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生态环境学报 2010, 19(5): 1078-1081 http://www.jeesci.com
Ecology and Environmental Sciences E-mail: editor@jeesci.com
二氧化硫胁迫对不同抗性玉米幼苗活性氧代谢的影响
夏宗良，薛瑞丽，武轲，周朋，吴建宇
河南农业大学生命科学学院，河南 郑州 450002
摘要：采用60 mg·m-3 SO2气体处理玉米（Zea Mays. L）幼苗，通过组织化学染色和定量测定，分析了高抗自交系齐139和敏
感自交系昌7-2在活性氧代谢上的差异。结果表明：SO2胁迫处理3 h后，高抗系齐139幼苗叶片积累了较高的O2-和H2O2，12 h
后被迅速清除而趋于平衡；而高感系昌7-2叶片在胁迫早期产生的O2-和H2O2较少，后期有大量的O2-和H2O2积累，导致细胞
损伤。抗氧化酶SOD和CAT在抗性系中显著升高，而敏感系中增幅不显著。这一研究表明不同抗性系中活性氧代谢的差异可
能与其对SO2的抗性密切相关。
关键词：玉米；二氧化硫；活性氧；胁迫；抗氧化酶
中图分类号：X171.5；S513.01 文献标识码：A 文章编号：1674-5906（2010）05-1078-04
SO2 是我国当前主要的大气污染物，主要来源 理时打开风扇使SO2浓度均一。 2气体来自亚硫酸 SO
于煤、石油的燃烧及含硫矿石的冶炼等[1]。近年来， 钠与4倍稀释的硫酸反应的生成物，其反应式为
SO2 污染造成环境恶化，酸雨次数增多，并且由此 Na2SO3＋H2SO4(稀)→Na2SO4+H2O+S02↑。 精确称量
诱发的生理性病害对玉米（Zea Mays. L）生产的危 Na2SO3的量，硫酸采用2倍体积的反应式需要量以
害也逐年增加，已成为制约玉米产量和品质提高的 保证反应进行得迅速完全。采用甲醛吸收—副玫瑰
重要因素。国内外学者对蔬菜和低等藓类植物遭受 苯胺分光光度法监测S02浓度， 控制反应保持熏气室
SO2 伤害的生理机制进行了大量研究，目前普遍认 内 SO2 浓 度 稳 定 。 对 2 叶 1 心 的 玉 米 幼 苗 进 行 60
为 SO2 主要通过抑制植物光合系统或诱导植物产生 mg·m-3熏气处理1、3、6、12、24 h（对照植株置于
活性氧如 H2O2、O2-和 OH·等造成植物组织和细胞 无SO2气体产生的密闭缸）后，取不同植株的同一
的氧化伤害[2-3]。然而，近年来的研究显示，活性氧 部位叶片称重后置液氮中冻存备用。
的瞬时增加作为一种信号分子诱发植物对盐、强 1.2 玉米叶片伤害的分级标准和伤害度的计算
光、高温及其它氧化胁迫的抗性和适应性[4-5]。 目前 玉米植株叶片受害程度分为 6 级： 级： 0 无伤害
SO2 胁迫下不同抗性玉米在活性氧代谢上的差异及 1
症状； 级： 个别叶片轻微褪绿坏死， 受害面积<10%；
与玉米抗性的关系还不是很清楚，本试验通过组织 2 级：少数叶片褪绿坏死，受害面积 10%~30%；3
化学染色和定量测定，比较分析 SO2 胁迫下抗感系 级：半数以下叶片褪绿坏死，受害面积 30%~50%；
玉米幼苗叶片内 O2-和 H2O2 代谢的差异及其与玉米 4 级：半数以上叶片褪绿坏死， 受害面积 50%~75%；
抗性的相关性，为深入剖析玉米对 SO2 胁迫的抗性 5 级：极大多数叶片褪绿坏死，受害面积>75%。单
机制提供新思路。 株叶片伤害度＝∑(叶片伤害级别×该级叶片数)。每
1 材料与方法 个自交系统计 10 株，计算其平均数。
-
1.1 供试材料培养和SO2熏气处理 1.3 O2 和 H2O2 的组织化学染色和定量测定
10 个玉米自交系四一、郑 58、Mo17、87-1、 叶片 O2-的染色参照 Overmyer 等[6]，定量测定
黄早 4、昌 7-2、掖 107、48-2、H21、齐 139 种子， 参照 Able 等[7]的方法；H2O2 的染色参照 Rea 等[8]
经 0.1%的升汞消毒后， 播于蛭石与营养土为体积比 的方法，含量测定参照 Ferguson 等[9]的方法。每一
1∶1 的育苗盘中，在光暗交替周期为 12 h∶12 h、 处理测定 3 个样品，试验重复 3 次。
温度为 24~26 ℃、湿度为 60％的光照培养室中培 1.4 SOD和CAT活性测定
养，待出苗后用 1/2 浓度的 Hongland 培养液浇灌， 超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）
每周 2 次。待幼苗长至 2 叶 1 心（约 10 d）时，用 活性测定参照jiang等[10]方法。SOD活性采用已知
于 S02 熏气处理。 SOD活性单位抑制NBT光还原的50％为1个酶活性
S02熏气在自制的密闭式玻璃缸内进行， 容积为 单位(U)；CAT活性以每分钟内底物减少的µmol数
3
0.234 m 。玻璃缸内顶部装一小吊扇，开始熏蒸处 表示。
基金项目：国家自然科学基金项目（30971548）
作者简介：夏宗良（1973 年生），男，副教授，博士，从事植物抗逆分子生理学研究。E-mail: xiazl08@163.com
收稿日期：2010-03-26
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夏宗良等：二氧化硫胁迫对不同抗性玉米幼苗活性氧代谢的影响 1079
1.5 数据处理
利用Microsoft Excel 2003进行数据处理及制
图， 用DPSv 7.05统计分析软件进行单因素方差分析
(one-way ANOVA)和LSD 0.05显著性水平检验。
2 结果与分析
2.1 玉米自交系对 SO2 胁迫的抗性差异
10 个玉米骨干自交系（四一、郑 58、Mo17、
87-1、黄早 4、昌 7-2、掖 107、48-2、H21、齐 139）
幼苗经 60 mg·m-3 SO2 熏气处理 12 h 后，放回光照
培养室继续培养。3 d 后调查其伤害情况，发现有
（A）
些自交系幼苗（如：昌 7-2、H21 等）受伤较重，
叶片出现了伤害斑，甚至部分叶片枯死；而有些自
齐139-CK 齐139-T R
交系幼苗（如：四一、齐 139 等）受伤较轻，叶片 30 昌7-2-CK 昌7-2-T R
只出现少量伤害斑。图 1 显示，处理 12 h 后，齐 25
O2 - 产生速率/ ( nmol g-1 min -1 )
139 伤害度最小，伤害度小于 4，表现出较强的抗
20
性；昌 7-2 伤害度接近 15，抗性较弱，其余居于中
15
等。 10 个供试自交系中， 139 对 60 mg·m-3 SO2
在 齐
处理表现高抗，昌 7-2 表现出高感。因此，选用齐 10
139（高抗）和昌 7-2（高感）两个自交系材料，进 5
行后续的研究。
0
16
0 3 6 12
14 t (处理)/h
12
（B）
10 （A）氮蓝四唑染色检测高抗系（齐 139）和高感系（昌 7-2）叶
片 O2-的产生；（B）定量测定高抗系（齐 139）和高感系（昌 7-2）
伤害 度
8
叶片 O2-的产生。CK：对照 control；TR：treatment.
6
-
图2 SO2 胁迫下玉米抗感自交系叶片 O2 产生的动态变化
4
-
Fig.2 Dynamic change of O2 production in tolerant and susceptible
2
maize inbred lines under SO2 stress
0
四一 齐139 H21 48-2 掖107 郑58 Mo17 87-1 黄早4 昌7-2
图 1 10 个玉米自交系对 SO2 胁迫处理 12 h 后的抗性反应 齐 139 比高感系昌 7-2 产生较多的 O2-， 这种抗感材
-3 -
Fig.1 Resistance of ten maize inbred lines to 60 mg·m SO2 exposure
料间 O2 积累的差异可能与其抗性相关。
for 12 h
2.3 SO2 胁迫对抗感玉米幼苗叶片过氧化氢代谢
2.2 SO2 胁迫对抗感玉米幼苗叶片超氧离子代谢 的影响
的影响 对 SO2 处理 1、 6 和 12 h 的抗感系叶片 H2O2
3、
对处理 1、3、6 和 12 h 的抗感系叶片 O2-的积 水平的积累进行了联苯胺（DAB）组织化学染色和
累进行了氮蓝四唑（NBT）组织化学染色和定量测 定量测定（图 3-A 和图 3-B）。结果表明：随着 SO2
定（图 2-A 和图 2-B）。结果表明：随着 SO2 胁迫 胁迫的延长，高抗系齐 139 叶片 H2O2 的积累呈现
的延长，高抗系齐 139 叶片 O2-的积累呈现出先升 出先升高后降低的趋势。在胁迫处理 3 h，叶片的
高后降低的趋势。在胁迫处理 3 h，叶片的 O2-迅速 O2-迅速积累并达到峰值，比对照提高了 4 倍，随后
积累并达到峰值，比对照提高了 1.4 倍，随后开始 剧烈下降，12 h 后降至初始状态；高感系昌 7-2 叶
下降， h 后降至初始状态；
12 高感系昌 7-2 叶片 O2- 片 H2O2 的积累则呈现出持续缓慢升高的趋势。在
的积累则呈现出先升高后降低再升高的趋势。在胁 胁迫处理 3 h，叶片的 H2O2 开始积累，比对照提高
迫处理 3 h，叶片的 O2-开始积累，比对照提高了 了 45%，随后开始逐渐升高，到 12 h 时 O2-的积累
50%，随后开始下降接近初始状态， h 后又开始升
6 量， 比对照提高了 80%。 整个 SO2 胁迫处理过程中，
-
高，到 12 h 时 O2 已有较高的积累，比对照提高了 高抗系齐 139 叶片活性氧 O2-和 H2O2 的积累呈现一
90%。总体看来，在整个胁迫处理过程中，高抗系 致的趋势：处理 3 h 后 O2-和 H2O2 的积累迅速达到
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1080 生态环境学报 第 19 卷第 5 期（2010 年 5 月）
SO2 胁迫响应中起着重要作用。
SO2 胁迫处理过程中， 139 和昌 7-2 叶片 CAT
齐
的活性变化差异显著（图 4-B）。高抗性齐 139 叶
片 CAT 的活性表现明显的上升趋势，在胁迫处理
前 6 h 缓慢升高，12 h 达到最大，然后急剧下降，
24 h 时趋于起始状态；而在高感系昌 7-2 叶片中，
胁迫早期 6 h CAT 的活性缓慢升高，12 h 后急剧下
降，24 h 时活性明显低于对照，暗示了敏感系中抗
氧化防护酶 CAT 在胁迫处理 12 h 后已受到损伤，
活性显著低于对照。
（A） 齐139-CK 齐139-T R
200 昌7-2-CK 昌7-2-T R
齐139-CK 齐139-T R
0.6
SOD 活性/（U g-1 FW）
昌7-2-CK 昌7-2-T R
160
0.5
120
0.4
H2 O2 含量/ (µmol g-1 )
0.3 80
0.2 40
0 3 6 12 24
0.1 t (处理)/h
（A）
0
0 3 6 12
t (处理)/h 6 齐139-CK 齐139-T R
昌7-2-CK 昌7-2-T R
（B）
5
CAT 活性/(µmol min-1 g-1 )
（A）联苯胺染色检测高抗系（齐 139）和高感系（昌 7-2）叶
片 H2O2 的产生；（B）定量测定高抗系（齐 139）和高感系（昌 7-2） 4
叶片 H2O2 的产生。CK：对照 control；TR：treatment.
3
图3 SO2 胁迫下玉米抗感自交系叶片 H2O2 产生的动态变化
Fig.3 Dynamic change of H2O2 production in tolerant and susceptible 2
maize inbred lines under SO2 stress
1
0
高峰，随后开始降低；而高感系昌 7-2 在处理 12 h
0 3 6 12 24
后一直保持较高的活性氧积累，这可能是其对 SO2 t (处理)/h
较敏感受伤害较重的原因之一。 （B）
2.4 SO2 胁迫对抗感玉米幼苗叶片活性氧代谢关 图 4 SO2 胁迫下玉米抗感自交系叶片 SOD 和 CAT 活性的动态变化
键酶的影响 Fig.4 Dynamic changes of SOD and CAT activities in tolerant
SOD 和 CAT 作为主要的活性氧代谢酶，对于 and susceptible maize inbred lines under SO2 stress
维持植物体内 ROS 动态平衡起着主导作用。 SO2对
胁迫下抗感材料中 SOD 和 CAT 活性的动态变化分 3 讨论
析表明： 2 胁迫过程中， 139 和昌 7-2 叶片 SOD
SO 齐 植物在胁迫条件下会发生氧化胁迫，促使活性
的活性变化差异显著（图 4-A）。高抗性齐 139 叶 氧物质（ROS）如超氧阴离子自由基(O2-)和过氧化
片 SOD 的活性呈现明显的上升趋势，在胁迫早期 氢(H2O2)等的产生及过量累积而损伤细胞。本实验
逐渐升高，12 h 达到最大，然后急剧下降，24 h 时 通过对抗感玉米自交系在SO2胁迫下活性氧代谢的
趋于起始状态；而在高感系昌 7-2 叶片中，胁迫早 差异的比较，发现抗性系在胁迫早期（3 h）产生较
期 SOD 的活性缓慢升高，12 h 后急剧下降，24 h 多的活性氧（O2-和H2O2），随后开始降低并趋于平
时活性低于对照，说明其 SOD 受到严重损伤。这 衡，而敏感性在胁迫早期产生的活性氧较少，后期
一结果暗示了抗氧化防护酶 SOD 在玉米幼苗对 （12 h）有大量的活性氧积累。与此趋势对应，抗性
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夏宗良等：二氧化硫胁迫对不同抗性玉米幼苗活性氧代谢的影响 1081
系在胁迫处理的12 h后抗氧化酶SOD和CAT活性最 参考文献：
高，而敏感系只在6 h后稍有提高，抗感系中活性氧 [1] LOVATI M R, MANZONI C, DALDOSSI M, et al. Effects of sub-
chronic exposure to SO2 on lipid and carbohydrate metabolism[J]. Ar-
积累的差异可能与其对SO2的抗性相关。已有研究
chives of Toxicology, 1996, 70: 164-173.
表明：ROS可以作为第二信使，激活植物体的防卫
[2] ALSCHER R, BOWER J L, ZIPFEL W. The basis for different sensi-
系统以提高对外界胁迫的抗性和适应能力。因此， tivities of photosynthesis to SO2 in two cultivars of pea[J]. Journal of
推测玉米抗性系早期产生的ROS可能作为信号分 Experimental Botany, 1987, 38: 99-108.
子，通过激活抗氧化酶SOD和CAT的活性参与了对 [3] AGRAWAL S B. Effect of sulphur dioxide exposure on chlorophyll
content and nitrogenase activity of Vicia faba L.plants[J]. Bulletin of
SO2胁迫的抗性反应。
Environmental Contamination and Toxicology, 1991, 47: 770-774.
超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)是
[4] GREEN R, FLUHR R. UV-B induced PR-1 accumulation is mediated
决定植物细胞对SO2胁迫抗性的关键酶类，它能清 by active oxygen species[J]. Plant Cell1, 1995, 7: 203-212.
除体内活性氧和膜脂过氧化所产生的有毒产物，维 [5] OROZCO-CARDENAS M L, NARVAEZ-VASQUEZ J, RYAN C A.
持胞内活性氧的动态平衡，提高植物对逆境的耐受 Hydrogen peroxide acts as a second messenger for the induction of
力，减轻对细胞的伤害[11-12]。SOD是植物体内最重 defense genes in tomato plants in response to wounding, systemic and
methyl jasmonate[J]. Plant Cell, 2001, 13: 179-191.
要的保护酶， 主要清除细胞内的O2-。 许多研究表明，
[6] OVERMYER K, TUOMINEN H, KETTUNEN R, et al.
SO2胁迫可显著提高SOD活性，叶片SOD活性大小 Ozone-sensitive Arabidopsis rcd1 mutant reveals opposite roles for
与植物对SO2的抗性密切相关。本试验中观察到玉 ethylene and jasmonate signaling pathways in regulating superox-
米抗性自交系齐139叶片内SOD活性的显著升高， ide–dependent cell death[J]. Plant Cell, 2000, 12: 1849-62.
[7] AEBI H. Catalase in vitro[J]. Methods in Enzymology, 1984, 105:
而在敏感自交系昌7-2中SOD活性增加幅度不大， 且
121-126.
在后期活性受到显著抑制。由此表明SOD在玉米抵
[8] REA G, PINTO M C, TAVAZZA R, et al. Ectopic expression of
抗SO2胁迫诱导的氧化损伤中起着重要作用。高抗 maize polyamine oxidase and pea copper amine oxidase in the cell
系齐139与高感系昌7-2在抗氧化酶SOD和CAT活性 wall of tobacco plants[J]. Plant Physiology, 2004, 134: 1414-1426.
的差异，有力地证明了抗性系比敏感系具有更有效 [9] FERGUSON I B, WATKINS C B, HARMAN J E. Inhibition by cal-
cium of senescence of detached cucumber cotyledons[J]. Plant
的活性氧代谢系统。
Physio1ogy, 1983, 71: 182-186.
4 结论 [10] JIANG M, ZHANG J. Water stress-induced abscisic acid accumulation
通过对抗感玉米自交系在SO2 胁迫下活性氧代 triggers the increased generation of reactive oxygen species and
谢差异的比较，发现抗性系在胁迫早期产生较多的活 up-regulates the activities of antioxidant enzymes in maize leaves[J].
性氧，后期被迅速清除而趋于平衡； 而敏感性在胁迫 Journal of Experimental Botany, 2002, 53: 2401-2410.
[11] SEANDALIOS J G. Oxygen stress and superoxide dismutases[J]. Plant
早期产生的活性氧较少，后期有大量的活性氧积累，
Physiology, 1993, 101: 7-12.
导致细胞损伤。抗氧化酶SOD和CAT在抗性系中显著
[12] KUBO A, SAJI H, KONDO N. Expression of Arabidopsis cytosolic
升高，而敏感系中增幅不显著， 不同抗性系中活性氧 ascorbate peroxidase gene in response to ozone or sulfur dioxide[J].
代谢的差异可能与其对SO2的抗性密切相关。 Plant Molecular Biology, 1995, 29: 479-489.
Effects of sulfur dioxide stress on reactive oxygen species metabolism
of maize seedlings with contrasting tolerance
XIA Zongliang, XUE Ruili, WU Ke, ZHOU Peng, WU Jianyu
College of Life Sciences, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China
Abstract: Differences in reactive oxygen species (ROS) metabolism were analyzed in maize(Zea Mays. L) seedlings from highly
tolerant inbred Qi139 and highly sensitive inbred Chang7-2 by 60 mg·m-3 SO2 treatment. The results showed that in the tolerant line
Qi139 a significant increase in the production of O2– and H2O2 occurred within the first 3 h of treatment; subsequently, the increased
ROS were rapidly scavenged and reached the balance states at 12 h of the stress. On the contrary, in the sensitive line chang7-2 a less
increase in the production of O2– and H2O2 was observed within the first 3 h of treatment, and the ROS production was increased
rapidly after 12 h of the stress, which caused oxidative damage to cells. The activities of the main antioxidant enzymes Superoxide
dismutase (SOD) and catalase (CAT) in the tolerant inbred were up-regulated significantly, but not in the sensitive inbred seedlings.
This study suggests that the differences in active oxygen species metabolism among maize inbred lines with different sensitivities
may be closely relevant to SO2 tolerance.
Key words: maize; sulfur dioxide; reactive oxygen species; stress; antioxidant enzymes
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