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第 19卷第 4期
1999年 7月
生 态 学 报
ACTA ECoLoGICA SINlCA
VoI．19，No．4
July．1999
酸雨胁迫下，稀土元素对菠菜膜保护系统作用
严重玲 L／
，送业汤 ，林鹏。，王世杰 ，杨先科 ，竹舜珍 ，朱克勇 ，吴善绮
(1．中国科学院国家环境地球化学重点实验室．贵州 550002}2．贵州环境保护科学研 究所 F5厦 门大学 生物系)
X／7／ ，，’ 辞
■要 利用盐栽实验 ．探讨 丁酸雨胁迫下对菠菜膜保护酶系统的防护散应。实验结果表嚼 单一酸雨处理会造成超氧化物
歧化酶(SOD)、过氧化酶(CAT)活性 总体水平下降．其变化曲线呈 ^形．并使过氧化物酶(POD)活性 嚼显增 加 施用稀
土元素后酸雨胁迫下的植株叶片中 SOD．CAT活性总体水平上升，变化曲线的峰值向酸度较大的方向移动，POD活性上
升幅度减小 ．5种膜保护酶的活性与单一酸雨处理组相 比，处在一种相对稳定的状态下 ，表现 出在酸度不大的情况下．稀
土元素对酸雨影响菠菜膜保护系统有明显的防护作厝 ，
关t调 酸雨 迫}稀土元索，菠菜 膜保护幕统
The effect of acid rain stress on membrane protective system of
spinach and the conservation of rare‘earth elements
YAN Chong—Ling ，HONG Ye-Tang ，Lin Peng ．YANG Xian—Ke ，Fu Shun—Zhen ，ZHU
Ke—Yong ，W U Shan—Qi2 f1．7 3tareKey Laboratory of En~ronmental Ge~-&e try Chin A demy of
Sciences，Gui3mng·550002，China‘2．Guizhoulnmtu~e ofE ⋯ f椭 Protection·ChinaI 5．Dep．ofBialogy，‰ #州 U
niversity，CFdna)
AImtract!Based on pot experiments，the effect of acid rain stress on membrane protective system of
spinach and the coBservatioB of rare earth elements were stI】djed．The stress of acid rain resulted in de—
creases of overall levels of superoxide dismutase activity and caralase activity，and on increase of peroxi—
chse activity．After being treated by rare earth elements．the overM1 level of superoxide dismutase activity
and catalase activity were increase and the peak value of activity variation curve rfloved forward to the di—
rection of higher acidity．P0D activity only increased in a small scale．comparing with no treatment by rare
earth elements under same acid rain conirion，and the three important enzymes of membrane protective
system could be kept on a relatively stable leve1．It concluded that rare earth elements could conserve
membrane protective system from being affected by acid rain at the low acidity conditions．
Key words,acid rain stress~rare earth elements pSpinach~membrane protective system
文章薯号{1000-0933(1999)04—0543-03 中田分冀号 X171 文献标诅玛：A
植物在正常的新陈代谢中会产生Of、H O：和 ·OH等活性氧。活性氧对植物的毒害作用通常由于其
自身的产生和清除处于低水平平衡状态而未能表现出来。但在环境污染[1,2J干旱 染病[I：等逆境陆迫下．
植物活性氧产生与清除系统问的平衡会被打破．从而引起膜的伤害。s0D(超氧化物歧化酶)、CAT(过氧化
氢酶)、POD(过氧化物酶)是植物体内活性氧清除系统中酶促子系统的3种重要保护酶，SOD催化反应 07
+2H一一H O +o ．PO D和CAT则催化 H±0 形成H O。有效地阻止活性氧在植物体内的积累，持除了
0 ，HzO 和 ·oH等活性氧对细胞潜在伤害的可能性 。
酸雨[2,sj和稀土元素Is,7]对植物膜保护系统影响的研究已有报道．但是酸雨胁迫下，稀土元素对植物膜
保护系统作用的研究国内外尚无报道。本研究试图弄清酸雨胁迫 下，稀土元素是否对植物膜保护系统有一
基盘璜目：国家 自然辩学基金重点资助项 目(49833002){贵州省 自然科学基金资助项 目
第一作者通讯地址：贵州省环境保护辩学研究所，贵阳，550002
收稿日期 t1998-03-28,~$TB期 ：1998-12—05
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54 生 态 学 报 19卷
定防护作用。为进一步寻求防护酸雨对植物 (尤其是作物 )影响的农业措旖提供理论依据和实践经验
1 材料和方法
1．1 材料 选择我国酸雨多发区常见并对酸雨敏感的植物～～ 菠菜 ( inacia oleracoa)华菠 1号为研
究材料。供试稀土 由河南商丘稀土徽肥厂提供 ，其元素组成见表 1。
衰 1 稀土元素 含量
TIble l Content of REE
1．2 方法 酸雨配置及喷洒：模拟西南地 区自然降雨中各离子浓度 比(表 2)，用稀硫酸液配置- ，根据该
地区菠菜生育期中自然降雨量的平均数进行喷洒，每周 2次，每次酸雨量 10mm一酸雨设置 5个处理组
(pH4．8、pH4．0、pH3．5、pH3．0、pH2．5和一个对 照 CK pH6．5)。在 5个酸雨 处理 的基础 上，设置稀土
0．01 、O．03 、0．05 叶喷和 0．03 、0．05 浸种(浸 1 6h，阴干后播种)5个系列．在 30era×25cm(上 口直
径 ×高)的营养钵中(1 5株／盆)，每处理 4次重复，进行盆栽 以简易塑料栅遮盖，使之不受自然降雨的影
响 。在菠菜成苗期分 别测定其体内CAT、POD和SOD的活性 测 定方法按文献 ]，单位分别为H O rag／
min ·g(FW )4 Unhs／mg(FW )4× 1O Units／g 衰 2 酸雨鼻子浓度( rn0l，L)
(FW ) Table 2 ]on composition Il acid rain
2 实验结果 K— Na⋯Ca Mg NH H Ot—N0 c卜 F
2．1 酸雨阱迫 下菠菜 SOD活性变化及稀土元素 王—墁— — 三 立立 L卫旦_ L_! —三一
的作用 研究结果(图1，a)表明：酸雨阱迫下，菠菜 SOD活性随着其胁迫强度(酸度)的增加而在胁迫初期
上升 当活性上升到一个峰值后转而逐渐下降．对照与各处理之间以及各处理之间的 SOD活性变化幅度
较大 施用稀土元素后 ，虽然植株仍处在酸雨胁迫下．SOD活性也随着酸雨胁迫强度的增大 ．由逐渐上升后
转而下降．其峰值向酸度较大的方向移动，SOD活性总体水平升高，对照与各处理之间的变化幅度明显减少
言
吾
艇
§
pH擅 pH vBl
图 1 酸雨对菠菜SOD(a)，CAT(b)．POD(c)活性的影响及稀土元素的作用
Fig．1 The e~eet 0f acM rain(AR)on acti~ty ofSOD(1)，CAT (2)·POD(3)of spinach andthe cofiserv&t~n of
earth eleraems(REE)
1 单一酸雨处理 AR；2 酸雨+0．01 稀土叶喷 AR+0 01 REEfoliar spray{3 酸雨十咀03 稀土叶喷 AR+
0．03 REEfolLar spray}4 酸雨+0 05 稀土叶喷 AR+0．05％REE[ol~r spray}5 酸雨 十0．03 稀土授种 AR+
0．03 REE soaked；6 酸雨+0．05 稀土浸种 AR+O．05 REE soaked seed
2．2 酸雨胁迫下菠 菜的 CAT活性 变化及稀土元 素的作用 研究结果(图 1．b)表 明：单一酸雨胁迫下
CAT活性被诱导呈上升趋势。但随着陆迫强度的增加，CAT活性又转而下降，整个变化曲线呈 ^ 形。施
用稀土元素后，CAT活性在酸雨处理下其变化 曲线仍呈“^ 形 ．但峰值 向 pH减小的方向推移。
2．3 酸雨胁迫下菠菜 POD活性变化及稀土元素的作用 研究结果(图 1．c)表明菠菜叶片中 POD活性随
酸雨胁迫强度增大而缓慢增 加。到 pH3．5急剧上升。施用稀土后 ．急剧上升的起点后移至 pH3．0处．POD
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4期 严重玲等：酸雨胁迫下。稀土元素对菠菜膜保护系统作用 545
活性变化曲线远不及单一酸雨胁迫的高
3 讨论
酸雨胁迫能够影 响植物体内活性氧代谢系统 的平衡 州、破坏和降低活性 氧清除剂的活性 及含量水
平。SOD在清除 07的同时 。还能阻止 Fe 重新受 O 作用还原生成 Fe抖(Of+Fe 一Fe抖一O )而催化
Fent0n反应 (H 0 +Feu_一．()H—OH一一Fe )产生更多的 ·OH。CAT、POD则通过对 H Oz的消除而阻
遏了 Haher—Weiss反应 (O +H 0 一．OH--OH +0 )产生 ．OH，也避 免了对过多的 H：0z向叶绿体 内渗
透而 加速叶绿紊的降解。 。同时由于 POD具有 IAA氧化酶的性 质 ，PO D活性的降低 ·也减弱了
IAA氧化的作用而利于植株的生长 车研究表明。在酸雨胁迫出现时+植株体内活性氧增加·自身膜保护系
统和具抗性的生理活动被诱导而加快 CAT、SOD活性也 因此被诱导而逐渐上升。随着胁迫强度的增加
(pH减小)。CAT、SOD的底物浓度逐渐超过最适范围，转而抑制 CAT、SOD的活性 +使之逐渐 下降。而其
体内 PO D活性在酸雨胁迫下则表现出由缓慢上升转而急剧增加 。稀土元索施用后 ，这 3种酶的活性变化
曲线波动性减小 ，出现一种相对稳定状态 ，变化曲线的拐点 向酸度加大的地方推进 CAT、SOD活性总水
平较单一酸雨处理 为高 。而 PO D活性水平则相对于单一酸雨处理为低。高的 SOD和 CAT活性和低 PO D
活性有利于请除活性氧的积累而防止酸雨胁迫伤害 因此，由于稀土元素的施甩t减弱了菠菜对酸雨的敏
感性 ，增加了菠菜耐受酸雨酸度的范围。亦可看成稀土元素对酸雨影响菠菜膜保护系统的一种防护作用。
酸雨对作物生理影响的生理机制之一是增加膜透性 ，由于细胞内抗氧化酶系统间的平衡失调 ，清除氧
伤害能力减弱 。而活性氧生成量增加，加速了 Of、H 向毒性 更强的 ．OH转化，造成膜脂过氧化 ，使膜透
性增加 ]。细胞内古物外渗，代谢失调。另一方面。由于酸雨的淋洗作用。植物叶片中的Ca抖、Mg 等阳离
子被淋洗出来m】 施用稀土元素后+由于稀士元素具有似钙的作用而占据钙的吸收位置或替代了蛋白质中
钙的结合啪扮演了钙 的“角色 。补充了膜系统 上钙的流失+提高了膜 系统 的完整性 ，同时稀土元素也使 3
种重要抗氧化酶活性相对稳定，进而使活性氧的清除和生成处于相对的低水平平衡状态。而表现出对酸雨
影响膜系统的防护作用
稀土元素能有效的与植物细胞 中的 Fe。 共同参与叶绿素蛋白质复台物和 ll0KD多肽以及 PSI(光系
统 I)的形成。而有利于光合磷酸化和碳同化作用的加强Ⅱ 。由于稀土元素充分地利用强酸雨胁迫所产生大
量的O 使O2+Fe”一Fe舛+O2反应无法形成更多的 Fe¨ 。这就阻断了Fe抖通过 Fenton反应产生更多
的 ·OH而有效的避免了对菠菜的膜伤害 研究还发现稀土元幕对酸雨影响菠菜膜保护系统有一定的防护
作用。但随着酸雨胁迫作用加强(pn3．5～2．5)。这种作用有逐 渐减弱的趋势。这种现象是 由于酸耐酸度的
增大 。对土壤中可溶态稀土元素淋溶作用加强-- +植物可吸收，利用稀土元索的量减小 ，植物体内稀土元素
含 量也减小 _】 所致。因此，而未能明显地表现 出这种防护作用
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