全 文 ：商陆和烟草对锰胁迫的抗氧化响应研究
张玉秀1 , 黄智博1 , 张红梅1 , 李林峰1 , 柴团耀2＊
(1.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院生物工程系 , 北京　100083;2.中国科学院研究生院生命科学学院 , 北京　
100049)
摘要:研究植物的重金属累积能力对于植物修复和植物冶金意义重大.Mn超累积植物商陆(Phytolacca americana L.)的耐性 累
积机制至今还不清楚 ,为了研究商陆在 Mn 胁迫下的抗氧化酶作用 , 将萌发 6 周的商陆和烟草幼苗分别放入 1 mmol·L-1或 3
mmol·L-1的 1 2 Hoagland营养液处理 4 d ,实验表明商陆叶片光合速率降低幅度显著低于烟草 ,而烟草MDA含量和电解质渗漏
量增加幅度大于商陆.如 1 mmol·L-1 Mn 处理 4 d 后 , 与对照相比 ,商陆和烟草的光合速率分别降低 13.3%和75.5%;烟草MDA
含量和电解质渗漏量分别增加 347.3%和 120.1%, 而商陆的MDA 含量和电解质渗漏量没有明显增加 , 表明 Mn 胁迫对超累积
植物引起的氧化损伤明显低于非累积植物.随着Mn 处理浓度的提高和时间的延长 , 2 种植物叶片 SOD和 POD活性均迅速增
加 ,其中商陆 SOD活性的增加幅度大于烟草;另外 , 商陆CAT活性持续上升 , 而烟草CAT活性显著下降.如在1 mmol·L-1 Mn 处
理下 ,商陆 SOD、POD和 CAT活性分别提高 161.1%、 111.3%和 17.5%;烟草 SOD和 POD提高 55.5%和 206.0%, 而 CAT下降
15.6%,表明商陆的抗氧化酶 ,特别是 CAT , 能够有效地清除Mn毒产生的自由基.这些结果说明抗氧化酶的抗氧化能力是重金
属累积植物商陆的Mn 耐性机制之一.
关键词:锰耐性;抗氧化酶;商陆;烟草
中图分类号:X17　文献标识码:A　文章编号:0250-3301(2009)12-3676-08
收稿日期:2009-01-23;修订日期:2009-04-15
基金项目:国家高技术研究发展计划(863)项目(2007AA021404 ,
2006AA10Z407 , 2006AA06Z355);2009 年中国矿业大学(北
京)大学生创新性实验计划项目(091209z)
作者简介:张玉秀(1962～ ), 女 ,博士 ,教授 ,主要研究方向为基因工
程和环境生物学 ,E-mail:zhangyuxiu@cumtb.edu.cn
＊通讯联系人 , E-mai l:zhangyuxiu@cumtb.edu.cn , tychai @
gucas.ac.cn
Antioxidative Response of Phytolacca americana and Nicotiana tabacum to
Manganese Stresses
ZHANG Yu-xiu1 , HUANG Zhi-bo1 , ZHANG Hong-mei1 , LI Lin-feng1 , CHAI Tuan-yao2
(1.Department of Bioengineering , School of Chemical and Environmental Engineering , China University of Mining and Technology(Beijing),
Beijing 100083 , China;2.College of Life Science , Graduate University of Chinese Academy of Sciences , Beijing 100049 , China)
Abstract:Plant species capable of accumulating heavy metals are of considerable interest for phytoremediation and phytomining.The
mechanism of Mn tolerance hyperaccumulate in Phytolacca americana L.is less known.To elucidate the role of antioxidative enzyme in
response to Mn , the 6-week-old seedling of Mn hyperaccumulator P.americana and non-accumulator-tobacco (Nicotiana tabacum)were
exposed to half strength Hoagland solution with 1 mmol·L-1 or 3 mmol·L-1 MnCl2 for 4 days.The photosynthetic rate in P.americana
decreased more slowly than that in tobacco , while the MDA content and electrolyte leakage in tobacco increased more rapidly than that in P.
americana.For example , after exposure to 1 mmol·L-1 Mn for 4 days , the photosynthetic rates of P.americana and tobacco in comparison
to the control reduced by 13.3% and 75.5%, respectively.The MDA content and electrolyte leakage in tobacco increased by 347.3% and
120.1%, respectively , whereas Mn had no marked effect on both of it in P.americana , indicated that the oxidative damage in tobacco was
more serious than that in P .americana.The activities of SOD and POD of both species increased rapidly with elevated Mn concentration and
exposure time in both species , the increase of SOD activity in P.americana was higher than that in tobacco.CAT activity in tobacco declined
rapidly , while the activity of CAT in P.americana was increased.The activities of SOD , POD and CAT in P.americana upon 1 mmol·L-1
Mn exposure increased by 161.1%, 111.3% and 17.5%, respectively.The activities of SOD and POD in tobacco increased by 55.5% and
206.0%, respectively , while CAT activity decreased by 15.6%, indicating that the antioxidative enzymes in P.americana , particularly in
CAT , could fully scavenge the reactive oxygen species generated by Mn toxicity.These results collectively indicate that the enzymatic
antioxidation capacity is one of the important mechanisms responsible for Mn tolerance in hyperaccumulator plant species.
Key words:manganese tolerance;antioxidative enzyme;Phytolacca americana L.;tobacco
　　地壳的锰(Mn)通过风化作用从原生矿物中不
断地释放出来 ,与O2 、CO2-3 和 SiO2 结合形成MnO2 、
Mn3O4 、MnCO 3和MnSiO3等次生矿物.随着工业化进
程的加速和耕作制度的改变 ,使土壤不断酸化 ,加速
了土壤中有效 Mn 的释放 ,导致土壤可溶性锰的浓
度过高.Mn 是动植物生长的必需微量元素 ,参与植
物光合电子传递链的氧化还原过程和及 PS Ⅱ系统
中水的光解[ 1] , 对维持叶绿体正常结构有重要作
第 30 卷第 12期
2009 年12月 环　　境　　科　　学ENVIRONMENTAL SCIENCE
Vol.30 , No.12
Dec., 2009
DOI :10.13227/j.hjkx.2009.12.047
用[ 2] ;同时 ,Mn是Mn超过氧化物歧化酶(MnSOD)的
辅因子 ,参与生物体内的抗氧化过程.当土壤中有效
Mn的浓度超出一定范围时 ,Mn毒导致植物叶片失
绿 ,形成黑褐色坏死斑点 ,生长抑制 ,最后死亡[ 2] .如
菜豆在Mn胁迫初期成熟叶片发黄 ,进而呈深褐色 ,
最后叶柄变黑 、叶片脱落[ 3] .因此 ,植物对 Mn 的耐
性 富集能力和Mn污染土壤的治理研究已引起人们
的高度重视.
重金属胁迫可诱导植物体内产生大量的活性氧
自由基(reactive oxygen species , ROS)[ 4] ,如超氧自由
基(·O -2 )、羟基自由基(·OH)和 H2O 2 自由基等 ,导
致活性氧代谢失调 ,过量的活性氧自由基与脂膜 、细
胞色素和蛋白质发生反应 ,致使蛋白质和核酸等生
物大分子变性 ,酶活性丧失 ,膜系统破坏 ,光合作用
受抑制 ,最终细胞凋亡.植物体内的超氧化物歧化酶
(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)是抗
氧化系统中重要的抗氧化酶 ,在清除逆境诱导产生
的活性氧自由基 、抑制膜脂过氧化和减轻细胞伤害
等方面起着重要作用.MDA 是膜脂质过氧化作用的
产物 ,其含量的高低反应膜脂质过氧化作用的程度.
Cd胁迫下 ,重金属敏感植物菜豆[ 5] 和豌豆[ 6] 叶片
MDA含量上升;绿豆 POD活性升高 ,而 CAT 活性受
抑制[ 7] ;Cd累积植物龙葵和印度芥菜的抗氧化酶活
性随 Cd 胁迫浓度增加而显著升高[ 8 , 9] .商陆
(Phytolacca americana L.)叶片 Mn 累积浓度高达
19 299 mg kg ,地上部和根部锰累积量比值达 2.25 ,
是一种具有较强Mn耐性的Mn超累积植物[ 10] .商陆
叶片 POD 同工酶活性随着 Mn2+浓度的增加而升
高 ,而 SOD 同工酶活性下降[ 11] , CAT 鲜见报道.目
前 ,商陆对Mn胁迫的抗氧化响应研究报道很少 ,其
Mn耐性 累积机制尚不明确.本实验比较研究了 Mn
超积累植物商陆和非累积植物烟草在不同浓度 Mn
处理下的抗氧化响应 ,对于揭示Mn耐性和超积累
机制具有重要意义.
1　材料与方法
1.1　植物培养和处理
消毒的烟草(Nicotiana tabacum)和美洲商陆
(Phytolacca americana L.)种子在 1 4 MS培养基中萌
发.温室的相对湿度 70%～ 80%,温度(22±3)℃,光
强165μmol·(m2·s)-1 ,每天照射 16 h.种子萌发 4周
后 ,将幼苗转入 1 2 Hoagland培养液培养 ,培养液每
4 d更换 1次 ,并用气泵通气.选取生长 6周的烟草
和商陆的幼苗 , 转移至含有 1 mmol·L-1 和 3
mmol·L-1MnCl2 的1 2 Hoagland营养液中分别处理 1
～ 4 d ,选取相同叶位的植物叶片进行生理指标测
定 ,每个实验设 3次重复.另外 ,商陆种子分别在含
有 1 、 2 、3和 5 mmol·L-1 MnCl2 的 1 4 MS 培养基萌
发 ,6 周后观察 MnCl2 对商陆萌发和幼苗生长的
影响.
1.2　光合速率 、蒸腾速率和气孔导度测定
用便携式智能光合仪(LCpro+,ADC ,UK)分别
测定 MnCl2溶液处理 0 、 1 、 2 、 3和 4 d 时植株功能
叶片的光合速率(Pn)、蒸腾速率(E)和气孔导度
(Gs);每个处理记录3株的数值.
1.3　丙二醛(MDA)含量测定
MDA含量由硫代巴比妥酸反应测定.
1.4　相对电导率测定
取样品 0.5 g ,放入试管中 ,加 10 mL 去离子水 ,
置 25℃下抽气渗入 1 h.用玻璃棒搅拌均匀 ,然后用
电导仪测电导值 EC1.再将试管放入沸水中 10 min ,
待其冷却至 25℃时 ,测定处理和对照电导值 EC2 ,按
下式计算电解质渗出率和伤害度:
电解质渗出率(%)=(EC1 EC2)×100%
1.5　抗氧化酶活性测定
取 0.5 g 叶片 ,加入 5 mL 冰预冷的含有 0.1
mmol·L-1 EDTA 和 1% polyvinylpyrrolidone (质量分
数)的 100 mmol·L-1磷酸缓冲液(pH 7.0),冰浴研
磨 ,4℃ 8 000 r min 离心 20 min ,上清液用于酶活性
测定.
SOD活性:通过对氮蓝四唑光化还原反应的抑
制能力反映 SOD 的活性.3 mL 反应液含有 0.05
mol L磷酸缓冲液 1.5 mL , 750 μmol·L-1氮蓝四唑
(NBT)溶液 、130 mmol·L-1甲硫氨酸(MET)溶液 、100
μmol·L-1乙二胺四乙酸二钠(EDTA-Na2)液 、20
μmol·L-1核黄素各 0.3 mL、蒸馏水 0.25 mL 和 0.05
mL 酶液(对照加蒸馏水).混匀后将对照管置暗处 ,
其它各管于4 000 lx 日光灯下反应 20 min 后 ,测定
560 nm 波长下的吸光值 ,以抑制 NBT 光化还原的
50%为一个酶活性单位(U),SOD活性用 U mg 蛋白
表示.
POD活性:使用 Nickel 等[ 12] 的方法.通过计算
愈创木酚氧化引起的 470 nm波长下吸光值的增加
反映 POD活性.反应液含有愈创木酚 25 mmol·L-1 ,
10mmol·L-1过氧化氢和 0.1 mL 酶提取液.测定波长
470 nm 吸光度值 ,每隔 1 min读数 1次 ,以每 min内
A470变化 0.01 为一个过氧化物酶活性单位 (U),
367712 期 张玉秀等:商陆和烟草对锰胁迫的抗氧化响应研究
POD活性用U mg 蛋白表示.
CAT 活性:通过计算过氧化氢分解引起的 240
nm波长下吸光值的减小表示 CAT 的活性.3 mL 反
应液含有 2 mL 0.05 mol·L-1磷酸缓冲液(pH 7.0)、
800μL 0.1 mol·L-1过氧化氢及 200 μL 酶液 ,于 240
nm波长下测定 A240的变化率 ,以每 min内 A240变化
0.01为一个酶活性单位(U),CAT 活性以U mg蛋白
表示.
1.6　可溶性蛋白测定
按照考马斯亮兰法测定可溶性蛋白含量.
1.7　统计学分析
结果是建立在至少 3组独立的实验的基础之上
的.为证实数据变化和结果的有效性 ,所有实验数据
使用 SPSS软件进行显著性分析.
2　结果与分析
2.1　Mn胁迫对商陆和烟草幼苗生长的影响
植物能否在含有重金属的土壤中萌发和生长是
植物耐性和植物修复的基础.消毒的商陆种子在浓
度为 1 ～ 5 mmol·L-1的 MnCl2培养基萌发 4周 ,结果
表明商陆在 1 ～ 3 mmol·L-1的 MnCl2 培养基中均可
萌发生长 ,萌发率与对照相同(83%),幼苗叶片与对
照相同无中毒现象 ,但当浓度达到 5 mmol·L-1时几
乎不萌发.另外 ,当幼苗继续生长到 6周时(图 1),
株高随MnCl2 浓度的升高而降低 ,叶片不断黄化 ,表
明商陆幼苗能忍耐 3 mmol·L-1 MnCl2 处理.为了研
究商陆对 Mn 的耐性机制 , 选择 1 mmol·L-1和 3
mmol·L-1 MnCl2这 2个浓度处理商陆和烟草幼苗.
图 1　MnCl2 胁迫对商陆种子萌发的影响
Fig.1　Effects of MnCl2 stress on the seed germinating of P.americana L.
　　萌发 6 周的烟草(Nt)和商陆(Pa)在分别 1
mmol·L-1和 3 mmol·L-1 MnCl2 溶液处理 4 d ,结果表
明 ,与对照相比商陆幼苗在2个MnCl2 浓度胁迫下功
能叶片没有明显的Mn中毒迹象(图 2A),幼叶有点
黄;而烟草分别在1mmol·L-1MnCl2溶液处理4 d和3
mmol·L-1 MnCl2 溶液处理3 d时 ,老叶枯黄 ,功能叶片
表面出现明显的黑斑和组织坏死现象 ,3 mmol·L-1
MnCl2 处理时幼苗中毒现象尤为明显(图 2C),且根系
变成黄褐色.1 mmol·L-1和3 mmol·L-1MnCl2 处理4 d
后 ,与生长 4 d 的对照相比 ,烟草生物量分别减少了
25%和 37%[图 3(a)] ;而商陆分别降低了 13%和
15%[图3(b)] .表明 1 mmol·L-1和 3 mmol·L-1 MnCl2
处理对烟草属于严重胁迫 ,而对于商陆则为轻度胁
迫 ,商陆幼苗对Mn的耐性远高于烟草.
1 mmol·L-1或 3 mmol·L-1 MnCl2 溶液处理幼苗
4 d后 ,商陆和烟草的光合速率均降低 ,但商陆下降
的幅度远小于烟草.1 mmol·L-1 MnCl2 处理下 ,同对
照相比商陆和烟草的光和速率分别下降 13.3%和
75.5%;3 mmol·L-1 MnCl2 处理下 ,商陆和烟草的光
和速率分别降低 36.4%和 89.8%(图 4).同样 ,2种
植物的蒸腾速率和气孔导度在 2种浓度 MnCl2 处理
下均降低 , 且商陆的降低幅度明显小于烟草.1
mmol·L-1和 3 mmol·L-1 MnCl2 处理下 ,商陆蒸腾速
率分别降低了 9.5%和32.1%(图 4),气孔导度分别
降低 32.4%和 47.2%(图 4);而烟草的蒸腾速率分
别降低 69.7%和 84.2%,气孔导度分别降低 64.4%
和 78.3%.Mn胁迫下气孔导度降低 ,表明 CO2 和水
分子运输受影响 ,导致蒸腾和光合作用降低.
2.2　Mn胁迫对商陆和烟草幼苗叶片细胞膜透性的
影响
3678 环　　境　　科　　学 30 卷
A.商陆;B.烟草;C.烟草叶片
图 2　MnCl2 胁迫对幼苗生长的影响
Fig.2　Effects of MnCl2 stress on the growth of seedling
数据是平均值和标准差 ,处理和对照之间在 p<0.05水平的差异用＊表示
图 3　MnCl2 胁迫对幼苗生物量的影响
Fig.3　Effect s of MnCl2 stress on the biomass of seedling
　　MDA含量反映膜脂过氧化程度 ,相对电导率可
以反映细胞膜的完整性.图 5表明烟草幼苗叶片的
MDA含量随Mn处理浓度的增加和时间的延长显著
增加 ,然而 ,商陆 MDA含量仅在 3 mmol·L-1 MnCl2
处理 2 d后才显著上升 ,且上升幅度明显低于烟草.
1 mmol·L-1和 3 mmol·L-1 MnCl2 处理 4 d 后 ,商陆
MDA含量与对照相比分别增加了 17.4%和 33.4%,
而烟草MDA含量分别增加了 347.3%和 420.1%.与
MDA的变化趋势相似 ,烟草电解质渗漏量随Mn处
理浓度的增加和时间的延长显著增加 ,而商陆没有
明显增加.2种浓度的Mn胁迫使烟草相对电导率分
别升高 120.1%和 165.5%(图 5),这表明Mn对烟草
367912 期 张玉秀等:商陆和烟草对锰胁迫的抗氧化响应研究
　　　　
数值是 3次数据的平均值和标准差 ,处理和对照之间在 p< 0.05和 p< 0.01水平的差异分别用＊和＊＊表示 ,下同
图 4　MnCl2 对商陆(Pa)和烟草(Nt)光合速率 、蒸腾速率和气孔导度的影响
Fig.4　Effects of MnCl2 on the photosynthetic rate , transpiration rate and stomatal conductance in P.americana (Pa)and tobacco(Nt)
图 5　MnCl2 对商陆(Pa)和烟草(Nt)叶片 MDA 含量和相对电导率的影响
Fig.5　MDA content and Electrolyte leakage in leaves of P.americana(Pa)and tobacco (Nt)treated with different MnCl2 concentrations
引起了严重的氧化损伤 ,而对商陆的损伤很小.
2.3　Mn胁迫对商陆和烟草抗氧化酶系统的影响
正常生长条件下烟草 SOD 活性高于商陆 , 随
Mn处理浓度的增加和时间的延长 2种植物叶片中
SOD活性均显著增加 ,但商陆 SOD活性增加的幅度
大于烟草(图 6).1 mmol·L-1和 3 mmol·L-1 MnCl2 处
3680 环　　境　　科　　学 30 卷
　　　　　
图 6　MnCl2 处理时商陆和烟草叶片抗氧化酶活性的影响
Fig.6　Activity of antioxidative enzymes in leaves of P.americana and tobacco treated with different MnCl2 concentrations
理4 d后 ,商陆叶片SOD活性分别提高了 161.1%和
227.9%,而烟草叶片中 SOD 活性分别提高了
55.5%和 73.7%.
随Mn处理浓度的增加和时间的延长 ,2种植物
的CAT 活性变化趋势截然相反(图 6),商陆叶片
CAT活性缓慢上升 ,而烟草 CAT 活性显著下降.1
mmol·L-1和3 mmol·L-1MnCl2 处理 4 d后 ,同对照相
比商陆 CAT 活性分别升高17.5%和 20.5%,而烟草
CAT活性分别降低15.6%和 23.1%.表明植物对Mn
耐性不同 ,CAT活性响应也不同.
2种植物叶片 POD活性随Mn 处理浓度的增加
和时间的延长显著增加 ,烟草 POD活性增加的幅度
大于商陆.1 mmol·L-1和3 mmol·L-1MnCl2 处理 4 d ,
商陆叶片 POD活性分别提高了 111.3%和 207.3%,
而烟草叶片 POD 活性分别提高了 206.0%和
338.0%(图6).
3　讨论
3.1　Mn毒抑制光合作用和诱导氧化胁迫
Mn是一种多价态的金属元素 ,Mn2+很容易被
植物吸收并运输到地上部.Mg 和 Fe 是叶绿素的重
要组分 ,在叶绿素的合成和光合电子传递过程中发
挥重要作用[ 13] .由于Mn2+与Mg2+ 、Fe2+在植物根部
具有相同的结合位点 , 并且 Mn2+的结合能力较
强[ 14] ,所以高浓度的Mn2+抑制Mg2+和Fe2+的吸收 ,
导致必需元素缺乏 ,叶绿素合成减少 ,进而影响光合
作用[ 13] .同时 ,Mn2+在叶绿体中可被光激活的叶绿
素氧化为Mn3+ ,氧化还原电位提高 ,致使活性氧大
量累积 ,叶绿素进一步遭破坏 ,叶绿体功能不能正常
发挥[ 15] .如Mn处理可提高玉米地上部 Mn含量 ,叶
绿素 a b含量和光合作用下降 ,且Mn敏感品种较耐
性品种降低更多[ 16] .杨树幼苗在Mn胁迫下生物量 、
叶片数目和叶面积降低[ 17] ;苜蓿属叶片出现的褐色
斑点与 Fe 缺乏明显相关[ 18] ;大麦在 1.8 mmol·L-1
MnCl2 处理 5 d ,叶片 Mn浓度提高 22倍 ,并且出现
单个或成片的棕黑坏死斑[ 19] .本实验表明 1
mmol·L-1和 3 mmol·L-1 MnCl2 处理后 ,烟草叶片出
现成群的黑斑症状 ,与玉米和大麦对 Mn 毒响应结
果一致 ,光合速率显著下降 ,生长严重受抑制;但是
2种浓度的Mn处理没有明显影响商陆的生长 ,且光
合速率下降幅度远不及烟草 ,表明 Mn 超累积植物
商陆具有较强的Mn耐性和解毒能力.推测Mn 对商
陆Mg 和 Fe元素的吸收影响较小 、或商陆具有较强
的抗氧化活性和区域化能力使 Mn 离子失活 ,从而
减轻了Mn对商陆毒害作用.
细胞膜是重金属伤害的主要位点 ,Cd胁迫引起
Cd敏感植物菜豆和豌豆等MDA含量上升[ 5, 6] ,Cd耐
性 累积植物印度芥菜细胞电解质渗漏增加[ 9] ;Mn
胁迫诱导黄瓜 、大麦和杨树等叶片超氧自由基和
H2O2 自由基的累积[ 18 ～ 20] , 黄瓜 MDA 升高[ 20] .本实
验结果表明 2 种浓度 MnCl2 胁迫均导致烟草叶片
MDA含量和电解质渗漏显著增加 ,电解质溶液渗漏
368112 期 张玉秀等:商陆和烟草对锰胁迫的抗氧化响应研究
量与MDA含量累积呈正相关;而商陆电解质渗漏没
有明显增加.表明Mn胁迫对烟草的氧化损伤程度
明显大于商陆.Mn胁迫下 ,烟草叶片膜脂过氧化水
平和膜透性迅速升高 ,光合作用迅速下降 ,并出现坏
死斑点和萎蔫现象 ,这可能是由于 Mn毒诱导活性
氧自由基水平的迅速升高导致膜系统破坏所致.推
测商陆具有较高的抗氧化酶活性 ,能有效地清除 Mn
胁迫诱导的活性氧自由基.
3.2　Mn超累积植物的 Mn耐性机制
SOD可将胞质 、线粒体和叶绿体中的O·-2 歧化
为H2O2和 O2 ,防止O·-2 对细胞的破坏 ,其活性高低
与植物抗逆性大小相关.在适度逆境诱导下 ,SOD活
性增加可以提高植物的适应能力[ 8 , 9] ,但是当O·-2 的
增加速率远远超过酶的歧化能力时 ,细胞内多种功
能酶及膜系统遭到破坏 ,代谢紊乱 ,SOD活性反而受
抑制.Cd胁迫导致 Cd非累积植物豌豆 SOD活性降
低[ 6] ,而 Cd累积植物印度芥菜 SOD活性升高[ 9] .研
究表明 600 μmol·L-1 Mn处理 9 d黄瓜幼苗 SOD活
性升高[ 20] ;大麦幼苗在低浓度 183 μmol·L-1 Mn 处
理5 d后 SOD活性不变 ,Mn 浓度提高 10 倍后 SOD
活性显著下降 ,提高 100 倍后 SOD 活性又回升[ 19] .
由于该大麦品种能耐 18 mmol·L-1 Mn 处理 ,推测可
能是Mn耐性品种.由于以上实验都是研究单一植
物对Mn的响应 ,没有比较Mn敏感植物和耐性植物
在同一处理浓度和时间下的酶活性响应 ,难以确定
抗氧化酶在重金属耐性中的作用.本实验表明商陆
和烟草叶片 SOD 活性均随着处理浓度和时间的增
加而显著升高 ,说明 SOD对 Mn 胁迫引起的超氧自
由基的清除具有重要作用;同时 ,由于商陆 SOD 活
性增加的幅度大于烟草 ,表明商陆对 Mn的抗氧化
能力和解毒能力大于烟草.
CAT 可将 H2O2 分解为 H2O和 O2 ,清除体内累
积的H2O2.研究表明木豆 CAT 随着 Zn 、Cd和 Ni 等
重金属胁迫强度的增加而下降[ 22] ,而印度芥菜 CAT
活性升高[ 9] .高浓度 Mn(1.8 mmol·L-1)使大麦的
H2O2 的大量积累 , CAT 活性显著上升[ 19] ,而黄瓜
CAT活性(600μmol·L-1 Mn)显著下降[ 20] .本实验表
明商陆 CAT 活性随着处理时间的延长和浓度的增
加而上升 ,与之相反 ,烟草叶片 CAT 活性显著降低 ,
表明植物对 Mn耐性不同 , CAT 活性响应不同 ,暗示
CAT可能是Mn累积植物清除Mn毒产生的 H2O2 的
关键酶.另外 , CAT 是一种含有 Fe 酶 ,Mn处理没有
降低商陆的 CAT 活性 ,表明没有明显影响其 Fe 的
吸收.推测烟草 CAT 活性下降的原因可能是由于
Mn导致 Fe 缺陷所致 ,当然 ,具体机制仍然需要进一
步研究.
POD是清除植物体内的过氧化物.商陆和马齿
苋的 POD活性在 Mn 、Cd和 H2O2 胁迫下上升[ 11 , 22] ,
油菜 POD 活性随着 Mn 浓度的增加(0.5 ～ 30
mg·L-1)而升高[ 23] ,大麦叶片 POD活性与累积的Mn
浓度成正相关[ 19] .本实验表明商陆和烟草叶片 POD
活性均随着Mn处理浓度的增加和处理时间的延长
而显著提高 ,说明 POD在降低 Mn毒引起的氧化胁
迫方面具有重要作用.但是 ,烟草 POD活性增加的
幅度明显大于商陆 ,推测 POD活性的迅速增加能部
分补偿 CAT 对H2O2 的清除作用.另外 ,POD活性提
高与叶片上棕色坏死斑的形成相关 ,而坏死斑则位
于Mn氧化物和沉淀物的累积部位[ 24] .烟草叶片在
Mn处理后出现成群的坏死斑 ,而商陆叶片正常 ,表
明烟草POD活性的迅速升高与大量坏死斑的形成
有关.Van Assche 等[ 25] 报道植物对重金属的共同响
应是 POD活性升高 ,因此 ,认为 POD活性变化可以
作为植物对环境胁迫响应的灵敏指标[ 26] .
4　结论
(1)MnCl2 处理下 ,烟草光合作用降低的幅度明
显高于商陆 ,表明Mn超累积植物商陆的Mn耐性明
显高于烟草.
(2)MnCl2 处理下 ,烟草叶片 MDA 和电解质渗
漏量迅速增加 ,商陆电解质渗漏量没有明显增加 ,表
明Mn对烟草造成了严重的氧化损伤 ,而商陆没有
明显受伤害.
(3)MnCl2 处理下 ,商陆和烟草叶片SOD和 POD
活性均呈增加趋势 ,CAT 活性变化趋势截然相反 ,表
明商陆抗氧化酶的协同作用是其耐 Mn 的机制之
一.POD活性的变化可能是反映 Mn毒的灵敏指标 ,
CAT 活性响应不同可能是鉴定重金属累积植物与敏
感植物的一个指标.
参考文献:
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