环境污染条件下植物细胞结构和功能的响应机制研究

2010-7-09 00:00 来源: 华南植物园
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  环境污染下土壤、水体和空气质量的恶化,已经引起了植物的衰亡和地球生物多样性下降。植物对污染胁迫的响应策略和受伤害程度会因植物种类而异,但迄今对其机制仍未充分了解。为此,中科院华南植物园植被与景观生态学研究组刘楠博士在林植芳研究员的指导下开展了亚热带森林植物对大气污染(以SO2为例)和重金属污染(以铅和镉为例)的响应研究。

  研究发现,SO2进入植物体内产生的亚硫酸氢根,对森林植物的叶绿体结构和功能产生了明显的破坏作用,但破坏程度因不同森林植物而异。其中,亚热带森林演替早期树种马尾松(Pinus massoniana)对亚硫酸氢根的反应最为敏感,亚硫酸氢根造成了其叶绿体的膨胀和类囊体片层垛叠结构的混乱。在亚硫酸氢根作用下,马尾松光合机构的变化直接导致了光系统II相对电子传递速率和实际光化学效率下降,进而阻碍了光合作用进程,导致植物个体的衰败。相反,亚热带森林演替中后期树种荷木(Schima superba)和肖蒲桃(Acmena acuminatissima)的叶绿体结构和功能在亚硫酸氢根作用下的受害程度不如马尾松。因此,推测SO2污染可能会在一定程度上加速亚热带森林演替进程。

  另外,在对林下多年生草本植物海芋(Alocasia macrorriza)的研究发现,随着铅离子和镉离子处理浓度的升高,海芋叶片细胞内活性氧大量形成,细胞死亡率升高。通过显微镜观察经铅离子和镉离子处理后出现的活性氧特异染色部位,发现超氧自由基的产生位点主要是表皮细胞的质膜和气孔保卫细胞的叶绿体,而过氧化氢则主要定位于表皮细胞的质膜上。在高浓度的铅离子作用下,海芋光系统II的光化学效率降幅比在镉离子作用下小,且非光化学荧光耗散持续增大。这表明与镉离子相比,铅离子对叶片细胞活性和光系统II功能的伤害更小。研究推测,海芋具有抵御铅胁迫的能力和潜在的铅富集能力。

  相关研究有助于人们认识亚热带森林植物对环境污染的敏感性差异,了解大气、水体和土壤污染对森林结构和林下植物多样性的潜在影响。研究成果发表在Ecotoxicology、Ecotoxicology and Environmental Safety等国际学术期刊上。

亚硫酸氢根对马尾松叶绿体结构的破坏情况(1,对照;2,亚硫酸氢根处理)


重金属处理下海芋细胞内活性氧的产生(A、B,超氧自由基定位;C、D,过氧化氢定位)