微量元素铜对植物毒害研究进展

物理御性(physicalavoidance)来降低体内Cu的含量.Magalhaes et al[50]报道,土壤总Cu量和可提取Cu量随土壤深度而下降,表层中Cu含量最高;葡萄根最活跃的部分分布在含Cu量中等的土层。植物能在根部积累较多的Cu,限制向地上部分运输,从而使地上部分免遭伤害,在一定程度上提高植物的耐性。Alva et al[10]报道,耐Cu能力较强的印度酸橘和较弱的Swingle枳柚根和梢中Cu含量随培养液中Cu含量升高呈线性增加,根部Cu含量的增加量大于梢部;根部Cu含量增加的速率比梢部大两倍,而梢部Cu含量高于根部。植物还可自身解毒,即Cu在植物体内以不具生物活性的解毒形式存在,如结合到细胞壁上,离子主动运输进入液泡,与有机酸或某些蛋白质形成络合物等[52]。 4.2 植物Cu毒害的治理

Alva et al[54]提出,在土壤中施入Ca可减轻Cu对柑橘幼苗的毒害,显著降低根部的含Cu量。含Cu量高的土壤,pH值及Ca、Mg、Fe、Zn等元素的含量显著降低,在某些石灰质土壤发生Cu中毒的现象较少见,而且pH及Ca、Mg、Fe、Zn等元素含量也较高[55]。刘春生等[8]亦指出,土壤中Ca和Fe能减缓Cu对叶绿素的破坏作用。在高Cu水平下,配施Ca和Fe均能增加苹果叶片(包括老叶和新叶)叶绿素含量。在富钙缺铁的褐土上,Fe的解毒效果优于Ca。土壤的pH值在6.5以下时,施用石灰可以减轻Cu对番茄的毒害[21]。王永锐等[14]发现,Si有抑制或缓解CuSO4对秧苗的毒害作用。用31μmol·L-1CuSO4处理2周,秧苗根部受害严重,加入Si后,秧苗根多、粗、短,亦看出明显受害,但地上部仍较正常;用94-57μmol·L-1CuSO4处理,植株几乎都是黄根,加Si处理,植株还有数片青叶和白根。有机物料历来被认为是改良土壤的天然材料。对污染重金属的土壤而言,有机物料常被认为是一类很好的改良材料,因为有机物料可以抑制土壤重金属的植物有效性[55-59]。不论在分蘖期或在成熟期,稻草和紫云英均显著地抑制了水稻根系对Cu的吸收,在一定程度上促进了根部Cu向茎叶及谷粒的转移。在Cu污染淹水土壤上添加稻草,可促进水稻的生长,显著抑制了水稻对Cu的吸收,降低了糙米中Cu含量。套种紫云英,促进水稻的生长,提高了潮土上稻谷的产量,显著降低了根系、茎叶以及潮土上糙米的Cu含量,但对红壤上糙米Cu含量没有显著影响[60]。Cu污染土壤的植物修复作为一种绿色生物技术,已被当今世界迅速接受。其原理是利用专性植物(又称超积累植物)从土壤中吸取并积累超常水平的Cu,连续种植并

多次刈割,移走地上部分Cu以除去土壤中的Cu[61]。适量的EDTA和NTA能显著提高修复植物对Cu的吸收[62]。还有试验表明,蚯蚓在Cu污染土壤的植物修复中明显提高了红壤Cu的有效性,促进黑麦草对Cu的吸收[43]。 高等植物的Cu毒害。

Cu污染对高等植物毒害作用的研究目前主要集中在对植物光合作用、细胞结构、细胞分裂、酶学系统和其他营养元素的吸收上。Cu污染对植物光合作用的影响首先是对光系统Ⅱ(PSⅡ)的影响,过量的Cu会破坏类囊体的结构功能,这种破坏作用既可发生在光氧化侧,又可发生在还原侧,抑制初级电子供体和受体产量,同时PSⅡ的反应中心上也有抑制位点[22,23]。Patsikka等[24]指出过量Cu影响光抑制和光修复之间的平衡,导致受光照叶片的PSⅡ活跃中心的电子浓度下降。植物的光合作用对Cu2+十分敏感,高于1μmol/L即可成为电子传递的抑制因子[45]。Cu污染下植株外部失绿是由内部色素含量的变化引起的。主要是Cu污染会抑制叶绿素合成或破坏叶绿素,小麦叶片中叶绿素含量与Cu含量显著相关[2],这可能是由于植物体内过量的Cu使得叶绿体酶活性比例失调,叶绿素分解加快,同时Cu局部积累过多,与叶绿体中蛋白质上的巯基结合,或取代其中的Fe2+、Zn2+、Mg2+,使叶绿素蛋白中心离子组成发生变化而导致失活。此外,高Cu抑制根系生长,根尖硬化,养分吸收能力下降,导致Fe缺乏,叶绿素含量降低而失绿。刘登义等[3]近来又发现,Cu胁迫会干扰小麦的某些代谢途径,致使叶绿素a和叶绿素b含量降低,叶片失绿,出现明显的白化现象,尽管叶绿素a/b并无影响,这也与Penelope等[26]的结论相一致。而类胡萝卜素含量也有类似变化趋势,但从对Cu污染的敏感程度而言,通常是叶绿素b>叶绿素a>类胡萝卜素。

Cu污染会导致细胞结构的变化。膜结构是植物细胞遭受Cu污染的优先和关键部位,Cu可与细胞膜蛋白的巯基或磷脂分子层的磷脂类物质反应,造成膜蛋白磷脂结构改变,透性增大,进而影响物质在生物体中的运输,叶片外渗液电导率增大,电导率与Cu浓度极显著正相关,因此膜透性可作为植物受害的重要评价指标。过量Cu引起的光合生物膜中类脂过氧化和PSⅡ紊乱,会使非周期性的光合磷酸化作用遭到破坏,进而抑制希尔反应的活性[27]。小麦叶片膜透性随Cu尾矿比例增加而增大,选择透性机能受损,使细胞内一些可溶性物质外渗,破坏了细胞内酶及代谢作用原有的区域性,这是小麦受害的原因之一。Strange等认为Cu过量使细

胞膜的强度下降,Cu渗入细胞内,影响细胞器的结构功能,同时使胞内物质外渗而亏缺[28,29]。从另一角度而言,Cu胁迫常引起活性氧产生消除平衡系统失调,活性氧积累,加重细胞膜质过氧化,这与植物螯合肽的产生和还原型谷胱甘肽减少有一定关系。Cu胁迫时,植株叶片膜质过氧化作用增强的同时,还原型谷胱甘肽含量显著下降,氧化型谷胱甘肽所占百分比增加[30,31],含巯基螯合物含量升高,可能是Cu2+作用下叶片合成螯合物使得还原型谷胱甘肽减少,因为Cu等重金属元素在谷氨酰半胱氨酸合成酶催化下,能以还原型谷胱甘肽为底物合成富含巯基的螯合物,而且Cu2+本身也能催化还原型谷胱甘肽氧化为氧化型谷胱甘肽[32]。还原型谷胱甘肽的降低使植物细胞自由基产生和消除的平衡遭到破坏,细胞膜质过氧化加剧。何水林等发现Cu2+会诱导辣椒叶片倍半萜环化酶基因表达,在用外源自由基清除剂试验后,推测这可能与辣椒叶片膜脂过氧化作用和还原型谷胱甘肽氧化有关

[46]

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Cu污染还会造成其他超微结构的破坏,尤其是根部细胞。姚益云等[5,6]研究表

明,随土壤Cu浓度增高,紫云英的根细胞结构遭破坏逐渐加重,具体特征为表皮层断裂,变为黑褐色,细胞壁变形乃至断裂,质膜遭破坏,发生质壁分离,细胞质逐渐收缩,以至解体而使壁内空腔,皮层、中柱细胞逐渐死亡,致使根吸收水分和养分能力降低,成活率极低,甚至绝苗。土壤Cu浓度为200mg/kg时,紫云英表皮细胞、薄壁细胞、维管细胞、筛管细胞等均大量解体死亡。Ouzounidou等[33]也发现,过量Cu会破坏玉米根尖细胞的原生质体。

Cu污染对细胞分裂的影响。陈桂珠[7]发现,Cu、Cd过量时,黄瓜根尖分生组织细胞质变稀薄,质壁分离,整个细胞呈松弛状态,这是由于Cu、Cd干扰胞质的生理代谢活动,影响有丝分裂能量供应,进而根尖细胞分裂数明显减少,分裂速度减慢,造成根尖生长异常[34]。Leep[35]研究发现,高浓度Cu会导致根冠细胞分裂受抑,根生长停止,Kahle[36]认为是Cu使得分生区细胞核变小,尤其是核仁变小,阻滞了其分裂。细胞有丝分裂指数有助于了解环境胁迫对植物生长的影响,高Cu时,小麦细胞相对分裂指数迅速降低,表现出对细胞分裂明显的抑制作用[2]。Cu2+等处理大麦也会阻碍细胞向分裂状态转化,参与分裂的细胞数目减少,有丝分裂指数降低,且有丝分裂会出现异常,染色体畸变率显著提高,并随处理时间的延长而上升,呈现明显的正相关[8],有丝分裂和染色体桥较为普遍发生。微核试验正是根据环境污

染物能引起DNA损伤,诱发染色体畸变而形成微核来检测诱变物质对染色体损伤的。很多研究都证明,蚕豆根尖细胞微核技术是检测环境Cu污染的有效方法,随Cu浓度的增加,蚕豆根尖细胞微核千分率升高,所受毒害作用增强,当达400mg/L时,根尖细胞有丝分裂严重受阻,分裂细胞数较对照下降30%以上[49]。

Cu胁迫下植物体内的酶也会有明显的变化。张义贤等认为,过量Cu2+等对植物体产生毒性的生物学途径可能有两方面,除了前面提到的干扰离子间平衡系统,导致离子吸收、运输、渗透和调节等发生障碍而使代谢紊乱外,Cu取代某些酶蛋白中维持功能所必需的特定元素或与酶蛋白中非活性基团结合导致变性[8],不容忽视,这也是Cu毒害研究的重要任务。质膜上有很多酶,是生化反应的重要场所,Cu毒害破坏质膜,必然会影响上面的酶,进而体内的氧化磷酸化、光合作用的某些过程、养分的吸收等一系列生理生化反应就会受到严重影响。

Cu污染更多地影响植物体内碳水化合物和氮代谢酶类的活性,Fernando[37]指出Cu2+会抑制超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、脱氢酶、蔗糖酶及烟酰胺腺嘌呤二核苷酸-细胞色素C还原酶等的活性。目前这类研究大多集中在Cu污染对植物过氧化物酶、超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、固氮酶等酶活性的影响上。刘文彰等(1985年)指出,Cu过剩时黄瓜幼苗内过氧化物酶活性会急剧增强,其活性可作为Cu过剩的作物生理指标,推测是过氧化氢急剧增加所致,同时还发现吲哚乙酸氧化酶活性也有显著提高,可能是由于过氧化物酶调节游离吲哚乙酸向氧化态转化,豆芽根伸长随培养液中Cu浓度的增大抑制加重,就是Cu使酶活性尤其是过氧化物酶逐渐增强,吲哚乙酸氧化所致[10,11],其结论与Leep关于过量Cu使体内过氧化物酶、过氧化氢酶、吲哚乙酸氧化酶活性升高的观点相一致。而王友保认为,小麦幼苗的过氧化物酶活性随Cu浓度升高急剧上升,主要是Cu通过一系列生理生化过程,产生很多过氧化物,过氧化物酶底物增加,使得过氧化物酶活增[2]。Cu对过氧化物酶活性的刺激作用已基本得到认可[12],需要指出的是,过氧化物酶-过氧化氢分解系统参与叶绿素的降解,Cu会通过过氧化物酶活性直接或间接地加快叶绿素的降解。朱云集[13]报道,随外源Cu浓度的升高,小麦超氧化物歧化酶活性有明显降低趋势,作为膜脂过氧化的主要产物,小麦根部丙二醛含量显著上升,质膜相对透性增加,表明Cu胁迫使根系保护酶系统遭到破坏。史吉平等也发现,100mg/L Cu处理,小麦幼苗根系中超氧化物歧化酶将持续下降,但叶片中超氧