La3+對擬南芥體內SOD、POD酶活性及養分吸收的影響

盧 杰，張自立，歐紅梅

（安徽農業大學資源與環境學院，安徽 合肥 230036）

稀土農用研究在我國始于上世紀70年代初，以微肥的形式使用較為廣泛[1]。適量的稀土具有提高植物光合效率，增加葉綠素含量，增加作物產量，以及提高作物根系對礦質營養元素吸收和對逆境的多種抗性等優點[2-5]。但是高濃度稀土元素對植物有一定的毒害作用[6]；如降低植物體內各種抗氧化酶的活性，抑制各種營養礦質元素的吸收轉化和利用，降低對外界不良環境的抗性，嚴重時能導致植株死亡[7-8]。植物體內的抗氧化系統酶（SOD酶、POD酶等）能維持體內活性氧代謝的平衡，如降低逆境環境導致植物體內產生的過量的陰離子自由基、過氧化氫、氫氧自由基，破壞或降低活性氧清除劑（SOD 酶、POD）等的結構活性[9]。N、P、K 是植物生長的必需元素，也是植物體內參與蛋白質、氨基酸等代謝的主要元素，N、P、K元素虧缺會影響植物的正常生長發育。

盡管前人已做過鑭（La3+）對植物體內SOD酶、POD酶和礦質營養方面的研究，也證實了稀土元素的“Hormesis效應”。但以模式植物擬南芥為對象，分析La3+對SOD酶、POD酶的活性及N、P、K含量的影響及其相關性的研究較少。試驗通過不同濃度的La3+對哥倫比亞型擬南芥進行水培脅迫，研究其體內SOD酶、POD酶的活性，N、P、K的含量以及SOD酶、POD酶與N、P、K之間的相關性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料：擬南芥（Columbia）。

1.2 儀器與試劑

儀器：光照培養箱（HPG-400BX），高壓自動滅菌鍋，無菌操作臺，低溫高速離心機，恒溫水浴鍋，火焰光度計，分光光度計，全自動定氮儀等。

試劑：SOD酶、POD酶試劑盒（南京建成生物工程研究所），pH值7.2的磷酸緩沖液，瓊脂。La2O3（上?；瘜W試劑廠，純度99.99%）

營養液：大量元素 （CaNO3·2H2O，KH2PO4，MgSO4·7H2O，KNO3），微量元素（KI，MnSO4·4H2O，CoCl2·6H2O，Na2MoO4·2H2O，H3BO4，ZnSO4·7H2O，CuSO4·5H2O）

固體基質：蛭石，石英砂，草炭土。

1.3 材料的處理

野生型擬南芥種子用70%的乙醇溶液消毒1 min，再用0.1%次氯酸鈉消毒10 min，無菌水洗凈，播種到經120℃高溫滅菌20 min的MS培養基上。培養皿用密封膜密封后放入22℃的恒溫光照培養箱中培養。待擬南芥幼苗的根長到約1.5～2 cm時，用鑷子輕輕地將幼苗移植到蛭石∶石英砂∶草炭土質量比為2∶1∶1的固體培養基上，繼續培養。并定期澆灌1/4濃度的Honglang營養液（pH值5.5～5.8）。

擬南芥在蛭石培養基上生長6周，選取形態、大小一致的擬南芥作為試驗材料。將根部用純水沖洗干凈，用吸水紙吸干，分別置于濃度為0、5、10、15、20 mg/L 5個處理水平的La3+溶液（pH 值5.5）水培裝置中進行脅迫處理1周（每天更換一次培養液），每處理設置4個平行。

1.4 酶的測定

準確稱取植物地上部分鮮樣0.5000 g，加入預冷的0.1 mol/L磷酸緩沖液（pH值7.2）研磨，制成質量濃度為10%的勻漿。將勻漿置于低溫離心機中4000 r/min離心10 min，取上清液為待測酶液。

SOD酶測定采用NBT法（四氮唑藍法），利用SOD酶試劑盒于550 nm比色。POD酶的測定采用愈木創酚法，利用POD酶試劑盒于470 nm比色。

1.5 蛋白質的測定

測定前處理同1.4，測定方法參見慕康國等[10]（用于計算SOD、POD酶總含量）。

1.6 N、P、K 的測定

將處理后的擬南芥的地上部分，105℃殺青0.5 h，60℃烘18 h后，用研磨磨碎，儲存待用。

植物樣用H2SO4-H2O2消煮，N以凱氏定氮法測定，P以鉬銻抗比色法測定，K以火焰光度法測定。

1.7 數據分析

數據用SPASS19軟件進行方差和相關性分析處理。

2 結果與分析

2.1 La3+對擬南芥SOD酶活性的影響

表1中的數據為不同濃度的La3+對擬南芥SOD酶活性的影響。La3+具有調節植物體內SOD酶活性的作用，從表1中可以看出，在La3+濃度為5 mg/L時，SOD酶的活性達到最大值，在La3+濃度高于5 mg/L時SOD酶活性均低于對照，而且在La3+濃度為5 mg/L時的SOD酶的活性與La3+濃度為15 mg/L和20 mg/L時的酶活性值之間差異顯著（p<0.05）；當 La3+濃度在 10～20 mg/L 時，SOD 酶的活性比對照降低了2.51～36.2個百分點。表明低濃度的La3+增加了SOD酶的活性，而高濃度則相反。SOD是生物體內一種重要的活性氧清除酶，能夠將植物體內由于新陳代謝所產生的超氧化物陰離子自由基、羥自由基、氫自由基和甲基自由基等對植物生長有害的自由基，通過一系列的反應轉化成無害的水和氧，對植物起到保護作用[11]。已有試驗證實了低濃度的La3+能夠促進植物體SOD酶的活性，而高濃度的La3+則起到抑制的作用[12]。這可能是由于較高濃度的La3+能夠對植物的細胞膜造成傷害，使其透性增加，使得植物體的正常代謝發生紊亂[13-16]。

表1 La3+對擬南芥SOD酶活性的的影響

2.2 La3+對擬南芥POD酶活性的影響

La3+對POD酶活性的影響也較顯著。從表2中可以看出，POD酶的活性隨著La3+濃度的增加呈現一直降低的趨勢，在La3+濃度為20 mg/L時，POD酶的活性最低。與對照相比，隨著La3+濃度的增加，POD酶活性降低的范圍是3.80～27.39個百分點。與對照相比，La3+濃度為 10、15、20 mg/L時的 POD酶活性均達到顯著差異（p<0.05）。這說明了高濃度的La3+對POD酶的活性起到抑制作用。POD酶是植物體內氧化還原酶，對多種生理功能起到保護作用，是植物對外界不良環境的敏感指標之一,可以阻止植物體內自由基對生物大分子的質膜的破壞，清除體內大量的活性氧[17-18]。

表2 La3+對擬南芥POD酶活性的影響

2.3 La3+對擬南芥N、P、K含量的影響

從表3中可以看出，在La3+為5 mg/L時，擬南芥地上部分的N、P、K的含量均達到最大值；當La3+濃度大于5 mg/L的時候，隨著La3+濃度的增加，N、P、K的含量顯著降低。與對照相比，N、P、K的含量降低范圍分別在2.09～14.04個百分點、14.53～35.68個百分點和5.59～45.87個百分點。從表3中還可以看出，當La3+濃度為5 mg/L時，與La3+濃度0、10、15、20 mg/L時地上部分的N、P、K的含量差異顯著（p<0.05）。這表明了低濃度的La3+能夠促進擬南芥地上部分對N、P、K的吸收利用，高濃度則會起到抑制作用。由于La3+屬于重金屬，重金屬的脅迫有可能會導致植物體內大量營養元素的缺乏，而且在較高濃度的重金屬環境中能夠引起植物對大量營養元素的吸收轉運和代謝能力的降低；但是，較低濃度的稀土元素對植物的生長代謝起到促進的作用。

表3 La3+對擬南芥N、P、K含量的影響

2.4 SOD酶、POD酶、N、P、K之間的相關性

從表4中可以看出，擬南芥體內N、P、K的含量，SOD酶、POD酶的活性五者之間均呈現極顯著正相關（p<0.01），表明N、P、K的含量與SOD酶、POD酶的活性密切相關。N、P、K是植物生長所必須的元素，缺少任何一種都會影響植物的正常生長，而SOD酶、POD酶可以通過自身酶的活性調節維持體內各種代謝平衡，其相關性也表明了地上部分N、P、K、SOD、POD中的任何一種發生變化對其他因素均產生影響。

表 4SOD、POD、N、P、K之間的相關性

3 結論

試驗表明，La3+在 0、5、10、15、20 mg/L 濃度下對擬南芥N、P、K、SOD的影響均達到顯著性差異，并且均呈現“低促高抑”的特點，在La3+濃度為0～5 mg/L范圍內，N、P、K、SOD的值都呈現出一定程度的增加，當La3+濃度>5 mg/L時，上述4種指標值與對照相比均有顯著地下降，這與張曉春等[11-15]的研究結果一致。擬南芥體內SOD酶比POD酶具有相對較高的耐性，而POD酶的活性則在設置的5個濃度范圍內均呈現下降的趨勢，可能是由于擬南芥體內的POD酶活性對La3+較敏感，即使是在相對較低的濃度下也受到抑制；還有可能是La3+濃度在0～5 mg/L范圍內，La3+對POD酶活性的影響也存在“低促高抑”的現象，在試驗中沒有體現出來，尚需進一步研究。試驗證實了在不同濃度條件下，擬南芥地上部分 N、P、K、SOD、POD 之間均存在著極顯著相關性，也說明了植物體內各種物質代謝密切相關、相互依存的關系。

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