全 文 ：贵 州 科 学 27(3):58-61, 2009
GuizhouScience
收稿日期:2008-10-08
基金项目:国家科学基金项目 “湘潭锰尾矿废弃地植物稳定技术及其
环境风险评价 ”(40771181)。
作者简介:沈吉红(1984-),男 ,硕士研究生 ,研究方向为植物生理与结
构。E-mail:shenjh19841223@yahoo.cn联系电话:13574160385。通讯
作者:薛生国(1970-),男 , 副教授 ,硕士生导师 ,主要从事污染土壤植
物修复与矿业废弃地生态恢复机理研究.E-mail:sgxue70@yahoo.
com.cn。
锰胁迫对垂序商陆叶片抗氧化系统的影响
沈吉红 1　梁文斌 1　薛生国 2　王　萍1
(1中南林业科技大学 生命科学与技术学院 , 长沙　410004;2中南大学 冶金科学与工程学院 ,长沙　410004)
摘　要　通过水培试验研究了不同浓度锰处理(0 μmol· L-1、1 000 μmol· L-1、 5 000 μmol· L-1 、8 000 μmol· L-1、 12 000
μmol· L-1和 15 000 μmol· L-1)对垂序商陆抗氧化系统的影响。结果表明:锰处理 15 d与 30 d相比较 , 两者过氧化物酶
(POD)、过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)的活性及 H2O2含量与 O-2 产生速率的变化趋势基本一致。 POD和 CAT
活性随锰处理浓度增加而上升 ,在高锰浓度下其活性上升明显 ,高达 12 000 μmol· L-1时活性最高;H2O2含量随锰处理浓度
增加呈现先下降后上升的趋势;O-2 产生速率与 SOD活性随锰处理浓度增加均逐步上升。垂序商陆的抗氧化酶系统一直对其
机体在胁迫逆境中起着重要的防御和抵制作用。
关键词　锰胁迫 , 垂序商陆 ,抗氧化系统
中图分类号　O175.4　　　　文献标识码　A　　　　文章编号　 1003-6563(2009)03-0058-04
EffectsofManganeseStressontheActivityofAntioxidantEnzymesintheLeav-
esofPhytolaccaamericana
SHENJi-hong　LIANGWen-bin　XUESheng-guo　WANGPing
(1ColegeofLifeScienceandTechnology, CentralSouthUniversityofForestryandTechnology, Changsha410004,
China;2ColegeofMetalurgicalScienceandEngineering, CentralSouthUniversity, Changsha410004, China)
Abstract:　TheefectsofmanganesestressonactivityofantioxidantenzymesintheleavesofPhytolaccaamericana
(Phytolaccaceae)werestudiedthroughhydroponics.Theresultsshowedthatthechangingpaternofactivitiesof
peroxidase(POD), catalase(CAT), superoxidedismutase(SOD), H2O2 contentsandO-2 generatingratesinthe
manganesestressfor15dayswerebasicalysimilartothatfor30days.TheactivitiesofPODandCATrosewiththe
increaseofconcentrationofmanganese, andsignificantlyrosewiththestresofhigherconcentrationofmanganese,
andbecamehighestwhentheconcentrationofmanganesewas12 000μmol·L-1.H2O2 contentsdeclinedfirstand
thenrosewiththerisingofmanganeseconcentration.ThegeneratingratesofO-2 andtheactivitiesofSODincreased
withtherisingofmanganeseconcentration.Thus, theactiveoxygen-scavengingsysteminthebodyofPhytolacca
americanaplayedanimportantroleindefenseandresistanceagainststresscircumstances.
Keywords:　manganesestress, phytolacaamericanaL.(Phytolaccaceae), activityofantioxidantenzymes
　　锰是植物生长代谢所必需的微量元素之一 ,但
过量的锰也对植物有毒害作用 [ 1] 。由于土壤中的
有效锰受土壤 pH值影响很大 ,受酸雨影响随 pH的
降低而不断增高 ,在酸性条件下锰毒经常发生 [ 2-4] 。
研究表明 ,重金属胁迫将导致植物体内活性氧自由
基水平急剧上升 ,当这种自由基超出植物体活性氧
清除酶清除能力时 ,会对植物代谢产生危害 ,进而
使植物生长发育受到影响 , 严重时导致植物死
亡 [ 5-8] 。为了避免这种氧化伤害 ,植物体内的抗氧
化酶如 SOD、POD和 CAT能清除体内的活性氧 [ 9] 。
关于锰毒对植物抗氧化系统的研究已有报道 ,胡雷
(2002)[ 10]等对锰和大豆 POD及 CAT活性影响进
行了研究。徐根娣 (2006)[ 11]等研究了锰对大豆
POD和 EST同工酶酶谱的影响。垂序商陆是商陆
科草本植物 ,具有生物量大 、适应性强及分布范围
广等特点。薛生国等(2003)[ 12]发现垂序商陆在锰
矿废弃地生长良好 ,对生长介质中锰具有超强的吸
附能力 ,在锰污染土壤和水体修复方面具有很大的
应用前景。本研究采用水培法对不同锰浓度处理
下垂序商陆抗氧化系统的变化 ,旨在为深入了解垂
序商陆高锰耐受性机制及为锰矿废弃地的植被恢
复提供依据 。
1　材料与方法
1.1　供试材料
试验于 2008年 4月至 6月在中南林业科技大
学株洲校区苗木基地进行。采集同株垂序商陆
(Phytolaccaacinosa)种子 ,低温处理和消毒后置于
恒温箱(温度为 25±0.5℃)催芽 ,待种子露白后埋
入河沙盆中 ,长到 2叶 1心时 ,选取生长一致的健壮
幼苗移栽至体积为 20 L的塑料盆内 。采用水培法 ,
选用 Hoagland营养液 ,在幼苗生长至 7叶 1心时加
入锰微量元素液 ,处理浓度分别设为 1 000μmol·L-1、
5 000μmol·L-1、8 000μmol· L-1 、12 000μmol· L-1
和 15 000μmol· L-1 ,并设空白对照 。每处理 2盆
70株 。培养初期 ,营养液每 7d换 1次 ,旺盛生长期
每 5 d换 1次 ,用增氧泵通气 ,每天添加蒸馏水至相
同体积 ,新换营养液 pH均调至 6.0 ～ 6.2之间 。
1.2　测定项目和方法
在锰胁迫 15 d和 30 d分别取每处理植株倒数
第五片叶片测定抗氧化指标 。 H2O2含量的测定参
照 Mukherjee等(1983)[ 13]方法 , O-2 产生速率的测
定参照王爱国等(1990)[ 14]采用的方法 ,超氧化物歧
化酶(SOD)活性测定采用氮蓝四唑法 [ 15] ,过氧化物
酶(POD)活性测定采用愈创木酚法[ 16] ,过氧化氢酶
(CAT)活性测定采用过氧化氢法[ 16] 。
2　结果
2.1　锰胁迫对 POD活性的影响
如图 1所示 ,垂序商陆叶片 POD活性在各锰浓
度处理下有较大变化 ,且均高于对照。锰处理 15 d,
POD活性随锰处理浓度的增加而上升 ,在锰浓度达
到较高值 12 000μmol·L-1时 , POD活性最高 ,为对
照的 8.64倍 ,当锰浓度超过 15 000 μmol· L-1时 ,
锰对植物造成严重损伤 , POD活性开始下降。锰处
理 30 d,各处理随着锰浓度的 POD活性变化趋势与
15d的相似。
Mn处理浓度(μmol.L-1)
图 1　锰对商陆叶片 POD活性的影响
Fig.1　TheefectofmanganeseonPODactivity
ofphytolaccaacinosaleaves
2.2　锰胁迫对 SOD活性的影响
如图 2所示 ,在各锰浓度处理下 ,垂序商陆叶片
SOD活性均高于对照 。处理 15 d, SOD活性总体变
化趋势是随锰处理浓度增加而上升 。处理 30 d,
SOD活性随着锰浓度增加而逐步上升 , 至 15 000
μmol·L-1浓度处理下呈现最大值 , SOD活性比对
照上升了 55.6%。与处理 15 d相比 ,处理 30 d时
SOD活性总体上升趋势明显。
Mn处理浓度(μmol.L-1)
图 2　锰对商陆叶片 SOD活性的影响
Fig.2　TheefectofmanganeseonSODactivity
ofphytolaccaacinosaleaves
59　3期　　　　　　　　　沈吉红 ,等:锰胁迫对垂序商陆叶片抗氧化系统的影响
2.2　锰胁迫对 CAT活性的影响
如图 3所示 ,垂序商陆叶片 CAT活性在各锰浓
度处理下有较大变化 ,均高于对照 。处理 15 d时 ,
在锰浓度从 0 μmol· L-1上升到 5 000 μmol· L-1 ,
CAT活性上升趋势较缓 ,处理浓度为 1 000 μmol·
L-1和 5 000 μmol· L-1分别是对照的 1.41倍和
1.70倍。而在锰浓度处理上升到 8 000 μmol· L-1
时 , CAT活性显著增加 , 是对照的 5.35倍 ,而从 8
000μmol· L-1上升到 15 000μmol· L-1时 ,先小幅
度上升后显著下降 ,在 12 000 μmol· L-1处理下
CAT活性最高 ,是对照的 5.74倍 , 15 000 μmol·
L-1处理下 CAT活性由于植物组织损伤开始下降 。
在锰处理 30 d时 ,变化趋势和锰处理 15 d相似 ,但
在 12 000μmol· L-1和 15 000 μmol· L-1处理下 ,
CAT活性比处理 15 d有所下降 。
Mn处理浓度(μmol.L-1)
图 3　锰对商陆叶片 CAT活性的影响
Fig.3　TheefectofmanganeseonCATactivity
ofphytolaccaacinosaleaves
2.2　锰胁迫对 H2O2含量的影响
如图 4所示 ,在各锰浓度处理下 ,垂序商陆叶片
H2O2含量有较大变化 。处理 15 d时 ,随着锰浓度
增加 , H2O2含量呈现先下降后上升的趋势 , 且在
12 000 μmol·L-1浓度下达到最小值;而处理 30 d
变 化 趋 势 和 处 理 15 d基 本 相 似 , 并 在
5 000 μmol·L-1浓度下达到最小值 。处理 15 d和
处理 30 d相比较 ,各个浓度处理下 H2O2含量均有
所上升 , 分别上升了 10.2%、 7.5%、 52.2%、
61.3%、68.0%和60.6%。
2.2　锰胁迫对 O-2产生速率的影响
如图 5所示 ,垂序商陆叶片 O-2 产生速率在各
锰浓度处理下有较大变化 ,且均高于对照 。
在锰处理 15 d, O-2 产生速率随着锰处理浓度
的增加在逐步增大 ,在锰浓度达到 15 000 μmol·L-1
Mn处理浓度(μmol.L-1)
图 4　锰对商陆叶片 H2O2含量的影响
Fig.4　TheefectofmanganeseonH2O2 contentofphytolaccaacinosaleaves
时 O-2 产生速率达到最大值 ,其数值是对照的 9.90
倍。在锰处理 30 d,变化趋势与处理 15 d基本相
似 , O-2 产生速率也在 15 000 μmol· L-1达到最大
值 ,其数值是对照的 10.76倍。
Mn处理浓度(μmol.L-1)
图 5　锰对商陆叶片 O-2 产生速率的影响
Fig.5　Theeffectofmanganeseongeneratingrate
ofO-2 ofphytolaccaacinosaleaves
3　结论与讨论
POD和 CAT活性的维持和提高是植物耐受重
金属胁迫的物质基础之一 , POD和 CAT共同作用催
化 H2O2形成 H2O,从而有效的阻止 O-2 和 H2O2在
植物体内的积累[ 17] 。本研究发现随着锰处理浓度
的增加 , POD和 CAT在呈现先逐步上升再下降的趋
势 ,锰浓度从 1 000μmol·L-1增加到 8 000μmol·L-1
显著增大 ,并且均在 8 000 μmol·L-1浓度处理下上
升到一个较高值 ,然后上升趋势变缓 ,最后在 15 000
μmol·L-1浓度处理下下降 ,而处理 15d和处理 30 d
的变化趋势基本一致。说明垂序商陆在高浓度锰
60 贵　州　科　学 　　　　　　　　　　　　　　　　27卷　
胁迫时 POD和 CAT是其抵制和防御锰伤害的原因
之一 ,同时也说明在锰处理浓度高于 8 000μmol· L-1
时 , POD和 CAT功能达到极限 , 15 000μmol·L-1处
理下 POD和 CAT活性下降可能是有毒物质超过其
正常的催化能力后则导致其活性下降 ,这与重金属
胁迫下多种植物 POD和 CAT变化规律是一致
的 [ 5-7] 。从 H2O2含量随锰处理浓度增加的变化趋
势来看 , H2O2含量呈现先下降后上升 ,处理 15 d和
30 d分别在 12 000 μmol· L-1和 5 000 μmol· L-1
处理下达到最小值 ,并且低于对照水平 ,说明此时
垂序商陆体内大量的 H2O2被 POD和 CAT分解 ,更
加进一步说明了 POD和 CAT是垂序商陆高锰耐受
性的原因之一 ,同时处理浓度进一步上升 , H2O2含
量也逐步上升 ,在锰处理 30 d15 000 μmol· L-1处
理下高于对照 ,这可能是锰浓度进一步上升 , H2O2
产量逐步上升 ,有毒物质对机体的损伤超过了 POD
和 CAT的催化作用导致。水培商陆生长周期为 45d,
从 15d和 30 d测定结果发现 , POD、CAT以及 SOD
变化趋势随时间推移前后基本一致 ,因此也说明在
垂序商陆整个生命周期中抗氧化酶系统一直对机
体在锰胁迫下起着重要的防御和抵制作用 。
SOD是一种重要的活性氧防御酶 ,在消除超氧
物自由基 、减轻脂质过氧化作用和膜伤害方面起重
要作用 [ 18] 。同时 SOD作为一种诱导酶 ,在逆境条
件下 ,植物体内 O-2 含量一定程度的增加能诱导酶
活性的上升 ,保持植物体清除自由基的正常功能 ,
SOD活性的提高是相应于 O-2 产生速率增加的应急
解毒措施 , 从而使植物细胞免受毒害的调节反
应 [ 19] 。本研究表明 ,随着锰处理浓度增加和锰处理
时间延长 , O-2 产生速率和 SOD活性均在逐步上升 ,
说明垂序商陆在高锰胁迫下体内会产生大量的
O-2 ,但 SOD活性同时也在逐步提高以消除产生的
O-2 。这可能也是垂序商陆的高锰耐受性的原因
之一。
SOD能清除 O-2 ,并产生歧化产物 H2O2 [ 18] ,
POD和 CAT则催化 H2O2形成 H2O[ 17] 。 3种酶的
协同作用可在植物体内形成一个清除活性氧的防
御过氧化系统 ,使活性氧的产生和清除处于平衡状
态 ,从而使细胞免受伤害 ,起到保护作用。从本研
究的结果来看 ,无论是 POD、CAT或 SOD活性随锰
浓度变化趋势还是商陆体内 H2O2含量和 O-2 产生
速率变化趋势 ,都证实了垂序商陆作为一种超积累
植物其抗氧化系统具有抵御高锰胁迫对其带来的
伤害 ,使其体内自由基水平维持常态水准从而完成
整个生命周期 。
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(下转第 66页)
61　3期　　　　　　　　　沈吉红 ,等:锰胁迫对垂序商陆叶片抗氧化系统的影响
MonteCarlo(MC), geneticalgorithm(GA), mixedsearch
(MS), andbranchandbound(BB).
　　由上面的结果可以看出 ,本文采用的方法能够
有效地找出蛋白质链的全局能量最小值。在未来
的工作中 ,我们将要做的工作是找到蛋白质链三维
空间结构中残基的关联关系并将此方法应用到三
维的 HP模型以及非格点模型中去。
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