【doc】 Cd、Cu对长喙田菁Sesbania rostrata各器官亚显微结构的影响

【doc】 Cd、Cu对长喙田菁Sesbania rostrata各器官亚显微结构的影响 Cd、Cu对长喙田菁Sesbania rostrata各器 官亚显微结构的影响 第44卷第4期 2005年7月 中山大学(自然科学版) AGrASCIENrI1ARUMNATURAII【IMUN?ERSn’ArI1Ss1fNYISENI Vo1.44No.4 Jlll20o5 Cd,Cu对长喙田菁Sesbaniarostrata 显微结构的影响 陈富华,郑耘, (1.中山大学生命科学学院,广东广州510275; 各器官亚 郑政伟,杨中艺 2.深圳出入境检验检疫局,广东深圳518001) 摘要:研究了重金属镉和铜处理了6d的长喙田菁根和叶细胞亚显微结构的变化.结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,无论是镉还是 铜的处理,亚显微结构的变化均相似,而且植株外观形态变化与亚显微结构的变化相吻合.通过实验可看到, 0.10mmol?L是镉和铜处理长喙田菁的临界浓度.而细胞中已破坏的 细胞器和未被破坏的细胞器的共存表明, 长喙田菁细胞中存在对镉和铜的耐性机理,使植物在镉和铜的处理 下仍能生长. 关键词:CA;Cu;长喙田菁Sesban/arostrata;亚显微结构 中图分类号:X173文献标识码:A文章编 号:0529—6579(2505)04-0107—04 重金属中一些元素是植物生长所必需的微量元 素,如cu,Fe,Mn,Zn等.但当土壤中这些元素 的含量超过一定范围时,对植物就会造成毒害作 用,严重时会导致植株死亡.而另一些重金属如 Cd,?,Pb,cr等并非植物生长发育必需的元素, 且具有较强的毒性,即使微量也会对植物造成伤 害.近几年所研究的重金属对植物的毒害主要集中 于植物生理生化方面【1.j,而对植物在重金属胁迫 下,其细胞亚显微结构变化方面的研究相对较 少l4J.本文以长喙田菁Sesbaniarostrata为材料, 观察了分别在不同浓度的Cd和Cu胁迫下,其根, 叶细胞的亚显微结构的变化,为探讨重金属对长喙 田菁的毒害方式及植物的耐性机理提供依据. 1材料和方法 1.1材料 长喙田菁种子于1991年从日本引进,并在广 州经两代繁殖. 1.2试验方法 1.2.1材料培养将长喙田菁种子用=70%的酒 精和为1%,2%NaC10依次消毒后放在培养皿 内发芽,待子叶完全突破种皮后,转移到含有100mL 的1/10Hoagland营养液中培养3d,然后再转移到 1/2Hoagland营养液中培养,每3天换1次培养液, 转到1/2Hoagland营养液9d后用浓度分别为0I珈?1. L,,0.05mmol?L一,0.10mmol?L和0.25mmo1. L的重金属Cd(以CdCI的形式)和Cu(以 CuCI2的形式)分别处理6d,取样. 1.2.2取样部位和方法根取根尖1,2n’iln,叶 片取第一片真叶,去叶脉后,将叶片切成1,2n’iln. 1.2.3样品制备将所取的材料在=2.5%戍二 醛和=1%的锇酸进行双固定,乙醇系列脱水, Epon812树脂包埋,LKB—V型切片机切片,醋酸 铀和柠檬酸铅双染色后在FEI.Tecnai12型透射电镜 下观察. 2结果和分析 2.1Cd,Cu对长喙田菁根尖亚显微结构的影响 经cd处理的长喙田菁根尖在低浓度(0.05 mmol?L)时外观与对照无差异,但在中浓度 (0.1mmol?L)时根尖呈现黄褐色,根长相对比 对照短,说明伸长生长已受阻,高浓度(0.25 mmol?L)时可看到根尖呈现黄褐色甚至发黑,根 端变粗大,生长缓慢甚至停滞.cu处理的根尖情 况与Cd处理的相类似. 在电镜下观察,低浓度的Cd对长喙田菁的根 尖亚显微结构基本没有影响,与对照(图1:1) 的情况相似,细胞壁完整,线粒体正常;中浓度 时,细胞表现出一些的伤害,主要表现在细胞核的 核膜破损,有内容物外流,但线粒体表现正常(图 1:2);经高浓度cd胁迫的根尖显微结构伤害严 重,细胞核质凝集(图1:3),甚至基本丧失细胞 *收稿日期:2O04—07—26 基金项目:国家自然科学基金(3OO70126,30270262),国家”863” 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 (2001AA645010)和广东省重点自然科学基 金资助项目 作者简介:陈富华(1975年生),博士生;通讯联系人:杨中 艺;E-mail:adsyzy@mu.edu.cn l08中山大学(自然科学版)第44卷 内含物(图1:4),细胞壁变,且细胞壁上有黑色 颗粒沉淀. 经Cu胁迫的长喙田菁的根尖,在0.05mmol? L的浓度时细胞已出现质壁分离,少数细胞的质 膜破损,线粒体脊突肿胀,同时细胞核的双层膜也 因肿胀而变得模糊,但大多数细胞无明显变化;在 0.10mmol?L的胁迫浓度时,细胞核略有空泡化 的现象,多数线粒体已完全空泡化,前质体内被巨 大的淀粉粒充斥(图1:5),同时胞质浓缩,质壁 分离;高浓度时,线粒体内只有脊突残片,细胞核 内呈现絮状(图1:6),细胞质膜破损,呈波纹 状. 2.2Cd,Cu对长喙田菁叶片亚显微结构的影响 对照叶片细胞中的叶绿体呈椭圆形,两端稍 尖,被膜完整.基粒类囊体片层垛叠整齐紧密(图 1:7),基质片层结构清晰,基粒片层与基质片层 相连,排列整齐有序.细胞核内核质均匀,核膜完 整(图1:8).低浓度cd胁迫的长喙田菁叶片基 本没变化,只有极少数线粒体脊突稍有肿胀.中浓 度cd胁迫的叶片细胞中叶绿体膜虽存在,但已破 损,不连续,基粒片层结构少数仍然完好,多数已 溶成一片.线粒体脊突肿胀,而且多数线粒体的膜 不连续,少数的膜已不见.高浓度cd胁迫的大部 分细胞叶绿体肿胀,形状发生变化,内含基粒溶成 一 团(图1:9),线粒体的膜已丧失,脊突数目减 少(图1:10). 随着Cu胁迫浓度的提高,叶片显微结构及各 细胞器的结构变化越明显.低浓度时与对照相比没 有变化,中浓度cu胁迫的叶片中,叶绿体明显变 小变少,但其膜及片层结构没有变化,细胞核及核 膜也没有变化,只有少数线粒体开始发生空泡化, 且脊突略有肿胀(图1:11).经高浓度cu胁迫的 叶片细胞核膜不清楚,叶绿体肿胀成球圆形,而且 叶绿体内的嗜锇颗粒数目明显增加,大部分基粒片 层结构溶成团状(图1:12);少数线粒体的脊突 丧失,呈空泡化,但大部分只发生脊突肿胀. 3讨论 3.1重金属对叶绿体的影响 重金属对植物毒害作用表观上表现为叶片褪 绿.本实验中观察到,当低浓度Cd和Cu胁迫时, 叶片伸展,无变化;但中浓度(0.10mmol?L) 时的叶片开始出现少量黄色斑点,在高浓度(0.25 mmol?L)Cd和Cu胁迫下则普遍发生叶片褪绿, 呈黄色. 以往的研究发现,重金属引起叶片褪绿的原因 是重金属离子作用于支持光化学反应的结构,使合 成叶绿素的酶失去骨架而不能正常有效地发挥功 能5].叶绿体是光合作用的主要器官,光合作用的 光化学过程主要是在基粒膜和基质膜上进行的,正 常有序的排列方式提供了最大的光面积和最有效的 光合效率],基粒片层垛叠意味着捕获光能机构的 高度密集,同时作为酶的排列支架,有利于形成一 个长的代谢传送带,促进光能的吸收传递和转 换_6],其结构的破坏必定削弱植物光合作用的效 率.有研究认为],重金属对叶绿素破坏主要是破 坏叶绿体的结构和功能活性,导致叶绿素含量降 低.可见结构上的破坏是重金属离子对植物的毒害 机制 综治信访维稳工作机制反恐怖工作机制企业员工晋升机制公司员工晋升机制员工晋升机制图 之一.本研究在Cd和Cu胁迫浓度超过0.10 mmol?L时观察到叶绿体结构的破坏,基粒溶成一 团,基质片层排列混乱.Cu的破坏作用更甚于 Cd.且结构的破坏是与植株外部形态的表现一致. 中浓度(0.1mmol?L)的cd和cu处理时叶绿体 受到一定程度的破坏,但仍有部分叶绿体的结构完 好,可以进行正常的光合作用,所以该浓度下的叶 片只表现出少量的黄色斑块,高浓度(0.25mmol? L)的cd和cu处理下叶绿体的结构基本全部被 破坏,光合电子传递链的附着骨架不复存在,因此 光合作用不能再正常进行,叶片完全变黄.至于在 该浓度下为何仍有不少的叶绿体未受到破坏,这是 否涉及长喙田菁的重金属耐性机制,值得进一步深 入探讨. 3.2重金属对线粒体的影响 线粒体是细胞进行呼吸作用的场所,它含有多 种酶,其中三羟酸循环的酶系集中在线粒体的可溶 性衬质中,而电子传递氧化磷酸化的酶系统在内膜 上,因此是细胞内能量代谢中心.线粒体中的大部 分蛋白质都来自细胞质,由于重金属离子毒害,线 粒体脊因得不到足够的蛋白材料而破损或消失.因 此,酶由于缺乏原料和失去依附的线粒体内膜而解 散或消失,使依赖于ATP的呼吸机制发生障碍, 导致线粒体肿胀].彭鸣等_9的研究认为,线粒体 是比较敏感的细胞器,由于重金属胁迫破坏了体内 抗氧化酶系统,从而破坏膜的通透性,线粒体脊突 的膨胀和空泡化等,最终导致细胞呼吸作用减弱. 前人研究认为空泡化会造成线粒体全部功能的丧 失_8J.从结构分析,脊突膨胀直接影响正常的呼 吸功能,也是重金属离子对植物的一种毒害机制. 本研究中观察到在Cd和Cu胁迫下,根尖和叶片中 的线粒体外膜破坏以及脊突肿胀或消失,但cd对 线粒体的影响程度似乎比对叶绿体的影响要小一 些,根尖线粒体在0.1mmol?L浓度下基本未受到 第4}9{睬:f等:(J_LJ_盯l乇喙…’『finn备器汀,艟微结掏嘭响 I(l,Cu埘K喙LII菁尖,叶部哑丝馓蜘的州 卜’ig?ITheeII…fCuf1nuhfiletI11?tureofnx?tiW,andIavS”f I,6为尖.7—12为叶部 I:(.Klx45(X-)1:2 5:010[1lttl[,l,I(?( 9:0mrn~1]lIlI 12:(1II][III?I/l_t.u 010[tlllR,I/IL×孓”H],:3:0lll?lII/ ×85413:,;6:(J25liltI1?lI/I【xl[H]50J:7 9500):10:I)n1)Ie×260001: x3(xxlI ‘rxllx】1350):4:025?uI(×2649) (K(×l2390);8:c1K(×537{)): :010r『1m’l_(×26000): ll0中…人(自然科学版) 影响,川’绿体则部分地受到伤.愀尖和叶片的 线粒体埘cu的反应比ctJ敏感,0.05mmol? L浓度时便呵少地脱察到线粒仆结构的变化; Cu对叶绿体的影响度则JjCd似 3.3重金属对细胞核的影响 细胞核足遗f0信’:仃,复干?表达的场所, 它控制细胞的遗传代跚活动细胞核变形会严 重影响Il大1的衍动干?胞内fI质的合成及细 胞分化.细胞核和核f:的结构状忿与细胞的代 谢活性街切十f1天,被破坏将敛遗传信息不能准 确表达,核糖休不能常合成,胞I卜常代谢的主 要成分缺失”,最终术影响细胞的,Ii命活动.本 实验中根尖的细胞核l,浓度(0.1mmol?L)cd 胁迫时,核膜破损,物外流,尚浓度(0.25 mmol?L)Cd胁迫的,犬细胞核质凝集,经cu胁 迫的根尖,在浓度为0.10mmol?J时,细胞核有 空泡化,高浓度(0.25mmol?I)时细胞核内早 絮状. 外观卜,在中浓度(0.10rnn,I.L)和高浓 度(0.25n1ln01?L)的Cd和cu处理条件下观察 剑根尖的生长缓慢受研l,_.j赵等的研究一 致,可能足j胁迫时最金属离子j细胞核内的核酸 等大分子结合,阻碍J,细胞信息f0递,因此根尖细 胞分裂无法进行,导致根尖生长受阻甚至停止. 总体而言,0.1~mlol?L浓度是Cd和cu对长 喙田菁亚显微结构造成明显损伤的临界浓度,但在 该浓度条件下,并非所有的细胞器均受到破坏,如 叶片细胞中叶绿体内的一部分基粒片层和基质片层 受到破坏,但仍有一部分的基粒和基质片层排列整 齐有序,线粒体有部分发生空泡化等结构上的破 损,但也有部分的线粒体结构完整,这一现象与长 第44卷 喙田菁的重金属耐性机理可能有很大关系,在胁迫 I:I问尺度J-,微结构可能发生的变化(因自我适 应而发生的变化)也令人关注,这些问题均有待今 后进一步探讨. 参考文献: [1BFA,ROIk]~]GL,CARLSONRM.F~fectsofCAOil phol0svI1tIisandtranspirationofexcise<tleavesofCornand sunflowerlJJ.PhysiolPlant,1974,32:372—376. 2jHAGHIRIF.Cadmiumuptakebyplants[J].EmironQu,d, 1973,2:93—96. 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[10]VanASSCHEF,CLUSTERSH.Effectsofmetalone/izyme activityinplantslJ].PlantCellEnviron,1990,13:195— 206 TheEffectofCdandCUonUtrastructureofSesbaniarostrata CHENFu-hua.,ZHENGYun,ZHENGZheng-wei.,YANGZhong-y~ (SchoolofLifeSciences,SunYat—senUniversity,Guangzhou510275,Chin a) Abstract:EffectsofheavymetalsCdandCuonuhrastmcturesofroottipandleafcellofSesbaniarostrataseedling. whichwasincubatedinHoaglandsolutionscontainingrespectiveCdandCuf0r6days.weredetermined.ItWasseemed thattheconcentration0.10Inl/lO1.L, WascriticalforwhatseedlingofS.rostratatoleratestobothCdandCu. e coexistenceofthedamagedandundamagedorganellesintheseedlingsexposedtotheconcentrationofCdorCuindicated thatthereweresomemechanism,whichhelptheseedlingstoleratetothetoxicitiesfromCdandCu,processedinS. rostrata,SOthattheseedlingscouldbekepttogrow. Keywords:Sesbaniarostrata,cadmium,copper,uhrastructure