La3+對擬南芥體內(nèi)SOD、POD酶活性及養(yǎng)分吸收的影響

盧 杰，張自立，歐紅梅

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，安徽 合肥 230036）

稀土農(nóng)用研究在我國始于上世紀(jì)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(chǎn)量，以及提高作物根系對礦質(zhì)營養(yǎng)元素吸收和對逆境的多種抗性等優(yōu)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(nèi)各種抗氧化酶的活性，抑制各種營養(yǎng)礦質(zhì)元素的吸收轉(zhuǎn)化和利用，降低對外界不良環(huán)境的抗性，嚴(yán)重時能導(dǎo)致植株死亡[7-8]。植物體內(nèi)的抗氧化系統(tǒng)酶（SOD酶、POD酶等）能維持體內(nèi)活性氧代謝的平衡，如降低逆境環(huán)境導(dǎo)致植物體內(nèi)產(chǎn)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(jié)構(gòu)活性[9]。N、P、K 是植物生長的必需元素，也是植物體內(nèi)參與蛋白質(zhì)、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(fā)育。

盡管前人已做過鑭（La3+）對植物體內(nèi)SOD酶、POD酶和礦質(zhì)營養(yǎng)方面的研究，也證實了稀土元素的“Hormesis效應(yīng)”。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(guān)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(nèi)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(guān)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(yǎng)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（上海化學(xué)試劑廠，純度99.99%）

營養(yǎng)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(zhì)：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(jīng)120℃高溫滅菌20 min的MS培養(yǎng)基上。培養(yǎng)皿用密封膜密封后放入22℃的恒溫光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。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(zhì)量比為2∶1∶1的固體培養(yǎng)基上，繼續(xù)培養(yǎng)。并定期澆灌1/4濃度的Honglang營養(yǎng)液（pH值5.5～5.8）。

擬南芥在蛭石培養(yǎng)基上生長6周，選取形態(tài)、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(yǎng)液），每處理設(shè)置4個平行。

1.4 酶的測定

準(zhǔn)確稱取植物地上部分鮮樣0.5000 g，加入預(yù)冷的0.1 mol/L磷酸緩沖液（pH值7.2）研磨，制成質(zhì)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(chuàng)酚法，利用POD酶試劑盒于470 nm比色。

1.5 蛋白質(zhì)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(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)用SPASS19軟件進行方差和相關(guān)性分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 La3+對擬南芥SOD酶活性的影響

表1中的數(shù)據(jù)為不同濃度的La3+對擬南芥SOD酶活性的影響。La3+具有調(diào)節(jié)植物體內(nèi)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(dāng) 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(nèi)一種重要的活性氧清除酶，能夠?qū)⒅参矬w內(nèi)由于新陳代謝所產(chǎn)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(yīng)轉(zhuǎn)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?qū)χ参锏募?xì)胞膜造成傷害，使其透性增加，使得植物體的正常代謝發(fā)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(xiàn)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(nèi)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(huán)境的敏感指標(biāo)之一,可以阻止植物體內(nèi)自由基對生物大分子的質(zhì)膜的破壞，清除體內(nèi)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(dāng)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(dāng)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(dǎo)致植物體內(nèi)大量營養(yǎng)元素的缺乏，而且在較高濃度的重金屬環(huán)境中能夠引起植物對大量營養(yǎng)元素的吸收轉(zhuǎn)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(guān)性

從表4中可以看出，擬南芥體內(nèi)N、P、K的含量，SOD酶、POD酶的活性五者之間均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)（p<0.01），表明N、P、K的含量與SOD酶、POD酶的活性密切相關(guān)。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(diào)節(jié)維持體內(nèi)各種代謝平衡，其相關(guān)性也表明了地上部分N、P、K、SOD、POD中的任何一種發(fā)生變化對其他因素均產(chǎn)生影響。

表 4SOD、POD、N、P、K之間的相關(guān)性

3 結(jié)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(xiàn)“低促高抑”的特點，在La3+濃度為0～5 mg/L范圍內(nèi)，N、P、K、SOD的值都呈現(xiàn)出一定程度的增加，當(dāng)La3+濃度>5 mg/L時，上述4種指標(biāo)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(jié)果一致。擬南芥體內(nèi)SOD酶比POD酶具有相對較高的耐性，而POD酶的活性則在設(shè)置的5個濃度范圍內(nèi)均呈現(xiàn)下降的趨勢，可能是由于擬南芥體內(nèi)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(nèi)，La3+對POD酶活性的影響也存在“低促高抑”的現(xiàn)象，在試驗中沒有體現(xiàn)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(guān)性，也說明了植物體內(nèi)各種物質(zhì)代謝密切相關(guān)、相互依存的關(guān)系。

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