铜是植物多酚氧化酶、细胞色素氧化酶及抗坏血酸氧化酶等多种酶类的组成成分之一。但铜过量亦会对植物造成毒害作用。一般植物根部最易受到毒害,过量的铜积累于根部导致根尖细胞分裂受抑制,生长受阻,从而影响整个植株的生长。通常表现为根系生长不良,主根生长受抑,根短粗,抑制侧根发生,根毛少或无,总根数减少,常发生褐变。一般植物叶片的正常铜含量为5~30毫克/千克,高于30毫克/千克时则可能引起中毒,但不同植物种类对铜的耐受能力存在显著的差异。一些铜耐受植物,如铜富集植物海洲香薷、铜草等叶片中铜的浓度高达1000毫克/千克。在高浓度铜条件下,根系中铜的浓度会随着外部介质中铜浓度的增加而成比例增加,然而向地上部的转运却受到极大地抑制,根系中高达60%的铜被固定在细胞壁以及细胞壁与细胞膜的间隙中。因此,植物地上部铜的临界毒害浓度不能完全地反应植物对铜的耐受能力。
不同植物铜毒害症状有所不同。禾本科作物铜中毒通常表现为叶子细弱,叶片失绿发黄或紫红乃至枯萎,返青延迟,心叶逐渐扭曲,植株瘦小,分蘖数明显减少,抽穗和成熟期延迟。如水稻铜中毒会使根生长受抑制,根系变粗,根毛少,呈深褐色,影响根系对养分的吸收,从而导致水稻生长发育不良,推迟生育期,谷粒不饱满。小麦铜中毒后叶片细小、普遍失绿,同时形成特征性的狮尾根,株高和分蘖受到抑制。紫云英铜中毒表现为生育迟缓,植株矮小,主根生长不良,原生根呈褐色且粗短,根毛变少,过量铜还会降低紫云英根瘤的数量。黄瓜幼苗遭受铜害时,植株矮小,嫩叶严重失绿,主根不伸展,侧根只停留在瘤状突起状态,整个根系呈褐色。小白菜铜中毒后根生长受抑制,根呈褐色,侧根和根毛少,叶片有灼烧状斑块(见图)。
植物铜毒害机制包括:①对光合系统的破坏。铜胁迫能明显降低植株叶片光合色素含量,破坏内囊体膜结构,抑制光合链中的电子传递,尤其是光系统Ⅱ(PSⅡ),从而降低植物光合作用效率。铜过多会取代叶绿体中的Fe2+、Zn2+、Mg2+,致使叶绿体蛋白中心粒子组成发生变化而失活。②对膜系统的破坏。植物吸收过量铜,会对细胞膜及多种细胞器的膜系统产生伤害。铜与细胞膜蛋白的巯基(—SH)或磷脂分子层的磷脂类物质反应,造成膜蛋白的磷脂结构改变,致使细胞膜透性增大。铜胁迫还会造成细胞超微结构的破坏,尤其是根部表皮细胞、皮层细胞、中柱细胞最容易受到破坏。③影响酶的活性。植物体内过量的铜会影响酶(过氧化物酶、超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、固氮酶等)的活性,尤其是植物体内碳水化合物和氮代谢酶类的活性。铜胁迫会显著降低PEP羧化酶活性,间接阻碍向谷氨酸转化,造成体内
的积累而损伤根部。④对养分吸收的影响。铜会抑制亚硝酸还原酶的活性,从而影响氮吸收利用。过量铜会降低锌、铁、锰的吸收,根部表现尤为明显,这也可以解释根受铜毒害尤为严重的现象。