重金属

重金属对植物光合作用的影响研究进展高等植物的光合作用经常受到各种不利环境因素的影响，重金属污染就是其中的因素之一。重金属离子以各种途径和不同形式释放于环境[1]，它们作为一种逆境因子胁迫植物的各种生理过程，使植物的生长受到抑制。光合作用对重金属离子的作用较为敏感[2]，重金属胁迫使植物的光合速率下降，这已为众多实验所证明[3-7]，光合降低应与植物种类和发育时期以及重金属的种类密切相关，且与胁迫程度呈正相关。重金属离子对光合作用的毒害机理也已逐渐被深入探讨，目前的研究主要体现在以下几个方面：一、重金属离子对叶绿素含量和叶绿体结构的影响（1）叶绿素含量的变化重金属离子Cd2+、Pb2+、Hg2+、Cr6+、Ni2+、Cu2+、Zn2+等均可使高植物的叶绿素含量明显降低[8-13]。有报道认为Cd在低浓度短期内对叶绿素合成有刺激作用，而超过一定浓度后才对叶绿素起破坏作用[10]。重金属导致叶绿素含量降低可能是引起光合速率下降的原因之一，但叶绿素含量的降低程度通常小于光合速率的降低[9-14]。还有研究表明，Cd对叶绿素合成的抑制早于对光合作用功能的抑制。叶绿素a和b受金属离子的影响程度往往不同，孙赛初等提出Cd对水生维管植物的叶绿素a和叶绿素b的影响中叶绿素a下降幅度更大[15]；陈国祥等通过用Hg2+、Cd2+分别处理莼菜科芽冬茎叶，任安芝等用Cr、Cd、Pd处理青菜叶片测定叶绿素含量和a/b比值也支持了上述观点[16，17]；但也有人报道Cd污染后的番茄叶绿素a/b值随处理浓度增大而增大，表明Cd对叶绿素b的影响比叶绿素a大[18]。重金属处理使叶绿素含量变化的原因有下述几种看法：重金属离子直接干扰了叶绿素的生物合成；在大麦幼苗中，Cd2+抑制了原叶素酸酯还原酶的活性[12]；另一个原因是由于重金属离子引起了叶绿素酶活性的升高，使叶绿素降解加快[19]；此外，重金属如Hg、Cu、Cd、Ni、Zn、Pd等可以替代叶绿素的中心镁原子，从而导致光合作用的破坏，也是其中的重要机制之一，并且可以用荧光显微镜观察、叶绿体吸收光谱、荧光动力学等方法进行原位检测，为重金属的毒性研究提供了很大方便；有人用荧光动力学的检测方法发现在高光强下，重金属替代Mg原子的反应可能专一性的发生在PSII反应中心[20]。（2）叶绿体结构的变化叶绿体是高等植物的光合器官，外由双层的叶绿体被膜所包围，内由片层系统或扁平的类囊体所组成。有的类囊体垛叠在一起，称为基粒类囊体，由膜系统排列较松弛的间质类囊体所联结；基粒结构对光合作用的正常进行是必不可少的[21]。重金属离子可导致叶绿体超微结构的改变，用10цmol/LCd2+和Hg2+分别对菱处理后第八天，电子显微镜下可观察到叶绿体膨胀变形，基粒类囊体片层松散解体，叶绿体双层膜断裂，膜系统损伤[22]。此处，Cu2+Pb2+Cr2+Zn2+等重金属离子均能对叶绿体结构造成不同程度的破坏，出现叶绿体收缩或类囊体膨胀、基粒垛叠结构解体、基质减少，质体小球大量增多等现象[23，24]。彭鸣等以玉米为材料，研究Cd以高等植物细胞超微结构的影响，提出Cd对叶绿体的破坏与Cd沉积在类囊体上，并与膜上蛋白体结合进而破坏酶系统和阻碍叶绿体合成有关[25]。有关实验表明，在处理介质中提高Mn2+浓度，叶绿体结构可部分恢复，基粒重新垛叠。若在培养介质中长期加入Mn2+，则可使被Cd2+抑制的以水为电子供体的光合活性全部恢复。而在Cd2+处理的离体叶绿体中，Mn2+只能使被抑制的光系统II活性部分恢复[19]。这暗示Cd2+对叶绿体结构的影响与锰有关。二、重金属离子对植物类囊体膜结构和功能的影响（1）对类囊体膜分子结构的影响重金属离子对类囊体膜分子的结构的影响被认为与以下三方面有关：膜脂、膜蛋白、脂一蛋白的相互作用。Balazs和Gabor等[26]用FTIR和ESR的手段检测，认为重金属对类囊体膜的毒害效应具有元素专一性；Cu、Pb、Zn的作用能够改变膜脂的流动性和膜蛋白的空间结构，并使膜蛋白复合物解离，改度其热变性特征；而Cd、Ni则几乎无影响。Hg2+抑制绿藻光合作用的效应在照光一段时间后可以恢复，表明Hg2+的作用与PSII反应中心DI蛋白的代谢有关[27]。Cd2+对DI蛋白的代谢也有影响[28]。用SDS——PAGE进行实验表明，一些重金属离子如Hg2+Cd2+Cu2+处理影响了类囊体膜的多肽组成[16，29，30]。Cd2+处理使LHCII部分解聚成单体且总量减少，不利于激发能向PSII分配[29]，而Zn2+的影响则与膜蛋白结构无关[30]。（2）对类囊体膜电子传递活性的抑制作用重金属离子Hg2+、Zn2+、Cd2+、Pb2+、Cu2+等对叶绿体光合电子传递均有抑制作用。一般来讲，光系统II的活性对重金属离子更为敏感[2]。Miles和Li[31]以菠菜和番茄为材料，分别用Pb2+和Cd2+处理离体叶绿体，测定了光合电子传递活性、Hill反应活性以及叶绿素a荧光，发现光系统II的活性受到严重抑制，而在相同处理浓度下，光系统I的活性不受影响。在许多实验中都得到了与之相同的结果，表明光系统II电子传递对重金属离子有着普遍的敏感性[19]。对于重金属离子在光系统II的抑制部位和作用机理，一般借助于加入人工电子供体如DPC、NH2OH和MnCl2或抑制剂的方法来研究。Bazzaz和Govindjee[32]用Cd2+处理离体叶绿体,加入PSII氧化侧电子供体DPC,使Cd2+抑制的PSII活性恢复至对照水平，认为Cd2+作用于PSI氧化侧。VanDuijvendijk—Matteoli等以Cd2+处理菠菜离体叶绿体，叶绿素a可变荧光降低，加入NH2OH和外源Mn后，被抑制的PSII活性部分恢复，因此推测Cd2+直接作用于水裂解酶本身。Tripathy和Mohanty用同样方法推测Zn抑制光合电子传递的部位位于PSII氧化侧的羟胺和DPC电子供给部位之前[19]。至于重金属离子抑制PSII电子传递的机理，目前主要有以下三种观点：（1）重金属离子抑制了水氧化功能从而引起正电荷在水氧化系统水平上的积累，由此导致了围绕PSII的循环电子流动，使放氧能力丧失[19]。（2）破坏了叶绿素蛋白复合物，引起LHCH的解聚和总量减少，而LHCII在光能吸收、传递及激发能在光系统间的分配和调节方面起着十分重要的作用，重金属离子的作用导致激发能在两光系统间不能均衡分配，从而使光合作用法能正常进行[29]。（3）可能损伤了某些参与光合电子传递的膜蛋白[30]。三、重金属离子对光合碳同化酶活性的影响关于重金属离子对PCR循环（卡尔文循环）中关键酶的影响目前研究的相对较少。Sheoran等以CajanuscajanL.为材料，研究了Cd2+和Ni2+在植物不同生长时期对光合作用和RuBP羟化酶、3—PGA激酶、NADP和NAD—3—磷酸甘油醛脱氢酶、醛缩酶、FBPase等酶活性的影响。在幼苗期，0.5mmol/L和1mmol/LCd2+和Ni2+分别使光合率降低50%和30%，对不同酶活性的抑制程度不等（2%——61%），RuBP羧化酶对离子的作用较为敏感，Ni2+对3——PGA激酶的影响最小。在植物生长晚期，Cd2+、Ni2+浓度增加至10mmol/L时才表现抑制作用，10mmol/LCd2+使光合率降低86%，只使酶活性降低约40%；10mmol/LNi2+使光合速率降低65%，而对酶活性则几乎无影响；表明重金属使酶活性的降低不是导致光合速率降低的直接原因[33]。Weigel的实验也表明莴苣叶肉原生质体的羧化反应对Cd2+作用不敏感[34]。Eicchan和Page等曾提出过不同的观点，认为重金属对光合作用的毒性机理主要是由于结合了酶导致酶催化功能的改变，使酶系统受损[35，36]。但更多的研究表明重金属离子对光合作用中酶的影响较小，而光合速率的下降可能是由叶绿素浓度和气孔导度的降低间接引起的，但二者也都并非解释光合作用被抑制的唯一原因[33]。电子传递系统似乎是重金属Cd2+、Ni2+等作用最敏感的部位，这在整体植物和离体叶绿体中都有证明[32，33]。土壤重金属污染对植物生长的影响作者：中国农业技术网编辑重金属对植物生长发育的影响研究主要涉及重金属汞、镉、铅、铬、锌、铜、钴、镍和类金属砷等生物毒性明显的重金属对植物生长发育的影响;对于植物而言,主要研究重金属对植物的出芽率、生长速率、产量等生长参数影响的浓度和时间效应重金属指密度在4.0以上的60种元素或密度在5.0以上的45种元素。随着矿产资源的大量开发,农药、化肥的广泛使用以及城市污泥、污水的农用,重金属对土壤、水体的污染越来越严重。环境污染将引起土壤中某些重金属离子增加,当土壤中重金属离子含量超过其对重金属离子的自净作用时,将对植物代谢和生长发育产生影响。环境污染方面的重金属实际上是指汞(Hg)、镉(Cd)、铅(Pb)、铬(Cr)和类金属砷(As)等生物毒性明显的重金属,也指锌(Zn)、铜(Cu)、钴(Co)、镍(Ni)等有一定毒性的一般重金属。据前人研究表明,重金属对植物影响研究包含以下几方面:重金属对植物的生长发育存在浓度和时间效应的影响;植物对重金属的吸收和重金属在植物体内的分布以及植物农产品质量;重金属对植物各种生理生化指标的影响;重金属对植物超微结构的毒害;重金属对植物形态、生殖、繁衍的影响。该研究综述前人研究成果,了解重金属对植物各方面的影响,探讨未研究或未完全研究的领域,为植物生长提供更有利的环境。1、镉(Cd)对植物生长的影响Cd是危害植物生长发育的有害元素,土壤中过量Cd会对植物生长发育产生明显的危害。有研究表明,Cd胁迫时会破坏叶片的叶绿素结构,降低叶绿素含量,使叶片发黄,严重时几乎所有叶片都出现褪绿现象,叶脉组织成酱紫色、变脆、萎缩、叶绿素严重缺乏,表现为缺铁症状。何振立、吴燕玉等指出叶片受伤害时植物生长缓慢,植株矮小,根系受到抑制,造成生长障碍,产量降低,Cd浓度过高时植株死亡。土壤中Cd胁迫对植物代谢的影响更加显著,胁迫引起植物体内活性氧自由基剧增,超出了活性氧清除酶的岐化-清除能力时,使根系代谢酶活性降低,严重影响根系活力。随胁迫时间的延长,SOD活性受到影响而急剧下降,从而使其他代谢酶活性也受到影响,最终使植株死亡。叶片中叶绿素成为自由基攻击的靶分子,造成叶绿素结构破坏,叶片失绿严重,使叶片枯萎。2、铅(Pb)对植物生长发的影响Pb并不是植物生长发育的必需元素,当Pb被动进入植物根、皮或叶片后,积累在根、茎和叶片,影响植物的生长发育,使植物受害。Pb对植物根系生长的影响是显著的,Pb能减少根细胞的有丝分裂速度,这也是造成植物生长缓慢的原因。Pb毒害草坪植物主要的中毒症状为根量减少,根冠膨大变黑、腐烂,植物地上部分生物量随后下降,叶片失绿明显,严重时逐渐枯萎,植株死亡。Pb的积累也直接影响细胞的代谢作用,其效应也是引起活性氧代谢酶系统的破坏作用。高浓度Pb还使种子萌发率和胚根长度、上胚轴长度降低,甚至出现胚根组织坏死。3、汞(Hg)对植物生长的影响重金属Hg是植物生长和发育的非必需元素,是对植物具有显著毒性的污染物质。Hg2+不仅能与酶活性中心或蛋白质中的巯基结合,而且还能取代金属蛋白中的必需元素(Ca2+、Mg2+、Zn2+、Fe2+),导致生物大分子构像改变,酶活性丧失、必需元素缺乏,干扰细胞的正常代谢过程。Hg2+能干扰物质在细胞中的运输过程。Hg2+胁迫还与其他形式的氧化胁迫相似,能导致大量的活性氧自由基产生,自由基能损伤主要的生物大分子(如蛋白质、DNA等),引起膜脂过氧化。Hg2+达到一定浓度时会抑制植物种子萌发。4、铬(Cr)对植物生长的影响微量元素Cr是植物生长发育所必需的,缺乏Cr元素会影响植物的正常发育,但体内积累过量又会引起毒害作用。研究表明,当土壤中的Cr3+浓度为20×10-6～40×10-6g/kg时,对玉米苗生长有明显的刺激作用;但达到320×10-6g/kg时,则对玉米生长有抑制作用;Cr6+浓度为20×10-6g/