不同濃度鈣?鋅抑制劑對煙草鎘積累及亞細胞分布的影響

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亞細胞分布的影響。[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，研究煙草鎘的亞細胞分布。[結果]煙草葉部和根部的整個亞細胞中，鎘含量分布大小順序為胞液、細胞壁、葉綠體、線粒體。土壤中鎘濃度為1 mg/kg時，加入鈣抑制劑100 mg/kg，煙草根部葉綠體、細胞器和胞液的鎘含量均下降，而細胞壁中的鎘含量增加；加入鋅抑制劑 50 mg/kg，煙草所有亞細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，煙草根部和葉部細胞器的鎘含量都有所上升，其余3個亞細胞中的鎘含量減少。[結論]煙草中鎘在胞液中的分布多于細胞壁，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，鎘在煙草體內結合在細胞壁上，通過主動運輸進入胞液，胞液區室化作用明顯，可能是煙草耐鎘的主要機制，減少煙葉鎘含量的重要途徑。

關鍵詞鈣/鋅；煙草；鎘；吸收；亞細胞分布

中圖分類號X503.231文獻標識碼

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）是常見的化學污染物，其毒性對生物各個器官及組織有嚴重的損傷[1]。煙草是一種生物量較高的經濟作物，對鎘有較強的富集和向上運輸能力，且有75%～81%的鎘轉運在葉子中，具有超積累植物的主要特征，在土壤鎘污染的植物修復方面有較大的應用潛力[2-4]。鈣（Ca）、鋅（Zn）是植物生長的必需營養元素，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]。同時在元素周期表中鈣和鋅屬于同族元素，所以在化學性質以及進入生物大分子方面有相似之處。

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

目前，關于鈣鋅互作對鎘的亞細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方法，研究了鈣鋅互作對鎘元素在煙草體內的亞細胞分布的影響，以期說明鈣鋅共存的情況下鎘在煙草體內亞細胞的分布，同時解釋由不同位點進入煙草體內，鈣鋅如何通過影響鎘在煙草體內的亞細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試驗設計設鈣、鋅、鎘3個因素，采用3因素3水平試驗設計方法，從27個處理中選取12個（表1）。每個處理設3個重復，在煙草不同的生長時期取樣進行測定。

1.3測定項目與方法

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

1.3.2亞細胞的提取測定。

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]得到細胞壁、線粒體、葉綠體、胞液4個亞細胞組分。所有操作均在4 ℃條件下進行。

1.4數據處理采用Microsoft Excel 和SPSS 17.0 軟件處理數據。

結果與分析

2.1鈣/鋅抑制后鎘在煙草葉部亞細胞組的含量及分配

由圖1、2可知，土壤中鎘濃度為1 mg/kg時，在鋅濃度為50 mg/kg和鈣濃度為200 mg/kg時，胞液中的鎘含量較高，而細胞壁、葉綠體、線粒體3種亞細胞中的鎘含量比鋅濃度為100 mg/kg、鈣/鋅復合抑制劑濃度都是100 mg/kg時的含量都低；鎘含量在細胞質、線粒體、葉綠體、細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，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個亞細胞無抑制作用。鎘含量在煙草葉部亞細胞中的大小順序為胞液、細胞壁、葉綠體、線粒體，各個處理間差異不顯著，各個亞細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，鋅抑制劑濃度為50 mg/kg、鈣抑制劑濃度為200 mg/kg時，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。細胞壁、葉綠體、線粒體3個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，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個處理中，煙草細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個亞細胞區室中的鎘含量及分配率沒有作用。鎘含量在煙草根部整個亞細胞的大小順序為胞液、細胞壁、葉綠體、線粒體，各個處理間差異不顯著，各個亞細胞部位間鎘含量差異極顯著。

3結論與討論

該研究結果表明，隨著鎘濃度的增加，煙草亞細胞組分中鎘的分配呈現不同的趨勢，細胞壁和胞液中的鎘含量提高，其中細胞壁部分增加最大，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，細胞壁和胞液2個細胞組分對鎘的固持和區室化作用增強，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，該試驗的前期研究結果證明了這一點[15]。陸仲煙等[16]研究發現鎘在2個大麥品種的根系亞細胞中主要分布于細胞壁組分，其次為胞液組分，在細胞器中的分布最少，2個品種的細胞壁和胞液中鎘所占的比率無顯著差異。細胞壁作為鎘進入細胞質的“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，與植物重金屬耐性有重要關聯，研究結果與Chen等[17]、Dalcorso等[18]、劉清泉等[19]的研究結論一致，加入鈣鋅抑制劑后，細胞壁的鎘含量呈上升趨勢，胞液的鎘含量減少，可能是細胞壁固定鎘的能力有限，當細胞壁固定鎘的能力處于飽和狀態時，鎘離子跨膜進入細胞后，僅有一小部分被線粒體和葉綠體吸收，另一部分鎘區室化于胞液內，楊亞洲等[20]在堿蓬和濱藜對鎘和鈉吸收、轉運及亞細胞分布特性的研究中也說明這一問題。

關于重金屬進入植株，最開始的研究認為鈣、鋅、鐵等金屬離子進入的通道也是鎘進入體內的通道，因為這些金屬離子在化合價、化學性質、物理特性等方面都有一定的相近性。細胞壁中含有負電荷，這些負電荷能通過磁極效應吸引金屬離子大量地聚集在細胞膜外，當金屬離子達到一定的程度，就會推動金屬離子穿過細胞壁進入細胞內部。通常認為，鎘在根部主要積累于質外體，尤其是細胞壁中[21]。細胞對鎘元素的抑制作用主要集中在細胞壁上，當作用時間短、作用濃度低的情況下細胞壁抑制作用尤其明顯。因此，研究鎘的

亞細胞分布，對闡明鎘在煙草中的吸收抑制機制具有重要意義。

該研究結果顯示出煙草亞細胞的鎘含量，加入鈣鋅抑制劑后，細胞壁和胞液之間有變化，葉綠體和線粒體無明顯效果，可能是因為在培養過程中沒有給煙草很適宜的生存環境和條件，或者是試驗條件的限制；因此，煙草耐鎘是否是細胞壁的固定、胞液的區室化作用這2個方面，實際情況仍需進一步試驗證實。

參考文獻

[1]

朱善良，陳龍.鎘毒性損傷及其機制的研究進展[J].生物學教學，2006，31（8）：2-5.

[2] LUGONMOULIN N，ZHANG M，GADANI F，et al.Critical review of the science and options for reducing cadmium in tobacco（Nicotiana tabacum L.）and other plants[J].Advances in agronomy，2004，83：111-180.

[3] MENCH M，TANCOGUE J，GOMEZ A，et al.Cadmium bioavailiability to Nicotiana tabacum L.，Nicotiana rustica L.，and Zea mavs L.grown in soil amended or not amended with cadmium nitrate [J].Biol Fert Soils，1989，8（1）：48-53.

[4] 趙秀蘭，李彥娥.煙草積累與忍耐鎘的品種差異[J].西南大學學報（自然科學版），2007，29（3）：110-114.

[5] 關昕昕，嚴重玲，劉景春，等.鈣對鎘脅迫下小白菜生理特性的影響[J].廈門大學學報（自然科學版），2011，50（1）：132-137.

[6] 汪洪，周衛，林葆.鈣對鎘脅迫下玉米生長及生理特性的影響[J].植物營養與肥料學報，2001，7（1）：78-87.

[7] 詹紹軍，喻華，馮文強，等.不同有機物料與石灰對小麥吸收鎘的影響[J].水土保持學報，2011，25（2）：214-217.

[8] 劉麗莉，馮濤，向言詞，等.外源鈣對鎘脅迫下芥菜型油菜幼苗生長和生理特性的影響[J].農業環境科學學報，2009，28（5）：978-983.

[9] 宋正國，徐明崗，丁永禎，等.共存陽離子（Ca、Zn、K）對土壤鎘有效性的影響[J].農業環境科學學報，2009，28（3）：485-489.

[9] 任繼凱，陳清朗，陳靈芝，等.土壤鎘污染與作物[J].植物生態學與地植物學叢刊，1982，6（2）：131-141.

[10] YE H B，YANG X E，HE B，et al.Response of Sedum alfredii Hance towards Cd/Zn complexpollution and accumulation of the heavy metals[J].Journal of agroenvironment science，2003，22（5）：513-518.

[11] TESTER M.Plant ion channels：Whole cell and single channel studies [J].New phytologist，1990，114（3）：305-340.

[12] 孫光聞，朱祝軍，方學智.小白菜鎘和鈣的亞細胞分布及鈣、鎘互作的研究[J].華北農學報，2010，25（6）：229-232.

[13] 鮑士旦.土壤農化分析[M].3版.北京：中國農業出版社，2013.

安徽農業科學2017年

[14] VGELILANGE R，WAGNER G J.Subcellular localization of cadmium and cadmiumbinding peptides in tobacco leaves：Implication of a transport function for cadmiumbinding peptides[J].Plant physiology，1990，92（4）：1086-1093.

[15] 宋曉慧，陸引罡，何丹，等.煙草對鎘的吸收及鎘在亞細胞中的分布[J].江蘇農業科學，2014，42（5）：116-117.

[16] 陸仲煙，劉仲齊，宋正國，等.大麥中鎘的亞細胞分布和化學形態及PCs合成的基因型差異[J].農業環境科學學報，2013，32（11）：2125-2131.

[17] CHEN G C，LIU Y Q，WANG R M，et al.Cadmium absorption by willow root：The role of cell walls and their subfractions[J].Environ Sci Pollut R，2013，20（8）：5665-5672.

[18] DALCORSO G，FARINATI S，FURINI A.Regulatory networks of cadmium stress in plants[J].Plant Signal Bchav，2010，5（6）：663-667.

[19] 劉清泉，陳正華，沈振國，等.細胞壁在植物重金屬耐性中的作用[J].植物生理學報，2014，50（5）：605-611.

[20] 楊亞洲，張春華，鄭青松，等.堿蓬和濱藜對鎘和鈉吸收、轉運及亞細胞分布特性的比較研究[J].農業環境科學學報，2015，34（4）：619-626.

[21] WJCIK M，VANGRONSVELD J，DHAEN J，et al.Cadmium tolerance in Thlaspi caerulescens： II.Localization of cadmium in Thlaspi caerulescens[J].Environ Exp Bot，2005，53（2）：163-171.