全 文 ：铜对苋菜气孔气体交换的影响
朱建 ,柯世省＊ ,李丹丹 ,邱海军 ,陈宇琦　(台州学院生命科学学院 ,浙江临海 317000)
摘要　[目的]探究铜胁迫对苋菜生理过程的影响。[方法]用土培的方法 ,研究铜对苋菜幼苗气孔气体交换和光合色素的影响及铜在植
物体的分布。[结果] 0.5 mmol/kg铜处理对苋菜生长有利;随着铜浓度的增加 ,苋菜净光合速率明显降低 , 主要归因于非气孔限制;蒸腾
速率、光饱和点、表观量子效率和光合色素含量下降 ,光补偿点升高;暗呼吸速率在 0.5～ 2.0 mmol/ kg下升高 ,在 4.0 mmol/ kg下降低;苋
菜根系铜含量远高于叶片 ,且随着铜处理浓度的升高 ,根系和叶片铜含量明显增加。[结论]该研究为苋菜种植和探讨铜对植物毒害的
生理机制提供依据。
关键词　苋菜;铜毒;气体交换;铜吸收
中图分类号　Q945.78　　文献标识码　A　　文章编号　0517-6611(2007)34-11001-03
Effects of Copper on Gas Exchange of Amaranthus Stomata
ZHU Jian et al　(School of Life Sciences , Taizhou University , Linhai , Zhejiang 317000)
Abstract　[ Objective] The purpose of the studywas to explore the influence of copper stress on the physiological process of Amaranthus.[Method] The in-
fluences of copper on the stomatal gas exchange and photosynthetic pigments of Amaranthus seedlings and the copper distribution in plants were studied by soil
culture.[ Result] The treatment with 0.5 mmol/kg copperwas favorable for Amaranthus growth.The net photosynthetic rate of Amaranthus reduced obviously
along with copper concentration increasing, which was mainly attributed to nonstomatal limitations.Transpiration rate, light saturation point , apparent quantum
efficiency and photosynthetic pigments contents decreased, while light compensation point increased.Dark respiration rate increased under the copper concen-
tration of 0.5～ 2.0 mmol/kg and decreased under the copper concentration of 4.0mmol/kg.Therewas far higher copper concentration in roots of Amaranthus
than that in leaves.The copper concentration in roots and leaves obviously increased along with the increment of copper concentration in treatments.[ Conclu-
sion] The research provided the basis for Amaranthus planting and discussing the physiological mechanism of copper poison to plant.
Key words　 Amaranthus;Copper toxicity;Gas exchange;Copper uptake
　　铜是植物必需的微量元素 ,参与许多生理过程 ,如光合
作用和呼吸作用的电子传递 ,是一些代谢途经中关键酶的辅
酶或构成中的一部分 。高等植物主要以Cu2+的形式从土壤
中吸收铜。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 ,如采矿和冶炼造成土壤中铜含量
过高 ,杀菌(虫)剂的滥用和农业污灌也会造成同样的后
果[ 1] 。过量铜对植物有强烈的毒性 ,直接抑制光合电子传
递[ 2]和碳同化酶的活性[ 3] ,也间接影响光合效率 ,降低光合
色素含量[ 4] ,损伤叶绿体的结构[ 5] ,改变类囊体膜脂质和蛋
白质的组成[ 6] 。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[ 7] ,对 Cd、Hg 、
As 、Pb和 Cr具有较强的富集能力[ 8-9] ,但有关 Cu胁迫对苋
菜生理过程的影响鲜有报道。笔者以土培苋菜幼苗为材料 ,
研究不同水平铜处理对苋菜铜积累和气孔气体交换的影响 ,
探讨铜对植物毒害的生理机制 ,为苋菜种植提供依据。
1　材料与方法
1.1　材料　供试苋菜品种为一点红(杭州良峰蔬菜种子有
限公司生产),种子购于浙江省临海市种子公司。试验土壤
为菜园土 ,土壤有效氮 、磷 、钾分别为 105、69、83mg/kg , pH值
6.1 ,有机质含量 2.5%,离子交换量(CEC)21.9 cmol/kg ,有效
铜 0.13mmol/kg。
1.2　试验设计　将菜园土阴干粉碎过 2 mm筛 ,每盆装土
3 kg。以恰好浇透一盆土(没有多余水分沥出)所需用水量配
制一个浓度梯度 Cu(Ac)2 溶液 ,分别小心浇入盆土中 ,使加
入土壤中的 Cu 浓度分别达到 0.5 、1.0、2.0、4.0 mmol/kg干
土 ,以未加Cu处理作为对照(CK),每个处理 7次重复 ,共计
35盆。稳定 1周后 ,倒出盆土 ,单盆土样经充分混匀后再重
基金项目　浙江省自然科学基金资助项目(Y504256)。
作者简介　朱建(1985-),男 ,浙江仙居人 ,本科生, 专业:植物生理生
态。 ＊通讯作者。
收稿日期　2007-07-14
新装盆。6月底 ,苋菜种子经 0.5%NaClO消毒后均匀播于盆
中 ,每盆 10颗 ,保持土壤水分含量为最大相对含水量的
80%。花盆完全随机摆放 ,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 50 d ,测定各项指标。
1.3　指标测定
1.3.1　铜含量测定 。在土壤表面将植株剪断 ,取第 3和 4对
(从植株顶部下数)成熟叶片 ,用蒸馏水洗净后 105 ℃杀青 10
min ,75 ℃烘干。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 ,洗净烘干。每盆 4 株作为一个混合样
品 ,每个水平铜处理 3盆。叶和根分别用XA-1型植物样品
粉碎机粉碎 ,过 1 mm尼龙筛 ,用于铜含量分析。叶片和根系
样品经HNO3∶H2O2(4∶1 , V/V)消解后 ,TAS -986型原子吸收
分光光度法测定铜含量 ,取平均值。
1.3.2　气体交换参数测定。在室内控制条件下 ,用 LCA4型
光合作用仪(ADC ,UK)控温装置控制叶室温度为(30±1)℃,
进气 CO2浓度为(350±10)μmol/mol ,相对湿度为(55±2)%,
钨卤灯提供人工光源 ,调节光合有效辐射从 0 到 1 500
μmol/(m2·s),弱光下(小于 160μmol/(m2·s))每间隔为 20 ～ 30
μmol/(m2·s)、强光下每间隔为 100 ～ 300μmol/(m2·s),每间隔
光照持续 3 min。待数据稳定 ,测得从低到高一系列光合有
效辐射下叶片的净光合速率。从低光强下净光合速率 —光
合有效辐射的直线斜率求得表观量子效率 ,计算光补偿点 。
实测光饱和点 、最大净光合速率以及光饱和点下的蒸腾速
率 、气孔阻力和胞间 CO2 浓度 ,计算瞬时水分利用效率。
水分利用效率=净光合速率÷蒸腾速率 (1)
完全遮光测定暗呼吸速率 。每个水平铜处理测试 3片
第 3对叶片 ,结果取平均值 。
1.3.3　光合色素含量测定。按中国科学院植物生理研究所等[ 10]
介绍的方法 ,测定第 3对成熟叶的叶绿素和类胡萝卜素含量。
1.4　回归分析　将测定的参数与叶片铜含量用 DPS软件进
行回归分析 ,得到的方程进行 F 检验。
安徽农业科学 , Journal of Anhui Agri.Sci.2007 , 35(34):11001-11003 , 11005　　　　　　　　　　　　　　　　责任编辑　理雪莲　责任校对　俞洁
DOI :10.13989/j.cnki.0517-6611.2007.34.074
2　结果与分析
2.1　铜处理下苋菜叶片和根系铜含量的变化　试验范围的
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)。由图 1可知 ,随着铜处理水平的提高 ,苋菜叶片
和根系的铜含量明显升高 。苋菜从土壤中吸收的铜主要留
在根系。施加 0.5 、1.0、2.0和 4.0mmol/kg铜 ,苋菜根系的铜
含量分别为对照的 2.2、4.1、8.0和 13.3倍 ,叶片铜含量分别
为对照的 1.5、2.0 、3.6和 5.1倍 ,根系铜含量分别为叶片的
2.8、3.9、4.4和 5.1倍。
图 1　铜处理下苋菜叶片和根系的铜含量
2.2　铜处理对苋菜气体交换的影响　由图 2可知 ,铜对苋
菜不同气体交换参数的影响不同。土壤中施加 0.5 mmol/kg
铜 ,苋菜最大净光合速率比对照增加了 7.6%,而在 1.0、2.0
和 4.0mmol/kg铜处理下 ,最大净光合速率则比对照分别降
低了 6.9%、21.3%和 56.6%。气孔阻力和胞间CO2 浓度的
变化趋势基本上与最大净光合速率相反 。0.5 、1.0和 2.0
mmol/kg铜处理下 ,暗呼吸速率分别比对照增加了 13.0%、
20.2%和 6.7%;4.0mmol/kg铜处理下比对照降低了 25.9%。
0.5mmol/kg铜处理下 ,蒸腾速率比对照增加了 6.5%;1.0 、
2.0和 4.0 mmol/kg铜处理下 ,蒸腾速率分别降低了 6.1%、
16.3%和 31.6%。2.0 mmol/kg以下铜处理对水分利用效率
的影响不明显 ,但 4.0 mmol/kg铜处理使水分利用效率比对
照降低了 36.6%。
2.3　铜处理对苋菜光补偿点 、光饱和点和表观量子效率的
影响　光补偿点和光饱和点分别反映植物对弱光和强光的
适应能力 ,表观量子效率则体现植物对光的利用能力。由图
3可知 ,与对照相比 , 0.5 mmol/kg铜处理下苋菜光补偿点降
低了 12.2%,而 1.0、2.0和 4.0mmol/kg铜处理下光补偿点分
分别增加了 36.6%、54.7%和 64.1%;0.5 mmol/kg铜处理下
苋菜光饱和点比对照增加了9.6%,而 1.0 、2.0和4.0 mmol/kg
铜处理下光饱和点分别比对照降低了5.8%、24.7%和
图 2　铜处理下苋菜叶片气体交换参数的变化
37.6%。各种水平铜处理下苋菜的表现量子效率变化趋势
与光补偿点一致。研究表明 ,0.5mmol/kg铜处理下苋菜表观
量子效率比对照增加了 14.3%,而 1.0、2.0和 4.0mmol/kg铜
处理下表观量子效率则分别比对照降低了 11.9%、31.0%和
54.8%。
2.4　铜处理对苋菜叶片光合色素含量的影响　从图 4可以
看出 ,铜处理明显影响苋菜叶片总叶绿素含量 ,而对类胡萝
卜素的影响相对较小 。与对照相比 , 0.5 、1.0、2.0 和 4.0
mmol/kg铜处理下 ,叶绿素含量分别降低了 3.5%、19.1%、
27.9%和 37.5%,类胡萝卜素含量分别降低了 5.0%、5.8%、
10.7%和 23.6%。随着铜浓度的增加 ,叶绿素 a/b 值逐渐增
大 ,表明叶绿素 b受铜的影响比叶绿素 a大。
2.5　各参数与叶片铜含量的回归分析　将苋菜叶片铜含量
与上述 11个参数进行回归 ,得到各自的回归方程。各回归
方程经 F检验 ,均达到显著(P ≤0.05)或极显著(P ≤0.01)
水平 。
3　小结与讨论
(1)该试验的各种水平铜处理均未使苋菜出现明显的毒
害症状 ,表明苋菜对铜有较强的抗性。随着土壤铜浓度的提
高 ,苋菜根系和叶片铜含量增大 ,苋菜从土壤中摄取的铜主
要留在根系 ,表明苋菜对铜具有一定的排斥作用。土壤中施
加 0.5mmol/kg铜使叶片中铜含量增加到 13.6 mg/kg。而我
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 10mg/kg 。可见 ,在铜污染土壤中种植苋
11002 　　　　　　　　　　　　　安徽农业科学　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2007年
菜供食用存在一定的安全风险。
　　(2)通常认为 ,导致光合作用降低的因子包括气孔限制
和非气孔限制。检查气孔限制是否为光合速率下降的原因 ,
既要看气孔阻力的大小 ,又要看胞间CO2 浓度的变化。当净
图3　铜处理下苋菜叶片光补偿点和光饱和点的变化
图 4　铜处理下苋菜叶片光合色素的含量
光合速率下降时 ,如果胞间CO2 浓度下降 ,气孔阻力上升 ,说
明净光合速率的降低主要是由于气孔限制所致;如果气孔阻
力和胞间 CO2 浓度同时上升 ,则表明非气孔限制发生了作
用[ 11] 。试验结果表明 ,1.0mmol/kg以上铜处理下 ,苋菜净光
合速率降低 ,并伴随着胞间 CO2 浓度和气孔阻力的升高 ,说
明铜处理对苋菜光合作用的限制主要由非气孔限制引起。
光合限制部位主要发生在叶肉细胞内 ,不是由于气孔阻力的
升高使CO2 供应不足 ,可能是由于铜通过影响光合机构或暗
反应酶活性[ 3 , 12]影响光合作用。而且净光合速率随铜浓度
的增加而下降加剧 ,说明铜对苋菜光合作用的影响具有浓度
效应。气孔阻力的升高一般来说与叶片水势降低 、气孔保卫
细胞失水有关。这 2项生理指标又均与植物组织的水分状
况有关。该研究表明 ,1.0mmol/kg以上铜处理下 ,苋菜蒸腾
速率明显下降。这说明水分因子可能是导致苋菜叶片气孔
阻力升高的主要原因 ,也可能是由于铜引起了叶片ABA水
平增加而导致气孔关闭[ 13] 。
(3)重金属影响呼吸作用的气体交换。对呼吸速率的影
响依赖于金属的种类和浓度。轻度金属胁迫增加暗呼吸速
率 ,而严重金属胁迫使呼吸降低。这表明代谢受到损伤。植
物对重金属的排出和留在细胞壁需要增加能量 ,通常通过增
加呼吸速率来满足[ 14] 。在 0.5 ～ 2.0 mmol/kg铜处理下苋菜
暗呼吸速率均高于对照 ,表明其在进行着较强的分解代谢 ,
这为植物在胁迫环境下的生长提供了能量的保证 。许多研
究还表明 ,高浓度铜和其他重金属直接影响细胞质且损伤线
粒体结构[ 15] ,导致呼吸作用降低。4.0 mmol/kg铜处理下苋
菜暗呼吸速率明显低于对照。这可能是由于其代谢过程(包
括呼吸代谢)和线粒体结构受到了胁迫损伤 。
(4)过量铜引起叶绿素降解[ 4] ,也能取代天线色素复合
体和反应中心中叶绿素中的镁 ,使叶绿素的功能和结构遭到
破坏 。叶绿素含量的降低还可能与铜引起的叶绿体膜的脂
质过氧化有关[ 16] 。该试验发现 ,铜明显降低了苋菜叶绿素
和类胡萝卜素的含量 ,对光合作用产生间接影响。类胡萝卜
素存在于叶绿体 ,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 ,另一方面保护叶绿素分子免遭光氧化损
伤。类胡萝卜素含量降低 ,对过剩激发能的耗散作用减弱 ,
使活性氧增加 ,加重铜胁迫下植物的氧化压力 ,对植物的生
理活动造成不良影响。
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(下转第 11005页)
1100335卷34期　　　　　　　　　　　　　　　　朱建等　铜对苋菜气孔气体交换的影响
图 3　干旱胁迫及复水条件下 SOD活性变化
图4　干旱胁迫及复水条件下 POD活性变化
3　小结与讨论
自 Simrnoff和Cumbes证实外源脯氨酸具有清除活性氧
的作用[ 7]以后 ,人们对游离脯氨酸的积累与抗氧化作用的关
系给予了极大的关注。李玲报道 ,花生体内脯氨酸含量的提
高有利于抗旱[ 8] 。该文也对干旱胁迫过程中花生游离脯氨
酸含量进行了研究。研究结果与他人的研究结果相同。在
干旱胁迫过程中 ,3个品种花生的脯氨酸含量一直处于上升
趋势 ,作物受旱后 ,叶片中可快速积累脯氨酸以维持叶片一
定的水势 ,并且抗旱品种比不抗旱品种的积累量多[ 9] 。在该
试验中 ,花育 20脯氨酸含量上升得最多。
干旱胁迫下可溶性蛋白能在一定的范围内调节植物细
胞的渗透压 ,保持原生质与环境的渗透平衡 ,从而抵抗水分
胁迫带来的伤害[ 10] 。在大部分植物的抗旱生理研究中 ,胁
迫时可溶性蛋白含量一般升高。该试验的结果与上述结论
相同 。在干旱胁迫的 48 h内 ,3种花生的可溶性蛋白均处于
上升趋势。
干旱胁迫时 ,植物体内产生大量的活性氧 ,同时植物本
身对活性氧的伤害有复杂的防御体系 ,以保证细胞的正常功
能。SOD 、POD是 2种重要防护逆境所产生的氧自由基伤害
系统的酶系统[ 11] 。该研究中 SOD活性的变化是先下降后上
升。这可能是由于在胁迫的初期花生不适应 ,后来 SOD活性
的上升是因为花生对干旱胁迫适应 ,而且逆境所产生的氧自
由基诱导 SOD的上升[ 12] 。该研究发现 ,POD活性一直处于
上升趋势。这种变化与其他的研究结果相同。
由于花生品种的形态结构 、生理生化特征及其生长发育
等不同 ,所以抗旱机制及对干旱逆境的反应也不同。上述的
生理指标变化情况表明 ,花育 20抗旱性高于鲁花 11、兴义多
粒种 。
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