La3+对拟南芥体内SOD、POD酶活性及养分吸收的影响

卢 杰，张自立，欧红梅

（安徽农业大学资源与环境学院，安徽 合肥 230036）

稀土农用研究在我国始于上世纪70年代初，以微肥的形式使用较为广泛[1]。适量的稀土具有提高植物光合效率，增加叶绿素含量，增加作物产量，以及提高作物根系对矿质营养元素吸收和对逆境的多种抗性等优点[2-5]。但是高浓度稀土元素对植物有一定的毒害作用[6]；如降低植物体内各种抗氧化酶的活性，抑制各种营养矿质元素的吸收转化和利用，降低对外界不良环境的抗性，严重时能导致植株死亡[7-8]。植物体内的抗氧化系统酶（SOD酶、POD酶等）能维持体内活性氧代谢的平衡，如降低逆境环境导致植物体内产生的过量的阴离子自由基、过氧化氢、氢氧自由基，破坏或降低活性氧清除剂（SOD 酶、POD）等的结构活性[9]。N、P、K 是植物生长的必需元素，也是植物体内参与蛋白质、氨基酸等代谢的主要元素，N、P、K元素亏缺会影响植物的正常生长发育。

尽管前人已做过镧（La3+）对植物体内SOD酶、POD酶和矿质营养方面的研究，也证实了稀土元素的“Hormesis效应”。但以模式植物拟南芥为对象，分析La3+对SOD酶、POD酶的活性及N、P、K含量的影响及其相关性的研究较少。试验通过不同浓度的La3+对哥伦比亚型拟南芥进行水培胁迫，研究其体内SOD酶、POD酶的活性，N、P、K的含量以及SOD酶、POD酶与N、P、K之间的相关性。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料：拟南芥（Columbia）。

1.2 仪器与试剂

仪器：光照培养箱（HPG-400BX），高压自动灭菌锅，无菌操作台，低温高速离心机，恒温水浴锅，火焰光度计，分光光度计，全自动定氮仪等。

试剂：SOD酶、POD酶试剂盒（南京建成生物工程研究所），pH值7.2的磷酸缓冲液，琼脂。La2O3（上海化学试剂厂，纯度99.99%）

营养液：大量元素 （CaNO3·2H2O，KH2PO4，MgSO4·7H2O，KNO3），微量元素（KI，MnSO4·4H2O，CoCl2·6H2O，Na2MoO4·2H2O，H3BO4，ZnSO4·7H2O，CuSO4·5H2O）

固体基质：蛭石，石英砂，草炭土。

1.3 材料的处理

野生型拟南芥种子用70%的乙醇溶液消毒1 min，再用0.1%次氯酸钠消毒10 min，无菌水洗净，播种到经120℃高温灭菌20 min的MS培养基上。培养皿用密封膜密封后放入22℃的恒温光照培养箱中培养。待拟南芥幼苗的根长到约1.5～2 cm时，用镊子轻轻地将幼苗移植到蛭石∶石英砂∶草炭土质量比为2∶1∶1的固体培养基上，继续培养。并定期浇灌1/4浓度的Honglang营养液（pH值5.5～5.8）。

拟南芥在蛭石培养基上生长6周，选取形态、大小一致的拟南芥作为试验材料。将根部用纯水冲洗干净，用吸水纸吸干，分别置于浓度为0、5、10、15、20 mg/L 5个处理水平的La3+溶液（pH 值5.5）水培装置中进行胁迫处理1周（每天更换一次培养液），每处理设置4个平行。

1.4 酶的测定

准确称取植物地上部分鲜样0.5000 g，加入预冷的0.1 mol/L磷酸缓冲液（pH值7.2）研磨，制成质量浓度为10%的匀浆。将匀浆置于低温离心机中4000 r/min离心10 min，取上清液为待测酶液。

SOD酶测定采用NBT法（四氮唑蓝法），利用SOD酶试剂盒于550 nm比色。POD酶的测定采用愈木创酚法，利用POD酶试剂盒于470 nm比色。

1.5 蛋白质的测定

测定前处理同1.4，测定方法参见慕康国等[10]（用于计算SOD、POD酶总含量）。

1.6 N、P、K 的测定

将处理后的拟南芥的地上部分，105℃杀青0.5 h，60℃烘18 h后，用研磨磨碎，储存待用。

植物样用H2SO4-H2O2消煮，N以凯氏定氮法测定，P以钼锑抗比色法测定，K以火焰光度法测定。

1.7 数据分析

数据用SPASS19软件进行方差和相关性分析处理。

2 结果与分析

2.1 La3+对拟南芥SOD酶活性的影响

表1中的数据为不同浓度的La3+对拟南芥SOD酶活性的影响。La3+具有调节植物体内SOD酶活性的作用，从表1中可以看出，在La3+浓度为5 mg/L时，SOD酶的活性达到最大值，在La3+浓度高于5 mg/L时SOD酶活性均低于对照，而且在La3+浓度为5 mg/L时的SOD酶的活性与La3+浓度为15 mg/L和20 mg/L时的酶活性值之间差异显著（p<0.05）；当 La3+浓度在 10～20 mg/L 时，SOD 酶的活性比对照降低了2.51～36.2个百分点。表明低浓度的La3+增加了SOD酶的活性，而高浓度则相反。SOD是生物体内一种重要的活性氧清除酶，能够将植物体内由于新陈代谢所产生的超氧化物阴离子自由基、羟自由基、氢自由基和甲基自由基等对植物生长有害的自由基，通过一系列的反应转化成无害的水和氧，对植物起到保护作用[11]。已有试验证实了低浓度的La3+能够促进植物体SOD酶的活性，而高浓度的La3+则起到抑制的作用[12]。这可能是由于较高浓度的La3+能够对植物的细胞膜造成伤害，使其透性增加，使得植物体的正常代谢发生紊乱[13-16]。

表1 La3+对拟南芥SOD酶活性的的影响

2.2 La3+对拟南芥POD酶活性的影响

La3+对POD酶活性的影响也较显著。从表2中可以看出，POD酶的活性随着La3+浓度的增加呈现一直降低的趋势，在La3+浓度为20 mg/L时，POD酶的活性最低。与对照相比，随着La3+浓度的增加，POD酶活性降低的范围是3.80～27.39个百分点。与对照相比，La3+浓度为 10、15、20 mg/L时的 POD酶活性均达到显著差异（p<0.05）。这说明了高浓度的La3+对POD酶的活性起到抑制作用。POD酶是植物体内氧化还原酶，对多种生理功能起到保护作用，是植物对外界不良环境的敏感指标之一,可以阻止植物体内自由基对生物大分子的质膜的破坏，清除体内大量的活性氧[17-18]。

表2 La3+对拟南芥POD酶活性的影响

2.3 La3+对拟南芥N、P、K含量的影响

从表3中可以看出，在La3+为5 mg/L时，拟南芥地上部分的N、P、K的含量均达到最大值；当La3+浓度大于5 mg/L的时候，随着La3+浓度的增加，N、P、K的含量显著降低。与对照相比，N、P、K的含量降低范围分别在2.09～14.04个百分点、14.53～35.68个百分点和5.59～45.87个百分点。从表3中还可以看出，当La3+浓度为5 mg/L时，与La3+浓度0、10、15、20 mg/L时地上部分的N、P、K的含量差异显著（p<0.05）。这表明了低浓度的La3+能够促进拟南芥地上部分对N、P、K的吸收利用，高浓度则会起到抑制作用。由于La3+属于重金属，重金属的胁迫有可能会导致植物体内大量营养元素的缺乏，而且在较高浓度的重金属环境中能够引起植物对大量营养元素的吸收转运和代谢能力的降低；但是，较低浓度的稀土元素对植物的生长代谢起到促进的作用。

表3 La3+对拟南芥N、P、K含量的影响

2.4 SOD酶、POD酶、N、P、K之间的相关性

从表4中可以看出，拟南芥体内N、P、K的含量，SOD酶、POD酶的活性五者之间均呈现极显著正相关（p<0.01），表明N、P、K的含量与SOD酶、POD酶的活性密切相关。N、P、K是植物生长所必须的元素，缺少任何一种都会影响植物的正常生长，而SOD酶、POD酶可以通过自身酶的活性调节维持体内各种代谢平衡，其相关性也表明了地上部分N、P、K、SOD、POD中的任何一种发生变化对其他因素均产生影响。

表 4SOD、POD、N、P、K之间的相关性

3 结论

试验表明，La3+在 0、5、10、15、20 mg/L 浓度下对拟南芥N、P、K、SOD的影响均达到显著性差异，并且均呈现“低促高抑”的特点，在La3+浓度为0～5 mg/L范围内，N、P、K、SOD的值都呈现出一定程度的增加，当La3+浓度>5 mg/L时，上述4种指标值与对照相比均有显著地下降，这与张晓春等[11-15]的研究结果一致。拟南芥体内SOD酶比POD酶具有相对较高的耐性，而POD酶的活性则在设置的5个浓度范围内均呈现下降的趋势，可能是由于拟南芥体内的POD酶活性对La3+较敏感，即使是在相对较低的浓度下也受到抑制；还有可能是La3+浓度在0～5 mg/L范围内，La3+对POD酶活性的影响也存在“低促高抑”的现象，在试验中没有体现出来，尚需进一步研究。试验证实了在不同浓度条件下，拟南芥地上部分 N、P、K、SOD、POD 之间均存在着极显著相关性，也说明了植物体内各种物质代谢密切相关、相互依存的关系。

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