镉对植物的毒害及植物解毒机制研究

王稼田 陈石旭

摘 要：随着近几年的科学研究发展，科学研究者就重金属元素镉对植物的毒害及植物解毒机制的研究是相对完善。目前主要从光合作用、植物生长、植物酶活性植物细胞分裂等方面分析元素镉的毒害机制，并从镉对植物的危害和植物的解毒机制进行了探讨。控制和减轻铬对植物的毒害，目前已经引起了人们的关注。

关键词：重金属元素镉;植物;毒害;解毒;机制

引言

镉元素（Cd）是一种生物毒性很强的金属，而且同时也是植物生长与发育的非必需元素，但是如果当植物体内的Cd元素积累到一定的程度时，就会表现出各种"得病"的症状。或高或低的镉离子浓度都会影响植物的健康，镉离子通过阻碍了细胞中水分的运输，从而降低叶片中的蒸腾作用，从而导致植株出现"生病"的现象。浓度的镉离子溶液可引起植物发生质壁分离现象，使的部分植物组织失水，且浓度的高于一定数值的镉离子溶液可能会使植物脱水而亡。目前研究表明，植物的抗镉离子机制主要包括以下几个方面：抗氧化作用、排外作用、鳌合作用、区隔化作用等。

一.镉对植物生长的影响

（一）镉离子对植物的生长影响

镉胁迫对大部分植物幼苗的生长具有一个低浓度下刺激和高浓度下抑制的效应。实验表明，Cd对植物生长的影响主要总结出"低促高抑"这四个字。有人针对玉米幼苗做实验发现，在低浓度的镉离子溶液处理下，叶绿体的净光合速率及气孔导度和蒸腾速率均明显上升，从某种程度上来讲是促进了植株生长，研究结果也表明，当Cd离子浓度为5～15mg/L左右时，镉可以促进玉米种子的萌发，从而提高玉米的发芽率和发芽势，促进玉米的幼芽与幼根的生长;当Cd离子的浓度高于15mg/L时，明显抑制了种子萌发和幼苗的生长。另外通过试验发现，随着Cd浓度的增加，玉米叶片光合色素含量呈先正比上升后呈现下降的趋势，而丙二醛含量则呈现线性递增的趋势。

（二）镉在植物幼苗器官的富集程度

研究表明不同植物的不同器官的镉积累量不同，但是超过某一个值之后，总体趋势都是随镉离子处理浓度的增加而呈升高趋势，并且与镉处理浓度呈正相关。茶树试验结果表明，镉离子在植物茶树体内由高到低的分布器官为：根>茎>叶片>新梢，由结果可见，镉离子首先富集在根部，然后从根部向上运输，总之，不同器官的铬离子浓度不同，危害程度也不同。这也为解毒机制提供了研究方向。

（三）镉对植物的光合作用的影响

光合作用是绿色植物特有的功能，它是在叶绿体内进行的。重金属镉离子对土壤的污染会导致金属在植物的根、茎、芽、叶中大量积累。重金属镉离子污染对植物叶绿体也产生很大影响。重金属镉对植物的伤害往往是通过破坏叶片内叶绿体的结构，从而降低了叶绿素的含量，进而抑制了光合作用。但随着植株的生长发育，对重金属在某种程度上也产生了一定的抗性。

研究表明经过重金属处理后，叶绿体中的类囊体薄膜随着镉离子浓度增大，其毒害作用也会加重，会出现质膜破损、质壁分离、核膜破损、染色质凝胶、核仁消失的现象。一旦叶绿体双层膜结构遭破坏，就会造成基粒结构解体。直接影响到光合作用，光合速率下降。

植物解毒机制的研究

二、植物解毒机制

不同植物对重金属镉离子的耐性和抗性机制不同，但就现在而言，大多数植物可以从根部入手，目前表明，植物的耐镉机制主要包括几个方面：螯合作用、区隔化作用、抗氧化作用等。

（一）螯合作用

部分植物通过鳌合作用进行解毒，其机理是：重金属镉离子被吸收到植物体内后，便会与细胞内的PC等物质作用构成复杂的复合物，而后转运到液泡中，然后植物通过区室化络合，这样就降低了细胞质中有毒的金属离子的浓度。不同的整合肽物质在重金属解毒机制中的作用不同。重金属离子通过土壤进入植物体内后，植物体内的有机酸和蛋白质等能和重金属镉离子发生鳌合作用，形成稳定的鳌合物，从而降低重金属镉离子的毒性。重金属镉离子通过细胞膜时一般须要在营养液中放一些配体螯合，以此来减少与细胞复合物不必要的联系。就现代学说，重金属超积累物种中具有更高的植物螯合肽积累的能力，这也表明了植物整合肽在重金属解毒、重金属隔离、重金属排除等方面起着重要作用。

（二）机理作用

其机理作用是将Cd离子限制在某一特定的区域内，通过细胞质的区分作用，使鎘离子无法在细胞质内游动，进而无法使镉离子危害植株。通过Salt 等人的研究发现，液泡内积累的Cd离子浓度是液泡外浓度的38倍。研究发现细胞质和液泡对植物耐Cd离子的作用机制主要有以下两点：

1.在植物液泡的内部，存在着柠檬酸、草酸、苹果酸等和氨基酸，能与Cd2+结合形成各种高分子的复合物，使Cd离子的毒性降低，并且能在一定的范围限制其流动，这样就降低了镉离子对植物的危害。

2.在镉胁迫下，它能胁迫细胞质溶液中行成PC3和谷胱甘肽等物质，这些物质和络合Cd离子形成低分子量复合物，从而限制Cd离子在细胞质特定区域活动。此外，植物庞大的根系分泌物与根际形成的植物-微生物微系统能防御Cd离子等进入植物根系，当然这与植物种类、分泌物组成及根系表皮的细胞壁结构密切相关，然而，不仅是液泡起到了区隔化作用，细胞壁在区隔化作用中也发挥了很好的作用。就现在科研成果，重金属超富集植物可使富集的重金属暂时储存于液泡中，被储存在液泡的镉离子难以继续危害植物，这样就缓解了重金属对细胞质及其他细胞器的各种生理代谢活动的伤害。细胞器在解除镉离子的危害中起了至关重要的作用，首先，细胞壁的某些物质可以直接结合Cd离子，该反应短时间内就可以完成;其次，细胞壁中的纤维素、果胶质和糖蛋白极易形成网状结构，一方面限制了Cd离子的流动进入细胞内，另一方面在一定程度上能固定住了Cd离子。

参考文献

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（作者单位：山西农业大学信息学院）