野生小花南芥體內(nèi)AsA-GSH循環(huán)對土壤Cd、Pb脅迫的響應(yīng)

劉梅，李祖然，張光群，王吉秀，祖艷群*

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)園林園藝學(xué)院，昆明 650201）

鎘（Cd）、鉛（Pb）是植物的非必需微量元素[1-2]，Cd、Pb 脅迫會影響植物生長，抑制RNA 的合成及相關(guān)酶活性，使植物產(chǎn)生大量活性氧自由基，影響蛋白、脂質(zhì)及核酸合成，最終導(dǎo)致細胞結(jié)構(gòu)破壞[3]。在一定的重金屬濃度范圍內(nèi)，植物可以啟動自身的解毒機制，植物細胞通過抗氧化酶和抗氧化物協(xié)同作用抵御脅迫，清除逆境脅迫產(chǎn)生的活性氧，提高植物對重金屬的耐性[4]。植物體內(nèi)抗壞血酸-谷胱甘肽（Ascorbate-glutathione，AsA-GSH）循環(huán)、GSH 代謝等生理活動存在交互作用，在植物耐受鎘脅迫中發(fā)揮巨大作用[5]。其主要途徑是抗壞血酸（Ascorbic acid，AsA）在抗壞血酸過氧化物酶（Ascorbate peroxidase，APX）的作用下與H2O2反應(yīng)生成水，從而清除受逆境脅迫所產(chǎn)生的過氧化氫[6-7]。循環(huán)過程中單脫氫抗壞血酸（Monodehydroascorbate，MDHA）和單脫氫抗壞血酸還原酶（Monodehydroascorbate reductase，MDHAR）等促進還原反應(yīng)生成AsA，參與AsA 水平的調(diào)節(jié)[8]。脫氫抗壞血酸還原酶（Dehydroascorbate reductase，DHAR）利用還原型谷胱甘肽（Reduced glutathione，GSH）作為電子供體可將脫氫抗壞血酸（Dehydro?ascorbate，DHA）還原為AsA，而谷胱甘肽還原酶（Glutathione reductase，GR）將氧化型谷胱甘肽催化成GSH，促進AsA 的再生，從而完成清除H2O2等活性氧并再生AsA 和GSH 的過程[9]。GSH 是谷胱甘肽過氧化物酶（Glutathione peroxidase，GPX）和谷胱甘肽轉(zhuǎn)硫酶（Glutathione S-transferase，GST）等抗氧化酶底物，GPX 以GSH 為底物催化H2O2、羥基過氧化物和脂過氧化物等還原，GST通過與GSH結(jié)合清除內(nèi)源產(chǎn)生的有毒親電物質(zhì)，GPX和GST參與植物對重金屬耐受與解毒的過程[10]。目前，關(guān)于植物AsA-GSH 循環(huán)在不同脅迫逆境中的變化規(guī)律已有較多報道，如重金屬脅迫下旱柳（Salix matsudanaKoidz）幼苗[10]、金絲草（Pogonatherum crinitum）[1]等植物的AsA-GSH 循環(huán)中酶活性的變化，而對于Cd、Pb 污染土壤下，野生小花南芥體內(nèi)抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)在抵抗Cd、Pb脅迫中發(fā)揮的作用及規(guī)律的研究鮮見報道。

小花南芥（Arabis alpinaL.var.parvifloraFranch）是云南本土超富集植物，十字花科，南芥屬，多年生草本植物[11]。主要發(fā)現(xiàn)于云南省會澤縣鉛鋅礦區(qū)，因長期開采，礦區(qū)及周邊土壤中Cd、Pb 污染問題日益凸顯[12]。小花南芥對重金屬耐受性的研究具有重要的理論和實踐價值。本試驗以云南省會澤縣鉛鋅礦區(qū)Cd、Pb 污染土壤為研究背景，三個不同地區(qū)的野生小花南芥為試驗材料，研究原生條件下小花南芥根和葉APX、GR、MDHAR、DHAR 的活性和AsA、GSH 的含量變化，明確自然條件下Cd、Pb 脅迫對小花南芥體內(nèi)AsA-GSH 循環(huán)的影響，探索小花南芥適應(yīng)Cd、Pb 脅迫的抗氧化機制，為小花南芥耐重金屬脅迫的機理研究提供一定理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣地概況

采樣點位于云南省曲靖市會澤縣（25°48′～27°04′N，103°34′～103°42′E），平均海拔2 183 m，相對高差389 m，以山地地貌為主，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。會澤鉛鋅礦主要從事采礦、冶煉和化工等生產(chǎn)活動，是中國重要的鉛鋅產(chǎn)地之一。采樣點分布：①馳宏區(qū)（CHQ）：103.71°E，26.63°N，海拔2 494 m，位于者海礦山鎮(zhèn)馳宏礦區(qū)；②三多多（SDD）：103.62°E，26.47°N，海拔2 254 m，位于者海鎮(zhèn)三多多村；③小馬坪（XMP）：103.71°E，26.63°N，海拔2 471 m，位于者海礦山鎮(zhèn)小馬坪。三個采樣點土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 三個試驗區(qū)的土壤理化性質(zhì)及重金屬Cd、Pb含量Table 1 Soil physical and chemical properties in the three sampling sites

1.2 樣品采集

2019 年10 月，平均氣溫17～24 ℃，連續(xù)天晴的天氣下，分別在三個地區(qū)設(shè)置三個采樣點，每個采樣點隨機連根帶土挖取野生小花南芥植株15 株，小花南芥要求分支不超過三支（1～2 年），塑料袋密封根部，保持濕度和鮮活度，帶回實驗室備用。選用鮮活的野生小花南芥植株，輕輕抖動除去黏附在根表面的土壤，根際土壤晾干，用于土壤重金屬的測定，小花南芥洗凈，稱取地上部和地下部各10 份，每份質(zhì)量0.1 g，密封，保存于-80 ℃冰箱，用于酶的測定。

1.3 指標測定

1.3.1 土壤基本理化性質(zhì)

參照鮑士旦《土壤農(nóng)化分析》（第三版）的測定方法[13]，測定pH、有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀。

1.3.2 植株生長指標

洗凈小花南芥，采用Epson Perfection V700 掃描儀進行根系掃描，并利用WinRHIZO-Pro 2013（Re?gent Instruments Inc.）分析軟件對根系參數(shù)進行分析，測得小花南芥的總根長、總根表面積、平均根系直徑、根體積和根尖數(shù)。隨機選取5 株用直尺測定株高。105 ℃殺青30 min，70 ℃烘干至恒質(zhì)量（地上、地下部），稱質(zhì)量，磨碎，備用。

1.3.3 土壤和植株Cd、Pb含量測定

（1）土壤Cd、Pb 含量：稱取1 g 土置于50 mL 三角瓶中，少量水濕潤，加濃硝酸3 mL，封口過夜，低溫加熱至微沸（140～160 ℃），待棕色氮氧化物基本趕完后，取下冷卻。沿壁加入高氯酸5 mL，繼續(xù)加熱，樣品呈灰白色糊狀，取下冷卻，加水過濾到50 mL 容量瓶中定容。用火焰原子吸收分光光度法測定。

（2）植株Cd、Pb 含量：稱取混勻植株樣品0.1 g，置于消解罐，加入3 mL 硝酸（優(yōu)級純）和2 mL 雙氧水（優(yōu)級純），于烘箱中160 ℃加熱4 h，取出冷卻，用超純水定容至50 mL。采用火焰原子吸收分光光度計測定。

富集系數(shù)=植株Cd、Pb 含量（mg·kg-1）/土壤Cd、Pb含量（mg·kg-1）

轉(zhuǎn)運系數(shù)=植株地上部Cd、Pb 含量（mg·kg-1）/植株地下部Cd、Pb含量（mg·kg-1）

1.3.4 AsA-GSH 循環(huán)相關(guān)酶、抗氧化物質(zhì)及MDA、H2O2含量測定

稱取根或葉0.1 g，用剪刀剪碎放入研缽，加入提取液，冰浴條件下研磨成勻漿。于高速冷凍離心機（HC-3018R高速冷凍離心機，安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司）中冷凍離心，取上清液待測。

根據(jù)試劑盒（購自蘇州格銳思生物科技有限公司）說明書進行測定。還原型抗壞血酸（AsA）：在534 nm 波長記錄1 h 后吸光值。還原型谷胱甘肽（GSH）：在412 nm 測定吸光值。丙二醛（MDA）：在532 nm 和600 nm 處讀取吸光值。過氧化氫（H2O2）：在415 nm 處讀取吸光值?？箟难徇^氧化物酶（APX）：在290 nm 比色，記錄30 s 和5 min 30 s 吸光值。單脫氫抗壞血酸還原酶（MDHAR）：在340 nm 比色，記錄10 s 和5 min 10 s 吸光值。脫氫抗壞血酸還原酶（DHAR）：在265 nm 比色，記錄10 s 和3 min 10 s吸光值。谷胱甘肽還原酶（GR）：在412 nm 比色，記錄30 s 和10 min 吸光值。谷胱甘肽轉(zhuǎn)硫酶（GST）：在340 nm 比色，記錄3 s 和10 min 吸光值。谷胱甘肽過氧化物酶（GSX）：在412 nm比色，記錄1 min吸光值。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

實驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 軟件進行編輯和整理，采用SPSS 19.0 軟件對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析（One-way ANOVA）和差異顯著性檢驗（α=0.05），Ori?gin 軟件繪圖。圖表中的數(shù)據(jù)用3 個重復(fù)的均值±標準差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 三個試驗區(qū)的土壤理化性質(zhì)及重金屬Cd、Pb含量

三個試驗區(qū)土壤理化性質(zhì)及重金屬Cd、Pb 含量存在明顯差異（表1）。其中全磷的含量由多到少依次為小馬坪>三多多>馳宏區(qū)；全鉀的含量依次為三多多>小馬坪>馳宏區(qū)；全氮的含量依次為馳宏區(qū)>小馬坪>三多多；有效磷含量依次為三多多>馳宏區(qū)>小馬坪；速效鉀的含量依次為三多多>小馬坪>馳宏區(qū)；堿解氮的含量依次為小馬坪>馳宏區(qū)>三多多；有機質(zhì)的含量依次為三多多>馳宏區(qū)>小馬坪；pH 值大小依次為三多多>馳宏區(qū)>小馬坪。馳宏區(qū)土壤的Cd、Pb含量顯著高于小馬坪和三多多。

2.2 三個試驗區(qū)野生小花南芥株高及根系形態(tài)

三個試驗區(qū)野生小花南芥的株高及根系形態(tài)存在差異（表2）。三多多和馳宏區(qū)小花南芥的總根長、總根表面積顯著高于小馬坪（P<0.05）。其中，與小馬坪相比，三多多和馳宏區(qū)野生小花南芥總根長分別增長107.32%、93.68%，總根表面積分別增長52.11%、45.77%。馳宏區(qū)野生小花南芥的根體積顯著大于小馬坪和三多多，分別增長61.90%和112.50%。三多多野生小花南芥株高顯著高于小馬坪和馳宏區(qū)，相比小馬坪和馳宏區(qū)株高分別上升77.36%、49.05%。三個試驗區(qū)的野生小花南芥平均根系直徑和根尖數(shù)差異不顯著（P>0.05，表2）。

表2 三個試驗區(qū)野生小花南芥的株高及根系形態(tài)Table 2 Plant height and root morphology of wild A.alpina in three sampling sites

2.3 三個試驗區(qū)野生小花南芥植株Cd、Pb 含量及累積特征

三個試驗區(qū)野生小花南芥地上部和地下部的Cd含量存在顯著差異（P<0.05，表3）。野生小花南芥植株地上部和地下部Cd 含量由高到低依次為馳宏區(qū)>三多多>小馬坪。馳宏區(qū)小花南芥地上部Cd 含量分別比三多多和小馬坪顯著升高46.85%和199.72%，地下部顯著升高54.44%和140.63%。馳宏區(qū)野生小花南芥植株地上部和地下部Pb含量顯著高于小馬坪和三多多，相比小馬坪和三多多，馳宏區(qū)地上部Pb含量增幅為87.83%和291.04%，地下部Pb 含量增幅為360.76%和547.47%。馳宏區(qū)、小馬坪、三多多三個試驗區(qū)Cd 富集系數(shù)均大于1，Pb 富集系數(shù)均小于1。三多多和馳宏區(qū)Cd 轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1，小馬坪Pb 轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1（表3）。

表3 三個試驗區(qū)野生小花南芥植株Cd、Pb含量及累積特征Table 3 Cd and Pb contents and accumulation characteristics of wild A.alpina in three sampling sites

2.4 三個試驗區(qū)野生小花南芥植株MDA和H2O2含量

三個試驗區(qū)野生小花南芥植株根部和葉片的MDA 和H2O2含量存在明顯差異（圖1）。Cd、Pb 背景值高的馳宏區(qū)野生小花南芥葉和根中的MDA 含量顯著高于三多多和小馬坪，其中，葉中的MDA 含量分別上升74.06%、32.17%，根部的MDA 含量分別上升72.12%、99.73%。三多多和小馬坪野生小花南芥葉片和根部的MDA含量差異不顯著（P>0.05，圖1A）。Cd、Pb背景值低的小馬坪野生小花南芥植株的H2O2含量顯著低于馳宏區(qū)和三多多，小馬坪野生小花南芥葉中H2O2含量比馳宏區(qū)和三多多分別下降54.73%、66.77%，根的H2O2含量分別下降30.00%、24.32%，三多多和馳宏區(qū)野生小花南芥根部和葉片的H2O2含量差異不顯著（P>0.05，圖1B）。

圖1 三個試驗區(qū)野生小花南芥植株MDA、H2O2含量Figure 1 The contents of MDA and H2O2 in wild A.alpina plants in three sampling sites

2.5 三個試驗區(qū)野生小花南芥植株AsA-GSH 循環(huán)相關(guān)抗氧化物質(zhì)的含量及酶活性

三個試驗區(qū)野生小花南芥體內(nèi)AsA 的含量由高到低依次為馳宏區(qū)>三多多>小馬坪。三多多和小馬坪小花南芥葉片的AsA 含量比馳宏區(qū)分別顯著下降54.55% 和79.43%，根部分別顯著下降44.86% 和94.39%（圖2A）。Cd、Pb 背景值低的小馬坪野生小花南芥葉和根的GSH 含量顯著低于馳宏區(qū)和小馬坪。其中，小馬坪野生小花南芥葉的GSH 含量比馳宏區(qū)和小馬坪分別顯著下降28.08%、35.98%，根的GSH 含量分別顯著下降66.67%、61.90%，三多多和馳宏區(qū)野生小花南芥根部和葉片的GSH 含量差異不顯著（P>0.05）。野生小花南芥葉片的GSH 含量均高于根部，說明葉片對Cd、Pb脅迫的抗性更強（圖2B）。

圖2 三個試驗區(qū)野生小花南芥植株AsA、GSH含量Figure 2 Contents of AsA and GSH in wild A.alpina plants in three sampling sites

如圖3 所示，Cd、Pb 背景值高的馳宏區(qū)野生小花南芥葉和根的APX活性顯著高于三多多和小馬坪（P<0.05）。其中，馳宏區(qū)野生小花南芥葉片的APX 活性相比三多多和小馬坪分別顯著上升135.48%、87.18%；根部APX 活性分別上升77.78%、29.73%（圖3A）。三個試驗區(qū)野生小花南芥地上部GR 活性均高于地下部。其中，根部GR 活性最高的是小馬坪，小馬坪試驗區(qū)野生小花南芥植株根部GR 活性相比三多多和馳宏區(qū)分別顯著上升122.11%和46.53%，說明Cd、Pb 脅迫對小花南芥根部GR 活性具有抑制作用，葉片比根部對Cd、Pb脅迫抗性更強（圖3B）。

圖3 三個試驗區(qū)野生小花南芥植株APX、GR活性Figure 3 APX and GR activities of wild A.alpina plants in three sampling sites

三個試驗區(qū)野生小花南芥植株葉片和根部MD?HAR 活性差異顯著，野生小花南芥植株葉片MDHAR活性由強到弱依次表現(xiàn)為小馬坪>馳宏區(qū)>三多多，根部的MDHAR 活性依次表現(xiàn)為三多多>小馬坪>馳宏區(qū)；小馬坪野生小花南芥葉片MDHAR 活性顯著高于馳宏區(qū)和三多多（P<0.05），分別顯著上升97.24%和200%。三多多小花南芥根部MDHAR 活性顯著高于小馬坪和馳宏區(qū)（P<0.05），分別上升32.84%和118.37%（圖4A）。而三個試驗區(qū)野生小花南芥根部的DHAR 活性無顯著差異（P>0.05），小馬坪試驗區(qū)野生小花南芥葉片的DHAR活性最強，顯著高于馳宏區(qū)和三多多（P<0.05），分別上升94.16%、81.42%（圖4B）。

圖4 三個試驗區(qū)野生小花南芥植株MDHAR、DHAR活性Figure 4 MDHAR and DHAR activities of wild A.alpina plants in three sampling sites

Cd、Pb 背景值高的馳宏區(qū)野生小花南芥葉和根的GST活性顯著高于三多多和小馬坪（P<0.05），馳宏區(qū)野生小花南芥葉片GST 活性相比小馬坪和三多多分別上升3.6 倍和2.0 倍，根部顯著上升3.5 倍和6.9倍。小馬坪和三多多地區(qū)野生小花南芥葉片和根部的GST 活性差異不顯著（P>0.05，圖5A）。而三個試驗區(qū)野生小花南芥葉片的GPX 活性無顯著差異（P>0.05）。小馬坪地區(qū)野生小花南芥植株根部GPX 活性顯著高于馳宏區(qū)（P<0.05）。與小馬坪相比，三多多和馳宏區(qū)野生小花南芥根部GPX 活性分別下降20.47%和35.90%（圖5B）。

圖5 三個試驗區(qū)野生小花南芥植株GST、GPX活性Figure 5 GST and GPX activities of wild A.alpina plants in three sampling sites

2.6 相關(guān)性分析

由表4可知，野生小花南芥的總根長、根體積與土壤的有機質(zhì)、pH呈極顯著正相關(guān)，總根長與土壤Cd含量呈顯著負相關(guān)；平均根直徑與土壤的全磷、全鉀、有效磷、速效鉀、堿解氮呈顯著負相關(guān)，與pH、有機質(zhì)呈顯著正相關(guān)；總根表面積和根尖數(shù)與全磷、全鉀、有效磷、速效鉀呈顯著正相關(guān)；株高與土壤Cd含量呈極顯著正相關(guān)，與土壤Pb含量呈顯著正相關(guān)。土壤背景值對小花南芥生長有一定的影響，小花南芥在三個試驗區(qū)均具有適應(yīng)性。

表4 土壤背景值與野生小花南芥形態(tài)的相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis of soil physical-chemical properties and morphology of wild A.alpina

野生小花南芥根形態(tài)與葉部AsA-GSH 循環(huán)的相關(guān)性分析（表5）表明，小花南芥的根長、平均根直徑、根體積與葉片GSH 呈顯著正相關(guān)，與MDHAR 呈極顯著負相關(guān)；小花南芥的總根表面積與葉片AsA、GST呈極顯著負相關(guān)，與MDA、APX 呈顯著負相關(guān)；小花南芥根尖數(shù)與葉片GSH、H2O2呈極顯著負相關(guān)，與MDHAR 呈極顯著正相關(guān)；小花南芥植株株高與葉片MDA、GST 呈極顯著正相關(guān)。小花南芥的根長、總根表面積、平均根直徑、根體積、根尖數(shù)和株高與植株葉片GR和GPX無顯著相關(guān)性。

表5 野生小花南芥形態(tài)與葉部AsA-GSH循環(huán)的相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis between the morphology of wild A.alpina and the ascorbate-glutathione cycle in leaves

野生小花南芥形態(tài)與根部AsA-GSH 循環(huán)的相關(guān)性分析（表6）表明，小花南芥總根長、平均根直徑與根系MDA 呈極顯著正相關(guān)，與GR 呈極顯著負相關(guān)；小花南芥總根表面積、根尖數(shù)與根系GSH 呈顯著負相關(guān)，平均根直徑與根系GSH 呈顯著正相關(guān)；根系H2O2與總根長呈極顯著負相關(guān)，與平均根直徑和根體積呈顯著負相關(guān)，與根尖數(shù)呈顯著正相關(guān)；植株株高與根系MDHAR 呈極顯著負相關(guān)，與GST 呈極顯著正相關(guān)，植株根系特征和株高與根系DHAR、GPX 無顯著相關(guān)性。表明植株根系特征受根系A(chǔ)sA-GSH 循環(huán)相關(guān)抗氧化物質(zhì)和酶活性的影響。

表6 野生小花南芥形態(tài)與根部AsA-GSH循環(huán)的相關(guān)性分析Table 6 Correlation analysis between morphology of wild A.alpina and ascorbate-glutathione cycle in root

野生小花南芥葉部AsA-GSH 循環(huán)與Cd、Pb 含量的相關(guān)性分析（表7）表明，野生小花南芥葉的Cd含量與AsA含量和GST活性呈極顯著正相關(guān)；野生小花南芥葉的Pb 含量與MDA 含量和GST 活性呈極顯著正相關(guān)，與APX 呈顯著正相關(guān)；土壤Cd 含量與野生小花南芥葉的APX、GST 活性呈顯著正相關(guān)；土壤Pb含量與野生小花南芥葉的MDA 含量和GST、GPX 活性呈顯著正相關(guān)。

表7 野生小花南芥葉的AsA-GSH循環(huán)與Cd、Pb含量的相關(guān)性分析Table 7 Correlation between AsA-GSH cycle and contents of Cd and Pb in wild A.alpina leaves and soil

野生小花南芥根部AsA-GSH 循環(huán)與Cd、Pb 含量的相關(guān)性分析（表8）表明，野生小花南芥根的Cd含量與AsA、GSH含量和GST活性呈極顯著正相關(guān)，與GPX活性呈顯著負相關(guān)；野生小花南芥根的Pb含量與MD?HAR、APX、GST活性呈極顯著相關(guān)；土壤Cd含量與野生小花南芥根的MDA含量、MDHAR活性呈極顯著負相關(guān)，與APX、GST活性呈極顯著正相關(guān)；土壤Pb含量與野生小花南芥根的APX、GST活性呈顯著正相關(guān)。

表8 野生小花南芥根的AsA-GSH循環(huán)與Cd、Pb含量的相關(guān)性分析Table 8 Correlation analysis of relative enzyme activities in AsA-GSH cycle and Cd and Pb contents of wild A.alpina roots

3 討論

根系是植物和環(huán)境介質(zhì)離子交換的主要界面，是最先感知重金屬Cd2+等有毒物質(zhì)的器官[14]，根系形態(tài)可以直觀反映根系對逆境的適應(yīng)狀況。植物自身可通過改變根長、根表面積、根體積等形態(tài)特征以適應(yīng)脅迫環(huán)境。本研究表明，野生小花南芥生長的地區(qū)Cd 含量為52.91～106.54 mg·kg-1，Pb 含量為6 218.33～7 512.75 mg·kg-1，其根長、根體積、株高與土壤背景中Cd 含量存在相關(guān)性，呈現(xiàn)“低促高抑”的現(xiàn)象，與韓航等[1]、田小霞等[15]研究結(jié)果一致。造成此種現(xiàn)象的原因可能是小花南芥通過改變根系形態(tài)結(jié)構(gòu)及其分布格局獲取生長所需能源物質(zhì)（水、養(yǎng)分等），從而維持根系生理功能的穩(wěn)定，進而適應(yīng)Cd、Pb脅迫，根長、根體積等與土壤中堿解氮、pH、有機質(zhì)具有顯著相關(guān)性，這與前人的研究結(jié)果相似，氮元素的增加，可以增加植株生物量，增強植物抗氧化防御能力，促進植物對Cd、Pb 等重金屬的吸收及轉(zhuǎn)運[16-18]；有機質(zhì)含量高、營養(yǎng)充足的條件利于植物生長，植株對Cd的吸附與固定能力增強[19]；pH 與土壤對Cd、Pb 的吸附量存在密切關(guān)系[20]。

MDA 是植物受逆境脅迫時膜脂發(fā)生過氧化的主要產(chǎn)物，MDA 含量變化可衡量逆境脅迫對植物傷害程度[21]，本試驗結(jié)果表明，野生小花南芥葉的MDA 含量與土壤Cd 含量呈極顯著正相關(guān)，表明野生小花南芥葉的膜脂受到傷害的程度與土壤Cd 含量有關(guān)，馳宏區(qū)野生小花南芥MDA 含量最高，說明土壤Cd 含量越高，對小花南芥膜系統(tǒng)傷害程度越大，這與相關(guān)研究結(jié)果[7，22]一致。

AsA 和GSH 是自由基清除系統(tǒng)的重要非酶促抗氧化物質(zhì)，有利于維持細胞內(nèi)氧化還原平衡。Anjum等[23]研究表明，植物細胞內(nèi)AsA 含量一定程度決定了植物抗逆性。本試驗中，AsA 含量與野生小花南芥根與葉中Cd 含量呈極顯著正相關(guān)，這可能是由于小花南芥體內(nèi)通過增加AsA 的含量抵抗Cd 脅迫，維持小花南芥正常生長。韓航等[1]也發(fā)現(xiàn)，超富集植物金絲草（Pogonatherum crinitum）根系A(chǔ)sA 含量的增加削弱了Pb脅迫毒害、延緩了細胞衰老進程，根系基本功能得以正常運轉(zhuǎn)。油菜（Brassica napusL.）體內(nèi)AsA 含量的增加提高了其耐Cd 能力[24]。植物體內(nèi)較高含量的AsA和GSH，可確保較強的植物抗逆境能力。逆境脅迫下植物可增加GSH 和AsA 合成量來抵御逆境帶來的傷害[25]。本研究表明，三多多和馳宏區(qū)野生小花南芥GSH 含量顯著高于小馬坪，可能是由于三多多和馳宏區(qū)土壤中Cd、Pb含量較高，植物在Cd、Pb脅迫下自身產(chǎn)生大量GSH 以增強抗逆性。這與前人發(fā)現(xiàn)逆境下金絲草通過保持體內(nèi)較高的GSH 含量增強植株的抗氧化能力，且維持DHAR、蛋白活性及膜穩(wěn)定性的結(jié)論相一致[26]。

重金屬對植物產(chǎn)生毒害的主要途徑之一是產(chǎn)生大量活性氧，造成細胞損傷、功能紊亂等，植物可通過抗氧化系統(tǒng)響應(yīng)來抵御過氧化毒害[27]。AsA-GSH 循環(huán)在清除活性氧方面發(fā)揮著重要作用，如金絲草（Pogonatherum crinitum）[1]、旱 柳（Salix matsudana Koidz）[10]、石竹（Dianthus chinensis）[28]等，可通過AsAGSH 循環(huán)的響應(yīng)來抵抗脅迫。AsA-GSH 循環(huán)途徑如圖6 所示，AsA-GSH 循環(huán)由GR、GSH、AsA、APX、MD?HAR、DHAR 等抗氧化物、抗氧化酶組成。其中APX、MDHAR、DHAR、GR 作為AsA-GSH 循環(huán)主要酶類，相互協(xié)作清除H2O2，并使AsA和GSH再生[29]。APX是細胞中有效清除H2O2的抗氧化酶之一，催化AsA-GSH循環(huán)第一步反應(yīng)[31]。本研究結(jié)果表明，野生小花南芥的APX活性與根部的Pb含量、土壤的Cd含量呈極顯著正相關(guān)，馳宏區(qū)野生小花南芥APX活性顯著高于另外兩個采樣點，表明高濃度Cd、Pb脅迫可以增強小花南芥APX的活性。針對許多植物的研究已發(fā)現(xiàn)重金屬促使APX活性變化來調(diào)控脅迫造成的危害，如Cd脅迫下旱柳幼苗APX活性上升，葉部APX活性高于根部[10]。本研究中，小花南芥地上部APX活性高于地下部，可能是由于小花南芥吸收的Cd運輸轉(zhuǎn)移至地上部后，葉APX活性增強，以抵御過氧化損傷及增強自身耐性。

圖6 AsA-GSH循環(huán)[4，29-30]Figure 6 AsA-GSH cycle[4，29-30]

AsA 通過非酶促或酶促反應(yīng)氧化為MDHA，MDHAR、DHAR 可以催化AsA 的再生，從而使AsA 在植物組織中保持較高的還原態(tài)，其含量與AsA含量有一定的對應(yīng)關(guān)系[23]。本研究結(jié)果顯示，野生小花南芥DHAR 活性與土壤Cd、Pb 含量無顯著相關(guān)性，究其原因可能是逆境脅迫下維持循環(huán)的平衡過程中DHAR轉(zhuǎn)化加劇，野生小花南芥根部MDHAR 活性與土壤Cd、Pb 含量呈顯著負相關(guān)，Cd、Pb 脅迫會抑制野生小花南芥的MDHAR活性，從而有效促進MDHA與DHA進一步轉(zhuǎn)化為AsA，維持細胞較充分的AsA 庫源，這與楊衛(wèi)東等[10]研究得到低、中劑量Cd 增加了旱柳幼苗MDHAR活性的結(jié)果相一致。

GST、GR 和GPX 這3 種酶在正常GSH 代謝和植株抵抗逆境脅迫中都發(fā)揮著特殊作用。GR 是組成AsA-GSH 循環(huán)通路的關(guān)鍵酶，以還原型輔酶Ⅱ（Tri?phos phopyridine nucleotide，NADPH）為電子供體催化氧化型谷胱甘肽（Oxidized glutathione，GSSG）還原成GSH[32]。本研究結(jié)果顯示，三個試驗區(qū)小花南芥葉片GR 活性差異不顯著，但葉片GR 活性均高于根部，表明小花南芥在Cd、Pb脅迫下葉部GR活性的優(yōu)勢更利于抵抗脅迫。GR 能有效維持GSH 循環(huán)，保持植物細胞中較高GSH 水平，而維持GSH 庫不僅需要GR，還需要GSH 底物合成[33]。GSH 是GPX 和GST 等抗氧 化酶底物，GPX和GST參與植物對重金屬的耐受與解毒過程[10]。本研究中，野生小花南芥GST 活性與土壤Cd、Pb 含量呈顯著正相關(guān)，馳宏區(qū)野生小花南芥根和葉GST活性顯著高于小馬坪和三多多，表明GST參與植物對Cd、Pb的耐受與解毒。Li等[34]研究發(fā)現(xiàn)，Cd脅迫過程中根和葉GPX 與GST 活性增加。本研究中GPX活性變化與大多報道相反，隨著土壤重金屬背景值的升高，根部GPX 活性降低，這可能是由于重金屬脅迫下GSH 主要參與循環(huán)平衡，而較少作為GPX 催化H2O2的底物。本研究結(jié)果清楚地顯示了植物體抵御氧化脅迫的復(fù)雜性，如受金屬的含量和植物自身的耐性等影響，但植物體自身通過酶參與解毒過程的程度還很難確定，為更好地了解小花南芥在Cd、Pb脅迫下的防御機制，還應(yīng)該考慮金屬特異性、基因表達等因素。

4 結(jié)論

（1）土壤氮、磷、有機質(zhì)含量對小花南芥的生長具有顯著的影響。隨土壤Cd、Pb含量的增加，馳宏區(qū)、三多多、小馬坪試驗區(qū)野生小花南芥葉和根Cd、Pb含量顯著增加，植株根系的總根長、總根表面積、根體積及重金屬累積量也增加。

（2）小花南芥通過植物抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)根和葉中AsA、GSH 含量增加，APX、GST 活性升高，根的GR、MDHAR 活性降低，進而使小花南芥對Cd、Pb脅迫的耐性增強。