全 文 : [收稿日期] 2011-11-01;2012-03-17修回
[基金项目] 重庆市自然科学基金资助项目“冬季观赏植物生态浮床净化畜禽废水的机制及其应用研究”(cstc2011jA1236)
[作者简介] 朱启红(1978-),男,副教授,硕士,从事环境修复方面的教学和研究工作。E-mail:zhuqh05@163.com
[文章编号]1001-3601(2012)04-0181-0056-03
铅胁迫对蜈蚣草抗氧化酶系统和叶绿素含量的影响
朱启红,夏红霞
(重庆文理学院,重庆 永川402168)
[摘 要]为探明铅对蜈蚣草的胁迫作用,为利用蜈蚣草对重金属的超富集作用修复土壤重金属复合污
染提供理论依据,采用水培的方法,在不同浓度Pb2+胁迫下研究了蜈蚣草叶片叶绿素和抗氧化系统的变化
情况。结果表明:植株过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)在受铅胁迫初期,其活性值明显升高,但随着
铅胁迫量增加及胁迫时间延长,2种酶的活性则呈下降趋势;蜈蚣草叶片的SOD活性和叶绿素含量则随着
Pb2+浓度的增加呈下降趋势。说明,在铅胁迫下,蜈蚣草可通过抗氧化系统的应激反应形成一个应急系统,
以清除过多的活性氧,增强植株的抗逆性,减少重金属的毒害作用。
[关键词]蜈蚣草;铅胁迫;抗氧化系统;叶绿素
[中图分类号]S567.239 [文献标识码]A
Efects of Lead Stress on Antioxidant Enzyme System and
Chlorophyl Content of Pterisvitata
ZHU Qi-hong,XIA Hong-xia
(Chongqing University of Arts and Sciences,Yongchuan,Chongqing402168,China)
Abstract:In order to seek the effects of lead stress on P.vittata,water culture method was used to
study the transformation of chlorophyl and antioxidant system in P.vittata leaves with the different
concentrations of lead.The result showed that the activities of POD and CAT went obviously up at the
beginning of leed stress,but they were decreased as the quantity of leed increasing and the time extending.
The activity of SOD and Chlorophyl Content of P.vittatashowed the downtrend as the quantity of leed
increasing.This showed that P.vittata could form an emergency system through emergency reaction of
antioxidant system to clean up the overmuch active oxygen,strengthen the antireversion force of plants and
reduce the toxic action of heavy metal under the leed stress.
Key words:Pteris vittata;lead stress;antioxidant system;chlorophyl
重金属铅是污染土壤中分布较广且具有强蓄积
性的污染物[1],土壤中过量的铅既可对植物生长产生
不利影响,同时还可通过食物链进入人体,与人体多
种酶结合从而严重损害人的神经、消化、免疫和生殖
系统,对人类健康造成威胁。因此,土壤重金属铅污
染治理已经成为近年来污染土壤修复的主要方向之
一。植物修复是污染土壤修复的绿色修复工程技术,
是目前污染环境综合修复技术研究的热点内容[2],但
植物修复技术的难点在于超富集植物的筛选[3]。
蜈蚣草是砷超富集植物,对此人们作了大量的
研究工作,现已探明蜈蚣草对砷的富集能力和富集
基质[4]。相关研究也表明,蜈蚣草对土壤中的重金
属铅也有一定的富集能力[5];安志装等[6]采用土培
法研究了蜈蚣草耐铅、铜、锌毒性和修复土壤重金属
复合污染的能力,结果表明,不同浓度铅和较低浓度
锌处理下,蜈蚣草生物量呈显著性增加,土壤Pb、Zn
添加浓度分别为1 750mg/kg和1 350mg/kg时,蜈
蚣草生物量最大。说明,蜈蚣草有极强的耐Pb、Zn
毒性能力,能在较高有效态Pb或Zn污染土壤上正
常生长,利用蜈蚣草修复萃取 Pb—As,Zn—As,
Cu—As等复合污染土壤有重要的意义。邓培雁
等[7]采用水培法研究了砷胁迫下蜈蚣草光合作用的
变化情况。而有关蜈蚣草在重金属铅胁迫作用下其
生理生化指标变化情况的研究目前尚未见相关的文
献报道。为此,笔者等采用水培的方法,研究了在不
同浓度Pb2+胁迫下蜈蚣草叶片叶绿素和抗氧化系
统的变化情况,分析了蜈蚣草对铅的耐受机理,以期
为利用蜈蚣草对重金属的超富集作用修复土壤重金
属复合污染提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 供试材料
1.1.1 供试植物 蜈蚣草(Pteris vittata)采集于
重庆永川区黄瓜山。
1.1.2 试剂 Pb(NO3)2,分析纯;Hoagland营养
液,均用分析纯配制。
1.1.3 仪器及设备 紫外/可见分光光度计 UV-
5200(上海元析仪器有限公司)。
1.2 试验设计
采用单因素随机区组试验设计,共设7个不同
铅 浓 度 处 理,即:0mg/L,50mg/L,100mg/L,
400mg/L,800mg/L,1 500mg/L,2 500mg/L。3次
贵州农业科学 2012,40(4):56~58
Guizhou Agricultural Sciences
重复。
1.3 试验方法
1.3.1 材料预处理 将野外采集到的蜈蚣草选取
大小均一的植株先用自来水进行冲洗,再用去离子
水清洗后培养于 Hoagland营养液中,进行纯化。
待植株长出新叶后,将纯化后的植株放入添加有不
同铅浓度〔铅以Pb(NO3)2加入〕的营养液中进行水
培盆栽试验。此时,所有营养液中的KH2PO4浓度
减少为0.005mmol/L,以避免产生沉淀。保持24h
连续通气,每3d更换1次营养液。
1.3.2 测定内容 处理期间每天观察植物的长势
和症状表现,处理21d后收获植株测定其相应指标
即:测定叶片中叶绿素含量、SOD、POD、CAT以及
植株中铅的含量。叶绿素含量采用丙酮-乙醇分光
光度法[8],SOD活性按照改进的NBT光还原法[9],
POD活性采用愈创木酚法[10],CAT活性采用分光
光度法[11],铅用原子吸收分光光度法[12]。
2 结果与分析
2.1 叶绿素含量
由图可以看出,在铅浓度≤100mg/L时,叶绿
素含量稍有增加,这是叶绿素在初期表现出的一定
抗逆性;但随着铅浓度的增加,蜈蚣草叶绿素含量开
始下降,在铅浓度1 500mg/L时,与对照值相比叶
绿素a+b值下降了60%。
叶
绿
素
含
量
/(
m
g/
g%
FW
)
Ch
lo
ro
ph
yl
l%c
on
te
nt
2.5
SO
D
活
性
/(U
/g
)
SO
D
%a
ct
iv
ity
1%000
Pb2+/(mg/L)
500%%%%%%%%%%%%1000%%%%%%%%%%1500%%%%%%%%%%%2000%%%%%%%%%%2500
Pb2+/(mg/L)
500%%%%%%%%%%%%1000%%%%%%%%%%1500%%%%%%%%%%%2000%%%%%%%%%%2500
Pb2+/(mg/L)
500%%%%%%%%%%%%1000%%%%%%%%%%1500%%%%%%%%%%%2000%%%%%%%%%%2500
Pb2+/(mg/L)
0%%%%%%%%%%%%%%500%%%%%%%%%%%%1000%%%%%%%%%%1500%%%%%%%%%%%2000%%%%%%%%%%2500
PO
D
活
性
/[m
m
ol
/(g
·
m
in
)]
PO
D
%a
ct
iv
ity
0.45
CA
T
活
性
/[m
m
ol
/(g
·
m
in
)]
CA
T%
ac
tiv
ity
0.18
0.16
0.14
0.12
0.08
0.06
0.04
0.02
0
800
600
400
200
0
1.5
0.5
0
2
1
0.35
0.25
0.15
0.05
0
叶绿素 a
叶绿素 b
叶绿素 a+b
0.40
0.30
0.20
0.10
0.10
图示 铅胁迫对蜈蚣草植株叶绿素含量、POD活性、SOD活性和CAT活性的影响
Fig. Effects of leed stress on the activities of POD,SOD,CAT and Chlorophyl content in P.vittata
2.2 抗氧化酶系统
1)POD活性。过氧化物酶(POD)是植物适应
重金属胁迫的重要保护酶,广泛存在于植物体中,是
活性较高的一种酶,在植物生长发育过程中其活性
不断发生变化,其与呼吸作用、光合作用及生长素的
氧化等都有关系。在重金属胁迫下,植物体内产生
大量的活性氧自由基,破坏了活性氧代谢平衡,引起
蛋白质和核酸等生物大分子变性,使膜脂过氧化,从
而使植物受到伤害[13-14]。由图可见,在重金属铅胁
迫前期,蜈蚣草的POD活性随着铅浓度增加而上
升,在铅浓度为400mg/L时,植株POD活性达最
高〔为0.383mmol/(g·min)〕,铅胁迫对蜈蚣草
POD活性起到了诱导的作用(酶活性变化值高于对
照);之后,随着铅浓度增加,植株超氧自由基的生成
超出POD所能清除的能力,即幼苗体内自由基的产
生与清除失衡,铅胁迫对植株POD造成了迫害,使
POD的活性急剧下降,重金属对植株的毒害作用开
始显现,这与韩金龙、杜连彩等的研究结果一
致[15-16]。
2)SOD活性。超氧化物歧化酶(SOD)广泛存
在于一切好气生物中,是防御自由基对细胞伤害的
抗氧化酶,是一种源于生命体的活性物质[17]。当外
来胁迫导致大量活性氧产生时,它能及时有效清除
自由基,这对植株叶片细胞膜系统造成伤害,对植物
生长构成了严重的威胁。实验结果显示,蜈蚣草叶
片SOD活性随铅浓度增加而显著降低,并低于对照
处理。这说明,植株SOD活性明显受到抑制,铅对
植株叶片SOD活性毒害作用较大,这与袁红艳的研
究一致[18]。
3)CAT 活性。过氧化氢酶(CAT)可促使
H2O2分解为分子氧和水,清除体内的过氧化氢,从
而使细胞免于遭受 H2O2的毒害,是生物防御 H2O2
体系的关键酶之一[19-20]。CAT作用于过氧化氢的
机理实质上是H2O2歧化,H2O2浓度越高,分解速度
越快。由图可见,铅浓度≤100mg/L时,CAT活性
呈上升趋势,在铅胁迫浓度为100mg/L时达最高
·75·
朱启红 等 铅胁迫对蜈蚣草抗氧化酶系统和叶绿素含量的影响
ZHU Qi-hong et al Effects of Lead Stress on Antioxidant Enzyme System and Chlorophyl Content of Pteris vittata
[为0.159mmol/(g·min)]。其原因可能是在低浓
度的Pb2+胁迫下,植物体内由于SOD活性增加,歧
化反应 H2O2生成量增加,为对过量的 H2O2作出应
激反应,所以在较低浓度的铅刺激作用下,植物体内
CAT活性上升。随着铅浓度的大幅度增加和作用
时间的延长,Pb2+胁迫同样表现出对CAT活性的
抑制作用,即叶片 CAT活性下降,降低幅度大于
SOD活性的变化,此规律与韩志萍等[21]报道的相
似。其原因可能是植物长时间受重金属胁迫后,可
引起CAT分子构型的改变[22-23]。
3 结论
1)叶绿素含量是反映光合强度的重要生理指
标,植物在受到环境因素损伤时,其正常的生理状态
遭到破坏,叶绿素含量呈下降趋势,且其下降幅度反
映了植物受胁迫损伤程度[24]。谢明吉等[25]研究显
示,植株在重金属胁迫下,重金属进入植株细胞后主
要作用于叶绿素脂还原酶和胆色素原脱氢酶,从而
导致叶片失绿,叶绿素质量分数下降。试验结果表
明,在重金属铅胁迫下蜈蚣草叶片叶绿素含量随铅
含量增加而下降,这是因为高浓度铅胁迫能导致叶
绿体基粒结构的解体及与片层结构有关的基质明显
减少,破坏叶绿体结构[26];同时,由于铅拮抗了植物
对其他营养元素的吸收、转移,阻断了营养元素向叶
部运输,抑制合成叶绿素有关酶的活性,使叶绿素正
常合成受阻,导致叶绿素含量下降。
2)试验结果表明,在重金属铅胁迫下蜈蚣草的
POD活性和CAT活性随铅程度增加呈先升高后下
降的趋势,SOD活性则呈持续下降的趋势。表明,
在重金属胁迫下,植株可通过抗氧化系统的应激反
应,形成一个应急系统,以清除过多的活性氧,增强
植株的抗逆性,减少重金属的毒害作用。随着重金
属浓度增加和胁迫时间的延长,重金属铅将钝化植
株保护酶的活性,最终造成活性氧防御系统瓦解,活
性氧数量骤增而使得抗氧化酶活性降低[27],重金属
的毒害作用开始显现。
[参 考 文 献]
[1] 高文谦,陈玉福.铅污染土壤修复技术研究进展及发
展趋势[J].有色金属,2011,63(1):131-136.
[2] 程新伟.土壤铅污染研究进展[J].地下水,2011,33
(1):65-68.
[3] 赖发英,卢年春,牛德奎,等.重金属污染土壤生态工
程修复的试验研究[J].农业工程学报,2007,23(3):
80-84.
[4] 蒋 彬.超积累植物在治理土壤重金属污染中的应用
[J].昭通师范高等专科学校学报,2002,24(5):32-
34.
[5] 樊有赋,华 晔,詹寿发,等.超积累植物与重金属污
染的植物修复技术[J].河北农业科学,2007,11(5):
73-75.
[6] 安志装,陈同斌,雷 梅,等.蜈蚣草耐铅、铜、锌毒性
和修复能力的研究[J].生态学报,2003,23(12):
2594-2598.
[7] 邓培雁,刘 威,韩志国.砷胁迫下蜈蚣草光合作用的
变化[J].生态环境,2007,16(3):775-778.
[8] 郝建军.植物生理学试验技术[M].沈阳:辽宁科学技
术出版社,2004.
[9] 沈文飚,徐朗莱,叶茂炳,等.氮蓝四唑光化还原法测
定超氧化物歧化酶活性的适宜条件[J].南京农业大
学学报,1996,19(2):101-102.
[10] 李瑞智.SO2对作物叶片过氧化物酶的影响[J].西南
师范大学学报:自然科学版,1984(3):114-116.
[11] 李合生.植物生理生化试验原理和技术[M].北京:高
等教育出版社,2000.
[12] 韦进宝.环境监测手册[M].北京:化学工业出版社,
2006.
[13] 任安芝,高玉葆,刘 爽.青菜幼苗体内几种保护酶的
活性对Pb、Cd、Cr胁迫的反应研究[J].应用生态学
报,2002,13(4):510-512.
[14] 段文芳,石贵玉,秦丽凤,等.镉胁迫对桐花树光合·
蒸腾作用及保护酶活性的影响[J].安徽农业科学,
2008,36(4):1355-1356,1370.
[15] 杜连彩.铅胁迫对小白菜幼苗叶绿素含量和抗氧化酶
系统的影响[J].中国蔬菜,2008(5):17-19.
[16] 韩金龙,王同燕,徐立华,等.铅胁迫对糯玉米幼苗叶
片叶绿素含量及抗氧化酶活性的影响[J].华北农学
报,2010,25(B08):121-123.
[17] 孙成芬,马 丽,盛连喜,等.土壤萘污染对玉米苗期
生长和生理的影响[J].农业环境科学学报,2009,28
(3):443-448.
[18] 袁红艳,刘嘉琦,陆小平.铅胁迫对费菜叶绿素含量及
抗氧化酶活性的影响[J].安徽农业科学,2010,38
(23):12445-12447.
[19] 蔡建秀,王慧云,王春风.铅胁迫对桐花树幼苗根叶蛋
白质及根抗氧化酶活性的影响[J].安徽农业科学,
2010,38(6):153-155.
[20] 李铮铮,伍 钧,唐 亚.铅、锌及其交互作用对鱼腥
草叶绿素含量及抗氧化酶系统的影响[J].生态学报,
2007,27(12):5541-5546.
[21] 韩志萍,吕春燕,王趁义,等.镉胁迫对芦竹抗氧化酶
活性的影响[J].核农学报,2008,22(6):846-850.
[22] 葛才林,杨小勇,朱红霞,等.重金属胁迫对水稻叶片
过氧化氢酶活性和同功酶表达的影响[J].核农学报,
2002,16(4):197-202.
[23] 铁柏清,袁 敏,唐美珍,等.重金属单一污染对龙须
草生长与生理生化特性的影响[J].中国生态农业学
报,2007,15(2):99-103.
[24] 鲁先文,宋小龙,王 三,等.重金属铅对小麦叶绿素
合成的影响[J].潍坊教育学院学报,2008,21(2):47-
48,59.
[25] 谢明吉,柯文山,王万贤.铜胁迫下两种海州香薷的膜
脂过氧化水平及抗氧化能力比较[J].生态学杂志,
2005,24(8):935-938.
[26] 计汪栋,施国新,杨海燕,等.铜胁迫对竹叶眼子菜叶
片生理指标和超微结构的影响[J].应用生态学报,
2007,18(12):2727-2732.
[27] 何 冰,叶海波,杨肖娥.铅胁迫下不同生态型东南景
天叶片抗氧化酶活性及叶绿素含量比较[J].农业环
境科学学报,2003,22(3):274-278.
(责任编辑:王 海)
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