重金属复合胁迫对酢酱草抗氧化酶系统的影响

罗泽萍 潘立卫

（河池学院化学与生物工程学院，广西 宜州 546300）

重金属复合胁迫对酢酱草抗氧化酶系统的影响

罗泽萍 潘立卫

（河池学院化学与生物工程学院，广西 宜州 546300）

采用盆栽法考察不同质量浓度的Cd、Zn、Cu、Pb、As 5种重金属复合胁迫对酢酱草抗氧化酶活性的影响。结果显示随着重金属处理浓度梯度的增加，酢酱草过氧化物酶 (POD)活性、抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性、脯氨酸（PRO）含量及谷胱甘肽（GSH）含量先升高后降低；而超氧化物歧化酶 (SOD)活性和过氧化氢酶 (CAT)酶活性逐渐下降。结果表明酢酱草在重金属复合胁迫下能防御性的增加POD酶活性、SOD酶活性、PRO含量及GSH含量以减少逆环境的伤害，而重金属复合胁迫浓度过高则会导致酢酱草抗氧化酶系统受到明显损害，生长受到很大程度的抑制。

酢酱草；重金属；复合胁迫；抗氧化酶

1 引言

重金属污染是指由于人类活动，如对重金属的开发和利用的过程中造成的有害元素，如：Pb、Hg、Cd、Co等在土壤中沉积从而引起含量过高而导致的严重的环境污染。重金属的危害程度在于其毒性易通过食物链在植物、动物和人体内累积等特点，对生态环境和人体健康构成严重威胁，如日本的水俣病和痛痛病分别由汞污染和镉污染所引起。近年来，有关重金属污染的事件层出不穷，如2006年甘肃省徽县和2009年河南济源的Pb污染事件，2011年《新世纪》周刊报道中国多地市场约10%大米Cd污染，同年云南省曲靖市发生一起非法倾倒剧毒工业废料引起铬污染；2012年，广西龙江河出现重金属镉含量超标。可见，重金属污染已经严重影响威胁到人们的健康和生活。超富集植物能通过根系吸收固定重金属从而达到修复污染土壤的目的，并将重金属转移到地面部分，再采用收割的方式去除土壤中重金属。如蜈蚣草就是一种Sn超富集植物，对Sn、Pb、Zn的耐受能力亦较强；宝山堇菜可以吸收土壤中超量的Cd，并且可以把重金属从植物地下部分转移至地上部分，是理想的Cd超富集植物。Cd、Zn、Cu、Pb、As是污染土壤中较常见的 5中重金属，由于其均具有较高的化学活性，因此，易破坏植物细胞膜结构和功能，使植物体内细胞液外渗而导致植物体内代谢紊乱，从而引起一系列有害的生理生化现象。酢酱草(Oxalis corniculata L.)也叫酸浆、三叶酸、三角酸等，其气味酸、寒、无毒，来源酢酱草科植物的全草。具有清热解毒、消肿散疾、补肺泻肝、健胃止咳、凉血化瘀等功效，可用于治疗泄泻、痢疾、黄疸、淋病、麻疹、吐血、痈肿、疮疖、疥癣、痔疾、脱肛、月经不调、跌打损伤等症[1-3]。现代药理研究表明酢酱草具有较好的抗炎、抗病毒、抑菌和抗氧化[6-9]作用。目前，对酢酱草的研究主要集中在化学成分、生物活性及组织栽培等方面[10-15]，而有关重金属对酢酱草抗氧化酶系统的影响鲜有报道。因此，研究Cd、Zn、Cu、Pb、As 5种重金属在不同质量浓度处理下对酢酱草抗氧化酶系统的影响具有重要意义。为酢酱草抗氧化酶系统的防御机制及植物修复和合理开发提供理论依据。

2 材料与方法

2.1 试验材料及处理

盆栽试验于河池学院植物组织培养实验室进行。供试土壤取自无重金属污染地区，经测定其基本理化性质如下：pH=5.14，有机质=23.52 g/kg，CEC=7.96 cmol/kg，重金属Cd、Pb、Cu、Zn、As背景分别为0.21、17.24、13.65、2.57、3.68 mg/kg。将过3 mm筛并剔除杂物的土壤风干后4 kg装入直径为30cm，高为15cm的陶瓷盆中。重金属以CdCl2、Zn(NO3)2、CuCl2、Pb(NO3)2、Na2HAsO4金属盐形式用Hoagland’s营养液完全溶解，按空白、处理水平一、二、三、四、五、六处理浓度依次为Cd：0、0.1、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5，Pb：0、100、500、1000、1500、2000、2500，Cu：0、50、100、200、300、400、500，Zn：0、100、200、400、600、800、1000，As：0、20、40、60、80、100、120的浓度均喷洒于每盆中。从野外采未受污染且长势一致的酢酱草，用去离子水把粘附的土壤和杂质洗干净后，每10株一组种入盆中。

2.2 测定指标

酢酱草生长40 d后，取植株相同部位的叶片，用去离子水洗净沥干，用于各项指标测定。POD活性采用愈创木酚法测定[16]；SOD、CAT活性分别按照南京建成生物工程研究所生产总超氧化物歧化酶测定试剂盒（WST-1 法）、过氧化氢酶（CAT）测定试剂盒（可见光法）说明顺序测定；APX采用比色法测定[17]；PRO采用茚三酮显色、甲苯萃取分光光度法测定[18]；GSH含量参照Brehe J的方法测定[19]。

2.3 数据处理及统计方法

采用spss19.0软件进行数据分析和处理。

3 结果与分析

3.1 酢酱草POD酶对复合重金属胁迫的响应

植物在逆环境胁迫下会产生破坏植物细胞膜结构的超氧化物自由基，除此之外，超氧化物自由基还能与膜蛋白发生链式聚合反应，从而导致植物细胞膜系统遭到破坏，最终导致植物损害、甚至死亡[20]。然而，植株可防御性的通过提高POD酶的活性，从而减少超氧化物自由基对植株造成的伤害[21]。由表1可见，随着重金属胁迫浓度梯度升高，酢酱草POD活性呈先升后降顺序。说明酢酱草在受到重金属污染后能防御性的增加POD酶活以减少超氧化物酶的伤害，但是随着重金属处理浓度的升高，酢酱草的防御系统可能受到破坏，因此，产生的POD酶活性逐渐下降。

3.2 酢酱草SOD酶对复合重金属胁迫的响应

当植物在逆环境胁迫时，会致使活性氧积累从而导致膜脂过氧化作用，SOD能清除这些活性氧在细胞内大量积累，特别是超氧自由基的积累[22]。SOD酶活性的逐渐下降，意味着植物体逐渐衰老[23]。由表1可见，随着重金属胁迫浓度升高，酢酱草SOD活性明显下降。说明酢酱草在重金属污染下抗氧化酶系统受到破坏，生长受到抑制。

3.3 酢酱草CAT酶对复合重金属胁迫的响应

胁迫下，植物细胞内的自由基清除系统遭到破坏，致使体内的过氧化氢等自由基聚集，植物叶片中的CAT能清除过氧化氢自由基对细胞的氧化作用，从而纠正植物体内代谢紊乱、维持细胞膜正常结构和功能[24]。由表1可见，随着重金属胁迫浓度升高，酢酱草CAT活性明显下降。说明酢酱草在重金属胁迫下抗氧化酶系统遭到破坏。

3.4 酢酱草APX对复合重金属胁迫的响应

APX 在植物生长发育和逆境胁迫响应等生理过程中都发挥着非常重要的作用。其通过清除植物在逆胁迫时产生过量的H2O2从而使细胞免受活性氧毒害[25]。由表1可以看出，重金属处理水平一APX活性比空白对照组高，说明酢酱草在重金属胁迫下能通过提高 APX活性清除逆环境下产生的H2O2。但是随着重金属处理浓度的逐渐升高，酢酱草APX活性逐渐下降，说明重金属胁迫浓度过高酢酱草的抗氧化酶系统受到一定程度的破坏。

3.5 重金属复合胁迫对酢酱草PRO含量的影响

PRO在植物细胞中具有渗透调节、清除•OH、保护酶的活性、储藏N素及作为碳源和氮源提供能量等功能，所以，在适应环境的过程中起着至关重要的作用。因此，常作为评价植物抗逆性的重要指标，在逆环境下，植物体内PRO含量通常急剧上升[26,27]。由表 1可见，随着重金属处理浓度的增加，酢酱草PRO含量先升高后降低，说明酢酱草受到重金属胁迫时能做出积极响应，但当重金属处理浓度过高容易导致植物细胞和酶破坏，因此PRO含量逐渐下降。

3.6 重金属复合胁迫对酢酱草GSH含量的影响

GSH参与到植物还原硫的贮存和运输及蛋白质和核酸合成的重要过程中，因此，其与植物在逆环境中的耐受能力紧密联系。GSH水平提高可增强植物抵抗逆环境的能力[28]。由表1可见，酢酱草GSH含量随着重金属浓度的逐渐升高先升后降。

表1 酢酱草POD、SOD、CAT、APX、PRO、GSH酶对复合重金属胁迫的响应

4 结论与讨论

植物体内有一套重要的抗氧化酶系统，包括SOD、POD和CAT等，其在清除自由基方面发挥着关键的作用。植物在重金属胁迫下会产生一系列破坏植物细胞膜结构和功能的物质，如：氧自由基、膜脂过氧化物、过氧化物等[29,30]。土壤重金属污染对植物的影响一直是国内外学者关注的焦点。苏银萍[31]等人采用土培的方法，研究了不同程度锰污染土壤对木荷叶片过氧化氢、超氧阴离子自由基产生速率的影响以及抗氧化酶的活性与非酶物质在解除ROS毒害过程中的作用，结果发现木荷叶过氧化氢、超氧阴离子自由基正常代谢平衡被打破，引起不同程度的积累，且污染启动了木荷抗氧化系统。陈功亮[32]等人通过盆栽试验，研究铀胁迫对酸模叶绿素含量及抗氧化酶系统的影响，结果发现高浓度铀胁迫导致整个 PSⅡ的结构和功能以及抗氧化酶系统都受到较严重的破坏。何洁[33]等人本文以不同含量Zn和Cd为胁迫因子，以在沿海滩涂分布广泛的盐生植物翅碱蓬为受试材料，研究翅碱蓬生长指标及体内超氧阴离子和过氧化氢的产生速率及抗氧化酶活性的变化，结果发现高浓度的Zn、Cd致使翅碱蓬的抗氧化酶系统遭到不同程度的破坏。对Cd污染抵御能力差，微量Cd即可损害翅碱蓬发芽率、苗高、苗重。本文研究了Cd、Zn、Cu、Pb、As 5种重金属在不同质量浓度处理下对酢酱草抗氧化酶系统的影响，结果发现随着重金属处理浓度梯度的增加，酢酱草POD酶活性先升后降，说明酢酱草在受到重金属污染后能防御性的增加POD酶活性以减少超氧化物酶的伤害，但是随着重金属处理浓度的升高，酢酱草的防御系统可能受到破坏，因此，产生的 POD酶活性逐渐下降；而 SOD和CAT酶活性与空白对照组相比逐渐下降。说明生长受到很大程度的抑制。植物生长的诸多环境因素对植物的光合作用产生不同程度的影响，作为叶绿体分解 H2O2系统关键酶的APX 有可能成为作物抗逆性育种研究者考虑的一个生理生化指标[34]。PRO作为一种理想的渗透调节物质在抗逆环境胁迫中起着重要的作用。GSH因其具有还原态硫储存和转运、合成蛋白质和核酸的以及组织抗氧化特性维持和对氧化还原敏感的信号传达等重要作用，因此，谷胱甘肽含量的高低与植物抗逆能力紧密联系。酢酱草APX活性、PRO含量、GSH含量随着重金属复合胁迫浓度的升高呈现先升后降趋势，说明酢酱草受到重金属胁迫时能做出积极响应，但当重金属处理浓度过高容易导致植物细胞和酶破坏，因此PRO含量逐渐下降。综上所述，重金属复合胁迫下酢酱草生长受到一定程度抑制，POD酶活性、APX酶活性、PRO含量及GSH含量先升高后降低；而SOD酶活性和CAT酶活性逐渐下降。结果表明酢酱草在重金属复合胁迫下能做出积极响应，通过增加POD酶活性、SOD酶活性、PRO含量及GSH含量以减少逆环境的伤害。可见酢酱草在治理和修复复合重金属污染土壤及防治土壤污染服务具有一定的参考价值，同时，为规模发展酢酱草种植产业及合理开发酢酱草植物资源提供指标和客观依据。但是高浓度重金属污染土壤可能对酢酱草造成明显不可逆的生理毒害效应，可见酢酱草对重金属复合污染非常敏感，因此，利用酢酱草的生理特性变化来评价重金属复合污染土壤环境质量、建立土壤污染预警指标体系或环境标准的修订亦具有重要意义。

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Effect of compound heavy metals intimidate on antioxidase system of oxalis corniculata L.

To study the effect of compound heavy metals（Cd、Zn、Cu、Pb、As）with different mass concentration intimidates on antioxidase system of Oxalis corniculata L.by pot-cultivated experiments. The result showed that the activity of POD, APX, PRO, and GSH increased at first and then decreased during compound heavy metals concentration increasing, but the activity of SOD and CAT gradual decline. Results indicate that under the stress of heavy metal compound, Oxalis corniculata L.can defensive increase the activity of POD, SOD enzyme activity, and PRO, GSH content in order to reduce adverse environmental damage, and heavy metal compound stress concentration leads to obvious damage on antioxidant enzyme system, and the growth inhibition seriously.

Oxalis corniculata L.; combined stress; heavy metals; antioxidase system

X53

A

1008-1151(2016)07-0035-03

2016-06-05

河池学院环境工程专业硕士点建设学科基金项目资助(2015HJB005)。

罗泽萍（1987－），女，广西梧州人，河池学院化学与生物工程学院讲师，研究方向为生化药理学。

潘立卫（1987－），男，广西都安人，河池学院化学与生物工程学院实验师，研究方向为中草药有效成分研究。