鎘對(duì)植物的毒害及植物解毒機(jī)制研究

王稼田 陳石旭

摘 要：隨著近幾年的科學(xué)研究發(fā)展，科學(xué)研究者就重金屬元素鎘對(duì)植物的毒害及植物解毒機(jī)制的研究是相對(duì)完善。目前主要從光合作用、植物生長(zhǎng)、植物酶活性植物細(xì)胞分裂等方面分析元素鎘的毒害機(jī)制，并從鎘對(duì)植物的危害和植物的解毒機(jī)制進(jìn)行了探討?？刂坪蜏p輕鉻對(duì)植物的毒害，目前已經(jīng)引起了人們的關(guān)注。

關(guān)鍵詞：重金屬元素鎘;植物;毒害;解毒;機(jī)制

引言

鎘元素（Cd）是一種生物毒性很強(qiáng)的金屬，而且同時(shí)也是植物生長(zhǎng)與發(fā)育的非必需元素，但是如果當(dāng)植物體內(nèi)的Cd元素積累到一定的程度時(shí)，就會(huì)表現(xiàn)出各種"得病"的癥狀?；蚋呋虻偷逆k離子濃度都會(huì)影響植物的健康，鎘離子通過(guò)阻礙了細(xì)胞中水分的運(yùn)輸，從而降低葉片中的蒸騰作用，從而導(dǎo)致植株出現(xiàn)"生病"的現(xiàn)象。濃度的鎘離子溶液可引起植物發(fā)生質(zhì)壁分離現(xiàn)象，使的部分植物組織失水，且濃度的高于一定數(shù)值的鎘離子溶液可能會(huì)使植物脫水而亡。目前研究表明，植物的抗鎘離子機(jī)制主要包括以下幾個(gè)方面：抗氧化作用、排外作用、鰲合作用、區(qū)隔化作用等。

一.鎘對(duì)植物生長(zhǎng)的影響

（一）鎘離子對(duì)植物的生長(zhǎng)影響

鎘脅迫對(duì)大部分植物幼苗的生長(zhǎng)具有一個(gè)低濃度下刺激和高濃度下抑制的效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，Cd對(duì)植物生長(zhǎng)的影響主要總結(jié)出"低促高抑"這四個(gè)字。有人針對(duì)玉米幼苗做實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在低濃度的鎘離子溶液處理下，葉綠體的凈光合速率及氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均明顯上升，從某種程度上來(lái)講是促進(jìn)了植株生長(zhǎng)，研究結(jié)果也表明，當(dāng)Cd離子濃度為5～15mg/L左右時(shí)，鎘可以促進(jìn)玉米種子的萌發(fā)，從而提高玉米的發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)，促進(jìn)玉米的幼芽與幼根的生長(zhǎng);當(dāng)Cd離子的濃度高于15mg/L時(shí)，明顯抑制了種子萌發(fā)和幼苗的生長(zhǎng)。另外通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著Cd濃度的增加，玉米葉片光合色素含量呈先正比上升后呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，而丙二醛含量則呈現(xiàn)線性遞增的趨勢(shì)。

（二）鎘在植物幼苗器官的富集程度

研究表明不同植物的不同器官的鎘積累量不同，但是超過(guò)某一個(gè)值之后，總體趨勢(shì)都是隨鎘離子處理濃度的增加而呈升高趨勢(shì)，并且與鎘處理濃度呈正相關(guān)。茶樹(shù)試驗(yàn)結(jié)果表明，鎘離子在植物茶樹(shù)體內(nèi)由高到低的分布器官為：根>莖>葉片>新梢，由結(jié)果可見(jiàn)，鎘離子首先富集在根部，然后從根部向上運(yùn)輸，總之，不同器官的鉻離子濃度不同，危害程度也不同。這也為解毒機(jī)制提供了研究方向。

（三）鎘對(duì)植物的光合作用的影響

光合作用是綠色植物特有的功能，它是在葉綠體內(nèi)進(jìn)行的。重金屬鎘離子對(duì)土壤的污染會(huì)導(dǎo)致金屬在植物的根、莖、芽、葉中大量積累。重金屬鎘離子污染對(duì)植物葉綠體也產(chǎn)生很大影響。重金屬鎘對(duì)植物的傷害往往是通過(guò)破壞葉片內(nèi)葉綠體的結(jié)構(gòu)，從而降低了葉綠素的含量，進(jìn)而抑制了光合作用。但隨著植株的生長(zhǎng)發(fā)育，對(duì)重金屬在某種程度上也產(chǎn)生了一定的抗性。

研究表明經(jīng)過(guò)重金屬處理后，葉綠體中的類囊體薄膜隨著鎘離子濃度增大，其毒害作用也會(huì)加重，會(huì)出現(xiàn)質(zhì)膜破損、質(zhì)壁分離、核膜破損、染色質(zhì)凝膠、核仁消失的現(xiàn)象。一旦葉綠體雙層膜結(jié)構(gòu)遭破壞，就會(huì)造成基粒結(jié)構(gòu)解體。直接影響到光合作用，光合速率下降。

植物解毒機(jī)制的研究

二、植物解毒機(jī)制

不同植物對(duì)重金屬鎘離子的耐性和抗性機(jī)制不同，但就現(xiàn)在而言，大多數(shù)植物可以從根部入手，目前表明，植物的耐鎘機(jī)制主要包括幾個(gè)方面：螯合作用、區(qū)隔化作用、抗氧化作用等。

（一）螯合作用

部分植物通過(guò)鰲合作用進(jìn)行解毒，其機(jī)理是：重金屬鎘離子被吸收到植物體內(nèi)后，便會(huì)與細(xì)胞內(nèi)的PC等物質(zhì)作用構(gòu)成復(fù)雜的復(fù)合物，而后轉(zhuǎn)運(yùn)到液泡中，然后植物通過(guò)區(qū)室化絡(luò)合，這樣就降低了細(xì)胞質(zhì)中有毒的金屬離子的濃度。不同的整合肽物質(zhì)在重金屬解毒機(jī)制中的作用不同。重金屬離子通過(guò)土壤進(jìn)入植物體內(nèi)后，植物體內(nèi)的有機(jī)酸和蛋白質(zhì)等能和重金屬鎘離子發(fā)生鰲合作用，形成穩(wěn)定的鰲合物，從而降低重金屬鎘離子的毒性。重金屬鎘離子通過(guò)細(xì)胞膜時(shí)一般須要在營(yíng)養(yǎng)液中放一些配體螯合，以此來(lái)減少與細(xì)胞復(fù)合物不必要的聯(lián)系。就現(xiàn)代學(xué)說(shuō)，重金屬超積累物種中具有更高的植物螯合肽積累的能力，這也表明了植物整合肽在重金屬解毒、重金屬隔離、重金屬排除等方面起著重要作用。

（二）機(jī)理作用

其機(jī)理作用是將Cd離子限制在某一特定的區(qū)域內(nèi)，通過(guò)細(xì)胞質(zhì)的區(qū)分作用，使鎘離子無(wú)法在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)游動(dòng)，進(jìn)而無(wú)法使鎘離子危害植株。通過(guò)Salt 等人的研究發(fā)現(xiàn)，液泡內(nèi)積累的Cd離子濃度是液泡外濃度的38倍。研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)和液泡對(duì)植物耐Cd離子的作用機(jī)制主要有以下兩點(diǎn)：

1.在植物液泡的內(nèi)部，存在著檸檬酸、草酸、蘋果酸等和氨基酸，能與Cd2+結(jié)合形成各種高分子的復(fù)合物，使Cd離子的毒性降低，并且能在一定的范圍限制其流動(dòng)，這樣就降低了鎘離子對(duì)植物的危害。

2.在鎘脅迫下，它能脅迫細(xì)胞質(zhì)溶液中行成PC3和谷胱甘肽等物質(zhì)，這些物質(zhì)和絡(luò)合Cd離子形成低分子量復(fù)合物，從而限制Cd離子在細(xì)胞質(zhì)特定區(qū)域活動(dòng)。此外，植物龐大的根系分泌物與根際形成的植物-微生物微系統(tǒng)能防御Cd離子等進(jìn)入植物根系，當(dāng)然這與植物種類、分泌物組成及根系表皮的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，然而，不僅是液泡起到了區(qū)隔化作用，細(xì)胞壁在區(qū)隔化作用中也發(fā)揮了很好的作用。就現(xiàn)在科研成果，重金屬超富集植物可使富集的重金屬暫時(shí)儲(chǔ)存于液泡中，被儲(chǔ)存在液泡的鎘離子難以繼續(xù)危害植物，這樣就緩解了重金屬對(duì)細(xì)胞質(zhì)及其他細(xì)胞器的各種生理代謝活動(dòng)的傷害。細(xì)胞器在解除鎘離子的危害中起了至關(guān)重要的作用，首先，細(xì)胞壁的某些物質(zhì)可以直接結(jié)合Cd離子，該反應(yīng)短時(shí)間內(nèi)就可以完成;其次，細(xì)胞壁中的纖維素、果膠質(zhì)和糖蛋白極易形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，一方面限制了Cd離子的流動(dòng)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，另一方面在一定程度上能固定住了Cd離子。

參考文獻(xiàn)

[1]何俊瑜，王陽(yáng)陽(yáng)等，鎘脅迫對(duì)不同水稻品種幼苗根系形態(tài)和生理特性的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境 科學(xué)報(bào)，2009（04）：755-760.

[2]張軍，束文圣.植物對(duì)重金屬鎘的耐受機(jī)制[J].植物生理與分子生物學(xué)學(xué)報(bào)，2016（01）：1-8.

[3]蒲晨新，余淵，孫大江.土壤重金屬污染現(xiàn)狀與植物修復(fù)研究[J].四川環(huán)境.2014（05）：140-145.

（作者單位：山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院）