镉_铅及其相互作用对小白菜根系生理生态效应的研究

生　态　学　报

V o l

.18,N o .3　　1998年5月　

A CTA ECOLO G I CA S I N I CA

M ay ,　1998　

镉、铅及其相互作用对小白菜根系生

理生态效应的研究

3

秦天才

(华中农业大学　武汉　430070)　　　

吴玉树　王焕校　李启任

(云南大学　昆明　650091)

3国家自然科学基金资助项目

收稿日期:1996201210,修改稿收到日期:1997202221。

摘要　采用溶液培养方法,以镉、铅作为胁迫因子,研究了不同镉、铅浓度对小白菜根系生理生态的影响。实验结果表明:培养液中镉超过011m g L 以后,侧根数目减少,根的分枝程度降低,根系生物量和体积下降,根系生长发育受阻,根系不发达,根系对锰、锌的吸收能力受到抑制,根系活动降低,对盐吸收能力下降,蛋白质分解加快,游离氨基酸积累,氮代谢紊乱、失调。在含镉的培养液中,施入铅,由于铅的加入,加强了镉对根系的生理生态效应。

关键词:　镉,铅,小白菜,根系,生理生态效应。

EFFECT OF CADM IU M ,L EAD AND THE IR INTERACT I ONS ON THE PHY SI OLOGI CAL AND ECOLOGI CAL CHARA -CTER IST I CS OF ROOT S Y STE M OF B rassica ch inensis

Q in T iancai

(H uaz hong A g ricu ltu ral U niversity ,W uhan ,430070,Ch ina )

W u Yu shu 　W ang H uanx iao 　L i Q iren

(Y unnan U niversity ,K unm ing ,650091)

Abstract 　T he p hysi o logical and eco logical effects on roo t system of B rassica ch inensis grow n in hydropon ic cu ltu re under the stresses at differen t concen trati on of Cd and Pb w ere studied .T he exp eri m en tal resu lts show that the Cd so lu ti on concen trati on of greater than 0.1m g L sign ifican tly inh ib ited the roo t grow th ,decreased the num ber of lateral roo ts ,supp ressed the roo t b ranch ing ,low ered the roo t b i om ass and vo lum e ,h indered the developm en t of roo t system ,dep ressed the up take of M n ,Zn by roo t ,reduced the roo t ac 2tivities ,accelerated the decom po siti on of p ro tein in roo t ,m ade the free am ino acid accum u 2lati on ,led to a reducti on in n itrate con ten ts in B rassica ch inensis ,and cau sed n itrogen m etabo lis m diso rder .W hen Pb had added to the cu ltu re so lu ti on con tain ing Cd ,p hysi o logi 2cal and eco logical effects (tox icity )of Cd on roo t system w as strengthened .

Key words :　cadm ium ,lead ,B rassica ch inensis ,roo t system ,p hysi o logical and eco logical

effect .

重金属污染对生态系统的影响是当今世界上普遍关注的环境问题之一。在重金属污染中,镉、铅污染尤为突出。镉、铅在生态系统中迁移积累,最终影响人类,危害人体健康。

国内外对镉、铅研究做了大量工作,多是集中在研究镉、铅对植物地上部分的影响方面,如抑制植物光合作用和蒸腾作用,干扰植物的代谢进程,降低植物产品的产量和质量,加速植物衰老等[1～3]。但对根系生态效应研究报道不多,由于根系生长在地下,研究起来较为困难。根系是植物与土壤环境接触的重要界面,对土壤环境更为敏感,更易对土壤环境作出反应。为了探讨镉、铅胁迫对植物根系生态效应,本文以小白菜为试验材料,采用溶液培养方法,研究了不同镉、铅浓度对小白菜根系生长发育状况,根系对矿质元素的吸收,根系活力,植物体中盐含量,根中游离氨基酸含量和可溶性蛋白质含量等方面的影响,以期为污染生态学的研究提供理论依据。

1　实验和方法

111　材料为江苏小白菜(B rassica ch inensis L .)由云南省蔬菜种子公司提供,处理方法同文献[4],即:种子

消毒,在含腐殖质土苗床上发芽、生长,待长出3片真叶后,选择均匀一致的苗,移栽至塑料盆中,用Hoagland 完全培养液进行培养。

一定天数后,更换溶液,然后一次性施入氯化镉或醋酸铅,使培养液中镉(以纯镉计)的浓度为0m g L 、011m g L 、5m g L 、10m g L 、50m g L ;铅(以纯铅计)的浓度为0m g L 、100m g L 、200m g L 。

镉、铅单独及复合一共15个组合,其中培养液中镉、铅浓度为0的组合是对照,实验设3个重复,施入镉、铅7d 后收获材料,进行各指标的分析。

112　测试指标　根的数量,统计长>2mm 的根;根系长度直接测量,单位为c m ;根系生物量,根系烘干,直

接称量,单位为m g ;根系体积用排水法测定[5],单位为m l ;锰、锌、铁含量测定,HNO 3～HC l O 4湿法消化,用E 1P 2700型原子吸收分光光度计测定,单位为Λg g 干重;根系活力的测定,采用Α2萘胺氧化法[5],单位为Λg g h 鲜重;盐含量用比色法测定[5],单位为Λg g 鲜重;游离氨基酸用H ITA CH IM OD EL 835～50氨基酸自动分析仪测定,单位为m g 100g 鲜重;可溶性蛋白质含量采用考马斯亮兰染色法测定[6],单位为

m g g 鲜重。2　结果与讨论

211　Cd 、Pb 及其相互作用对小白菜根系生长发育的影响

21111　对根的数目和根系长度的影响　小白菜的根系是由主根和侧根组成,其根的数目和根系长度是反

映根系发育状况的一个指标。小白菜经Cd 、Pb 处理后,其根的数目和根系长度都发生变化(表1)。培养液中施入0～50m g L 的Cd ,小白菜根系的1级侧根、2级侧根、3级侧根数目随Cd 的浓度增大而减少(011m g L 的Cd 除外),相对减少的幅度其大小顺序是:3级侧根>2级侧根>1级侧根,说明Cd 影响侧根的发生。在含Cd 的培养液中施入Pb ,由于Pb 的加入,进一步减少了侧根的数目。根系长度的变化也与Cd 、Pb 浓度有关,随着培养液中Cd 的浓度增加,根系长度逐渐减短,说明Cd 对根的伸长生长有抑制作用;在含Cd 的培养液中施入Pb ,小白菜根系长度要比单独Cd 处理时要短,但Cd 、Pb 浓度达到一定阈值后,根系生长出现停止,本文的结论与Bu rton 等人[7]和H assett 等人[8]的结论一致。

21112　对根系生物量和体积的影响　根系生物量和体积是反映根系生长发育状况的另一个指标。从表2

中可看出,不同Cd 、Pb 浓度处理,小白菜根系生物量和体积的变化情况。培养液中单独施入0～50m g L 的

Cd ,根系生物量和体积表现出相同的变化趋势,即随着Cd 的浓度增加而降低。Cd 处理后,引起小白菜根变

短变粗,根毛缺乏,侧根分枝减少,根幅变小(数据未列出),根系不发达,从而使小白菜根系的生物量和体积比对照少。在含Cd 的培养液中施入Pb ,随着Pb 的浓度增加,根系生物量和体积进一步降低,说明Cd 、Pb 抑制根系生长发育。根系的生长介质中存在过多的Cd 、Pb 时,对根系直接产生毒害作用,抑制根系生长,导致根系生物量和体积下降。另外Cd 、Pb 干扰根的细胞[9],抑制根系生长发育,从而使根系生物量和体积下降。根系生长发育受阻,相应地会影响根系的生理生化活动。

1

233期秦天才:镉、铅及其相互作用对小白菜根系生理生态效应的研究　

表1　Cd 、Pb 及其相互作用对根的数目和根系长度的影响

Table 1　Effect of Cd and Pb and the ir i n teraction on the nu m ber of root and the length of root syste m

处理

T reatm ent Cd +Pb (m g L )根的数目T he num ber of roo t

1级侧根F irst

o rder lateral roo t

2级侧根Second o rder lateral roo t

3级侧根T h ird o rder lateral roo t

根系长度(c m )

Roo t system length

0+0(Contro l )

55171779150011+0541808591555+05215446814110+04814125711750+0451********+100541435481830+20048125317158011+100511314381165+1004711822715410+1004411011616250+1003955157011+200481121971345+2004510615617910+20041958612450+200

35

84

5

5130

表2　Cd 、Pb 及其相互作用对根系生物量和体积的影响

Table 2　Effect of Cd and Pb and the ir i n teraction

on the bio ma ss and volu m e of root syste m

处理

T reatm ent Cd +Pb (m g L )根系生物量

B i om ass of roo t

system (m g )

根系体积

V o lum e of roo t system (m l )

0+0(contro l )

1691852101011+017213521115+0155184118310+0142178116950+011411111310+10015617411840+2001451871168011+10015015211805+1001381571110+100131135115050+1001011151119011+20013512611605+200127143115210+200196110950+200

187

0172

　　从上述结果(表1、表2)可见,微量Cd (Φ011m g L )对植物根系的生长有促进作用。

212　Cd 、Pb 及其相互作用对根系生理的影

响

21211　对根系吸收矿质元素的影响　表3反

映了Cd 、Pb 及其复合处理根中M n 、Zn 、Fe 含量的变化情况。实验结果表明:培养液中施入0～50m g L 的Cd ,除Cd 在011m g L 时,短期内根中M n 、Zn 含量略高于对照外,其它处理,根中M n 、Zn 含量均随Cd 的浓度增加而降低,而Fe 表现出另外一种趋势,即随着

Cd 的浓度增加而增加,说明Cd 影响根系对

M n 、Zn 、Fe 的吸收。在含Cd 的培养液中施入不同浓度的Pb ,Pb 的浓度越高,根中M n 、Zn 含量下降越快,而Fe 含量均比对照高,说明

Cd 、Pb 协同抑制根系对M n 、Zn 的吸收,而对

Fe 的吸收有促进作用。已知Cd 、Pb 与M n 、

Zn 具有接近相等的离子半径和相同的价态(+2价),化学上具有相似性,Cd 、Pb 、M n 、Zn

在根的表面有类似的吸收位点,它们之间易发生拮抗作用,即存在竞争吸收

[10]

,根中

Cd 、Pb 含量增加,占据了大量吸收位点,从而

影响了对M n 、Zn 的吸收,而且Cd 、Pb 含量越高,占据的位点越多[11],对M n 、Zn 的吸收就越少,根中M n 、Zn 含量就越低。关于Cd 、Pb 对根中Fe 含量的影响,有不同的报道,即Cd 、Pb 抑制或促进根系对Fe 的吸收[12],其机理尚不清楚。

223　生　态　学　报

18卷

表3　Cd 、Pb 及其相互作用对根中M n 、Zn 、Fe 含量的影响

Table 3　Effect of Cd and Pb and the ir i n teraction on the con ten ts of M n ,Zn and Fe i n root

T reatm ent Cd +Pb (m g L )M n (Λg g )Zn (Λg g )Fe (Λg g )Cd 3(Λg g )Pb 3(Λg g )0+0(Contro l )

7111823018462152212312713

011+072193235144701146112—5+0681022181249413150810+016318312530142250—

50+05314312019600156605

—

0+100671711901948012—490+200651341771051510—

5842011+1006612418519506166911145715+1006214116311528121900447910+1005712613113582142835402950+10049147103136731270963476011+2006113915916539151211956975+2005911914015565142128554610+2005413810219594153171548650+200

41151

85171

70910

7445

4921

　　3引自参考文献[4],Q uo ted from reference (4)。

21212　对根系活力的影响　根系活力与根系生命活动的强弱有直接的关系,它是植物生长的重要生理指

标之一。表4反映了不同Cd 、Pb 浓度处理,小白菜根系活力的变化情况。培养液中单独施入0～50m g L 的Cd ,根系活力与Cd 的浓度密切相关,Cd 的浓度越高,根系活力越低,说明Cd 降低根系活力。在Cd 、Pb 复合处理时,含Cd 的培养液中加入Pb ,根系活力比培养液中仅含Cd 时下降更快,说明Pb 的加入,协同Cd 起作用,降低了根系活力,这可能与Cd 、Pb 对根系的直接毒害作用有关。Cd 、Pb 处理导致根系活力的降低,无疑会影响植物一系列生理生化过程,进而使根系对矿质元素和水分吸收能力降低。

表4　Cd 、Pb 及其相互作用对根系活力的影响3

Table 4　Effect of Cd and Pb and the ir

i n teraction on root activ ities

Pb (m g L )Cd (m g L )

00115105006911574161192481473414310015358178501663915023128200

51165

49181

38123

26174

11162

　　3根系活力以Α

2萘胺氧化力来表示。　　Roo t activity w as exp ressed by Α

2NA oxidizing pow er .21213　对根中游离氨基酸组成和含量的影响　经对17种氨基酸的分析结果表明,Cd 、Pb 处理没有造成氨

基酸组分的差异,只是对各氨基酸变化幅度有所影响(表5)。培养液中单独施入0～50m g L 的Cd ,在Cd 为

011m g L 时,根中游离氨基酸总量比对照低,可能是低浓度的Cd 刺激了蛋白质的合成,减少了游离氨基酸

的缘故;随着培养液中Cd 的浓度增加,根中游离氨基酸总量随之增加,大多数氨基酸如天门冬氨酸、谷氨酸、丙氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸等表示出相同的趋势,Cd 处理浓度与游离氨基酸总量之间呈显著正相关,说明Cd 处理导致了根中游离氨基酸积累。在含Cd 的培养液中施入Pb ,由于Pb 的加入,造成了根中游离氨基酸的进一步积累。渗透调节被认为是植物适应逆境的主要生理调节机制,游离氨基酸的积累参与了渗透调节。Cd 能抑制植物对水分的吸收和运输,引起植物体内水势降低,导致植物体内水分不平衡

[13,14]

,游离氨基酸的积累能提高植物细胞的渗

透压,使植物避免失水,对Cd 、Pb 胁迫产生一种生理适应。

21214　对根中可溶性蛋白质含量的影响　表6反

映了不同Cd 、Pb 浓度处理时,根中可溶性蛋白质

含量的变化情况。结果表明,在培养液中单独施入0～50m g L 的Cd ,Cd 在011m g L 时短期内能使3

233期秦天才:镉、铅及其相互作用对小白菜根系生理生态效应的研究　

表5　Cd 、Pb 及其相互作用对根中游离氨基酸和氨的含量影响

Table 5　Effect of Cd and Pb and the ir i n teraction on the con ten ts of free am i no ac id and NH 4+i n root

T reatm ent Cd +Pb (m g L )A sp Glu Gly Phe A la P ro N H 4+O thers To tal 0+0(Contro l )

01492148015501603132010210153411922118011+001481194015401481156018181183139171385+00172314511010180313601841012061832712110+0210610103116211357129114115107111775016050+031661414921171151916141991310435199851460+10001613105015201622141017691735120221900+200110071440185018172019112171517739128011+1001101391104111721190184101698123291615+100212136114711234148113511196141554616810+100318215136211811456126118613135231016712950+10051082113621741180111316100151713411298114011+2002199911011781175414711391317320103551245+200416016155119111847108117114135271187512210+200714927141212711101314106161583316610314250+200

10123

38118

4175

2154

18113

10184

24158

45135

154160

　　表6　Cd 、Pb 及其相互作用对根中可溶性蛋白质含量的影响

　Table 6　Effect of Cd and Pb and the ir i n teraction on

the con tern ts of soluble prote i n i n root Pb (m g L )Cd (m g L )

001151050091619198813161563172100915181712051573121200

8149

7197

6174

4193

2155

根中可溶性蛋白质含量略高于对照;Cd 超过011m g L 以后,根中可溶性蛋白质含量均随Cd 的浓度增加而降低,虽Cd 能迅速启动一种新的蛋白质合成基因,合成一类称为金属硫蛋白的蛋白质[15],但根中可溶性蛋白质含量仍呈下降趋势,说明低浓度的Cd 能促进蛋白质合成,高浓度的Cd 对蛋白质合成起破坏作用。在含Cd 的培养液中,加入Pb 后,根中可溶性蛋白质含量比单独Cd 处理时下降要快得多,说明Pb 与Cd 一起,参与对蛋白质的破坏作用。一般来讲,植物在逆境条件下,体内蛋白质含量降低而小分子的有机化合物如氨基酸的积累,这是由于蛋白质分解加快而合成受到抑制的结果[16]。Cd 处理导致蛋白质含量下降有两方面的原因:一是Cd 加强了原有蛋白质分解,二是Cd 抑制了新蛋白质合成。从本实验结果来看,Cd 引起蛋白质含量下降,是蛋白质分解大于合成的缘故。

213　Cd 、Pb 及其相互作用对植物体内盐含量的影响

表7反映了Cd 、Pb 及其复合污染处理时,小白菜体内盐含量变化情况。实验结果表明:培养液中单独施入0～50m g L 的Cd ,小白菜体内盐的含量均比对照低(Cd 在011m g L 时除外),而且施入Cd 的浓度越高,体内盐含量越低,说明Cd 达到一定浓度后,能阻止根系对盐的吸收和转运。在含Cd 的培养液中,加入Pb 以后,植物体内盐含量进一步降低,说明Pb 加强了Cd 的作用。盐是植物体内重要的氮源,植物吸收同化盐后为蛋白质合成提供了氨基酸原料,Cd 处理能降低还原酶活性[4]

,使植物体内盐含量下降,从而影响氮供应,使合成氨基酸的氮源受阻,蛋白质合成也受以抑制。

3　结论

根系是植物的重要器官,在植物的生长发育、生理功能和物质代谢中发挥重要作用,它能感受逆境信号,并在形态和生理上产生一系列反应。

311　生长在Cd 、Pb 胁迫环境中的植物,直接受

423　生　态　学　报

18卷

　　表7　Cd 、

Pb 及其相互作用对植物体内盐含量的影响

　Ta lbe 7　Effect of Cd and Pb and the ir i n teraction

on the n itra tecon ten ts of Bra ssica ch i nen sis

Pb (m g L )Cd (m g L )

001151050022672275217018801402100226221931916311057200

2254

2070

1746

1534

838

害的器官是根系,在形态上表现为侧根数目减

少,根系生物量和体积下降,根系生长发育受阻,根系不发达。

312　Cd 、Pb 对根系生长的抑制作用与环境中

Cd 、Pb 浓度有关。环境中Cd 、Pb 浓度越高,植物体内积累越多,对根系生长的抑制作用越强,根系发育越差。

313　Cd 、Pb 对植物的毒害与破坏植物代谢有

关。Cd 、Pb 能使植物的根系活力降低,对M n 、Zn 的吸收能力下降,引起植物体内元素不平衡。同时,Cd 、Pb 能降低根系对盐的吸收,加快蛋

白质的分解,造成游离氨基酸的积累,使氮代谢紊乱、失调,进而使植物受害。

参

考

文

献

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