全 文 ：凤仙花生物量及抗氧化酶系统对重金属铅胁迫的生理响应
杨小琴1 , 赵运林2 , 孙玉珍1　(1.湖南农业大学生物科学技术学院 ,湖南长沙 410128;2.湖南城市学院 ,湖南益阳 413000)
摘要　[目的]探讨凤仙花在铅胁迫下生物量及其抗氧化酶系统的变化。[方法] 采用盆栽试验 ,对凤仙花在不同浓度 Pb(250、500、750、
1 000、1 500 mg/kg)胁迫下的生物量及不同时期抗氧化酶系统的变化进行了研究。[结果] 随着 Pb离子浓度的增高 ,凤仙花的生物量先
升高后下降 , 1 500 mg/kg处理组中凤仙花茎叶生物量由对照的 2.21 g下降到 2.07 g ,是对照的 93.67%;根的生物量由对照的 0.54 g下降
到 0.45 g ,是对照的 83.33%。3种抗氧化酶表现出同样的变化趋势 , 低浓度的 Pb 促进其含量增加 ,高浓度的 Pb使其含量逐渐下降 ,
SOD和 POD含量的下降程度和持续时间与铅胁迫程度有关 ,而铅胁迫时间对CAT 的活性没有明显影响。[结论] 高浓度的 Pb对凤仙花
的生长发育产生了严重伤害。
关键词　凤仙花;Pb胁迫;生物量;抗氧化酶系统
中图分类号　S681.9　　文献标识码　A　　文章编号　0517-6611(2008)09-03526-03
Study on the Physiological Response of the Biomass and Antioxidant Enzyme System of Impatiens balsamina L.to Heavy Metal Pb Stress
YANG Xiao-qin et al　(College of biological Science and Technology , Hunan Agricultural University , Changsha , Hunan 410128)
Abstract 　[Objective] The research aimed to discuss the biomass of Impatiensbalsamina L.and the changes of its antioxidant enzyme system underPb
stress.[Method] In pot experiment , the biomass of I.balsamina under Pb stress with different concentrations of 250 , 500 , 750 , 1 000 and 1 500 mg/kg
and the changes of antioxidant enzyme system in different periods were studied.[ Result] With the concentration increasing of Pb ion , the biomass of I.
balsamina was first increased and then decreased.The biomass of stem and leaf in I.balsamina in the treatment of 1 500 mg/kg was decreased from
2.21 g(CK)to 2.07 g , whichwas 93.67%of CK.The root biomass was decreased from 0.54 g(CK)to 0.45 g , which was 83.33% of CK.Three kinds
of antioxidant enzymes showed the same change trend.Pb at low concn.promoted the increase of their content , while Pb at high concn.made their content
gradually decreased.The decreasing degree and duration of SOD content and POD content were related with the degree of Pb stress.But the time underPb
stress had no obvious effect on CAT activity.[ Conclusion] High concn.of Pb caused serious damages to the growth and development of I.balsamina.
Key words 　Impatiens balsamina L.;Pb stress;Biomass;Antioxidant enzyme system
作者简介　杨小琴(1982-),女 , 陕西榆林人 ,硕士研究生 ,研究方向:
植物生态学。
收稿日期　2007-11-29
　　铅是最常见的重金属污染物[ 1-2] ,人类活动如采矿 、冶
炼 、化石燃料燃烧以及近代大量电子垃圾的丢弃 ,导致环境
铅污染越来越严重。来自污染源的铅通过各种途径进入环
境对土壤和水源造成一定程度的污染 。这些重金属经过食
物链最终可能会进入人体 ,并在人体内积累 ,对人类健康造
成危害。治理重金属污染是一件相对困难和代价高昂的工
作 ,传统的物理化学方法费用高 、难度大 ,且化学方法又可导
致二次污染 。植物修复以其过程简单 、成本低廉和不存在安
全隐患等特点受到了人们越来越多的关注 ,成为目前重金属
污染修复的热点[ 3-4] 。但目前发现的自然生长的超富集植
物因生长慢 、生物量小 ,其应用受到极大的限制 。
植物种类繁多 ,野生花卉资源丰富 ,用途广泛 ,但开发利
用情况与丰富的植物资源极不相称 ,对花卉植物用于重金属
污染修复的研究报道很少。笔者选用凤仙花科生长较快 、生
物量大的凤仙花 ,研究其在铅胁迫下生物量及抗氧化酶系统
的变化 ,以筛选对铅更具耐性与富集的植物 ,作为铅对环境
污染的修复材料。
1　材料与方法
1.1　供试材料　供试土壤采自湖南农业大学教学实习基
地 ,为红壤性水稻土(pH 值 5.5 、有机质 21.26 g/kg 、CEC8.64
cmol/kg 、铅背景含量 18.35 mg/kg)。供试植物为凤仙花(Im-
patiens balsamina L.),其种子购于红星花卉大市场 ,重金属填
加形式Pb(NO3)2为分析纯试剂 。
1.2　盆栽试验　供试土壤经自然风干 、捣碎 、剔除杂物后过
2 mm筛 ,同时测定基本理化性质及重金属含量背景值 ,以溶
液态加入分析纯 Pb(NO3)2 ,配成铅离子含量为 0(CK)、250、
500 、750、1000 、1 500mg/kg的土壤机制 ,同时加入花卉复合肥
0.10 kg/kg ,喷施清水充分混匀后平衡一周 ,作为模拟不同浓
度的重金属污染土壤。每盆中移栽长势一致的幼苗 3株 ,保
持 70%的田间持水量 ,每隔 20 d取植株相同部位茎叶测定各
项生理生化指标 ,共测 3 次 , 60 d 后收获植株 ,测量株高 ,根
系和茎叶 ,在 105 ℃下杀青 0.5 h , 70 ℃烘干至恒重 ,称量地
上部和地下部干重。
1.3　分析与测定方法　SOD(超氧化物歧化酶)的测定采用
氮蓝四唑(NBT)法[ 5] ,POD(过氧化物酶)的测定采用愈创木
酚法[ 6] , CAT(过氧化氢酶)的测定采用高锰酸钾滴定法[ 7] 。
试验结果取 3次测定平均值 ,采用Microsoft Excel进行相关性
检验和DPS中文数据统计软件进行方差分析和多重比较。
2　结果与分析
2.1　铅胁迫对凤仙花生物量的影响　从图 1可知 ,不同浓
度的铅对凤仙花根和茎叶生物量的影响趋势基本是相同的 ,
低浓度铅对凤仙花根以及茎叶的生长有一定的促进作用 ,使
其生物量增大 ,但在浓度达到 1 000、1 500 mg/kg时便开始下
降 ,这与其他相关的研究结果一致 。1 500 mg/kg处理组中凤
仙花茎叶的生物量由对照的 2.21 g下降到 2.07 g ,是对照的
93.67%;其根的生物量由对照的 0.54 g下降到 0.45 g ,是对
照的 83.33%。在实验观察中发现 ,低浓度铅胁迫处理下 ,凤
仙花根系中主根长度没有明显增加 ,但须根数量增加很多 ,
密密麻麻分布于主根上 ,长度都很短 ,数量庞大 ,这可能是根
生物量增加的原因;而高浓度铅胁迫处理下 ,凤仙花的根生
长细弱 ,数量减少 ,生物量下降 ,说明高浓度的铅对凤仙花的
生长发育产生了严重的伤害 ,也说明凤仙花对铅的耐性极限
在 1 500 mg/kg以上 。
2.2　铅胁迫对凤仙花抗氧化酶系统的生理响应
2.2.1　凤仙花 SOD酶对铅污染的响应。由图 2可见 ,在铅
胁迫处理后的 20 d内 ,各处理梯度的凤仙花叶中SOD活性均
安徽农业科学 , Journal of Anhui Agri.Sci.2008 , 36(9):3526-3528　　　　　　　　　　　　　　　　　　　责任编辑　李玮　责任校对　李玮
图1　不同浓度铅胁迫处理对凤仙花生物量的影响
Fig.1　Effects of different Pb2+ concentration on biomass of Impa-
tiens balsamina L.
高于CK ,在 250、500、750mg/kg处理中 ,SOD活性随着铅胁迫
程度的增高而增大 ,而 1 000 、1 500 mg/kg处理中的 SOD活性
并没有继续增大 ,只是和 750mg/kg处理相近 ,在受到铅胁迫
处理 60 d时甚至低于处理 750 mg/kg的水平 ,说明高浓度的
铅胁迫使凤仙花叶中超氧自由基数量大增 ,过量的超氧自由
基使 SOD活性受到抑制 。
图 2　铅胁迫对凤仙花叶中 SOD活性的影响
Fig.2　Effects of Pb2+ stress on SOD activity in leaves of Impatiens
balsamina L.
铅胁迫后的不同时间内 ,凤仙花叶中 SOD活性存在一个
短时间内迅速升高后又逐渐回落 ,然后在缓慢升高的过程。
250和 500mg/kg处理中的 SOD活性在胁迫后的 40 d达最低
点 ,活性值略低于CK ,从第 41 d 到实验结束 , SOD活性值都
维持在略高于 CK的水平。1 000 mg/kg处理组中的 SOD活
性在铅胁迫后 40 d内一直维持在最高水平 ,在第 60天又开
始下降 ,但明显高于CK ,这是 SOD酶系统功能失调的表现。
1 500 mg/kg处理中的 SOD活性在整个实验过程中处于或低
或高的状态 ,但一直低于 1 000 mg/kg处理 ,说明在这个程度
的铅胁迫下 , SOD酶系统的功能已经紊乱 ,无法维持细胞中
活性氧的平衡。从凤仙花生长状况来看 ,1 000 mg/kg铅胁迫
50 d后 ,1 500 mg/kg铅胁迫 30 d后 ,凤仙花叶片出现萎蔫现
象 ,说明过量活性氧积累对细胞的膜结构和功能产生严重的
破坏 ,影响了根的吸收功能。
2.2.2　凤仙花 POD酶对铅污染的响应。由图 3可见 ,从浓度
效应来看 ,铅对凤仙花叶中POD活性存在低浓度下的刺激作
用和高浓度下的抑制作用;从时间效应来看 ,则存在短期内(1
～20 d)的刺激作用 、中期(21～ 40 d)的抑制作用和后期(41～ 60
d)的刺激作用。所以铅胁迫处理的 60d中 ,各处理凤仙花叶中
POD活性表现出相同的升※降※升的动态变化趋势。
图 3　铅胁迫对凤仙花叶中 POD活性的影响
Fig.3　Effects of Pb2+stress on POD activity in leaves of Impatiens
balsamina L.
处理后的前 20 d内 ,各处理凤仙花叶中的POD活性随
着铅浓度的增大而升高 ,其中 1 000 mg/kg处理组的 POD活
性达到最大值 ,为CK的 155.86%,而 1500 mg/kg处理组中的
POD活性已开始下降 , 为对照的 136.82%,应该是胁迫程度
超过凤仙花耐受极限的表现。
图 4　铅胁迫对凤仙化叶中 CAT活性的影响
Fig.4　Effects of Pb2+stress on CAT activity in leaves of Impatiens
balsamina L.
在铅胁迫处理后的 21～ 40 d ,即整个实验阶段的中期阶
段 ,凤仙花叶中 POD活性存在一个动态的下降过程。250 、
500 、750、1 000、1 500 mg/kg处理中的POD活性在处理后的第
40天到达最低值 ,并都低于CK 。
在铅胁迫处理后的 41～ 60 d ,即实验的后期阶段 ,各处
理中POD的活性在经过一段时间的调整后又开始逐渐上升 ,
60 d时都达到了最高值。这时 750、1 000 、1 500 mg/kg处理中
的POD活性分别为对照的 191.90%、124.96%、97.39%,凤仙
花叶中POD活性随着铅胁迫程度的增加而下降。
2.2.3　凤仙花 CAT 酶对铅污染的响应。由图 4可知 ,铅对
凤仙花叶中CAT活性具有低浓度下的激活作用和高浓度下
的抑制作用。处理后的前 20 d ,250、500、750 mg/kg铅的低浓
度胁迫对凤仙花叶中CAT活性都有一定的激活作用 ,其活性
随着铅胁迫浓度的增加而增大 ,增加幅度分别为 3.75%、
6.25%、12.50%。但随着铅浓度的进一步增加 ,CAT 活性开
始下降 ,表明高浓度铅对凤仙花叶中的 CAT 活性有抑制作
用 ,且随着胁迫时间的延长 ,抑制作用有增强的趋势。在铅
胁迫的 60 d内 , 1 000 mg/kg和 1 500 mg/kg处理的 CAT 活性
一直低于 750 mg/kg处理 ,说明这时细胞中大量积累的活性
352736卷 9期　　　　　　　　　　　　　　　　杨小琴等　凤仙花生物量及抗氧化酶系统对重金属铅胁迫的生理响应
氧使过氧化氢酶系统的功能处于紊乱状态 ,不足以清除过量
的过氧化氢 ,维持细胞内过氧化氢的平衡。从时间效应来
看 ,铅胁迫处理时间的长短对凤仙花叶中 CAT 活性没有明显
的影响。
3　结论与讨论
(1)土壤在受到 Pb 污染后 ,植物的生长 、发育会受到一
定影响 ,一些生理生化指标也会发生变化。Pb在植物体内积
累到一定程度后 ,便会对植株产生毒害 ,表现出叶片萎蔫 、植
株矮小 、生物量下降等症状。该试验通过对不同浓度铅胁迫
下凤仙花生物量与不同时期内 3种抗氧化酶系统的变化分
析后得出 ,低浓度铅对凤仙花生长表现出刺激作用 ,高浓度
的铅抑制凤仙花生长 ,且对其根的影响明显高于茎叶 。植物
生物量的下降程度可以用来表示植物耐受性的大小 。Sud-
hakar等提出以生物量减少 20%作指标来确定植物耐性临界
值上限的标准。该试验铅胁迫 60 d时 , 1500mg/kg处理的凤
仙花生物量是CK的 83.33%,说明凤仙花对铅的耐性极限在
1 500 mg/kg以上。
(2)超氧化物歧化酶(SOD)是抗氧化酶系统中一种极为
重要和在生物体内普遍存在的金属酶 ,在保护酶系中处于核
心地位。重金属胁迫下 ,植物体内 SOD活性的变化 ,就目前
的研究来看有两种情况:一是 SOD活性随重金属浓度的增加
而增加[ 8] ;二是随重金属浓度的增加 ,SOD的活性先上升而
后下降[ 9] 。该研究与后者表述相符 ,凤仙花叶中 SOD在对铅
胁迫的抗性响应中起主要作用 ,铅胁迫不同时间内 , SOD的
活性存在短期内迅速升高后 ,又逐渐下降然后再升高的调整
过程 ,下降的程度和持续时间与铅胁迫程度有关。
(3)过氧化物酶(POD)是植物体内普遍存在的 、活性较高
的一种酶 ,它与呼吸作用 、光合作用及生长素的氧化等都有
密切关系。研究表明 ,在重金属胁迫下 ,植物叶片的 POD活
性表现为增强[ 10-11] 。该试验研究中发现 ,凤仙花 POD活性
存在短期内急剧上升 ,又逐渐下降的过程 ,造成这种现象的
原因 ,可能是凤仙花在逆境条件下存在短时间内活性氧大量
爆发的现象 ,作为本能的防御机制 ,植物体内迅速启动一系
列应激反应 , POD酶被迅速激活 ,其合成和周转过程迅速运
转 ,导致短期内POD活性迅速上升 。低浓度的铅胁迫下 ,细
胞内产生的活性氧量在POD调节能力范围内 ,所以短期内能
恢复到正常水平;高浓度的铅胁迫下 ,细胞内活性氧大量积
累 ,长时间维持在较高水平 ,超过 POD调节能力 ,并对 POD
功能产生抑制作用 ,导致活性下降。
(4)过氧化氢酶(CAT)是植物体内一种重要的氧化还原
酶 ,可以清除植物通过呼吸代谢或者光合作用途径产生的
H2O2 ,维持活性氧代谢的平衡 ,保护细胞膜的完整性。它是
生物氧化过程一系列抗氧化酶的终端 ,逆境因子对生物的生
理影响 ,可以通过终端酶 CAT表现出来。该试验研究发现 ,
铅对凤仙花CAT的活性存在低浓度下的激活和高浓度下的
抑制作用 ,而铅胁迫时间对CAT的活性没有明显影响。
在高浓度铅胁迫下 ,凤仙花的酶活性被激活的现象有可
能是凤仙花在受外界不良因素干扰达到一定的程度下所表
现出来的一种应激反应 ,进而表明其对相应重金属胁迫的抗
性较强 ,这对利用凤仙花治理重金属污染土壤具有重要的现
实意义。
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(上接第 3502页)
分析取用的都是用离子交换纯水器现场制作的去离子水 ,才
可以保证实验的准确度和精密度 ,保证显色稳定 ,降低实验
空白值。
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