SO2对小白菜含硫抗氧化物水平的影响

李晨晖，仪慧兰

（山西大学生命科学学院，山西太原030006）

二氧化硫（SO2）是我国最主要的大气污染物[1]。空气中高浓度SO2会使植物叶面失绿，细胞膜透性增加[2]，光合作用效率降低，叶绿体结构损伤[3]，还会诱发染色体结构畸变[4]，严重影响植物的生长和发育[2-6]。不同植物种类对SO2的敏感性不同[7]，但多数植物可以吸收SO2，并通过胞内氧化还原途径将其转化为半胱氨酸（Cys）[8]，半胱氨酸是胞内其他含巯基的氨基酸、肽和蛋白质的巯基来源[9]。

环境SO2经过叶面气孔进入植物体，溶解于细胞液中形成亚硫酸氢根与亚硫酸根，然后被氧化成硫酸根，此过程中产生大量活性氧[10]。研究表明，SO2熏气能增加模式植物拟南芥细胞内硫同化作用的底物，增强植株硫同化作用，半胱氨酸合成增多，促使谷胱甘肽（GSH）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）、谷胱甘肽硫转移酶（GST）水平提高[11]，这些含硫抗氧化物在细胞氧化还原反应中发挥了重要作用[12]。小白菜是常见的一种叶菜类蔬菜，但SO2对小白菜生理影响的研究仅限于表观与细胞结构观察[13]。SO2是否影响小白菜含硫抗氧化物的水平未见报道。

本试验研究SO2对经济作物小白菜的影响，以便为小白菜的安全生产提供基础数据，也为SO2毒性研究和环境污染检测提供试验依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

以小白菜（Brassica rapa L.ssp.Chinensis var.communis）四季青作为试验材料。

1.2 试验方法

选颗粒饱满、大小均匀的种子，播种于等体积混合的营养土和蛭石中，在植物培养室培养。光照强度 3 000 lx，光暗周期 14 h/10 h，温度（22±2）℃，相对湿度45%±5%，3 d浇一次水。

将培养14 d的小白菜幼苗分成对照组和SO2熏气组，分别置于同体积的密闭箱内，适应1 d后开始处理，熏气组暴露于SO2中，对照组暴露于洁净空气中。根据预试验结果，SO2熏气浓度确定为30 mg/m3，每隔3 h换气一次，持续熏气48 h，熏气期间保持光照强度、光暗周期与幼苗培养时期一致。

1.3 生理指标检测

观察熏气期间小白菜植株的形态和颜色，取处理 6，12，24，36，48 h 的小白菜叶片，检测生理指标，各组设3个重复试验。过氧化氢（H2O2），丙二醛（MDA），GSH含量及GPX，GST活性测定方法参照文献[14]进行。

1.4 数据统计分析

数据采用SPSS 20.0软件进行One-Way ANOVA统计分析，以示不同处理组间差异显著性。

2 结果与分析

2.1 SO2熏气对植株叶片形态的影响

SO2熏气对小白菜叶片的伤害与熏气时间呈正相关。30 mg/m3SO2暴露前期，小白菜叶片无明显可见伤害，24 h后少数叶片出现小型透明斑。当熏气时间延长，叶面透明斑变大，部分区域皱缩，边缘开始卷曲，SO2熏气36 h时，叶片的伤害斑清晰可见，并且开始有边缘卷曲的现象（图1）。

2.2 SO2熏气对小白菜叶片的氧化损伤

SO2熏气一定时间后小白菜叶片组织出现氧化胁迫。在整个试验期间，小白菜叶片中H2O2含量SO2熏气组显著高于对照（图2），MDA含量在前24 h无明显变化，36 h后显著高于对照（图3）。结果说明，SO2熏气引发了小白菜叶片组织中活性氧水平的升高，进而导致叶组织细胞氧化损伤，细胞膜脂质过氧化产物MDA显著升高。

2.3 SO2熏气对小白菜叶片含硫抗氧化物水平的影响

SO2熏气导致小白菜叶片组织中含硫抗氧化物水平升高。SO2熏气组叶片GSH含量在熏气6 h后较对照组显著升高，其余时段略高于对照组（图4）。

SO2熏气组小白菜叶片中GST活性提高，并在整个熏气期间维持较高水平（图5）。GST活性在SO2熏气6 h后即显著高于对照组；熏气36 h时升至最大值；SO2熏气48 h后GST活性虽仍高于对照组，但较前期明显下降。

SO2熏气可以提高小白菜叶片中GPX活性，但当熏气时间延长，GPX活性下降。SO2熏气初期，GPX活性与对照无显著差异；熏气24 h，较对照显著升高；熏气36 h，处理与对照活性水平相当；熏气48 h，GPX活性较对照显著降低，呈现出对酶活的抑制现象。

3 讨论

植物细胞具有复杂的抗氧化系统，维持胞内氧化还原平衡[15]。SO2暴露后植物细胞内抗氧化酶SOD，CAT，GPX活性提高，小分子抗氧化物GSH水平增高[10，16]，以增强细胞的氧化还原能力，但当活性氧水平增加到一定程度后，抗氧化酶活性被抑制，不能及时清除过量的活性氧，引起膜脂过氧化，导致细胞氧化损伤[10]。本研究中检测含硫抗氧化物的水平，发现SO2熏气初期，小白菜叶片H2O2水平升高，诱导含硫抗氧化物质GSH，GPX，GST水平提高以增强组织抗氧化能力，使植物细胞免于氧化损伤，叶面无可见伤害；暴露中期，H2O2处于较高水平，GPX/GST/GSH参与抗氧化应答，叶面出现少量褪绿斑；SO2暴露后期，因H2O2持续高水平，抗氧化酶活性被抑制，导致组织氧化损伤，MDA含量增高，叶面出现坏死斑、叶边缘卷曲。GST，GPX活性下降，GPX活性被抑制，可能的原因是活性氧损伤了蛋白质分子，并且引起DNA损伤致使转录模板活性降低[17]，抑制了相关转录酶活性，从而使酶基因表达量降低。

研究发现，SO2熏气能增强拟南芥植株硫同化作用，促进Cys的合成，使GSH水平提高[11，18]。在本研究中，SO2暴露组吸收SO2后小白菜叶片中GSH水平提高，可能与胞内的硫同化作用增强有关。GSH是细胞内重要的小分子非酶抗氧化剂，它的巯基可通过氧化还原反应加速清除自由基，同时使蛋白硫醇基团氧化速率降低、保持功能稳定[19]。SO2熏气组中小分子抗氧化剂GSH含量较对照组提高，能增强熏气组叶片细胞清除活性氧的能力，减少细胞内活性氧积累，从而提高小白菜对SO2的耐受性。

李利红等[11]研究发现，30 mg/m3SO2暴露能显著提高拟南芥GSH含量、GPX和GST活性，GSH含量达到峰值后回落。在本研究中，小白菜30 mg/m3SO2暴露初期含硫抗氧化物GSH，GPX，GST有相似变化趋势，熏气后期GST和GPX活性下降，GPX活性比对照组显著降低，呈现出酶活性被抑制的现象。GSH是植物体内GPX和GST的作用底物，GPX，GST活性升高消耗GSH，使其增幅减小。GPX与GST是植物细胞内非常重要的防御与解毒酶，GST可以催化GSH与胞内亲电子有毒物质结合使细胞脱离毒害，GPX能利用GSH把脂质过氧化物还原成相应的醇，把H2O2还原成H2O，从而缓解逆境对植物造成的损伤[20]。GST，GPX活性处理组高于对照组，说明SO2胁迫后能够诱导酶活性增高，通过增强GSH/GPX/GST系统的功能，小白菜叶片细胞可以提高清除氧自由基的能力，从而加强小白菜叶片对SO2胁迫的适应性。熏气后期GST和GPX活性下降，GPX活性比对照组显著降低，可能是蛋白质氧化损伤导致酶活性下降。

本研究发现，30 mg/m3的SO2暴露24 h后，小白菜叶片就会出现可见伤害，由此建议在小白菜种植环境中控制SO2浓度，保证农业安全生产。

4 结论

SO2暴露具有氧化胁迫效应，能诱导小白菜中含硫抗氧化物质水平提高。SO2熏气促使叶组织中GSH水平升高，GPX，GST等含硫抗氧化酶活性增高，使植株对逆境的适应能力加强，但是活性氧积累到一定程度会抑制含硫抗氧化酶活性，使MDA升高，小白菜叶片出现氧化损伤。

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