不同濃度鈣?鋅抑制劑對煙草鎘積累及亞細(xì)胞分布的影響

宋曉慧 秦仕華 陸引罡

摘要[目的]探討鈣鋅互作對鎘元素在煙草體內(nèi)亞細(xì)胞分布的影響。[方法]以煙草南江三號為研究材料，通過添加不同濃度鈣、鋅2種抑制劑，采用土培盆栽試驗(yàn)，研究煙草鎘的亞細(xì)胞分布。[結(jié)果]煙草葉部和根部的整個(gè)亞細(xì)胞中，鎘含量分布大小順序?yàn)榘?、?xì)胞壁、葉綠體、線粒體。土壤中鎘濃度為1 mg/kg時(shí)，加入鈣抑制劑100 mg/kg，煙草根部葉綠體、細(xì)胞器和胞液的鎘含量均下降，而細(xì)胞壁中的鎘含量增加；加入鋅抑制劑 50 mg/kg，煙草所有亞細(xì)胞中的鎘含量均有所下降，說明加入鋅抑制劑50 mg/kg比加入鈣抑制劑100 mg/kg的效果好。土壤鎘濃度為5 mg/kg時(shí)，煙草根部和葉部細(xì)胞器的鎘含量都有所上升，其余3個(gè)亞細(xì)胞中的鎘含量減少。[結(jié)論]煙草中鎘在胞液中的分布多于細(xì)胞壁，葉綠體和線粒體鎘含量少，在不同濃度鈣、鋅處理下煙草對鎘的耐性加強(qiáng)，鎘在煙草體內(nèi)結(jié)合在細(xì)胞壁上，通過主動運(yùn)輸進(jìn)入胞液，胞液區(qū)室化作用明顯，可能是煙草耐鎘的主要機(jī)制，減少煙葉鎘含量的重要途徑。

關(guān)鍵詞鈣/鋅；煙草；鎘；吸收；亞細(xì)胞分布

中圖分類號X503.231文獻(xiàn)標(biāo)識碼

A文章編號0517-6611（2017）10-0008-03

Effects of Different Concentrations of Calcium and Zinc Inhibitors on Accumulation and Subcellular Distribution of Cadmium in Tobacco

SONG Xiaohui1，QIN Shihua2，LU Yingang2*（1.College of Resources and Environmental Engineering，Anshun University，Anshun，Guizhou 561000；2.Guizhou University，Guiyang，Guizhou 550025）

Abstract[Objective] The aim was to explore effects of different concentrations of calcium and zinc inhibitors on cadmium accumulation and subcellular distribution in tobacco.[Method] Taking Nanjiang 3 as material，we studied the subcellular distribution of cadmium in tobacco by soil culture pot experiment with adding different concentrations of calcium and zinc inhibitors.[Result] The cadmium content in whole subcellular of leaves and roots of tobacco was in order of cytosol，cell wall，chloroplast and mitochondria.When the concentration of cadmium in soil was 1 mg/kg，and the concentration of calcium inhibitor was 100 mg/kg，the cadmium decreased in cytosol，chloroplast and organelles of tobacco root，but increased in cell wall；when the concentration of cadmium in soil was 1 mg/kg，and the concentration of zinc inhibitor was 50 mg/kg，the cadmium decreased in all subcellular of tobacco，which indicated that adding 50 mg/kg zinc inhibitor had better effect than adding 100 mg/kg calcium inhibitor.When the concentration of cadmium in soil was 5 mg/kg，the concentration of cadmium in organelles of tobacco leaves and roots all increased，while the concentration of cadmium in the other 3 subcellular decreased.[Conclusion] The cadmium in cytosol is more than that in cell wall，and the cadmium in chloroplast and mitochondria was little.The tolerance of tobacco under different concentrations of calcium and zinc is strengthened.The cadmium in tobacco is combined on cell wall，and then transported into cytosol，and the cytosol has strong chamber，which may be main mechanism and important way to reduce cadmium in tobacco.

Key wordsCalcium and zinc；Tobacco；Cadmium；Absorption；Subcellular distribution

鎘（Cd）是常見的化學(xué)污染物，其毒性對生物各個(gè)器官及組織有嚴(yán)重的損傷[1]。煙草是一種生物量較高的經(jīng)濟(jì)作物，對鎘有較強(qiáng)的富集和向上運(yùn)輸能力，且有75%～81%的鎘轉(zhuǎn)運(yùn)在葉子中，具有超積累植物的主要特征，在土壤鎘污染的植物修復(fù)方面有較大的應(yīng)用潛力[2-4]。鈣（Ca）、鋅（Zn）是植物生長的必需營養(yǎng)元素，并且均能在煙草吸收鎘的過程中起到競爭作用，從而減輕甚至抑制鎘對植物的損傷[5-10]。同時(shí)在元素周期表中鈣和鋅屬于同族元素，所以在化學(xué)性質(zhì)以及進(jìn)入生物大分子方面有相似之處。

從細(xì)胞和亞細(xì)胞的角度進(jìn)行研究，植株為了降低鎘元素對自身的傷害而表現(xiàn)出不同的分布狀態(tài)和分布密度。同時(shí)，也有研究表明，重金屬元素鎘在不同植株葉細(xì)胞內(nèi)的分布部位和各部位的分布比重差異較顯著，有的主要集中在細(xì)胞壁中，有的卻在葉細(xì)胞的其他部位[11-12]。

目前，關(guān)于鈣鋅互作對鎘的亞細(xì)胞分布的研究還很少。鑒于此，筆者以煙草南江三號為研究材料，采用土培盆栽的試驗(yàn)方法，研究了鈣鋅互作對鎘元素在煙草體內(nèi)的亞細(xì)胞分布的影響，以期說明鈣鋅共存的情況下鎘在煙草體內(nèi)亞細(xì)胞的分布，同時(shí)解釋由不同位點(diǎn)進(jìn)入煙草體內(nèi)，鈣鋅如何通過影響鎘在煙草體內(nèi)的亞細(xì)胞分布從而緩解鎘的毒性。

1材料與方法

1.1材料

1.1.1供試品種。煙草品種：南江三號。

1.1.2供試土壤。土壤為酸性黃砂泥，肥力中等。去除表面10 cm土層，再取土。自然風(fēng)干，過1 cm篩，把不同濃度的鎘溶液均勻噴灑于土壤表面，塑料紙封閉，平衡30 d，再添加不同濃度的抑制劑。設(shè)置不同濃度的鈣鋅，在移栽之前加入土壤中。

1.1.3供試抑制劑。重金屬制劑：碳酸鈣、硫酸鋅。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)設(shè)鈣、鋅、鎘3個(gè)因素，采用3因素3水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，從27個(gè)處理中選取12個(gè)（表1）。每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，在煙草不同的生長時(shí)期取樣進(jìn)行測定。

1.3測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 植株中鎘的測定。采用濕式消解法[13]，用AS-500型石墨爐進(jìn)行測定。

1.3.2亞細(xì)胞的提取測定。

稱取煙草鮮樣1.00 g，在10 mL緩沖液[250 mmol/L蔗糖、50 mmol/L Tris-HCl（pH 7.5）、10 mmol/L 二硫蘇糖醇]中4 ℃研磨成勻漿，采用差速離心法[14]得到細(xì)胞壁、線粒體、葉綠體、胞液4個(gè)亞細(xì)胞組分。所有操作均在4 ℃條件下進(jìn)行。

1.4數(shù)據(jù)處理采用Microsoft Excel 和SPSS 17.0 軟件處理數(shù)據(jù)。

結(jié)果與分析

2.1鈣/鋅抑制后鎘在煙草葉部亞細(xì)胞組的含量及分配

由圖1、2可知，土壤中鎘濃度為1 mg/kg時(shí)，在鋅濃度為50 mg/kg和鈣濃度為200 mg/kg時(shí)，胞液中的鎘含量較高，而細(xì)胞壁、葉綠體、線粒體3種亞細(xì)胞中的鎘含量比鋅濃度為100 mg/kg、鈣/鋅復(fù)合抑制劑濃度都是100 mg/kg時(shí)的含量都低；鎘含量在細(xì)胞質(zhì)、線粒體、葉綠體、細(xì)胞壁中的分配比率分別為30.4%～31.7%、5.6%～11.1%、0.67%～4.45%和55.7%～61.9%；土壤中鎘濃度為5 mg/kg 時(shí)，加入鈣、鋅抑制劑后，在鈣濃度為 100 mg/kg、鋅濃度為100 mg/kg、鈣/鋅濃度為100 mg/kg 3種情況下，煙株細(xì)胞壁中鎘含量都明顯下降，從70.7%降至13.8%～47.5%，而胞液中鎘含量有上升趨勢，對葉綠體和線粒體2個(gè)亞細(xì)胞無抑制作用。鎘含量在煙草葉部亞細(xì)胞中的大小順序?yàn)榘?、?xì)胞壁、葉綠體、線粒體，各個(gè)處理間差異不顯著，各個(gè)亞細(xì)胞部位間鎘含量差異極顯著。

可知，土壤中鎘濃度為1 mg/kg時(shí)，鋅抑制劑濃度為50 mg/kg、鈣抑制劑濃度為200 mg/kg時(shí)，胞液中的鎘含量較高；在添加鈣濃度為200 mg/kg的處理中，總的鎘含量比添加鋅抑制劑濃度為50 mg/kg的處理高。細(xì)胞壁、葉綠體、線粒體3個(gè)部位的鎘含量比添加鈣抑制劑濃度為100 mg/kg和鈣/鋅濃度均為100 mg/kg的處理含量低。土壤中鎘濃度為5 mg/kg時(shí)，鋅濃度為50 mg/kg、鋅 濃度為100 mg/kg、鈣/鋅抑制劑濃度均為100 mg/kg、鈣濃度為100 mg/kg 4個(gè)處理中，煙草細(xì)胞壁鎘含量的分配率從62.97%降至45.59%，而在胞液中的鎘含量還有上升趨勢，對葉綠體和線粒體2個(gè)亞細(xì)胞區(qū)室中的鎘含量及分配率沒有作用。鎘含量在煙草根部整個(gè)亞細(xì)胞的大小順序?yàn)榘?、?xì)胞壁、葉綠體、線粒體，各個(gè)處理間差異不顯著，各個(gè)亞細(xì)胞部位間鎘含量差異極顯著。

3結(jié)論與討論

該研究結(jié)果表明，隨著鎘濃度的增加，煙草亞細(xì)胞組分中鎘的分配呈現(xiàn)不同的趨勢，細(xì)胞壁和胞液中的鎘含量提高，其中細(xì)胞壁部分增加最大，鎘的分配比率顯著增加，鎘在線粒體、葉綠體中的分配比率明顯減少，表明隨著鎘濃度的增加，細(xì)胞壁和胞液2個(gè)細(xì)胞組分對鎘的固持和區(qū)室化作用增強(qiáng)，降低了鎘對線粒體、葉綠體等新陳代謝活躍部位的影響，從而減輕鎘對植物生理活動的影響，該試驗(yàn)的前期研究結(jié)果證明了這一點(diǎn)[15]。陸仲煙等[16]研究發(fā)現(xiàn)鎘在2個(gè)大麥品種的根系亞細(xì)胞中主要分布于細(xì)胞壁組分，其次為胞液組分，在細(xì)胞器中的分布最少，2個(gè)品種的細(xì)胞壁和胞液中鎘所占的比率無顯著差異。細(xì)胞壁作為鎘進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)的“防火墻”，對鎘的限制固定作用非常明顯，也是重金屬脅迫的作用信號分子和代謝位點(diǎn)，與植物重金屬耐性有重要關(guān)聯(lián)，研究結(jié)果與Chen等[17]、Dalcorso等[18]、劉清泉等[19]的研究結(jié)論一致，加入鈣鋅抑制劑后，細(xì)胞壁的鎘含量呈上升趨勢，胞液的鎘含量減少，可能是細(xì)胞壁固定鎘的能力有限，當(dāng)細(xì)胞壁固定鎘的能力處于飽和狀態(tài)時(shí)，鎘離子跨膜進(jìn)入細(xì)胞后，僅有一小部分被線粒體和葉綠體吸收，另一部分鎘區(qū)室化于胞液內(nèi)，楊亞洲等[20]在堿蓬和濱藜對鎘和鈉吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及亞細(xì)胞分布特性的研究中也說明這一問題。

關(guān)于重金屬進(jìn)入植株，最開始的研究認(rèn)為鈣、鋅、鐵等金屬離子進(jìn)入的通道也是鎘進(jìn)入體內(nèi)的通道，因?yàn)檫@些金屬離子在化合價(jià)、化學(xué)性質(zhì)、物理特性等方面都有一定的相近性。細(xì)胞壁中含有負(fù)電荷，這些負(fù)電荷能通過磁極效應(yīng)吸引金屬離子大量地聚集在細(xì)胞膜外，當(dāng)金屬離子達(dá)到一定的程度，就會推動金屬離子穿過細(xì)胞壁進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部。通常認(rèn)為，鎘在根部主要積累于質(zhì)外體，尤其是細(xì)胞壁中[21]。細(xì)胞對鎘元素的抑制作用主要集中在細(xì)胞壁上，當(dāng)作用時(shí)間短、作用濃度低的情況下細(xì)胞壁抑制作用尤其明顯。因此，研究鎘的

亞細(xì)胞分布，對闡明鎘在煙草中的吸收抑制機(jī)制具有重要意義。

該研究結(jié)果顯示出煙草亞細(xì)胞的鎘含量，加入鈣鋅抑制劑后，細(xì)胞壁和胞液之間有變化，葉綠體和線粒體無明顯效果，可能是因?yàn)樵谂囵B(yǎng)過程中沒有給煙草很適宜的生存環(huán)境和條件，或者是試驗(yàn)條件的限制；因此，煙草耐鎘是否是細(xì)胞壁的固定、胞液的區(qū)室化作用這2個(gè)方面，實(shí)際情況仍需進(jìn)一步試驗(yàn)證實(shí)。

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