全 文 ：精胺对荇菜抗氧化酶系汞毒害的缓解作用＊
王　学＊＊ 　徐恒戬
(山东理工大学生命科学学院 , 山东淄博 255049)
摘　要　研究了外施不同浓度的精胺(Spm)对 15 μmol· L-1汞胁迫下 ,荇菜(Nymphoides
peltatum)叶中 SOD、CAT、APX、POD保护酶的活性 、O-·2 产生速率 、MDA、叶绿素 、可溶性蛋
白 、游离态多胺含量的影响 。结果表明:外施 0.05 ～ 0.5 mmol· L-1的 Spm显著提高了汞胁
迫下荇菜叶内的亚精胺 、精胺水平以及叶绿素和可溶性蛋白的含量;并能提高 SOD、CAT和
APX的活性 ,降低 O-·2 的产生速率 ,减缓 MDA的积累;0.05 ～ 0.5 mmol·L-1的外源 Spm可
增强植物抗氧化胁迫的能力 ,缓解汞对荇菜的毒害作用 ,其中 0.05 ～ 0.1 mmol·L-1的外源
Spm效果最佳 ,但当 Spm浓度达到 5 mmol·L-1时 ,却加剧了汞的毒害作用 。
关键词　荇菜;汞胁迫;精胺;抗氧化酶
中图分类号　X171.5　文献标识码　A　文章编号　1000-4890(2008)10-1744-05
MitigationefectsofspermineonHginjuryofNymphoidespeltatum santioxidantenzyme
system.WANGXue, XUHeng-jian(ColegeofLifeScience, ShandongUniversityofTechnology,
Zibo255049, Shandong, China).ChineseJournalofEcology, 2008, 27(10):1744-1748.
Abstract:Thispaperstudiedtheefectsofdiferentconcentrationexogenousspermine(Spm)on
theactivitiesofantioxidantenzymes(SOD, CAT, POD, APX), generationrateofO-·2 , andcon-tentsofMDA, freepolyamines(PAs), chlorophylandsolubleproteininNymphoidespeltatum
leavesunder15 μmol·L-1 Hgstres.TheresultsshowedthatundertheHgstres, 0.05-0.5
mmol·L-1 ofexogenousSpmcouldsignificantlyincreasethecontentsofleafspermidine(Spd),
Spm, chlorophyl, andsolubleprotein, promotetheactivitiesofSOD, CAT, andAPX, andde-
creasethegenerationrateofO-·2 andtheaccumulationofMDA.Itwassuggestedthat0.05-0.5
mmol·L-1 ofexogenousSpmcouldenhancetheresistanceofN.peltatumtooxidantstress, and
mitigatethetoxicefectsofHg.TheoptimumdoseofexogenousSpmwas0.05-0.1 mmol·L-1 ,
while5 mmol·L-1 ofSpmcouldaggravatethetoxicefectsofHg.
Keywords:Nymphoidespeltatum;Hgstress;spermine;antioxidantenzyme.
＊国家自然科学基金项目(30670121)和山东理工大学博士科研启
动经费资助项目(4041-406027)。
＊＊通讯作者 E-mail:xue wang@163.com
收稿日期:2008-02-04　　接受日期:2008-05-29
　　多胺(polyamines, PAs)是一类具有生理活性的
低分子量脂肪族含氮碱 , 其中腐胺 (putrescine,
Put)、亚精胺 (spermidine, Spd)和精胺 (spermine,
Spm)分布尤为普遍。外施适量浓度的 PAs能在一
定程度上缓解高盐(Yamaguchietal., 2006;李军等 ,
2007)、除草剂(Soaretal., 2004)、高温(Murkowski,
2001)等逆境胁迫。
汞是毒性最强的重金属元素之一 ,它可以直接
与核酸 、蛋白质(包括酶)等生物大分子中的活性基
团如磷酸基 、巯基等结合 ,或置换其中的阳离子使其
结构和功能遭到破坏(Patraetal., 2004)。当植物
体内汞积累到一定程度后 ,就会破坏细胞的结构和
功能 ,轻则使植物代谢紊乱 、生长发育受阻 ,重则造
成植物枯萎 、甚至衰老死亡(施国新等 , 2000)。环
境中的汞不仅影响植物的产量和质量 ,更严重的是
能通过食物链的生物放大作用最终影响人畜健康。
水生植物作为水生生态系统的初级生产者 ,在维持
水生态系统的结构和功能 ,以及生物多样性方面具
有不可替代的地位和作用。作者通过人工模拟重金
属汞污染水环境 ,以广布性的水生植物荇菜(Nym-
phoidespeltatum)为实验材料 ,研究了外施不同浓度
的 Spm对重金属污染下荇菜保护酶系统的影响 ,以
探求 Spm对植物抗重金属污染的作用及机理 ,为重
生态学杂志 ChineseJournalofEcology　2008, 27(10):1744-1748　　　　　　　　　　　　　
DOI :10.13292/j.1000-4890.2008.0316
金属污染的防治提供一定的方法和理论依据。
1　材料与方法
1.1　实验设计
荇菜采自苏州太湖无污染的淡水里 ,用自来水
和蒸馏水冲洗干净 ,放入加有 10%Hoagland培养液
的玻璃缸中 。选取高度和质量大约相同的植物为实
验材料 , 培养于环境可调的培养箱中 ,光暗周期
12 h/12 h, 光暗温度 25 ℃/18 ℃, 光照强度 115
μmol· m-2· s-1。 14 d后选取根系发达 ,长势一致
的植物分成 2组。对照组:用 10%Hoagland培养液
水培;Hg2+处理组:用含 Hg2+ 15 μmol· L-1的 10%
Hoagland培养液处理 。每组有 5个处理 ,分别用 0、
0.05、0.1、0.5、1.0、5.0 mmol· L-1的 Spm溶液于每
天的 7:00和 19:00向叶面喷施 1次 ,每处理喷施溶
液 5 ml,待叶面干燥后 ,根据不同处理更换培养液 ,
第 5天取样测定 。
1.2　研究方法
SOD活性测定采用 Oyanagui(1984)的方法 ,其
活性单位定义为:每毫升反应液中 SOD抑制率达
50%时所对应的 SOD量为 1个亚硝酸盐单位;CAT
活性用 Tanida(1996)的方法测定 ,其活性单位定义
为每克植物材料每秒分解 1 μmolH2O2的 CAT量为
1个活力单位;POD活性测定采用 Briton和 Maehly
(1955)的方法;APX活性测定采用沈文飚等(1996)
的方法;O-·2 产生速率测定按照王爱国和罗广华
(1990)的方法;MDA含量的测定采用 Heath和 Par-
ker(1968)的硫代巴比妥酸(TBA)比色法;叶绿素含
量的测定采用 Arnon(1949)的方法;可溶性蛋白含
量的测定采用 Bradford(1976)的方法 ,以牛血清白
蛋白(BSA)为标准蛋白;多胺含量测定按照李军等
(2007)进行。
以上实验均同时测定 3组平行数据 ,所得数据
利用软件 MicrocalOrigin6.0进行平均值和标准偏
差的计算。
2　结果与分析
2.1　外源 Spm对荇菜叶片 SOD酶活性的影响
由图 1可见 , 2处理组的 SOD活性均随外施
Spm浓度的升高先升后降 。对照组与 Hg2+处理组
分别在 Spm浓度为 0.1 mmol· L-1或 0.05 mmol·
L-1时达到最大值 ,与对照相比 , SOD活性分别提高
了 1 8.2%或 9.1%。当外施 Spm浓度超过 0.1
图 1　外源 Spm对抗氧化酶活性的影响
Fig.1　 Effectsofexogenousspermineontheactivitiesof
antioxidantenzymes
mmol· L-1时 , 2处理组的 SOD活性都随外源 Spm
浓度升高而逐渐降低 , Spm在高浓度下甚至对 SOD
活性具有一定的抑制作用 ,其中 Hg2+处理组更加显
著。
外源 Spm对 APX活性的影响与对 SOD活性的
影响相似 , 2处理组的 APX活性均随外施 Spm浓度
的升高先升后降 , 2组皆在 0.1 mmol· L-1到达最大
值 ,对无汞或有汞胁迫的植物喷施 0.1 mmol· L-1
的 Spm分别使它们的 APX活性提高了 110.7%和
1745王　学等:精胺对荇菜抗氧化酶系汞毒害的缓解作用
137.5%,由此可见 ,外源 Spm对 APX的影响较 SOD
更加显著 ,当外源 Spm过高时也会抑制 APX的活
性 ,与 SOD一致(图 1)。
由图 1可见 , 15 μmol· L-1的 Hg2+使 CAT活性
降低了 45.3%,虽然喷施 Spm可以延缓 CAT活性
的下降 ,但是其效果远没有 APX显著 ,且 CAT活性
达到最大值所需喷施的 Spm浓度均比 APX和 SOD
大 , 2处理组均在 0.5 mmol· L-1 Spm处理下 CAT
活性达到最大值 。
Hg2+对 POD的影响与上述 3种酶均不同 , 15
μmol· L-1的 Hg2+显著提高了 POD活性 ,与正常生
长的植物相比 , 15 μmol·L-1的 Hg2+使 POD活性提
高了 185.0%,而外施 0.05 ～ 1.0 mmol·L-1的 Spm
可明显的降低 POD活性的升高。但 5.0 mmol· L-1
的 Spm却进一步的加强了 Hg2+对 POD的作用 。相
对于 Hg2 +处理组的植物而言 ,低浓度的 Spm对无
Hg2+胁迫植物的 POD并没有显著的影响 ,但是高浓
度(0.5 ～ 5 mmol· L-1)的 Spm却显著提高了 POD
的活性(图 1)。
2.2　外源 Spm对荇菜叶片 O-·2 产生速率和 MDA含
量的影响
由图 2可见 , 15 μmol· L-1 Hg2+使荇菜叶中
O-·2 产生速率提高了 92.1%,喷施 0 ～ 0.5 mmol·
L-1的 Spm均可降低 Hg2+胁迫下的荇菜叶内 O-·2 的
产生速率 ,然而此浓度范围的 Spm对无 Hg2+胁迫的
植物均无显著影响。但当 Spm浓度过高时 (5.0
mmol·L-1),无论是有 Hg2+胁迫还是无 Hg2+胁迫
都促进了 O-·2 产生 ,它们与单一 Hg2+处理的植物或
正常生长的植物相比分别提高了 119.4%或
65.6%。
　　就无 Hg2 +胁迫的植物而言 ,虽然 0.5 ～ 1 mmol
· L-1的外源 Spm能稍稍降低植物的 MDA含量 ,但
其他浓度的外源 Spm对 MDA含量均无显著影响 。
Hg处理组的植物与之不同 ,外源 0.05 ～ 1 mmol·
L-1 Spm都显著降低了植物体内的 MDA含量 。其
中 0.5 mmol·L-1的 Spm作用效果最为显著 ,喷施
此浓度的 Spm使 Hg2+诱导的 MDA含量约降低了
1 /2(图 2)。
2.3　外源 Spm对荇菜叶片叶绿素和可溶性蛋白含
量的影响
如图 3所示 , 15 μmol· L-1的 Hg2 +处理荇菜 4
天后 ,叶绿素含量显著降低。而外施 Spm可明显提
高其叶绿素含量 。对 Hg2+处理组的植物喷施 Spm
效果更加显著 。喷施 0.1 mmol· L-1的 Spm均可使
对照组和 Hg2+处理组的叶绿素含量达到最大值。
然而当外源 Spm的浓度继续增大时 ,叶绿素的含量
却不再随之继续升高 ,甚至在无汞处理的植物上喷
施 5 mmol·L-1的精胺降低了其叶绿素的含量 。
1746 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　生态学杂志　第 27卷　第 10期　
图 4　外源 Spm对多胺含量的影响
Fig.4　 Effectsofexogenousspermineonthepolyamine
contents
　　虽然 Spm在 0 ～ 1 mmol· L-1范围内均可提高
蛋白质的含量 ,但当 Spm浓度高于 0.1 mmol· L-1
时 ,可溶性蛋白的含量便不再随 Spm浓度的升高而
增加(图 3)。
2.4　外源 Spm对荇菜叶片内多胺含量的影响
15 μmol· L-1的 Hg2+使多胺含量提高了
58.5%, Spd和 Spm含量分别降低了 34.4%和
38.7%。喷施低浓度的 Spm(0.05 ～ 0.5 mmol·
L-1)缓解了上述 3种内源多胺的变化 。当外施 Spm
的浓度超过 1 mmol· L-1时 ,内源多胺和 Spm大量
积累 ,而内源 Spd却相对降低(图 4)。
3　讨　论
正常情况下 ,植物体内活性氧的产生和清除处
于动态平衡状态 ,不会对植物体造成伤害 ,但是在逆
境胁迫条件下 ,这种平衡被破坏 ,引起植物体内产生
大量活性氧 ,造成叶绿素和蛋白质含量降低 ,使植物
产生毒害现象 ,与此同时 ,植物也相应的启动了防御
系统 。SOD、CAT、APX、POD等组成了植物体内的
保护酶系统 , SOD是植物中清除活性氧的第 1个酶 ,
它将细胞中产生的 O-·2 歧化为 H2O2 ,形成的 H2O2
随即被 CAT、POD和 APX等酶降解(Wangetal.,
2007)。本实验中 ,低浓度的 Spm(0.05 ～ 0.5 mmol
·L-1)缓解了 Hg2+胁迫导致的 SOD、CAT、APX活
性的下降 ,增强了植物抗氧化胁迫的能力 ,从而降低
了 O-·2 的产生速率 ,减缓了 Hg2+对植物的伤害 。
抗氧化酶活性的增强可能与 2个因素有关:1)
抗氧化酶量的增加 。SOD、CAT和 APX这 3种酶均
为蛋白质 ,而多胺能参与蛋白质合成 ,刺激蛋白质合
成的各个中间步骤 ,并参与蛋白质合成的起始 、延
长 、终止各个过程(Tiburcioetal., 1993),因而在无
Hg2 +胁迫的情况下 , 喷施 0.05 ～ 1 mmol· L-1的
Spm也可使蛋白质含量大幅度增加;Spm抑制 Hg2+
胁迫诱导的蛋白质降解的机制可能在于:Spm抑制
酸性蛋白酶和中性蛋白酶活性的提高(Balestreriet
al., 1987)。在本实验中也发现 ,用 0 ～ 1 mmol·L-1
Spm处理重金属毒害组 ,其可溶性蛋白质也显著增
加 ,因此可推测 Spm能增加抗氧化酶的含量 ,减缓
抗氧化酶的分解速度以增强抗性 。 2)抗氧化酶自
身活性的增强 。外施 Spm有这种效应 ,这一点在衰
老(黄维玉等 , 1990)、渗透胁迫(张木清等 , 1996)等
逆境中已被证明。本实验也证明在重金属毒害下 ,
外施 0.05 ～ 0.5 mmol· L-1 Spm可增强植物 SOD、
CAT和 APX的活性 ,提高植物抗氧化胁迫的能力。
与 SOD、CAT和 APX不同 , Hg2+对 POD活性有
明显促进作用 ,而外源 Spm可极显著地降低 Hg2+胁
迫引起的 POD活性的提高 。POD具有双重的作用 ,
它即可以与 SOD、CAT和 APX一样消除植物体内的
活性氧 ,细胞壁内的 POD也能促进活性氧的产生
(Kawanoetal., 1998)。 Hg2+胁迫下高活性的 POD
可能也是荇菜叶内 O-·2 积累的一个重要原因。而外
源 Spm可以通过抑制 POD诱导的活性氧的产生 ,缓
解重金属诱导的氧化胁迫。此外 , Spd和 Spm也可
直接清除活性氧自由基 ,减轻逆境对植物造成的伤
害(Langebartelsetal., 1991;Belé etal., 2004;Shar-
ma＆ Dietz, 2006)。
综上所述 ,低浓度的 Spm通过大幅度的提高保
护酶(SOD、CAT、APX)活性 ,降低 O-·2 等活性氧的产
生速率 ,从而阻止荇菜叶片中的叶绿素和可溶性蛋
1747王　学等:精胺对荇菜抗氧化酶系汞毒害的缓解作用
白质含量的降低 ,增强了荇菜抗 Hg2+胁迫的能力 。
其中外源 Spm的最适浓度为 0.05 ～ 0.1 mmol·
L-1 ,过高浓度的 Spm会加重 Hg2+对荇菜的毒害。
参考文献
黄维玉 , 王亚来 , 袁林江.1990.多胺对小麦离体叶片衰老
的调节.植物学报 , 32(2):125-132.
李　军 , 高新昊 , 郭世荣 , 等.2007.外源亚精胺对盐胁迫
下黄瓜幼苗光合作用的影响.生态学杂志 , 26(10):
1595-1599.
沈文飚 , 徐朗莱 , 徐茂炳 , 等.1996.抗坏血酸过氧化物酶
活性测定的探讨.植物生理学通讯 , 32(3):203-205.
施国新 , 杜开和 , 解凯彬 , 等.2000.汞 、镉污染对黑藻叶细
胞伤害的超微结构研究.植物学报 , 42(4):373-378.
王爱国 , 罗广华.1990.植物的超氧物自由基与羟胺反应的
定量关系.植物生理学通讯 , 26(6):55-57.
张木清 , 陈如凯 , 余松烈.1996.多胺对渗透胁迫下甘蔗愈
伤组织诱导和分化的作用.植物生理学通讯 , 32(3):
175-178.
ArnonDI.1949.Copperenzymesinisolatedchloroplastspoly-
phenoloxidaseinBetavulgarisL.PlantPhysiology, 24:
1-15.
BalestreriE, CioniP, RomagnoliA, etal.1987.Mechanismof
polyamineinhibitionofleafprotease.ArchivesofBiochemis-
tryandBiophysics, 255:460-463.
Belé NA, DalmolinGD, FoniniG, etal.2004.Polyaminesre-
duceslipidperoxidationinducedbydiferentpro-oxidant
agents.BrainResearch, 1008:245-251.
BradfordMM.1976.Arapidandsensitivemethodforthequan-
titationofmicrogramquantitiesofproteinutilizingtheprin-
cipleofprotein-dyebinding.AnalyticalBiochemistry, 72:
248-254.
BritonC, MaehlyAC.1955.Assayofcatalaseandperoxi-
dase//PackerL, ed.MethodsinEnzymology.VolumeⅡ.
NewYork:AcademicPress:801-813.
HeathRL, ParkerL.1968.Photoperoxidationinisolatedchlo-
roplastskineticsandstoichiometryoffattyacidperoxida-
tion.ArchivesofBiochemistryandBiophysics, 25:189-
198.
KawanoT, SahashiN, TakahashiK, etal.1998.Salicylicacid
inducesextracellularsuperoxidegenerationfolowedbyan
increaseincytosoliccalciumionintobaccosuspensioncul-
ture:Theearliesteventsinsalicylicacidsignaltransduc-
tion.PlantandCelPhysiology, 39:721-730.
LangebartelsC, KernerKJ, LeonardiS, etal.1991.Biochemi-
calplantresponsetoozone.Ⅰ .Diferentialinductionof
polyamineand ethylenebiosynthesisintobacco.Plant
Physiology, 91:882-887.
MurkowskiA.2001.Heatstressandspermidine:Efecton
chlorophylfluorescenceintomatoplants.BiologiaPlanta-
rum, 44:53-57.
OyanaguiY.1984.Reevaluationofassaymethodsandestab-
lishmentofkitforsuperoxidedismutaseactivity.Analytical
Biochemistry, 142:290-296.
PatraM, BhowmikN, BandopadhyayB, etal.2004.Compari-
sonofmercury, leadandarsenicwithrespecttogenotoxic
efectsonplantsystemsandthedevelopmentofgenetictol-
erance.EnvironmentalandExperimentalBotany, 53:199
-223.
SharmaSS, DietzKJ.2006.Thesignificanceofaminoacidsand
aminoacid-derivedmoleculesinplantresponsesandadap-
tationstoheavymetalstress.JournalofExperimentalBota-
ny, 57:711-726.
SoarCJ, PrestonC, Karotam J, etal.2004.Polyaminescan
inhibitparaquattoxicityandtranslocationinthebroadleaf
weed Arctotheca calendula. PesticideBiochemistry and
Physiology, 80:94-105.
TanidaM.1996.Catalaseactivityofriceseedembryoandits
relationtogerminationrateatalowtemperature.Breeding
Science, 46:23-27.
TiburcioAF, CamposJL, FiguerasX, etal.1993.Recentad-
vancesintheunderstandingofpolyaminefunctionsduring
plantdevelopment.PlantGrowthRegulation, 12:331-
340.
WangX, ShiGX, XuQS, etal.2007.Exogenouspolyamines
enhancecoppertoleranceofNymphoidespeltatum.Journal
ofPlantPhysiology, 164:1062-1070.
YamaguchiK, TakahashiY, BerberichT, etal.2006.The
polyaminespermineprotectsagainsthighsaltstressinAra-
bidopsisthaliana.FEBSLeters, 580:6783-6788.
作者简介　王　学 , 女 , 1974年生 , 博士研究生。主要从事
重金属对水生植物的毒害机制研究 , 发表论文 20余篇。
E-mail:xue wang@163.com
责任编辑　魏中青
1748 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　生态学杂志　第 27卷　第 10期