铅胁迫下干旱对国槐和紫穗槐幼苗抗氧化酶活性的影响

李春燕，王进鑫,王　敏，陈科皓，王榆鑫，宋清玉

(1.西北农林科技大学 资源环境学院，农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西 杨凌 712100；2.贵州省安顺市关岭自治县环境保护局， 贵州 关岭 561300)



铅胁迫下干旱对国槐和紫穗槐幼苗抗氧化酶活性的影响

李春燕1，2，王进鑫1,王敏1，陈科皓1，王榆鑫1，宋清玉1

(1.西北农林科技大学 资源环境学院，农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西 杨凌 712100；2.贵州省安顺市关岭自治县环境保护局， 贵州 关岭 561300)

摘要：为了阐明铅胁迫下国槐和紫穗槐对干旱的生理响应机制，进而对比两者在铅胁迫下的抗旱性，为西北矿区耐铅型抗旱植物鉴选提供依据。通过盆栽试验，以1年生的国槐和紫穗槐幼苗为材料，以土壤相对含水量(SRW)100.00%的无铅处理为对照，其余处理外源铅浓度统一设为2 000 mg·kg-1，测定不同水分胁迫强度(土壤相对含水量87.84%，70.00%，52.16%，40.00%)国槐和紫穗槐幼苗叶片中超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)以及过氧化氢酶(CAT)活性的变化。结果表明：单一铅胁迫(2 000 mg·kg-1)下国槐和紫穗槐抗氧化酶活性高于对照；铅和干旱复合胁迫下，SRW 87.84%、SRW 70.00%、SRW 52.16%的处理，随着干旱胁迫强度的升高，国槐幼苗叶片SOD、POD和CAT活性均呈先升高后降低趋势且高于对照，紫穗槐SOD和POD活性呈先升高后降低趋势且高于对照，而CAT活性呈先降低后升高趋势；SRW为40%的处理下，国槐的SOD和CAT活性显著低于对照，POD活性略高于对照；紫穗槐SOD、POD和CAT活性均高于对照。铅胁迫(2 000 mg·kg-1)对国槐和紫穗槐的抗氧化酶有激活作用；铅胁迫下，紫穗槐对干旱的抗性强于国槐。

关键词：铅胁迫；干旱胁迫；国槐；紫穗槐；抗氧化酶

我国西部地区铅、锌矿产资源丰富[1]，随着开发规模的不断扩大，矿区土壤铅污染问题日益严重，开发后废弃地的植被恢复及土壤铅污染的修复问题成为环境生态学研究的重要领域。植物修复因其成本低，效果好，不破坏环境等优点受到广泛关注[2]。目前我国学者对铅富集植物和铅对植物生理生化特性的影响进行了大量研究[3-5]，然而其研究区域主要集中在气候适宜的南部矿区，研究对象主要是一年生的草本植物及生长周期较短的蔬菜等农作物[6-7]，关于西北地区木本耐性植物的研究很少。木本植物生物量大，生长周期长而且便于管理，在重金属修复方面潜力很大[8]。因此，研究西北地区常见的木本植物在土壤铅污染区域的耐性和生存能力具有重要的意义。

国槐和紫穗槐是西部常见的且抗旱性较强的树种，但两者在西北矿区铅污染区域的生长及抗旱机制目前尚不清楚。植物体内的抗氧化酶活性在一定程度上能反映其抗旱能力。保护酶通过清除自由基，来抑制脂质过氧化作用，从而保护植物细胞膜不受伤害[9-14]。周芙蓉等[15]对此已有初步研究。王艳[16]等采用正交试验在干旱和铅胁迫下研究了紫穗槐和刺槐以及紫穗槐平茬苗的抗氧化酶活性，得出紫穗槐的抗性优于刺槐，但对国槐并未涉及。张青[17]等采用随机区组设计探讨了干旱和铅胁迫双重胁迫对国槐幼苗抗氧化酶活性的影响，旨在阐明干旱和铅交互胁迫对抗氧化酶活性的影响机制。本试验在上述研究的基础上，采用三因素五水平二次通用旋转组合设计重点研究重度铅胁迫下干旱对国槐和紫穗槐抗氧化酶活性的影响，阐明其在重度铅胁迫下对干旱胁迫的响应机制，进而对比国槐和紫穗槐在铅污染条件下对干旱的抗性，为西北矿区耐铅型抗旱植物鉴选提供依据。

1材料与方法

1.1实验材料

1.1.2供试植物供试材料为一年生国槐和紫穗槐幼苗，3月初于杨凌苗圃起苗，去除基质、清洗并称量幼苗鲜重后，栽植于事前准备好的塑料桶(内径27 cm、高30 cm)中，边埋边压边提苗，把土壤压实后在土壤表面铺2 kg石子来减少土壤表面水分蒸发，正常管理并保证其成活。

1.2试验方法

试验在陕西杨凌西北农林科技大学南校区人工旱棚内进行，外源铅浓度统一设为2 000 mg·kg-1，干旱胁迫强度用土壤相对含水量(土壤水分占田间持水量的百分比, SRW)表示，共设置5个水平。采用二次通用旋转组合设计，拟定干旱胁迫强度[18-19]的上下水平，上水平以Z2j(田间持水量的100%)表示，下水平以Z1j(田间持水量的40%)表示，则零水平为：

Z0j=(Z1j+Z2j)/2=70%

变化间距为：

Δj=(Z2j-Z0j)/j=17.84%

其中，j=1.682。所以，5个干旱胁迫水平的编码值和实际值分别为：1.682(100%)，1(87.84%)，0(70%)，-1(52.16%)，-1.682(40%)。以土壤相对含水量(SRW)100.00%的无铅处理为对照，紫穗槐和国槐2个树种，每一树种由20个处理组成，总共40个处理，每个处理重复2次。

4月挑选长势一致的国槐和紫穗槐苗木，采用人工适时补水和称重法进行水分控制，每2天称重一次，每天适时补水，以保证土壤含水量保持在一定水平上。9月中旬采集国槐和紫穗槐幼苗叶片(从各个方位选取成熟叶片)并用液氮速冻，然后带回实验室进行超氧化物歧化酶(SOD)，过氧物酶(POD)，过氧化氢酶(CAT)的活性测定。

1.3测定指标及方法

酶液的制备：取0.5 g鲜叶片于预冷的研钵中，加入0.05 mol·L-1的冷磷酸缓冲液(pH=7.8)5 mL和少量石英砂，冰浴研磨。至匀浆后用0.05 mol·L-1的冷磷酸缓冲液(pH=7.8)5 mL冲洗，并转移至离心管。10 000 r·min-14℃离心15 min，上清液即为酶提取液，将酶液转移至试管，4℃冷藏保存，作为备用。

SOD活性测定：采用氮蓝四唑(NBT)法[20]测定，取酶液0.2 mL于试管中，加入核黄素、Met溶液、NBT溶液、EDTA-Na2溶液和蒸馏水，混匀后置于4 000 lx日光下反应20 min；另设两支以0.2 mL蒸馏水代替酶液的对照管，用黑色硬纸遮光。至反应结束后，用黑布遮盖试管，以终止反应。反应终止后于560 nm下测OD值。SOD以抑制50% NBT发生光化学还原为1个酶活性单位。

POD活性测定：采用愈创木酚显色法[20]测定，取0.2 mL的酶液加入愈创木酚，蒸馏水和双氧水摇匀反应，最后以偏磷酸终止反应，在470 nm下测OD值。POD以每分钟氧化1 μmol愈创木酚为1个酶活单位。

CAT活性测定：采用H紫外分光光度法[21]测定，取0.2 mL酶液，加入蒸馏水和0.3% H2O2溶液摇匀反应，在240 nm下测OD值，每分钟记录1次。CAT以1 min内OD240值降低0.1为1个酶活单位。

1.4数据处理

采用Excel和SAS软件对数据进行统计和差异显著性分析。

2结果与分析

2.1铅胁迫下干旱对国槐和紫穗槐幼苗SOD活性的影响

图1中，国槐和紫穗槐SRW为100%的处理SOD活性均高于对照，且差异显著(P<0.05)，较对照分别增加了39.1%和30.1%，表明2 000 mg·kg-1的铅胁迫对二者SOD活性有促进作用。随着干旱胁迫强度的增大，国槐和紫穗槐叶片SOD活性都呈先升高后降低的趋势。紫穗槐叶片SOD活性的最大值出现在SRW为52.16%的处理，达到对照的1.55倍，且各处理的SOD活性均显著(P<0.05)高于对照，可能是由于铅和干旱的交互胁迫对紫穗槐叶片SOD活性有激活作用。国槐叶片SOD活性在SRW为70%时达到最大，是对照的1.66倍。除SRW为40%的处理SOD活性显著低于对照外，其余各个干旱胁迫水平SOD的活性值始终显著高于对照(P<0.05)，说明铅胁迫下SRW为40%的干旱强度对国槐植株造成了一定伤害。

2.2铅胁迫下干旱对国槐和紫穗槐幼苗POD活性的影响

由图2可知，国槐和紫穗槐SRW为100%的处理POD活性均高于对照，并有显著差异(P<0.05)，较对照分别增加了114.4%和26.1%，可以看出POD在铅胁迫(2 000 mg·kg-1)的逆境下被激活，但紫穗槐的变化比国槐的小。国槐(除SRW 87.84%外)和紫穗槐叶片POD活性均随干旱胁迫强度的增加呈先增后减的趋势，且各处理的POD活性值较对照显著升高(P<0.05)。国槐SRW为87.14%的处理POD活性较SRW100%的低29.0%，原因可能是干旱和铅双重胁迫下国槐首先通过增加SOD活性来清除体内活性氧。

图2铅胁迫下干旱对国槐和紫穗槐POD活性的影响

Fig.2Effect of drought on POD activity in leaves ofSophora

japonicaandAmorphafruticosaunder plumbum stress

国槐叶片POD活性在SRW为70%处开始下降，紫穗槐叶片POD活性则在SRW为52.16%处才取得最大值，并达到对照的2.27倍，说明在同一铅胁迫(2 000 mg·kg-1)下紫穗槐POD对重度干旱胁迫的适应能力比国槐强。同一干旱胁迫强度下，紫穗槐各处理(SRW由大到小)的POD活性分别为国槐各处理(SRW由大到小)POD活性的2.32倍、4.66倍、2.01倍、2.93倍和4.62倍，紫穗槐叶片POD活性显著高于国槐叶片的POD活性。表明紫穗槐POD对铅胁迫(2 000 mg·kg-1)的反应较国槐的敏感。

2.3铅胁迫下干旱对国槐和紫穗槐幼苗CAT活性的影响

国槐SRW为100%的处理CAT活性比对照升高了35.5%，说明铅胁迫对国槐CAT活性升高有促进作用。SRW 87.84%的处理较对照有显著升高(P<0.05),但与SRW为100%的处理无显著差异(P>0.05)，说明国槐CAT活性对铅胁迫(2 000 mg·kg-1)下轻度的干旱胁迫(SRW 87.84%)不敏感。随着干旱胁迫强度的不断增加，国槐CAT活性呈下降趋势，且差异显著(P<0.05)，SRW 52.16%和SRW 40%的处理CAT活性显著低于对照，分别较对照降低了47.28%和78.25%。可能是重度干旱胁迫和铅胁迫的交互效应对国槐叶片CAT酶的诱导表现为拮抗作用[8]。紫穗槐SRW为100%的处理CAT活性较对照显著升高(P<0.05)。随干旱强度的增大，紫穗槐叶片CAT活性呈先降低后升高的趋势，在SRW 87.84%处取得最小值，在SRW 52.16%恢复到SRW 87.84%水平。SRW 40%的处理较对照增加了11.3%，可以看出紫穗槐叶片CAT活性在铅和重度干旱胁迫双重胁迫条件下依然保持较高水平。

图3铅胁迫下干旱对国槐和紫穗槐CAT活性的影响

Fig.3Effect of drought on CAT activity in leaves ofSophora

japonicaandAmorphafruticosaunder plumbum stress

3讨论

本试验结果表明，在单一铅胁迫(铅浓度2 000 mg·kg-1)处理下，国槐和紫穗槐叶片的SOD和POD活性均高于对照，说明国槐和紫穗槐均对铅胁迫具有一定耐性，这与王艳等[16]在铅胁迫下对紫穗槐和刺槐的SOD活性和POD活性研究结果一致，但与伍欢等[8]得出的紫穗槐POD活性对铅浓度2 000 mg·kg-1不敏感存在差异，这可能与所取供试土壤的pH值不同有关。铅胁迫下随着干旱强度的增加，国槐(除SRW 87.84%的处理外)和紫穗槐叶片的SOD活性和POD活性呈先升后降的趋势，这与王艳、张青[16-17]等人的研究结果一致，但两种植物酶活性的变化量不同，国槐的变化幅度大于紫穗槐，说明同一铅胁迫条件下干旱胁迫对国槐的影响比较大。

SRW 87.84%处理下，国槐叶片POD活性显著低于单一铅胁迫，CAT活性与单一铅胁迫无显著差异，但SOD活性较单一胁迫显著升高，可能是由于国槐首先通过增加SOD活性来抵抗逆境，这与SOD是植物细胞清除活性氧的第一道屏障[17]的一般规律相符。SRW 70%处理下，国槐叶片的SOD和POD活性较单一铅胁迫和SRW 87.84%的处理升高，说明铅胁迫下随着干旱强度的加剧，国槐的POD活性也被诱导，和SOD共同作用来清除体内大量的活性氧，这与魏炜等[22]对小麦抗氧化酶的研究得出的适度的干旱胁迫可以诱导抗氧化酶活力的结论相同。SRW 87.84%和SRW 70%处理下紫穗槐叶片SOD和POD活性较对照和单一铅胁迫处理升高，CAT活性较对照和单一铅胁迫显著降低。可能是因为铅胁迫下轻度干旱对紫穗槐叶片的SOD和POD活性表现为协同作用，对CAT活性表现为拮抗作用，由于三种酶在逆境下是相互协调而起作用的，在SOD把超氧化物歧化为过氧化氢后，POD和CAT在一定程度的胁迫条件能够互补来达到清除H2O2的目的[23]，因此，紫穗槐对铅和轻度干旱胁迫的耐性也得到了锻炼。

重度干旱胁迫(SRW 40%)处理下，国槐的SOD活性低于对照，POD活性略高于对照，CAT活性显著低于对照，说明国槐的抗氧化能力在下降，植株已经受到了一定程度的伤害；而SRW 40%处理下紫穗槐叶片的三种酶活性均高于对照，其中CAT活性在重度干旱条件下，随干旱强度的增加仍有升高趋势，说明同一铅胁迫条件下紫穗槐对重度干旱的耐性比国槐强。国槐的SOD活性和POD活性均在SRW 70%处达到最大，CAT活性在SRW 87.84%处达到最大；紫穗槐的SOD活性、POD活性、CAT活性取得最大值的土壤相对含水量依次为SRW 52.16%、SRW 52.16%和SRW 40%。可以看出，紫穗槐的三种抗氧化酶在取得最大值时的干旱强度总是大于国槐的干旱强度，也说明同一铅胁迫条件下紫穗槐对重度干旱的耐性比国槐强。综合分析，铅胁迫下紫穗槐对干旱的抗性强于国槐。

需要指出的是，本研究只在外源铅浓度为2 000 mg·kg-1的条件下对国槐和紫穗槐幼苗的耐旱性进行了分析和比较，其它铅浓度下干旱对国槐和紫穗槐抗氧化酶活性的影响并未涉及，国槐和紫穗槐成熟苗木在铅胁迫下的抗旱机理也有待进一步研究。

4结论

1) 铅胁迫(外源铅浓度为2 000 mg·kg-1)对国槐和紫穗槐抗氧酶活性有激活作用，国槐和紫穗槐都具有一定的耐铅性。

2) 铅胁迫下(外源铅浓度为2 000 mg·kg-1)，轻度的干旱胁迫(SRW 87.84%和SRW 70%)能够提高国槐和紫穗槐的抗氧化能力；但重度的干旱胁迫(SRW 52.16%和SRW 40%)对国槐幼苗造成了一定程度的伤害，而紫穗槐幼苗的抗氧化酶活性依旧处在较高水平。

3) 铅胁迫下紫穗槐对干旱的抗性强于国槐。

参 考 文 献：

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Effect of drought on activity of antioxidant enzymes in leaves ofSophorajaponicaandAmorphafruticosaseedlings under plumbum stress

LI Chun-yan1,2, WANG Jin-xin1, WANG Min1, CHEN Ke-hao1, WANG Yu-xin1, SONG Qin-yu1

(1.CollegeofResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,KeyLaboratoryofPlantNutritionandtheAgri-environmentinNorthwestChina,MinistryofAgriculture,Yangling,Shaanxi712100,China；2.EnvironmentalProtectionAgencyofGuizhouProviceAnshunCityGuanlingCounty,Guanling,Guizhou561300,China)

Keywords:plumbum stress; drought stress;Sophorajaponica;Amorphafruticosa; antioxidant enzymes

Abstract：This experiment aims to clarify physiological response mechanism ofSophorajaponicaandAmorphafruticosaseedlings to drought under plumbum stress, and provide the basis for selecting the plumbum-resistance and drought-resistant varieties in northwestern mining area. AnnualSophorajaponicaandAmorphafruticosaseedlings were selected as test materials. A pot experiment was conducted with five soil relative water content (SRW) levels, i.e. 100.00%, 87.84%, 70.00%, 52.16% and 40.00%, and plumbum concentrations (2 000 mg·kg-1), with 100.00% of SRW without plumbum treatment as control. The activities of superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT) and peroxides (POD) in leaves of annualSophorajaponicaandAmorphafruticosaseedlings were determined. For the single plumbum stress,SophorajaponicaandAmorphafruticosaseedlings’ antioxidant enzymes activity were significantly higher than those of the control. Under combined stress of drought and plumbum, for the treatments of SRW 87.84%, SRW 70.00%, SRW 52.16%, with the increase in drought stress, the activities of SOD, POD and CAT in leaves ofSophorajaponicaseedlings initially increased and then decreased, and were higher than those of the control. The same trend was found forAmorphafruticosaseedlings except for the CAT activity. For the treatment of SRW40%, both activities of SOD and CAT in leaves ofSophorajaponicaseedlings decreased while the POD activity slightly increased. The activities of SOD, POD and CAT in leaves ofAmorphafruticosaseedlings were higher than those of the control. Plumbum stress (2 000 mg·kg-1) promoted the activities of antioxidant enzymes in leaves ofSophorajaponicaandAmorphafruticosaseedlings. The drought resistance ofAmorphafruticosaseedlings was stronger than that ofSophorajaponicaseedlings under plumbum stress.

文章编号：1000-7601(2016)03-0174-05

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.03.28

收稿日期：2015-05-24

基金项目：陕西省科技统筹创新工程计划项目(2016KTCL03-18)；国家自然科学基金项目(31170579)

作者简介：李春燕(1989—)，女，重庆云阳人，硕士，主要从事生态环境工程方向研究。E-mail:lichunyan20789@126.com。 通信作者：王进鑫(1962—)，男，教授，博士生导师，主要从事旱区人工林生态系统恢复与生态修复理论研究。E-mail:jwang118@126.com。

中图分类号：Q945.78; S792.26

文献标志码：A