模拟酸雨对水杉SOD、POD及CAT酶活性的影响研究

2022-04-19苟姝贞邓仕槐向峻伯

四川农业科技 2022年3期

苟姝贞，余东，杨冬,邓仕槐,向峻伯*

(1.成都工业职业技术学院，成都 610218；2.四川农业大学，成都 611130)

1 前言

如今，酸雨已成为全球性环境问题之一[1]。我国的酸雨主要分布在长江以南、青藏高原以东地区，其中西南酸雨区是我国传统酸雨沉降区，是全国4个主要酸雨分布区之一。西南酸雨区主要以pH为4.5～5.6的弱酸性降雨为主，占总降雨频次的58%左右[2]。虽然近年来我国酸雨污染逐年减轻，但酸雨前体物质(SO2、NOx)的排放仍在增加，中国酸雨的防治问题任重道远[3]。

酸雨能够破坏生态系统的稳定性，使自然界生态系统物质循环受到干扰，并改变生态系统的能量流动。研究表明，酸雨在造成植物叶片褪绿或坏死的同时，从根本上造成植物不可见的伤害，例如：植物的光合作用下降、营养元素流失、水平衡变化、酶活性改变等[4]。

水杉在1.4亿年前的中生代早白垩纪广泛分布于北半球，但在第四纪，势不可挡的巨大冰川，使得昔日极盛一时的水杉类植物几乎全部灭绝，只在欧洲、北美和东亚的地层中保留有化石。直到20世纪40年代初期，我国植物学家才在鄂西利川县磨刀溪(今谋道溪)，奇迹般地发现了这种从古代植物保存下来的“活化石”，是只有中国特有的古代孑遗植物，被称为“植物界的熊猫”[5]。

为保护水杉这一“珍稀濒危植物”，我国设立湖北省国家级星斗山自然保护区研究其生长条件。而西部地区作为其唯一的自然生长区域，研究其在酸雨胁迫下生长情况及生理生化指标的变化，以期为保护该珍贵孑遗植物提供参考依据。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

实验地位于四川农业大学(雅安校区)教学科研园区内3号温室大棚，103°48′E，30°23′N，研究区属亚热带季风气候，年均降雨量1732mm左右，极端最高气温37.7℃，极端最低气温-3.4℃，年平均气温为14.1～17.9℃。

2.2 材料与试验设计

2.2.1 试验材料实验材料由雅安市合生园林绿化服务部提供的2年生水杉苗木。选择高度、胸径、长势基本一致的水杉苗，移栽至深25cm、内径30cm的花盆(每盆土壤重量控制为10kg，并施加缓效肥15g)，花盆置于温室大棚内稳定培养3个月，在此期间定期为其进行浇水、通风和灭虫等管理。

2.2.3 试验设计实验采用完全随机设计，pH设置4个梯度(pH 2.0、pH 3.0、pH 4.0、pH 5.6)。在温室大棚稳定培养3个月后，每隔1周分别对其进行不同浓度的模拟酸雨胁迫处理实验，连续6周。胁迫前，每组随机选择10株盆栽，共4组，分别使用4个梯度酸雨胁迫。采用手动背负式喷雾器在每株盆栽叶片正反两面喷洒等量的不同浓度模拟酸雨溶液，以叶片滴液为限。

2.4 测定指标与方法

随机选取各处理下的植株各5株，选择各植株上部第3片或第4片完全展开的向阳叶片用于测定酶活性。酶提取方法：在已预冷的研钵中放入0.2g已剪碎且剔除叶脉的实验叶片，加入4℃下预冷的磷酸缓冲液2mL入钵并快速研磨成匀浆，再使用3mL磷酸缓冲液冲洗研钵，并将研磨后的匀浆及冲洗液放入离心管中离心，取上清液(酶液)。

SOD测定采用氮蓝四唑(NBT)法，POD活性的测定采用采用愈创木酚法，CAT的测定选择紫外吸收法[7]。

3 试验结果

3.1 模拟酸雨对水杉SOD酶的影响

图1 模拟酸雨胁迫对水杉叶片SOD酶活性的影响

第6次喷洒模拟酸雨后，pH 2.0和pH 3.0处理与对照pH 5.6的水杉叶片SOD酶活性具有显著差异，分别比对照组低7.4%、5.3%。因此，pH 2.0和pH 3.0处理已影响水杉SOD抗氧化系统，从而无法通过自身生理活动完全修复。

3.2 模拟酸雨对水杉POD的影响

过氧化物酶( Peroxidase，POD)是植物抗氧化保护酶系统中的重要酶之一，可以使 H2O2转化成无毒害的水和氧分子[9]。水杉在模拟酸雨胁迫下，其POD酶活性的变化规律见图2所示。各处理下水杉叶片POD酶活性随酸雨胁迫次数增加呈先上升再下降的趋势，各处理下测得的水杉叶片POD活性随着酸雨胁迫次数的增加总体呈先上升再下降的趋势。表明水杉受到酸雨胁迫之初积极启动酶保护机制使酶活性急剧上升，随着胁迫次数的增多，POD活性受到一定的抑制呈下降趋势，也表明部分水杉POD酶系统由初始时的敏感状态逐渐过渡到后期的适应状态，表现出一定的抗逆性。

水杉在受到模拟酸雨胁迫后期，叶片的POD酶活性在pH 2.0处理下明显高于对照pH 5.6，说明pH 2.0的模拟酸雨胁迫已使得水杉体内发生过氧化反应。而pH 4.0处理下的POD酶活性明显低于pH 5.6，且与未喷洒酸雨前趋势保持一致，表明pH大于4.0的酸雨不会影响到水杉叶片的POD酶系统，从而推断酸雨对水杉POD酶系统的伤害阈值为pH<4.0。

3.3 模拟酸雨对水杉CAT的影响

过氧化氢酶( Catalase，CAT)是生物防御体系的关键酶之一，能将过量的 H2O2分解，从而使细胞免于遭受H2O2的毒害，使过氧化伤害得到缓解[10]。水杉在模拟酸雨胁迫下，其CAT酶活性的变化规律见图3所示。各处理下水杉叶片CAT酶活性随着酸雨胁迫次数的增加总体呈现上升趋势，表明水杉在受到酸雨胁迫之后积极启动CAT酶保护机制使酶活性保持上升趋势。

pH 2.0处理下水杉叶片CAT酶活性在第1次喷洒酸雨后急剧上升，并在后3次喷洒酸雨后保持这种高水平(即高于对照80%以上)，说明pH 2.0处理对水杉的影响最大，需要更多的CAT酶对植物体内的过氧化氢实施清除工作。但在第6次喷洒酸雨后，pH 2.0处理的水杉叶片CAT酶活性却又急剧下降，表明pH 2.0处理已对水杉的CAT酶系统造成严重的伤害或抑制作用。而pH 4.0处理下水杉叶片CAT酶活性与pH 5.6对照处理不具有显著差异，表明pH 4.0处理对水杉CAT酶系统影响并不大，从而推断酸雨对水杉CAT酶系统的伤害阈值pH<4.0。

图3 模拟酸雨胁迫对水杉叶片CAT活性的影响

4 讨论

植物体内的物质代谢系统通常处于动态平衡，当其受到逆境胁迫时，就会启动自身防御系统，减缓逆境对植物酶系统的影响。但是，植物在长时间高频率的逆境胁迫下，超出植物酶系统的缓冲能力，削弱其防御系统，引起植物光合能力下降、营养流失，细胞膜结构和保护酶系统遭到破坏，从而使植物生长受到抑制甚至导致植物死亡[11]。