论文部分内容阅读
摘要[目的]研究酸雨和铅复合污染对水稻幼苗期保护酶系统的影响，为酸雨和铅复合污染对植物的毒性机理研究提供科学依据。[方法]以苏香梗3号水稻幼苗为试材，采用模拟联合污染方法，共设4个处理，即对照（CK）、酸雨组、铅组、铅+酸雨组，研究了铅及酸雨复合胁迫对水稻幼苗的危害。[结果]酸雨（pH=3）与铅的复合胁迫使水稻生长受到明显抑制，导致幼苗保护酶系统中SOD、POD升高后快速降低，CAT活性持续减弱。[结论]复合污染严重影响了水稻保护酶系统的正常功能，且复合污染的危害远大于单一污染之和。
关键词铅；酸雨；水稻
中图分类号S181文献标识码
A文章编号0517-6611（2016）18-034-03
Abstract[Objective] To research the effects of lead and acid rain combined pollution on protective enzyme system in rice seedling period， and to provide scientific basis for the research on toxic mechanism of lead and acid rain combined pollution to toxicity. [Method] With Suxianggeng 3 rice seedling as the materials， simulation combined pollution method was adopted. There were in all four treatments， including control （CK）， acid rain group， lead group， and lead + acid rain group. Damage of lead and acid rain combined stress on rice seedling was explored. [Result] Combined stress of acid rain （pH=3） and lead significantly restricted the growth of rice. Thus， the SOD and POD firstly enhanced and then rapidly decreased in seedling protective enzyme system. CAT activity continually weakened. [Conclusion] Combined pollution seriously affects the normal function of protective enzyme system of rice， and combined pollution is far more hazardous than the sum of single pollution.
Key wordsLead； Acid rain； Rice
我国遭受酸雨危害的农作物播种面积大约为1 288.7万hm2，经济损失达42.6亿元[1]，酸雨已成为制约我国农林业生产和社会经济发展的重要因素之一。酸雨会直接导致植物的枯萎和死亡，研究表明[2-4]，水的pH在3以下时，大豆、小麦等植物叶片表面会出现坏死的斑点，叶片的气孔受到损伤，进而影响其光合作用和分泌作用，甚至会使植物死亡。酸雨进入土壤后，可降低土壤的pH，加速金属离子（如Zn、Pb、Cd、Cu等）的溶出，使农作物遭受酸雨和重金属的复合胁迫，从而造成农作物减产。铅是植物的非必需元素，对植物具有毒害作用。植物的保护酶系统是植物遭受胁迫时最重要的反应系统，它与植物的抗逆能力密切相关。目前，选择保护酶系统的变化来评价铅和酸雨的复合胁迫研究鲜见报道。 笔者以水稻为材料，研究了酸雨与铅复合胁迫的毒害机制，以期为酸雨和铅复合污染对植物的毒性机理研究提供科学依据。
1材料与方法
1.1供试品种供试水稻品种为苏香梗3号，由苏州农业科学研究院提供。
1.2模拟酸雨的制备配制 pH 3.0的酸雨母液， 其中硫酸根和硝酸根的体积比为 4.7∶1.0。用母液调制成pH 3.0的酸雨。
1.3试验设计
将水稻幼苗用0.1% HgCl2消毒10 min后用蒸馏水清洗干净，置于光照箱萌发、培养，温度（25±1） ℃，光强2 000 lx。共设4个处理，酸雨组：待苗长至3 cm 时移入盛有Hoagland营养液塑杯中培养，每杯5株，3 d更换1次营养液，光周期为10 h∶14 h（光∶暗比），30 d后待用；用配制好的酸雨均匀地喷洒在水稻幼苗叶片上，滴液为限（为增加附着力，喷施液中加1～2滴吐温–80）；铅组：在根部溶液中加入硝酸铅，浓度为40 mg/L；酸雨+铅组：叶面喷施酸雨的同时在根部溶液中加入硝酸铅，使铅浓度达到40 mg/L；对照组（CK）：喷等量的蒸馏水，滴液为限，然后更换为等量的Hoagland营养液。
1.4 测定指标及方法分别在第1、3、5天测定水稻幼苗的POD、CAT、SOD活性。测定方法参照文献[5]。
1.5数据统计运用统计软件SPSS 11.0进行数据处理。
2结果与分析
2.1铅和酸雨复合胁迫对水稻幼苗POD活性的影响由表1可知，随着胁迫天数的增加，CK的POD活性呈现逐渐升高的趋势，而其他3组则呈现先升后降的趋势。胁迫第1天，4个处理的POD活性差别较小，未达到差异显著水平，说明胁迫对水稻幼苗造成的影响尚未显现。胁迫第3天，酸雨组、铅组、铅+酸雨组的POD活性均出现了不同程度的升高，酸雨组和铅+酸雨组与CK相比达差异极显著水平，铅组与CK相比达差异显著水平；从相对值来看，酸雨组、铅组、铅+酸雨组分别较CK高出14.34、8.92、45.27个百分点，显示铅对POD的刺激作用没有酸雨显著。同时，酸雨和铅的复合胁迫对水稻的影响远远大于单一胁迫的几何相加，说明在植物内部铅和酸雨不是分别起作用，而是协同作用。第5天，单一胁迫和复合胁迫组的POD活性均大幅降低，分别较CK降低了7.99、4.80、15.83个百分点。 这说明铅和酸雨的胁迫可诱导水稻幼苗产生更多过氧化物，水稻初期应激反应以提高 POD活性，并清除过量的过氧化物，酶活性提高幅度与水稻体内过氧化物的产生量成正比，但这种应激反应在时间上和反应幅度上有限，随着胁迫时间的延长和胁迫程度的加深，生成的过氧化物开始破坏细胞膜系统，表现为POD活性逐渐下降。 2.2铅和酸雨复合胁迫对水稻幼苗SOD活性的影响
由表2可知，胁迫第1天时，酸雨组与铅+酸雨组的SOD活性相对于CK均有所增加，分别增加了23.20和30.00个百分点，铅胁迫组与CK基本持平。第3天时，酸雨组、铅组与铅+酸雨组的SOD活性相对于CK大幅增加，分别增加了26.01、19.65和62.81个百分点，进一步显示酸雨对水稻幼苗的胁迫大于铅的胁迫。
胁迫第5天，3个胁迫组的SOD 酶活性均低于CK，酸雨组与铅+酸雨组的SOD活性相对于CK降低了8.75和18.82个百分点。这说明在胁迫初期活性氧开始增加，植物的应激反应被激活，SOD酶活性提高以清除产生的活性氧，但随着胁迫时间的延长和程度的加深，活性氧的产生量超出了酶清除的上限，活性氧转而破坏酶的结构，降低酶活性。
2.3铅和酸雨复合胁迫对水稻幼苗CAT活性的影响
由表3可知，随着胁迫天数的延长，各处理的CAT活性随之降低，第1、3、5天酸雨组的酶活性分别是CK的83.76%、80.03%、76.66%，铅组分别是CK的87.40%、83.23%、80.22%，铅+酸雨组分别是CK的58.20%、56.43%、50.15%。这说明铅和酸雨的胁迫对CAT的影响发生得早，且随着时间的延长，对酶活性的抑制加深，双重胁迫的影响大于单一胁迫的几何相加。
3结论与讨论
（1）Fridovich[6]自由基学说认为，不良环境下植物体内存在膜保护系统，能够清除体内多余的自由基，其活性氧、自由基代谢是一个动态变化过程。这一保护系统实际上是一个抗氧化系统，它是由多种酶和还原型物质组成，其中SOD、POD、CAT是主要的抗氧化酶。SOD作为超氧自由基清除剂，与植物的抗逆性高低有相关性，在逆境初期，SOD活性增加以提高植物的适应能力，随着逆境程度的增加，SOD活性呈先上升后下降，这与笔者研究得出的结论一致，也与Macarlane等[7]的研究结果一致。至于酸雨的影响大于铅的影响，原因可能与取材有关，酸雨的直接喷施短期内对植物造成的伤害比根部溶液中添加重金属铅的危害更直接。
（2）
POD是一种适应性酶，其在植物体内的活性较高，与植物的生长发育状况、体内代谢快慢、对外界环境的适应能力密切相关[8-9]。铅的酸雨胁迫可以诱导水稻组织中POD活性升高，这是水稻对污染胁迫的响应。由于植物在遭受污染胁迫时，产生了大量有害的过氧化物，POD利用H2O2对这些过氧化物进行分解来维持自身的正常代谢，导致了POD活性的增加。当胁迫超过植物的承受极限时，植物的酶系统就会遭受破坏。该研究中，胁迫前3 d POD的活性逐渐升高，且复合胁迫升高最明显，达到了对照的145%；第5天活性快速下降，说明其胁迫超出了植物的承受范围，开始破坏其功能。POD也与SOD显示出相同的变化趋势，酸雨的影响大于铅，复合胁迫大于单一胁迫之和。
（3）CAT是一种含铁的蛋白酶，能将SOD的反应产物H2O2分解成H2O，以达到清除体内多余的H2O2，阻遏 HaberWess反应产生更强毒性的·OH，也避免了H2O2对植物组织的伤害。该研究表明，铅和酸雨的胁迫从初期就抑制了CAT活性，且随着胁迫时间的延长，酶活性被抑制的程度加深，第3天SOD活性却处于上升阶段，势必会产生大量的H2O2。缺少了CAT对H2O2的分解作用，积累的H2O2将通过Haber-Wess反应产生更强毒性的·OH，加速了对植物的破坏作用。
（4）综上所述，水稻幼苗遭受重金属铅和酸雨胁迫时，作为植物的内源保护酶系统（SOD、CAT、POD）能够在胁迫初期清除体内过剩的活性氧，维持活性氧代谢平衡，从而保护膜结构，使水稻在短期表现出一定的抗性，维持植物的正常代谢，但只能维持一段时间，随着胁迫时间的加长，胁迫超出承受极限时，SOD、POD和CAT活性下降或被破坏，细胞的正常代谢被破坏。这说明植物在逆境胁迫下，形态与生理上产生一系列保护性代偿反应，以适应渐变或骤变的环境，但当胁迫强度超越植物的适应能力时，损伤随之发生，也说明铅和酸雨胁迫在植物体内有着复杂的关系，这种关系是今后的研究重点。
安徽农业科学2016年
参考文献
[1]
刘小京，刘孟雨.盐生植物利用与区域农业可持续发展[M].北京：气象出版社，2002：1-9.
[2] 黄晓华，陆天虹，周青，等. 酸雨伤害植物机理与稀土调控研究[J].中国生态农业学报，2004，12（3）：116-118.
[3] 宋国菡，萧月芳.酸雨对环境的影响及防治对策[J].农业环境保护，1998，17（3）：141-143.
[4] 邹海明，邹长明，林平，等.土壤中酸可提取态重金属释放特征研究[J].农业资源与环境科学，2006，22（3）：404-406.
[5] 李合生.植物生理生化原理和技术[M].北京：高等教育出版社，2000.
[6] FRIDOVI H L.Free radical in biology：Vol 1[M]. New York： Academic Press，1976：239.
[7] MACARLANE G R，BURCHETT M D.Cellular distribution of copper ， lead and zinc in the grey mangrove，Avicennia marina（Forsk）Vierh[J]. Aquatic botany， 2000，68：45-59.
[8] 严重玲，洪业汤，付舜珍，等.Cd 、Pb胁迫对烟草叶片中活性氧清除系统的影响[J].生态学报，1997，17（5）：488-492.
[9] 任安芝，高玉葆，刘爽.青菜幼苗体内几种保护酶的活性对Pb 、Cd 、Cr 胁迫的反应研究[J].应用生态学报，2002，13（4）：510-512.
关键词铅；酸雨；水稻
中图分类号S181文献标识码
A文章编号0517-6611（2016）18-034-03
Abstract[Objective] To research the effects of lead and acid rain combined pollution on protective enzyme system in rice seedling period， and to provide scientific basis for the research on toxic mechanism of lead and acid rain combined pollution to toxicity. [Method] With Suxianggeng 3 rice seedling as the materials， simulation combined pollution method was adopted. There were in all four treatments， including control （CK）， acid rain group， lead group， and lead + acid rain group. Damage of lead and acid rain combined stress on rice seedling was explored. [Result] Combined stress of acid rain （pH=3） and lead significantly restricted the growth of rice. Thus， the SOD and POD firstly enhanced and then rapidly decreased in seedling protective enzyme system. CAT activity continually weakened. [Conclusion] Combined pollution seriously affects the normal function of protective enzyme system of rice， and combined pollution is far more hazardous than the sum of single pollution.
Key wordsLead； Acid rain； Rice
我国遭受酸雨危害的农作物播种面积大约为1 288.7万hm2，经济损失达42.6亿元[1]，酸雨已成为制约我国农林业生产和社会经济发展的重要因素之一。酸雨会直接导致植物的枯萎和死亡，研究表明[2-4]，水的pH在3以下时，大豆、小麦等植物叶片表面会出现坏死的斑点，叶片的气孔受到损伤，进而影响其光合作用和分泌作用，甚至会使植物死亡。酸雨进入土壤后，可降低土壤的pH，加速金属离子（如Zn、Pb、Cd、Cu等）的溶出，使农作物遭受酸雨和重金属的复合胁迫，从而造成农作物减产。铅是植物的非必需元素，对植物具有毒害作用。植物的保护酶系统是植物遭受胁迫时最重要的反应系统，它与植物的抗逆能力密切相关。目前，选择保护酶系统的变化来评价铅和酸雨的复合胁迫研究鲜见报道。 笔者以水稻为材料，研究了酸雨与铅复合胁迫的毒害机制，以期为酸雨和铅复合污染对植物的毒性机理研究提供科学依据。
1材料与方法
1.1供试品种供试水稻品种为苏香梗3号，由苏州农业科学研究院提供。
1.2模拟酸雨的制备配制 pH 3.0的酸雨母液， 其中硫酸根和硝酸根的体积比为 4.7∶1.0。用母液调制成pH 3.0的酸雨。
1.3试验设计
将水稻幼苗用0.1% HgCl2消毒10 min后用蒸馏水清洗干净，置于光照箱萌发、培养，温度（25±1） ℃，光强2 000 lx。共设4个处理，酸雨组：待苗长至3 cm 时移入盛有Hoagland营养液塑杯中培养，每杯5株，3 d更换1次营养液，光周期为10 h∶14 h（光∶暗比），30 d后待用；用配制好的酸雨均匀地喷洒在水稻幼苗叶片上，滴液为限（为增加附着力，喷施液中加1～2滴吐温–80）；铅组：在根部溶液中加入硝酸铅，浓度为40 mg/L；酸雨+铅组：叶面喷施酸雨的同时在根部溶液中加入硝酸铅，使铅浓度达到40 mg/L；对照组（CK）：喷等量的蒸馏水，滴液为限，然后更换为等量的Hoagland营养液。
1.4 测定指标及方法分别在第1、3、5天测定水稻幼苗的POD、CAT、SOD活性。测定方法参照文献[5]。
1.5数据统计运用统计软件SPSS 11.0进行数据处理。
2结果与分析
2.1铅和酸雨复合胁迫对水稻幼苗POD活性的影响由表1可知，随着胁迫天数的增加，CK的POD活性呈现逐渐升高的趋势，而其他3组则呈现先升后降的趋势。胁迫第1天，4个处理的POD活性差别较小，未达到差异显著水平，说明胁迫对水稻幼苗造成的影响尚未显现。胁迫第3天，酸雨组、铅组、铅+酸雨组的POD活性均出现了不同程度的升高，酸雨组和铅+酸雨组与CK相比达差异极显著水平，铅组与CK相比达差异显著水平；从相对值来看，酸雨组、铅组、铅+酸雨组分别较CK高出14.34、8.92、45.27个百分点，显示铅对POD的刺激作用没有酸雨显著。同时，酸雨和铅的复合胁迫对水稻的影响远远大于单一胁迫的几何相加，说明在植物内部铅和酸雨不是分别起作用，而是协同作用。第5天，单一胁迫和复合胁迫组的POD活性均大幅降低，分别较CK降低了7.99、4.80、15.83个百分点。 这说明铅和酸雨的胁迫可诱导水稻幼苗产生更多过氧化物，水稻初期应激反应以提高 POD活性，并清除过量的过氧化物，酶活性提高幅度与水稻体内过氧化物的产生量成正比，但这种应激反应在时间上和反应幅度上有限，随着胁迫时间的延长和胁迫程度的加深，生成的过氧化物开始破坏细胞膜系统，表现为POD活性逐渐下降。 2.2铅和酸雨复合胁迫对水稻幼苗SOD活性的影响
由表2可知，胁迫第1天时，酸雨组与铅+酸雨组的SOD活性相对于CK均有所增加，分别增加了23.20和30.00个百分点，铅胁迫组与CK基本持平。第3天时，酸雨组、铅组与铅+酸雨组的SOD活性相对于CK大幅增加，分别增加了26.01、19.65和62.81个百分点，进一步显示酸雨对水稻幼苗的胁迫大于铅的胁迫。
胁迫第5天，3个胁迫组的SOD 酶活性均低于CK，酸雨组与铅+酸雨组的SOD活性相对于CK降低了8.75和18.82个百分点。这说明在胁迫初期活性氧开始增加，植物的应激反应被激活，SOD酶活性提高以清除产生的活性氧，但随着胁迫时间的延长和程度的加深，活性氧的产生量超出了酶清除的上限，活性氧转而破坏酶的结构，降低酶活性。
2.3铅和酸雨复合胁迫对水稻幼苗CAT活性的影响
由表3可知，随着胁迫天数的延长，各处理的CAT活性随之降低，第1、3、5天酸雨组的酶活性分别是CK的83.76%、80.03%、76.66%，铅组分别是CK的87.40%、83.23%、80.22%，铅+酸雨组分别是CK的58.20%、56.43%、50.15%。这说明铅和酸雨的胁迫对CAT的影响发生得早，且随着时间的延长，对酶活性的抑制加深，双重胁迫的影响大于单一胁迫的几何相加。
3结论与讨论
（1）Fridovich[6]自由基学说认为，不良环境下植物体内存在膜保护系统，能够清除体内多余的自由基，其活性氧、自由基代谢是一个动态变化过程。这一保护系统实际上是一个抗氧化系统，它是由多种酶和还原型物质组成，其中SOD、POD、CAT是主要的抗氧化酶。SOD作为超氧自由基清除剂，与植物的抗逆性高低有相关性，在逆境初期，SOD活性增加以提高植物的适应能力，随着逆境程度的增加，SOD活性呈先上升后下降，这与笔者研究得出的结论一致，也与Macarlane等[7]的研究结果一致。至于酸雨的影响大于铅的影响，原因可能与取材有关，酸雨的直接喷施短期内对植物造成的伤害比根部溶液中添加重金属铅的危害更直接。
（2）
POD是一种适应性酶，其在植物体内的活性较高，与植物的生长发育状况、体内代谢快慢、对外界环境的适应能力密切相关[8-9]。铅的酸雨胁迫可以诱导水稻组织中POD活性升高，这是水稻对污染胁迫的响应。由于植物在遭受污染胁迫时，产生了大量有害的过氧化物，POD利用H2O2对这些过氧化物进行分解来维持自身的正常代谢，导致了POD活性的增加。当胁迫超过植物的承受极限时，植物的酶系统就会遭受破坏。该研究中，胁迫前3 d POD的活性逐渐升高，且复合胁迫升高最明显，达到了对照的145%；第5天活性快速下降，说明其胁迫超出了植物的承受范围，开始破坏其功能。POD也与SOD显示出相同的变化趋势，酸雨的影响大于铅，复合胁迫大于单一胁迫之和。
（3）CAT是一种含铁的蛋白酶，能将SOD的反应产物H2O2分解成H2O，以达到清除体内多余的H2O2，阻遏 HaberWess反应产生更强毒性的·OH，也避免了H2O2对植物组织的伤害。该研究表明，铅和酸雨的胁迫从初期就抑制了CAT活性，且随着胁迫时间的延长，酶活性被抑制的程度加深，第3天SOD活性却处于上升阶段，势必会产生大量的H2O2。缺少了CAT对H2O2的分解作用，积累的H2O2将通过Haber-Wess反应产生更强毒性的·OH，加速了对植物的破坏作用。
（4）综上所述，水稻幼苗遭受重金属铅和酸雨胁迫时，作为植物的内源保护酶系统（SOD、CAT、POD）能够在胁迫初期清除体内过剩的活性氧，维持活性氧代谢平衡，从而保护膜结构，使水稻在短期表现出一定的抗性，维持植物的正常代谢，但只能维持一段时间，随着胁迫时间的加长，胁迫超出承受极限时，SOD、POD和CAT活性下降或被破坏，细胞的正常代谢被破坏。这说明植物在逆境胁迫下，形态与生理上产生一系列保护性代偿反应，以适应渐变或骤变的环境，但当胁迫强度超越植物的适应能力时，损伤随之发生，也说明铅和酸雨胁迫在植物体内有着复杂的关系，这种关系是今后的研究重点。
安徽农业科学2016年
参考文献
[1]
刘小京，刘孟雨.盐生植物利用与区域农业可持续发展[M].北京：气象出版社，2002：1-9.
[2] 黄晓华，陆天虹，周青，等. 酸雨伤害植物机理与稀土调控研究[J].中国生态农业学报，2004，12（3）：116-118.
[3] 宋国菡，萧月芳.酸雨对环境的影响及防治对策[J].农业环境保护，1998，17（3）：141-143.
[4] 邹海明，邹长明，林平，等.土壤中酸可提取态重金属释放特征研究[J].农业资源与环境科学，2006，22（3）：404-406.
[5] 李合生.植物生理生化原理和技术[M].北京：高等教育出版社，2000.
[6] FRIDOVI H L.Free radical in biology：Vol 1[M]. New York： Academic Press，1976：239.
[7] MACARLANE G R，BURCHETT M D.Cellular distribution of copper ， lead and zinc in the grey mangrove，Avicennia marina（Forsk）Vierh[J]. Aquatic botany， 2000，68：45-59.
[8] 严重玲，洪业汤，付舜珍，等.Cd 、Pb胁迫对烟草叶片中活性氧清除系统的影响[J].生态学报，1997，17（5）：488-492.
[9] 任安芝，高玉葆，刘爽.青菜幼苗体内几种保护酶的活性对Pb 、Cd 、Cr 胁迫的反应研究[J].应用生态学报，2002，13（4）：510-512.