全 文 ：研究报告
Research Report
喀斯特石生反叶扭口藓活性氧代谢对干旱胁迫的动态响应
张显强 1,2,3 王世杰 1* 孙敏 3
1中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室,贵阳, 550002; 2安顺学院,安顺, 561000; 3西南大学生命科学学院 /三峡库区生
态环境与生物资源省部共建国家重点实验室,重庆, 400715
*通讯作者, wangshijie@vip.skleg.cn
摘 要 本文研究了喀斯特石面常见植物反叶扭口藓(Barbula fallax Hedw.)在干旱胁迫下活性氧代谢的变
化。结果显示：早期干旱超氧化酶歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)活性以及类胡萝卜
素(Car)活性逐渐升高，胁迫后期活性下降；超氧阴离子(O2-.)、丙二醛(MDA)和可溶性蛋白含量呈现出先升
后降的趋势；质膜相对透性呈现出“抛物线”的变化。干旱胁迫早期由于 O2-等活性氧的增加而启动活性氧
清除系统进行清除，是抵御干旱的一种协同反应；后期反叶扭口藓依然保持较强的自由基清除能力，具有
极强的耐旱能力。
关键词 喀斯特石漠化,反叶扭口藓,活性氧代谢,干旱胁迫
Dynamic Responses of Active Oxygen Metabolism of Barbula fallax in Rock
Desertification of Karst Areas to Drought Stress
Zhang Xianqiang 1,2,3 Wang Shijie 1* Sun Min 3
1 State KeyLaboratory of Environmental Geochemistry, Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guiyang, 550002; 2 Anshun University,
Anshun, 561000; 3 School of Life Science, Southwest University/State Key Laboratory Breeding Base of Eco-environments and Bio-resources of the
Three Gorges Reservoir Region, Chongqing, 400715
* Corresponding author, wangshijie@vip.skleg. cn
DOI: 10.13417/j.gab.034.000160
Abstract In this research we studied the antioxidant protection mechanism of B. fallax in rock desertification of
Karst areas under the conditions of drought stress simulated by PEG-6000. The result showed that the contents of
B. fallax superoxide dismutase, catalase, peroxidase activity and carotenoids (Car) content increased in the early
period of treatment, and declined late. When osmotic stress intensified, the B. fallax superoxide anion (O2-),
malondialdehyde (MDA) and soluble protein content exhibited the trend from going up and then slow down. As
for the relative permeability of membrane were shown a parabola trend of. Therefore, the increases of early O2- and
other reactive oxygen species (ROS) in drought stressmight induce enzymatic scavenging system to start up clearance
of ROS, which would be a synergistic reaction to resist drought. The B. fallax remained strong free radical
scavenging capacity, leading to very strong resistant ability to drought.
Keywords Karst region rock desertification, B. fallax Hedw., Active oxygen metabolism, Drought stress
基金项目：本研究由国家自然科学基金项目(41463006)和国家 973计划项目(2013CB956700)共同资助
基因组学与应用生物学，2015年，第 34卷，第 1期，第 160-164页
Genomics and Applied Biology, 2015, Vol.34, No.1, 160-164
众所周知，干旱胁迫对植物造成伤害的主要原
因是活性氧(ROS)所引起的氧化作用会严重破坏细
胞膜，逆境胁迫将打破 ROS的产生与清除两者之间
的稳定状态，植物清除能力的大小可间接反映植物
耐旱能力的强弱。由此，植物会主动或被动的调动自
身的酶促和非酶促防御系统进行防御。
苔藓植物也存在抗氧化防御系统，国外学者研
究较为深入(张萍等, 2005)。表现在：(1)脱水时通过酶
系统和产生抗氧化剂复合物清除自由基、减少自由
基数目的机制；(2)产生谷胱甘肽还原酶系统、抗坏血
酸过氧化物酶系统等抗氧化剂的作用机制 (Oliver
and Bewley, 1997)。对于水分胁迫下种子植物抗氧化
防御系统响应已有大量的研究，国内少有对耐旱藓类
抗氧化防御系统的研究(杨武, 2008;李朝阳等, 2009;
沙伟等, 2010;魏先君, 2010)，对于岩溶石漠化地区
石生苔藓抗氧化酶系统响应干旱胁迫的研究极少
(张显强等, 2010;张显强, 2012)。因此，对石生反叶
扭口藓抗氧化防御系统对干旱胁迫的响应研究，对
于揭示石生藓类的耐旱机理，进而提出治理石漠化
生态环境措施具有重要的理论意义。
1结果与分析
1.1干旱胁迫对反叶扭口藓抗氧化酶活性的影响
SOD、POD 和 CAT是保护酶系统中最重要的
3个抗氧化酶(Smirnoff, 1993)。反叶扭口藓 SOD的
活性随着胁迫的增加表现出先减少后增加再减少
的趋势；在胁迫 24 h内逐渐减少，24 h达到最低值
519.41 U·g-1FW·h-1，降低 19.41%；24~48 h迅速增
加，达到最高值 758.89 U·g-1FW·h-1，上升 17.8%；之后
下降到 573.67U.g-1FW.h-1，低于初始 644.65U·g-1FW·h-1
的水平，降幅达 11.0% (图 1A)。POD活性呈现出先
增加后降低的趋势(图 1B)，反叶扭口藓在 24 h上升
至最大值，为 8.26 滋g·g-1FW·min-1，之后迅速下降到
4.57 滋g·g-1FW·min-1，降幅达 44.7%；CAT随胁迫的
加剧呈现先增加后降低的趋势，在 48 h达到最大值
的 11.35 U·g-1FW·min-1，比初始 6.33 U·g-1FW·min-1
增加了 1.85倍，随后 CAT活性下降(图 1C)。因此，反
叶扭口藓利用 CAT和 POD活性的提高来清除 SOD
在清除 O2-过程中产生的多余 H2O2。
1.2干旱胁迫对反叶扭口藓活性氧代谢的影响
正常情况下细胞内活性氧和自由基浓度很低，
不会造成细胞的损伤；逆境胁迫时其含量大幅增加
而造成膜脂过氧化，最后导致植物伤害或死亡(王爱
国等, 1988)。反叶扭口藓的超氧阴离子在 0~24 h内
含量大幅增加，24 h达到最高的 26.94 滋g·g-1FW，比
初始 1.52 滋g·g-1FW增加了 17.72倍，之后大幅下降
到 12.60滋g·g-1FW水平，72 h略有回升(图 2A)。膜相
对透性呈现出“抛物线”的变化趋势(图 2B)，随胁迫时
间的延长膜透性逐步增大，在 24 h达到最大值，为
39.45%，为初始的 2.03倍。逆境胁迫造成膜脂过氧化而
大量形成MDA物质，其作用可极大的破坏膜的结构
(刘建新,2005)。随着胁迫时间的延长，反叶扭口藓MDA
的含量表现出先上升后下降的趋势(图 2C)；在 12h达到
最大值 21.12nmol·g-1FW，比初始 8.74nmol·g-1FW增长
2.12倍，之后逐步下降。
图 1反叶扭口藓 SOD, POD和 CAT活性对干旱胁迫的响应
Figure 1 Response of SOD, POD and CAT activity in B. reflexa
to drought stress
1.3干旱胁迫对反叶扭口藓类胡萝素和可溶性蛋白
含量的影响
可溶性蛋白质增加可降低植物细胞的渗透势，有
效避免植物细胞脱水带来的伤害。反叶扭口藓可溶性
蛋白随胁迫的增大呈现出先升后降，再上升后下降的
变化(图 3A)。在 0~12 h含量上升，12~24 h含量下降，
48 h上升达到最高峰的 32.68 mg·g-1FW，比初始的
8.51mg·g-1DW增加 3.84倍，随后又迅速下降。Car作为
植物体内一种重要的抗氧化物质，可有效清除植物体内
多余的自由基等有害物质(RodrlguezandSanta, 1995)。
反叶扭口藓 0~24 h逐渐增加，从初始 0.147 mg·g-1FW
上升至 24 h 0.180 mg·g-1FW，变化幅度较小，24 h之
喀斯特石生反叶扭口藓活性氧代谢对干旱胁迫的动态响应
Dynamic Responses of Active Oxygen Metabolism of Barbula fallax in Rock Desertification to Drought Stress 161
基因组学与应用生物学
Genomics and Applied Biology
后快速上升，48 h达到最大值 0.302 mg·g-1FW，是初
始的 2.38倍，之后趋于稳定(图 3B)；反叶扭口藓 Car
上升大，积累较多，下降较小，说明干旱胁迫引起的活
图 2反叶扭口藓超氧阴离子,质膜透性和丙二醛含量对干旱
胁迫的响应
Figure 2 Response of O2-. genrating rate, membrane peameability
and MDA content in B. reflexa to drought stress
图 3反叶扭口藓可溶性蛋白和类胡萝卜素含量对干旱胁迫的响应
Figure 3 Response of soluble protein and carotenoid content in B. reflexa to drought stress
性氧自由基的清除中的作用明显。
2讨论
由于干旱产生过量的 ROS，能够导致蛋白质、
DNA及脂类的氧化伤害，进而使细胞膜结构改变和损
害，严重时引起细胞的死亡。酶系统中 SOD能催化
O2-.歧化反应产生 H2O2，POD和 CAT可分解 H2O2生
成H2O和O2。同时，Car是植物体中最重要的O2-.猝灭
剂，能有效阻止不饱和脂肪酸的过氧化作用，进而达
到保护膜系统的作用。本实验结果证实，反叶扭口藓
抗氧化酶的活性与抗氧化物质 Car的变化呈现出一
定的规律性；其次反叶扭口藓 24 h内MDA含量增长
了 2.12倍，之后逐步下降，说明反叶扭口藓通过自身
的调节减少细胞的受损，避免MDA对生物膜的结构
和功能的剧烈破坏(Jiang and Zhang, 2001)。细胞膜相
对透性呈现出“抛物线”的变化趋势，在 24 h达到最大
值，之后略有下降(但均比初始程度高)，这与李朝阳等
研究结果相似(李朝阳等, 2009)。反叶扭口藓 Car含量
随胁迫增加而不断积累，由于 Car可通过光解或氧化
分解，转变为黄质醛，最终形成 ABA，减少光抑制，植
物在逆境中不断积累 Car 来保护膜系统(Rodrlguez
and Santa, 1995)。可溶性蛋白呈现出先升后降，再上升
后下降的波动变化趋势，这与胁迫的强度和时间存在
密切的关系。早期由于胁迫反叶扭口藓通过自身酶促
和非酶促系统清除体内多余的活性氧自由基，后期由
于胁迫压力的增加，植物清除能力小于活性氧自由基
的产生能力，反叶扭口藓遭受一定的干旱伤害。
在喀斯特地区独特的地上地下水文二元结构，
常常出现降雨量大于蒸发量的季节性干旱现象，特
别是大量裸露的岩石表面上大量的苔藓植物凭借特
殊的生理生态机制适应喀斯特地区的临时性干旱。
早期胁迫植物通过酶促和非酶促系统清除体内产生
162
喀斯特石生反叶扭口藓活性氧代谢对干旱胁迫的动态响应
Dynamic Responses of Active Oxygen Metabolism of Barbula fallax in Rock Desertification to Drought Stress
的 ROS，后期则可通过生理休眠逃避极强度的干旱；
这与山墙藓(Tortula ruralis)通过建成型的保护机制
和再水化诱导的恢复系统来耐受干旱胁迫，在水化
阶段、脱水前期、再水化时诱导产生的保护机制相一
致(Oliver and Bewley, 1997; Osmond et al., 1997)。因
此，苔藓植物通过形态的变化来降低水分的散失，通
过生理的调整来应付逆境(张显强等, 2010)。因此，本
研究对揭示石生反叶扭口藓的抗旱机制和石漠化生
态环境的恢复重建具有重要意义。
3材料与方法
3.1研究材料
供试苔藓为丛藓科的反叶扭口藓(Barbula fallax
Hedw.)，呈丛集型生长在岩石的表面，是喀斯特石漠化
常见的优势藓类。采集地点选择在贵阳市花溪区附近
严重石漠化区域，采集时天气晴朗，平均气温(25依1)℃。
3.2材料培养及处理
参照张显强等(2014)方法进行。
3.3研究方法
SOD、CAT、POD活性的测定按高俊凤(2006)的
方法；超氧阴离子(O2-.)测定按李忠光和龚明(2005)的
方法；细胞膜相对透性按吴楠(2009)的电导仪法测
定；丙二醛含量测定按张志良(2009)的方法；蛋白含
量按 Brandford (1976)考马斯亮蓝 G250 法；类胡萝
卜素测定采用包维楷等(2005)的方法。
3.4数据分析
各项指标的测定均重复 5次(n=5)，利用 SPSS13.0
进行数据处理，Duncans法进行多重比较(p<0.05)。
Microsoft excel 2003作图。
作者贡献
张显强是本研究的实验设计和实验研究的执行
人；王世杰和孙敏对实验设计进行指导。全体作者都
阅读并同意最终的文本。
致谢
本研究由国家自然科学基金项目(41463006)和
国家 973计划项目(2013CB956700)共同资助。
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