植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)論文

1、水生植物菹草對(duì)重金屬離子鎘的抗性研究摘要：采用hogland營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)菹草7天，分別加入5mg/l、10mg/l、15mg/l、20mg/l重金屬鎘處理，發(fā)現(xiàn)處理后菹草葉綠素a、b含量下降、細(xì)胞膜通透性上升、組織中mda積累。鎘濃度越高，菹草各項(xiàng)指標(biāo)變化更明顯。20mg/l時(shí)，菹草各項(xiàng)指標(biāo)變化最大；5mg/l時(shí)，菹草對(duì)cd最敏感，變化幅度最大。關(guān)鍵詞：鎘；菹草；抗性study of the resistance of potamogeton crispus toward heavy metal cadmiumabstract: use hogland nutritious liquid cul

2、tivate potamogeton crispus for severn days, adding 5mg/l、10mg/l、15mg/l、20mg/l heavy metal cadmium. we find that after severn days the chlorophyl a and chlorophyl b of potamogeton crispus descend, as well as the permeation of cell membrane. mda was piled in the cell. the more cadmium in the liquid, t

3、he more the diffieent guide line in the potamogeton crispus. the guide line change most in liquid which has 20mg/l cadmium. potamogeton crispus is most sensitive to liquid which has 5mg/l cadmium. the guide line change range is the widest. key words: cadmium; potamogeton crispus; resistance逆境亦稱為環(huán)境脅迫

4、，是對(duì)植物生存生長(zhǎng)不利的各種環(huán)境因素的總稱。在一定范圍內(nèi)，植物能通過本身形態(tài)、結(jié)構(gòu)、生理、行為或生活史特性的改變，來抵御環(huán)境因子的不良影響，免遭傷害，這種植物對(duì)逆境的忍耐和抵抗能力，簡(jiǎn)稱抗性。對(duì)植物抗性生理的研究對(duì)于農(nóng)、林業(yè)生產(chǎn)及其環(huán)境保護(hù)有著重要的關(guān)系。工業(yè)現(xiàn)代化以來，人類以前所未有的速度和規(guī)模改變著世界，在創(chuàng)造巨大財(cái)富的同時(shí)也重創(chuàng)了人類賴以生存的環(huán)境。水體作為人類生存和發(fā)展的重要環(huán)境要素不同程度的遭受了人類排放的各類物質(zhì)的污染。近年來，各種工業(yè)（如采礦、冶煉、電鍍等） 廢水和固體廢棄物的滲出液直接排入水體，致使水體中有毒重金屬元素的含量越來越高。1作為一類污染物質(zhì)，由于其一般具有較大的毒性

5、而能對(duì)水體造成極大的污染，是水生生態(tài)系統(tǒng)中最危險(xiǎn)的物質(zhì)之一。重金屬在水體中不能被生物降解，某些重金屬還可在微生物作用下轉(zhuǎn)化為毒性更強(qiáng)的重金屬化合物，在進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)后，經(jīng)食物鏈的生物放大作用，逐級(jí)在較高級(jí)的生物體內(nèi)富集，引起生態(tài)系統(tǒng)中各級(jí)生物的不良反應(yīng)，甚至危害包括人體在內(nèi)的各種生命。鎘就是其中的一種有毒有害重金屬，易在食物鏈中積累后進(jìn)入人體，嚴(yán)重危害人類健康。20世紀(jì)初因食用鎘污染大米，日本大面積爆發(fā)“痛痛病”，因此，有關(guān)鎘污染及防治研究引起全世界關(guān)注2-7。研究植物受重金屬毒害后的抗性表現(xiàn)對(duì)于探討重金屬對(duì)植物的毒害機(jī)制，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除重金屬污染源具有一定參考價(jià)值。為此，我們選擇全國(guó)分布廣泛的

6、沉水植物眼子菜科、眼子菜屬植物菹草potamogeton crispus linn.作為實(shí)驗(yàn)材料，研究了水生植物在不同濃度重金屬鎘的毒害下的抗性表現(xiàn)。1、材料和方法1.1材料菹草potamogeton crispus linn.2007年4月采自南京師范大學(xué)仙林校區(qū)西區(qū)、東區(qū)水塘內(nèi)。在樣品采集后, 選取生長(zhǎng)旺盛的植株, 用配好的hogland營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行培養(yǎng)，分別在其中加入了5mg/l、10mg/l、15mg/l、20mg/l重金屬鎘離子處理，在室溫下置于背光處培養(yǎng)一周，每日補(bǔ)充少量水份，以補(bǔ)償水分蒸發(fā)消耗。本實(shí)驗(yàn)組加入20mg/l重金屬鎘離子處理。每天下午3時(shí)對(duì)植物進(jìn)行觀察拍照。第七日采菹草尖

7、部第七、八片葉子少量完成本次實(shí)驗(yàn)。1.2方法1.2.1測(cè)定植物光合作用色素比值的變化（分光光度法）方法參照參考文獻(xiàn)8的實(shí)驗(yàn)方法。1.2.2測(cè)定植物組織傷害程度（電導(dǎo)儀法）方法參照參考文獻(xiàn)9的實(shí)驗(yàn)方法。1.2.3測(cè)定植物組織膜脂過氧化程度（mda法）方法參照參考文獻(xiàn)9的實(shí)驗(yàn)方法。2.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)2.1培養(yǎng)周期內(nèi)不同日期菹草外觀上的變化變化情況如附圖。在本實(shí)驗(yàn)組高濃度鎘離子的刺激下，隨著培養(yǎng)日期的推移，菹草逐漸發(fā)黃、葉邊緣出現(xiàn)褶皺，葉片上出現(xiàn)斑點(diǎn)，這種現(xiàn)象在培養(yǎng)的最后一天表現(xiàn)得最為嚴(yán)重。2.2不同濃度鎘離子對(duì)植物光合作用色素的變化情況表1、葉綠素含量測(cè)定cd濃度(mg/l)葉綠素a含量（mg/gfw)

8、葉綠素b含量（mg/gfw)a/b00.7670.3682.08450.3740.3691.014100.3570.3541.008150.3240.2251.440200.3090.1532.020由表1、圖1可知，隨著cd2+濃度的增加，葉綠素a、葉綠素b的含量都明顯降低。其中，5mg/l時(shí)，葉綠素a的含量降至0mg/l時(shí)的48.8%，降幅最大；15mg/l時(shí)，葉綠素b的含量降至10mg/l時(shí)的63.6%，降幅最大。而隨著cd2+濃度的增加，葉綠素a/b的值呈現(xiàn)出先降后升的趨勢(shì)。其中，010mg/l時(shí)葉綠素a/b值逐漸下降，5mg/l時(shí)葉綠素a/b值下降至0mg/l時(shí)的48.7%，下降得最

9、快；1020mg/l是葉綠素a/b值逐漸上升，20mg/l時(shí)葉綠素a/b值上升至15mg/l時(shí)的140.3%，上升得最快。2.3不同濃度鎘離子對(duì)植物組織傷害程度的變化表2、重金屬脅迫對(duì)植物細(xì)胞傷害的測(cè)定cd濃度(mg/l)s1-s0（us/cm）s2-s0（us/cm）l=(s1-s0)/(s2-s0)025.7135.640.721526.3834.020.7751029.1132.450.8972027.3329.110.939由表2、圖2可知，隨著cd2+濃度的增加，植物細(xì)胞浸提液的電導(dǎo)率逐漸增大，顯示cd2+濃度的增加對(duì)植物組織傷害程度逐步加深。其中，10mg/l時(shí)電導(dǎo)率值上升至5mg

10、/l時(shí)的115.7%，上升得最快。2.4不同濃度鎘離子對(duì)植物組織膜脂過氧化程度的變化表3、重金屬離子脅迫對(duì)植物組織膜脂過氧化的測(cè)定（mda）法cd濃度(mg/l)mda的含量（umol/gfw)00.0093580550.017247100.025648200.04090605由表3、圖3可知，隨著cd2+濃度的增加，植物組織中mda含量逐漸增大，顯示cd2+濃度的增加使植物組織過氧化程度逐步加深。其中，5mg/l時(shí)電導(dǎo)率值上升至0mg/l時(shí)的184.3%，上升得最快。3.分析與討論3.1重金屬cd對(duì)菹草葉綠素含量的影響光合作用是綠色植物特有的功能，它是在葉綠體內(nèi)進(jìn)行的。葉綠體的主要結(jié)構(gòu)是由光

11、合片層膜系統(tǒng)構(gòu)成的類囊體，所有的光合色素和大部分光合系統(tǒng)成員都附著在類囊體和片層膜上。高等植物的葉綠體中所含的光合作用色素主要包括葉綠素a、葉綠素b、胡蘿卜素和葉黃素四種色素。目前，cd對(duì)光合作用色素的影響，大多涉及到cd對(duì)葉綠素影響，而cd對(duì)類胡蘿卜素的影響則很少有報(bào)道10。許多研究表明，葉綠素含量與光合作用有正相關(guān)的關(guān)系，在一定范圍內(nèi)，隨著葉綠素含量的增加，光合作用也在增加。我們此次的試驗(yàn)結(jié)果也顯示，重金屬cd對(duì)菹草的葉綠素a、葉綠素b有嚴(yán)重的傷害作用，使其含量下降，且濃度越高，下降越快。同時(shí)，我們的結(jié)果還顯示：葉綠素a對(duì)5mg/l濃度的 cd最為敏感，受破壞變化最大；而葉綠素b對(duì)15mg

12、/l 濃度的cd最為敏感。cd除了影響葉綠素含量外，還影響葉綠素組成，一些研究結(jié)果表明11,12，葉綠素a比葉綠素b對(duì)cd更敏感，cd使葉綠素a葉綠素b的比值下降。我們的結(jié)果顯示010mg/l葉綠素a葉綠素b的比值下降，1020mg/l葉綠素a葉綠素b的比值上升，這與前人的研究結(jié)果矛盾。原因可能是本實(shí)驗(yàn)中高濃度cd處理實(shí)驗(yàn)組由于其他的因素使得菹草的葉綠素b受到了更大的破壞，如水環(huán)境中其它因子或提取過程中葉綠素b受到破壞等。cd破壞葉綠素的機(jī)制,通常認(rèn)為：(1)cd干擾fe代謝，降低植物體內(nèi)fe的有效性13；(2)cd干擾有關(guān)葉綠素合成酶的活性，使葉綠素合成受阻，同時(shí)，增加了葉綠素酶的活性，使葉

13、綠素分解；(3)cd在葉內(nèi)局部積累過多，與酶蛋白的-sh結(jié)合或取代fe、zn、m g等，破壞葉綠體結(jié)構(gòu)及功能特性；(4)cd通過拮抗作用干擾植物對(duì)mn、zn、mg等元素的吸收、遷移，阻斷營(yíng)養(yǎng)元素向葉部輸送,使葉綠素合成能力受到干擾14。3.2重金屬脅迫對(duì)植物組織的傷害植物細(xì)胞膜系統(tǒng)是植物細(xì)胞和外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換和信息交流的界面和屏障，其穩(wěn)定性是細(xì)胞進(jìn)行正常生理功能的基礎(chǔ)，80年代中期以來的一些試驗(yàn)結(jié)果表明，cd對(duì)植物細(xì)胞膜有嚴(yán)重破壞作用，使得細(xì)胞膜透性增加1517。植物細(xì)胞膜透性與cd濃度呈極顯著正相關(guān)15，即cd濃度越大，對(duì)細(xì)胞膜的傷害越大，這是植物受害的原因之一，因而細(xì)胞膜透性是評(píng)定植物

14、cd毒害的生理指標(biāo)之一。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，cd濃度的升高對(duì)菹草細(xì)胞膜透性有著嚴(yán)重的傷害作用，在5mg/l時(shí)菹草對(duì)cd的傷害最為敏感，受傷害變化程度最大。細(xì)胞膜透性的增加與細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)和功能受到破壞有關(guān)，而這種破壞作用可能是由于cd直接與膜蛋白的-sh結(jié)合或與磷酸乙醇胺和單分子層的磷脂線氨酸反應(yīng)而引起18，此外，也與cd導(dǎo)致膜脂過氧化加劇有重要關(guān)系19。3.3重金屬離子脅迫對(duì)植物組織過氧化的傷害植物器官在逆境下遭受傷害時(shí)，細(xì)胞中產(chǎn)生超氧陰離子自由基和羥基自由基，誘導(dǎo)膜質(zhì)中的不飽和脂肪酸發(fā)生膜脂過氧化作用。丙二醛（mda）是膜脂過氧化的最終分解產(chǎn)物，從膜上產(chǎn)生的位置釋放出后，與蛋白質(zhì)、核酸起反

15、應(yīng)修飾其特征；是纖維素分子間的橋鍵松弛，或抑制蛋白質(zhì)的合成。mda的積累可能對(duì)膜和細(xì)胞造成一定的傷害。mda作為常用的膜脂過氧化指標(biāo)，其含量可以反映植物遭受逆境傷害的程度9、20。 羅立新等研究發(fā)現(xiàn)，在鎘脅迫下，小麥葉中超氧陰離子自由基(o·-2)的積累顯著增加，伴隨mda含量升高，顯示發(fā)生膜脂過氧化。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鎘脅迫4天時(shí)，高濃度處理組小麥葉細(xì)胞內(nèi)發(fā)生mda積累。隨鎘脅迫時(shí)間延長(zhǎng)，膜脂過氧化程度加劇。cd處理8d時(shí)，各組小麥葉細(xì)胞內(nèi)mda的含量與鎘脅迫強(qiáng)度成正相關(guān)，最高cd濃度處理組的mda含量為對(duì)照組的152%(p<0.01)20。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和羅立新等的結(jié)果相似，

16、隨著cd濃度的上升，菹草組織中mda的含量明顯上升，在5mg/l時(shí)達(dá)到184.3%，其他濃度的cd處理也會(huì)使mda含量上升50%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，重金屬cd對(duì)菹草的組織膜有嚴(yán)重的傷害作用，并且在5mg/l時(shí)菹草組織最為敏感，受傷害程度變化最大。hendny等曾提出，cd對(duì)植物的毒害是由于cd誘發(fā)搞活性的自由基和mda的形成，他們損傷織物的自養(yǎng)過程，不可避免的阻滯了生長(zhǎng)21。黃玉山等的實(shí)驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)22，因此，本實(shí)驗(yàn)中mda含量上升，必然對(duì)菹草組織、器官的生長(zhǎng)產(chǎn)生了負(fù)面的作用。3.4各指標(biāo)間關(guān)系cd是植物非必須元素，cd進(jìn)入植物并積累到一定程度，就會(huì)表現(xiàn)出毒害癥狀，這些癥狀共同反映了cd對(duì)植物

17、的影響。葉綠素a、b含量的下降，會(huì)導(dǎo)致植物光合作用能力的下降，進(jìn)而導(dǎo)致積累有機(jī)物的含量下降；細(xì)胞膜透性的上升，細(xì)胞內(nèi)電解質(zhì)外滲流失，將導(dǎo)致細(xì)胞正常生理生化反應(yīng)不能夠正常進(jìn)行；mda的產(chǎn)生和含量上升，植物細(xì)胞膜過氧化受到傷害，抑制蛋白質(zhì)等物質(zhì)的合成。這些反應(yīng)的共同結(jié)果是植物的生長(zhǎng)受到抑制和毒害，若cd濃度進(jìn)一步增高，植物將受毒害死亡。cd對(duì)植物的影響，除了葉綠素、細(xì)胞膜透性和膜脂過氧化外，還對(duì)植物的細(xì)胞分裂、細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)、植物體內(nèi)酶活性、可溶性蛋白含量、脯氨酸含量、可溶性糖含量和植物營(yíng)養(yǎng)吸收元素產(chǎn)生影響23、24。4.結(jié)論 本實(shí)驗(yàn)用不同濃度的cd處理對(duì)菹草，發(fā)現(xiàn)cd對(duì)菹草有毒害作用，菹草的各項(xiàng)生

18、理指標(biāo)都在cd的影響下下降明顯。5mg/lcd處理菹草即出現(xiàn)受毒害癥狀，不同濃度的cd對(duì)菹草的毒害作用不相同，濃度越高，菹草受到的毒害越強(qiáng)，各項(xiàng)生理指標(biāo)下降越大，20mg/lcd時(shí)菹草受毒害作用最大。當(dāng)cd濃度為5mg/l時(shí)，菹草對(duì)cd最為敏感受到的毒害影響變化幅度最大。參考文獻(xiàn)：1張劍波，馮金敏，離子吸附技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用和發(fā)展j,環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2000,1(1):23-252胡金朝，鄭愛珍，重金屬脅迫對(duì)植物細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的損傷j，商丘師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2005,21(5):126-1333徐勤松等，重金屬鎘、鋅在菹草葉細(xì)胞中的超微定位觀察j，云南植物研究，2002,24(2):24

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