硫酸銅對燕麥根尖細胞毒害研究

蘇佳欣 高汝勇 馬彥榮 孫如月 董 瑜 呂亞慈

（衡水學院生命科學系 河北 衡水 053000）

銅是植物生長發(fā)育必需的微量元素，是細胞色素氧化酶、多酚氧化酶以及抗壞血酸氧化酶等多種酶類的組成成分之一，同時銅元素也是各種氧化酶活性的核心元素[1]；但過量的銅會影響植物的生長，土壤中含過量銅會對植物新根生長造成抑制，使根尖硬化，吸收能力減弱，植株生長也會受到影響[2]。

燕麥俗稱油麥、玉麥，是一種低糖、高蛋白質、高脂肪、高能量食品，其營養(yǎng)成分含量高，質量優(yōu)。我國對燕麥的需求量較大，目前對燕麥的研究尚屬起步階段，大部分是針對其生物學特性與栽培、加工工藝等進行的研究，針對重金屬對燕麥的毒害研究還未見報道。因此，開展重金屬脅迫對燕麥遺傳毒性的研究很有必要。本試驗探究不同濃度的銅對燕麥植物根尖細胞造成的影響，從細胞的水平分析硫酸銅對燕麥根尖細胞染色體畸變、微核率、有絲分裂的影響。

1 材料與方法

1.1 供試材料。燕麥材料：白燕2號(由張家口市農科院提供)；硫酸銅(天津市大茂化學試劑廠)，用蒸餾水分別配制0 mg/L、50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L、400 mg/L、800 mg/L等不同濃度的硫酸銅溶液。

1.2 試驗方法

1.2.1 種子萌發(fā)。將白燕2號種子洗干凈，用0.1%氯化汞消毒10～15 min，浸泡2～24 h，放入白瓷盤中，置于烘箱中25℃培養(yǎng)生根。

1.2.2 試驗處理。待種子初生根長到1～2 cm時，挑選飽滿、生命力旺盛的種子，分別放入濃度為50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L、400 mg/L、800 mg/L的硫酸銅中，并分別處理6 h、12 h、24 h、48 h，以蒸餾水作對照。選擇燕麥種子生命力較旺盛的幼根，將根尖剪下來放入卡諾氏固定液中(V無水乙醇∶V冰醋酸=3∶1)固定2～24 h，用70%的乙醇保存。試驗時用1 mol/L的鹽酸水解5～10 min。改良品紅室溫下染色15 min，常規(guī)壓片、鏡檢，并統計數據，每個處理觀察10～15個根尖(隨機選擇)，至少5 000～6 000個細胞，典型圖像用顯微攝像系統進行拍照。

1.3 數據處理及評價方法

1.3.1 指標計算。細胞分裂指數=(分裂細胞數/觀察細胞總數)×100%；微核率=(出現微核的細胞數/間期細胞總數)×100‰；染色體畸變率=(畸變細胞數/分裂期細胞總數)×100%。

1.3.2 統計分析。用SPSS(spss for windows)軟件對數據進行統計分析，并進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 硫酸銅處理對燕麥根尖分生區(qū)細胞有絲分裂指數的影響。如表1所示，本試驗中設置5個不同濃度的硫酸銅，并且每個濃度又分不同時間處理燕麥根尖，結果顯示，各處理燕麥根尖的分裂指數均高于對照。燕麥根尖有絲分裂指數隨著硫酸銅濃度的升高和時間的延長受到抑制，且與對照相比有差異(表1)。隨著硫酸銅濃度的增大，燕麥根尖細胞的有絲分裂指數呈現先上升后下降的趨勢。同一濃度隨著處理時間延長，除800 mg/L外，有絲分裂指數呈上升趨勢。

表1 硫酸銅處理對燕麥根尖分生區(qū)細胞有絲分裂指數的影響 (%)

2.2 硫酸銅處理對燕麥根尖微核千分率的影響。由表2可知，不同濃度的硫酸銅對燕麥根尖細胞微核有顯著的影響。試驗組與對照組相比，微核畸變率有顯著的差異，當硫酸銅濃度是400 mg/L時，染色體微核率隨時間的延長呈現極度上升的趨勢。同一處理時間，細胞的微核千分率隨著硫酸銅濃度的增加呈現上升的趨勢。在硫酸銅濃度達到400 mg/L時，微核率千分率最大。濃度在400 mg/L以內時，微核千分率隨時間的延長呈現上升趨勢。當濃度達到800 mg/L，48 h時，微核千分率隨時間的延長呈下降的趨勢。

表2 硫酸銅處理對燕麥根尖細胞微核千分率的影響(‰)

2.3 硫酸銅處理對燕麥根尖分生區(qū)細胞畸變率的影響。不同濃度的硫酸銅均可導致多種類型的染色體畸變，常見的染色體畸變類型有染色體橋、染色體粘連、染色體滯后、染色體不同步、染色體蓬松、染色體不均等分裂。由表3可以看出，相同時間內染色體畸變率隨硫酸銅濃度的升高而呈現逐步升高的趨勢；在同一濃度時，隨時間的延長染色體畸變率升高。當硫酸銅濃度達到800 mg/L時，染色體畸變率急劇升高，且遠遠高于其他濃度的畸變率。

表3 硫酸銅處理對燕麥根尖細胞染色體畸變率的影響(%)

3 結論與討論

植物從土壤中吸收的銅主要聚集在根部。銅污染對植物根系有直接的毒害作用，導致植物根系新陳代謝過程紊亂[3]。對于植物來說，有絲分裂最旺盛的是根尖部位，也是植物對土壤中營養(yǎng)元素及重金屬污染受害最敏感區(qū)域。研究表明，植物銅中毒的主要癥狀為抑制種子的萌發(fā)，根系變短，外形畸變等[4]。本試驗的研究結果也表明了高濃度硫酸銅對植物生長有抑制作用。倪才英[5]在研究土壤銅污染對紫云英的毒害時發(fā)現，當外界銅超過植物所承受的濃度時，紫云英根尖扭曲腐爛，導致細胞質壁分離，原生質被破壞，本試驗結果和倪才英的研究結果是一致的。

本試驗結果表明，重金屬銅脅迫對燕麥根尖細胞的分裂指數、微核數、分裂期細胞的染色體畸變率存在著顯著影響。燕麥根尖隨著硫酸銅處理濃度的升高和時間的延長，微核率、染色體畸變率呈上升趨勢。當濃度達到200～400 mg/L時，銅元素對燕麥根尖細胞分裂是有促進作用的，當濃度達到800 mg/L時，燕麥根尖表現出有絲分裂指數、微核率降低。過量的銅對燕麥根尖的有絲分裂毒害超過了植物的自身保護作用，使細胞中酶的活性降低，導致DNA合成速率減慢，分裂間期延長。高濃度的硫酸銅有誘發(fā)染色體畸變的作用，因為較高濃度的硫酸銅不僅對細胞的畸變有影響，而且能阻止細胞紡錘絲的微管蛋白聚合。

通過對不同濃度銅離子對燕麥根尖染色體的毒害作用進行研究，了解了重金屬銅脅迫對植物遺傳毒性的影響。但是針對銅離子對分裂間期蛋白質的合成，與復制、轉錄、染色體運動有關的蛋白質和酶的關系，還有待于進一步探究。