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镉硫交互对东南景天抗氧化酶活性的影响



全 文 :第25卷第5期
2011年10月
水土保持学报
Journal of Soil and Water Conservation
Vol.25No.5
Oct.,2011
 
  收稿日期:2011-04-14
  基金项目:教育部科学技术研究重点项目(210184);国家自然科学基金项目(306330046)
  作者简介:李会合(1977-),男,教授,博士,从事植物营养生理、环境生态等方面的研究。E-mail:lihuihe@163.com
镉硫交互对东南景天抗氧化酶活性的影响
李会合
(重庆文理学院,重庆 永川402160)
摘要:通过营养液培养试验研究不同硫镉水平对超积累东南景天抗氧化酶活性的影响。结果表明,在增施
镉水平下东南景天叶片的 MDA含量随着硫水平增加显著降低,Cd0水平下S2处理显著降低 MDA含量
达12.4%。相反,东南景天叶片的 MDA含量随着镉水平的提高显著增加18.4%~137.7%。镉硫交互对
超积累东南景天叶片抗氧化酶活性有显著影响。超积累东南景天叶片SOD活性随着硫、镉水平的增加而
增加,以S3>S2>S1,Cd100>Cd10>Cd0。增施硫显著提高Cd10和Cd100水平下东南景天叶片POD活
性。在S1,S2水平下,增加Cd水平东南景天叶片POD活性显著增加,POD活性以Cd10>Cd100>Cd0。
超积累东南景天叶片CAT活性随着硫水平增加而增加8.9%~21.3%,CAT活性随着Cd水平的增加而
显著增加,增幅以S1和S2水平下较大。随着S,Cd水平的增加东南景天叶片的 APX活性显著增加。镉
硫交互对4种抗氧化酶的效应以APX>CAT>POD>SOD。
关键词:超积累东南景天;镉;硫;抗氧化酶
中图分类号:X171.5;X173   文献标识码:A   文章编号:1009-2242(2011)05-0103-04
Effects of Sulfur and Cadmium Interactions on Antioxidant Enzyme Activity in
Hyperaccumulator-Sedum alfredi Hance
LI Hui-he
(Chongqing University of Arts &Sciences,Yongchuan,Chongqing402160)
Abstract:Effects of sulfur and cadmium interactions on antioxidant enzyme activity in hyperaccumulator-Se-
dum alfredii Hance were investigated in hydroponic culture.The contents of MDA in leaf were decreased
with sulfur application under three cadmium levels,significantly decreased by 12.4%in Cd0and S2treat-
ment.On the contrary,the contents of MDA were significantly increased from 18.4%to 137.7% with in-
creasing cadmium level.There were significant effects of sulfur and cadmium interactions on antioxidant en-
zyme activity in hyperaccumulator-Sedum alfredii Hance.With increasing of sulfur and cadmium level,the
activity of SOD were significantly increased and were in the order of S3>S2>S1and Cd100>Cd10>Cd0.
The activities of POD in leaf of hyperaccumulator-Sedum alfredii Hance were increased with increasing S ap-
plication in Cd10and Cd100treatment.Under S1and S2levels,the activities of POD were enhanced with in-
creasing cadmium level and were in the order of Cd10>Cd100>Cd0.The activities of CAT were increased
from 8.9%to 21.3% with application S.Increasing cadmium level enhanced CAT activity and the effects
were better under S1and S2level.The activities of APX were significantly increased by application of sulfur
and cadmium.Effects of sulfur and cadmium interaction on antioxidant enzyme activity were in the order of
APX>CAT>POD>SOD.
Key words:hyperaccumultor-Sedum alfredii Hance;cadmium;sulfur;antioxidant enzyme
土壤及水资源的重金属污染已成为影响环境和威胁人类健康的严重问题,空气与农业土壤污染是世界上
大多数国家面临的严重的生态问题之一。镉是一种对动植物均具有很强毒性的重金属。由于工业废物管理不
善和使用高含量镉的城市废弃物与肥料等,造成了土壤的镉污染,并通过作物生产而进入食物链,威胁人们的
健康[1]。正常情况下,植物通过抗氧化酶如SOD、CAT、GR、POD以及抗氧化剂的协同作用下,保持体内的代
谢平衡。当植物遭受干旱、高温、低温、盐害以及重金属胁迫时,其体内的活性氧代谢失调,活性氧水平上升,引
起膜脂过氧化。Cd胁迫使植物产生过量的活性氧(reactive oxygen species,ROS),如过氧化自由基、羟基自由
DOI:10.13870/j.cnki.stbcxb.2011.05.012
基、过氧化氢,使细胞膜脂质的过氧化,导致蛋白质、色素、酶、核酸等功能物质氧化损伤,严重的导致植物死
亡[2-3]。镉的这种生长抑制作用机理十分复杂,其中氧化胁迫是其产生危害的机制之一[4]。
植物在生长发育过程中形成了不同的活性氧清除机制,如酶清除系统和非酶清除系统。酶清除系统包括
SOD、CAT、APX、POD等[5]。其中,SOD和CAT共同作用能把·O-2 和 H2O2 转化成 H2O和O2,抑制高活
性的OH等的形成,POD和CAT则可催化 H2O2 形成 H2O,从而有效阻止O-2 和 H2O2 的积累,限制这些自
由基对膜脂过氧化的启动;APX能以还原型抗坏血酸(AsA)为底物将 H2O2 还原成 H2O而清除,尤其在叶绿
体 H2O2 的清除中起重要作用[6]。硫作为植物生长的必需元素,在植物的生长发育和逆境应答过程中起着重
要的作用[7]。前面的研究表明,硫可以促进镉胁迫下超积累东南景天的生长和镉累积,本文在营养夜培养条件
下,研究镉硫交互对超积累东南景天抗氧化酶活性的影响,以探讨增施硫提高东南景天镉累积的效应机理和东
南景天对Cd的耐性机制。
1 材料与方法
1.1 试验设计
超积累生态型东南景天取自浙江省衢州市的一个废旧铅锌矿,用自来水将超积累生态型东南景天冲洗干净,
剪成大小一致的枝条,用带有顶芽的茎段进行预培养后备用。所供营养液的组成:2.00mmol/L Ca(NO3)2·4H2O,
0.10mmol/L KH2PO4,0.50mmol/L MgSO4·7H2O,0.10mmol/L KCl,0.70mmol/L K2SO4,10.00μmol/L
H3BO3,0.50mmol/L MnSO4,1.00μmol/L ZnSO4·7H2O,0.20μmol/L CuSO4·5H2O,0.01μmol/L
(NH4)6Mo7O24,100μmol/L Fe-EDTA。预培养方法:自来水培养生根后,经1/4营养液培养1周,1/2营养液
培养1周,正常营养液培养1周[8],待长出旺盛的根系后,设置3个镉浓度0(Cd0),10(Cd10),100(Cd100)
μmol/L(以Cd(NO3)2 的形态加入)、3个硫浓度0.75(S1),1.5(S2),2.25(S3)mmol/L(如果SO
2-
4 处理浓度
需要高出正常营养液水平,就直接加入K2SO4;若需要低于正常营养液水平,则减少营养液配方中的K2SO4,
补充KCl以维持正常的K+浓度),共9个处理,重复3次。
所有培养过程均在人工气候室内进行,相对湿度维持在70%~80%,白天温度26℃,夜间温度20℃,16h
光照8h黑暗交替,每天调整1次pH 值,每4天更换一次营养液,并保持连续温和通气。pH 用0.1mol/L
HCl或0.1mol/L NaOH调节,维持在5.5±0.2(以植物野外自然生长的土壤pH为依据)。在试验处理12
天后,采收植株顶叶以下的第3片为供试材料,测定超积累东南景天叶片的抗氧化酶活性。
1.2 测定分析方法
MDA含量用硫代巴比妥酸TBA显色法[9]测定。抗氧化酶提取按每1g鲜叶加入3ml 0.05mol/L pH
7.8磷酸钠缓冲液,加入少量石英砂,于冰浴中的研钵内研磨成匀浆,定容到5ml刻度离心管中,于转速8 500
r/min(10 000g)冷冻离心30min,上清液即为酶粗提液。超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四挫(NBT)光
化还原的方法[9]测定;过氧化物酶(POD)按照Cakmak的方法[10]测定;过氧化氢酶(CAT)活性采用Cakmak
等[11]的方法测定;抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性采用Nakano等[12]的方法测定。
图1 镉硫交互对超积累东南景天叶片
MDA含量的影响
2 结果与分析
2.1 镉硫交互对东南景天丙二醛(MDA)含量的影响
植物在胁迫条件下,其体内活性氧代谢平衡被打破,过多的活
性氧引起膜脂过氧化,而 MDA则是膜脂过氧化的最终产物产物,
可与蛋白质、核酸、氨基酸等活性物质交联,形成不溶性的化合物
(脂褐素)沉积,干扰细胞的正常生命活动,其含量的高低反映了
细胞内的活性氧的水平和膜脂过氧化的程度[13]。不同镉硫交互
处理对超积累东南景天叶片的 MDA含量有显著影响(图1)。与
S1水平相比,东南景天叶片的 MDA含量在Cd10和Cd100水平下随着硫水平增加分别显著降低10.0%~
15.5%和11.8%~18.1%,Cd0S2处理下的显著降低12.4%。在S1和S2水平下,东南景天叶片的 MDA含
量随着镉水平的提高分别显著增加18.4%~133.5%和21.6%~137.7%,而Cd100S3处理下的则显著增加
89.3%,在Cd10S3处理下的影响不大。可见,随着镉水平的增加东南景天叶片 MDA含量累积,镉胁迫对超
积累东南景天的毒害加剧,而增加硫水平东南景天叶片的 MDA含量降低,其原因在于增硫处理降低了镉胁迫
下超积累东南景天叶片活性氧自由基水平,缓解对超积累东南景天的危害,提高其对镉的耐受性[1,5]。
401 水土保持学报       第25卷
图2 镉硫交互对超积累东南景天叶片
SOD活性的影响
2.2 镉硫交互对东南景天SOD活性的影响
植物体在有氧代谢过程中产生氧自由基可使脂质过氧化,并
导致膜伤害,而超氧化物歧化酶(SOD)是一种抗性酶,能催化O·2
或 HO·2 歧化成 H2O2,在高等植物体内具有抗氧化伤害、抗器官
衰老及抗逆胁迫的作用[14]。由图2可知,3个镉水平(Cd0,Cd10,
Cd100)下,东南景天叶片SOD活性随着硫水平的增加而增加,增
幅分别为9.0%~18.6%,2.0%~11.8%和6.5%~10.8%,S3
下处理增幅达5%差异显著水平。在相同S水平下,超积累东南
景天叶片SOD活性以Cd100>Cd10>Cd0;与Cd0水平相比,3个S水平下,随着Cd水平增加,超积累东南景
天叶片SOD活性分别显著增加13.9%~31.8%,6.7%~28.9%和7.4%~23.2%,这与镉胁迫下超积累东南
景天 MDA含量升高,SOD活性明显增强,SOD活性的峰值产生于400mol/L Cd处理下的报道[15]相似。
图3 镉硫交互对超积累东南景天叶片
POD活性的影响
2.3 镉硫交互对东南景天POD活性的影响
过氧化物酶(Perroxidase)是植物体内的保护酶系统中的三大
保护酶之一,其对于清除线粒体细胞质内O·-2 和OH-等自由基,
避免生物功能分子和细胞膜受到损伤有重要意义[4]。Cd10和
Cd100水平下,增施硫东南景天叶片 POD 活性分别显著增加
12.1%~19.9%和9.4%~15.5%,2个镉水平下分别以S3,S2处
理的增幅较大;低镉(Cd0)水平下,3个硫水平对东南景天叶片
POD活性影响不大。S1水平下,与Cd0处理相比,东南景天叶片
POD活性在Cd10处理下增加6.9%,在Cd100处理下显著增加13.0%;S2水平下,增加Cd水平东南景天叶
片POD活性显著增加13.3%~23.2%;S3水平下,东南景天叶片POD活性以Cd10>Cd100>Cd0,与Cd0处
理相比,Cd10和Cd100处理下东南景天叶片POD活性分别显著提高31.0%和23.1%(图3)。
图4 镉硫交互对超积累东南景天叶片
CAT活性的影响
2.4 镉硫交互对东南景天CAT活性的影响
植物体内的过氧化氢酶(CAT)是一种含Fe血红素的蛋白
酶,催化 H2O2 分解成O2 和 H2O,主要存在于过氧化物体中,可
以清除过氧化物体中酶反应产生的和其他细胞器中未被清除而进
入过氧化物体中的H2O2,与SOD一起对植物起保护作用,其活性
的高低对于植物细胞和细胞器免受损伤具有重要的意义[11]。与
S1相比,3个Cd水平下,随着硫水平增加超积累东南景天叶片
CAT活性分别增加11.4%~17.1%,8.9%~15.6%和13.5%~
21.3%,其中在 Cd0和 Cd100处理下的增幅达5%显著水平,
Cd10水平下仅S3处理的CAT活性显著增加,而S2和S3处理间的差异不显著。3个S水平下,东南景天叶
片的CAT活性随着Cd水平的增加而分别显著增加28.6%~48.6%,25.6%~61.5%和26.8%~43.9%,增
幅以S1和S2水平下较大(图4)。
图5 镉硫交互对超积累东南景天叶片
APX活性的影响
2.5 镉硫交互对东南景天APX活性的影响
APX是植物 AsA-GSH 氧化还原途径的重要组分,是清除
H2O2(特别是叶绿体中 H2O2)的关键酶[5]。不同镉硫交互处理对
东南景天叶片 APX活性有显著影响,大于其对东南景天SOD、
POD和CAT活性的影响(图5)。超积累东南景天叶片 APX活
性随着S,Cd水平的增加而显著增加。3个Cd水平下,增施硫东
南景天叶片 APX 活性分别增加41.7%~50.0%,21.7%~
34.8%和21.6%~46.4%;3个S水平下,增加镉水平东南景天叶
片APX活性则分别增加28.6%~48.6%,64.7%~100%和
72.2%~127.8%。
501第5期       李会合:镉硫交互对东南景天抗氧化酶活性的影响
3 结 论
研究表明,增施镉水平下东南景天叶片的 MDA含量随着硫水平增加显著降低,Cd0水平下S2处理显著
降低 MDA含量12.4%。相反,东南景天叶片的 MDA含量随着镉水平的提高显著增加18.4%~137.7%,增
硫处理降低了镉胁迫下超积累东南景天叶片活性氧自由基水平,缓解超积累东南景天膜脂过氧化的程度,提高
其对镉的超富集能力。
不同镉硫水平交互对超积累东南景天叶片抗氧化酶(SOD、POD、CAT和 APX)活性有显著影响,但对4
种抗氧化酶活性的影响效应明显不同。超积累东南景天叶片SOD活性随着硫、镉水平的增加而增加,以S3>
S2>S1,Cd100>Cd10>Cd0。增施硫显著提高Cd10和Cd100水平下东南景天的叶片POD活性。在S1,S2
水平下,增加Cd水平东南景天叶片POD活性显著增加,POD活性以Cd10>Cd100>Cd0。超积累东南景天
叶片的CAT随着硫水平增加而增加8.9%~21.3%,东南景天叶片的CAT活性随着Cd水平的增加,增加幅
度以S1和S2水平下较大。随着S、Cd水平的增加东南景天叶片的APX活性显著增加。东南景天叶片SOD、
POD、CAT和APX活性随着硫、镉水平的增加而提高,对4种抗氧化酶的效应以APX>CAT>POD>SOD。
增硫处理提高超积累东南景天叶片抗氧化酶活性和 MDA含量,缓解镉对超积累东南景天的危害,提高其对镉
的耐受性,这可能是增施硫提高超积累东南景天镉累积的原因之一。
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