外源脱落酸对大麦幼苗镉胁迫伤害的影响

2012-06-22李晓科张义贤

山西农业科学 2012年1期

李晓科，张义贤

（1.晋中学院生物科学与技术学院，山西晋中 030600；2.山西大学生命科学与技术学院，山西太原 030006）

重金属镉（Cd）是环境中广泛存在的重金属微量元素。它既不参与植物体的结构组成，也不参与细胞的代谢活动，如果在体内过量积累，将对植物造成严重的毒害，已成为目前我国土壤—作物生态系统中主要的重金属污染物之一[1-2]。

在重金属胁迫下，植物会产生一系列的生理生化反应，其中，生物活性氧的积累会导致膜脂过氧化作用，造成膜系统的损伤，膜脂过氧化的最终产物丙二醛（MDA）可与细胞膜上的蛋白质、酶等结合、交联而使之失活，从而破坏生物膜的结构与功能[3]。而细胞内存在一些清除活性氧的保护酶SOD，CAT，POD，它们的协调作用可以清除过剩的氧自由基，防止细胞受到伤害[4-7]。脱落酸（ABA）作为信号分子在干旱、寒害、盐害等胁迫过程中起着重要的作用[8-9]。许多研究表明，脱落酸（ABA）可以减缓和抵抗这些逆境造成的伤害[10]。而外源脱落酸对重金属胁迫引起大麦幼苗脂质过氧化伤害的防护作用的研究，国内外尚少见报道。

本试验主要研究重金属Cd胁迫条件下外源脱落酸对大麦幼苗叶片细胞膜透性、丙二醛含量、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活性的影响，旨在为了解外源脱落酸在大麦的抗逆胁迫中的作用机制提供一定的理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

本研究所用的试验材料为大麦（Hordeum vulgare），品种为晋科571，由山西省农业科学院品种资源研究所提供。

1.2 试验方法

1.2.1 材料培养选取饱满、大小均匀的大麦种子，用8%NaClO消毒30 min，蒸馏水洗净后，于30℃温水中浸种5 h，然后置于28℃恒温培养箱中培养萌发。待种子露白后排列放于铺有数层滤纸的培养皿中，每一培养皿中放50粒大小均匀的种子，用Hoagland营养液水培，恒温培养箱中控制生长条件为：昼夜温度25℃/20℃，自然光照。材料培养24 h后，加入重金属Cd2+和脱落酸进行处理（CdCl2用去离子水配制，浓度以纯金属离子计，处理部位为大麦根尖部分；外源脱落酸为向幼苗喷施）。每12 h更换1次处理液。

1.2.2 试验设计试验共设5个处理，分别为：T1.1 mg/L Cd2+；T2.10 mg/L Cd2+；T3.100 mg/L Cd2+；T2＋ABA.10 mg/L Cd2+＋50 mg/L ABA；CK.不含Cd2+和外源脱落酸的营养液。每一处理设3个重复。

1.2.3 测定方法重金属Cd及外源脱落酸处理5 d后，分别取大麦幼苗上部生长一致的叶片测定生理指标，每个测定3次重复，结果取平均值。细胞膜透性、丙二醛含量采用李合生[11]的方法测定；过氧化物酶（POD）活性采用愈创木酚法，在725型分光光度计470 nm波长处测光密度值；超氧化物歧化酶（SOD）活性采用南京建成生物工程研究所研制的超氧化物歧化酶活性测定试剂盒（黄嘌呤氧化酶法）进行测定。

1.2.4 统计方法试验结果采用SPSS 16.0和Excel 2003软件进行统计。

2 结果与分析

2.1 外源脱落酸（ABA）对大麦幼苗叶片镉胁迫下CMP和MDA含量的影响

植物细胞外渗液的电导率可作为植物细胞膜透性（CMP）变化及损伤的生理指标之一。植物器官在逆境条件下，往往会发生膜脂过氧化作用，丙二醛（MDA）是其产物之一，通常利用它作为脂质过氧化指标来表示细胞膜脂过氧化程度和植物对逆境条件反应的强弱，其含量可以反映植物遭受逆境伤害的程度[11]。从图1，2可以看出，与对照相比，不同质量浓度重金属Cd处理5d后，大麦幼苗叶片的MDA含量及CMP随各处理质量浓度的升高而上升，呈明显的剂量效应关系。统计学分析表明，T1处理的MDA含量及CMP与对照有显著性差异（P＜0.05），T2，T3 处理的这2项生理指标与对照之间都达极显著差异（P＜0.01）。各处理的MDA含量的变幅大于CMP，说明MDA含量的积累先于膜透性的增加。表明向T2处理的幼苗喷施外源脱落酸（ABA）后，与未使用外源脱落酸处理的幼苗相比，其MDA含量及CMP极显著下降（P＜0.01）。因此，外源脱落酸能在一定程度上降低膜脂过氧化程度，保护膜结构的完整性，增强植物抗重金属能力。

2.2 外源脱落酸（ABA）对大麦幼苗叶片镉胁迫下SOD和POD活性的影响

超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）是生物体内重要的活性氧清除酶，在消除超氧化物自由基、减轻脂质过氧化作用和膜损伤等方面起重要作用[11]。由图3，4可知，随着重金属Cd胁迫程度的加大，大麦幼苗叶片中SOD和POD活性均呈先升高后下降趋势。说明重金属Cd胁迫下，叶片细胞内产生较多超氧阴离子自由基O2-，诱导了SOD和POD活性的增加，提高了自身清除O2-的能力。图3表明，与对照相比，T1处理的大麦幼苗叶片SOD活性最高，T2次之，它们与正常幼苗（CK）相比，有极显著差异（P＜0.01），T3处理的幼苗叶片SOD活性显著低于对照（P＜0.05），其原因可能是叶片细胞内产生过量的O2-和H2O2，从而使SOD酶缓慢失活。

图4表明，与对照相比，T1处理的大麦幼苗叶片POD活性有显著增高（P＜0.05），T2处理的幼苗叶片POD活性有所降低，但无显著差异（P＞0.05），T3处理的幼苗叶片POD活性随Cd质量浓度上升而急剧下降，与对照相比，有极显著差异（P＜0.01），表明POD酶可能已经失活。

综合图3，4可以看出，用外源脱落酸（ABA）处理的T2幼苗与未使用ABA处理的T2幼苗相比，其SOD和POD活性都显著提高（P＜0.05），说明经ABA处理能有效减缓Cd胁迫下大麦幼苗叶片中SOD和POD活性的降低。

3 讨论

SOD，POD是广泛存在于植物体内的氧化还原酶，可为植物体内抗氧化系统提供足够的抗活性氧损伤的保护作用，其主要生理功能是清除因各种原因产生的细胞内活性氧自由基的含量，抑制膜内不饱和脂肪酸的过氧化作用，维持细胞膜的稳定性和完整性，提高植物抗逆性[12]。在遭受重金属胁迫时，由逆境引起的活性氧积累会导致植物体生理代谢失调[13]。因此，对植物细胞来说，如何增强和维持抗氧化酶活性，维持活性氧产生与清除之间的平衡，从而避免对膜、光合器官等造成伤害，是其抵御逆境伤害的重要途径[14]。

本试验表明，重金属Cd胁迫诱发大麦幼苗叶片膜脂过氧化，产生大量MDA，并使细胞膜透性增大，膜功能受损。此时，大麦幼苗叶片中SOD和POD活性在T1处理表现为上升趋势，加强了对氧自由基的清除，减轻了逆境所产生的活性氧对细胞的伤害，但随Cd质量浓度的增加（T2和T3处理），SOD和POD活性下降，无法有效地清除活性氧，导致叶片细胞膜系统受到较严重的损伤，丙二醛（MDA）含量也有极显著增高。向T2处理幼苗叶片喷施外源脱落酸（ABA）后，SOD和POD活性又有明显增强，表明外源脱落酸在一定程度上减轻了重金属Cd胁迫对大麦幼苗的伤害，并降低幼苗叶片细胞膜透性和丙二醛（MDA）含量，对幼苗所受到的伤害起一定的缓解作用。

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