硫酸铜对燕麦根尖细胞毒害研究

苏佳欣 高汝勇 马彦荣 孙如月 董 瑜 吕亚慈

（衡水学院生命科学系 河北 衡水 053000）

铜是植物生长发育必需的微量元素，是细胞色素氧化酶、多酚氧化酶以及抗坏血酸氧化酶等多种酶类的组成成分之一，同时铜元素也是各种氧化酶活性的核心元素[1]；但过量的铜会影响植物的生长，土壤中含过量铜会对植物新根生长造成抑制，使根尖硬化，吸收能力减弱，植株生长也会受到影响[2]。

燕麦俗称油麦、玉麦，是一种低糖、高蛋白质、高脂肪、高能量食品，其营养成分含量高，质量优。我国对燕麦的需求量较大，目前对燕麦的研究尚属起步阶段，大部分是针对其生物学特性与栽培、加工工艺等进行的研究，针对重金属对燕麦的毒害研究还未见报道。因此，开展重金属胁迫对燕麦遗传毒性的研究很有必要。本试验探究不同浓度的铜对燕麦植物根尖细胞造成的影响，从细胞的水平分析硫酸铜对燕麦根尖细胞染色体畸变、微核率、有丝分裂的影响。

1 材料与方法

1.1 供试材料。燕麦材料：白燕2号(由张家口市农科院提供)；硫酸铜(天津市大茂化学试剂厂)，用蒸馏水分别配制0 mg/L、50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L、400 mg/L、800 mg/L等不同浓度的硫酸铜溶液。

1.2 试验方法

1.2.1 种子萌发。将白燕2号种子洗干净，用0.1%氯化汞消毒10～15 min，浸泡2～24 h，放入白瓷盘中，置于烘箱中25℃培养生根。

1.2.2 试验处理。待种子初生根长到1～2 cm时，挑选饱满、生命力旺盛的种子，分别放入浓度为50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L、400 mg/L、800 mg/L的硫酸铜中，并分别处理6 h、12 h、24 h、48 h，以蒸馏水作对照。选择燕麦种子生命力较旺盛的幼根，将根尖剪下来放入卡诺氏固定液中(V无水乙醇∶V冰醋酸=3∶1)固定2～24 h，用70%的乙醇保存。试验时用1 mol/L的盐酸水解5～10 min。改良品红室温下染色15 min，常规压片、镜检，并统计数据，每个处理观察10～15个根尖(随机选择)，至少5 000～6 000个细胞，典型图像用显微摄像系统进行拍照。

1.3 数据处理及评价方法

1.3.1 指标计算。细胞分裂指数=(分裂细胞数/观察细胞总数)×100%；微核率=(出现微核的细胞数/间期细胞总数)×100‰；染色体畸变率=(畸变细胞数/分裂期细胞总数)×100%。

1.3.2 统计分析。用SPSS(spss for windows)软件对数据进行统计分析，并进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 硫酸铜处理对燕麦根尖分生区细胞有丝分裂指数的影响。如表1所示，本试验中设置5个不同浓度的硫酸铜，并且每个浓度又分不同时间处理燕麦根尖，结果显示，各处理燕麦根尖的分裂指数均高于对照。燕麦根尖有丝分裂指数随着硫酸铜浓度的升高和时间的延长受到抑制，且与对照相比有差异(表1)。随着硫酸铜浓度的增大，燕麦根尖细胞的有丝分裂指数呈现先上升后下降的趋势。同一浓度随着处理时间延长，除800 mg/L外，有丝分裂指数呈上升趋势。

表1 硫酸铜处理对燕麦根尖分生区细胞有丝分裂指数的影响 (%)

2.2 硫酸铜处理对燕麦根尖微核千分率的影响。由表2可知，不同浓度的硫酸铜对燕麦根尖细胞微核有显著的影响。试验组与对照组相比，微核畸变率有显著的差异，当硫酸铜浓度是400 mg/L时，染色体微核率随时间的延长呈现极度上升的趋势。同一处理时间，细胞的微核千分率随着硫酸铜浓度的增加呈现上升的趋势。在硫酸铜浓度达到400 mg/L时，微核率千分率最大。浓度在400 mg/L以内时，微核千分率随时间的延长呈现上升趋势。当浓度达到800 mg/L，48 h时，微核千分率随时间的延长呈下降的趋势。

表2 硫酸铜处理对燕麦根尖细胞微核千分率的影响(‰)

2.3 硫酸铜处理对燕麦根尖分生区细胞畸变率的影响。不同浓度的硫酸铜均可导致多种类型的染色体畸变，常见的染色体畸变类型有染色体桥、染色体粘连、染色体滞后、染色体不同步、染色体蓬松、染色体不均等分裂。由表3可以看出，相同时间内染色体畸变率随硫酸铜浓度的升高而呈现逐步升高的趋势；在同一浓度时，随时间的延长染色体畸变率升高。当硫酸铜浓度达到800 mg/L时，染色体畸变率急剧升高，且远远高于其他浓度的畸变率。

表3 硫酸铜处理对燕麦根尖细胞染色体畸变率的影响(%)

3 结论与讨论

植物从土壤中吸收的铜主要聚集在根部。铜污染对植物根系有直接的毒害作用，导致植物根系新陈代谢过程紊乱[3]。对于植物来说，有丝分裂最旺盛的是根尖部位，也是植物对土壤中营养元素及重金属污染受害最敏感区域。研究表明，植物铜中毒的主要症状为抑制种子的萌发，根系变短，外形畸变等[4]。本试验的研究结果也表明了高浓度硫酸铜对植物生长有抑制作用。倪才英[5]在研究土壤铜污染对紫云英的毒害时发现，当外界铜超过植物所承受的浓度时，紫云英根尖扭曲腐烂，导致细胞质壁分离，原生质被破坏，本试验结果和倪才英的研究结果是一致的。

本试验结果表明，重金属铜胁迫对燕麦根尖细胞的分裂指数、微核数、分裂期细胞的染色体畸变率存在着显著影响。燕麦根尖随着硫酸铜处理浓度的升高和时间的延长，微核率、染色体畸变率呈上升趋势。当浓度达到200～400 mg/L时，铜元素对燕麦根尖细胞分裂是有促进作用的，当浓度达到800 mg/L时，燕麦根尖表现出有丝分裂指数、微核率降低。过量的铜对燕麦根尖的有丝分裂毒害超过了植物的自身保护作用，使细胞中酶的活性降低，导致DNA合成速率减慢，分裂间期延长。高浓度的硫酸铜有诱发染色体畸变的作用，因为较高浓度的硫酸铜不仅对细胞的畸变有影响，而且能阻止细胞纺锤丝的微管蛋白聚合。

通过对不同浓度铜离子对燕麦根尖染色体的毒害作用进行研究，了解了重金属铜胁迫对植物遗传毒性的影响。但是针对铜离子对分裂间期蛋白质的合成，与复制、转录、染色体运动有关的蛋白质和酶的关系，还有待于进一步探究。