Cr6+对3种玉米品种的生理特性影响

马溪平，李鲜珠，沈玉冰，李万龙，张宏亮，王 迪，徐成斌*

辽宁大学环境学院，辽宁 沈阳 110036

Cr6+对3种玉米品种的生理特性影响

马溪平，李鲜珠，沈玉冰，李万龙，张宏亮，王 迪，徐成斌*

辽宁大学环境学院，辽宁 沈阳 110036

为了研究不同剂量下Cr6+对于三种玉米（Zea mays L.）种子的毒害效应，进一步探究长期堆放铬渣的土壤对周围环境的污染程度以及对生态环境的潜在影响。选取三种不同品种的玉米，随机分为对照组以及1×10-4、5×10-4、1×10-3mol·L-1，5×10-3、1×10-2mol·L-1实验剂量组，探究Cr6+对三种不同品种玉米种子的毒害效应。将种子于实验室条件下常规培养后，分别测定不同Cr6+胁迫剂量下，三种玉米种子（郑单958，强盛31，农大108）的生长状况，株高、根长、鲜物质量和干物质量以及胁迫前后超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）以及丙二醛（MDA）的含量变化。对不同剂量下Cr6+对三种玉米的生理特性影响进行比较研究。结果表明：5种不同浓度的Cr6+溶液对玉米种子进行胁迫后，三种玉米的生长均受到了一定程度的抑制，玉米幼苗株高、根长、鲜物质量和干物质量均呈下降趋势。在低剂量1×10-4mol·L-1时，即产生显著影响（P＜0.05），且胁迫剂量越大，对玉米种子生长产生的抑制作用越强。三种不同的玉米种子体内均产生了Cr6+富集现象，且随着染毒剂量的增加，玉米体内富集量增加，细胞叶绿素含量和叶绿素a/b比值降低，三种玉米品种幼苗POD活性、SOD活性以及MDA含量均随暴露浓度增加而增加。在Cr6+暴露剂量为最大剂量1×10-2mol·L-1时，POD活性、SOD活性与MDA含量均增加至最大值。各剂量下，均有显著性变化（P＜0.05）产生。由此可见，不同剂量的Cr6+对于三种玉米种子均会产生一定的毒害效应，对玉米的生长产生不良影响。

Cr6+；玉米；SOD；MDA；POD

重金属污染对植物生长发育具有较大的影响，重金属离子被植物吸收、积累后会胁迫植物发生外在表型、内部结构、酶活性变化等方面的影响（Patricia，200；Nalini，2002）。铬是污染环境的主要重金属元素之一，它有多种价态，其中Cr3+和Cr6+较稳定，在自然环境中常以Cr2O72-和CrO42-形式存在（Becquer等，2003；陈英旭等，1994）。Cr6+则相对于Cr3+铬具有很强的活性、可随水流自由移动、易被植物吸收，具有生物毒性持久稳定等特点（Choudhury和Panda，2005；Sinha等，2007；Sharma等，2003）。铬对植物有明显的毒害作用，可以通过食物链进入人体，危害人体健康造成严重的致癌致畸作用（徐衍忠等，2002；沈明珠等，1996）。铬作为一种植物非必需元素，Cr6+通过运输必需元素的载体以主动运输形式被根部吸收并主要累积在根部（Shanker等，2004）。国内一些学者经研究发现了一些具有耐受铬能力的植物，（郑施雯等，2011；卢立晃等，2010），并且对Cr6+的生理特性方面也做了一些研究。Pandey等（2005）研究了Cr6+在植物体内残留对植物产生毒害作用。王爱云等（2011）研究了重金属Cr对芥菜型油菜和四川黄籽的生理特性及富集影响，得出结论四川黄籽具有潜在的应用价值。许多学者针对Cr6+对SOD、POD活性影响进行了研究（徐成斌等，2008；郑爱珍，2007；畅喜云等，2012）。玉米作为一种粮食作物，是我们人类食物链中不可缺少的必需品，深入了解Cr6+胁迫下不同品种玉米幼苗的影响，有利于清楚地认识到Cr对玉米生长的毒害作用，另一方面对含Cr废物的处理提供一些实际参考，具有指导意义(丁佳红等，2004；Scott和David等，1996)。为减少分析失误，本实验通过在种子萌发期直接胁迫来研究Cr6+对3种不同品种玉米幼苗生长及生理特性的影响，以期进一步在重金属对植物伤害的机理研究方面提供一些实际参考。

1 材料与方法

1.1 材料及处理

供试材料：选取山西省农业科学院种苗公司的玉米种强盛31、河南省农业科学院粮食作物研究所的玉米种郑单958、中国农业大学许启凤教授成功选育的优质高产玉米品种农大108作为实验品种。

本实验开始于2013年10月，实验地点为辽宁大学环境学院实验室。每次选取54个培养皿进行玉米培养。将大小、质量、色泽、饱满程度一致的3种玉米种子整齐地排列在铺有两层滤纸的培养皿中（总计54），每皿10粒，用不同浓度的Cr6+溶液（K2CrO7溶液）10 mL浸泡种子。使种子的暴露浓度分别为1×10-4(处理组I)、5×10-4(处理组II)、1×10-3mol·L-1(处理组III)，5×10-3(处理组IV)、1×10-2mol·L-1(处理组V)。对照组用去离子水同样条件下培养，20～25 ℃条件下避光培养。每个处理组与对照组均设3个重复。以芽长超过0.1 cm为发芽标准，出芽培养7 d后进行下一步处理。

称取2.83 kg风干土壤于花盆中，分别投加浓度为1×10-4(处理组I)、5×10-4(处理组II)、1×10-3mol·L-1(处理组III)，5×10-3(处理组IV)、1×10-2mol·L-1(处理组V)的铬溶液，每个浓度组和对照组均设三次重复，使用保鲜膜将花盆口密封。室温(20～25 ℃)条件下平衡15 d后，将10粒种子均匀播种于土壤中再加入离子水50 mL，密封，于室温条件下，观察发芽和生长，每组出土芽数大于60%时，打开密封袋，让其自由生长，每天补充去离子水10～100 mL。

1.2 仪器与试剂

培养皿、花盆、温度计、培养箱、烧杯、封口袋、研钵、玻璃棒、三角瓶、聚四氟乙烯坩埚、土壤粉碎机、植物粉碎机、滤纸、显微镜、格尺；乙醇等。

1.3 测定方法

取0.5 g叶片，加入5 mL提取液进行冰浴研磨，混合液以12000 r·min-1，在4 ℃下离心15 min，上清液用于测定过氧化物酶(POD)活性、超氧化物歧化酶(SOD)及丙二醛(MDA)含量。

POD活性用愈创木酚法测定用∆OD 470·g-1·min-1表示POD活性大小，用NBT光化还原法测定SOD活性，以抑制NBT光化还原50%为1个酶活性单位（黄辉等，2010）。

用硫代巴比妥酸比色法进行MDA含量的测定，叶绿素的含量采用乙醇丙酮混合液法测定，细胞膜透性用DDS-11 A型电导率仪测定，Cr6+含量的测定采用石墨炉原子吸收光谱（刘祖祺和张石诚，1990）。

图1 Cr6+胁迫对3种玉米幼苗生长的影响Fig.1 The effects of Cr6+on the growth of three species of young corns

2 结果与分析

2.1 Cr6+对玉米种子幼苗生长的影响

胁迫培养6 d后，观察测定幼苗的生长情况(图1)。结果表明，随Cr6+胁迫浓度的增加，玉米幼苗生长受抑制程度增强，不同玉米品种幼苗株高、根长、鲜物质量和干物质量等均明显低于对照组。Cr6+处理浓度在1×10-2mol·L-1时，强盛31、农大108、郑单958的株高分别为对照的36.2%、50.8%、35.9%，各品种间株高差异达显著水平（P＜0.05）。不同玉米品种幼苗根长在Cr6+浓度为0～5×10-4mol·L-1之间降幅明显，随后趋于平稳，根的生长明显受到抑制。在1×10-2mol·L-1Cr6+浓度处理下，不同玉米品种幼苗根长分别为对照组根长的11.6%、24.8%、13.9%，各品种间的差异显著。随Cr6+浓度增加，不同玉米幼苗鲜物质量和干物质量均呈下降趋势。在1×10-2mol·L-1浓度Cr6+处理下农大108的鲜物质量和干物质量最大。

2.2 Cr6+对不同品种玉米幼苗含铬量的影响

随着Cr6+浓度的增加，幼苗中Cr6+含量增高（表1）。由表1可知当Cr6+处理浓度0.1×10-4mol·L-1时，幼苗吸收Cr6+的量较少，呈缓慢增长的趋势。当Cr6+处理浓度由1×10-4mol·L-1到1×10-2mol·L-1时各品种均出现了Cr6+富集现象，Cr6+的处理浓度达1×10-2mol·L-1时，幼苗含Cr6+量从大到小依次为郑单958＞强盛31＞农大108。品种间吸收Cr6+能力存在显著性差异（P＜0.05），其中郑单958吸收富集Cr6+能力较强。

2.3 Cr6+对叶片叶绿素含量的影响

图2为Cr6+处理后叶绿素含量、叶绿素值a/b的变化情况。3种玉米幼苗叶片中叶绿素含量随Cr6+胁迫剂量的增加而逐渐降低，在1×10-2mol·L-1时达到最小值。同对照组比较，3种玉米幼苗叶绿素的含量随Cr6+浓度增加而逐渐减少，其中农大108和郑单958的下降幅度较大。叶绿素a/b的值也有一定的下降。作为衡量叶片衰老与否的生理指标，叶绿素含量和叶绿素a/b的减少表明了Cr6+加速了植物叶片衰老。

2.4 Cr6+对叶片保护酶活性的影响

SOD、POD作为植物体内的重要的保护酶。有相关的研究表明，提高SOD和POD的活性可以作为一种急性解毒有效措施，这样可以使细胞避免受毒害的调节反应，但是作为急性解毒办法，它的这种调节能力是短暂、临时有限的。长时间的胁迫细胞，会造成细胞内的活性物质（内含酶）受到损伤，从而导致活性的下降。

由图3可知，SOD、POD受Cr6+毒害变化显著。当Cr6胁迫浓度变大时，3种玉米种幼苗的SOD活性均变大。在Cr6+1×10-2mol·L-1浓度下处理农大108、郑单958和强盛31幼苗，前两种玉米幼苗的SOD活性明显高于后者。3种玉米幼苗的POD活性也随Cr6+处理浓度的变大而变大，当Cr6+处理浓度达到1×10-2mol·L-1时升至最高点。Cr6+处理的各品种间酶活性差异达到显著水平。

表1 Cr6+胁迫对不同玉米品种幼苗含铬量的影响Table 1 The amount of Chromium in different kindsof young corns under the pressure of Cr6+

图2 Cr6+胁迫对3种玉米品种幼苗叶绿素含量、叶绿素值a/b的影响Fig.2 The effects of Cr6+on the amount of chlorophyll and chlorophyll (a/b) in three species of young corns

2.5 Cr6+对叶片膜脂过氧化及细胞膜透性的影响

有相关研究表明植物器官发生膜脂过氧化后的产物丙二醛会在植物器官处于衰老或逆境条件下时，严重损伤细胞膜系统。因此，膜脂过氧化的程度可以由丙二醛的含量得到反映。从图4可以看出，3个玉米品种幼苗丙二醛的含量都随着Cr6+胁迫浓度的增加而增加，其中以强盛31的增加速度最快，表明随Cr6+浓度提高幼苗过氧化程度加剧，且存在基因型差异。由图5可知，当Cr6+胁迫浓度的增加时电导率也相应变大。当Cr6+浓度1×10-4mol·L-1处理时，电导率升高趋势并未同MDA一样明显，但当Cr6+处理浓度大于5×10-3mol·L-1时，电导率和MDA变化较相似，说明膜脂过氧化是影响膜透性的一个重要因素，但也可能还存在着其他的因素造成膜损伤。

图3 Cr6+胁迫对3种玉米品种幼苗SOD、POD活性的影响Fig.3 The effects of Cr6+on the activity of SOD and POD in three species of young corns

图4 Cr6+胁迫对3种玉米品种幼苗丙二醛含量的影响Fig.4 The effects of Cr6+on the amount of MDA in three species of young corns

图5 Cr6+胁迫对3种玉米品种幼苗膜透性的影响Fig.5 The effects of Cr6+on the permeation of membrane in three species of young corns

3 结论

1）在被Cr6+污染的土地上种植3种不同品种的玉米，玉米幼苗的生长均会受到抑制，不同品种的玉米幼苗株高、根长、鲜物质量和干物质量等均有所下降。土壤中的Cr6+浓度越大，这种抑制作用就越强。

2）随着土壤中Cr6+浓度的增加，3种玉米幼苗含Cr6+量相应提高，均出现Cr6+富集现象。玉米种子内Cr6+富集浓度越大，植株的叶绿素含量和叶绿素a/b比值越小，对玉米植物叶片衰老的作用越强。

3）土壤中Cr6+胁迫浓度的增加，3个玉米品种幼苗SOD活性、POD活性均随Cr6+浓度增加而增强，不同剂量的Cr6+对于三种玉米种子均会产生一定的毒害效应，对玉米的生长产生不良影响。

4）在一定剂量范围内，随着Cr6+胁迫浓度的增加，玉米体内丙二醛MDA的含量与细胞电导率均逐渐增加。且MDA含量越大，细胞膜透性影响越大，对玉米细胞膜的损伤作用越强。

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Effects of Cr6+on Physiological Characteristics of Three Species of Corns

MA Xiping, LI Xianzhu, SHEN Yubing, LI Wanlong, ZHANG Hongliang, WANG Di, XU Chengbin*
Environmental Institute, Liaoning University, Shenyang 110036, China

To study the toxicity effect of Cr and the long-term chromic slag dumps' impact on the surrounding ecological environment and the present status for chromic slag pollution. Three different kinds of maize seeds (Zhengdan 958, Qiangsheng 31, Nongda 108) were divided into the controls, 1×10-4, 5×10-4, 1×10-3mol·L-1, 5×10-3, 1×10-2mol·L-1Cr6+to determine the toxicity effect to the maize. The seeds were routine cultured in the laboratory, then the plant height, root height, plant dry weight, wet weight, the chlorophyll content and the changes of the activity of superoxide dismutase (SOD), peroxidase (POD) and malondialdehyde (MDA) were measured. The results shown that compared with the controls, the plant height, root height, plant dry weight and wet weight decreased respectively in dose-effect manner following the rising Cr6+. The change tendency showed significant differences (P＜0.05) with 1×10-4mol·L-1Cr6+. As the content of Cr6+increased, the chlorophyll content was decerased and the activities of dismutase (SOD), peroxidase (POD) and malondialdehyde (MDA) were gradually increased. The statistically significant differences (P＜0.05) were observed at each dose of experimental group. The Cr6+could cause toxicity effect of maize seeds and do harm for the growth of the maize.

Cr6+; Corn; SOD; MDA; POD

X171.5

A

1674-5906（2014）09-1482-05

马溪平，李鲜珠，沈玉冰，李万龙，张宏亮，王迪，徐成斌. Cr6+对3种玉米品种的生理特性影响[J]. 生态环境学报, 2014, 23(9): 1482-1486.

MA Xiping, LI Xianzhu, SHEN Yubing, LI Wanlong, ZHANG Hongliang, WANG Di, XU Chengbin. Effects of Cr6+on Physiological Characteristics of Three Species of Corns [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(9): 1482-1486.

2011年辽宁省科学技术计划项目(2011230009)；辽宁大学环境学院重点学科资助项目

马溪平(1957年生)，女，教授，硕士，研究方向为流域生态学与生态修复。E-mail: maxiping@163.com *通信作者(责任作者)；E-mail: xuchengbin80@163.com

2014-07-13