模擬酸雨對水杉SOD、POD及CAT酶活性的影響研究

茍姝貞，余 東，楊 冬,鄧仕槐,向峻伯*

(1.成都工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都 610218；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，成都 611130)

1 前言

如今，酸雨已成為全球性環(huán)境問題之一[1]。我國的酸雨主要分布在長江以南、青藏高原以東地區(qū)，其中西南酸雨區(qū)是我國傳統(tǒng)酸雨沉降區(qū)，是全國4個主要酸雨分布區(qū)之一。西南酸雨區(qū)主要以pH為4.5～5.6的弱酸性降雨為主，占總降雨頻次的58%左右[2]。雖然近年來我國酸雨污染逐年減輕，但酸雨前體物質(zhì)(SO2、NOx)的排放仍在增加，中國酸雨的防治問題任重道遠(yuǎn)[3]。

酸雨能夠破壞生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使自然界生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)受到干擾，并改變生態(tài)系統(tǒng)的能量流動。研究表明，酸雨在造成植物葉片褪綠或壞死的同時，從根本上造成植物不可見的傷害，例如：植物的光合作用下降、營養(yǎng)元素流失、水平衡變化、酶活性改變等[4]。

水杉在1.4億年前的中生代早白堊紀(jì)廣泛分布于北半球，但在第四紀(jì)，勢不可擋的巨大冰川，使得昔日極盛一時的水杉類植物幾乎全部滅絕，只在歐洲、北美和東亞的地層中保留有化石。直到20世紀(jì)40年代初期，我國植物學(xué)家才在鄂西利川縣磨刀溪(今謀道溪)，奇跡般地發(fā)現(xiàn)了這種從古代植物保存下來的“活化石”，是只有中國特有的古代孑遺植物，被稱為“植物界的熊貓”[5]。

為保護(hù)水杉這一“珍稀瀕危植物”，我國設(shè)立湖北省國家級星斗山自然保護(hù)區(qū)研究其生長條件。而西部地區(qū)作為其唯一的自然生長區(qū)域，研究其在酸雨脅迫下生長情況及生理生化指標(biāo)的變化，以期為保護(hù)該珍貴孑遺植物提供參考依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

實驗地位于四川農(nóng)業(yè)大學(xué)(雅安校區(qū))教學(xué)科研園區(qū)內(nèi)3號溫室大棚，103°48′E，30°23′N，研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均降雨量1732mm左右，極端最高氣溫37.7℃，極端最低氣溫-3.4℃，年平均氣溫為14.1～17.9℃。

2.2 材料與試驗設(shè)計

2.2.1 試驗材料 實驗材料由雅安市合生園林綠化服務(wù)部提供的2年生水杉苗木。選擇高度、胸徑、長勢基本一致的水杉苗，移栽至深25cm、內(nèi)徑30cm的花盆(每盆土壤重量控制為10kg，并施加緩效肥15g)，花盆置于溫室大棚內(nèi)穩(wěn)定培養(yǎng)3個月，在此期間定期為其進(jìn)行澆水、通風(fēng)和滅蟲等管理。

2.2.3 試驗設(shè)計 實驗采用完全隨機設(shè)計，pH設(shè)置4個梯度(pH 2.0、pH 3.0、pH 4.0、pH 5.6)。在溫室大棚穩(wěn)定培養(yǎng)3個月后，每隔1周分別對其進(jìn)行不同濃度的模擬酸雨脅迫處理實驗，連續(xù)6周。脅迫前，每組隨機選擇10株盆栽，共4組，分別使用4個梯度酸雨脅迫。采用手動背負(fù)式噴霧器在每株盆栽葉片正反兩面噴灑等量的不同濃度模擬酸雨溶液，以葉片滴液為限。

2.4 測定指標(biāo)與方法

隨機選取各處理下的植株各5株，選擇各植株上部第3片或第4片完全展開的向陽葉片用于測定酶活性。酶提取方法：在已預(yù)冷的研缽中放入0.2g已剪碎且剔除葉脈的實驗葉片，加入4℃下預(yù)冷的磷酸緩沖液2mL入缽并快速研磨成勻漿，再使用3mL磷酸緩沖液沖洗研缽，并將研磨后的勻漿及沖洗液放入離心管中離心，取上清液(酶液)。

SOD測定采用氮藍(lán)四唑(NBT)法，POD活性的測定采用采用愈創(chuàng)木酚法，CAT的測定選擇紫外吸收法[7]。

3 試驗結(jié)果

3.1 模擬酸雨對水杉SOD酶的影響

圖1 模擬酸雨脅迫對水杉葉片SOD酶活性的影響

第6次噴灑模擬酸雨后，pH 2.0和pH 3.0處理與對照pH 5.6的水杉葉片SOD酶活性具有顯著差異，分別比對照組低7.4%、5.3%。因此，pH 2.0和pH 3.0處理已影響水杉SOD抗氧化系統(tǒng)，從而無法通過自身生理活動完全修復(fù)。

3.2 模擬酸雨對水杉POD的影響

過氧化物酶( Peroxidase，POD)是植物抗氧化保護(hù)酶系統(tǒng)中的重要酶之一，可以使 H2O2轉(zhuǎn)化成無毒害的水和氧分子[9]。水杉在模擬酸雨脅迫下，其POD酶活性的變化規(guī)律見圖2所示。各處理下水杉葉片POD酶活性隨酸雨脅迫次數(shù)增加呈先上升再下降的趨勢，各處理下測得的水杉葉片POD活性隨著酸雨脅迫次數(shù)的增加總體呈先上升再下降的趨勢。表明水杉受到酸雨脅迫之初積極啟動酶保護(hù)機制使酶活性急劇上升，隨著脅迫次數(shù)的增多，POD活性受到一定的抑制呈下降趨勢，也表明部分水杉POD酶系統(tǒng)由初始時的敏感狀態(tài)逐漸過渡到后期的適應(yīng)狀態(tài)，表現(xiàn)出一定的抗逆性。

水杉在受到模擬酸雨脅迫后期，葉片的POD酶活性在pH 2.0處理下明顯高于對照pH 5.6，說明pH 2.0的模擬酸雨脅迫已使得水杉體內(nèi)發(fā)生過氧化反應(yīng)。而pH 4.0處理下的POD酶活性明顯低于pH 5.6，且與未噴灑酸雨前趨勢保持一致，表明pH大于4.0的酸雨不會影響到水杉葉片的POD酶系統(tǒng)，從而推斷酸雨對水杉POD酶系統(tǒng)的傷害閾值為pH<4.0。

3.3 模擬酸雨對水杉CAT的影響

過氧化氫酶( Catalase，CAT)是生物防御體系的關(guān)鍵酶之一，能將過量的 H2O2分解，從而使細(xì)胞免于遭受H2O2的毒害，使過氧化傷害得到緩解[10]。水杉在模擬酸雨脅迫下，其CAT酶活性的變化規(guī)律見圖3所示。各處理下水杉葉片CAT酶活性隨著酸雨脅迫次數(shù)的增加總體呈現(xiàn)上升趨勢，表明水杉在受到酸雨脅迫之后積極啟動CAT酶保護(hù)機制使酶活性保持上升趨勢。

pH 2.0處理下水杉葉片CAT酶活性在第1次噴灑酸雨后急劇上升，并在后3次噴灑酸雨后保持這種高水平(即高于對照80%以上)，說明pH 2.0處理對水杉的影響最大，需要更多的CAT酶對植物體內(nèi)的過氧化氫實施清除工作。但在第6次噴灑酸雨后，pH 2.0處理的水杉葉片CAT酶活性卻又急劇下降，表明pH 2.0處理已對水杉的CAT酶系統(tǒng)造成嚴(yán)重的傷害或抑制作用。而pH 4.0處理下水杉葉片CAT酶活性與pH 5.6對照處理不具有顯著差異，表明pH 4.0處理對水杉CAT酶系統(tǒng)影響并不大，從而推斷酸雨對水杉CAT酶系統(tǒng)的傷害閾值pH<4.0。

圖3 模擬酸雨脅迫對水杉葉片CAT活性的影響

4 討論

植物體內(nèi)的物質(zhì)代謝系統(tǒng)通常處于動態(tài)平衡，當(dāng)其受到逆境脅迫時，就會啟動自身防御系統(tǒng)，減緩逆境對植物酶系統(tǒng)的影響。但是，植物在長時間高頻率的逆境脅迫下，超出植物酶系統(tǒng)的緩沖能力，削弱其防御系統(tǒng)，引起植物光合能力下降、營養(yǎng)流失，細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和保護(hù)酶系統(tǒng)遭到破壞，從而使植物生長受到抑制甚至導(dǎo)致植物死亡[11]。

5 結(jié)論

(1)噴灑6次模擬酸雨后，pH 2.0和pH 3.0處理下水杉葉片SOD酶活性比對照組水杉葉片SOD酶活性顯著降低，pH 2.0和pH 3.0的模擬酸雨已影響水杉的抗氧化系統(tǒng)。

(2)各處理下水杉葉片POD酶活性隨著酸雨脅迫次數(shù)的增加總體呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢，而pH 4.0處理下的POD酶活性明顯低于pH 5.6，且與未噴灑酸雨前趨勢保持一致，表明pH大于4.0的酸雨不會影響到水杉葉片的POD酶系統(tǒng)，從而推斷酸雨對水杉POD酶系統(tǒng)的傷害閾值為pH<4.0。

(3)各處理下水杉葉片CAT酶活性隨著酸雨脅迫次數(shù)的增加呈現(xiàn)上升趨勢，pH 4.0處理下與pH 5.6對照的CAT酶活性不具有顯著差異，酸雨對水杉CAT酶活系統(tǒng)的傷害閾值為pH<4.0。