鉛與酸雨復(fù)合污染對水稻幼苗期保護酶系統(tǒng)的影響

楊 靜， 高甜甜， 張 莉， 蔡蓉鳳， 許 雁， 金 琎

(蘇州科技學(xué)院化生學(xué)院，江蘇蘇州 215009)

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鉛與酸雨復(fù)合污染對水稻幼苗期保護酶系統(tǒng)的影響

楊 靜， 高甜甜， 張 莉， 蔡蓉鳳， 許 雁， 金 琎*

(蘇州科技學(xué)院化生學(xué)院，江蘇蘇州 215009)

[目的]研究酸雨和鉛復(fù)合污染對水稻幼苗期保護酶系統(tǒng)的影響，為酸雨和鉛復(fù)合污染對植物的毒性機理研究提供科學(xué)依據(jù)。[方法]以蘇香梗3號水稻幼苗為試材，采用模擬聯(lián)合污染方法，共設(shè)4個處理，即對照(CK)、酸雨組、鉛組、鉛+酸雨組，研究了鉛及酸雨復(fù)合脅迫對水稻幼苗的危害。[結(jié)果]酸雨(pH=3)與鉛的復(fù)合脅迫使水稻生長受到明顯抑制，導(dǎo)致幼苗保護酶系統(tǒng)中SOD、POD升高后快速降低，CAT活性持續(xù)減弱。[結(jié)論]復(fù)合污染嚴(yán)重影響了水稻保護酶系統(tǒng)的正常功能，且復(fù)合污染的危害遠大于單一污染之和。

鉛；酸雨；水稻

我國遭受酸雨危害的農(nóng)作物播種面積大約為1 288.7萬hm2,經(jīng)濟損失達42.6億元[1]，酸雨已成為制約我國農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟發(fā)展的重要因素之一。酸雨會直接導(dǎo)致植物的枯萎和死亡，研究表明[2-4]，水的pH在3以下時，大豆、小麥等植物葉片表面會出現(xiàn)壞死的斑點，葉片的氣孔受到損傷，進而影響其光合作用和分泌作用，甚至?xí)怪参锼劳觥Ｋ嵊赀M入土壤后，可降低土壤的pH，加速金屬離子(如Zn、Pb、Cd、Cu等)的溶出，使農(nóng)作物遭受酸雨和重金屬的復(fù)合脅迫，從而造成農(nóng)作物減產(chǎn)。鉛是植物的非必需元素，對植物具有毒害作用。植物的保護酶系統(tǒng)是植物遭受脅迫時最重要的反應(yīng)系統(tǒng)，它與植物的抗逆能力密切相關(guān)。目前，選擇保護酶系統(tǒng)的變化來評價鉛和酸雨的復(fù)合脅迫研究鮮見報道。 筆者以水稻為材料,研究了酸雨與鉛復(fù)合脅迫的毒害機制，以期為酸雨和鉛復(fù)合污染對植物的毒性機理研究提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1供試品種供試水稻品種為蘇香梗3號，由蘇州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院提供。

1.2模擬酸雨的制備配制pH3.0的酸雨母液, 其中硫酸根和硝酸根的體積比為 4.7∶1.0。用母液調(diào)制成pH3.0的酸雨。

1.3試驗設(shè)計將水稻幼苗用0.1%HgCl2消毒10min后用蒸餾水清洗干凈，置于光照箱萌發(fā)、培養(yǎng)，溫度(25±1) ℃，光強2 000lx。共設(shè)4個處理，酸雨組：待苗長至3cm時移入盛有Hoagland營養(yǎng)液塑杯中培養(yǎng)，每杯5株，3d更換1次營養(yǎng)液，光周期為10h∶14h(光∶暗比)，30d后待用；用配制好的酸雨均勻地噴灑在水稻幼苗葉片上，滴液為限(為增加附著力，噴施液中加1～2滴吐溫-80)；鉛組：在根部溶液中加入硝酸鉛，濃度為40mg/L；酸雨+鉛組：葉面噴施酸雨的同時在根部溶液中加入硝酸鉛，使鉛濃度達到40mg/L；對照組(CK)：噴等量的蒸餾水，滴液為限，然后更換為等量的Hoagland營養(yǎng)液。

1.4 測定指標(biāo)及方法分別在第1、3、5天測定水稻幼苗的POD、CAT、SOD活性。測定方法參照文獻[5]。

1.5數(shù)據(jù)統(tǒng)計運用統(tǒng)計軟件SPSS11.0進行數(shù)據(jù)處理。

2　結(jié)果與分析

2.1鉛和酸雨復(fù)合脅迫對水稻幼苗POD活性的影響由表1可知，隨著脅迫天數(shù)的增加，CK的POD活性呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，而其他3組則呈現(xiàn)先升后降的趨勢。脅迫第1天，4個處理的POD活性差別較小，未達到差異顯著水平，說明脅迫對水稻幼苗造成的影響尚未顯現(xiàn)。脅迫第3天，酸雨組、鉛組、鉛+酸雨組的POD活性均出現(xiàn)了不同程度的升高，酸雨組和鉛+酸雨組與CK相比達差異極顯著水平，鉛組與CK相比達差異顯著水平；從相對值來看，酸雨組、鉛組、鉛+酸雨組分別較CK高出14.34、8.92、45.27個百分點，顯示鉛對POD的刺激作用沒有酸雨顯著。同時，酸雨和鉛的復(fù)合脅迫對水稻的影響遠遠大于單一脅迫的幾何相加，說明在植物內(nèi)部鉛和酸雨不是分別起作用，而是協(xié)同作用。第5天，單一脅迫和復(fù)合脅迫組的POD活性均大幅降低，分別較CK降低了7.99、4.80、15.83個百分點。 這說明鉛和酸雨的脅迫可誘導(dǎo)水稻幼苗產(chǎn)生更多過氧化物，水稻初期應(yīng)激反應(yīng)

表1　鉛和酸雨脅迫對水稻幼苗POD活性的影響

注：*表示在0.05水平差異顯著，**表示在0.01水平差異顯著。

Note: *indicatedsignificantdifferencesat0.05level;and**indicatedsignificantdifferencesat0.01level.

以提高POD活性，并清除過量的過氧化物，酶活性提高幅度與水稻體內(nèi)過氧化物的產(chǎn)生量成正比，但這種應(yīng)激反應(yīng)在時間上和反應(yīng)幅度上有限，隨著脅迫時間的延長和脅迫程度的加深，生成的過氧化物開始破壞細胞膜系統(tǒng)，表現(xiàn)為POD活性逐漸下降。

2.2鉛和酸雨復(fù)合脅迫對水稻幼苗SOD活性的影響由表2可知，脅迫第1天時，酸雨組與鉛+酸雨組的SOD活性相對于CK均有所增加，分別增加了23.20和30.00個百分點，鉛脅迫組與CK基本持平。第3天時，酸雨組、鉛組與鉛+酸雨組的SOD活性相對于CK大幅增加，分別增加了26.01、19.65和62.81個百分點，進一步顯示酸雨對水稻幼苗的脅迫大于鉛的脅迫。

脅迫第5天，3個脅迫組的SOD酶活性均低于CK，酸雨組與鉛+酸雨組的SOD活性相對于CK降低了8.75和18.82個百分點。這說明在脅迫初期活性氧開始增加，植物的應(yīng)激反應(yīng)被激活，SOD酶活性提高以清除產(chǎn)生的活性氧，但隨著脅迫時間的延長和程度的加深，活性氧的產(chǎn)生量超出了酶清除的上限，活性氧轉(zhuǎn)而破壞酶的結(jié)構(gòu)，降低酶活性。

表2　鉛和酸雨脅迫對水稻幼苗SOD活性的影響

注：*表示在0.05水平差異顯著，**表示在0.01水平差異顯著。

Note: *indicatedsignificantdifferencesat0.05level;and**indicatedsignificantdifferencesat0.01level.

2.3鉛和酸雨復(fù)合脅迫對水稻幼苗CAT活性的影響由表3可知，隨著脅迫天數(shù)的延長，各處理的CAT活性隨之降低，第1、3、5天酸雨組的酶活性分別是CK的83.76%、80.03%、76.66%，鉛組分別是CK的87.40%、83.23%、80.22%，鉛+酸雨組分別是CK的58.20%、56.43%、50.15%。這說明鉛和酸雨的脅迫對CAT的影響發(fā)生得早，且隨著時間的延長，對酶活性的抑制加深，雙重脅迫的影響大于單一脅迫的幾何相加。

表3　酸雨和鉛對水稻幼苗CAT活性的影響

注：*表示在0.05水平差異顯著，**表示在0.01水平差異顯著。

Note: *indicatedsignificantdifferencesat0.05level;and**indicatedsignificantdifferencesat0.01level.

3　結(jié)論與討論

(1)Fridovich[6]自由基學(xué)說認(rèn)為，不良環(huán)境下植物體內(nèi)存在膜保護系統(tǒng)，能夠清除體內(nèi)多余的自由基，其活性氧、自由基代謝是一個動態(tài)變化過程。這一保護系統(tǒng)實際上是一個抗氧化系統(tǒng),它是由多種酶和還原型物質(zhì)組成,其中SOD、POD、CAT是主要的抗氧化酶。SOD作為超氧自由基清除劑，與植物的抗逆性高低有相關(guān)性，在逆境初期，SOD活性增加以提高植物的適應(yīng)能力,隨著逆境程度的增加，SOD活性呈先上升后下降,這與筆者研究得出的結(jié)論一致，也與Macarlane等[7]的研究結(jié)果一致。至于酸雨的影響大于鉛的影響,原因可能與取材有關(guān)，酸雨的直接噴施短期內(nèi)對植物造成的傷害比根部溶液中添加重金屬鉛的危害更直接。

(2)POD是一種適應(yīng)性酶，其在植物體內(nèi)的活性較高，與植物的生長發(fā)育狀況、體內(nèi)代謝快慢、對外界環(huán)境的適應(yīng)能力密切相關(guān)[8-9]。鉛的酸雨脅迫可以誘導(dǎo)水稻組織中POD活性升高，這是水稻對污染脅迫的響應(yīng)。由于植物在遭受污染脅迫時，產(chǎn)生了大量有害的過氧化物,POD利用H2O2對這些過氧化物進行分解來維持自身的正常代謝，導(dǎo)致了POD活性的增加。當(dāng)脅迫超過植物的承受極限時，植物的酶系統(tǒng)就會遭受破壞。該研究中，脅迫前3dPOD的活性逐漸升高，且復(fù)合脅迫升高最明顯，達到了對照的145%；第5天活性快速下降，說明其脅迫超出了植物的承受范圍，開始破壞其功能。POD也與SOD顯示出相同的變化趨勢，酸雨的影響大于鉛，復(fù)合脅迫大于單一脅迫之和。

(3)CAT是一種含鐵的蛋白酶，能將SOD的反應(yīng)產(chǎn)物H2O2分解成H2O，以達到清除體內(nèi)多余的H2O2，阻遏Haber-Wess反應(yīng)產(chǎn)生更強毒性的·OH，也避免了H2O2對植物組織的傷害。該研究表明，鉛和酸雨的脅迫從初期就抑制了CAT活性，且隨著脅迫時間的延長，酶活性被抑制的程度加深，第3天SOD活性卻處于上升階段，勢必會產(chǎn)生大量的H2O2。缺少了CAT對H2O2的分解作用，積累的H2O2將通過Haber-Wess反應(yīng)產(chǎn)生更強毒性的·OH，加速了對植物的破壞作用。

(4)綜上所述，水稻幼苗遭受重金屬鉛和酸雨脅迫時，作為植物的內(nèi)源保護酶系統(tǒng)(SOD、CAT、POD)能夠在脅迫初期清除體內(nèi)過剩的活性氧，維持活性氧代謝平衡，從而保護膜結(jié)構(gòu)，使水稻在短期表現(xiàn)出一定的抗性，維持植物的正常代謝，但只能維持一段時間，隨著脅迫時間的加長，脅迫超出承受極限時，SOD、POD和CAT活性下降或被破壞，細胞的正常代謝被破壞。這說明植物在逆境脅迫下，形態(tài)與生理上產(chǎn)生一系列保護性代償反應(yīng)，以適應(yīng)漸變或驟變的環(huán)境，但當(dāng)脅迫強度超越植物的適應(yīng)能力時，損傷隨之發(fā)生，也說明鉛和酸雨脅迫在植物體內(nèi)有著復(fù)雜的關(guān)系，這種關(guān)系是今后的研究重點。

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EffectsofLeadandAcidRainCombinedPollutiononProtectiveEnzymeSysteminRiceSeedlingPeriod

YANGJing,GAOTian-tian,ZHANGLi,JINJin*etal

(SchoolofChemistryandBiologicalEngineering,SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou,Jiangsu215009)

[Objective]Toresearchtheeffectsofleadandacidraincombinedpollutiononprotectiveenzymesysteminriceseedlingperiod,andtoprovidescientificbasisfortheresearchontoxicmechanismofleadandacidraincombinedpollutiontotoxicity. [Method]WithSuxianggeng3riceseedlingasthematerials,simulationcombinedpollutionmethodwasadopted.Therewereinallfourtreatments,includingcontrol(CK),acidraingroup,leadgroup,andlead+acidraingroup.Damageofleadandacidraincombinedstressonriceseedlingwasexplored. [Result]Combinedstressofacidrain(pH=3)andleadsignificantlyrestrictedthegrowthofrice.Thus,theSODandPODfirstlyenhancedandthenrapidlydecreasedinseedlingprotectiveenzymesystem.CATactivitycontinuallyweakened. [Conclusion]Combinedpollutionseriouslyaffectsthenormalfunctionofprotectiveenzymesystemofrice,andcombinedpollutionisfarmorehazardousthanthesumofsinglepollution.

Lead;Acidrain;Rice

江蘇省教育廳“高等學(xué)校大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練”(2014058)；蘇州市科技計劃項目(SYN201413)。

楊靜(1991- )，女，甘肅兩當(dāng)人，本科生，專業(yè)：生物技術(shù)。 *通訊作者，副教授，碩士生導(dǎo)師，從事植物生理和環(huán)境生理研究。

2016-05-06

S181

A

0517-6611(2016)18-034-03