（环境工程专业论文）稀土镧对酸雨胁迫下两类种子萌发期间POD的影响.pdf

摘要 摘要 酸雨( a c i dr a i n ) 污染已成为当今重大全球环境问题，其对生态系统的危害和土壤的 酸化在全球范围引起了广泛关注，据统计，全世界大约3 0 的可耕地面积和超过5 0 的 潜在耕地面积为酸性土壤。种子萌发是植物生命历程的起点，酸雨淋溶及酸性土壤能够 改变种子萌发参数，影响萌发生理进程，从而改变作物后期形态结构，最终影响作物生 长；适量的稀土元素( r a r ee a r t h ) 能够增强作物抗逆能力，提高作物品质和产量，促进种 子萌发和苗期生长等生物学效应。本文以酸雨多发区主要作物水稻( o r y z as a t i v al ) “宁 粳1 号 种子和高粱( s o r g h u mv u l a r e ) “熊杂9 号 种子为实验材料，通过一定剂量稀土 镧 l a ( i i i ) 溶液浸种处理，采用模拟酸雨水培的方法研究了稀土元素镧对酸雨胁迫下两 类作物种子萌发期间p o d 的作用和影响，为阐述稀土缓解酸雨伤害机制提供宏观的生 理生态学依据，揭示了稀土诱导植物抗性机理，探索减轻或消除酸雨对作物影响的途径， 并提供切实可行的农业防护措施。主要研究内容如下： 1本实验体现出稀土元素h o r m e s i s 现象，呈现低促高抑变化。研究结果表明，0 - 2 0 m g l 以剂量的l a ( i i i ) 能提高p o d 活性，促进水稻和高粱种子萌发，降低细胞m d a 含量，改善抗氧化代谢，进而有利于作物生长和发育。其中最显效剂量为：水稻种 子最适剂量1m g l ，高粱种子最适剂量1 2m g l 。 2 最适剂量l a ( i i i ) 处理能促进水稻种子和高粱种子萌发，提高p o d 活性和可溶性蛋白 含量，增强同工酶部分酶带，降低m d a 含量和h 2 0 2 含量，降低细胞质膜透性，调 整种子脂肪酸组成配比，从而减轻酸雨胁迫伤害，且对低强度酸雨的缓解效果优于 高强度酸雨；酸雨胁迫虽能提高种子p o d 活性和可溶性蛋白含量，但机制不同，前 者是主动意义上的促进，后者为被动适应上的应激反应。 3低强度酸雨( p h 5 o 3 0 ) 胁迫下，水稻和高粱种子p o d 活性上升，种子清除自由基的 能力得到提高。高强度酸雨( p h 2 5 2 o ) 胁迫下，水稻种子p o d 活性降低，可溶性总 蛋白合成受阻，p o d 同工酶酶带减弱或消失；高梁种子p o d 活性陡升，可溶性总 蛋白合成受阻，种子活性氧清除能力下降。l a ( i i i ) 能有效调控p o d 的稳定性并可能 参与清除过量活性氧和自由基，继而缓解酸雨胁迫对种子的伤害。 4 l a ( i i i ) 通过调控作物种子内部p o d 等抗氧化酶活性，提高活性氧清除系统的运行效 率和可溶性蛋白含量，影响脂肪酸组成，改善酸雨胁迫下种子内部的活性氧代谢， 使体内h 2 0 2 含量降低，继而影响脂肪酸构成，降低m d a 含量和质膜透性，减轻种 子的膜脂过氧化程度，且对低强度酸雨胁迫的缓解效果优于高强度酸雨胁迫。 5两类种子对酸雨的反应是不同的，综观p o d 活性变化、可溶性蛋白及质膜透性等指 标的变化，结合二者萌发指标的响应，可得水稻种子抗酸雨能力高于高粱种子；l a ( i h ) 缓解酸雨伤害的效果高粱种子优于水稻种子。 关键词：镧；酸雨；水稻种子；高粱种子；p o d ；抗氧化 a b s t r a c t a st h ea c i dr a i nc a u s e sm u c hw i d e ra n dm o r es e r i o u sd a m a g e st ot h ee c o l o g i c a ls y s t e m ， t h ea c i ds o i lc a u s e db ya c i dr a i ni sb e c o m i n go n eo ft h es e r i o u se n v i r o n m e n t a lp r o b l e m si nt h e w o r l d s e e dg e r m i n a t i o ni st h eb e g i n n i n go fp r o d u c t i v i t y t h ea c i d r a i na n ds o i lh a v e i n f l u e n c e so nc r o p s g e r m i n a t i o n ，m o r p h o l o g i c a ls t r u c t u r e ，g r o w t ha n dd e v e l o p m e n t ， p h y s i o l o g y a n db i o c h e m i s t r y , e t c t h er a r ee a r t h ( r e ) h a sb e e ne x t e n s i v e l yu s e da s m i c r o - f e r t i l i z e r sf o rm a n yy e a r si nc h i n a a p p r o p r i a t ed o s a g eo fr ec o u l de n h a n c ec r o p s m e t a b o l i s m ，a n da l s oi n d u c ep l a n t s r e s i s t a n c et os t r e s s ，s u c ha su v - br a d i a t i o n ，h e a v ym e t a l s t h e s er e s u l t si n d i c a t et h a tr ec a na l l e v i a t et h ed a m a g et o p l a n t s c o n t a m i n a t e db y e n v i r o n m e n t t h e r e f o r e ，r i c es e e d s ( o r y z as a t i v al ) o f n i n g ji n g1 ”a n ds o r g h u m s e e d s ( s o r g h u mv u l a r e ) o f “x i o n g z a9 ”，w e r eu t i l i z e da so u re x p e r i m e n t a lo b j e c t s ，w h i c hw e r e s o a k e d 、枷t 1 1l a c l 3s o l u t i o no fa p p r o p r i a t ed o s a g ea n dg e r m i n a t ei nc u l t u r ec o n t a i n e rk e p ti n s i m u l a t e da c i dr a i n i nt h i ss t u d y , t h ee f f e c to fl a n t h a n u mo np o dd u r i n gs e e dg e r m i n a t i o n w a si n v e s t i g a t e du n d e rd i f f e r e n tl e v e lo fa c i dr a i ns t r e s s t h ea i mw a st o p r o v i d e m a c r o s c o p i c a l l yp h y s i o l o g i c a la n de c o l o g i c a lr e f e r e n c e sf o re l a b o r a t i n gt h em e c h a n i s mo fr e i n d u c i n gp l a n t s r e s i s t a n c et oa c i dr a i ns t r e s s ；i ta l s oo f f e r e da n o t h e rn e we c o l o g i c a ld e f e n s e s t r a t e g yo fp r e v e n t i n gc r o p sf r o ma c i dr a i ns t r e s s t h em a j o re x p e r i m e n tr e s u l t sa r es h o w na s f o l l o w s ： 1 t h es t u d yr e f l e c t e dt h es t i m u l a t i v ea n di n h i b i t i v ea c t i o no fh o r m e s i se f f e c t o u rr e s u l t s s h o wt h a tl a c l 3s o l u t i o nw i t ht h ed o s eo f0t o2 0m g l 。1c o u l di n c r e a s et h eg e r m i n a t i o na n d t h ea c t i v i t i e so fp o do fr i c ea n ds o r g h u ms e e d s ，d e c r e a s em d ac o n t e n t ，i m p r o v e a n t i o x i d a t i v em e t a b o l i s ma n dp r o m o t eg r o w t ha n dd e v e l o p m e n to ft w oc r o p s s e e d s t h e o p t i m a ls p r a y i n gd o s a g eo fl a c l 3s o l u t i o ni s1m g l f o rr i c es e e d a n d1 2m g l 1 f o r s o r g h u ms e e d 2 t h eo p t i m a l s p r a y i n gd o s a g eo fl a c l 3s o l u t i o nc o u l di n c r e a s et h eg e r m i n a t i o n ，p o d a c t i v i t ya n ds o l u b l ep r o t e i nc o n t e n t so fr i c ea n ds o r g h u ms e e d s i ta l s os t r e n g t h e np a r t so f p e r o x i d a s ei s o z y m e s ，d e c r e a s ep l a s m o l e m m ap e r m e a b i l i t y , m d aa n dh 2 0 2c o n t e n t ac h a n g e i nt h ep r o p o r t i o no fm e m b r a n el i p i df a t t ya c i d sc o u l di m p r o v et h eh a r m f u l n e s so fa c i dr a i n a n dt h em i t i g a t o r ye f f e c to fl a ( i i i ) o nh i g hp hw a sb e t t e rt h a nt h a to nl o w o n e a l t h o u g ha c i d r a i ns t r e s sc a ni n c r e a s ep o da c t i v i t ya n ds o l u b l ep r o t e i nc o n t e n t s ，t h em e c h a n i s mw a s d i f f e r e n t t h ef o r m e ro n ew a sa d v a n c e do ni t so w ni n i t i a t i v e ，w h i l et h el a t t e ro n ew a s s t i m u l a t e dp a s s i v e l y 3 u n d e rt h eh i g hp ho fa c i dr a l n ( p h 5 0t op h 3 o ) ，p o da c t i v i t yi n c r e a s e da n ds t r e n g t h e n t h e i rc a p a c i t i e st os c a v e n g er e a c t i v eo x y g e ns p e c i e s ( r o s ) u n d e rl o w p ho fa c i dr a i n ( p h 2 5 t op h 2 0 ) ，p o da c t i v i t ya n ds o l u b l ep r o t e i nc o n t e n t sw e r ei n h i b i t e d t h ea b i l i t yo fr e m o v i n g t h ee x c e s s i v ef r e e - r a d i c a l sw a sa l s ow e a k e n e d h o w e v e r , l a ( i i i ) c a ne f f e c t i v e l ya d j u s tt h e s t a b i l i t yo fp o da n de l i m i n a t er o s ，s ot h a ti ta l l e v i a t e dt h eh a r mt os e e d sb ya c i dr a i ns t r e s s 4 t h er e g u l a t i v ee f f e c to f l a ( i i i ) o na n t i o x i d a n te n z y m e ss u c ha sp o d c o u l ds t r e n g t h e nt h e i r c a p a c i t i e st os c a v e n g er e a c t i v eo x y g e ns p e c i e s ，i m p r o v et h em e t a b o l i s mo fr o sa n dd e c r e a s e h 2 0 2c o n t e n t s a tt h es a m et i m e ，i ti m p r o v e dt h ep r o p o r t i o no fm e m b r a n el i p i d 蠡t t ) ra c i d s ， n a b s t r a c t d e c r e a s em d ac o n t e n t sa n dp l a s m o l e m m ap e r m e a b i l i t y c o n s e q u e n t l y , m e m b r a n el i p i d p e r o x i d a t i o nw a s a b a t e d 5 t h er e s p o n s et oa c i dr a i nb e t w e e nr i c ea n ds o r g h u mw e r ed i f f e r e n t i ts u g g e s t e dt h a t t h er e s i s t a n c et or i c er a i no fr i c ew a sb e t t e rt h a ns o r g h u m ，a n dt h ea l l e v i a t i o no fl a ( h i ) o n s o r g h u mw a sb e t t e rt h a no nr i c e k e y w o r d s ：l a n t h a n u m ；a c i dr a i n ；r i c es e e d ；s o r g h u ms e e d ；p o d ；a n t i o x i d a t i o n i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是各人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 签名： 亘空盥日 期： 星监：亟：茎 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印。缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签名： 辞别泰 导师签名： 日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 酸雨研究现状及对植物种子萌发的影响 近年来，随着各国经济的发展与进步，酸雨污染的同趋严重越来越受到人们的广泛 关注，已成为当代国际性的重大生态环境问题之一，对自然环境造成极大危害。酸雨， 科学上称作酸沉降( a c i dd e p o s i t i o n ) ，包括湿沉降( 如酸雨、酸雪、酸雾、酸雹等) 与干沉 降( 如二氧化硫、氮氧化物、氯化合物等气体酸性物) 两类【2 】。酸雨含有多种无机酸和有 机酸，但绝大部分是硫酸和硝酸，多数情况下以硫酸为主，其类型也主要包括硫酸雨和 硝酸雨。酸雨可通过急性或慢性伤害对地球生态系统中的生产者、消费者、分解者造成 直接或间接损伤，破坏食物链的完整性，降低生态系统的稳定性，继而使生态系统崩溃， 最终导致地球生物多样性丧失，人类失去生存、发展的物质基础和环境，使人体健康及 生命安全受到威胁p j 。 世界酸雨区主要集中于欧洲、北美和中国日本，并正不断地向全球蔓延【lj 。近2 0 年来，随着中国经济的高速发展，化石燃料消耗逐年升高，中国南方的酸沉降程度不断 加重【4 】，长江以南绝大部分地区降水p h 值低于4 5 ，成为我国酸雨重污染区1 3 j 。据国家环 保局数据显示，1 9 9 9 2 0 0 5 年s 0 2 排放量逐年增加，许多地方的酸沉降量已超过当地土壤 的安全容量。随着酸雨对生态系统的危害范围和程度在不断的扩大，且我国酸雨区主要 分布于遍布农田和森林生态系统的南方和西南地区，该区域也是我国最为丰富的生物资 源库，其在国民经济、社会可持续发展中的地位举足轻重。根据“七五”和“八五的 部分研究成果估算，仅我国酸雨污染较为严重的江苏、浙江、安徽、福建、江西、湖北、 湖南、广东、广西、四川、贵州等1 1 个省、自治区酸沉降引起的森林木材蓄积量减少和 农作物减产所造成的直接经济损失每年分别高达4 4 亿元和5 1 亿元人民币，木材经济损失 与森林生态效益的经济损失比例为1 ：81 1 j 。 随着酸雨污染的日益严重，对酸雨危害的研究也十分广泛，目前有关酸雨对植物影 响的报道很多。迄今为止，研究者们在酸雨对植物宏观和显微伤害、膜脂过氧化、膜保 护酶活性与自由基平衡、光合与呼吸、物质代谢等方面的影响有了较系统的研究【5 j 。萌 发是植物生长过程中的一个重要阶段，它既是植物生活史的起点，也是植物生物量形成 的关键。酸雨伤害所诱发的群落演替以及种群波动，都认为与植物宏观表象下隐藏的种 子萌发过程相关，因此，国内外对酸雨胁迫下种子萌发过程进行了大量研究【6 。1 。 酸雨对植物种子萌发的影响，涵盖对木本植物和草本植物种子影响。其中草本植物 主要研究对象为农作物。大部分研究表明，模拟酸雨是作物种子萌发受到影响，主要是 由于酸雨的胁迫引起种子透性变化，离子平衡失调，呼吸代谢、物质代谢、酶活性发生 改变，代谢紊乱，破坏了种子内部正常生理效应，致使种子萌发受阻l l 。迄今为止，已 有不少研究者研究酸雨对植物及种子萌发的伤害机理，广泛认为逆境胁迫对植物影响机 理一方面在于其使植物自由基代谢平衡失调，自由基大量积累。过剩自由基攻击膜系统 江南大学硕士学位论文 造成生物膜损伤。另一方面，膜脂过氧化的中间产物自由基和最终产物丙二醛( m d a ) 也对膜损伤起到了叠加效应【1 2 1 。如周青等人在酸雨伤害植物机理与稀土调控研究中提 出酸雨急性伤害植物机理，主要有以下4 种反应交织、叠加，最终导致植物出现可见伤 t 圭7 舌： ( 1 ) 离子效应。自然降雨过程将植物叶片和茎内的k + 、c a ：+ 、m n 2 + 、z n ：+ 和m 9 2 + 等阳离子洗脱下来，酸雨更强化了该淋洗过程； ( 2 ) 质子效应。由于一大量输入细胞，液泡缓冲能力降低，植物细胞内环境酸度发 生明显改变，细胞汁p h 值下降，进而引起酶活性降低或酶钝化( 功能性) ，甚至酶构象 变化( 二硫键断裂，三维结构消失) ； ( 3 ) 光合抑制效应。酸雨破坏了叶绿体的片层结构，使类囊体膜损伤，降低光反应过 程中光电转换效率，钝化暗反应酶系，从而造成有机营养物质积累减少，能量代谢失衡； ( 4 ) 自由基效应。酸雨能够动摇植物体内活性氧代谢系统的平衡，降低活性氧清除酶 系的活性和含量，导致自由基的增加，过量的自由基攻击细胞膜中不饱和脂肪酸，最终 造成细胞质膜透性增大，电解质渗漏增强，细胞电化学平衡破坏。 1 1 2 稀土研究现状及对植物种子萌发的影响 稀土元素又称镧系元素，位于元素周期表中的第6 周期第1 i i 虿1 族，包括原子系数从 5 7 到7 1 的镧、铈等1 5 个元素及性质极为相似的钇、钪共1 7 个元素，按其性质的微小 差异分为轻稀土和重稀土【l4 。早在1 9 1 7 年，钱崇澎和美国的o s t e n h o u t 就曾报道过稀土 元素铈对水棉的生理作用，开创了稀土元素的生物活性研究【l 引，此后，前苏联、同本、 美国、菲律宾、英国等国科学家在稀土农用方面做了大量工作【” 1 7 l ，发现稀土对诸多植 物和动物有极其广泛的生物学效应。从2 0 世纪7 0 年代开始，我国科技工作者全面系统 地开展了稀土直接应用于农业的研究，并取得了丰硕的成果，开创了我国独具特色的稀 土农用技术。 探讨稀土元素对植物的作用机理，对农作物增产作用的机理，以及生物作用和环境 效应具有十分重要的意义。目前，大量的研究发现【1 8 2 1 】，稀土使农作物增产的原因大致 可归纳为如下几点： ( 1 ) 稀土能提高种子的活力，对其萌发、生根、长苗有促进作用，提高种子的发芽 率、成秧率； ( 2 ) 稀土能促进植物对氮、磷、钾、镁、硫、铁营养元素的吸收、转化和利用，因 为稀土提高了作物体内酶的活性，加速了植株氮的还原同化、代谢转化等； ( 3 ) 稀土能加速碳的代谢转化、加快光合作用，促进作物根系发育，增加叶肉组织 中叶绿体的数量，提高微管束的排列密度，使植株根深叶茂； ( 4 ) 稀土能改善光合产物的配比，有利于光合产物向果实、块根运输，提高座果率 和块根膨大： ( 5 ) 稀土能与细胞膜的磷脂结合，调节钙的代谢，增强了氧化酶的活性。维持了细 胞膜的通透性、稳定性，有效抑制病原体侵染，提高了细胞膜的保护功能，从而增加作 物抗病、抗旱、抗低温、抗病害等抗逆性； 2 第一章绪论 ( 6 ) 稀土与某些农药有协同作用，可降低农药施用浓度和用量，对过剩农药有促其 降解功能，降低农药对作物的危害，降低植物及其产品中农药的残留量。 同时，大量的研究人员还从稀土与生物分子作用的方面进行了深入地研究，研究了 稀土离子与氨基酸、蛋白质、核酸、酶之间的相互作用。 稀土元素可影响多种酶的活性【1 8 , 2 2 2 4 ，稀土离子与酶分子相互作用的研究主要包括 稀土离子同酶作用的类型、作用特征、作用位点和作用时效性及酶活性与稀土离子的半 径关系等方面。稀土离子与酶蛋白分子的相互作用大多数是通过与酶蛋白中的酸性氨基 酸残基结合而展开的。稀土离子对酶的活性的作用不同程度地都涉及到酶活性中心及其 周围环境存在的酸性氨基酸残基中的羧基位点。同时，这些位点也都是c a 2 + 、m 9 2 + 、 n a + 等离子的结合点，因此稀土离子对酶的作用位点的研究大体上主要从酶的活性中心、 周围环境以及与c a 2 + 、m 9 2 + 等依赖离子的竞争等方面进行。另外，由于各种酶的活性中 心及其周围环境的结构不同，使稀土离子对酶活性的作用在时效性上也表现出多样性。 离体实验表吲z z l ，稀土离子可以通过不同方式与酶结合，从而影响酶的活性。稀土 能影响许多酶的活性，如腺甘酸环化酶、r n a 合成酶、胶原酶、异亮氨酸- t i a 合 成酶、谷氨酸合成酶等等。稀土离子对一些酶的活性有抑制作用，抑制机理一般有五种： 竞争底物、竞争性结合活性中心、取代活性中心c a 2 + 、竞争m 9 2 + 以及取代m 9 2 + 。稀土 离子对许多酶的活性存在“低促高抑 效应，如低浓度时，稀土离子对乙酞胆碱脂酶有 变构激活作用，但浓度较高时，则变为竞争性抑制作用，浓度更高时，则又表现竞争、 非竞争抑制作用。稀土离子对某些酶并不产生影响，比如脂肪酶、弹性蛋白酶、碱性磷 酸酶、谷氨酸脱氢酶、z n 2 十、c u 2 + 、超氧化物歧化酶( s o d ) 等酶的活性并不受稀土离子 的影响，但是稀土离子对这些酶的结构却可能有一定的影响。 众多实验表明，稀土元素对酶的活性影响是广泛的，稀土元素与酶活性的关系是极 为复杂的问题，稀土元素引起酶变化的规律性至今尚不清楚，有待于进一步的研究。 目前，已有不少研究者研究稀土元素促进植物种子发芽，大量研究证明，适当浓度 稀土浸种对植物种子萌发呈现低浓度促进、高浓度抑制的变化规律，存在一个最适宜生 长的浓度。洪法水等人【2 5 】研究发现在2 5 3 0m g l 。1 浸种范围内，铈 c e ( i i i ) 对水稻( o r y z a s a t i v al ) 种子的发芽率、发芽势、发芽指数等均有一定的提高作用，其中1 0m g l 。浸种 处理达极显著水平，2 0m g l 。1 浸种处理达显著水平。浸种浓度超过5 0m g l 。1 时，种子 的发芽率降低，并认为c e ( i i i ) 在一定浓度范围内能提高水稻种子的活力，可能与c e ( i i i ) 提高萌发水稻种子的呼吸速率、淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶等水解酶的活性有密切关系。 张杰等人【2 6 】研究了镧 l a ( i i i ) 】浸种对水稻种子萌发及幼苗生长的影响，结果表明l a ( i i i ) 对水稻种子的萌发率和萌发速度影响不大，但低浓度( 1 3 0m g l 。1 ) 浸种处理都明显提高 水稻植株的干重，说明低浓度的l a ( i i i ) 能促进水稻幼苗干物质的积累，而高浓度表现为 抑制干物质的积累。同样低浓度浸种提高水稻种子的活力指数，与对照相比差异达极显 著水平，高浓度浸种则明显降低种子的活力指数。 通常认为，种子萌发过程中，呼吸速率、酶活性不断增加，种子内的蛋白质和脂肪 含量逐步降低，糖和氨基酸的变化与幼胚的生长和利用能力有关【25 。稀土元素增加植物 3 江南大学硕士学位论文 的抗逆性与其激发并增加植物体内一些酶的活性有关，但是稀土元素影响酶活性的机制 至今尚未弄清，还有待于进一步深入研究。v e l a s e o 等【2 7 1 研究认为，稀土对植物生长的 影响与水解酶活性有关。s o d 和过氧化物酶( p o d ) 等构成了植物体内的“保护酶系统， 在维持自由基代谢的平衡中发挥重要作用f 2 引。成根杰等人【2 9 1 在研究氯化稀土对油松 ( p i n u st a b u i a e f o r m i sc a r r ) 种子萌发过程酯酶同工酶的影响中发现适当稀土化合物能诱 导小麦( t r i t i c u ma e s t i v u ml ) 产生过氧化物酶同工酶、酯酶同工酶，其中氯化镧对油松种 子萌发过程中酯酶同工酶的诱导作用较强，不仅可以使幼芽产生较多的酯酶同工酶，而 且使萌发中期幼芽中更多酯酶同工酶得到加强。 除了影响相关酶活之外，稀土处理能提高种子的活力，使种子在吸涨和萌发初期的 吸水量和细胞质膜透性增加，提高了细胞的吸氧能力，使呼吸更加旺盛，给生长提供更 多的能量 3 0 l ；同时，稀土能促进植物根系发育以利于营养的吸收，从而增进作物对氮磷 钾等营养元素的吸收和运转；同时还能影响储臧代谢，促进激素的合成与转运【2 u ；另外， 施用稀土后，增强了植物对不良生长环境的适应能力，或增加了对逆境的抗性【3 。 1 1 3 过氧化物醇研究进展 过氧化物酶 p e r o x i d a s e ，p o d ，e c l 1 1 1 7 ( x ) 】是广泛存在于各种动物、植物和微生物体 内、其结构和作用机理并不完全相同的一类含血红素的氧化酶，一般含有铁或铜等金属 离子【3 2 , 3 3 】。它是一族能利用h 2 0 2 氧化供氢体的酶，对h 2 0 2 是非常专一的，而对供氢体 的要求较为广泛：酚类、胺类化合物、某些杂环化合物和一些无机离子等都可以作为过 氧化物酶的供氢体【3 4 1 。它主要催化如下反应： 剐屯+ h 2 0 2 _ 2 h 2 0 + r p o d 分子量范围3 5 0 0 0 - - - 1 0 0 0 0 0 。约由3 0 0 个以上的氨基酸残基组成，其中存在酸 碱催化域( a c i d b a s ec a t a l y s i sd o m a i n ) 和血红素结合区域( 1 i g a n do f h e m e ) ，常含8 个半胱氨 酸、2 个葡萄糖胺、约8 个糖和2 6 个糖基化位点、一个原高铁血红素( p r o t o h e m a t i n ) 和 2 个钙离子、n 端为吡咯烷酮碳酸、c 端为精氨酸或丝氨酸。基于序列相似性比较分析， 可将含血红素p o d 划分成两个p o d 超家族( s u p e r f a m i l y ) 瞄】。一个由真菌、细菌和植物 来源的p o d 组成；另一个则由动物来源的p o d 组成，如甲状腺过氧化物酶、乳过氧化 物酶、髓过氧化物酶等。 目前，对于真菌、植物和细菌来源的p o d 的研究已经拓宽到几十种，依来源不同， 可将植物p o d 超家族内的成员进一步归为三类【3 4 】：i 类是胞内型p o d ，包括酵母细胞 色素c 过氧化物酶( c c p ，位于线粒体电子传递链中的一种可溶性酶蛋白，主要保护细 胞免受有毒的过氧化物损害) ，抗坏血酸过氧化物酶( a p x ，主要存在于高等植物的叶绿 体和胞液中，负责h 2 0 2 的清除) ，和细菌来源的触酶过氧化物酶( 同时兼具过氧化氢酶 和p o d 两种活力，为细胞应激高氧化环境压力提供保护) ；i i 类p o d 是来源于真菌的 胞外型p o d ，包括各种真菌产生的木素过氧化物酶( l i p s ) 和锰过氧化物( m n p s ) ，在木质 素的生物降解中起重要作用；i i i 类p o d 是来源于高等植物的分泌型p o d ，参与各种不 同的生理功能，如细胞壁的合成、组织愈伤、生长素合成与代谢、与s o d 相互协调配 合，清除过剩的自由基，使植物体内的自由基维持在一个动态的正常水平，以提高植物 4 第一苹绪论 的抗逆性等。 p o d 作为植物细胞内重要的组成成分，具有许多非常重要的生理功能。由于其成分 和结构的复杂性，同工酶的多样性，以及多基因编码特点，造成对其功能的认识尚不全 面。迄今已有报道的与植物抗环境胁迫相关的功能包括以下几个方面【3 5 】： ( 1 ) 参与活性氧代谢过程 分子氧( 0 2 ) 是相对无活性和对生物无毒性的，一旦氧分子的电子分布发生改变，其 结构及功能变成活性氧。总类包括过氧化氢( h 2 0 2 ) ，羟自由基( o h ) 、超氧阴离子( 0 2 ) 3 种。在细胞壁中的p o d 可催化n a d h 或n a d p h 氧化产生0 2 ，d 2 进一步歧化为h 2 0 2 和分子氧【3 7 】。u 2 0 2 是一种相对稳定的分子，能够通过细胞壁运动，p o d 和过氧化氢 酶( c a t ) 一样都具有代谢h 2 0 2 的功能，由酚底物还原形成自由基聚合形成木质素 ( 1 i g n i n ) 。在植物叶中不存在愈伤木酚p o d ，抗坏血酸p o d 承担清除光合作用过程中产 生的过量的h 2 0 2 保护叶绿体的功能【3 引，此酶使抗坏血酸氧化为脱氢抗坏血酸。 ( 2 ) 参与木质素和木栓质的合成 木质素和木栓质( s u b e r i n ) 的积累与p o d 活性增强之间的关系已被许多实验所证实。 其中酸性p o d 被认为参与木质素和木栓质合成【3 9 4 0 1 。 ( 3 ) 参与生长素的降解 ( 4 ) 参与其他物质的氧化过程 1 1 4 过氧化物酶与环境胁迫的关系 除了与植物正常代谢和生长发育相关的结构性p o d 外，很大部分p o d 的合成属于 诱导表达型。这己为大量胁迫处理试验和在分子水平上的基因调控研究证据证实【4 1 喇】。 p o d 的多数生理功能均与某种或多种胁迫作用导致细胞膜的损伤和破坏，细胞的空间结 构被打破，以及损伤信号的转导等一系列生理生化变化有关。植物活性氧爆发、木质素 合成、各种氧化反应等都与对各种逆境的应激防御反应密切相关【3 5 1 。 p o d 是植物在逆境条件下酶促防御系统的关键酶之一，它与超氧化物歧化酶、过氧 化氢酶等相互协调配合，清除过剩的自由基，使体内自由基维持在一个正常的动态水平， 以提高植物的抗逆性【3 4 。虽然许多研究并未建立起p o d 变化与植物抗性间直接的联系， 但很多现象和规律都可以用前述的p o d 生理功效加以解释或分析，也可能存在一些未 被揭示的p o d 作用机制。 1 2 种子萌发期间p o d 影响的研究进展 1 2 1 植物种子萌发期的抗逆应激反应 植物在自然界中遇到环境条件的剧烈变化，其幅度超过植物正常生活的范围，这种 变化称为逆境或胁迫( s t r e s s ) 。一般认为，胁迫分为三类，分别为物理胁迫( 干旱、温度、 辐射、水涝等) 、化学胁迫( 大气污染、杀虫剂、盐渍、有机无机化学药品等) 和生物胁迫 ( 竞争、化感作用、人类活动、昆虫、病害等) 一5 1 。 近年来随着自然环境问题的日趋严重，越来越多的目光聚集到对植物抗逆性的研究 5 江南大学硕士学位论文 上，并且取得不少进展。国内外对研究的逆境生态条件逐渐宽泛，从干旱、盐碱和不良 温度到目前的u v - b 辐射、酸雨、c 0 2 浓度升高等。从微观上看，已着手研究从分子生 物学和遗传学的水平上解释植物在恶劣条件下的变化机制，并已获得与抗性有关的基 因。植物生长所处的环境变化多端，灾害频繁，各种不利的自然因素都对细胞产生生存 压力，生存的植物，除在形态和解剖上适应所在的环境外，内在的生理生化过程也出现 一些特殊的适应。越来越多的证据显示，不同逆境因素在作用于植物细胞时，都具有一 个共同的和主要的特征，即产生高度反应性氧自由基( r e a c t i v eo x y g e ns p e c i e s ，r o s ) i 矧。 r o s 在细胞中轻则引起生物膜的过氧化损伤，重则造成叶绿体与线粒体等细胞器的 功能损害以及d n a 与其他生物大分子的降解和失活，最终导致细胞凋亡。然而植物细 胞针对r o s 所形成的氧化逆境( o x i d a t i v es t r e s s ) ，不仅可以诱导产生多种抗氧化酶及其 它非酶类抗氧化剂来抵御r o s 引起的氧化损伤与致死效应，而且还能协同合成其他消 除逆境因素的成分以防止不良环境造成更严重的氧化损伤。这个特征，又称为由r o s 协同诱导的抗逆应答系统【47 1 。r o s 的清除主要是通过以下四种途径： 图1 1 清除r o s 的四种主要酶机制 f i g 1 1f o u re n z y m em e c h a n i s m so fr e m o v i n gr o s 其中s o d ：超氧化物歧化酶：c a t ：过氧化氢酶；a s a ：抗坏血酸；a p x ：抗坏血酸过氧化物酶； m d a - 单脱氢抗坏血酸；m d a r ：单脱氢抗坏血酸还原酶；d h a ：脱氢抗坏血酸；d h a r ：脱 氢抗坏血酸还原酶；g s s g ：氧化钛谷胱甘肽；g s h ：还原态谷胱甘肽；g r ：谷胱甘肽还原酶； g p x ：谷胱甘肽过氧化物酶( a o e l 和h i r t 2 0 0 4 ) 植物对r o s 的清除主要有两种机制：酶清除机制和非酶清除机制。酶清除r o s 机 6 第一章绪论 制主要包括超氧化物歧化酶( s o d ) 、抗坏血酸过氧化物酶( a p x ) 、谷胱甘肽过氧化物酶 ( g p x ) 和过氧化氢酶( c a t ) 等酶的参与通过一些列的酶促反应将r o s 转化成没有毒害作 用的物质( 图1 1 ) 【4 引，而非酶类抗氧化剂则包括抗坏血酸( a s a ) 、谷胱甘肽( g s h ) 、生育 酚( 维生素e ) 、类黄酮和类胡萝卜素等。 从图1 1 中可以看到，细胞中氧化胁迫的程度取决于0 2 。、h 2 0 2 、o h 的含量，因而， s o d 、a p x 和c a t 活性之间的平衡对于清除过多的r o s 至关重要，而这些酶活性之间 的平衡的破坏都会导致氧化胁迫的发生。而酸雨胁迫会引起s o d 、c a t 和p o d 等酶活 性的提高，使得它们之间的平衡受到破坏而造成氧化胁迫。 1 2 2 p o d 在种子萌发中的作用 最近的一些研究表明，过氧化物酶在种子萌发、细胞的生长和细胞壁的松弛、细胞 壁的交联、木质化和木栓化、二阿魏酸键和伸展素网络形成等方面发挥着重要的作用， 从而影响植物的生长发育。据报道，在胡萝卜种子萌发的过程中，在种子周围的介质中 有过氧化物酶和活性氧( r o s ) 的释放【4 9 1 。在发芽种子最初几天的生长过程中，过氧化物 酶基因在种子刚萌发时就开始表达，此过程导致胚乳崩解，产生易于遭受病原体侵袭的 损伤区域，而此时羟基自由基的猝发具有保护其免收病原体侵袭和促进胚根伸出的作用 【4 8 】 o p o d 有着保护细胞免受有毒的过氧化物损害、消除h 2 0 2 、与s o d 相互协调配合消 除过剩自由基的功能，以提高植物的抗逆性【3 1 1 。从上文可知酸雨胁迫使植物体内自由基 代谢平衡失调，自由基大量积累，过剩自由基攻击膜系统造成生物膜损伤，同时，膜脂 过氧化的中间产物自由基和最终产物m d a 也对膜损伤起到了叠加效应 3 0 l ，另外由于 s o d ，c a t 活性的下降，使更多0 2 ，h 2 0 2 扩散到叶绿体中参与叶绿素降解。因此对 p o d 及相关的酶保护系统的研究是探讨酸雨影响植物生长及种子萌发过程机理的热点。 研究发现，在酸雨胁迫下，p o d 、s o d 和c a t 活性随着酸雨p h 值降低而先升后 降，说明适度酸雨胁迫可激发植物自身抗逆体系，诱导三种保护酶活性增大，减少活性 氧对膜脂的过氧化作用，但随着胁迫强度和时间加大而超过植物“应激或耐受限度时， 转而抑制保护酶的活性使膜脂过氧化加剧。同时三种保护酶相比，p o d 活性更易受酸雨 的影响【5 0 1 。不同的植物对酸雨的反应是不同的，如冯宗炜等人研究发现【5 ，在模拟酸雨 下暴露的菜豆和油菜叶片过氧化物酶的反应存在差异，基础酶活高的( 如菜豆) 受到酸雨 作用后表现为激活作用，酶活增高，并随着强度的增加p o d 活性逐渐升高；而基础酶 活低的植物( 如油菜) 受到酸雨作用后主要表现出抑制作用，只有在较长时间的强模拟酸 雨条件下才可激活p o d 酶活性，因此也说明酸雨对基础活性高的植物伤害较大。另外， 还有研究发现p 2 ，低强度酸雨胁迫时p o d 上升负责清除细胞内自由基，而高胁迫强度 下则参与自由基诱导的细胞衰老过程。 1 2 3 稀土元素对逆境下种子萌发p o d 的影响 植物体内过氧化物酶和抗氧化酶活性提高是植物受到逆境胁迫的反应之一【5 3 1 。 p o d 、s o d 和c a t 是种子抗氧化系统酶中最重要的酶，在逆境条件下产生应激反应， 7 江南大学硕士学位论文 以清除植物体内过量的活性氧，种子抗氧化系统酶受到破坏或活性的降低是导致种子老 化劣变的重要原因【5 4 1 ，因此如何调节逆境中植物及种子内相关酶的活性是提高植物抗逆 的途径之一。目前已有不少研究人员致力于提高植物抗逆能力研究，发现稀土元素能提 植物种子s o d 和p o d 活性，降低丙二醛含量，缓解膜损伤，增强植物对0 2 的消除能 力，还能加强植物体内过氧化物酶活性而诱导酚类物质增加，从而诱导植物产生抗病性 1 5 5 1 。严重玲等人【5 6 1 研究发现酸雨胁迫使小麦抗氧化酶活性随p h 值减小而呈单峰曲线， 施用稀土元素后，抗氧化酶活性变化相对稳定，变化曲线峰值向酸度加大的方向后移。 同时认为在酸雨酸度不大的条件下，稀土元素明显减弱了小麦抗氧化酶对酸雨胁迫的敏 感性，增强了小麦抗酸雨的能力。另外闫生荣等人【5 7 】研究发现l a ( i i i ) f 毙, 够调节c a t 、 p o d 等抗氧化酶，改善大豆活性氧代谢，降低细胞质膜电解质渗透率和m d a 浓度，有 效缓解r o s 对细胞膜系统的伤害。另外，周青等人【5