铝对7种菊科植物抗氧化酶活性的影响

铝毒被认为是酸性土壤或酸化土壤上作物生长最重要的限制因素。植物在正常情况下,体内自由基维持在浓度很低的水平,不会引起伤害,但植物遭受某种环境的胁迫时体内自由基就会增多,当自由基的浓度超过了一定的阀值,则导致蛋白质、核酸、多糖和膜脂分子的氧化破坏 ,从而破坏细胞内的代谢活动。而在作物抗性机理研究中,过氧化物酶( POD) 、过氧化氢酶(CA T) 和超氧化物歧化酶(SOD) 等酶活性的变化已广泛作为指示植物抵御逆境伤害的指标 。
目前,有关铝对植物抗氧化酶活性影响的研究已有很多报道,主要集中在农作物方面,如彭艳等研究了铝胁迫下小麦叶片3 种酶活性在一定范围内随胁迫强度的增加而上升,重度胁迫下会有所下降] ;王保义等研究了铝胁迫下荞麦叶内抗氧化系统,随着铝质量浓度的升高促进了POD 的活性,抑制了CA T 和SOD 的活性 ;刘鹏等研究了铝对大豆幼苗膜脂过氧化和体内保护系统的影响,发现低浓度的铝处理(10 mg/ kg 和100 mg/ kg) 促进大豆CA T活性的增加, 而高浓度的铝处理( 1 000 mg/ kg 和5 000 mg/ kg) ,SOD 和CA T 对铝的反应则相反[8 ] 。另外,有关杂草植物在其他逆境胁迫下抗氧化酶活性的研究报道也较多,如任立民等报道了水蓼、小飞蓬、杠板归和美洲商陆对锰毒的生理响应,筛选出了耐锰性最强的美洲商陆[9 ] 。但以杂草植物作为实验材料来研究不同植物对铝胁迫生理响应和耐铝毒机理的研究较少,目前只有刘鹏等人研究了南方4 种草本植物对铝胁迫的生理响应。
试验以7 种菊科植物苦苣菜( S onchus olera2ceus Linn. ) 、苍耳( X ant hi um sibi ricum Pat rin) 、野塘蒿( Cony z a bonariensis (L. ) Cronq. ) 、小飞蓬〔( Cony z a Canadensis (L . ) Cronq. 〕、野莴苣( L ac2t uca seriol a Torner ) 、台湾翅果菊〔Pterocy psel af ormosana (Maxim. ) Shih〕、旱莲草( Ecl i pt a p ros2t rat a L . ) 为材料,采用小盆钵土培法,通过0 g/ kg、0. 2 g/ kg 两个浓度铝处理来研究各植物不同时间段耐铝的差异,从而筛选出耐铝的物种,以对酸性土壤地区的铝毒污染进行高效、无污染的生物治理提供理论依据。
1 材料与方法
1. 1 材料
采用苦苣菜、苍耳、野塘蒿、小飞蓬、野莴苣、台湾翅果菊和旱莲草7 种菊科植物为供试材料。各种子2006 年8 - 10 月采集于浙江师范大学校园内及附近路旁。
1. 2 试验设计
试验采用小盆钵土培法,每盆装风干土0. 5 kg。将采集的种子播于小盆中,每盆留10～15 株,待幼苗生长1 个月后进行移栽,移栽1 周左右待幼苗成活后进行铝处理。铝以AlCl3 的形式加入,浓度为0. 2 g/ kg ,以自然生长为对照,每个处理3 次重复。处理10 d、20 d 后取样测定叶片过氧化物酶( POD) 、过氧化氢酶(CA T) 、超氧化物歧化酶( SOD) 的活性。
1. 3 酶活性的测定与统计
POD 活性采用愈创木酚法测定 ,用ΔA470/min ·mgPr 表示;CA T 活性采用Na2 S2O3 滴定法测定,以1 min 变化酶解1 mg H2 O2 为一个活力单位,用U/ mgPr 表示; SOD 活性测定采用氮蓝四唑(NB T) 光化还原法。采用NB T 法,以NB T 光化还原被抑制50 %的酶量为一个SOD 酶单位,用U/mgPr 表示。各数值均为3 个重复的平均值,数据的分析统计和图形绘制均采用origin 科技绘图及SPSS 数据分析软件完成。
2 结果与分析
2. 1 铝对7 种菊科植物过氧化物酶活性的影响
过氧化物酶( POD) 是植物保护系统中的重要酶,在植物抗逆境胁迫中有着非常重要的作用,当植物处于逆境时,POD 等保护酶能有效地消除过氧化所产生的活性物质,防御植物细胞膜过氧化,以降低植物受伤害的程度。从图1 看出:自然条件下10 d后,7 种菊科植物POD 活性有差异,野莴苣、台湾翅果菊POD 活性都较小,而苍耳的POD 活性较大;Al 处理后,苦苣菜、苍耳、野塘蒿、小飞蓬、台湾翅果菊、旱莲草POD 活性都较对照显著上升( P < 0. 05) ,其中苍耳、野塘蒿分别增加了115. 35 %、252. 97 %,野莴苣差异不明显。自然条件下20d 后,野莴苣、台湾翅果菊始终保持较小的活性,野塘蒿、旱莲草的POD活性则较大。Al 胁迫后,苦苣菜、苍耳较对照分别上升43. 59 %、198. 61 %,野塘蒿、旱莲草则较对照显著降低( P < 0. 05) ,小飞蓬、野莴苣、台湾翅果菊差异性不显著。从图1 还看出,苍耳在铝处理10 d 和铝处理20 d 后,叶片POD 的活性随Al 处理时间的增加而明显增大,表明Al 处理未对其产生影响,野塘蒿、旱莲草随Al 处理时间的增加呈现较明显的先增大后减小的趋势。
2. 2 铝对7 种菊科植物过氧化氢酶活性的影响
过氧化氢酶(CA T) 与POD 一样,也是植物体内重要的保护酶,对于清除H2 O2 等有害物质发挥着重要的作用。从图2 看出:7 种菊科植物CA T 酶活性有差异,自然条件下10 d 后,旱莲草活性较小,野塘蒿、台湾翅果菊活性较大;Al 胁迫后,苍耳、野塘蒿、野莴苣CA T 活性较对照显著降低( P < 0. 05) ,分别减少35. 12 %、69. 35 %、3. 32 % ,苦苣菜、台湾翅果菊、旱莲草CA T 活性较对照分别上升57. 72 %、30. 89 %、88. 34 %。20 d 后,自然条件下,苦苣菜、苍耳CA T活性相对较小,野莴苣的酶活性相对较大;Al 处理后,苦苣菜,野塘蒿、台湾翅果菊CA T 活性较对照显著升高( P < 0. 05) ,其中以苦苣菜、台湾翅果菊增加较多, 分别为88. 60 %、112. 76 % ,小飞蓬、野莴苣、旱莲草CA T 活性较对照降低,差异性显著( P < 0. 05) ,分别减少14. 87 %、28. 40 %、11. 29 % ,苍耳CA T 活性有增加但差异明显。总体来看,7 种菊科植物CA T 活性随Al 处理时间的增加而增大,以苦苣菜、台湾翅果菊较对照增加显著。




2. 3 铝对7 种菊科植物超氧化物歧化酶(SOD) 活性的影响
SOD 作为一种抗氧化酶,在植物体内普遍存在,其主要生理功能是清除机体中的超氧自由基,从而避免自由基对机体的攻击和伤害。从图3 看出,在自然条件下,10 d 后,小飞蓬SOD 活性较小,旱莲草SOD 活性较大;Al 处理后,苍耳、小飞蓬SOD 活性较对照显著性上升,均增加35. 33 % ,而野塘蒿下降43. 11 % ,其他菊科植物中,苦苣菜、野莴苣较对照酶活性有下降,台湾翅果菊、旱莲草较对照增加,但差异性都不显著。自然条件下,20 d 后,除野塘蒿、野莴苣外,其他菊科植物SOD 活性较10 d 明显增大,其中,旱莲草的SOD 活性明显高于其他种类;Al 处理后,苍耳、野莴苣、旱莲草较对照显著性增加,分别上升59. 95 %、240. 44 %、75. 42 %,其他种类中,苦苣菜、野塘蒿SOD 活性较对照下降,而小飞蓬、台湾翅果菊酶活性有上升,但差异性均不显著。
3 结论与讨论
植物在正常情况下的酶促反应和一些低分子有机物的自动氧化反应,均能产生O-2 、H2 O2 等活性氧物质,但它们很快能被植物体内的SOD、POD、CA T 等保护酶所清除,两者达到平衡,不会对植物产生毒害。但在逆境胁迫条件下,活性氧代谢系统的平衡受到破坏,活性氧增加而清除活性氧的能力下降是导致植物产生伤害的根本原因,植物需要酶促的和非酶促的防御系统来保护其机体,使之免受伤害。有研究表明,Al 胁迫可导致植物体内SOD 活性增大,从而减轻活性氧的伤害,抑制膜脂过氧化产物丙二醛(Malodialdehyde ,MDA) 的积累,保持和修复细胞膜。POD 可把SOD 等产生的H2O2 变成H2 O , 使活性氧维持在较低水平上。CA T 与SOD 偶联,彻底清除体内超氧阴离子O-2 及H2O2等氧自由基。在这些保护酶中,以SOD 最为重要,SOD 活性的下降与植物的衰老呈正相关 。Bowler 等人研究也认为,SOD 处于抵御活性氧伤害的第一道防线[16 ] ,主要清除O-2 ,将其歧化为毒性较小的H2O2 和O2 ,POD 和CA T 则是细胞内H2O2 的重要清除剂,进一步清除H2O2生成无害的O2 和H2O。
1) 试验结果表明, 7 种菊科植物经Al 处理10 d、20 d 后,3 种抗氧化酶活性并不统一表现为增加或者减少,这可能与Al 对菊科植物活性氧代谢系统的破坏程度不同及不同菊科植物对Al 的耐性差异有一定的关系。Al 处理10 d 后,大部分菊科植物的SOD 活性较对照增加不明显,而POD、CA T活性较对照有增加的现象,可能原因是在逆境胁迫下,叶片活性氧物质H2O2的含量高于O-2 ,此推测可由何虎翼[17 ] 等人的研究解释,植物遭受铝毒害时其根最先受到影响,其O-2 产生速率显著高于叶片,积累的O-2 可能被SOD 催化转变为H2 O2 ,再转运到叶片,再则,叶片本身的生长需要一定浓度的H2O2 。因此,Al 胁迫下,叶片中H2O2含量相对O-2 较高。积累的H2O2 诱导了POD、CA T 活性的增加。而由于O-2 含量相对较少,因而SOD 活性不明显,Al 处理20 d 后,7 种菊科植物的SOD 活性较Al 处理10 d 均有显著的增加,说明此时O-2 有较多的积累。
2) 试验结果还表明,苦苣菜在Al 处理10 d 后其POD、CA T 活性均有显著的增加,说明此阶段Al对苦苣菜的毒害作用不明显,相反由于其对铝的耐性较强,在外界胁迫条件下通过适应调节反应增大了POD 和CA T 含量以增强植物清除活性氧的能力,Al 处理20 d 后, POD、CA T 活性仍保持显著性增大,刘正鲁等人研究认为 , POD 和CA T 活保持在较高的水平,将H2O2分解成水以减少O-2 和H2O2通过Haber2Weiss 反应生成毒性更强的2OH而损伤细胞,这可能是植物在逆境胁迫下的一种自我保护。其SOD 活性虽与对照相差不明显,但始保持较高的活性,由此可判断,该种植物具有较强的耐Al 特性。
Al 处理后,苍耳的POD 活性增加最多,台湾翅果菊CA T 活性上升最为明显, 可能原因是由于SOD 的增加产生较多的H2O2, H2O2又诱导CA T和POD 的增加降低了活性氧对质膜的损害,但由于苍耳的CA T 活性在Al 处理10 d 后显著性降低,说明其对Al 胁迫较为敏感,台湾翅果菊的POD 活性非常小,这对清除植物体内有害物质不利,野莴苣旱莲草在Al 处理20 d 后, SOD 活性显著上升,而CA T 活性却下降,可能原因是Al 胁迫下H2O2 的积累和部分酶失活导致。
3) 本试验对3 种抗氧化酶活性测定结果表明,逆境条件下,这3 种酶通过协调作用能有效清除O-2 、H2O2 、OH- 等自由基,防御膜质过氧化,维持植物体内活性氧自由基的平衡,使植物细胞膜免受伤害。应小芳[19 ] 研究表明,在铝胁迫下,大豆POD、CA T、SOD 活性均有所上升,但铝浓度过高时,酶活性反而下降,从而对植物造成伤害。本试验表明,铝胁迫下,菊科植物苦苣菜具有较强的耐铝性。对于其他有些植物Al 处理后上升,而有些下降,这可能是植物对Al 胁迫的一种响应,通过调节酶活性使之机体免受伤害。