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收稿日期 : 2004-10-17 改回日期 : 2004-11-28
镉胁迫对玉米生理特性的影响
杨双春 张洪林 *
(辽宁石油化工大学石油化工学院 抚顺 113001)
摘 要 试验研究不同浓度 Cd胁迫对玉米生理特性的影响结果表明 , 玉米耐受性好 , Cd胁迫下生长发育正常 ,
0.2mg/ L、0.5mg/ L 和 1.0mg/ L 低浓度 Cd处理玉米叶片叶绿素含量和过氧化物酶活性略升高 , 其最大应激浓度为
1.0mg/ LCd、毒性浓度为 5.0mg/ LCd; 但随胁迫时间延长或胁迫浓度加大 , 玉米叶片叶绿素含量连续降低 , 根系活
力降低后回复 , 而脯氨酸含量明显升高又回落 ,玉米表现出对低浓度 Cd有一定抵抗能力 , 且 Cd对玉米的毒害受时
间和浓度双重因子的制约。玉米植株体内游离脯氨酸变化明显 , 因此脯氨酸可作为某些植物对重金属离子的同期
抗逆性指标。
关键词 重金属 镉胁迫 玉米 生理指标
Effects of Cd stress on the physiological characteristics of maize . YANG Shuang-Chun, ZHANG Hong-Lin( College of
Petroleum and Chemical Technology, Liaoning University of Petroleum and Chemical Technology, Fushun 113001,
China) , CJEA ,2006,14(1) : 57～59
Abstract The effects of Cd stress on the physiological characteristics of maize were studied . The results show that when
maizegrows normally, the resistance of maize against Cd is strong . The indexes of chlorophyll content and peroxide
enzymeincrease firstly at 0. 2mg/ L , 0.5mg/ L , 1.0mg/ L of Cd . The maximum stimulating concentration of Cd is
1.0mg/ L and the toxicity concentration is 5. 0mg/ L . With the prolong of timeand accumulation of Cd, thechlorophyll
content decreases gradually, theactivityof root falls and resumes, and the free proline increases and drops, indicating that
the resistance of maize is strong and the poisons of Cd is restricted by the factors of time and its concentration . The
dissociate prolinechanges obviously, it may beas a guide lineof some plants against heavy metal .
Key words Heavy metals, Cadmium stress, Maize, Physiological index
(Received Oct . 17, 2004; revised Nov . 28, 2004)
很多学者从不同侧面研究了 Cd对植物的生理生态效应 [ 1～ 3] ,但对 Cd胁迫下玉米生理特性影响的研究
报道较少。本试验探讨了单一 Cd胁迫对玉米生理生态特性的影响 , 为有效防治 Cd污染提供理论依据。
1 试验材料与方法
供试“农大 108号”玉米种子购于辽宁省沈阳农业科学院 , 该品种未经任何重金属污染。选择饱满、均一
种子并用 0. 1% HgCl2 ( V/ V )溶液消毒 10min,再用蒸馏水洗净播于铺有 6 层纱布的培养皿上 , 加适量蒸馏
水 ,于 25℃恒温箱中预萌芽 72h 后选取萌发同步的种子待用。将砂子过 5mm目筛后用 2% ( V/ V ) HNO3
溶液浸泡过夜并用去离子水洗净、风干 , 每盆装 3kg砂子 ,将所选玉米种子播于盆内 , 室温 25℃左右培养 , 每
日光照 12h, 全天通气 (本试验为短期培养 , 暂忽略微生物的作用 )。用改良后的 Hoagland营养液 ( pH = 6.8)
进行玉米适应性培养 ,待第 1片真叶完全展开、疏苗后 7d用 CdCl2·2. 5H2 O 进行 Cd处理 , Cd浓度设 0mg/ L
( CK )、0. 2mg/ L (?)、0. 5mg/ L (?)、1. 0mg/ L (?)和 5. 0mg/ L (IV) 5个处理 , 各处理重复 3次。隔日透灌 Cd处
理液 ,其他处理时间内用营养液补充失水。观察植物表观中毒症状 , 每 5d取不同 Cd处理水平下的植株测
定各项生理指标 ,其中用无水丙酮提取法测定叶绿素 a、b含量 ,以分光光度法在 663nm、645nm处测定提取
液的光密度[ 4] , 用 30g/ kg磺基水杨酸水浴提取茚三酮显色法、754型分光光度计测定游离脯氨酸含量 , 参照
张雄[ 5] 方法测定植物根系活力。
第 14 ?卷第 1期 中 国 生 态 农 业 学 报 Vol .14 No .1
2 0 0 6 ?年 1 月 Chinese Journal of Eco-Agriculture Jan ., 2006
2 结果与分析
2 . 1 不同 Cd 浓度处理对玉米形态及叶片叶绿素含量的影响
据观察试验前期 Cd对玉米外部形态并无较大影响 , 试验末期各 Cd处理玉米株高均低于对照 , 且 Cd浓
度 5. 0mg/ L 处理玉米植株出现失绿条纹 ,但整个试验期玉米长势未受影响 , 无植株枯萎等重金属毒害症状 ,
玉米保持正常的生长发育。
由表 1可知处理 5d时与对照相比较低 Cd浓度 (≤1.0mg/ L )处理玉米叶片叶绿素 a和叶绿素 b含量均
表 1 不同 Cd 浓度处理玉米叶片叶绿素含量变化
Tab.1 Variations of chlorophyll contents of maize leaf in different Cd treatments
处 理
Treatments
叶绿素含量/ mg ?. g - 1 Chlorophyll contents
a b a+ b a b a+ b a b a+ b a b a+ b
时间/ d Times
5 W10 ?15 20
CK 11 ?. 3732 2 . 9951 14 v. 3683 12. 6974 3 .3067 16 /. 0041 6 .6810 1 ?.8760 8 . 5570 12 . 8356 3 d.4749 16 . 3105
? 14 ?. 0998 3 . 6772 17 v. 7770 14. 6490 3 .7596 18 /. 4086 5 .9046 1 ?.6581 7 . 5627 10 . 8806 3 d.1546 14 . 0352
? 12 ?. 8623 3 . 4540 16 v. 3163 12. 1649 3 .1852 15 /. 3501 8 .5215 2 ?.4465 10 . 9680 12 . 5385 3 d.5734 16 . 1119
? 15 ?. 3680 3 . 8452 19 v. 2132 10. 6249 2 .7449 13 /. 3698 6 .8988 1 ?.8833 8 . 7821 10 . 9923 2 d.9272 13 . 9195
? 10 ?. 6523 2 . 8225 13 v. 4748 11. 2662 3 .0782 14 /. 3444 8 .2971 2 ?.2882 10 . 5853 10 . 7758 2 d.9084 13 . 6842
有所上升 ,且叶绿素 a增量大于叶绿素 b, 而 Cd浓度 5.0mg/ L 处理的叶片叶绿素 a和叶绿素 b含量均低于
对照 ,表明低浓度 Cd 处理 5d 对玉米叶绿素合成有刺激作用 , 且叶绿素 a 较叶绿素 b 敏感 , 但 Cd 浓度
5. 0mg/ L 处理对玉米表现出一定毒害作用。Cd处理第 10d、浓度 0. 2mg/ L、0.5mg/ L 处理的叶片叶绿素 a
和叶绿素 b增量明显减少 ,且 Cd浓度 0. 2mg/ L 处理第 15d、20d其叶绿素 a和叶绿素 b值均略低于对照 , 表
明重金属 Cd对玉米的毒害受时间因子的制约 , Cd胁迫时间过长 , 玉米叶肉组织中叶绿素结构受破坏 , 引起
叶绿素含量下降。Cd浓度 1.0mg/ L 处理第 5d玉米叶片叶绿素 a+ b 含量达 19. 2132mg/ g, 高于其他处理
且 1. 0mg/ L处理第 10d和 20d时均大幅度低于对照 , 与对照相比其叶绿素增量呈先升后降趋势 ,其他 Cd浓
度处理也呈相同趋势 ,表明 0.2mg/ L、0.5mg/ L 和 1.0mg/ LCd处理短期内对玉米叶片叶绿素合成有刺激作
用 ,其最大应激浓度为 1. 0mg/ L , 与对照相比 Cd浓度 1.0mg/ L 处理 15d玉米叶片叶绿素总量略有回升 , 但
第 20d叶绿素总量继续下降 , 表明玉米对外界胁迫有一定适应能力 , 但随时间延长 , Cd在植株体内逐步累
积 ,叶绿素水平不断降低 , 对玉米的伤害逐渐显现。
表 2 不同 Cd 浓度处理玉米根系活力变化
Tab.2 Variations of root activities of
maize in different Cd treatments
处 理
Treatments
根系活力/ μg·mg - 1 Root activities
时间/ d T imes
5 ?10 .15 v20
CK 31 ?. 1010 25. 5779 22 . 1906 25 .0359
? 28 ?. 6998 16. 6841 13 . 8421 22 .1143
? 30 ?. 9612 14. 9918 16 . 3210 19 .6796
? 36 ?. 5849 13. 6204 13 . 8113 22 .7553
? 24 ?. 4189 13. 8420 11 . 6984 14 .1456
2 .2 不同 Cd 浓度处理对玉米根系活力的影响
观察玉米根系形状发现随 Cd浓度增加 ,各处理玉米根系逐渐
变短 , 次生根少、稀疏 , 无轮生现象 , 这可能是砂土中的 Cd影响了
次生根的伸长和发育 , 从而影响根系对营养物质的吸收所致。由
表 2可知处理第 5d Cd浓度 0. 2mg/ L、0.5mg/ L 处理玉米根系活
力变化较小 , Cd 浓度 1. 0mg/ L 处理玉米根系活力迅速增大至
36. 5849μg/ mg, 而 5. 0mg/ L 处理玉米根系活力明显低于对照 , 表
明 Cd浓度 1.0mg/ L 处理玉米根系有应激反应 , 玉米生长发育增
强 , 该处理浓度为玉米对 Cd的最大应激浓度 ;但随 Cd处理时间的
延长 , 第 10d和第 15d各 Cd 浓度处理玉米根系活力均降低 , 其中
Cd浓度1. 0mg/ L处理玉米根系活力下降趋势最明显 , 其原因为
玉米对 Cd引发的氧化有适应调解能力 , 能短时间维持活性氧、自由基的代谢平衡 , 但随 Cd胁迫的持续 , 这
种临时、有限的调节被破坏 , 表现为 Cd处理 10d时玉米根系活性开始大幅下降 , 清除能力减弱 , 活性氧、自
由基开始累积。Cd浓度 5.0mg/ L 处理玉米根系活力大部分时间为最低 , 可认为 Cd浓度 5.0mg/ L 为玉米
表现出直接毒性的最低浓度 ,且许多试验表明积累植物一般有较高的中毒临界值 [ 6] , 这与 Cd对叶绿素影响
的分析结果一致。不同 Cd浓度处理玉米根系活力在第 20d又有所回复 , Cd浓度 0.2mg/ L 处理变幅较小 ,
其中 Cd浓度 1.0mg/ L 处理的回复程度达 90. 89% , 但 Cd浓度 5.0mg/ L 处理玉米根系活力回复情况较差 ,
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仅为 56.50% ,表明玉米根系活力随 Cd处理浓度的增加而受抑制后虽能表现一定的适应性 ,但高浓度、长时
期重金属毒害会破坏根细胞结构 ,引起自由基过氧化损伤 ,并刺激根系分泌酚酸物质抑制根系生长 , 使玉米
受到不可逆伤害。
2 . 3 不同 Cd 浓度处理对玉米游离脯氨酸含量的影响
图 1 不同 Cd 浓度处理玉米
游离脯氨酸含量变化
Fig .1 Variations of content of
dissociate proline of maize in
different Cd treatments
由图 1可知与对照比较 Cd处理第 5d浓度 < 1. 0mg/ L 处理玉米游离
脯氨酸含量均稍高 , 可降低水势 , 维持植物体内水分平衡 , 保持植物正常
生长 ,但含量变化趋势不很明显 , 表明短期、低浓度 Cd对玉米有毒害作
用 ,但玉米对 Cd有较强耐受能力。第 15d各浓度处理玉米游离脯氨酸含
量较对照有小幅下降 , 表明植物对逆境的适应能力渐强。Cd 浓度 0.2
mg/ L处理脯氨酸含量第 20d下降明显 , 表明该 Cd 浓度下玉米生长发育
几乎不受影响。Cd浓度≥0. 5mg/ L 处理 10d 和 15d脯氨酸含量均低于
对照 , 20d时玉米脯氨酸含量迅速升高 , 表明植物对膜系统的保护作用有
一定限度 ,即保护酶活性升高尚不足以弥补膜脂过氧化作用所引起的伤
害 ,且脯氨酸变化趋势与根系活力相反 , 但变化程度明显 , 反应比根系活
力迅速。
3 小结与讨论
整个试验期内不同 Cd浓度处理玉米长势未受影响 , 无植株枯萎等重金属毒害症状表现 , 植株生长发育
正常。Cd对玉米毒害受到时间和浓度双重因子制约 , Cd累积过多对植物产生损害 , 植物叶片失绿 , 叶绿素
总量下降 ,但该效应具有滞后性 ; 玉米在低浓度 Cd短期作用下根系可产生 1种应激反应 , 其最大应激浓度
为 1. 0mg/ L。但当根系生长介质中存在过多或高浓度 Cd时对根系有直接毒害作用 , 使根系活力下降。植
株体内游离脯氨酸变化明显 ,脯氨酸可作为某些植物对重金属离子的同期抗逆性指标。此外玉米作为耐性
好、非外来种植物在富集能力研究方面有一定价值。ZenkM .H .[ 7] 从植物中分离出可与金属起螯合反应的
缩氨酸类化合物即植物螯合物 , 从分子生物学角度证实植物螯合剂对植物重金属耐受性起重要作用 , 有关
植物螯合剂作为改善高等植物重金属耐受性的重要生物技术尚待进一步研究。
参 考 文 献 h
1 蔡保松 , 曹林奎 .镉对小麦生长发育的影响及其基因型间差异 .西北农林科技大学学报 , 2003 , 31( 1) : 62～66
2 奉天才 , 吴玉树 ,王焕校等 .镉、铅及其相互作用对小白菜根系生理生态效应的研究 .生态学报 ,1998, 18( 3) : 320～325
3 匡少平 , 徐 仲 ,张书圣 .水稻对土壤中环境重金属激素铅的吸收效应及污染防治 .环境科学与技术 , 2002, 25(2) : 32～36
4 西北农业大学植物生理生化教研组 .植物生理学实验指导 .西安 : 陕西科学技术出版社 , 1987 .47～48
5 张 雄 .用“ T TC”法测定小麦根和花粉的活力及其应用 .植物生理学通讯 , 1982 , 18( 3) : 48～50
6 ?Brown S . L ., Chaney R . L ., Angle J . S ., et al . Zinc and cadmium uptake by hyperaccumnlator thlaspi caerulescens grown in nutrient
solution . Soil Sci . Soc . Am ., 1995 , 59: 125～133
7 Zenk M .H . Heavy metal detoxification in higher plants is view . Gene, 1996, 179: 21～30
第 1 ?期 杨双春等 : 镉胁迫对玉米生理特性的影响 59