镉对水芹幼苗生理指标及叶绿体超微结构的影响

张静　任君等

摘 要：在水培条件下，研究不同浓度Cd2+胁迫对水芹幼苗叶绿素含量、叶绿体超微结构、抗氧化系统等生理指标的影响。结果表明，高浓度Cd2+胁迫下，水芹幼苗叶片的叶绿体结构有明显损伤，当Cd2+浓度达到2、5mg·L-1时超微结构显示，膜系统边缘逐渐不清晰，叶绿体空泡体积增大，基质片层、基粒类囊体呈现逐渐压缩减少；当Cd2+浓度达到10mg·L-1时，基粒片层扭曲、变形、松散，基质稀薄。与对照组相比，Cd2+浓度为2、5mg·L-1时，叶绿素总量和叶绿素a含量均显著下降。随着Cd2+浓度逐渐增高，水芹叶片中MDA、H2O2、[O-2·]含量均显著上升，SOD与 Cd2+浓度呈现反比例关系，而POD、CAT活性在整个浓度梯度中均表现为先上升后下降。

关键词：镉；水芹幼苗；叶绿体超微结构；抗氧化系统

中图分类号 Q945.78 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2015）18-28-04

Effects of Cadmium on Physiological Indexes and Ultrastructure in Chloroplast in Cress Seedlings

Zhang Jing et al.

（Fisheries Research Institute，Anhui Academy of Agricultural Sciences，Hefei 230031，China ）

Abstract：The effects of different concentrations of Cd2+ on cress seedlings chlorophyll contents，ultrastrucure in chloroplast and antioxidative system were investigated using water culture method.The results indicated that chloroplast structure under high concentration of Cd2+ on cress seedlings have significant damage，membrane of chloroplast became foggy at 2 and 5mg·L-1 Cd2+，chloroplast vacuolated apparently，the slices of basal granule and thylakoids reduced，the slices of basal granule were distorted or even disintegrated，matrix was tenuous 10mg·L-1 Cd2+. Compared with the control，total chlorophyll and chlorophyll a levels significantly decreased at 10 mg·L-1 Cd2+. With increase in the concentration of Cd2+ the levels of MDA、H2O2、O2·- in cress seedlings significantly increased，SOD activity and concentration of Cd2+showed an inverse relationship，however POD and CAT activity increased and then decreased after.

Key words：Cadmium；Cress seedling；Ultrastructure in chloroplast；Antioxidative system

水芹（Oenanthe stolonifera D.C.）属于伞形科、水芹菜属多年水生宿根草本植物，是水生蔬菜的一种，在我国分布广泛，常分布在河沟水田旁，具有耐寒、喜水、适宜短日照季节生长的特性。自然生长的水芹能够在污水沟渠旁生长并且长势旺盛，表明它有极强吸收N、P的能力，同时很多研究表明水芹对重金属有一定的富集、吸附作用。申华[1]等人对水芹等3种水草对镉污染水体的修复作用试验中得出，在Cd2+10mg/L的高浓度下处理14d后水芹中镉的富集量达到92.98mg/kg，华大春[2]等人对土培水芹不同器官中的镉富集特性作了研究，结果表明低浓度Cd2+对水芹的生物量有一定的促进增长作用。现今相关研究多集中在水芹对重金属镉的富集吸收作用，而镉对水芹的生理毒害特性鲜有报道。为此，本文通过研究在不同浓度外源Cd2+胁迫下水芹幼苗的相关生理特性，探究Cd2+浓度胁迫对水芹幼苗的毒害机理。

1 材料和方法

1.1 试验材料 水芹幼苗购自安庆山泉水生蔬菜研究所，采用浮床无基质栽培养方式进行培养。

1.2 试验设计 将水芹苗进行生根处理，数天后选择长势良好、株高和鲜重一致、多新鲜根的水芹苗留为试验用。培养瓶采用500mL黑色聚乙烯瓶，在瓶盖上钻孔，苗采用海绵固定，每瓶培养5株幼苗，并通气。将水芹苗移入含有400mL不同Cd2+浓度的Hoaglands营养液[3]中培养。采用5个镉浓度梯度0.2、1、2、5、10mg·L-15个Cd2+水平和一个空白对照组，Cd2+由CdCl2提供，每个处理3个平行。每天10h的光照（15W日光灯），光照时培养温度为25℃。10d后检测Cd2+对水芹生长状态和生理特征影响。

1.3 试验方法

1.3.1 透射电镜样品的制备和电镜观察（1）取材固定：用手术刀片快速切取水芹叶片1mm2左右大小，用生理盐水清洗组织，固定于4℃的2.5%戊二醛中6h，后取出后放到1.5mL离心管内离心10min（2 000r/min）；（2）漂洗：用磷酸缓冲液（0.1mol·L-1，pH7.2）冲洗4次，每次间隔45min；（3）后固定：将组织后固定于1%锇酸1h；（4）块染：70%醋酸铀乙醇饱和液中浸泡10h；（5）脱水：在30%、50%、80%、95%乙醇中依次脱水各15min，无水乙醇中脱水2次各40min；（6）渗透：环氧丙烷代换1次30min，环氧炳烷：环氧树脂1∶1渗透2h，环氧炳烷∶环氧树脂1∶2渗透1h，浸环氧树脂（Epon812）2h；（7）包埋聚合：环氧树脂包埋，后入45℃烤箱中12h，65℃烤箱中48h；（8）切片：取出包埋好的组织进行超薄切片，片厚70nm；（9）染色：将切好的片子水洗后放入醋酸铀饱和水溶液中30min，双蒸水洗×3次15min，入枸橼酸铅染液15min，双蒸水洗×3次10min；（10）电镜观察和拍照：用日产JEM-1230型透射观察并拍照[4]。

1.3.2 植物生化指标测定 鲜叶叶绿素含量的用二甲亚砜法[5]测定。MDA含量的测定：硫代巴比妥酸法（TBA）[6]；SOD、POD、CAT活性的测定：植物ELISA检测试剂盒（北京天根生物有限公司）。

1.4 数据分析 所有测定数据均为3次重复实验的平均值±标准差（Mean±SD），并用SPSS 17.0进行方差分析，经分析有效的数据（P<0.05）进行多重分析比较。

2 结果与分析

2.1 Cd2+对水芹幼苗叶片叶绿体超微结构的影响 研究结果表明，高浓度Cd2+对水芹幼苗叶片的叶绿体结构有明显损伤，主要表现为叶绿体膨胀成圆球形，叶绿体空泡增多，基质片层、基粒类囊体呈现逐渐压缩减少、排列不规则等现象。同时Cd2+的积累对细胞膜和细胞核有明显的破坏，使细胞膜变薄，通透性增加，细胞核压缩，密度增大。主要表现为：在低浓度下·Cd2+（0.2、1mg·L-1）与对照相比，水芹幼苗叶片的细胞超微结构没有明显变化，叶绿体外形呈长椭圆形，基质片层排列规则、清晰，基粒类囊体分布均匀；当Cd2+浓度达到2、5mg·L-1时，膜系统边缘逐渐不清晰，叶绿体空泡体积加大，基质片层、基粒类囊体呈现逐渐压缩减少；当Cd2+浓度达到10mg·L-1时，叶绿体膨大呈球形，基质片层排列不规则，类囊体逐渐消失，膜系统破坏明显，细胞器损伤严重甚至解体（图1）。

重金属破坏叶绿体结构，使植物叶片叶绿素含量降低，降低光合强度，这是重金属对植物毒害的普遍现象。有研究表明，叶绿体类囊体膜含不饱和的脂肪酸，因而对活性氧诱发的膜脂过氧化特别敏感，当体内积累的Cd2+增多，使叶绿体内产生的活性氧过多而来不及清除，引发膜质过氧化，使叶绿体膜结构受到损伤，从而影响其功能[7]。宇克莉[8]等人研究认为，Cd2+胁迫下叶绿体膨胀成圆球形，可能是Cd2+导致渗透压的变化引起的。可见对叶绿体超微结构的破坏作用是重金属Cd对植物毒害的机制之一。

2.2 Cd2+对水芹幼苗叶绿素含量的影响 图2表明，叶绿素a和总叶绿素含量在1mg·L-1时达到最大，说明低浓度镉对叶绿素的产生有促进作用，叶绿素a/叶绿素b随着Cd2+浓度的变化与叶绿素a变化一致。当Cd2+浓度升为2、5mg·L-1时，与最大含量相比，叶绿素总量和叶绿素a均显著下降，同时与叶绿素a一致，叶绿素a/叶绿素b也显著下降（P<0.05）。Somashekaraiah[9]等研究发现，导致叶绿素下降原因可能是重金属影响叶绿素合成酶活性，也可能与叶绿素中Fe竞争作用[10]，还可能是促进叶绿素本身降解[11]，从而影响了叶绿素含量。其中叶绿素总量和叶绿素a下降速率大于叶绿素b，说明叶绿素a对Cd2+更敏感。叶绿素a/叶绿素b比值呈现上升趋势，这是因为叶绿素a下降速率大于叶绿素b。

2.3 Cd2+对水芹幼苗抗氧化系统的影响 由表1可知，与对照组比较，在Cd2+浓度逐渐增高条件下，水芹叶片中MDA、H2O2、O2·-含量均显著上升（P<0.05），当Cd2+浓度达到10mg·L-1，增幅分别为166.67%、77.09%和85.90%。SOD与Cd2+浓度呈现反比例关系，而POD、CAT活性在整个浓度梯度中均表现为先上升后下降。有研究表明，在低浓度Cd2+能够促进植物代谢途径，而高浓度则抑制酶活性[12]，导致代谢活性氧功能下降[13]。SOD、POD和CAT活性在0.2mg·L-1达到最大时，增幅分别为109.68%、和64.71%和40.29%，而在10mg·L-1时，CAT仅仅是对照组67%，这与周红卫[14]和马剑敏[15]等人研究一致。研究显示，低浓度Cd2+能使SOD、POD和CAT活性逐渐增加；高浓度Cd2+下，SOD起主要的保护作用，而POD和CAT的保护程度较低[16]。

3 结论

本试验结果显示，叶绿素含量的变化与叶绿体超微结构的变化之间有一定的关系。在低浓度Cd2+处理下，叶绿体结构没有受到明显损伤，此时的叶绿素含量与对照组相比也没有明显变化；随着Cd2+浓度的升高，叶绿体超微结构逐渐受到破坏，主要表现为叶绿体膨胀成圆球形，叶绿体空泡增多，基质片层、基粒类囊体呈现逐渐压缩减少、排列不规则等现象。在Cd2+浓度达到2、5mg·L-1时超微结构显示，膜系统边缘逐渐不清晰，叶绿体空泡体积加大，基质片层、基粒类囊体呈现逐渐压缩减少；而当Cd2+浓度升为2、5mg·L-1时，与最大含量相比，叶绿素总量和叶绿素a均显著下降。叶绿素a对Cd2+敏感性大于叶绿素b，在Cd2+浓度逐渐增高条件下，水芹叶片中MDA、H2O2、O2·-含量均显著上升（P<0.05），SOD与Cd2+浓度呈现反比例关系，而POD、CAT活性在整个浓度梯度中均表现为先上升后下降。

参考文献

[1]申华，黄鹤忠，张皓.3种观赏水草对水体镉污染修复效果的比较研究[J].水生态学杂志，2008，9（1）：52-55.

[2]华大春，徐文娟，王昕.镉在水芹不同器官中富集特性的研究[J].长江蔬菜，2013，18：74-76.

[3]余史丹，邱佳妹，王康才，等.铜、锰、锌对麦冬光合特性和矿质元素的影响[J].安徽农业大学学报，2015（1）：7-10.

[4]王波，宋凤斌，任长忠，等.盐碱胁迫对燕麦叶绿体超微结构及一些生理指标的影响[J].吉林农业大学学报，2005，27（5）：473-477，485.

[5]刘柿良，杨容孑，马明东，等.土壤镉胁迫对龙葵幼苗生长及生理特性的影响[J].农业环境科学学报，2015（2）：240-247.

[6]李玲.植物生理学模块实验指导[M].北京：科学出版社，2009.

[7]Garnier L，Simon - plas F，Thuleau P.Cadmium affects tobacco cells by a series of three waves of reactive oxygen species that contribute to cytotoxicity[J].Plant Cell Environ，2006，29：1956-1969.

[8]宇克莉，孟庆敏，邹金华.镉对玉米幼苗生长、叶绿素含量及细胞超微结构的影响[J].华北农学报，2010，25（3）：118-123.

[9]Somashekaraiah B V，Padmaja K，Prasad R K.Phytotoxicity of cadmiumions germination seedling of mung bean（Phaseolus vulgarize）involvement of lipid peroxides in chlorophyll degradation[J].Physiol Plant，1992，85（1）：85-89.

[10]Siefermann-Harms D.The yellowing of spruce in polluted atmospheres（Review）[J].Photosynthetica，1992（27）：323-341.

[11]严重玲，洪业汤，付舜珍，等.Cd、Pb 胁迫对烟草叶片中活性氧清除系统的影响[J].生态学报，1997，17（5）：488-492.

[12]田向荣 ，吴昊，李菁，等.Cd、Pb复合胁迫下湿地匍灯藓（Plagiomnium acutum）重金属累积效应及抗氧化系统响应[J].农业环境科学学报，2015，34（5）：844-851.

[13]何洁，高钰婷，贺鑫，等.重金属 Zn 和 Cd 对翅碱蓬生长及抗氧化酶系统的影响[J].环境科学学报，2013，33（1）：312-320.

[14]周红卫，施国新，徐勤松.Cd2+污染水质对水花生根系抗氧化酶活性和超微结构的影响[J].植物生理学通讯，2003，39（3）：211-214.

[15]马剑敏，靳同霞，李今，等.Hg2+、Cd2+及其联合胁迫对伊乐藻的生长及POD和SOD活性的影响[J].河南师范大学学报（自然科学版），2006，34（4）：125-128.

[16]龙瑞，张明，张光生，等.Mn、Cd单一及其复合胁迫对伊乐藻生长及生理生化的影响[J].农业环境科学学报，2014，33（6）：1112-1117.

（责编：张宏民）