鉛與酸雨復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

(蘇州科技學院化生學院，江蘇蘇州 215009)

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鉛與酸雨復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*

(蘇州科技學院化生學院，江蘇蘇州 215009)

[目的]研究酸雨和鉛復合污染對水稻幼苗期保護酶系統(tǒng)的影響，為酸雨和鉛復合污染對植物的毒性機理研究提供科學依據(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，研究了鉛及酸雨復合脅迫對水稻幼苗的危害。[結果]酸雨(pH=3)與鉛的復合脅迫使水稻生長受到明顯抑制，導致幼苗保護酶系統(tǒng)中SOD、POD升高后快速降低，CAT活性持續(xù)減弱。[結論]復合污染嚴重影響了水稻保護酶系統(tǒng)的正常功能，且復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作物播種面積大約為1 288.7萬hm2,經濟損失達42.6億元[1]，酸雨已成為制約我國農林業(yè)生產和社會經濟發(fā)展的重要因素之一。酸雨會直接導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，甚至會使植物死亡。酸雨進入土壤后，可降低土壤的pH，加速金屬離子(如Zn、Pb、Cd、Cu等)的溶出，使農作物遭受酸雨和重金屬的復合脅迫，從而造成農作物減產。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系統(tǒng)，它與植物的抗逆能力密切相關。目前，選擇保護酶系統(tǒng)的變化來評價鉛和酸雨的復合脅迫研究鮮見報道。 筆者以水稻為材料,研究了酸雨與鉛復合脅迫的毒害機制，以期為酸雨和鉛復合污染對植物的毒性機理研究提供科學依據(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，由蘇州農業(yè)科學研究院提供。

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。用母液調制成pH3.0的酸雨。

1.3試驗設計將水稻幼苗用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　結果與分析

2.1鉛和酸雨復合脅迫對水稻幼苗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水稻幼苗產生更多過氧化物，水稻初期應激反應

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過氧化物的產生量成正比，但這種應激反應在時間上和反應幅度上有限，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，植物的應激反應被激活，SOD酶活性提高以清除產生的活性氧，但隨著脅迫時間的延長和程度的加深，活性氧的產生量超出了酶清除的上限，活性氧轉而破壞酶的結構，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　結論與討論

(1)Fridovich[6]自由基學說認為，不良環(huán)境下植物體內存在膜保護系統(tǒng)，能夠清除體內多余的自由基，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性，在逆境初期，SOD活性增加以提高植物的適應能力,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論一致，也與Macarlane等[7]的研究結果一致。至于酸雨的影響大于鉛的影響,原因可能與取材有關，酸雨的直接噴施短期內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是一種適應性酶，其在植物體內的活性較高，與植物的生長發(fā)育狀況、體內代謝快慢、對外界環(huán)境的適應能力密切相關[8-9]。鉛的酸雨脅迫可以誘導水稻組織中POD活性升高，這是水稻對污染脅迫的響應。由于植物在遭受污染脅迫時，產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，導致了POD活性的增加。當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的反應產物H2O2分解成H2O，以達到清除體內多余的H2O2，阻遏Haber-Wess反應產生更強毒性的·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反應產生更強毒性的·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，作為植物的內源保護酶系統(tǒng)(SOD、CAT、POD)能夠在脅迫初期清除體內過剩的活性氧，維持活性氧代謝平衡，從而保護膜結構，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)與生理上產生一系列保護性代償反應，以適應漸變或驟變的環(huán)境，但當脅迫強度超越植物的適應能力時，損傷隨之發(fā)生，也說明鉛和酸雨脅迫在植物體內有著復雜的關系，這種關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“高等學校大學生實踐創(chuàng)新訓練”(2014058)；蘇州市科技計劃項目(SYN201413)。

楊靜(1991- )，女，甘肅兩當人，本科生，專業(yè)：生物技術。 *通訊作者，副教授，碩士生導師，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