鉛脅迫對4種木本植物酶保護系統(tǒng)的影響

李二龍

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，四川 雅安 625000;2.布拖縣林業(yè)局，四川 布拖 616350)

城市是受鉛污染脅迫較為嚴(yán)峻的生態(tài)系統(tǒng)［1］。近年來，隨著各種城市問題日趨突出，城市森林因其獨特的功用而日益受到學(xué)者與政府的重視［2～4］，并出現(xiàn)了一系列研究成果［2～5］。目前有研究認(rèn)為鉛脅迫導(dǎo)致植物過氧化活動加劇是導(dǎo)致植物受到傷害的主要原因［6］，植物對鉛的過量吸收可能導(dǎo)致植物體內(nèi)的活性氧代謝平衡被打破，從而影響植物的正常生長繁殖。保護酶系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)對于植物解決這一問題而言即相當(dāng)關(guān)鍵，而目前但目前對于主要城市森林用樹的保護酶系統(tǒng)對鉛脅迫的響應(yīng)的研究尚不多見。為此本研究特以紅檵木、側(cè)柏、金合歡、楊樹為材料，研究木本植物保護酶系統(tǒng)對鉛脅迫的響應(yīng)，以期為城市綠化用樹的選擇提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究于雅安市雨城區(qū)四川農(nóng)業(yè)大學(xué)實驗農(nóng)場及第七教學(xué)樓進行(E102°51'～103°12'，N29°40'～30°14')，屬于典型的華西雨屏區(qū)。全區(qū)氣候類型，除少數(shù)高山區(qū)外，基本屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)。全區(qū)氣溫特點:冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑。多年年均氣溫16.1℃。全年以1月最冷，月平均氣溫6.1℃;7月最熱，月年均氣溫25.3℃。雨量充沛。多年年均雨日218 d，降水量1 732 mm。

2 材料與方法

2.1 材料

以生長相對均勻的金合歡、紅檵木、側(cè)柏和楊樹的1 a 生實生苗為材料，采用取自四川農(nóng)業(yè)大學(xué)實驗場的酸性紫色土為栽培基質(zhì)，以分析純Pb［CH3COO］2·5H2O 為試劑。土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 土壤基本理化性質(zhì)Table1 The fundamental nature of soil

2.2 栽培方法

2010年3月上旬將土壤風(fēng)干、過5 mm 篩后，將鉛以Pb［CH3COO］2·5H2O 水溶液形式噴施到基質(zhì)中，充分混勻，以國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)進行鉛處理，分別制成鉛濃度為300 mg·kg－1、450 mg·kg－1、600 mg·kg－1(以每公斤風(fēng)干基質(zhì)中含純鉛數(shù)計)的污染土壤。另設(shè)不添加污染物的基質(zhì)作為對照。待添加鉛溶液的基質(zhì)風(fēng)干后，充分混勻，于每一塑料盆(規(guī)格為上口徑30 cm，下口徑23 cm，盆高25 cm)裝入基質(zhì)10 kg。在苗木萌動前進行移栽，每種苗木每處理栽植5 盆，每盆3株，定植后的苗木在溫室內(nèi)進行培養(yǎng)。待苗木進入生長旺季，于7月上旬采取生長相對一致的葉片，進行測定。苗木管理采用常規(guī)措施，并隨時清除盆內(nèi)雜草。

2.3 測定方法

(1)SOD 測定:采用NBT 法［7］。稱取新鮮葉片0.2 g，待蒸餾水洗凈擦干后，用含聚乙烯毗咯烷酮(PVP)的50 mmol·L－1況的磷酸緩沖液(pH7.8)冰浴研磨成勻漿，將勻漿在離心機上在4℃以10 000 r·min－1離心15 min，所獲得的上清夜即為提取液。

(2)CAT 測定:采用雙氧水法［7］。稱取新鮮樣品0.2 g，用蒸餾水洗凈擦干后，用50 mmol·L－1的磷酸緩沖液(pH7.8)冰浴研磨成勻漿，隨即用離心機在4℃以10 000 r·min－1的轉(zhuǎn)速離心15 min，上清夜既為提取液。取上清夜0.1 ml、0.3%H2O21 ml、蒸餾水1.9 ml 后，開始啟動反應(yīng)。以加入酶液開始計時，在3 min 內(nèi)，每隔一分鐘記錄240 nm 處吸光度值，共3次。將1 min 內(nèi)240 n 生n 處吸光度值增加0.1 定義為一個酶活單位，對照以磷酸緩沖液代替酶液。

(3)POD 測定:采用愈創(chuàng)木酚法［8］。稱取新鮮樣品0.2 g，用蒸餾水洗凈擦干后，用50 mmol·L－1的磷酸緩沖液(pH7.8)冰浴研磨成勻漿，隨即用離心機在4℃以10 000 r·min－1的轉(zhuǎn)速離心15 min，上清夜既為提取液。取1 ml 提取液，加3 ml 反應(yīng)液，以加入酶液開始計時，在3 min 內(nèi)，每隔1 min 記錄470 nm 處吸光度值，共3次。將1 min 內(nèi)560 nm 處吸光度值降低0.1 定義為一個酶活單位，對照以磷酸緩沖液代替酶液。

所有數(shù)據(jù)用Exeel2000 和SPSS12.0 分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 鉛對苗木POD 的影響

圖1 顯示:楊樹POD 活性隨著鉛處理濃度的升高而增大，在600 mg·kg－1處理時達(dá)到最大值103 U·g－1·min－1，比對照增加了26%，經(jīng)顯著性檢驗各處理之間差異極顯著(p ＜0.01);側(cè)柏、紅橙木苗木中的POD 活性變化趨勢與楊樹類似，隨著處理濃度的增大，活性不斷增加，在600 mg·kg－1，處理時達(dá)到最大值，分別為90 U·g－1·min－1、89 U·g－1·min－1。方差分析結(jié)果則表明，側(cè)柏中的POD 活性在不同處理之間存在極顯著差異(p ＜0.01)，紅檵木則存在顯著差異(p ＜0.05)，這說明鉛處理對側(cè)柏和紅棍木苗木POD 活性產(chǎn)生了顯著的影響。金合歡POD 活性變化趨勢與上述3 樹種不一樣，雖然在300 mg·kg－1，處理時，有12%的小幅增加，但隨著鉛處理濃度的增加，POD 活性顯著下降(p ＜0.005)，這說明高濃度(300 mg·kg－1、600 mg·kg－1)的鉛處理可以有效抑制金合歡POD 的活性。

圖1 鉛脅迫程度對苗木POD 活性的影響Fig.1 Effects of lead stress on the activity of POD of seedlings

3.2 鉛對苗木CAT 活性的影響

CAT 也是植物體內(nèi)重要的保護酶。圖2 反映:楊樹在各處理下的CAT 活性比對照分別增加了9%、13%、20%，各處理與對照差異顯著(p ＜0.05)。側(cè)柏的cAT 活性雖然隨著鉛處理濃度的增大而不斷上升，但差異不明顯。紅根木的cAT 活性在300 mg·kg－1，處理時，有小幅上升，隨著鉛處理濃度的升高，CAT 活性逐步降低，而且均低于對照，經(jīng)顯著性檢驗300、600mg.kg－1兩處理下的CAT 活性與對照差異顯著(p ＜0.05)，而450 mg·kg－1，處理對CAT 活性影響不明顯。金合歡的CAT 活性變化趨勢與其POD 變化趨勢類似，在300 mg·kg－1處理時，有小幅上升，但隨后急劇下降，而且均顯著低于對照(p ＜0·05)。

3.3 鉛對苗木SOD 活性的影響

圖2 鉛脅迫對苗木CAT 活性的影響Fig.2 Effects of lead stress on the activity of CAT of seedlings

圖3 反映了4 樹種在鉛處理下SOD 活性的變化趨勢。經(jīng)鉛處理后，楊樹、側(cè)柏的SOD 活性均有不同程度的上升，顯著性檢驗則表明兩樹種在各處理的SOD 活性與對照之間差異顯著(p ＜0.05)，這說明鉛脅迫楊樹、側(cè)柏SOD 酶活性具有促進作用。鉛處理對紅檵木與金合歡SOD 活性主要表現(xiàn)為抑制作用，在600 mg·kg－1處理時，酶活性達(dá)到最低值，可以認(rèn)為鉛脅迫能使紅橙木、金合歡細(xì)胞過氧化作用加深，導(dǎo)致細(xì)胞自由基大幅積累，從而干擾了保護酶系統(tǒng)的平衡，結(jié)果造成細(xì)胞受到鉛毒害，并在癥狀上出現(xiàn)明顯反映。

圖3 鉛脅迫對苗木SOD 活性的影響Fig.3 Effects of lead stress of the activity of SOD of seedlings

4 討論與結(jié)論

植物細(xì)胞在正常代謝過程中，通過多種途徑產(chǎn)生活性氧，植物依賴體內(nèi)存在的清除系統(tǒng)維持自由基生成與消除的動態(tài)平衡，因此對活性氧的清除能力是決定細(xì)胞抵抗脅迫的關(guān)鍵因素［9］。整個保護酶系統(tǒng)防御能力的變化取決于SOD、POD、CAT 等保護酶彼此協(xié)調(diào)的綜合結(jié)果。在鉛脅迫下，植物細(xì)胞由于代謝受阻會產(chǎn)生大量的活性氧?；钚匝蹙哂袠O強的氧化性，如果不被及時清除將會導(dǎo)致細(xì)胞膜系統(tǒng)損傷和細(xì)胞傷害。在此過程中，植物能主動或被動的調(diào)動抗氧化酶類來清除這些活性氧。SOD、POD、CAT是植物組織中幾種重要的抗氧化酶。其中，SOD是植物體通過催化O2－歧化作用將O2－轉(zhuǎn)化為O2和H2O2，POD 和CAT 再將H2O2轉(zhuǎn)化為O2和H2O 以消除自由基的危害［2］。不過，由于植物各自的生理特點，這3種酶在鉛脅迫下在不同植物之間的反映是不一致的。

本試驗中，隨著鉛脅迫程度的加深，楊樹體內(nèi)的SOD、POD、CAT 3種保護酶活性均呈顯著上升趨勢;側(cè)柏苗木中則是SOD、POD 活性隨著鉛處理濃度的增大而增高，CAT 活性則未出現(xiàn)顯著變化;紅檵木中的三種保護酶活性變化趨勢略顯復(fù)雜，其中SOD 活性隨著鉛處理濃度的升高而增大，POD 活性則隨著鉛處理濃度的升高呈先增大再降低的趨勢，在450 mg·kg－1，處理達(dá)到最大值，隨后下降，不過仍然顯著高于對照，CAT 活性則比對照低，尤其是在600 mg·kg－1處理時顯著低于對照;金合歡中的3種保護酶活性變化也較為復(fù)雜，SOD 活性在300 mg·kg－1處理時比對照要高以外，在其余兩個處理均比對照低，而且呈顯著差異，POD 和CAT 活性則隨著鉛處理濃度的增大而不斷降低，其中又以POD活性的降低最為明顯。四樹種的保護酶活性在鉛脅迫下的變化趨勢并不相同，說明各樹種對鉛的抗性存在差異，其抗鉛脅迫能力表現(xiàn)為楊樹＞紅檵木＞側(cè)柏＞金合歡。然而這僅是從保護酶系統(tǒng)得出的結(jié)論，準(zhǔn)確的結(jié)果還需要結(jié)合其他方法進行綜合的評定。

［1］龍櫟至，左燕平.土壤鉛污染對城市園林植物的影響［J］.四川林業(yè)科技，2011，32(1).

［2］Leckie D G，Gougeon F A，Walsworth N，et al.Stand delineation and composition estimation using semi－ auto－ mated individual tree crown analysis［J］.Remote Sensing of Environment，2003，85.

［3］Malecka A，Jar W，Tomas B.Antioxidative Defense to Lead Stress in Subcellular Compartments of Pea Rool Cells［J］.Acta Biochimica Polonica，2001，48.

［4］陳亞華，黃少華，劉勝環(huán).南京地區(qū)農(nóng)田土壤和蔬菜重金屬污染狀況研究［J］.長江流域資源與環(huán)境，2006，15(3).

［5］劉濱誼，馬東躍，劉頌，等.因地制宜建設(shè)特色城市森林——以無錫市城市森林建設(shè)總體規(guī)劃為例［J］.中國城市林業(yè)，2008，(3).

［6］張吉，王進鑫，鄒鵬，等.水分和鉛交互脅迫對國槐幼苗生理生化特性的影響［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2012，(3).

［7］陳建勛，王曉峰.植物生理學(xué)實驗指導(dǎo)［M］.廣州:華南理工大學(xué)出版社，2002.

［8］蕭浪濤，王三根.植物生理學(xué)實驗技術(shù)［M］.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2005.

［9］王忠.植物生理學(xué)［M］.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2002.