７畅０１ ± ０畅４１ ９畅５５ ± ０畅７４
Ⅱ ８畅０２ ± ０畅７４ １１畅５７ ± ０畅５８
Ⅲ １０畅５１ ± １畅０３ １４畅０４ ± ０畅７０
Ⅳ １１畅５２ ± １畅１４ １７畅４４ ± １畅０１
Ⅰ ＋ La １畅６５ ± ０畅３３ ３畅３７ ± ０畅４３
Ⅱ ＋ La ２畅２５ ± ０畅２４ ４畅２８ ± ０畅３７
Ⅲ ＋ La ２畅５４ ± ０畅３３ ４畅５６ ± ０畅４１
Ⅳ ＋ La ２畅７５ ± ０畅３０ ５畅７６ ± ０畅４２
时间的污染对小麦的损伤可能已经达到伤害阈值 。 另外对不同时间有丝分裂指数的差异显著性结果进行
纵向比较 ，发现在 ２４h 、７２h 时防护效应多为显著（ P ＜ ０畅０５） ，而 ４８h 时却多为不显著（ P ＞ ０畅０５） ，由此推测 ，
La对小麦 Cd污染的防护在短时间内可能存在波峰波谷波峰变化的规律 ，但这尚待进一步研究 。 由表 ２ 可见 ，
La与 Cd混合培养时小麦根尖细胞染色体畸变率都大幅度下降 ，与 Cd单独培养时相比差异极显著（ P ＜ ０畅０１） 。
总的来看 ，La对 Cd致畸的防护效果很明显 。 同时在镜检过程中发现 ，混合培养下各畸变类型中微核的出现
率远远低于 Cd 单独培养 ，由此设想在染色体畸变率这一指标上 ，La对 Cd 污染的防护效应主要体现在对微
９８　 中 国 生 态 农 业 学 报 第 １５ 卷
核的防护上 。
3 　 讨 　 论
不同浓度的 Cd 均能降低根尖细胞有丝分裂指数 ，外观表现为生长的延缓或停滞 ，而且浓度越大 ，处理
时间越长 ，抑制效应越强 。 同时还证明 ，Cd对小麦根尖具有较强的毒害作用 ，致使细胞内微核及染色体断片
高频率出现 ，外观上呈现大量褐色斑块并伴有不同程度的扭曲 ，且毒害效应与剂量和时间高度正相关 。 La
能提高根尖细胞有丝分裂指数 ，进而促进根尖的生长 。 La对小麦 Cd污染有不同程度的防护效应 ，表现在提
高有丝分裂指数 ，降低染色体畸变率 ，特别是对微核的防护效应很显著 。
Cd污染的小麦根尖细胞有丝分裂指数下降 ，说明 Cd 污染使小麦细胞周期延缓 ，阻滞细胞向分裂态转
化 ；同时由于部分根尖细胞遗传物质受到破坏而不再进行分裂 ，这也是分裂指数下降的一个原因 。 同时还
发现绝大多数分裂细胞处于前期和中期 ，可能是 Cd 破坏了纺锤丝的形成或功能发挥 ，也可能是由于 Cd 干
扰了染色体某些自身的运动规律而使染色体不能到达纺锤体赤道板 ，其机制尚有待深入研究 。
重金属进入植物体后主要积累在根部［８］ ，产生遗传毒害的时间主要是在细胞分裂间期的 DNA 和染色
体复制过程中 。 Cd２ ＋是生物的非必需元素 ，也是毒性较强的诱变剂 。 Cd２ ＋能以一种可交换的形式取代或置
换 Ca２ ＋ ，并与细胞膜表面的 SH — 结合 ，阻止 Ca２ ＋ 的跨膜内流 ，使钙调素 （CaM ）和 Ca — ATP 酶不能被激
活［９］ 。 进入细胞的 Cd２ ＋ 还能与带负电的核酸结合 ，降低 RNA 和 DNA 的活性 ，引起核酸裂解并影响到细胞
有丝分裂过程［１０］ 。 在本实验中 ，Cd处理细胞中出现较高比例的染色体断片 、微核等 ，与上述结论一致 。 同
时 Cd浓度较高或作用时间较长时 ，影响了小麦的遗传稳定性 ，对染色体具有显著的断裂作用 ，这是一种不
可逆的损伤 ，其子细胞功能可能异常 ，细胞分裂异常或停止分裂 ，因此表现为幼根的生长抑制 ，甚至死亡 。
微核的产生是由于细胞受到辐射和其他因子的作用 ，正常分裂被破坏 ，染色体断裂形成断片 。 在正常
情况下 ，这些断片会自然愈合 ，但在污染的影响下 ，愈合受到阻碍 ，甚至断裂有所增强 。 这些断片由于缺乏
着丝粒 ，不能移向两极而停留在细胞质中 ，形成大小不等的小核 。 微核可作为一种评价遗传毒性的指标 ，用
于辐射损伤 、药物筛选 、肿瘤防治的研究 。 在本实验中 Cd 污染也导致了微核的发生 ，但 La与 Cd 混合培养
时微核发生率很低 ，考虑到缺乏对比性 ，最终没有把微核率单独列为考察指标之一 。
稀土 La３ ＋ 与 Ca２ ＋ 相似 ，能够与膜磷脂结合 ，调节 Ca２ ＋ 的代谢 ，并且由于电荷密度比 Ca２ ＋ 高 ，能够取代
Ca２ ＋ 参与与 Ca２ ＋ 有关的许多生理过程 ，调节许多生物大分子如酶 、核酸的活性及功能 ，因此对植物的生长有
促进作用 。 经 La处理的小麦根尖 ，虽未能完全避免高浓度及长时间 Cd 污染引起的伤害 ，但程度已明显减
轻 ，反映出适宜浓度的 La确实能减轻 Cd 致害的遗传学效应 ，这与 La 能减轻 Cd 致害的生态生理学效应一
致［１１］ 。 已有研究发现 ，La 能降低 Cd 在菜豆体内的富集量［５］ ，据此 ，La也可能降低 Cd 在小麦体内的富集 ，
进而减轻 Cd 的伤害 。 其机理可以是直接的离子拮抗 ，其依据是 La３ ＋ 离子势大于 Cd２ ＋ ，竞争结合能力强于
Cd２ ＋ ，通过与 Cd２ ＋ 竞争根系细胞表面离子载体或离子通道而抑制植物对 Cd２ ＋ 的吸收 。 到目前为止 ，大量的
实验证明稀土离子主要吸附沉积在根系细胞壁［１］ ，因此 La３ ＋ 可能阻碍 Cd２ ＋ 与细胞膜吸收位点的结合 ，从而
抑制根系对 Cd２ ＋ 的吸收 。 此外也不排除 La３ ＋ 诱导细胞内生物大分子（蛋白质 、糖 、脂肪 、氨基酸）的合成 ，并
以络合解毒方式降低植物体内 Cd２ ＋ 的毒性 ，进而减轻对植物的伤害 ，抑或兼而有之 ，还需深入研究 。
参 　 考 　 文 　 献
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３ 　 安黎哲 ，王勋陵 ．臭氧对春小麦生长的影响及稀土的防护作用 ．生态学报 ，１９９４ ，１４ （１） ：９５ ～ ９８
４ 　 贾 　 棚 ，邢 　 勇 ，周亚梭 ，等 ．水稻抗重金属污染栽培研究 ．中国稀土学报 ，１９９７ ，１５ （专辑 ） ：４０１ ～ ４０４
５ 　 周 　 青 ，张 　 辉 ，黄晓华 ，等 ．镧对镉胁迫下菜豆 （ Phaseo lus v u lgaris）幼苗生长的影响 ．环境科学 ，２００３ ，２４ （４） ：４８ ～ ５３
６ 　 张义贤 ．重金属对大麦 （ Hordeu m v ulgare）毒性的研究 ．环境科学学报 ，１９９７ ，１７ （２） ：１９９ ～ ２０５
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１０ 张毓琪 ，陈叙龙 ．环境生物毒理学 ．天津 ：天津大学出版社 ，１９９３ ．６０ ～ ７４
１１ 周 　 青 ，黄晓华 ，黄纲业 ，等 ．镉对大豆苗期素质的影响与镧的防护作用 ．农村生态环境 ，１９９８ ，１４ （１） ：５８ ～ ６０
第 ３期 叶亚新等 ：稀土镧对镉胁迫小麦遗传学防护效应的研究 ９９