重金屬對(duì)植物抗氧化酶影響研究進(jìn)展

吳嘉煜， 米楠

(寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人類對(duì)大自然的開發(fā)、利用強(qiáng)度逐漸增加，加之工業(yè)、農(nóng)業(yè)、礦業(yè)中有害物質(zhì)的過(guò)度排放，我國(guó)土壤重金屬污染日趨嚴(yán)重[1]。不同于其他有機(jī)物，重金屬在土壤-植物系統(tǒng)中具有較強(qiáng)的毒性，且易積累不易清除，很難利用生物過(guò)程對(duì)其進(jìn)行降解[2]。重金屬通過(guò)各種途徑進(jìn)入土壤、植物生態(tài)系統(tǒng)，刺激植物產(chǎn)生較多的活性氧自由基，這些活性氧自由基引起細(xì)胞膜損傷和抗氧化酶失活，從而影響植物細(xì)胞的性能和生存能力[3-4]。有研究表明，重金屬對(duì)植物的脅迫主要表現(xiàn)在植物體內(nèi)抗氧化酶活性的變化[5]。適度的重金屬脅迫能提高植物體內(nèi)抗氧化酶活性，但超過(guò)濃度的臨界點(diǎn)時(shí)抗氧化酶則失活，對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響，甚至?xí)斐芍参锼劳?。在植物體內(nèi)，抗氧化酶是非常重要的保護(hù)機(jī)制。其中，過(guò)氧化氫酶(CAT)、過(guò)氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)是植物抗氧化酶系統(tǒng)中重要的酶，在重金屬脅迫下，在植物體內(nèi)產(chǎn)生過(guò)量活性氧自由基，對(duì)減輕重金屬對(duì)植物的毒害發(fā)揮了關(guān)鍵作用[6]?？寡趸富钚耘c植物的抗逆性有顯著正相關(guān)關(guān)系，已被廣泛用于指示植物的抗性能力[7]。由于抗氧化酶對(duì)重金屬脅迫的敏感性較強(qiáng)，可作為檢測(cè)土壤中重金屬污染程度的生物學(xué)指標(biāo)[8]。

眾多研究表明，有機(jī)物料可提高植物體內(nèi)抗氧化酶活性，減輕重金屬對(duì)植物的毒害，對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育起到積極作用[9-10]。有機(jī)物料中含有大量植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素，能滿足植物的生長(zhǎng)需要，施用有機(jī)物料是維持農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)平衡的重要方式。不同有機(jī)物料對(duì)植物的抗氧化酶活性影響不同。劉領(lǐng)等[11]研究表明，施用生物炭和雞糞均顯著提高了玉米的SOD、POD、CAT活性，緩解重金屬鉛對(duì)玉米生長(zhǎng)的脅迫效應(yīng)。周利強(qiáng)等[12]研究表明，在被重金屬污染的土壤中，菜籽餅與化肥配施能增強(qiáng)水稻抗氧化脅迫的能力，促進(jìn)水稻生長(zhǎng)，降低水稻植株的重金屬含量。有機(jī)物料與化學(xué)肥料配施在重金屬污染農(nóng)田土壤中均能提高植物體中的SOD活性，且隨著有機(jī)物料施用量的增加，其活性逐漸增加[13]?？茖W(xué)施用有機(jī)物料能降低植株對(duì)重金屬的吸收，從而降低重金屬對(duì)植物細(xì)胞的傷害，促進(jìn)植物體內(nèi)抗氧化酶活性的提高，增強(qiáng)作物的抗逆性。本文綜述了植物抗氧化酶活力對(duì)重金屬的響應(yīng)及可能的影響機(jī)制，以及有機(jī)肥對(duì)重金屬脅迫下植物抗氧化酶活力的影響，為進(jìn)一步了解重金屬-植物-有機(jī)物料三者之間的關(guān)系提供理論依據(jù)。

1 重金屬濃度對(duì)植物體內(nèi)抗氧化酶活性的影響

植物中存在較為完善的抗氧化酶系統(tǒng)，重金屬既能抑制也能促進(jìn)植物體內(nèi)抗氧化酶活性。重金屬脅迫條件不同，植物體內(nèi)SOD、POD和CAT活性變化具有差異[14]，濃度是影響抗氧化酶活性的關(guān)鍵因素之一。低濃度的重金屬對(duì)植物體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)有一定的促進(jìn)作用，隨著脅迫程度的加重，抗氧化酶活性和功能被抑制，大量的活性氧自由基無(wú)法及時(shí)清除而積累在植物體內(nèi)，對(duì)植物造成毒害，甚至導(dǎo)致植物死亡。

1.1 低濃度重金屬對(duì)植物體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)活性的促進(jìn)作用

植物受到重金屬脅迫時(shí)，細(xì)胞內(nèi)活性氧的產(chǎn)生—清除系統(tǒng)失去平衡，為了減少重金屬對(duì)植物的傷害，植物體內(nèi)的抗氧化酶被激活，清除活性氧自由基，緩解活性氧自由基對(duì)生物膜系統(tǒng)的傷害。隨著抗氧化酶的增加，植物對(duì)重金屬脅迫的抵抗力增強(qiáng)。盡管受重金屬脅迫，植物仍能在一定程度上保持其正常生長(zhǎng)狀態(tài)或促進(jìn)生長(zhǎng)。對(duì)水培濱藜的研究表明，隨著Cu濃度的增加，CAT、POD、SOD活性也不斷增加，以抵抗活性氧自由基對(duì)植株造成的傷害[15]。賀靖舒等[16]研究發(fā)現(xiàn)，石竹幼苗在低濃度Cd脅迫下，SOD、POD、CAT活性均出現(xiàn)升高，表明低濃度Cd脅迫可提高石竹葉片中SOD、POD、CAT抗氧化酶的活性?？寡趸富钚陨仙?，增加了石竹對(duì)土壤Cd脅迫的適應(yīng)性，保證石竹的正常生長(zhǎng)。巴青松等[17]研究認(rèn)為，輕度Cr脅迫能顯著提高小麥幼苗根系SOD、POD和CAT活性，并通過(guò)抗氧化酶清除多余的活性氧自由基，降低膜脂氧化程度，維持體內(nèi)活性氧代謝平衡，抵御逆境脅迫。劉朝榮等[18]研究發(fā)現(xiàn)，在低濃度Pb、Cd脅迫條件下，珙桐的抗氧化酶活性隨著重金屬濃度的增加而增強(qiáng)，有效減輕了重金屬對(duì)植株的危害，促進(jìn)了植株生長(zhǎng)。朱紅霞等[19]研究表明，在低濃度Cd脅迫處理下，SOD、POD和CAT活性都明顯增加，表現(xiàn)為馬齒莧體內(nèi)抗氧化酶被激活，植物表現(xiàn)出一定的抗性；同時(shí)，低濃度Pb脅迫處理下，馬齒莧體內(nèi)的SOD活性顯著提高，從而保證了馬齒莧種子萌發(fā)和植株生長(zhǎng)。

作為超氧自由基清除劑，SOD活性的高低與植物抗逆能力有關(guān)。在適度逆境誘導(dǎo)下，SOD活性增加以提高植物的抗逆性[20]。陳天等[21]研究表明，在一定范圍內(nèi)，As含量的增加刺激了香蒲葉片中SOD活性的上升，這可能是底泥As含量的增加對(duì)香蒲生境產(chǎn)生了脅迫，使脅迫程度加劇，香蒲也隨之開啟了應(yīng)對(duì)傷害的應(yīng)急防御機(jī)制。熊俊等[22]研究發(fā)現(xiàn)，在低濃度Pb脅迫下，香根草受到刺激后，其SOD活性增強(qiáng)。SOD活性的增加表明植株抗氧化保護(hù)作用增強(qiáng)，植株有較強(qiáng)的清除活性氧自由基的能力，這在一定程度上減輕了重金屬對(duì)植株的傷害，并使植株能夠保持正常的生長(zhǎng)趨勢(shì)。上述研究均表明，SOD在植物響應(yīng)重金屬毒害的防御反應(yīng)過(guò)程中的作用至關(guān)重要，因此，通過(guò)一定手段提升植物SOD活性，從而增強(qiáng)植物對(duì)重金屬環(huán)境的耐受力，可為重金屬污染后土壤的生物修復(fù)提供新的思路與手段。胡文俐等[23]研究發(fā)現(xiàn)，山蒼子體內(nèi)抗氧化酶活性在低濃度Pb、Zn及Pb-Zn復(fù)合脅迫下，隨濃度升高而迅速上升，以應(yīng)對(duì)重金屬脅迫下活性氧增加對(duì)植株造成的傷害，使植株維持正常生長(zhǎng)狀態(tài)。莊楓紅等[24]研究顯示，在低濃度Cu處理下，綠豆幼苗體內(nèi)SOD、POD和CAT活性隨著Cu濃度的增加而呈上升趨勢(shì)，這與馬曉華等[25]研究結(jié)果一致。研究結(jié)果表明，受到Cu脅迫時(shí)，綠豆幼苗體內(nèi)3種抗氧化酶被激活并展開清除工作，清除細(xì)胞內(nèi)的自由基，降低了植物在受到重金屬Cu脅迫下的毒害，保護(hù)或促進(jìn)植物生長(zhǎng)。

1.2 高濃度重金屬對(duì)植物體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)活性的抑制作用

重金屬濃度超過(guò)臨界濃度會(huì)引起植物體內(nèi)重金屬積累，導(dǎo)致活性氧自由基增加。氧自由基進(jìn)入細(xì)胞膜后破壞細(xì)胞膜的整體性和結(jié)構(gòu)性，對(duì)植物防御系統(tǒng)中酶的活性、功能均產(chǎn)生強(qiáng)烈的抑制作用?？寡趸副黄茐臅r(shí)，其對(duì)氧自由基清除的功能減弱，導(dǎo)致氧自由基過(guò)量地存于植物體內(nèi)，對(duì)植株生長(zhǎng)和代謝產(chǎn)生不良影響，具體表現(xiàn)為植物呼吸和光合作用減弱，抑制植物生長(zhǎng)發(fā)育，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致植物大量枯死。

崔宏莉等[26]在探討污水灌溉與鎘脅迫對(duì)菠菜抗氧化酶活性的影響中發(fā)現(xiàn)，隨著重金屬處理濃度的增加，SOD和POD活性都有先升高后降低的趨勢(shì)，這可能是由于受到外來(lái)重金屬脅迫，菠菜體內(nèi)抗氧化酶被激活，并及時(shí)有效地清除了活性氧自由基，保護(hù)細(xì)胞免受重金屬毒害，當(dāng)脅迫程度超過(guò)菠菜正?？鼓婺芰r(shí)，細(xì)胞內(nèi)多種功能酶和膜系統(tǒng)遭到破壞，植物無(wú)法正常生長(zhǎng)。劉玥等[27]在研究不同濃度Pb、Cd及Pb-Cd復(fù)合脅迫對(duì)中華結(jié)縷草及皺葉酸模生理生化變化中發(fā)現(xiàn)，高濃度重金屬脅迫使植物SOD、POD活性顯著下降，大量氧自由基在植物體內(nèi)積累，使植物機(jī)體受到嚴(yán)重?fù)p害，此時(shí)植物已無(wú)力抵抗高濃度重金屬脅迫，表現(xiàn)為葉片枯黃、失活，進(jìn)而可能導(dǎo)致植物衰竭、死亡。高濃度重金屬脅迫導(dǎo)致植物抗氧化酶活性降低，其原因可能是活性氧自由基的增加超過(guò)了植物正常的歧化能力，多種細(xì)胞內(nèi)抗氧化酶和細(xì)胞膜受到損害，導(dǎo)致植物細(xì)胞生理代謝紊亂，使抗氧化酶活性下降。AbdElgawad等[28]對(duì)馬齒莧在Cu、Cd脅迫下根和芽的抗氧化系統(tǒng)研究中發(fā)現(xiàn)，隨著重金屬濃度增加，抗氧化酶活性下降，細(xì)胞結(jié)構(gòu)被破壞，功能喪失，植物受到不可逆?zhèn)又?。韓航等[29]研究發(fā)現(xiàn)，類蘆受重金屬Cd脅迫后，體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)受到抑制，POD、CAT和SOD活性隨Cd含量的升高而呈明顯下降趨勢(shì)，導(dǎo)致類蘆生理代謝紊亂，不能正常生長(zhǎng)，這與趙楊迪等[30-31]的研究結(jié)論基本一致。金琎等[32]采用液體培養(yǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)Cd脅迫下番茄抗氧化酶系統(tǒng)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，Cd脅迫濃度過(guò)大、持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則會(huì)導(dǎo)致植物體內(nèi)抗氧化酶活性下降，自由基大量積累，加重細(xì)胞膜的損傷，最終導(dǎo)致葉片失水萎蔫，甚至植株死亡。胡仲義等[33]也認(rèn)為，Cd濃度達(dá)到一定閾值時(shí)，產(chǎn)生的活性氧已超過(guò)抗氧化酶系統(tǒng)的清除能力，使抗氧化酶系統(tǒng)被破壞，SOD和POD活性迅速降低，導(dǎo)致細(xì)胞代謝紊亂，最終導(dǎo)致植物中毒死亡。

2 抗氧化酶對(duì)重金屬污染的清除機(jī)制

許多研究顯示，當(dāng)植物長(zhǎng)時(shí)間處于逆境時(shí)，為適應(yīng)生存而產(chǎn)生能夠維持正常生命活動(dòng)的抗氧化酶系統(tǒng)[34-35]。SOD、POD和CAT在植物體內(nèi)協(xié)同作用形成植物抗氧化酶系統(tǒng)，能清除在逆境條件下積累的活性氧自由基，有效保護(hù)細(xì)胞和植物體，防御植物中毒，維持植物正常生命活動(dòng)，同時(shí)減輕細(xì)胞膜膜脂過(guò)氧化的程度，減少重金屬脅迫對(duì)植物造成的危害。鐵柏青等[36]研究表明，土壤重金屬?gòu)?fù)合污染條件下，植物中SOD、CAT、POD的變化趨勢(shì)各不相同，但總體是相互協(xié)調(diào)共同抵抗外來(lái)重金屬污染對(duì)植物造成的傷害。植物在正常生長(zhǎng)狀態(tài)下，體內(nèi)的活性氧自由基的產(chǎn)生和清除處于平衡狀態(tài)，當(dāng)自由基含量較低時(shí)，細(xì)胞不會(huì)受到損害[37]；當(dāng)活性氧含量超過(guò)植物自身的清除能力時(shí)，抗氧化酶系統(tǒng)遭到破壞，從而影響植物正常的生長(zhǎng)代謝[38]。SOD是植物體內(nèi)清除活性氧自由基的關(guān)鍵抗氧化酶之一，能催化植物中氧自由基發(fā)生歧化反應(yīng)，產(chǎn)生H2O2和O2·-，CAT和POD將H2O2分解形成水[39-40]。

3 有機(jī)物料對(duì)重金屬污染環(huán)境下植物抗氧化酶活性的影響

有機(jī)物料進(jìn)入土壤后，不僅影響土壤理化及生物學(xué)性質(zhì)，還通過(guò)改變土壤微環(huán)境來(lái)影響重金屬在土壤中的存在形態(tài)，對(duì)緩解重金屬脅迫、促進(jìn)植物生長(zhǎng)、增強(qiáng)植物抗逆性具有重要作用[41-43]。不同有機(jī)物料對(duì)土壤肥力影響程度不同，而土壤肥力的增加能夠提高植物的抗氧化酶活性[44]。有機(jī)肥料中含有大量植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素，施用有機(jī)肥是維持農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)平衡的重要途徑之一[45]。有機(jī)肥可以提高土壤肥力，促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育，增強(qiáng)植物體內(nèi)的抗氧化酶活性，減輕重金屬對(duì)植物的毒害[46]。孫靜克等[47]研究表明，適宜的施肥方式和高劑量的有機(jī)追肥在保證作物具有充足肥力的同時(shí)，能顯著提高單一污染時(shí)雪里蕻體內(nèi)的CAT活性，保證植株旺盛生長(zhǎng)。馮圣東等[48]研究發(fā)現(xiàn)，在Hg污染脅迫下，施用有機(jī)肥后葡萄葉片的SOD活性明顯增加，在開花期和坐果期表現(xiàn)的最為明顯。低劑量Hg脅迫下，施用有機(jī)肥后，坐果期葡萄葉片的POD活性比未施肥提高32%，說(shuō)明增施有機(jī)肥能明顯減緩Hg脅迫對(duì)葡萄葉片的傷害，增強(qiáng)對(duì)Hg的抵抗力，尤其在開花期的抗性表現(xiàn)較為突出。周爽等[31]試驗(yàn)結(jié)果表明，施用有機(jī)肥可使受Cd脅迫的2個(gè)品種馬鈴薯葉片的SOD、POD活性明顯下降?？寡趸富钚越档捅砻?，有機(jī)肥的施入可減輕Cd脅迫下活性氧自由基的積累，緩解Cd對(duì)馬鈴薯的毒害。合理施用有機(jī)肥料對(duì)抗氧化酶活性產(chǎn)生激活作用，并能在一定程度上控制植物體內(nèi)重金屬含量，提高植物的抗逆性，促進(jìn)其生長(zhǎng)發(fā)育，從而達(dá)到增產(chǎn)的目的。劉利杉等[49]研究表明，水溶性有機(jī)肥料能提高水稻的抗逆性，減緩Cd脅迫的傷害，保證其正常生長(zhǎng)發(fā)育，提高水稻產(chǎn)量。

近年來(lái)，隨著土壤重金屬污染的加劇，利用生物炭降低土壤重金屬污染成為研究熱點(diǎn)。生物炭可提高土壤肥力，改良土壤，降低污染土壤中重金屬的有效態(tài)含量，緩解重金屬對(duì)植物的為害[50]。研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥與生物炭復(fù)合施用能有效促進(jìn)植物生長(zhǎng)，可能是有機(jī)肥能夠彌補(bǔ)生物炭本身的營(yíng)養(yǎng)不足的缺陷，二者的結(jié)合能減少養(yǎng)分流失，增加土壤肥力，提高植物體內(nèi)抗氧化酶的活性，提高肥料的有效利用率[51]。楊園等[52]研究發(fā)現(xiàn)，在一定Cd濃度范圍內(nèi)，添加生物炭及豬糞堆肥可有效緩解對(duì)黑麥草的毒害，二者通過(guò)提高抗氧化酶活性來(lái)平衡黑麥草體內(nèi)產(chǎn)生的過(guò)量活性氧自由基。尤方芳等[53]研究表明，施用生物炭和有機(jī)肥對(duì)煙株生長(zhǎng)和抗氧化酶活性有促進(jìn)作用，煙葉的SOD、POD和CAT保護(hù)酶活性較未添加生物炭的處理有所增加。因此，在添加生物炭、有機(jī)肥和復(fù)合肥配施的情況下，能有效改善煙株的鎘脅迫環(huán)境，促進(jìn)煙株生長(zhǎng)，這與悅飛雪等[54]研究結(jié)果相似。

蚯蚓肥是一種環(huán)境友好型生態(tài)有機(jī)肥[55-58]，將蚯蚓肥添加到土壤中，還可啟動(dòng)植物體內(nèi)的防御酶系，誘導(dǎo)植物產(chǎn)生對(duì)重金屬脅迫的系統(tǒng)抗性，控制病害的發(fā)生。張志剛等[59]研究表明，蚯蚓肥通過(guò)提高茄果類蔬菜葉片的CAT和POD等抗氧化酶活性，降低活性氧自由基對(duì)膜系統(tǒng)的攻擊和破壞，從而緩解膜系統(tǒng)脂質(zhì)過(guò)氧化程度。施用蚯蚓肥還可促進(jìn)番茄植株體內(nèi)POD活性的提高，且葉片中的POD活性與株高、莖粗和葉面積呈極顯著正相關(guān)[60]。蚯蚓肥的施入減少了活性氧自由基的產(chǎn)生，使抗氧化系統(tǒng)達(dá)到新的平衡，降低了重金屬對(duì)植物的毒害作用。

上述研究均表明，增施有機(jī)肥能提高抗氧化酶活性，激活抗氧化酶清除功能，同時(shí)為植物提供營(yíng)養(yǎng)，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，延緩生育后期的衰老速率，為植物提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境。因此，科學(xué)合理的施肥是植物正常生長(zhǎng)的重要保障。

4 展望

目前，我國(guó)土壤重金屬污染日趨嚴(yán)重。許多研究表明，低濃度的重金屬對(duì)植物生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用，但重金屬含量過(guò)高則會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。雖然近年來(lái)有關(guān)植物抗氧化酶活性對(duì)緩解植物受重金屬污染的研究取得了一些進(jìn)展，但仍缺乏深入的研究，許多方面的工作亟需改進(jìn)和發(fā)展：1)在實(shí)際生態(tài)環(huán)境中，進(jìn)一步研究重金屬種類和濃度對(duì)植物抗氧化酶活性的影響，尋找更敏感的監(jiān)測(cè)指標(biāo)；2)深入研究重金屬-土壤-植物整個(gè)系統(tǒng)中植物抗氧化酶活性對(duì)重金屬脅迫的響應(yīng)機(jī)制，這對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)具有重要意義；3)在施肥過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況采取合理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，如科學(xué)施肥、合理利用有機(jī)肥、適當(dāng)調(diào)整種植結(jié)構(gòu)等，緩解和消除重金屬對(duì)土壤、植物造成的危害，以期在土壤-植物系統(tǒng)中充分發(fā)揮施肥措施在土壤重金屬污染防治方面的優(yōu)勢(shì)。