1、近年來，稀土元素在各個領域廣為應用。特別是在中國和其他一些國家，稀土微肥被成功用于促進作物生長和提高產(chǎn)品品質(zhì)，已有30余年的歷史。據(jù)報道，適量稀土對植物生長、產(chǎn)品品質(zhì)及抗逆性方面有促進作用，但是當稀土濃度過高時，則起抑制作用，表現(xiàn)為“低促高抑(hormesiseffect)”現(xiàn)象。植物體內(nèi)的保護酶系統(tǒng)，如過氧化氫酶，過氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶對稀土敏感。因此，保護酶如過氧化物酶可作為生物標記物來研究酶與稀土的相互作用。然而，由

2、于植物細胞壁的阻隔作用，稀土能否進入細胞及其對POD在植物細胞的分布、活性和結構的影響機理，以及POD生物活性和結構的關系至今仍不清楚。辣根過氧化物酶(HRP)為POD酶超家族的一員，其主要源自辣根，且HRP分離純化及其結構研究透徹。本論文中，HRP作為過氧化物酶的典型模型，通過多學科交叉合作，研究了輕稀土離子La3+和重稀土離子Tb3+對植物體內(nèi)外的HRP活性與結構的影響。結果主要歸納如下： 模擬生理溶液中，輕稀土離子La3

3、+對HRP活性的影響隨稀土濃度升高呈現(xiàn)“低促高抑(Hormesiseffect)”現(xiàn)象。產(chǎn)生這種效應的成因是La3+改變了HRP的構象。低濃度的La3+使HRP的多肽鏈構象的有序結構含量增加，無序結構含量減少，使血紅素卟啉環(huán)中非平面性增加，導致HRP分子血紅素活性中心Fe(Ⅲ)暴露程度的增加，使得HRP分子電子傳遞更加容易，因而HRP分子的活性增加。高濃度的La3+會使HRP分子中的多肽鏈構象的有序結構含量減少，無序結構含量增加，整個分

4、子更趨近于松散，使血紅素卟啉環(huán)中平面性增加，導致HRP分子血紅素活性中心Fe(Ⅲ)的暴露程度減弱，使HRP分子電子傳遞更為困難，因而HRP分子的活性被抑制。La3+可以和HRP分子中多肽的酰胺發(fā)生相互作用，改變多肽鏈的構象，從而對活性中心產(chǎn)生微擾。低濃度的La3+和HRP相互作用，只是改變了HRP的構象，其中并沒有La-HRP配合物生成。高濃度的La3+和HRP相互作用，有La0.88-HRP配合物生成，0.44摩爾Ca(Ⅲ)被La3+

5、取代。HRP中Ca(Ⅱ)的丟失將導致HRP活性的降低。進一步解釋了HRP的活性被高濃度的La3+所抑制的現(xiàn)象。在La0.88-HRP配合物中，La3+和HRP多肽鏈酰胺的氧原子或氮原子形成共價鍵，使整個分子電子云密度重新分配，從而導致HRP分子生物活性的變化。 辣根體內(nèi)HRP的活性隨La3+濃度的升高也呈現(xiàn)出低促高抑現(xiàn)象。低濃度的La3+處理辣根，稀土離子不能進入細胞內(nèi)部，在細胞壁和細胞膜上有少量稀土存在，細胞超微結構完整，葉

6、綠體類囊體的片層結構增加，能促進HRP的酶蛋白的合成和營養(yǎng)元素的吸收利用，如，鈣，鐵。低濃度La3+對辣根生長起到促進作用，此時，辣根體內(nèi)沒有La-HRP生成。高濃度的La3+處理辣根，稀土能進入細胞內(nèi)部，細胞結構受損，HRP大多集中在細胞壁上，造成細胞衰老，對辣根植物生長起到抑制作用。在該條件下，辣根體內(nèi)生成La-HRP配合物，其中La3+和HRP肽鏈上的氧原子或氮原子結合，La-HRP的分子量為43833Da，pI8.76，大約1摩

7、爾的La3+鍵合到1摩爾的HRP上形成1摩爾的La-HRP。HRP和La-HRP的性質(zhì)對比研究表明，La-HRP的構象和微結構不同于HRP。兩者相比，La-HRP血紅素基團的平面性增加，活性中心Fe(Ⅲ)的電子云密度減小，從而使La-HRP的電化學和催化活性被抑制，這可能是La3+抑制辣根體內(nèi)過氧化物酶的機理之一。熒光顯微鏡的結果表明La-HRP經(jīng)食物鏈進入生物體，將被吸附在細胞膜上而影響膜的正常生理功能，對細胞造成傷害。 在

8、模擬生理溶液中Tb3+和HRP相互作用，主要是抑制HRP催化活性，Tb3+的這種抑制作用程度隨Tb3+濃度的增加而增強。Tb3+可以和HRP分子中多肽的酰胺發(fā)生相互作用，改變了HRP多肽鏈的構象，從而對活性中心產(chǎn)生微擾。Tb3+使HRP分子中的多肽鏈構象的有序結構含量減少，無序結構含量增加，整個分子更趨近于松散，使血紅素卟啉環(huán)中平面性增加，導致HRP分子血紅素活性中心Fe(Ⅲ)暴露程度的減弱，使得HRP分子電子傳遞更為困難，因而HRP分

9、子的活性受抑制。MALDI-TOF/MS和XPS結果表明Tb3+對HRP活性產(chǎn)生抑制作用的實質(zhì)是有Tb2-HRP配合物生成，其中平均每摩爾Tb2-HRP含有約2摩爾的Tb3+。在Tb2-HRP配合物中，Tb3+和HRP多肽鏈的氧原子形成共價鍵，使整個分子電子云密度重新分配，從而導致HRP分子生物活性的變化。 Tb3+處理辣根，Tb3+對HRP的抑制作用是主要的，對各項生理指標都表現(xiàn)出傷害效應，此時Tb3+起到重金屬離子的作用。

10、電鏡自顯影結果顯示Tb3+大多集中分布在細胞壁上，少量Tb3+能進入原生質(zhì)體，并主要分布在液泡內(nèi)，葉綠體內(nèi)和葉綠體膜上。而此時HRP大多集中在細胞壁上，造成細胞衰老，對辣根植物生長起到抑制作用。在該條件下，辣根體內(nèi)生成Tb4-HRP配合物，Tb4-HRP的分子量為44336Da，pI8.80，大約4摩爾的Tb3+鍵合到1摩爾的HRP上形成1摩爾的Tb4-HRP，同時有0.21摩爾的鈣被Tb3+取代。HRP和Tb4-HRP的性質(zhì)對比研究表

11、明，Tb4-HRP的形成改變了HRP的構象和微結構，導致血紅素基團的平面性增加，活性中心Fe(Ⅲ)的暴露程度減小，從而使Tb4-HRP的電化學和催化活性被抑制，這可能是Tb3+抑制辣根體內(nèi)過氧化物酶活性的機理之一。熒光顯微鏡的結果表明Tb4-HRP經(jīng)食物鏈進入生物體，將被吸附在細胞膜上而影響膜的正常生理功能，對細胞造成傷害。 在稀土農(nóng)用時，要慎重選擇稀土離子應該為輕稀土離子如鑭，并控制在較低的濃度范圍。重稀土離子如鋱對植物生長