全 文 ：第 25卷第 6期
2005年 6月
生 态 学 报
ACTAECOLOGICASINICA
Vol.25,No.6
Jun.,2005
模拟酸雨及其酸化土壤对小麦幼苗
膜脂过氧化水平的影响
童贯和,刘天骄,黄 伟
(安徽淮南师范学院生物化学系,淮南 232001)
基金项目:安徽省教育厅自然科学基金资助项目(2003kj020zc)
收稿日期:2004-02-22;修订日期:2004-12-06
作者简介:童贯和(1960～),男,安徽寿县人,副教授,主要从事植物生理、生态教学与研究。E-mail:ghtong@hnnu.edu.cn
Foundationitem:Funditemofnaturalscience,theeducationdepartmentofAnhuiProvince(No.2003kj020zc)
Receiveddate:2004-02-22;Accepteddate:2004-12-06
Biography:TONGGuan-He,Associateprofessor,mainlyengagedinplantphysiologicalandecology.E-mail:ghtong@hnnu.edu.cn
摘要:以小麦为试材,采用盆栽的方法研究了模拟酸雨及其酸化土壤对小麦幼苗膜脂过氧化水平的影响。结果表明:以黄棕壤为
材料通过模拟酸雨的淋溶,引起了土壤酸化和盐基流失。当模拟酸雨的 pH值由 5.6下降到 2.5时,土壤 pH值由 6.06下降到
3.41,土壤中交换性盐基总量便从 56.5mmol/kg下降到 41.1mmol/kg。将小麦幼苗栽培在该酸化土壤上,并分别用 5种不同
pH值的模拟酸雨喷淋地上器官,导致小麦幼苗体内的膜脂过氧化水平增高和保护酶的活性变化。其中模拟酸雨喷淋小麦幼苗
对叶片中的膜脂过氧化水平及保护酶活性的影响大于酸化土壤对其产生的影响。而酸化土壤对小麦幼苗根系中的膜脂过氧化
水平和保护酶活性的影响大于模拟酸雨喷淋对其产生的影响。同时,pH≤3.0的高强度酸雨以及由其产生的酸化土壤(T4、T5
土壤)对小麦幼苗的膜脂过氧化水平和保护酶的活性产生了严重的影响。
关键词:酸化土壤;小麦幼苗;丙二醛;超氧物歧化酶
文章编号:1000-0933(2005)06-1509-08 中图分类号:S181,X503.231,X517,X53 文献标识码:A
Effectofsimulatedacidrainanditsacidifiedsoilonlipidperoxidationofwheat
seedlings
TONGGuan-He,LIUTian-Jiao,HUANGWei (DepartmentofBiologyandChemistry,HuainanTeachersCollege,Huainan
232001).ActaEcologicaSinica,2005,25(6):1509～1516.
Abstract:Acidraincandamageeitherplantleavesdirectlyorplantrootsindirectlyresultingfromsoilacidificationandreleaseof
baseions.Thedirectandindirectstresseffectofacidrainresultsintheunbalancebetweentheproductionandeliminationof
activeoxygeninplantstems,whichcausesthelipidperoxidationofplantcelmembrane,anddamagestheplants.
Theeffectsofsimulatedacidrainanditsacidifiedsoilonthelipidperoxidationofwheatseedlingswasquantifiedwithapot
experiment.Ayelow-brownsoilwasleachedwithsimulatedacidrainofvaryingpHvaluesthatwere5.6,4.5,3.5,3.0or2.5.
Theprotonreleasefromthesimulatedrainacidifiedtheyelow-brownsoil,andreleasedthebaseionsfromthesoil.Withthe
pHvalueofsimulatedacidraindecreasingfrom5.6to2.5,thepHvalueoftheacidrain-leached-soildecreasedfrom6.1to3.4
andthetotalamountofexchangebaseionsdecreasedfrom56.5mmol/kgto41.1mmol/kg,respectively.Sprayingtheshoots
ofthewheatseedlingsplantedinsuchacidifiedsoilswithsimulatedacidrainoffivedifferentpH valuesincreasedlipid
peroxidationinthewheatseedlings.Withtheincreasedacidityofthesimulatedacidrainanditsacidifiedsoil,theamountof
malondialdehydeandrelativepermeabilityofmembraneinthewheatseedlingsincreased.Significantincreaseinlipid
peroxidationinthewheatseedlingswasmainlyduetoadecreaseinthecapabilityofprotectiveenzymestoeliminatebase
oxygenicions.Asaresultofsuchstresseffectofsimulatedacidrainanditsacidifiedsoilonwheatseedlings,thephysiological
activitiesofthesuperoxidedismutaseandcatalaseinthewheatseedlingsdecreased,butthatofperoxidaseincreased.The
strongacidrainwithpH2.5andtheacidifiedsoilleachedwithsuchacidraindecreasedthebiomassofwheatseedlingsby
20.5%～33.5%,andhadasevereeffectonthewheatgrowthanddevelopment
===================================================================
.
Inaddition,theeffectofsprayingthewheatseedlingswithsimulatedacidrainonthelipidperoxidationandactivitiesof
protectiveenzymesinwheatleaveswasgreaterthanthatofwheatgrownintheacidifiedsoil.Thelatter,however,wasgreater
thantheformeronthelipidperoxidationandactivitiesofprotectiveenzymesinthewheatroots.
Keywords:acidifiedsoil;wheatseedlings;malondialdehyde;superoxidedismutase
酸雨是目前人类面临的最引人注目的环境问题之一。酸雨可伤害植物叶片,对植物产生直接危害。酸雨也可造成土壤酸化,
引起土壤盐基流失及某些毒性元素(铝、锰等)的释出和活化,伤害植物根系,对植物产生间接危害。酸雨对植物产生的直接危害
和间接危害都会导致活性氧产生及清除失去平衡,造成活性氧对细胞的毒害作用,特别引起膜脂过氧化作用[1]。近年来,许多
专家学者深入研究了酸雨对植物茎叶的直接伤害,以及酸雨对植物茎叶细胞所产生的膜脂过氧化作用[2～4]。但酸雨对植物根
系的间接伤害以及对植物根系细胞的膜脂过氧化作用的研究较少[5]。尤其是到目前为止,有关将农作物栽培于由酸雨致酸的
土壤上,研究酸雨对农作物整株(地上器官和地下器官)所产生的伤害的报道更为少见。俞元春等[6]和岑慧贤等[7]以红壤、砖红
壤等我国南方土壤为材料进行模拟酸雨淋溶实验,研究了酸雨对土壤酸化和盐基迁移的影响。但就土壤致酸后对植物生长发育
所造成的危害还没有人作进一步的研究。本文选用安徽省具有代表性土壤--黄棕壤作材料,通过摸拟酸雨淋洗土壤,研究了
酸雨对该土壤介质平衡的破坏作用,并以小麦为试材,采用盆栽的方法,栽培小麦于模拟酸雨致酸的土壤上,研究小麦幼苗在处
于酸雨胁迫的逆境条件下,茎叶和根系细胞的膜脂过氧化水平以及对细胞保护酶活性的影响。旨在探讨酸雨对作物苗期直接的
和间接的致损伤作用,为环境污染对农作物的危害提供实验依据。
1 材料与方法
1.1 模拟酸雨的配制
根据安徽省酸雨污染特征及酸沉降水平[8],主要考虑酸雨 pH值和 SO2-4 、NO-3、Ca2+、NH+4 4种离子。以硫酸根与硝酸根摩
尔比 5:1配成母液,另加入CaCl21.02mg/L、(NH4)2SO45.35mg/L,然后调节pH值分别为 5.6、4.5、3.5、3.0、2.5的模拟
酸雨,以 pH5.6的模拟酸雨为对照。
1.2 模拟酸雨淋溶土壤
供试土壤采自安徽省淮南市郊由花岗岩坡积物发育而来的黄棕壤,土壤质地轻粘土,土壤基本理化性状见表 1。
表 1 土壤基本理化性状(0～30cm)
Table1 Physicalandchemicalcharacteristicofsoil
pH值
pHvalue
(H2O)
有机质
O.M.
(g/kg)
全氮
TotalN
(g/kg)
全磷
TotalP
(g/kg)
全钾
TotalK
(g/kg)
速效磷
AvailableP
(mg/kg)
交换性铝
ExchangeA1
(mg/kg)
交换性锰
ExchangeMn
(mg/kg)
阳离子交换量
CEC
(CMOL(+)/kg)
交换性盐基(mmol/kg)
Exchangebaseions
K+ Na+ Ca2+ Mg2+ 总量(Total)
6.20 17.83 1.23 1.27 19.56 17.36 11.58 15.65 24.57 9.2 6.5 23.8 17.6 57.1
O.M. Organicmatter;CEC Cationexchangedcapacity
将土壤自然风干后过孔径为 3.0mm筛,以 1.3g/cm3的容重装入直径 10cm、高 35cm的硬质聚乙烯圆管内,管底铺玻璃
纤维及慢速定量滤纸过滤,装土高度 30cm。5种处理的模拟酸雨淋溶量按 5000mm设计(约为淮南地区年均降雨量 941.4mm
的 5倍),20d内每天淋溶土壤 1次,每次淋溶量相当于 250mm的降雨量。由 5种不同pH值的模拟酸雨淋溶土壤后形成 5种不
同的酸化土壤,分别依次编号为:T1、T2、T3、T4、T5,其中以T1为对照。土壤淋溶完成后自然风干,过 2.0mm筛,装盆备用(每种
处理装 20盆,共装 100盆)。同时对淋溶后的土壤进行理化性状分析,每种处理 3次重复(见表 2)。
1.3 试材培养
挑选匀称的小麦(Triticumaestivum)品种博爱 7422(Fraternity7422)的种子,用 1.0g/L的 HgCl2消毒 10min,蒸馏水冲
洗干净后置于铺有滤纸的瓷盘上,然后放在 25℃的恒温箱内催芽,待种子萌发后播入盆钵中,每盆播 20粒,当麦苗出现 1叶 1
心时进行间苗,每盆留 10苗。同时将每种酸化土壤所装的 20盆,分别分成 5组(共 25组)。从小麦出苗后第 5天起,用小型喷雾
器不定期对小麦地上部分别喷淋 5种不同的模拟酸雨,每次喷淋以叶片滴液为限,共喷淋 15次,每次每盆 20ml,小麦盆钵培养
期间塑料薄膜遮挡自然降雨。当小麦长出第 5片叶(4叶 1心)时收获麦苗,进行生理生化指标的测定。并将小麦幼苗于烘箱中
烘干、称重。
1.4 测定方法
土壤淋溶后的pH用电位法测定(土液比为 1:2.5),速效磷用 0.5mol/LNaHCO3浸提,磷钼兰比色法测定,交换性锰、钾、
钠、钙、镁用 pH7.0的 1mol/LNH4OAc浸提,原子吸收分光光度计测定[9]。交换性铝用 1mol/LKCl溶液浸提,用铝试剂(玫
瑰三羧铵)比色法测定[10]。
0151 生 态 学 报 25卷
超氧物歧化酶(SOD)活性按 Giannoplitis等[11]方法测定,以抑制 NBT光化还原 50%的酶量为 1个酶活单位。过氧化氢酶
(CAT)活性和丙二醛(MDA)含量按林植芳等[12]的方法测定,过氧化氢酶(CAT)活性以 240nm处光密度每分钟改变 0.1为一
个酶活性单位。过氧化物酶(POD)活性按愈创木酚比色法[13]测定,取鲜样 0.2g酶液稀释 20～30倍,酶活性以每克鲜重每分钟
的消光度增值表示。细胞质膜相对透性(MRP)按照常规方法在室温下用 DDS-11A型电导仪测定,并用其比值表示质膜的相对
透性。
1.5 统计分析
采用 Duncan’s新复极差测验和直线相关分析对实验数据进行统计分析[14]。
2 结果与分析
2.1 模拟酸雨淋溶土壤对土壤理化性状的影响
由表 2可见,随着模拟酸雨 pH值的降低,被淋溶土壤的 pH值也随之下降,当酸雨 pH≤ 3.0时,土壤 pH也下降到 4.32
以下,已可对小麦幼苗的生长发育造成可见伤害[15]。当土壤 pH值由 6.06下降到 3.41时,交换性盐基总量便从 56.5mmol/kg
下降到 41.1mmol/kg,降幅为 27.26% 。盐基的流失,会造成小麦幼苗对矿质养分的吸收困难,影响了小麦幼苗的生长发育。模
拟酸雨淋溶土壤也可引起土壤中的有毒重金属离子溶出和活化,对植物的生长发育造成危害。然而一般认为[16、17],在酸雨胁迫
下,当土壤pH<5.5时,对植物的生长发育造成危害的重金属离子主要是Al和Mn,其它金属离子的危害作用影响较小。从表 2
看,黄棕壤受酸雨淋溶后,土壤中的 Al和 Mn并未大量溶出。虽然交换性铝从原土的 11.58mg/kg增加到 35.08mg/kg,交换
性锰从 15.65mg/kg增加到 25.45mg/kg,但均远没有达到对小麦幼苗产生毒害的水平[18、19]。所以本试验中模拟酸雨淋溶土壤
对小麦幼苗造成的伤害主要与土壤酸化和盐基流失有关,受 Al、Mn等有毒金属离子的影响较小。另外,酸雨淋溶土壤对土壤
中的速效磷含量的影响也不大。
表 2 模拟酸雨淋溶土壤后土壤的某些理化性状
Table2 Somephysiochemicalpropertiesofthesoilafteritisleachedbysimulatedacidrain
处理
Treatment
模拟酸雨 pH值
pHvalueof
simulatedacidrain
致酸土壤 pH值
pHvalueof
acidifiedsoil(H2O)
速效磷
AvailableP
(mg/kg)
交换性铝
ExchangeAl
(mg/kg)
交换性锰
ExchangeMn
(mg/kg)
T1 5.6 6.06±0.05aA 16.53±0.24cB 12.23±0.32dD 11.21±0.31cC
T2 4.5 5.70±0.19bA 17.75±0.26aA 12.75±0.57dCD 8.10±0.65dD
T3 3.5 5.14±0.14cB 18.31±0.23aA 13.87±0.20cC 10.63±0.17cC
T4 3.0 4.32±0.23dC 18.27±0.15aA 22.44±0.43bB 19.61±0.46bB
T5 2.5 3.41±0.11eD 15.88±0.12dC 35.08±0.94aA 25.45±0.56
===================================================================
aA
处理
Treatment
交换性盐基(mmol/kg)Exchangebaseions
K+ Na+ Ca2+ Mg2+ 总量(Total)
T1 11.3±0.1aA 5.7±0.1bB 22.6±0.8aA 16.9±0.3aA 56.5±0.8aA
T2 7.5±0.4bB 6.8±0.1aA 19.9±0.7bB 16.2±0.5aA 50.4±1.4bB
T3 7.3±0.2bBC 5.6±0.3bBC 18.1±0.4cC 14.5±0.2bB 45.5±0.5cC
T4 6.7±0.1cCD 5.3±0.0cC 17.1±0.3cC 13.8±0.4bBC 42.9±0.5dCD
T5 6.5±0.3cD 4.4±0.2dD 17.2±0.4cC 13.0±0.5cC 41.1±1.2eD
表中数据为均值±标准差,大、小写字母分别为 p=0.01和 p=0.05水平上的差异显著性,具相同字母表示无显著差异,不同字母表示具有
显著差异;下同 Valuesrepresentmeans±standarderrorinthetable,Lettersincapitalandnormalformsrepresentsignificantdifferenceat
p=0.01andp=0.05,meanswiththesamelettersarenotsignificant;thesamebelow
2.2 模拟酸雨及其酸化土壤对小麦幼苗生物量的影响
由表 3可见,小麦幼苗的生物量随酸雨的 pH值下降先增加后减少,其中 pH4.5的酸雨处理比对照(pH5.6的酸雨处理)
增加且差异极显著。表明酸雨中的 NH+4 和 NO-3 等离子促进了小麦幼苗的生长。但用 pH<4.5的酸雨处理小麦幼苗时生物量
显著降低,当酸雨的 pH值下降到 2.5时,5种酸化土壤上的小麦幼苗生物量与对照相比降幅达 20.46%～33.58%,差异极显
著。由表 3还可看出,小麦幼苗的生物量随酸化土壤的强度增加而下降,对照(T1处理)与各酸化土壤处理间差异逐渐增大,尤
其是 T5处理的小麦幼苗生物量比对照减小了 24.79%～37.47%,差异达极显著水平。以上实验结果显示模拟酸雨及其酸化土
壤对小麦幼苗的生长发育产生了严重的伤害作用。
2.3 模拟酸雨及其酸化土壤对小麦幼苗膜脂过氧化水平的影响
2.3.1 模拟酸雨及其酸化土壤对小麦幼苗叶片膜脂过氧化水平的影响 丙二醛(MDA)是膜脂过氧化的主要产物,其含量多
少代表了细胞膜脂过氧化水平,而细胞质膜相对透性(MRP)的大小则表示生物膜结构受破坏的程度。
11516期 童贯和 等:模拟酸雨及其酸化土壤对小麦幼苗膜脂过氧化水平的影响
表 3 模拟酸雨及其酸化土壤对小麦幼苗生物量(g/株)的影响
Table3 Theeffectofsimulatedacidrainanditsacidifiedsoilonbiomass(g/plant)ofthewheatseedlings
处 理
Treatment
模拟酸雨的 pH值 pHvalueofsimulatedacidrain
5.6(CK) 4.5 3.5 3.0 2.5
T1(CK) 0.7096±0.0265bcBC 0.7833±0.0411aA 0.6675±0.0180defCD 0.6204±0.0136ghEFG 0.5573±0.0222ijHIJK
T2 0.6711±0.0342deCD 0.7400±0.0247bAB 0.6332±0.0321fgDEF 0.5850±0.0142hiFGHI0.5338±0.0189jkKL
T3 0.6195±0.0180ghEFG 0.6856±0.0364cdC 0.5920±0.0228hiEFGH 0.5365±0.0231jJKL 0.4736±0.0171lmM
T4 0.5827±0.0303iGHIJ 0.6381±0.0251efgDE 0.5411±0.0135jIJKL 0.4994±0.0116klLM 0.4280±0.0107noN
T5 0.5247±0.0196jkKL 0.5891±0.0261hiFGH 0.4592±0.020mnMN 0.4220±0.020oN 0.3485±0.0107pO
表 4 模拟酸雨及其酸化土壤对小麦幼苗叶片中丙二醛含量(nmol/gFW)的影响
Table4 TheeffectofsimulatedacidrainanditsacidifiedsoilonMDAcontent(nmol/gFW)ofthewheatleaves
处 理
Treatment
模拟酸雨的 pH值 pHvalueofsimulatedacidrain
5.6(CK) 4.5 3.5 3.0 2.5
T1(CK) 17.49±0.37pO 18.13±0.31nopMNO 18.73±0.65mnoLMNO20.92±0.28hijGHIJ 24.85±0.61dDE
T2 17.86±0.40opNO 18.50±0.96mnopLMNO 19.17±0.27lmnKLMN 21.47±1.34fghFGH 25.63±0.15dCD
T3 18.56±0.91mnopLMNO 19.20±0.35lmnKLMN 19.96±0.82jklIJKL 22.42±0.71fF 26.87±1.32cC
T4 19.58±0.18klmJKLM 20.21±0.59ijklHIJK 21.10±0.27ghiFGHI 23.78±0.38eE 28.63±1.06bB
T5 20.34±0.72ijkHIJK 20.97±0.03hijGHIJ 22.04±0.68fgFG 24.82±0.45dDE 30.06±1.00aA
由表 4、5看出,小麦叶片中的 MDA含量和 MRP各以对照为最低并随着酸雨的酸度增强而增大,对照与各处理间差异逐
渐增加。表明酸雨处理引起了小麦叶片的膜脂过氧化加剧,对叶片细胞产生了伤害,而且酸雨的酸度越强,伤害越严重。当酸雨
的 pH值下降到 2.5时,5种酸化土壤上的小麦幼苗分别与对照相比,叶片中的 MDA含量增幅达 42.08%～47.79%,MRP增
幅达 81.05%～87.96%,差异均达极显著水平。
由表 4、5还看出,酸化土壤也可促进小麦幼苗叶片中的 MDA含量和 MRP的增加,且随酸化土壤的酸度增强而增大,对
照与各酸化土壤处理间的差异逐渐增大。当酸化土壤为 T5时,5种不同酸雨处理下的小麦幼苗分别与对照相比,叶片中的
MDA含量升幅可达 15.67%～20.97%,MRP升幅可达 30.93%～35.92%,差异亦均达极显著水平。表明酸化土壤可通过小麦
幼苗的根系对地上器官产生膜脂过氧化作用,间接伤害叶片细胞,但伤害强度与酸雨处理小麦幼苗相比要小的多。
表 5 模拟酸雨及其酸化土壤对小麦幼苗叶片细胞质膜相对透性(%)的影响
Table5 Theeffectofsimulatedacidrainanditsacidifiedsoilonrelativepermeabilityofmembrane(%)ofthewheatleaves
处 理
Treatment
模拟酸雨的 pH值 pHvalueofsimulatedacidrain
5.6(CK) 4.5 3.5 3.0 2.5
T1(CK) 8.18±0.48oM 8.45±0.34noLM 9.34±0.72lmJKL 11.26±0.62hiGH 14.81±0.69eD
T2 8.62±0.19mnoLM 9.26±0.50lmnJKLM 9.89±0.21jklIJK 11.93±0.24ghFG 15.76±0.11dD
T3 9.13±0.54lmnKLM 9.74±0.13klIJK 10.53±1.07ijkHI 12.71±0.59gEF 16.85±1.29cC
T4 9.76±0.17klIJK 10.33±0.29jkHIJ 11.31±0.30hiGH 13.66±0.27fE 18.18±0.33bB
T5 10.71±0.40ijHI 11.22±0.26hiGH 12.47±0.59gF 15.07±0.66deD 20.13±0.58aA
2.3.2 模拟酸雨及其酸化土壤对小麦幼苗根系膜脂过氧化水平的影响 由表 6、表 7可看出,生长在 5种酸化土壤上的小麦
幼苗,根系中的 MDA含量和 MRP各以对照为最低,并随酸化土壤的酸度增强而增加,各酸化土壤处理间差异逐渐增大。当酸
化土壤为 T5时,5种不同酸雨处理下的小麦幼苗分别与对照相比,根系中 MDA含量增加了 33.77%～36.75%,MRP增加了
118.22%～127.23%,差异均达极显著水平。表明高强度酸雨所形成的酸化土壤对根系细胞的膜脂过氧化作用以及由此而引发
的对细胞的伤害作用均很大。
表 6 模拟酸雨及其酸化土壤对小麦幼苗根系中丙二醛含量(nmol/gFW)的影响
Table6 TheeffectofsimulatedacidrainanditsacidifiedsoilonMDAcontent(nmol/gFW)ofthewheatrootsystem
处 理
Treatment
模拟酸雨的 pH值 pHvalueofsimulatedacidrain
5.6(CK) 4.5 3.5 3.0 2.5
T1(CK) 13.74±0.23mnLM 13.58±0.32nM 13.99±0.23lmnKLM 14.46±0.47jklIJKL 15.04±0.30hijHI
T2 14.06±0.15lmnJKLM 13.89±0.24lmnLM 14.33±0.17klmIJKL 14.82±0.57jkHIJK 15.45±0.17hiGH
T3 14.78±0.44jkHIJK 14.86±0.23ijkHIJ 15.09±0.35hijHI 15.62±0.27ghFGH 16.31±0.19fEF
T4 16.06±0.13fgFG 16.15±0.15fgFG 16.41±0.45fEF 17.00±0.28eE 17.78±0.32dD
T5 18.38±0.97cCD 18.57±0.69cC 18.79±0.19cBC 19.49±0.27bB 20.42±0.68aA
2151 生 态 学 报 25卷
表 7 模拟酸雨及其酸化土壤对小麦幼苗根系细胞质膜相对透性(%)的影响
Table7 Theeffectofsimulatedacidrainanditsacidifiedsoilonrelativepermeabilityofmembrane(%)ofthewheatrootsystem
处 理
Treatment
模拟酸雨的 pH值 pHvalueofsimulatedacidrain
5.6(CK) 4.5 3.5 3.0 2.5
T1(CK) 19.13±0.89nM 19.27±0.26nLM 20.21±0.96mnKLM 21.80±0.33mJKL 23.81±1.03klIJ
T2 20.74±0.44mnKLM 20.77±0.36mnKLM 21.95±0.76lmJK 23.78±1.26klIJ 26.09±1.14ijHI
T3 23.90±0.73klIJ 24.15±0.43kIJ 25.34±0.20jkHI 27.58±0.42iH 30.39±2.02hG
T4 31.11±0.51hFG 31.56±0.92ghFG 33.03±0.35gF 36.09±0.34fE 39.92±0.37eD
T5 41.79±1.57dD 42.05±1.70dD 44.44±2.09cC 48.73±3.88bB 54.10±1.21aA
由表 6、7可见,酸雨处理对小麦幼苗根系中的 MDA含量和 MRP有影响。根系中的 MDA含量和 MRP随酸雨处理的 pH
值降低而升高,但升幅不大,对照与各酸雨处理间差异较小。当酸雨的 pH值下降到 2.5时,5种酸化土壤上的小麦幼苗与对照
相比根系中的 MDA含量上升了 9.46%～11.10%,MRP上升了 24.46%～29.37%,差异显著或极显著。表明酸雨处理对根系
细胞的膜脂过氧化作用和间接伤害作用与酸化土壤相比要小得多。
2.4 模拟酸雨及其酸化土壤对小麦幼苗保护酶活性的影响
2.4.1 模拟酸雨及其酸化土壤对小麦幼苗叶片中保护酶活性的影响 SOD、CAT和 POD等协同作用构成了生物体的保护
酶系统,以清除氧自由基在植物体内过多积累对生物膜造成的伤害[20]。由图 1可看出:酸雨处理影响了小麦幼苗叶片中保护酶
的活性,影响强度随酸雨的pH下降而增大。随着酸雨的酸度增加叶片中 3种保护酶的变化趋势为:SOD活性先升高(pH4.5的
酸雨处理)后快速降低,CAT活性先缓慢下降而后迅速下降,POD活性则是先缓慢上升后急剧上升;3种酶的活性与模拟酸雨
的 pH值之间的相关系数分别为:rSOD= 0.9048*～0.9105*、rCAT= 0.9128*～0.9142*、rPOD= -0.8708*～-0.8872*。当酸雨
的 pH值下降到 2.5时,5种酸化土壤上的小麦幼苗分别与对照(pH5.6的酸雨处理)相比,叶片中的 SOD活性下降了 47.28%
～51.50%,CAT活性下降了 63.24%～65.89%,POD活性上升了 97.65%～107.37%,均达极显著差异。
由图 1还可看出,酸化土壤也可间接影响小麦幼苗叶片中 3种保护酶的活性,但影响力度较小。随着酸化土壤酸度的增强,
叶片中 SOD和 CAT活性下降,POD活性增加,当酸化土壤为 T5时,5种不同酸雨处理下的小麦幼苗分别与对照(T1处理)相
比,叶片中的 SOD活性降低了 7.79%～15.67%,CAT活性降低了 12.58%～18.65%,POD活性上升了 19.83%～26.10% 。
表明酸化土壤通过根系对地上器官的 3种酶活性产生了间接影响,降低了保护酶清除活性氧的能力,但降幅有限。
图 1 模拟酸雨及其酸化土壤对小麦幼苗叶片中保护酶活性的影响
Fig.1 Theeffectofsimulatedacidrainanditsacidifiedsoilonprotectiveenzymesactivityofthewheatleaves
2.4.2 模拟酸雨及其酸化土壤对小麦幼苗根系中保护酶活性的影响 由图 2看出,酸化土壤对小麦幼苗根系保护酶活性的影
响较大。随着酸化土壤的酸度不断增强,5种不同酸雨处理下的小麦幼苗根系中的 SOD和 CAT活性逐渐降低,POD活性逐渐
升高,且酸化土壤的酸度越强,3种酶的活性变幅越大。相关分析表明,3种酶的活性与酸化土壤的 pH值之间达极显著水平
(rSOD= 0.9967**～0.9993**、rCAT= 0.9986**～0.9995**、rPOD= -0.9773**～-0.9788**)。当酸化土壤为T5时,5种不同
酸雨处理下的小麦幼苗分别与对照(T1处理)相比,根系中的 SOD活性降幅达 38.37%～41.11% ,CAT活性降幅达 46.32%
31516期 童贯和 等:模拟酸雨及其酸化土壤对小麦幼苗膜脂过氧化水平的影响
～51.65% ,POD活性的升幅达 78.79%～84.92% ,差异均达极显著水平。
图 2 模拟酸雨及其酸化土壤对小麦幼苗根系中保护酶活性的影响
Fig.2 Theeffectofsimulatedacidrainanditsacidifiedsoilonprotectiveenzymesactivityofthewheatrootsystem
由图 2还可见,随着酸雨的酸度增加,5种酸化土壤上的小麦幼苗根系中的 SOD和 CAT活性逐渐降低,POD活性逐渐增
加,但它们的变动幅度均较小。即使用pH2.5的酸雨处理,5种酸化土壤上的小麦幼苗分别与对照(pH5.6的酸雨处理)相比,也
仅使根系中的 SOD活性下降了 15.32%～19.09% ,CAT活性下降了 18.10%～23.75% ,POD活性上升了 15.76%～
19.39%,表明酸雨处理小麦幼苗对根系中 3种保护酶活性的影响比酸化土壤对其产生的影响要弱得多。
3 讨论
植物在正常情况下的酶促反应、线粒体呼吸链的电子传递、叶绿体照光时的光化学反应和一些低分子有机物的自动氧化反
应,都会产生 O
-·
2 和 H2O2等活性氧,但它们很快被植物体内的 SOD、CAT和 POD等保护酶所清除,或被抗坏血酸(AsA)、谷胱
甘肽(GSH)和维生素 E(VE)等化合物所抑制,使活性氧的产生和清除处于动态平衡之中。而当植物处于逆境胁迫下这种平衡
会被破坏,植物体内的活性氧生产能力大于清除能力,活性氧量积累,引起植物细胞膜脂过氧化,植物细胞受到伤害生物膜透性
增加,影响植物的生长发育。本实验结果表明:小麦幼苗在模拟酸雨及其酸化土壤的逆境胁迫下,叶片和根系细胞中的 MDA含
量随胁迫强度的增强而增加(表 4、表 6),说明酸雨及其酸化土壤的胁迫引起了小麦幼苗的膜脂过氧化加剧。而 MRP和 MDA
含量的一致性变化趋势(r= 0.9299**)表明了酸雨及其酸化土壤对小麦幼苗的伤害作用主要是由膜脂过氧化引起的,尤其是
在 pH≤3.0的高强度酸雨以及由其产生的酸化土壤(T4、T5土壤)的胁迫下,这种膜脂过氧化所引起的膜损伤更严重(表 4～表
7)。通过对在酸雨及其酸化土壤胁迫下的小麦幼苗体内的 SOD、CAT和 POD活性的影响结果(图 1、图 2)以及 3种保护酶活
性与 MDA含量之间的相关程度(rSOD= -0.9465**、rCAT=-0.9813**、rPOD= 0.9944**)分析判断,造成小麦幼苗体内膜脂
过氧化加剧的主要原因是由于SOD和CAT清除活性氧的能力降低,导致了活性氧的积累。这与严重玲等[4]在小麦上和束良佐
等[21]在玉米幼苗上喷淋模拟酸雨所得的结果是一致的。
SOD是 O
-·
2 主要的清除剂,它可以将 O
-·
2 歧化为 H2O2与 O2,控制细胞的膜脂过氧化,所以 SOD处于抵御活性氧伤害的
"第一道防线"[22]。在本实验中,小麦幼苗体内的 SOD受酸雨及其酸化土壤的影响活性下降(图 1a、图 2a),表明该酶岐化 O
-·
2 的
能力降低,导致 O
-·
2 的积累。有报告指出[23,24]MDA、ABA和乙烯含量的增加均可引起 SOD活性下降。而小麦幼苗在酸雨及其
酸化土壤的胁迫下可以引起体内MDA含量大幅上升,但是否也能引起ABA和乙烯含量的增加[25、26]尚无直接的证据。另外,也
有人推测[3]酸雨使 SOD活性下降的原因可能是因为植物细胞"吸收"了酸雨中的 H+导致细胞质中 pH下降,因而改变了酶的
带电性质和底物电离情况并破坏了酶的结构的缘故。CAT广泛分布于植物组织中,是细胞内H2O2的重要清除剂。实验表明,在
酸雨及其酸化土壤胁迫下,小麦幼苗体内的 CAT活性降低(图 1b、图 2b),导致清除 H2O2的能力下降,造成 H2O2积累。但值得
注意的是,POD作为一种保护酶,其活性的持续增强(图 1c、图 2c)似乎并未起到有效缓解活性氧对小麦幼苗的伤害作用,这可
能与该酶生理功能的多样性有关[27,28]。O
-·
2 和 H2O2的积累能驱动 Fenton反应(Fe2++H2O2→Fe3++OH-+·OH)和通过
Haber-Weiss反应(O
-·
2+H2O2→O2+OH-+·OH)产生攻击能力更强的羟自由基(·OH),·OH是启动膜脂过氧化的直接因
4151 生 态 学 报 25卷
子[29],可引起膜脂过氧化产物 MDA含量的增加(表 4、表 6)。而 MDA具有很强的细胞毒性[30],对生物膜和细胞中的许多生物
功能分子如蛋白质,核酸和酶等均有很强的破坏作用,并参与破坏生物膜的结构与功能[30,31],引起 MRP大幅上升(表 5、表 7),
最终造成小麦幼苗的生长发育不良。
本实验结果表明,酸雨及其酸化土壤的胁迫作用影响了小麦幼苗的生长发育,造成植株的生物量降低(表 3)。究其原因可
以认为:其一,是因为小麦幼苗在逆境条件下的膜脂过氧化作用造成了对植物细胞的损伤,同时由于活性氧的积累和 POD活性
的大幅上升导致 IAA大量氧化分解[4,24],降低了小麦幼苗的生长速率。其二,是因为在酸雨及其酸化土壤的胁迫下,一方面可
能由于叶片中 O2的积累和 POD活性的升高直接引发叶绿素的破坏[4,32],而 MDA含量的增加也会使 RuBP羧化酶和 PEP羧
化酶等催化暗反应的酶活性受到抑制[30],造成小麦幼苗光合速率下降。另一方面,由于根系发育不良以及MDA含量增加,导致
根系活力下降[5],影响了根系对水分和矿质元素的吸收。其三,是由于酸雨淋溶土壤造成盐基流失,导致植株体内矿质营养缺乏
而使小麦幼苗生长缓慢。
实验结果证明,模拟酸雨及其酸化土壤对小麦幼苗的直接伤害大于间接伤害。酸雨处理对叶片的伤害大于对根系的伤害,
而酸化土壤对根系的伤害大于对叶片的伤害。模拟酸雨及其酸化土壤对小麦幼苗的这种相似的伤害特征表明它们对植物产生
伤害的主要原因可能是过多的 H+,因为酸雨及其酸化土壤中过多的 H+进入细胞质后,不仅能够引起细胞质中 pH下降[2,3],酶
活性降低或酶钝化乃至酶构象变化[33];而且也能够导致细胞体解以及细胞的亚显微结构遭到破坏[3]。当过多的 H+对某一器官
或组织产生直接伤害后,才由受到直接伤害的器官或组织诱发其它器官生产间接伤害。然而,在酸雨及其酸化土壤对植物的伤
害中,除了过多的 H+外,酸化土壤的盐基流失对小麦幼苗伤害作用的贡献究竟有多大,目前尚难确定。李延等[34]报道了缺 Mg
龙眼叶片 O
-·
2 净产生速率提高,H2O2含量增加;周青等[2]认为 Ca能缓解酸雨对甜瓜幼苗的伤害,使 CAT活性上升 MDA含量
下降;也有报告认为[35]钾素缺乏和过量均能影响油菜叶片中 POD、CAT和 SOD3种酶的活性,导致清除活性氧自由基的能力
降低。所有这些均说明了矿质元素在提高植物抵抗不良环境能力方面具有重要作用。当然,其它因素(如:有毒金属离子的释出
和活化、在致酸条件下土壤微生物的活动性等)也会对小麦幼苗的生长发育和生理活动产生影响,虽然这些因素对幼苗期的小
麦伤害程度较小,但随着小麦的生长发育这些因素是否会转化成主要限制因素尚需作进一步研究。
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