全 文 ：中国农业科学 2008,41(5):1317-1325
Scientia Agricultura Sinica

收稿日期：2007-06-05；接受日期：2007-07-02
基金项目：浙江省自然科学基金资助项目（Y504256）
作者简介：柯世省（1965-），男，浙江三门人，副教授，研究方向为植物生理生态学。Tel：13819673218；E-mail：kss@tzc.edu.cn


铜对苋菜幼苗光合参数和活性氧代谢的影响
柯世省
（台州学院生命科学学院，浙江临海 317000）

摘要：【目的】明确铜毒影响苋菜（Amaranthus tricolor）幼苗光合作用和活性氧代谢的生理机制。【方法】
采用土培试验测定了不同水平铜处理下苋菜幼苗生长、光合作用、矿质元素吸收和活性氧代谢的相关指标。【结果】
2.0～4.0 mmol·kg-1铜处理下植株干重降至无铜处理（对照）的 91%～73%，净光合速率和气孔导度均明显减小，但
胞间 CO2浓度并没发生显著变化，最大光化学效率的变化比实际量子效率小得多，这暗示着光合作用暗反应对 ATP
和 NADH 需求减少使光化学下调。此外，叶片光合色素、水分和矿质元素 Fe、K和 Mg 含量均明显降低，Cu 含量明
显升高。2.0～4.0 mmol·kg-1铜处理显著增加叶片超氧化物歧化酶、过氧化物酶活性和脯氨酸含量，降低过氧化氢
酶、抗坏血酸过氧化物酶活性及类胡萝卜素、还原型谷胱甘肽和抗坏血酸含量，并伴随丙二醛含量和细胞电解质
渗漏率增加。【结论】2.0 mmol·kg-1以上铜处理引起苋菜活性氧代谢失衡，明显降低净光合速率和实际量子效率，
加剧过氧化作用，导致植株生长严重受阻。
关键词：苋菜；铜毒；光合作用；活性氧代谢

Effects of Different Copper Levels on Photosynthetic Parameters
and Active Oxygen Metabolism of Amaranthus tricolor Seedlings
KE Shi-sheng
(School of Life Sciences, Taizhou University, Linhai 317000, Zhejiang)

Abstract: 【Objective】The objective of this study was to gain better insight into the physiological mechanisms of copper (Cu)
on photosynthesis and active oxygen metabolism in three-coloured amaranth plant (Amaranthus tricolor). 【 Method 】
Three-coloured amaranth seedlings were subjected to different Cu levels in soils during the whole experimental period. The
parameters of growth, photosynthesis, mineral elements contents and active oxygen metabolism were investigated by using plant
physiological methods.【Result】2.0-4.0 mmol Cu·kg-1 treatment decreased the whole plant dry mass to 91%-73%. Net photosynthetic
rate (Pn) and stomalal conductance (Gs) in the third leaves of three-coloured amaranth seedlings treated with 2.0-4.0 mmol Cu·kg-1
were similarly reduced. None of the investigated Cu levels decreased internal CO2 concentration (Ci). The effect of Cu on potential
efficiency of photosystem Ⅱ (Fv/Fm) was negligible, while the effect of Cu on PSⅡ quantum efficiency (ΦPSⅡ) after plant
adaptation in actinic irradiation was more noticeable. This could imply that the reduced demand of dark phase of photosynthesis for
ATP and NADPH in leaves caused a down-regulation of PSⅡ photochemistry. On the other hand, decrease in water percentage,
contents of photosynthetic pigments and mineral elements including Fe, K and Mg, significant increase in Cu content were observed
in third leaves of Cu-treated plants. Superoxide dismutase (SOD) and guaiacol peroxidase (POD) activities as well as proline (Pro)
content in third leaves of three-coloured amaranth seedlings treated with 2.0-4.0 mmol Cu·kg-1 significantly increased, while catalase
(CAT) and ascorbate peroxidase (APX) activities as well as the contents of carotenoid (Car), glutathione (GSH) and ascorbic acid
(AsA) decreased, and accompanied by the contents of hydrogen peroxide (H2O2), superoxide (O2
－·) and malondialdehyde (MDA) and
electrolyte leakage increased. 【Conclusion】As a result of unbalance of active oxygen metabolism, Pn and ΦPSⅡ decreased, and
peroxidization was aggravated under levels of 2.0-4.0 mmol Cu·kg-1. Finally, the growth of three-coloured amaranth was
significantly inhibited.
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Key words: Three-coloured amaranth plants (Amaranthus tricolor); Copper toxicity; Photosynthesis; Active oxygen metabolism

0 引言
【研究意义】近几十年来，随着工农业生产的发
展，重金属对环境污染的程度不断加重，如采矿和冶
炼引起土壤中铜含量过高，杀菌（虫）剂的滥用和农
业污灌也会造成同样的后果[1]。铜是植物必需的微量
元素，是线粒体和叶绿体中电子传递酶的组成部分，
参与氧化还原反应，但过量铜对植物有强烈的毒性，
严重抑制植物生长[2,3]。植物的生理活动是植物生长发
育的基础，研究铜对植物毒害的生理机制意义重大。
【前人研究进展】已有研究表明，重金属影响植物的
光合能力，过量铜直接抑制光合电子传递[4]和碳同化
酶的活性[5]，也间接影响光合效率，如降低光合色素
含量，损伤叶绿体的结构[6]，改变类囊体膜脂质和蛋
白质的组成[7]。铜毒害的另一个重要特征是产生氧化
胁迫，过量铜促使细胞形成有害的活性氧（ROS），
并诱发脂质过氧化而破坏膜的结构和功能[8]。有研究
者推测，植物体内不同抗氧化酶活性的变化可能影响
活性氧种类和浓度，此外，铜作为过渡态金属，能直
接促使活性氧的生成[9]。植物通过酶促和非酶促的抗
氧化机制清除这些活性氧，减轻它们的毒害作用。植
物体内主要的抗氧化酶是过氧化氢酶（CAT）、超氧
化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）等，非酶
促抗氧化剂主要包括谷胱甘肽、抗坏血酸和类胡萝卜
素等[10]。【本研究切入点】以前虽然研究了铜对植物
光合作用光反应和暗反应、叶绿素含量、水分代谢、
活性氧代谢等的影响，但大多是分别进行的，对这些
参数的同步研究和综合分析仍较缺乏。而且，人们对
不同种类植物光合作用、抗氧化酶对铜胁迫响应的认
识并不一致。苋菜（Amaranthus tricolor L.）是一种广
泛种植并深受人们喜爱的蔬菜，对 Pb 具有较强抗
性[11]，对 Cd、Hg、As、Pb 和 Cr 具有较强的富集能
力[12,13]，但对铜的响应情况还不清楚，有关铜胁迫对
其生理过程的影响鲜有报道。【拟解决的关键问题】
本研究以土培苋菜幼苗为材料，同步研究不同水平铜
处理对其光合色素含量、矿质元素吸收、光系统Ⅱ
（PSⅡ）光化学效率、净光合速率、活性氧代谢等的
影响，为探讨铜对植物毒害的生理机制提供依据。
1 材料与方法
1.1 试验处理
试验用土为菜园土，阴干粉碎过 2 mm 尼龙筛，
每盆装土 3 kg。土壤有效氮、磷、钾分别为 105、69、
83 mg·kg-1，pH 6.1，有机质含量 2.5%，离子交换量
CEC 21.9 cmol·kg-1，有效铜 0.13 mmol·kg-1。经试验确
定恰好浇透一盆土（没有多余水分沥出）所需用水量，
各以 10 盆用水量配制一个浓度梯度 Cu(Ac)2溶液，分
别小心浇入 10 盆土中。使加入土壤中的 Cu 含量分别
达到 0.5、2.0 和 4.0 mmol·kg-1干土，以未加 Cu 处理
作为对照，共计 40 盆。稳定 1 周后，倒出盆土，单盆
土样经充分混匀后再重新装盆，同时在供试土壤中加
入基础肥料（尿素 0.1 g·kg-1干土，KH2PO4 0.2 g·kg-1
干土）。苋菜种子购于浙江省临海市种子公司。6 月
底，种子经 0.5% NaClO 消毒并用蒸馏水冲洗后均匀
播于盆中，每盆 10 颗，保持土壤水分含量为最大田间
持水量的 80%。盆钵随机摆放，自然光照，常规管理。
幼苗长出 1 对真叶后间苗，每盆保留 4 株。播种后 45
d 测定各项指标。
1.2 指标测定
1.2.1 生长分析 在土壤表面将植株剪断，区分茎
叶，称量叶片鲜重。从盆中取出整土，用自来水小心
冲刷土块，收集苋菜全部根系。根、茎和叶用蒸馏水
洗净后 105℃杀青 10 min，75℃分别烘干称重。对照
和不同水平铜处理各取 3 盆。
1.2.2 光合参数测定 在室内控制条件下进行，用
LCA4 型光合测定仪（ADC，UK）控温装置控制叶室
温度为（30±1）℃，光合有效辐射（PAR）为（800±20）
µmol·m-2·s-1，空气 CO2浓度为（350±10）µmol·mol-1，
叶片连体测定。每处理重复测试 3 株第 3 对成熟叶，
每叶片重复记录 4～6 组数据，结果取平均值。测定的
指标有净光合速率（Pn，µmol·m-2·s-1）、胞间 CO2浓
度（Ci，µmol·mol-1）和气孔导度（Gs，mol·m-2·s-1）。
黎明前，以 OS30P 型叶绿素荧光测定仪（OPTI-sciences，
USA）采用快速动力学法测定叶片的最大光化学效率
（Fv/Fm），测定前叶片暗适应 2 h。7：00～8：00
经（800±20）µmol·m-2·s-1人工光源（钨卤灯）诱导 0.5
h 后测定 PSⅡ的实际量子效率（ΦPSⅡ）。
1.2.3 叶片含水量及 Fe、K、Mg 和 Cu 含量测定 取
不同处理 3 株第 3 对叶片，分别称量鲜重，75℃烘干
后称量干重，计算叶片含水量。叶片经 HNO3﹕H2O2
（4﹕1，V/V）消解后，TAS-986 型原子吸收分光光
度法测定 Fe、K、Mg 和 Cu 含量。
5 期 柯世省：铜对苋菜幼苗光合参数和活性氧代谢的影响 1319
1.2.4 活性氧代谢测定 按中国科学院植物生理研
究所等[14]介绍的方法测定超氧阴离子（ ）产生速率、
抗坏血酸（AsA）含量、抗坏血酸过氧化物酶（APX）
活性、细胞电解质渗漏率、丙二醛（MDA）含量、游
离脯氨酸（Pro）含量、叶绿素（Chl）和类胡萝卜素
（Car）含量，抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性单位
（U）用每小时消耗的抗坏血酸的微摩尔数来表示。
超氧化物歧化酶（SOD）活性用 NBT 法测定[15]，以
单位时间内抑制氮蓝四唑光化还原 50%为一个酶活性
单位（U）；过氧化氢含量的测定采用林植芳等介绍
的方法[16]；还原型谷胱甘肽的测定采用 DTNB 法[17]；
愈创木酚比色法测定过氧化物酶（POD）活性[18]，以
每分钟 A470 变化值表示酶活性大小；过氧化氢酶
（CAT）活性采用比色法测定[19]，以每分钟 A240的变
化值表示酶活力大小。不同处理各取 3 片第 3 对成熟
叶进行测定。
1.3 数据处理
各 测 定 数 据 用 DPS 软 件 进 行 方 差 分 析
（ANOVA），差异显著性（P＜0.05）运用 Duncan’s
检验法进行多重比较。
2 结果与分析
2.1 铜处理对苋菜生长的影响
本试验的各种水平铜处理均未使苋菜出现明显的
毒害症状（如萎黄或组织坏死）。表 1 表明，低水平
（0.5 mmol·kg-1）铜处理明显增加了苋菜叶片、茎和
植株的干重，但根干重增加不明显。2.0～4.0 mmol·kg-1
铜处理显著降低根、茎、叶和植株的干重，处理浓
度越大，降低幅度也越大，其中根干重降低的幅度最
大。

表 1 铜处理下苋菜幼苗的生物量（g 干重/株）
Table 1 Biomass of three-coloured amaranth seedlings under different Cu levels (g DW/plant)
铜处理 Cu level (mmol·kg-1) 植株 Whole plant 叶片 Leaves 茎 Stem 根系 Roots
对照 Control 1.527±0.058b 0.854±0.037b 0.484±0.022b 0.190±0.009a
0.5 1.640±0.050a 0.914±0.029a 0.524±0.029a 0.201±0.011a
2.0 1.383±0.042c 0.821±0.027b 0.428±0.031c 0.134±0.006b
4.0 1.112±0.037d 0.654±0.035c 0.362±0.014d 0.096±0.005c
同列数值不同字母表示统计学差异达 0.05 显著水平。下同
Different letters within the same column indicate statistically significant difference at 0.05 level. The same as below

2.2 铜处理对苋菜光合参数的影响
从表 2 看出，与对照相比，0.5～2.0 mmol·kg-1铜
处理下 Fv/Fm 下降不明显，但 4.0 mmol·kg-1铜处理下
明显降低。低水平铜处理对 ΦPSⅡ的影响不大，而在
2.0～4.0 mmol·kg-1 处理下则明显降低。2.0～4.0
mmol·kg-1铜处理明显降低了 Pn，Gs 表现出与 Pn 相似
的变化趋势。2.0 mmol·kg-1铜处理下 Ci 与对照相比变
化不大，但在 4.0 mmol·kg-1铜处理下则明显升高。
2.3 铜处理对苋菜光合色素、矿质元素和水分含量的
影响
如表 3 所示，不同水平铜处理均使叶片叶绿素 a
（Chl a）和叶绿素 b（Chl b）含量明显降低，而叶绿
素 a/b 值明显升高。0.5 mmol·kg-1铜处理下类胡萝卜素
（Car）变化不明显，2.0～4.0 mmol·kg-1下类胡萝卜素

表 2 铜处理下苋菜第 3对叶片光合参数
Table 2 Photosynthetic parameters in the third leaves of three-coloured amaranth seedlings under different Cu levels
铜处理
Cu level (mmol·kg-1)
最大光化学效率
Fv/Fm
实际量子效率
ΦPSⅡ
净光合速率
Pn (µmol·m-2·s-1)
气孔导度
Gs (mol·m-2·s-1)
胞间 CO2 浓度
Ci (µmol·mol-1)
对照 Control 0.825±0.037a 0.726±0.029a 8.59±0.64a 0.116±0.007a 165±14b
0.5 0.820±0.035a 0.738±0.026a 9.03±0.52a 0.121±0.008a 158±16b
2.0 0.802±0.026a 0.668±0.017b 7.25±0.49b 0.084±0.005b 173±12b
4.0 0.756±0.031b 0.614±0.025c 3.62±0.26c 0.039±0.003c 203±19a
1320 中 国 农 业 科 学 41 卷
表 3 铜处理下苋菜第 3对叶片光合色素含量
Table 3 Photosynthetic pigments contents in the third leaves of three-coloured amaranth seedlings under different Cu levels
铜处理
Cu level (mmol·kg-1)
叶绿素 a
Chl a (mg·g-1 DW)
叶绿素 b
Chl b (mg·g-1 DW)
叶绿素 a/b
Chl a/b
类胡萝卜素
Car (mg·g-1 DW)
对照 Control 10.52±0.40a 2.75±0.12a 3.82±0.18d 2.42±0.09a
0.5 9.16±0.29b 2.08±0.11b 4.40±0.28c 2.49±0.11a
2.0 7.94±0.37c 1.63±0.06c 4.87±0.26b 2.16±0.13b
4.0 7.03±0.22d 1.27±0.04d 5.54±0.27a 1.85±0.08c

表 4 铜处理下苋菜第 3对叶片矿质元素和水分含量
Table 4 Contents of mineral elements and water in the third leaves of three-coloured amaranth seedlings under different Cu levels
铜处理
Cu level (mmol·kg-1)
Cu
(mg·kg-1 DW)
Fe
(mg·kg-1 DW)
K
(mg·g-1 DW)
Mg
(mg·g-1 DW)
Water
(mg·g-1 FW)
对照 Control 8.3±0.5d 148.3±7.3a 22.6±1.4a 2.6±0.13a 754±32a
0.5 11.2±1.1c 132.2±7.5b 21.8±1.4a 2.2±0.09b 749±42a
2.0 28.7±4.7b 114.9±7.1c 16.4±0.7b 1.4±0.05c 683±25b
4.0 43.5±11.2a 96.2±4.4d 12.3±0.6c 1.1±0.05d 642±31c

含量显著降低。表 4 显示，0.5 mmol·kg-1以上铜处理
使叶片 Cu 含量显著升高、Fe 和 Mg 的含量显著降
低，2.0 mmol·kg-1以上铜处理使 K 和水分含量明显下
降。
2.4 铜处理对苋菜 和 H2O2的影响
图 1 表明，在 0.5 mmol·kg-1铜处理下，叶片超氧
阴离子（ ）产生速率已有增加，并随铜处理水平进
一步提高而快速上升。H2O2含量在 2.0～4.0 mmol·kg-1
铜处理下显著升高。
2.5 铜处理对苋菜丙二醛含量和电解质渗漏的影响
2.0 mmol·kg-1铜处理下，叶片丙二醛（MDA）含
量和电解质渗漏（electrolyte leakage）发生了明显变化，
并随着铜处理水平的提高而增大（图 2），表明较高
水平铜处理下叶片产生了氧化胁迫（图 1），导致膜
脂过氧化加剧，膜透性增强。
2.6 铜处理对苋菜抗氧化酶和抗氧化剂的影响
图 3 中看出，在不同水平铜处理下，叶片 4 种抗
氧化酶活性的变化有一定差异。较高水平（2.0～4.0
mmol·kg-1）铜处理使超氧化物歧化酶（SOD）和过氧
化物酶（POD）活性明显升高；0.5 mmol·kg-1处理使



图中数据为平均值±标准差。不同字母表示处理间同类数据差异显著（P＜0.05）。下同
Values in the figure were mean ± SE. Different letters show statistically significant difference of individual parameters among Cu levels (P＜0.05). The same as
below

图 1 铜处理下超氧阴离子产生速率和过氧化氢含量
Fig. 1 Production rate of superoxide (O2
－· ) and content of hydrogen peroxide (H2O2) in the third leaves of three-coloured amaranth
seedlings under different Cu levels
5 期 柯世省：铜对苋菜幼苗光合参数和活性氧代谢的影响 1321


图 2 铜处理下丙二醛含量和电解质渗漏率的变化
Fig. 2 MDA content and electrolyte leakage in the third leaves of three-coloured amaranth seedlings under different Cu levels



图 3 铜处理下抗氧化酶活性
Fig. 3 Antioxidases activities in the third leaves of three-coloured amaranth seedlings under different Cu levels

过氢化氢酶（CAT）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）
活性明显增大，但随着铜处理水平的继续提高，CAT
活性降至对照以下，而 APX 活性最大值出现在 2.0
mmol·kg-1处理。
随着铜处理水平的提高，游离脯氨酸（Pro）含量
明显升高，还原型谷胱甘肽（GSH）含量最大值出现
在 0.5 mmol·kg-1处理，2.0 mmol·kg-1处理下抗坏血酸
（AsA）含量最高（表 5）。
3 讨论
试验结果表明，2.0 和 4.0 mmol·kg-1 铜处理下苋
菜生长受到明显抑制，植株干重分别为对照的 91%和
73%。2.0 mmol·kg-1铜对 Fv/Fm 的影响不明显，为对
照的 97%，即 0.802，4.0 mmol·kg-1铜的影响虽然达到
显著水平，但相对较小，为对照的 92%，即 0.760。
按照 Björkman 等[20]的观点，不同条件下如果 Fv/Fm
1322 中 国 农 业 科 学 41 卷
表 5 铜处理下苋菜第 3对叶片抗氧化剂含量
Table 5 Contents of antioxidants in the third leaves of
three-coloured amaranth seedlings under different
Cu levels
铜处理
Cu level
(mmol·kg-1)
还原型谷胱甘肽
GSH
(µmol·g-1 DW)
抗坏血酸
AsA
(mg·g-1 DW)
游离脯氨酸
Free Pro
(µg·g-1 DM)
Control 6.2±0.04b 8.3±0.4c 93±6d
0.5 8.8±0.07a 9.7±0.7b 136±11c
2.0 5.7±0.04b 11.2±0.7a 230±19b
4.0 4.1±0.02c 6.2±0.3d 261±16a

仍大于 0.8，光系统Ⅱ的光化学效率就可被认为基本上
没有受到影响。铜胁迫下小麦（Triticum durum）[21]
和黄瓜（Cucumis sativus L.）[22]叶片光系统Ⅱ的最大
光化学效率只发生了轻微变化。菜豆属（Phaseolus）
植物经铜处理后，生长速率急剧降低，但 Fv/Fm 变化
甚微[23]。相反，另有一些研究[4,24]表明，铜处理明显
影响光系统Ⅱ的电子传递和光化学效率。因此，铜胁
迫对植物光化学效率的影响程度可能取决于植物的种
类、成熟程度、胁迫时间和胁迫强度。
在同样水平的铜处理下，苋菜光系统ⅡΦPSⅡ的变
化比最大光化学效率的变化明显，在 2.0 mmol·kg-1铜
处理下就明显降低。Mn 处理植物也得到相似的结
果[25]。实际量子效率的降低可能是由于重金属胁迫下
植物碳同化能力的降低或光合作用暗过程对 ATP 和
NADH 利用能力的低下所致[25]。
本试验所测的苋菜光合参数中，净光合速率受铜
的影响最明显，这个结果进一步证实光合作用的碳还
原和随后进行的暗反应比光反应对重金属更敏感。2.0
mmol·kg-1 和 4.0 mmol·kg-1 铜处理下苋菜净光合速率
急剧降低，分别为对照的 84%和 43%。同时，气孔导
度的降低幅度也较大。低气孔导度可能引起叶绿体中
CO2 浓度降低，导致原料不足使光合减弱，但铜处理
下苋菜净光合速率的明显降低并非由此造成，因为叶
片中胞间 CO2浓度甚至比对照还高。综上所述，铜处
理下苋菜净光合速率的急剧降低不是重金属引起的叶
片气孔关闭所致。Mn 处理植物也得到类似结果[25]。
CO2 还原量的降低导致植物吸收的光能和碳同化所利
用的能量之间的失衡，影响量子效率（铜处理下苋菜
实际量子效率下降）。本试验结果表明，苋菜光合作
用电子传递对铜毒的耐性高于 CO2同化对铜毒的耐性。
土壤中过量铜明显促进了苋菜叶片中铜的积累，
土壤中施加 0.5 mmol·kg-1铜使叶片中铜含量增加到对
照的 134%（即 11.2 mg·kg-1）。中国国家标准中食品
铜限量卫生标准（GB15199－94）规定，蔬菜类食品
中铜限量为 10 mg·kg-1。苋菜对铜的抗性较强，在铜
污染土壤中种植苋菜供食用存在较高的安全风险，但
能否将其作为铜污染土壤植物修复材料需进一步深入
研究。过量铜降低了 Fe、K、Mg 向苋菜叶片运输的
速率和叶片光合色素的含量及水分含量。低铁影响叶
绿素的合成和叶绿体的结构，进而减弱光合作用强
度[26]。钾是植物组织中含量最丰富的阳离子，它在维
持液泡的渗透势和细胞膨压中起着重要作用，为叶片
扩展所必需，叶片细胞的伸长与钾含量有密切的关
系[27]。铜处理导致苋菜叶片钾含量下降引起细胞渗透
势降低，进而减少了细胞的伸长，使叶片扩展受阻。
菜豆（Phaseolus vulgaris）在镁缺乏时其同化物在叶
片中积累，导致光合速率因反馈抑制而降低[28]，此外，
镁在 RuBP 羧化酶的活性调节中起着关键作用[29]。铜
处理使苋菜叶片镁含量降低，可能导致光合产物在叶
片中积累并降低光合速率，向茎和根输出的同化物减少。
植物生长受重金属抑制也与其在氧化胁迫下的生
理变化有关[30,31]。铜毒造成细胞超微结构的损伤，影
响细胞生物化学进程特别是降低了净光合速率，导致
光合作用激发能的过剩。这些损伤和变化加速活性氧
形成，并由此引起生物大分子不可逆的伤害。抗氧化
酶如 SOD、POD、CAT 和 APX 等能清除代谢产生的
活性氧[32]。在植物正常生长时，它们彼此协调，使体
内活性氧维持在一个较低的平衡状态。当处于受胁迫
状态时，植物体内活性氧产生和清除的平衡遭到破坏，
从而加快活性氧的积累，影响植物的正常生长。因此，
对活性氧的清除能力是决定细胞胁迫抗性的关键因
素，抗氧化酶系的保护能力取决于各种酶彼此协调的
综合作用[33]。包括铜在内的许多重金属都能提高植物
体内抗氧化酶的活性[34,35]。SOD 是一种诱导酶，铜直
接或通过增加 间接影响 SOD 基因的表达，使 SOD
活性增强[30,36,37]。2.0 mmol·kg-1铜处理下，苋菜叶片
产生速度和 H2O2含量明显增加，SOD 和 POD 活性升
高。随着铜处理水平的继续升高，SOD 活性增大，POD
活性仍保持在较高水平，但 CAT 活性降低，而 CAT
在分解 H2O2中起着关键作用。APX 在 4.0 mmol·kg-1
铜处理下活性降低可能与此时抗坏血酸含量降低有
关[38]。铜处理下苋菜叶片 SOD 活性上升，这与拟南
芥（Arabidopsis thaliana）[9]、小麦[36]和大豆[39]一致。
SOD 活性增强，H2O2必然增多，而 H2O2是 Fenton 和
Haber-Weiss 反应产生羟自由基（·OH）必不可少的底
5 期 柯世省：铜对苋菜幼苗光合参数和活性氧代谢的影响 1323
物。POD 的作用具有双重性，一方面，POD 能催化
H2O2与其它底物进行氧化反应而被清除；另一方面，
POD 又能催化 和 H2O2转变为羟自由基而加重过氧
化作用，H2O2 是这种转变的限速底物[9]。铜胁迫下苋
菜叶片 H2O2增多，CAT 活性降低，而 POD 活性上升，
可能导致羟自由基增多，引起叶片膜脂过氧化加剧，
使得 MDA 含量增加，细胞电解质渗漏加重，细胞膨
压降低，这可能是叶片扩展受阻的另一重要原因。植
物细胞内活性氧的有效清除还需要抗氧化剂共同作
用。抗坏血酸（AsA）是植物光合组织中重要的抗氧
化剂，不仅在 Hallwell－Asada 循环中作为 APX 的底
物，还可作为抗氧化剂直接清除活性氧。还原型谷胱
甘肽（GSH）是生物体内普遍存在的一种三肽，与有
害的氧化剂作用，保护含巯基的蛋白质。类胡萝卜素
（Car）存在于叶绿体，一方面阻止激发态叶绿素分子
的激发能从反应中心向外传递，另一方面也保护叶绿
素分子免遭光氧化损伤。Car 有 α-胡萝卜素、β-胡萝
卜素与叶黄素 3 种形式。Car 含量降低，对过剩激发
能的耗散作用减弱，使活性氧增加。本试验中，上述
3 种抗氧化物质在较高水平（2.0～4.0 mmol·kg-1）铜
处理下含量下降，但下降的原因是被铜胁迫所抑制还
是被增加的活性氧氧化作用所消耗，有待于进一步研
究。游离脯氨酸（Pro）是水溶性最大的氨基酸，被认
为是有效的渗透调节物，有助于增强植物细胞或组织
的持水能力，对缓解重金属胁迫下叶片失水有一定的
作用。随铜处理水平的增加，苋菜叶片积累了较多的
Pro。最早由 Smirnoff 证实外源 Pro 对活性氧具有清除
作用[40]。体内积累的 Pro 也具有抗氧化作用，并且 Pro
清除活性氧具有一定的专一性，即只对羟自由基
（·OH）和单线态氧（O21）具有清除作用[41]。
4 结论
较高水平（2.0～4.0 mmol·kg-1）铜处理下，苋菜
的生物量明显降低，生长受到严重抑制。最大光化学
效率变化不大，但净光合速率和实际量子效率显著减
小。光合色素和 Fe、K 和 Mg 等矿质含量降低，而 Cu
含量极大提高。活性氧水平、SOD 和 POD 活性升高，
而 CAT 和 APX 活性降低，脂质过氧化作用加重，膜
透性增强。

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（责任编辑 吴晓丽）