模擬酸雨對水杉SOD、POD及CAT酶活性的影響研究

茍姝貞，余 東，楊 冬,鄧仕槐,向峻伯*

(1.成都工業職業技術學院，成都 610218；2.四川農業大學，成都 611130)

1 前言

如今，酸雨已成為全球性環境問題之一[1]。我國的酸雨主要分布在長江以南、青藏高原以東地區，其中西南酸雨區是我國傳統酸雨沉降區，是全國4個主要酸雨分布區之一。西南酸雨區主要以pH為4.5～5.6的弱酸性降雨為主，占總降雨頻次的58%左右[2]。雖然近年來我國酸雨污染逐年減輕，但酸雨前體物質(SO2、NOx)的排放仍在增加，中國酸雨的防治問題任重道遠[3]。

酸雨能夠破壞生態系統的穩定性，使自然界生態系統物質循環受到干擾，并改變生態系統的能量流動。研究表明，酸雨在造成植物葉片褪綠或壞死的同時，從根本上造成植物不可見的傷害，例如：植物的光合作用下降、營養元素流失、水平衡變化、酶活性改變等[4]。

水杉在1.4億年前的中生代早白堊紀廣泛分布于北半球，但在第四紀，勢不可擋的巨大冰川，使得昔日極盛一時的水杉類植物幾乎全部滅絕，只在歐洲、北美和東亞的地層中保留有化石。直到20世紀40年代初期，我國植物學家才在鄂西利川縣磨刀溪(今謀道溪)，奇跡般地發現了這種從古代植物保存下來的“活化石”，是只有中國特有的古代孑遺植物，被稱為“植物界的熊貓”[5]。

為保護水杉這一“珍稀瀕危植物”，我國設立湖北省國家級星斗山自然保護區研究其生長條件。而西部地區作為其唯一的自然生長區域，研究其在酸雨脅迫下生長情況及生理生化指標的變化，以期為保護該珍貴孑遺植物提供參考依據。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

實驗地位于四川農業大學(雅安校區)教學科研園區內3號溫室大棚，103°48′E，30°23′N，研究區屬亞熱帶季風氣候，年均降雨量1732mm左右，極端最高氣溫37.7℃，極端最低氣溫-3.4℃，年平均氣溫為14.1～17.9℃。

2.2 材料與試驗設計

2.2.1 試驗材料 實驗材料由雅安市合生園林綠化服務部提供的2年生水杉苗木。選擇高度、胸徑、長勢基本一致的水杉苗，移栽至深25cm、內徑30cm的花盆(每盆土壤重量控制為10kg，并施加緩效肥15g)，花盆置于溫室大棚內穩定培養3個月，在此期間定期為其進行澆水、通風和滅蟲等管理。

2.2.3 試驗設計 實驗采用完全隨機設計，pH設置4個梯度(pH 2.0、pH 3.0、pH 4.0、pH 5.6)。在溫室大棚穩定培養3個月后，每隔1周分別對其進行不同濃度的模擬酸雨脅迫處理實驗，連續6周。脅迫前，每組隨機選擇10株盆栽，共4組，分別使用4個梯度酸雨脅迫。采用手動背負式噴霧器在每株盆栽葉片正反兩面噴灑等量的不同濃度模擬酸雨溶液，以葉片滴液為限。

2.4 測定指標與方法

隨機選取各處理下的植株各5株，選擇各植株上部第3片或第4片完全展開的向陽葉片用于測定酶活性。酶提取方法：在已預冷的研缽中放入0.2g已剪碎且剔除葉脈的實驗葉片，加入4℃下預冷的磷酸緩沖液2mL入缽并快速研磨成勻漿，再使用3mL磷酸緩沖液沖洗研缽，并將研磨后的勻漿及沖洗液放入離心管中離心，取上清液(酶液)。

SOD測定采用氮藍四唑(NBT)法，POD活性的測定采用采用愈創木酚法，CAT的測定選擇紫外吸收法[7]。

3 試驗結果

3.1 模擬酸雨對水杉SOD酶的影響

圖1 模擬酸雨脅迫對水杉葉片SOD酶活性的影響

第6次噴灑模擬酸雨后，pH 2.0和pH 3.0處理與對照pH 5.6的水杉葉片SOD酶活性具有顯著差異，分別比對照組低7.4%、5.3%。因此，pH 2.0和pH 3.0處理已影響水杉SOD抗氧化系統，從而無法通過自身生理活動完全修復。

3.2 模擬酸雨對水杉POD的影響

過氧化物酶( Peroxidase，POD)是植物抗氧化保護酶系統中的重要酶之一，可以使 H2O2轉化成無毒害的水和氧分子[9]。水杉在模擬酸雨脅迫下，其POD酶活性的變化規律見圖2所示。各處理下水杉葉片POD酶活性隨酸雨脅迫次數增加呈先上升再下降的趨勢，各處理下測得的水杉葉片POD活性隨著酸雨脅迫次數的增加總體呈先上升再下降的趨勢。表明水杉受到酸雨脅迫之初積極啟動酶保護機制使酶活性急劇上升，隨著脅迫次數的增多，POD活性受到一定的抑制呈下降趨勢，也表明部分水杉POD酶系統由初始時的敏感狀態逐漸過渡到后期的適應狀態，表現出一定的抗逆性。

水杉在受到模擬酸雨脅迫后期，葉片的POD酶活性在pH 2.0處理下明顯高于對照pH 5.6，說明pH 2.0的模擬酸雨脅迫已使得水杉體內發生過氧化反應。而pH 4.0處理下的POD酶活性明顯低于pH 5.6，且與未噴灑酸雨前趨勢保持一致，表明pH大于4.0的酸雨不會影響到水杉葉片的POD酶系統，從而推斷酸雨對水杉POD酶系統的傷害閾值為pH<4.0。

3.3 模擬酸雨對水杉CAT的影響

過氧化氫酶( Catalase，CAT)是生物防御體系的關鍵酶之一，能將過量的 H2O2分解，從而使細胞免于遭受H2O2的毒害，使過氧化傷害得到緩解[10]。水杉在模擬酸雨脅迫下，其CAT酶活性的變化規律見圖3所示。各處理下水杉葉片CAT酶活性隨著酸雨脅迫次數的增加總體呈現上升趨勢，表明水杉在受到酸雨脅迫之后積極啟動CAT酶保護機制使酶活性保持上升趨勢。

pH 2.0處理下水杉葉片CAT酶活性在第1次噴灑酸雨后急劇上升，并在后3次噴灑酸雨后保持這種高水平(即高于對照80%以上)，說明pH 2.0處理對水杉的影響最大，需要更多的CAT酶對植物體內的過氧化氫實施清除工作。但在第6次噴灑酸雨后，pH 2.0處理的水杉葉片CAT酶活性卻又急劇下降，表明pH 2.0處理已對水杉的CAT酶系統造成嚴重的傷害或抑制作用。而pH 4.0處理下水杉葉片CAT酶活性與pH 5.6對照處理不具有顯著差異，表明pH 4.0處理對水杉CAT酶系統影響并不大，從而推斷酸雨對水杉CAT酶系統的傷害閾值pH<4.0。

圖3 模擬酸雨脅迫對水杉葉片CAT活性的影響

4 討論

植物體內的物質代謝系統通常處于動態平衡，當其受到逆境脅迫時，就會啟動自身防御系統，減緩逆境對植物酶系統的影響。但是，植物在長時間高頻率的逆境脅迫下，超出植物酶系統的緩沖能力，削弱其防御系統，引起植物光合能力下降、營養流失，細胞膜結構和保護酶系統遭到破壞，從而使植物生長受到抑制甚至導致植物死亡[11]。

5 結論

(1)噴灑6次模擬酸雨后，pH 2.0和pH 3.0處理下水杉葉片SOD酶活性比對照組水杉葉片SOD酶活性顯著降低，pH 2.0和pH 3.0的模擬酸雨已影響水杉的抗氧化系統。

(2)各處理下水杉葉片POD酶活性隨著酸雨脅迫次數的增加總體呈現先上升再下降的趨勢，而pH 4.0處理下的POD酶活性明顯低于pH 5.6，且與未噴灑酸雨前趨勢保持一致，表明pH大于4.0的酸雨不會影響到水杉葉片的POD酶系統，從而推斷酸雨對水杉POD酶系統的傷害閾值為pH<4.0。

(3)各處理下水杉葉片CAT酶活性隨著酸雨脅迫次數的增加呈現上升趨勢，pH 4.0處理下與pH 5.6對照的CAT酶活性不具有顯著差異，酸雨對水杉CAT酶活系統的傷害閾值為pH<4.0。