王芳洲, 王友绍, 3, *

Cu2+、Pb2+胁迫对秋茄幼苗可溶性蛋白和抗氧化酶活性的影响

王芳洲1, 2, 王友绍1, 2, 3, *

1. 中国科学院南海海洋研究所, 热带海洋环境国家重点实验室, 广州 510301 2. 中国科学院大学, 北京 100049 3. 中国科学院大亚湾海洋生物综合实验站, 深圳 518121

为研究重金属胁迫对秋茄幼苗抗氧化系统的影响, 砂培红树植物秋茄幼苗一个月,研究不同重金属浓度(Cu2+: 0、3、15、30、45 mg·L–1, Pb2+: 0、1、5、10、15 mg·L–1)和不同实验时间(0、3、7、14、28 d)对叶片的影响。测量的生理指标包括: 可溶性蛋白、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD), 实验条件下两种重金属对各项参数的影响一致。结果表明: 在特定浓度重金属处理下(Cu2+: 0、3、15、30、45 mg·L–1, Pb2+: 0、1、5、10、15 mg·L–1), 可溶性蛋白含量随着时间的增加基本呈先升后降趋势; SOD活性呈降低趋势; CAT活性最初受到明显促进, 后促进作用减弱; POD活性变化规律并不一致。在相同处理时间下, 可溶性蛋白含量随Cu2+浓度的增加而降低, 在Pb2+处理下有所波动; SOD活性在各浓度条件下均降低; CAT活性基本呈降低趋势; POD活性呈先升后降的趋势。通过Pearson相关性分析和PCA分析表明, 可溶性蛋白含量与SOD、POD、CAT三种酶活性呈显著负相关关系, 相关系数分别为–0.401, –0.722, –0.521; 而SOD、POD和CAT活性则表现为显著正相关关系, SOD与POD的相关系数为0.359, SOD与CAT的相关系数为0.384, POD与CAT的相关系数为0.485, 说明三种抗氧化酶协同作用形成一条抗氧化链抵御重金属胁迫。

秋茄; Cu胁迫; Pb胁迫; SOD; POD; CAT

0 前言

随着工业化和城市化的快速发展, 以及人类日常活动的影响, 造成大量污染物排放至各水域, 最终随地表径流汇入海洋, 对沿岸和海洋环境造成严重污染[1-2]。其中, 重金属污染作为一种全球典型的污染类型, 无法通过生物降解, 具有持续性、积聚性等特征, 因此受到广泛关注[3-4]。红树林作为生长在热带、亚热带潮间带的典型滨海湿地生态系统, 对环境具有独特的适应性。红树植物对重金属污染具有较强的耐受性, 是重金属污染的源和汇[5-6]。以往的研究主要关注红树植物对温度、盐度、水淹以及某些重金属等因素长期胁迫下的生理生态反应[7-8]。对红树植物重金属胁迫的研究中可发现, 红树林底泥重金属含量主要表现为:Fe >Mn > Zn > Cu, Pb >Ni> Cd[9-10]。当Cu达到一定浓度时, 会降低植物生物量, 甚至阻碍植物萌发[11]。Pb浓度在一定范围内会对植物生长和代谢产生不利影响[12-13]。红树林植物已经进化出一系列对重金属积累做出反应的机制。主要的防御机制之一是抗氧化防御系统。重金属胁迫可产生大量的活性氧(ROS), 如超氧自由基(O2−·)、单线态氧(1O2)、过氧化氢(H2O2)、羟基自由基(OH·)等, 可破坏主要的生物大分子蛋白和核酸, 引起膜脂过氧化。植物体内的各种抗氧化防御系统可以清除活性氧自由基, 保护细胞免受损伤。主要的抗氧化酶有超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)[6][16]。SOD作为细胞对抗ROS的第一道防线, 可以将超氧自由基分解为H2O2和O2, CAT和POD可以将H2O2进一步分解成H2O和O2, 三种抗氧化酶协同作用形成一条抗氧化链抵御重金属胁迫[17-18]。在对秋茄叶片抗氧化剂谷胱甘肽(GSH)的研究中发现, 在Cd、Pb、Hg胁迫下, 秋茄叶片中GSH含量显著增加, 表明秋茄的重金属耐受性可能与抗氧化剂GSH的作用有关[19]。另有对秋茄幼苗抗氧化酶类的研究发现, 用人工复合重金属溶液处理秋茄幼苗60 d, SOD和POD活性随着污染级别的增加呈先升后降的变化, CAT活性在叶片中不受污染程度的影响, 相对平稳, 但在高浓度的复合重金属污染下, 活性有下降的趋势; 此外分析还表明, 秋茄幼苗在遭受重金属胁迫时, 根系比叶更能有效地清除组织中的活性氧自由基, 保护了根的生长, 从而提高了抗重金属的能力[20]。本研究的目的是阐明常见红树植物秋茄的幼苗在不同浓度Cu, Pb胁迫初期, 不同处理时间的生化反应, 包括可溶性蛋白含量的变化和各种抗氧化酶活性的变化。不同于前人研究中秋茄幼苗长期重金属胁迫下的生理特征的变化, 本研究主要探究重金属胁迫处理下秋茄幼苗28 d, 内各项生理指标的变化, 旨在阐明秋茄幼苗在重金属胁迫初期的应激反应状况。所得结果有助于更好地了解重金属胁迫下红树林植物在受污染水体中抗氧化胁迫系统的生理生化变化, 为红树林的保护修复和进一步的发展提供合理的科学依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

试验所用的秋茄胚轴均采自广东省惠州市, 从中选取长度、大小相似的个体, 经过 0.1%高锰酸钾溶液处理15 min 后再用清水冲洗, 使用经自来水洗净并晾干的海砂进行育苗。在胚轴培育的过程中, 保证充足的阳光供给, 每天早晚各用自来水浇灌一次, 每三天用1/2 Hoagland营养液浇灌一次以补充养分。培育至第三对叶完全展开后, 进行取材。

1.2 实验方法

从实验材料中选择大小长势一致、没有机械损伤和病虫侵害的个体, 分成5组, 每组设置三个平行组, 每个平行组10株幼苗。将各组幼苗移植到经自来水洗净并晾干的海砂盆中, 放入人工气候箱中继续培养。培养条件设置如下: 温度25 (± 1) ℃, 相对湿度75 (± 5) %, 光照周期12 h·d−1, 光照强度370μmol m−2s−1。每三天用含不同浓度CuSO4或PbCl2溶液的1/2 Hoagland营养液浇灌植株, 每次每盆浇灌营养液500 mL。分别于第3天、第7天、第14天和第28天进行取样。第3天进行取样实验旨在观测胁迫初期秋茄幼苗叶片的生理变化, 第7天、第14天和第28天取样时间设定旨在探究呈倍数增长的胁迫时间与生理指标变化的关系。具体取样操作如下:

(1)使用装有双蒸水的洗瓶清洗长势良好的叶片, 并用纸巾擦拭水分, 整个过程防止手触碰叶片。

(2)用已消毒灭菌的剪刀剪下叶片, 进行称量后锡纸包好, 装入密封袋, 放入冰盒暂时保存, 所有样品取样完成后放入-20℃冰箱保存备用。

参照相关研究[20], 不同重金属溶液浓度见表1。

1.2.1 可溶性蛋白的测定

可溶性蛋白的测定方法参照Bradford的考马斯亮蓝染色法[21]。利用牛血清蛋白绘制标准曲线, 求出吸光度值()依蛋白浓度()而改变的回归方程式。称取0.5 g植物叶片于研钵中, 加入石英砂和少许聚乙烯吡咯烷酮(PVP), 用10 mL蛋白提取液迅速研磨成匀浆并转移至离心管中, 10000 rpm, 4 ℃离心20 min, 上清液即为可溶性蛋白提取液。取0.01 mL上清, 加入0.09 mL Tris缓冲液(空白管为0.10 mL Tris缓冲液), 再向各管分别加入5 mL考马斯亮蓝溶液, 摇匀并待其反应2 min后, 在595 nm波长处比色。根据标准曲线的回归方程计算样品中可溶性蛋白的浓度。

表1 1/2 Hoagland 营养液中所含重金属浓度

1.2.2 SOD的测定

参考黄嘌呤氧化酶法测定SOD活性, 比色时测定管的吸光度值低于空白管的吸光度值, 通过公式计算可求出被测样品中SOD 的活力[22]。

1.2.3 CAT的测定

过氧化氢酶(CAT)分解H2O2的反应可通过加入钼酸铵迅速中止, 剩余H2O2与钼酸铵作用产生一种淡黄色的络合物, 在405 nm处测定其生成量, 可计算出CAT的活力[23]。

1.2.4 POD的测定

利用过氧化物酶(POD)催化过氧化氢反应的原理, 通过测定420 nm处吸光度的变化得出其酶活性[24]。

1.3 数据处理

在所有实验中, 测量了每个实验组中三个平行组所取样品的各项指标, 结果以三个平行组样品的平均值±标准误差(SE)表示。使用SPSS(version 23)进行Pearson相关性分析, 并利用主成分分析(PCA)将具有一定相关性的指标重新组合成一组新的无关综合指标, 降低所研究指标数据的维数, 根据主成分得分, 绘出实验指标在二维平面上的分布状况, 由图形直观反映变量之间的关系[25]。

2 实验结果

2.1 对可溶性蛋白含量的影响

如图1所示, 30 mg·L–1CuSO4营养盐溶液浇灌28 d, 5 mg·L–1PbCl2浇灌3 d, 10 mg·L–1PbCl2浇灌28 d时的秋茄叶片可溶性蛋白含量与对照组无显著差异(>0.05),其余组可溶性蛋白含量均与对照组存在显著性差异(<0.05)。

注: *表示与对照相比存在显著差异(P<0.05), 横坐标分组对应表1。

Figure 1 Effect of Cu, Pb stress on soluble protein content inleaves

在含3 mg·L–1CuSO4营养盐溶液处理下, 前14天可溶性蛋白含量均小于对照, 且有上升趋势, 28 d时可溶性蛋白含量显著增加, 为对照组的2.492倍。其他组处理下的可溶性蛋白含量都表现出先升后降的变化。其中15 mg·L–1CuSO4处理14 d时, 可溶性蛋白含量均达到峰值, 为对照组的2.646倍。15 mg·L–1PbCl2处理7 d时, 可溶性蛋白含量均达到峰值, 为对照组的3.020倍。

而在相同处理时间下, 可溶性蛋白含量在各浓度重金属处理3 d后与对照相比变化不大。处理7 d时可溶性蛋白含量随CuSO4浓度升高而升高, 在PbCl2处理7 d时, 蛋白含量显著升高且呈现升降升的波动趋势。处理14 d时, 可溶性蛋白含量随CuSO4浓度升高呈先升后降的趋势, 随PbCl2浓度升高呈现先降后升的趋势。28 d时可溶性蛋白含量随CuSO4浓度升高而降低, 而在PbCl2处理下, 随浓度增加呈现升降升的波动趋势。

2.2 对SOD活性的影响

如图2所示, 实验各组总SOD活性与对照组相比均存在显著性差异(<0.05)。

特定浓度下, 随着处理时间的增加, 各实验组总SOD活性总体均呈现下降趋势, 其中各浓度CuSO4和1 mg·L–1PbCl2处理14 d后, 15 mg·L–1PbCl2处理28 d后, 秋茄叶片总SOD活性略有回升, 但仍低于对照组。30 mg·L–1CuSO4处理3 d时总SOD活性达到Cu处理组的最大值, 为对照组的1.168倍。10 mg·L–1PbCl2处理3 d时总SOD活性达到Pb处理组的最大值, 为对照组的1.062倍。

在为期3 d的胁迫处理过程中, 总SOD活性随CuSO4和PbCl2浓度增加均总体呈现先升后降的趋势, 且分别在30 mg·L–1CuSO4和10 mg·L–1PbCl2处理时活性达峰值。7 d处理时间后CuSO4处理组稳定在18U·(g)–1左右; PbCl2处理组总SOD活性先升后降, 在浓度为5 mg·L–1时达峰值。14 d处理时间后, CuSO4组在胁迫浓度小于30 mg·L–1时总SOD活性稳定在22U·(g)–1左右, 浓度为45 mg·L–1时总SOD活性略有回升; 而PbCl2组在胁迫浓度小于10 mg·L–1时总SOD活性稳定在27U·(g)–1左右, 15 mg·L–1PbCl2处理时总SOD活性略有下降。28 d处理时间后CuSO4处理组稳定在17U·(g)–1左右; PbCl2处理组总SOD活性先降后升。

注: *表示与对照相比存在显著差异(P<0.05), 横坐标分组对应表1。

Figure 2 Effect of Cu, Pb stress on the activity of T-SOD inleaves

2.3 对CAT活性的影响

如图3所示, 实验组CAT活性均与对照组呈显著性差异(<0.05), 且在重金属处理初期CAT活性相较于对照有显著升高, 3 mg·L–1CuSO4处理3天时CAT活性达峰值, 为对照组的15.981倍。5 mg·L–1PbCl2处理3 d时CAT活性达峰值, 为对照组的6.891倍。

CuSO4实验组中, 在特定浓度CuSO4处理下, 随着处理时间的增加, CAT活性显著下降。PbCl2实验组中, 1 mg·L–1、10 mg·L–1、15 mg·L–1PbCl2处理时, 随着处理时间的增加, CAT活性总体都呈下降趋势; 5 mg·L–1PbCl2处理时, CAT活性在第7天显著下降, 之后缓慢回升但仍低于3 d时CAT活性。

胁迫处理第3天时CuSO4实验组CAT活性呈下降趋势; PbCl2实验组CAT活性呈先升后降趋势, 在5 mg·L–1PbCl2处理时为峰值。第7天时CuSO4组CAT活性呈下降趋势; PbCl2组CAT活性呈降升降的波动变化。第14天时, CuSO4实验组CAT活性呈下降趋势并大致稳定在24 U·(mg)–1左右; PbCl2实验组CAT活性呈降升降的波动变化, 且在15 mg·L–1PbCl2处理时CAT活性达到最低值5.048 U·(mg)–1, 低于对照组。第28天时, CuSO4实验组CAT活性呈缓慢下降趋势; PbCl2实验组CAT活性呈先升后降趋势, 在10 mg·L–1PbCl2处理时达峰值。

注: *表示与对照相比存在显著差异(P<0.05), 横坐标分组对应表1。

Figure 3 Effect of Cu, Pb stress on the activity of CAT inleaves

2.4 对POD活性的影响

如图4所示, 各实验组均与对照组POD活性存在显著差异(<0.05), POD活性在30 mg·L–1CuSO4和10 mg·L–1PbCl2处理第28天时达到峰值, 分别为对照组的1.735倍和1.662倍。

在特定浓度重金属处理下, 随着处理时间的增长, 3 mg·L–1CuSO4实验组POD活性呈先升后降的趋势, 且在处理第7天达峰值; 15 mg·L–1CuSO4实验组POD活性在第14天出现明显下降, 其他时间点都大致维持在2000U·(mg)–1左右; 30 mg·L–1CuSO4实验组POD活性呈先降后升趋势, 在第28天时POD活性出现明显升高; 45 mg·L–1CuSO4实验组POD活性在第3天后明显下降且趋于稳定。1 mg·L–1和5 mg·L–1PbCl2实验组POD活性随时间增加均呈降低趋势; 10 mg·L–1PbCl2实验组POD活性在第7天降至最低后显著回升; 15 mg·L–1PbCl2实验组POD活性第7天降至最低, 14 d稍有升高, 第28天显著升高。

CuSO4实验组在胁迫处理第3天时的POD活性在1700—2000 U·(mg)–1范围内平稳波动; 第7天POD活性呈下降趋势; 第14天POD活性在15 mg·L–1CuSO4处理时降到最低, 后平缓回升; 第28天时POD活性随CuSO4浓度增加呈先升后降趋势, 在30 mg·L–1CuSO4处理时达峰值。PbCl2实验组在胁迫第3天时POD活性随PbCl2浓度增大先降后升, 5 mg·L–1PbCl2处理时活性最低; 第7天则为先升后降, 5 mg·L–1PbCl2处理时活性最高; 第14天时POD活性为先升后降, 10 mg·L–1PbCl2处理时活性最高; 第28天时POD活性为先升后降, 10 mg·L–1PbCl2处理时活性最高, 且较5 mg·L–1处理时有大幅升高。

注: *表示与对照相比存在显著差异(P<0.05), 横坐标分组对应表1。

Figure 4 Effect of Cu, Pb stress on the activity of POD inleaves

2.5 生理生化指标的相关性分析

利用SPSS进行Pearson相关性分析和主成分分析(PCA)以直观体现各变量之间的相互关系。Pearson相关性分析结果表明(表2), 可溶性蛋白含量与三种酶活性呈显著负相关关系, 而SOD、POD和CAT活性则表现为显著正相关关系。在PCA分析图中可知(图5), T-SOD、POD、CAT与可溶性蛋白呈负相关关系, 且POD和CAT距离相近, 二者关系密切。

表2 重金属胁迫下秋茄叶片中各生理生化指标间的相关性分析

3 讨论

重金属对植物的毒性作用主要是由于重金属过量引起的氧化应激反应, 导致脂质和生物大分子的过氧化, 破坏细胞的膜结构。SOD、CAT和POD构成了一个完整的抗氧化链, 形成活性氧清除酶系, 在有效抵御重金属胁迫方面发挥着重要作用。在此体系内, SOD催化超氧阴离子发生歧化反应, 生成H2O2和O2, 是植物体内抗氧化酶系统和活性氧自由基清除系统的第一道防线。之后H2O2则被CAT和POD催化生成H2O, 进一步抵御ROS对植物体产生的伤害[17–18]。

植物体内的可溶性蛋白质大多数是未与细胞膜结合的参与各种代谢的酶类, 可溶性蛋白质含量是一个重要的生理生化指标, 其含量越高则说明该部位的生理代谢活动越剧烈, 因此可作为植物体总代谢情况的一个重要参考[27]。通过横向比较特定重金属浓度、不同胁迫时间的处理结果, 可发现可溶性蛋白含量在初始胁迫阶段基本降低, 且处于波动状态。随处理时间增加可溶性蛋白含量呈现先上升后下降的趋势, 这与植物在胁迫下的响应特性一致[26]。通过在相同胁迫时间下、不同重金属浓度处理结果的纵向比较可知, 在胁迫初期, 可溶性蛋白含量在空白对照范围内波动, 对胁迫的响应机制没有迅速激活。胁迫7 d后, 可溶性蛋白含量随不同重金属浓度的增加而增加。14 d后, 蛋白质含量下降, 这也与植物对胁迫的反应一致。当胁迫发生时, 植物会采取措施提高抗逆性, 以适应不利环境的影响, 但当胁迫超过一定限度时, 植物的防御措施会相应减弱, 这与白骨壤()、蜡烛果()和杂交狼尾草(×)的相关研究一致[28–30]。

各指标存在显著差异(P<0.05)

Figure 5 PCA Analysis of physiological indices in the leaves ofunder heavy metal stress.

通过横向比较特定的重金属浓度、不同的胁迫时间的处理结果, 可发现SOD活性在初期没有明显提升且在空白对照范围内波动。7 d后, 各浓度SOD活性均呈下降趋势。这与前人对秋茄()和木榄()抗氧化酶类应对重金属胁迫的响应结果相一致[26]。通过纵向比较不同的重金属浓度在相同的处理时间下SOD的活性变化, 可推测实验用秋茄幼苗SOD对实验用浓度的重金属胁迫较为敏感, 各浓度均抑制了秋茄SOD活性。研究发现, 在低浓度Cu污染下, 车轴草()幼苗SOD活性略有提高, 随着Cu浓度的增加, 活性氧清除系统被破坏, 保护酶系统失衡, SOD活性明显降低[31], 与本实验结果类似。在重金属胁迫下植物SOD活性变化主要有两种情况: 一种是SOD活性随重金属浓度的增加而增加; 另一种是SOD活性随重金属胁迫浓度的增加先升后降[27]。本实验结果基本符合第二种情况。

通过特定重金属浓度、不同胁迫时间处理结果的横向比较, 在最初的胁迫阶段植株CAT活性明显受到促进, 随胁迫时间的增长促进作用减弱。在已有的研究中也出现类似趋势, 在特定浓度的重金属处理中, 大蒜(L)CAT活性随时间的延长而降低[32]。通过相同胁迫时间、不同重金属浓度处理的纵向比较, 可得知相同胁迫时间内, CAT活性随Cu浓度增长而减弱, 在胁迫28 d时CAT活性随Cu浓度增长平缓波动, 但仍高于对照。而在Pb处理的纵向比较中, CAT活性随各时间段内金属浓度的增加处于波动状态, 但各时间段内最高浓度胁迫CAT活性仍低于最低浓度胁迫时的活性, 基本符合随重金属胁迫浓度增加活性逐渐受到抑制的特征[26][32]。CAT活性在是严重的各种胁迫处理初期均有一定程度的增加, 可能是低浓度的重金属胁迫刺激了CAT酶系统, 使其抗性增强。但随着胁迫程度的增强, 植物体内产生了过量的过氧化物, 超过CAT的能力范围, 无法及时被清除, 进而损害植物体, 导致CAT活性随之减弱。这种类似的变化趋势在Ni胁迫下的大羽藓()实验中也有发现[33]。

通过不同重金属胁迫时间处理的横向比较, 在3 mg·L–1Cu胁迫阶段植株POD活性随时间推移先升后降, Cu浓度增加后POD活性随时间推移先降后升, 30 mg·L–1组Cu的促进作用尤为明显。在1 mg·L–1和5 mg·L–1Pb胁迫阶段植株POD活性随时间推移而降低, Pb浓度增加后POD活性随时间推移也表现出先降后升趋势, 10 mg·L–1Pb的促进作用较为明显。通过相同胁迫时间、不同重金属浓度处理的纵向比较, 可推测, 15 mg·L–1和30 mg·L–1的Cu胁迫在实验长时间胁迫后促进POD活性, 低浓度和高浓度Cu胁迫抑制其活性, 已有研究中Cu在特定浓度下(0, 0.5 mg·L–1)进行为期90 d的胁迫, 秋茄根系POD持续升高, 叶片和根系的SOD、CAT活性呈先升后降趋势, 与本研究的变化趋势相似[34]。Pb在长时间胁迫后, 随浓度的增加, 对POD的促进作用减弱。另有学者研究了Cd胁迫对桐花幼苗叶片POD活性的影响, 结果表明, Cd浓度大于0.5 μg·L–1时, POD活性减弱, 其变化规律与本实验中长时间胁迫下, POD活性随重金属浓度升高表现出先升后降的规律相似[35]。

对重金属胁迫对任豆(Chun)种子幼苗抗氧化酶活性变化的研究结果表明: 在低浓度的重金属胁迫下, 植株的SOD、POD和CAT活性均有不同程度升高,而在高浓度的重金属胁迫时, 各酶活性则逐渐降低, 酶活性变化趋势基本与秋茄实验中的规律相符合[36]。本实验中两种重金属胁迫对可溶性蛋白含量均有一定的促进作用, 但随胁迫浓度和时间的增长, 蛋白含量均有不同程度的减少, 且可溶性蛋白更耐受Cu胁迫。两种重金属胁迫对SOD活性均有不同程度的抑制作用, 且经高浓度长时间重金属胁迫后, 高浓度Pb胁迫组表现出更强的耐性。两种重金属初期胁迫对CAT活性均有不同程度的促进作用, 且Cu胁迫的促进作用强于Pb, 后随胁迫强度的增加, CAT活性均表现出不同程度的下降。POD活性在低浓度重金属胁迫时(Cu: 3 mg·L–1, Pb: 1 mg·L–1, 5 mg·L–1), 随胁迫时间的增加均呈降低趋势, 当Cu浓度升高至30 mg·L–1, Pb浓度升高至10 mg·L–1和15 mg·L–1时, POD活性随胁迫时间的增加呈现先降后升的变化趋势, 且在胁迫28 d后活性仍大于对照组, 说明在此胁迫强度下POD活性受到促进。当Cu胁迫浓度升高至45 mg·L–1时, POD活性随胁迫时间的增加而降低, 说明相对高浓度的Cu胁迫开始抑制POD的活性。

通过Pearson相关性分析和PCA分析表明, 可溶性蛋白含量与SOD、POD、CAT三种酶活性呈显著负相关关系, 相关系数分别为-0.401, -0.722, -0.521; 而SOD、POD和CAT活性则表现为显著正相关关系, SOD与POD的相关系数为0.359, SOD与CAT的相关系数为0.384, POD与CAT的相关系数为0.485, 且在PCA分析图中可进一步得知, POD和CAT距离较近, 表现为密切相关, 可推测, 在重金属胁迫下两种酶可能产生协同作用加速促进H2O2分解成H2O和O2, 抵抗重金属胁迫对植物体造成的破坏。

4 结论

在实验浓度的Cu、Pb为期28 d的胁迫下秋茄的酶系统没有完全被破坏。秋茄幼苗可溶性蛋白对两种重金属的耐受性为Cu>Pb。抗氧化系统在重金属耐受和解毒方面发挥重要作用。在重金属胁迫早期, 为了保护植物免受氧化胁迫, 各种抗氧化酶活性有不同程度的提高, 其中CAT的响应最强烈。随着重金属胁迫强度的增加, 防御体系逐渐被破坏, 可溶性蛋白含量、SOD、CAT和POD活性均表现出不同程度的降低。此外, 基于实验数据和前人研究, 对可溶性蛋白和三种抗氧化酶类进行了Pearson相关性分析和PCA主成分分析。结果表明: 可溶性蛋白含量与SOD、POD、CAT三种酶活性呈显著负相关关系, 相关系数分别为–0.401, –0.722, –0.521; 而SOD、POD和CAT活性则表现为显著正相关关系, SOD与POD的相关系数为0.359, SOD与CAT的相关系数为0.384, POD与CAT的相关系数为0.485。可推测, 在重金属胁迫下POD和CAT可能产生协同作用, 共同促进SOD催化超氧阴离子发生歧化反应所生成的H2O2分解成H2O和O2, 三种酶的协同作用形成较完整的抗氧化链,以抵抗重金属胁迫对氧化系统的损伤。本研究大致了解了两种常见重金属对秋茄幼苗初期胁迫的生理影响, 有待进一步进行分子水平的相应研究。

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Effects of Cu2+and Pb2+stresses on soluble protein content and activities of antioxidant enzymes inseedlings

WANG Fangzhou1,2, WANG Youshao1,2,3,*

1. State Key Laboratory of Tropical Oceanography, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China 2. University of China Academy of Sciences, Beijing 100049, China 3. Daya Bay Marine Biology Research Station, Chinese Academy of Sciences, Shenzhen 518121, China

Mangrove seedlings ofwere cultured in sands for one month. The effects on leaves were studied under different concentration of the heavy metal stress(Cu2+: 0, 3, 15, 30, 45 mg·L−1, Pb2+: 0, 1, 5, 10, 15 mg·L−1) and the different experimental times (0, 3, 7, 14, 28 days). The physiological indicators included soluble protein, superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT) and peroxidase (POD). Under experimental conditions, the efffects of the two heavy metals on parameters were consistent. At the same heavy metal concentration, the results showed as follows: (1) the soluble protein content basically increased first, and then decreased with the increase of the experimental time; (2) the SOD activity showed a decreasing trend, and CAT activity was significantly promoted at first, and then the promotion effect was weakened; (3) the changes of the POD activity were not consistent. At the same treatment time, the soluble protein content decreased with the increase of Cu2+concentration, and fluctuated with the increase of Pb2+concentration. The SOD activity decreased at all concentrations, the CAT activity showed a decreasing trend, the POD activity increased first, and then decreased. The Pearson analysis and PCA analysis showed that soluble protein content had significantly negative correlation with the activity of the SOD, POD, CAT. The correlation coefficients were -0.401, -0.722, -0.521; while SOD, POD and CAT activity had significantly positive correlation. The correlation coefficients between SOD and POD was 0.359,the correlation coefficients between SOD and CAT was 0.384, and the correlation coefficients between CAT and POD was 0.485.This result indicated that these three antioxidant enzymes formed an antioxidant chain to resist the stress of heavy metals.

; Custress;Pd stress; SOD; POD; CAT

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.04.002

王芳洲, 王友绍. Cu2+、Pb2+胁迫对秋茄幼苗可溶性蛋白和抗氧化酶活性的影响[J]. 生态科学, 2020, 39(4): 10–18.

WANG Fangzhou, WANG Youshao. Effects of Cu2+and Pb2+stresses on soluble protein content and activities of antioxidant enzymes inseedlings[J]. Ecological Science, 2020, 39(4): 10–18.

Q945.78

A

1008-8873(2020)04-010-09

2019-03-29;

2020-01-25

国家自然科学基金重点项目(U190120017和41876126), 国家重点研发计划(国科技基础资源调查专项)(2017FY100700),中国科学院国际伙伴计划项目(133244KYSB20180012), 中国科学院A类战略性先导科技专项(XDA13010500、XDA13010503和XDA23050200)

王芳洲(1993—), 女, 山东临沂人, 硕士, 主要从事红树林生态学研究

王友绍, 男, 二级教授, 主要从事海洋生态环境与生物资源研究, E-mail: yswang@scsio.ac.cn