气候变暖背景下泥炭藓泥炭地酚氧化酶和过氧化物酶活性的研究

Vincent E. J. Jassey， Geneviève Chiapusio， Daniel Gilbert， Marie-Laure Toussaint， Philippe Binet著胡雪凤卜兆君译

（1 法国弗朗什孔泰大学工业技术管理应用系，年代环境实验室 蒙贝利亚尔 25211 2 东北师范大学草地科学研究所 长春 130024 3 东北师范大学地理科学学院泥炭沼泽研究所，国家环境保护湿地生态与植被恢复重点实验室长春 130024）

气候变暖背景下泥炭藓泥炭地酚氧化酶和过氧化物酶活性的研究

Vincent E. J. Jassey1， Geneviève Chiapusio1， Daniel Gilbert1， Marie-Laure Toussaint1， Philippe Binet1著胡雪凤2卜兆君3*译

（1 法国弗朗什孔泰大学工业技术管理应用系，年代环境实验室 蒙贝利亚尔 25211 2 东北师范大学草地科学研究所 长春 130024 3 东北师范大学地理科学学院泥炭沼泽研究所，国家环境保护湿地生态与植被恢复重点实验室长春 130024）

泥炭地主要氧化酶在各个季节均会面临气候胁迫，但目前缺乏氧化酶特征及其对气候胁迫响应方面的数据。在实验增温条件下、泥炭藓藓坪区，沿狭窄的矿养-雨养泥炭地梯度，测定了酚氧化酶和过氧化物酶的活性。发现，不管季节和采样面积如何，泥炭藓的过氧化物酶活性均比酚氧化物酶活性高出1000倍以上。气温升高（平均1 ℃）使过氧化物酶活性增加（30%），但增温不改变酚氧化酶的活性。结果表明，泥炭地过氧化物酶活性的监测可作为反映气候变暖对泥炭地碳循环影响的一个合适的且有预见性的指标。

2，7-二氨基芴 过氧化物酶 酚氧化酶 气候变暖 泥炭地 开顶箱

细胞外酚氧化酶和过氧化物酶的测定能提供有关生态系统碳循环稳定性方面的重要信息。酚氧化酶和过氧化物酶通过促进简单和复杂的酚类化合物的氧化或转换，促进难分解物质部分或完全分解，最终作用于碳循环。由于持续的全球变暖，酚氧化酶和过氧化物酶在陆地碳库如泥炭地中的活性引起了科学关注。泥炭土中的碳累积的部分原因是酶促分解的正常途径受到了抑制，在该酶促分解过程中氧化性酶（如酚氧化酶）起着关键作用。

尽管参与多酚降解的酚氧化酶（PO）可分为O2依赖型PO（如漆酶、酪氨酸酶）和H2O2依赖型PO（如木质素过氧化物酶和锰过氧化物酶），但目前为止，在泥炭地中主要研究了O2依赖型PO。在森林枯落物中，曾发现这两种酚氧化酶具有不同的时空变化特征，突出反映出这些细胞外酶对环境改变无相似响应。因此，泥炭地缺少这些氧化性酶在生态环境和季节变动上的特征及其对气候变暖响应的可用数据。

本研究的目的是，在泥炭地的两个季节间，沿着矿养-雨养过渡梯度探究模拟增温对泥炭地中O2依赖型PO和H2O2依赖型PO的影响。本研究不区分单个酶，选用通用术语酚氧化酶和过氧化物酶来分别描述以O2和H2O2为受体的酶的活性。

1　研究方法

1.1样地选择和实验设计

2010年夏秋两季，在位于法国朱罗山脉（46°49′35″N，6°10′20″E）的1个较大的矿养和雨养复合型泥炭地中进行酚氧化酶和过氧化物酶的研究。沿着从寡植物矿养泥炭地到隆起雨养泥炭地过渡的梯度设置样地，植被组成以喙叶泥炭藓（Sphagnum fallax）占优势。采集喙叶泥炭藓，从头状枝上部开始将其截成0～3 cm（活体片段，上部）和3～10 cm（衰老片段，下部）两个部分。在矿养和雨养两种泥炭地具有代表性的区域地表，各布设6个泥炭藓样方，其中3个为对照，3个为增温处理。在2008年4月，通过在植被上方布设开顶箱（OTC）实现增温处理。实验期间持续监测每个样方泥炭藓表面上方10 cm处的气温。

1.2酶活测量

由于土壤有机质会影响酶活，因此采用一种特殊的方法制取酶提取液。取3 g喙叶泥炭藓鲜样放入含有0.05%（v/v）Tween 80及20 g PVPP的50 mL 0.1 mol/L的CaCl2溶液中，振荡1 h后离心，将上清液过滤（0.2 μm），滤液装入纤维素透析管（10 kDa的分子量截留），在管外覆盖聚乙二醇进行吸收浓缩，直到滤液体积为初始体积的1/10时，将所得浓缩提取物置于pH为5.6的磷酸缓冲液中，制得酶提取悬浊液。通过分光光度法利用96孔的微量滴定板测定酶活。为了量化酚氧化酶，每个重复孔中加入150 μL的酶提取液，同时加入以下物质中的1种作为氧化底物，100 μL的左旋多巴（L-DOPA；10 mmol/L），或2 μL 2，7-二氨基芴（DAF；0.68 mmol/L；εM*= 10228 ［mol/（L·cm）］，或2 μL的丁香醛连氮［5 mmol/L；εM=mol/（L·cm）］或5 μL的ABTS［0.1 mmol/L；εM=36000 mol/（L·cm）］，分别在460、600、525、400 nm的波长下进行比色。过氧化物酶活性利用2 μL DAF（0.68 mmol/L）和10 μL H2O2（0.3% wt）做底物，锰过氧化物酶（Mn-peroxidases）用12 μL MnSO4（0.1 mmol/L）做底物，氧化率均在600 nm波长下测定。锰氧化物酶活性由锰过氧化物酶测试结果减去过氧化物酶活性得到。用12 μL藜芦醇［0.4 mmol/L；εM=9300 mol/（L·cm）］和10 μL H2O2（0.3% wt）做底物，在310 nm波长下比色测定真菌木质素过氧化物酶。酶活以每分钟氧化每克干物质底物的微摩数表述，单位是U/g DM。

1.3统计分析

利用重复测量方差分析方法，以时间（夏季和秋季）为组内变量，以增温、研究区和泥炭藓的深度为组间变量，分析不同泥炭藓片段、样地、季节和增温处理间的酚氧化酶和过氧化物酶的差异。同时考虑样地、季节和增温的交互作用。进行假设性参数检验。利用相同方法检测对照样方和增温样方间的空气和土壤温度差异。

2　结果与讨论

2.1酶活性量化过程中底物的选择

研究结果表明：利用DAF做底物测得了酚氧化酶活性最大值。经历1h酶动力学反应后在丁香醛连氮和 ABTS为底物的孔中出现了沉淀。已有研究发现，时间尺度上丁香醛连氮和ABTS产生的醌类不溶于水相介质。利用DAF底物测定酚氧化酶活性，发现在泥炭藓的不同片段，以及矿养和雨养两种样地间均呈显著差异，但利用L-DOPA底物测定时无显著差异（图1）。因此，DAF是量化泥炭藓泥炭地酚氧化酶活性的理想底物。

2.2酚氧化酶与过氧化物酶活性比较

本研究发现过氧化物酶活性比酚氧化酶活性高出1000倍（图1，图2），过氧化物酶构成泥炭藓泥炭地的主要氧化系统。根据目前已有文献，虽然在森林枯落物表层曾发现过氧化物酶活性比酚氧化酶活性高出120倍，但活性高出1000倍的则十分罕见。此外，该种高活性比例强烈表明过氧化物酶具有植物来源，其原因主要体现在以下几个方面：（1） 泥炭藓强烈占据矿养和雨养泥炭地；（2） DAF-H2O2组合是测定植物过氧化物酶的最敏感的底物；（3） 无明显的真菌木质素过氧化物酶活性证明泥炭藓是高过氧化物酶活性的来源；（4） 从泥炭藓枯落物中鉴定出的不同真菌类群中，仅有24%可以产生过氧化物酶；（5） 泥炭地非生物条件（如酸性和滞水）在很大程度上被认为是限制真菌氧化活性的。

2.3泥炭藓上部与下部的过氧化物酶活性比较

过氧化物酶活性在泥炭藓片段上部显著高于下部，夏季显著高于秋季（图2）。这表明，过氧化物酶活性与多酚含量存在正相关关系。

2.4增温对酚氧化酶和过氧化物酶的影响

开顶箱设置使得2个样地的日均气温平均增加1 ℃。温度升高对酚氧化酶的活性无显著影响。但增温使矿养地区的过氧化物酶活性显著升高30%，尤其是在0～3 cm的泥炭藓上部活性片段（图2）。矿养-雨养泥炭地间过氧化物酶活性对增温响应表明，氧化库沿不同方向变化来应对气候变暖，这与之前酚类化合物所示结果相同。虽然增温可增强过氧化物酶活性，但由于过氧化物酶在矿化和腐殖化过程中均存在功能多样性，因此全球变暖对泥炭地土壤有机质固持影响仍难以预测。

3　结论

从研究结果可得出以下3个结论：（1） DAF是量化泥炭藓藓坪提取物中酚氧化酶和过氧化物酶活性的有效氧化底物；（2） 泥炭藓过氧化物酶构成泥炭藓泥炭地主要的氧化系统；（3） 泥炭地植物过氧化物酶活性的监测是指示气候变暖情况下泥炭地碳循环改变的有效长远指标。

说明：文中εM表示浓度为1 mol/L，厚度为1 cm的溶液在最大吸收波长下的吸光值。

（略）

译自：Soil Biology & Biochemistry，2012，46：49～52。

Phenoloxidase and Peroxidase Activities in Sphagnum-dominated Peatland in a Warming Climate

Vincent E. J. Jassey1， Geneviève Chiapusio1， Daniel Gilbert1， Marie-Laure Toussaint1， Philippe Binet1write Hu Xuefeng2， Bu Zhaojun3*translate
（1 Laboratoire Chrono-Environnement， UFR Sciences， Techniques et gestion de l'industrie， Université de Franche-Comté， Montbéliard cedex， France， 25211 2 Institute of Grassland Science， Northeast Normal University， Changchun， 130024 3 Institute for Peat and Mire Research， School of Geographical Science Northeast Normal University， State Environmental Protection Key Laboratory of Wetland Ecology and Vegetation Restoration， Changchun， 130024）

Peatlands still suffer from the scarcity of available data about the characterization and the response to climate forcing of the main oxidative enzymes that occur over the seasons. In the present study， phenoloxidase and peroxidase activities were examined in Sphagnum lawns along a narrow fen-bog gradient under experimental elevated temperatures. We showed that peroxidase activities from Sphagnum mosses were 1000-fold higher than those of phenoloxidases irrespective of seasons and sampling areas. Peroxidase activities increased （+30%） with the rise of air temperatures （an average of 1 ℃）， while warming didnot alter phenoloxidase activities. These results suggest that the monitoring of peroxidase activities in peatlands may represent a suitable and forward indicator of the impact of climate warming on carbon cycle in peatlands.

2，7-diaminofluorene； peroxidases； phenoloxidases； climate warming； peatland； open top chambers

TQ314.1，S156.2

A

1671-9212（2016）05-0034-04

2016-07-15

胡雪凤，1991年生，硕士研究生，主要从事湿地科学与生态学研究。*通讯联系人：卜兆君，男，教授，E-mail：buzhaojun@nenu.edu.cn。