重金屬復合脅迫對酢醬草抗氧化酶系統的影響

羅澤萍 潘立衛

（河池學院化學與生物工程學院，廣西 宜州 546300）

重金屬復合脅迫對酢醬草抗氧化酶系統的影響

羅澤萍 潘立衛

（河池學院化學與生物工程學院，廣西 宜州 546300）

采用盆栽法考察不同質量濃度的Cd、Zn、Cu、Pb、As 5種重金屬復合脅迫對酢醬草抗氧化酶活性的影響。結果顯示隨著重金屬處理濃度梯度的增加，酢醬草過氧化物酶 (POD)活性、抗壞血酸過氧化物酶（APX）活性、脯氨酸（PRO）含量及谷胱甘肽（GSH）含量先升高后降低；而超氧化物歧化酶 (SOD)活性和過氧化氫酶 (CAT)酶活性逐漸下降。結果表明酢醬草在重金屬復合脅迫下能防御性的增加POD酶活性、SOD酶活性、PRO含量及GSH含量以減少逆環境的傷害，而重金屬復合脅迫濃度過高則會導致酢醬草抗氧化酶系統受到明顯損害，生長受到很大程度的抑制。

酢醬草；重金屬；復合脅迫；抗氧化酶

1 引言

重金屬污染是指由于人類活動，如對重金屬的開發和利用的過程中造成的有害元素，如：Pb、Hg、Cd、Co等在土壤中沉積從而引起含量過高而導致的嚴重的環境污染。重金屬的危害程度在于其毒性易通過食物鏈在植物、動物和人體內累積等特點，對生態環境和人體健康構成嚴重威脅，如日本的水俁病和痛痛病分別由汞污染和鎘污染所引起。近年來，有關重金屬污染的事件層出不窮，如2006年甘肅省徽縣和2009年河南濟源的Pb污染事件，2011年《新世紀》周刊報道中國多地市場約10%大米Cd污染，同年云南省曲靖市發生一起非法傾倒劇毒工業廢料引起鉻污染；2012年，廣西龍江河出現重金屬鎘含量超標。可見，重金屬污染已經嚴重影響威脅到人們的健康和生活。超富集植物能通過根系吸收固定重金屬從而達到修復污染土壤的目的，并將重金屬轉移到地面部分，再采用收割的方式去除土壤中重金屬。如蜈蚣草就是一種Sn超富集植物，對Sn、Pb、Zn的耐受能力亦較強；寶山堇菜可以吸收土壤中超量的Cd，并且可以把重金屬從植物地下部分轉移至地上部分，是理想的Cd超富集植物。Cd、Zn、Cu、Pb、As是污染土壤中較常見的 5中重金屬，由于其均具有較高的化學活性，因此，易破壞植物細胞膜結構和功能，使植物體內細胞液外滲而導致植物體內代謝紊亂，從而引起一系列有害的生理生化現象。酢醬草(Oxalis corniculata L.)也叫酸漿、三葉酸、三角酸等，其氣味酸、寒、無毒，來源酢醬草科植物的全草。具有清熱解毒、消腫散疾、補肺瀉肝、健胃止咳、涼血化瘀等功效，可用于治療泄瀉、痢疾、黃疸、淋病、麻疹、吐血、癰腫、瘡癤、疥癬、痔疾、脫肛、月經不調、跌打損傷等癥[1-3]。現代藥理研究表明酢醬草具有較好的抗炎、抗病毒、抑菌和抗氧化[6-9]作用。目前，對酢醬草的研究主要集中在化學成分、生物活性及組織栽培等方面[10-15]，而有關重金屬對酢醬草抗氧化酶系統的影響鮮有報道。因此，研究Cd、Zn、Cu、Pb、As 5種重金屬在不同質量濃度處理下對酢醬草抗氧化酶系統的影響具有重要意義。為酢醬草抗氧化酶系統的防御機制及植物修復和合理開發提供理論依據。

2 材料與方法

2.1 試驗材料及處理

盆栽試驗于河池學院植物組織培養實驗室進行。供試土壤取自無重金屬污染地區，經測定其基本理化性質如下：pH=5.14，有機質=23.52 g/kg，CEC=7.96 cmol/kg，重金屬Cd、Pb、Cu、Zn、As背景分別為0.21、17.24、13.65、2.57、3.68 mg/kg。將過3 mm篩并剔除雜物的土壤風干后4 kg裝入直徑為30cm，高為15cm的陶瓷盆中。重金屬以CdCl2、Zn(NO3)2、CuCl2、Pb(NO3)2、Na2HAsO4金屬鹽形式用Hoagland’s營養液完全溶解，按空白、處理水平一、二、三、四、五、六處理濃度依次為Cd：0、0.1、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5，Pb：0、100、500、1000、1500、2000、2500，Cu：0、50、100、200、300、400、500，Zn：0、100、200、400、600、800、1000，As：0、20、40、60、80、100、120的濃度均噴灑于每盆中。從野外采未受污染且長勢一致的酢醬草，用去離子水把粘附的土壤和雜質洗干凈后，每10株一組種入盆中。

2.2 測定指標

酢醬草生長40 d后，取植株相同部位的葉片，用去離子水洗凈瀝干，用于各項指標測定。POD活性采用愈創木酚法測定[16]；SOD、CAT活性分別按照南京建成生物工程研究所生產總超氧化物歧化酶測定試劑盒（WST-1 法）、過氧化氫酶（CAT）測定試劑盒（可見光法）說明順序測定；APX采用比色法測定[17]；PRO采用茚三酮顯色、甲苯萃取分光光度法測定[18]；GSH含量參照Brehe J的方法測定[19]。

2.3 數據處理及統計方法

采用spss19.0軟件進行數據分析和處理。

3 結果與分析

3.1 酢醬草POD酶對復合重金屬脅迫的響應

植物在逆環境脅迫下會產生破壞植物細胞膜結構的超氧化物自由基，除此之外，超氧化物自由基還能與膜蛋白發生鏈式聚合反應，從而導致植物細胞膜系統遭到破壞，最終導致植物損害、甚至死亡[20]。然而，植株可防御性的通過提高POD酶的活性，從而減少超氧化物自由基對植株造成的傷害[21]。由表1可見，隨著重金屬脅迫濃度梯度升高，酢醬草POD活性呈先升后降順序。說明酢醬草在受到重金屬污染后能防御性的增加POD酶活以減少超氧化物酶的傷害，但是隨著重金屬處理濃度的升高，酢醬草的防御系統可能受到破壞，因此，產生的POD酶活性逐漸下降。

3.2 酢醬草SOD酶對復合重金屬脅迫的響應

當植物在逆環境脅迫時，會致使活性氧積累從而導致膜脂過氧化作用，SOD能清除這些活性氧在細胞內大量積累，特別是超氧自由基的積累[22]。SOD酶活性的逐漸下降，意味著植物體逐漸衰老[23]。由表1可見，隨著重金屬脅迫濃度升高，酢醬草SOD活性明顯下降。說明酢醬草在重金屬污染下抗氧化酶系統受到破壞，生長受到抑制。

3.3 酢醬草CAT酶對復合重金屬脅迫的響應

脅迫下，植物細胞內的自由基清除系統遭到破壞，致使體內的過氧化氫等自由基聚集，植物葉片中的CAT能清除過氧化氫自由基對細胞的氧化作用，從而糾正植物體內代謝紊亂、維持細胞膜正常結構和功能[24]。由表1可見，隨著重金屬脅迫濃度升高，酢醬草CAT活性明顯下降。說明酢醬草在重金屬脅迫下抗氧化酶系統遭到破壞。

3.4 酢醬草APX對復合重金屬脅迫的響應

APX 在植物生長發育和逆境脅迫響應等生理過程中都發揮著非常重要的作用。其通過清除植物在逆脅迫時產生過量的H2O2從而使細胞免受活性氧毒害[25]。由表1可以看出，重金屬處理水平一APX活性比空白對照組高，說明酢醬草在重金屬脅迫下能通過提高 APX活性清除逆環境下產生的H2O2。但是隨著重金屬處理濃度的逐漸升高，酢醬草APX活性逐漸下降，說明重金屬脅迫濃度過高酢醬草的抗氧化酶系統受到一定程度的破壞。

3.5 重金屬復合脅迫對酢醬草PRO含量的影響

PRO在植物細胞中具有滲透調節、清除?OH、保護酶的活性、儲藏N素及作為碳源和氮源提供能量等功能，所以，在適應環境的過程中起著至關重要的作用。因此，常作為評價植物抗逆性的重要指標，在逆環境下，植物體內PRO含量通常急劇上升[26,27]。由表 1可見，隨著重金屬處理濃度的增加，酢醬草PRO含量先升高后降低，說明酢醬草受到重金屬脅迫時能做出積極響應，但當重金屬處理濃度過高容易導致植物細胞和酶破壞，因此PRO含量逐漸下降。

3.6 重金屬復合脅迫對酢醬草GSH含量的影響

GSH參與到植物還原硫的貯存和運輸及蛋白質和核酸合成的重要過程中，因此，其與植物在逆環境中的耐受能力緊密聯系。GSH水平提高可增強植物抵抗逆環境的能力[28]。由表1可見，酢醬草GSH含量隨著重金屬濃度的逐漸升高先升后降。

表1 酢醬草POD、SOD、CAT、APX、PRO、GSH酶對復合重金屬脅迫的響應

4 結論與討論

植物體內有一套重要的抗氧化酶系統，包括SOD、POD和CAT等，其在清除自由基方面發揮著關鍵的作用。植物在重金屬脅迫下會產生一系列破壞植物細胞膜結構和功能的物質，如：氧自由基、膜脂過氧化物、過氧化物等[29,30]。土壤重金屬污染對植物的影響一直是國內外學者關注的焦點。蘇銀萍[31]等人采用土培的方法，研究了不同程度錳污染土壤對木荷葉片過氧化氫、超氧陰離子自由基產生速率的影響以及抗氧化酶的活性與非酶物質在解除ROS毒害過程中的作用，結果發現木荷葉過氧化氫、超氧陰離子自由基正常代謝平衡被打破，引起不同程度的積累，且污染啟動了木荷抗氧化系統。陳功亮[32]等人通過盆栽試驗，研究鈾脅迫對酸模葉綠素含量及抗氧化酶系統的影響，結果發現高濃度鈾脅迫導致整個 PSⅡ的結構和功能以及抗氧化酶系統都受到較嚴重的破壞。何潔[33]等人本文以不同含量Zn和Cd為脅迫因子，以在沿海灘涂分布廣泛的鹽生植物翅堿蓬為受試材料，研究翅堿蓬生長指標及體內超氧陰離子和過氧化氫的產生速率及抗氧化酶活性的變化，結果發現高濃度的Zn、Cd致使翅堿蓬的抗氧化酶系統遭到不同程度的破壞。對Cd污染抵御能力差，微量Cd即可損害翅堿蓬發芽率、苗高、苗重。本文研究了Cd、Zn、Cu、Pb、As 5種重金屬在不同質量濃度處理下對酢醬草抗氧化酶系統的影響，結果發現隨著重金屬處理濃度梯度的增加，酢醬草POD酶活性先升后降，說明酢醬草在受到重金屬污染后能防御性的增加POD酶活性以減少超氧化物酶的傷害，但是隨著重金屬處理濃度的升高，酢醬草的防御系統可能受到破壞，因此，產生的 POD酶活性逐漸下降；而 SOD和CAT酶活性與空白對照組相比逐漸下降。說明生長受到很大程度的抑制。植物生長的諸多環境因素對植物的光合作用產生不同程度的影響，作為葉綠體分解 H2O2系統關鍵酶的APX 有可能成為作物抗逆性育種研究者考慮的一個生理生化指標[34]。PRO作為一種理想的滲透調節物質在抗逆環境脅迫中起著重要的作用。GSH因其具有還原態硫儲存和轉運、合成蛋白質和核酸的以及組織抗氧化特性維持和對氧化還原敏感的信號傳達等重要作用，因此，谷胱甘肽含量的高低與植物抗逆能力緊密聯系。酢醬草APX活性、PRO含量、GSH含量隨著重金屬復合脅迫濃度的升高呈現先升后降趨勢，說明酢醬草受到重金屬脅迫時能做出積極響應，但當重金屬處理濃度過高容易導致植物細胞和酶破壞，因此PRO含量逐漸下降。綜上所述，重金屬復合脅迫下酢醬草生長受到一定程度抑制，POD酶活性、APX酶活性、PRO含量及GSH含量先升高后降低；而SOD酶活性和CAT酶活性逐漸下降。結果表明酢醬草在重金屬復合脅迫下能做出積極響應，通過增加POD酶活性、SOD酶活性、PRO含量及GSH含量以減少逆環境的傷害。可見酢醬草在治理和修復復合重金屬污染土壤及防治土壤污染服務具有一定的參考價值，同時，為規模發展酢醬草種植產業及合理開發酢醬草植物資源提供指標和客觀依據。但是高濃度重金屬污染土壤可能對酢醬草造成明顯不可逆的生理毒害效應，可見酢醬草對重金屬復合污染非常敏感，因此，利用酢醬草的生理特性變化來評價重金屬復合污染土壤環境質量、建立土壤污染預警指標體系或環境標準的修訂亦具有重要意義。

[1] 中國科學院植物研究所.中國高等植物圖鑒（第二冊）[M].北京:科學出版社,1980:581-582.

[2] 江毅,李朝斗,楊衛平,等.草藥彩色圖集[M]/貴州:貴州科學技術出版社,2001:324.

[3] 余漢華,王勇,肖英華,等.酢漿草的生藥鑒定[J].中國民族民間醫藥雜志,2005,74:178-179.

[4] 楊紅原,趙桂蘭,王軍憲.紅花酢漿草化學成分的研究[J].西北藥學雜志,2006,21(4):156-158.

[5] 譚萍,趙云嬋.黔產酢漿草總黃酮含量的測定及提取方法研究[J].山西醫藥雜志,2006(5):462.

[6] 郭美仙,王艷雙,施貴榮,等.酢漿草對小鼠急性腹膜炎的抗炎鎮痛作用研究[J].大理學院學報,2014,13(2):6-8.

[7] 王玉仙,丁良,申文增,等.酢漿草的抗炎作用[J].醫學研究與教育,2010,27(5):11-13.

[8] 丁良,李靜,楊慧,等.酢漿草的體外抑菌活性[J].醫學研究與教育,2010,27(6):16-21.

[9] 丁良,李靜,楊慧.酢漿草提取物體外抗氧化活性研究[J].遼寧中醫雜志,2011,38(10):2055-2056.

[10] 廖惠平,陳思思,黃文平,等.酢漿草的薄層色譜鑒別研究[J].江西中醫藥大學學報,2014,26(4):62-67.

[11] 劉受先,吳歡,鄧志清,等.RP-HPLC測定不同產地酢漿草中刺槐素-6-C-β-D-葡萄糖苷含量[J].江西中醫學院學報. 2011(1):55-56.

[12] 賈紀萍,熊玥,嚴宏鳳,等.酢漿草提取工藝的研究及總有機酸的測定[J].廣東化工,2015,42(10):135-136.

[13] 馬鴻軍.酢漿草對高脂血癥大鼠血脂代謝和護肝作用的研究[D],河北:河北大學,2010.

[14] 錢玉梅,高貴珍,張興桃,等.3種酢漿草過氧化物酶的研究[J].安徽農業科學,2006,34(23):6103-6104.

[15] 吳杰,覃銘,顏帥,等.秋水仙素處理對黃花酢漿草生長的影響及誘變效應[J].北京師范大學學報(自然科學版),2012, 48(2):161-163.

[16] 張志良.植物生理學實驗指導[M].北京:中國農業出版社, 2000:168-170.

[17] 趙宏偉,王新鵬,于美芳,等.分蘗期干旱脅迫及復水對水稻抗氧化系統及 PRO影響[J].東北農業大學學報,2016,47 (2):1-7.

[18] 鄒琦.植物生理學實驗指導書[M].北京:中國農業出版社, 2000.

[19] Brehe J,Burch H.Enzymatic assay for glutathione[J].Anal Biochem,1976,74(1):189-197.

[20] 李亞,謝曉金,宣繼萍,等.中國結縷草植物抗寒性評價[J].草地學報, 2003, 11(3):240-245.

[21] 王欽.草坪植物的逆境效應及質量評定標準研究報告[J].草業科學,1993,10(4):48-53.

[22] 廖祥儒,朱新產.活性氧代謝和植物抗鹽性[J].生命的化學, 1996,(16)6:19-23.

[23] 王建華,劉鴻先.SOD在植物逆境及衰老中的作用[J].植物生理學通訊,1980(1):1-7.

[24] LIANG Y C,CHEN Q,LIU Q,et al.Exogenous silicon increases antioxidant enzyme activity and reduces lipid peroxidation in roots of salt-stressed barley[J]. Journal of Plant Physiology,2003,160:1157-1164.[25] 李澤琴,李靜曉,張根發.植物抗壞血酸或氧化物酶的表達調控以及對非生物脅迫的耐受作用[J].遺傳,2013,35(1): 45-54.

[26] Hare P D, Cress W A.Metabolic implications of stress induced PROline accumulation in plants[J]. Plant Growth Regul, 1997, 21: 79-102.

[27] Guerrier G.PROline accumulation in leaves of NaCl-sensitive and NaCl-tolerant tomatoes[J].Biologia Plantarum,1997(40): 623-628.

[28] NOCTOR G, GOMEZ L, LE'NE VANACKER He, et al. Interactions Between Biosynthesis, Compartmentation and Transport in the Control of Glutathione Homeostasis and Signaling[J].Journal of Experimental Botany,2002,53(372): 1283-1304.

[29] 江行玉,趙可夫.植物重金屬傷害及其抗性機理[J].應用與環境生物學報, 2001,7(1):92-99.

[30] Van Assche F,Clijsters H. Effects of metal on enzyme activity in plant[J]. Plant Cell Environ, 1990, 13:195-206.

[31] 蘇銀萍,劉華,于方明,等.Mn污染對木荷葉片抗氧化酶系統的影響[J].農業環境科學學報,2014, 33(4):680-686.

[32] 陳功亮,羅學剛.鈾脅迫對酸模葉綠素熒光特性和酶活性的影響[J].環境科學與技術,2015, 38(3):38-43.

[33] 何潔,高鈺婷,賀鑫,等.重金屬Zn和Cd對翅堿蓬生長及抗氧化酶系統的影響[J].環境科學學報,2013, 33(1):312-320.

[34] 曹宛虹.作為葉綠體 H2O2分解系統關鍵酶的抗壞血酸過氧化物酶[J].植物生理學通訊, 1994, 30(4):452-458.

Effect of compound heavy metals intimidate on antioxidase system of oxalis corniculata L.

To study the effect of compound heavy metals（Cd、Zn、Cu、Pb、As）with different mass concentration intimidates on antioxidase system of Oxalis corniculata L.by pot-cultivated experiments. The result showed that the activity of POD, APX, PRO, and GSH increased at first and then decreased during compound heavy metals concentration increasing, but the activity of SOD and CAT gradual decline. Results indicate that under the stress of heavy metal compound, Oxalis corniculata L.can defensive increase the activity of POD, SOD enzyme activity, and PRO, GSH content in order to reduce adverse environmental damage, and heavy metal compound stress concentration leads to obvious damage on antioxidant enzyme system, and the growth inhibition seriously.

Oxalis corniculata L.; combined stress; heavy metals; antioxidase system

X53

A

1008-1151(2016)07-0035-03

2016-06-05

河池學院環境工程專業碩士點建設學科基金項目資助(2015HJB005)。

羅澤萍（1987－），女，廣西梧州人，河池學院化學與生物工程學院講師，研究方向為生化藥理學。

潘立衛（1987－），男，廣西都安人，河池學院化學與生物工程學院實驗師，研究方向為中草藥有效成分研究。