氯化镧对铜胁迫下玉米幼苗抗氧化特性的影响

代惠萍，赵 桦，贾根良，吴三桥，赵美容(1.陕西理工学院/陕西省资源重点实验室,陕西 汉中 73001； .陕西理工学院 生物科学与工程学院,陕西 汉中 73001； 3.兰州大学 生命科学学院/甘肃省环境生物监测与修复重点实验室,甘肃 兰州 730000；.西北农林科技大学 理学院，陕西 杨凌 71100)

氯化镧对铜胁迫下玉米幼苗抗氧化特性的影响

代惠萍1,2,3，赵 桦2，贾根良4，吴三桥2，赵美容2
(1.陕西理工学院/陕西省资源重点实验室,陕西 汉中 723001； 2.陕西理工学院 生物科学与工程学院,陕西 汉中 723001； 3.兰州大学 生命科学学院/甘肃省环境生物监测与修复重点实验室,甘肃 兰州 730000；4.西北农林科技大学 理学院，陕西 杨凌 712100)

以玉米为试材，采用溶液培养方法，研究了外源氯化镧对铜胁迫下玉米幼苗叶片及根系抗氧化特性的影响。结果表明，铜胁迫显著提高了玉米叶片SOD、CAT、APX、DHAR活性、GSH含量、细胞质膜透性、MDA含量及根系SOD、CAT、DHAR活性、AsA含量、细胞质膜透性、MDA含量，而使叶片POD、GR活性、AsA含量及根系POD、APX、GR活性、GSH含量显著降低。与铜胁迫相比，氯化镧+铜复合处理叶片的SOD、APX、GR、DHAR活性与AsA含量分别显著增加了16.3%、86.2%、225.0%、62.5%、267.7%，其根系POD、APX、GR、DHAR活性和GSH含量分别显著增加了148.5%、66.7%、51.5%、23.7%、19.3%，叶片CAT、POD活性、GSH含量、细胞质膜透性、MDA含量分别降低了47.5%、15.0%、15.4%、44.3%、48.1%，根系CAT活性、AsA含量、细胞质膜透性、MDA含量分别降低了42.9%、50.0%、35.8%、41.1%，氯化镧+铜复合处理使玉米幼苗生物量显著增加了25.4%。综上，氯化镧可提高玉米幼苗的抗氧化能力，从而缓解铜胁迫玉米植株所造成的伤害。

氯化镧； 玉米幼苗； 铜胁迫； 抗氧化特性

铜(Cu)是植物正常生命活动所必需的微量元素，同时是多种蛋白质和酶的组成成分，广泛参与植物的多种代谢反应，但过量的铜则会导致植物细胞内活性氧(ROS)浓度升高，对植物产生毒害作用[1]。为了抵御铜胁迫造成的伤害，植物则会通过增强抗氧化酶活性和非酶抗氧化剂含量，即增强植物体自身的活性氧清除系统，从而减少或降低氧化伤害[2-10]。镧是一种稀土元素，在调控植物抗逆性中具有重要作用。研究表明，稀土元素镧能促进植物的生长发育，提高植物的抗逆性，尤其可以显著增强植物的抗氧化能力[2,11]。如王蕊等[3]以豌豆为研究对象，证明了镧处理缓解了铜胁迫对豌豆幼苗膜系统造成的伤害。但迄今有关氯化镧调控铜胁迫下玉米抗氧化能力的报道很少。因此，从生理水平研究氯化镧对玉米抗氧化特性及抗铜的生理调控机制意义重大。

本试验以滑玉14幼苗为材料，研究了外源氯化镧对铜胁迫下玉米幼苗叶片超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、 谷胱甘肽还原酶(GR)、脱氢抗坏血酸还原酶(DHAR)活性、抗坏血酸(AsA)含量、还原型谷胱苷肽(GSH)含量及细胞膜透性、丙二醛(MDA)含量等生理指标的影响，以期揭示外源氯化镧提高玉米抗铜性的生理机制，旨在为农业生产栽培中的应用提供依据。

1 材料和方法

1.1 材料培养及处理

试验玉米材料为滑玉14。挑选大小均匀、颗粒饱满且无病虫害的种子用0.1% HgCl2浸泡20 min进行常规消毒并用蒸馏水冲洗，再用蒸馏水浸泡24 h，然后转移至培养皿中，加入适量蒸馏水在培养箱中进行发芽与幼苗培养，培养箱温度设为25 ℃。待幼苗长出第1片叶时，挑选生长情况基本一致的幼苗转入1/2 Hoagland营养液中进行培养，每2 d换一次营养液。待幼苗长至两叶一心时，挑选生长情况基本一致的幼苗进行试验。试验共设3种处理，分别为100 mL 1/2 Hoagland营养液处理(CK)、铜胁迫处理(Cu)、氯化镧+铜胁迫处理(La+Cu)，其中Cu胁迫处理是向100 mL 1/2 Hoagland营养液中加入CuSO4，使其成为100 μmol/L CuSO4溶液，将根系置于该溶液中进行处理；La+Cu胁迫处理是先用100 mL 1/2 Hoagland营养液配制成的30 μmol/L LaCl3预处理24 h，然后转入100 mL 100 μmol/L CuSO4溶液中进行处理。每个处理用5株幼苗，重复3次。在处理2 d后，分别测定各处理叶片及根系的各项生理指标，每个指标重复测定3次。

1.2 测定项目与方法

膜透性测定参照Shan等[4]的方法，膜透性用膜相对透性表示，膜相对透性=L1/L2×100%。式中：L1表示杀死前外渗液的电导值，L2表示杀死后外渗液的电导值。MDA含量及SOD、POD、CAT、APX、GR 活性测定按照Dai等[5-7]的方法。DHAR活性测定参照Miyake等[8]的方法。AsA含量参照Kampfenkel等[9]的方法测定。GSH含量参照Dai 等[10]的方法测定。生物量采用烘干法测定。

1.3 数据处理

采用SAS软件处理，在α=0.05水平上进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 氯化镧对铜胁迫下玉米幼苗抗氧化酶活性及细胞质膜透性、AsA、GSH和MDA含量的影响

由表1可以看出，与对照相比， Cu胁迫显著提高了玉米叶片SOD、CAT、APX、DHAR活性、GSH含量、细胞质膜透性、MDA含量及根系SOD、CAT、DHAR活性、AsA含量、细胞质膜透性、MDA含量，而使叶片POD、GR活性、AsA含量及根系POD、APX、GR活性、GSH含量显著降低。与Cu胁迫相比，La+Cu复合处理叶片的SOD、APX、GR、DHAR活性与AsA含量分别显著增加了16.3%、86.2%、225.0%、62.5%、267.7%，其根系POD、APX、GR、DHAR活性和GSH含量分别显著增加了148.5%、66.7%、51.5%、23.7%、19.3%，叶片CAT、POD活性、GSH含量、细胞质膜透性、MDA含量分别降低了47.5%、15.0%、15.4%、44.3%、48.1%，根系CAT活性、AsA含量、细胞质膜透性、MDA含量分别降低了42.9%、50.0%、35.8%、41.1%。

表1 氯化镧对铜胁迫下玉米幼苗叶片和根系SOD、CAT、POD、APX、GR、DHAR活性、膜透性、AsA、GSH和MDA含量的影响

项目器官处理 CK Cu La+CuSOD活性/(U/g)叶2．7±0．3c4．3±0．5b5．0±0．8a根5．5±0．8b6．1±0．6a6．2±0．5aCAT活性/[U/(min·g)]叶8．5±2．6c20．0±4．3a10．5±5．2b根1．1±3．2c3．5±3．1a2．0±7．1bPOD活性/[U/(min·g)]叶3．0±2．1a2．0±2．8b1．7±3．3b根16．7±2．4b10．3±2．2c25．6±3．6aAPX活性/[U/(min·g)]叶16．2±2．0c30．5±3．1b56．8±2．7a根10．5±1．9b7．5±2．4c12．5±2．9aGR活性/[U/(min·g)]叶4．0±2．3b2．0±2．5c6．5±3．2a根5．1±1．3a3．3±1．7b5．0±3．5aDHAR活性/[U/(min·g)]叶21．4±1．2a25．1±1．1b40．8±2．1a根15．9±1．6b27．9±1．8b34．5±2．7aAsA含量/(μmol/g)叶0．42±0．5b0．31±1．4c1．14±1．5a根0．45±0．6c0．60±0．9a0．30±1．2cGSH含量/(μmol/g)叶0．92±0．4b1．04±0．7a0．88±1．1b根0．86±0．3b0．83±0．5b0．99±0．6a膜透性/%叶10．1±0．4c28．7±0．6a16．0±1．0b根13．0±0．3c29．6±0．2a19．0±0．5bMDA含量/(μmol/g)叶1．4±0．2c5．2±0．4a2．7±0．6b根2．3±0．1c5．6±0．2a3．3±0．3b

注：表中同行中数值后不同小写字母表示同一指标在不同处理间在α=0.05水平差异显著，下同。

2.2 氯化镧对铜胁迫下玉米幼苗生物量的影响

生物量的大小反映植物对不良环境条件的抵抗能力。由表2可知，与对照相比，Cu胁迫处理使玉米幼苗单株干质量显著降低了33.7%。与Cu胁迫处理相比，La+Cu复合处理则显著增加了玉米幼苗的单株干质量。这进一步说明，氯化镧可以缓解Cu胁迫对玉米植株造成的伤害。

表2 氯化镧对铜胁迫下玉米幼苗单株生物量的影响 g/株

3 结论与讨论

镧是一种重要的稀土元素，氯化镧能够调控胁迫下植物的抗氧化代谢，进而调控植物抗逆境的能力[2-3,11]。本研究表明，与Cu胁迫比较，La+Cu显著降低铜胁迫对叶片和根系造成的过氧化伤害。其La+Cu处理下参试品种叶片和根系的细胞质膜透性和MDA含量显著降低，这说明氯化镧在一定程度上缓解铜胁迫对玉米幼苗所造成的过氧化伤害，这与潘雪峰等[1]研究结果一致。王蕊等[3]研究表明，镧可以通过提高豌豆叶片SOD、CAT和POD活性而缓解铜胁迫所造成的氧化伤害。本研究进一步证实了这一结果，镧可以通过提高玉米幼苗叶片SOD活性而提高抗铜性。马占强等[12]在玉米上的研究表明，添加镧使玉米幼苗叶片的POD活性显著减少，这与本研究的结果基本一致。说明施用氯化镧使玉米幼苗叶片SOD、APX、GR和DHAR活性及根系POD、APX和GR活性显著增加，从而使根叶细胞质膜透性和MDA含量显著降低，缓解玉米所遭受的氧化伤害，增强抗铜的能力。GSH作为AsA-GSH循环代谢的重要组成部分参与或直接清除细胞内活性氧自由基，GR的活性影响到胞内GSH库的水平，添加氯化镧使GR活性、GSH含量显著增加，GSH促进AsA-GSH循环使得DHAR、APX和GR的活性相应提高[13-15]。AsA作为一种小分子的抗氧化物质，与植物的抗氧化能力密切相关。本研究表明，氯化镧使叶片AsA含量显著增加。说明氯化镧可以通过增强幼苗抗氧化系统的防护能力而提高抗铜能力。

生物量大小是衡量植物对逆境条件适应的重要指标。吴文杰等[2]研究报道，氯化镧的添加促进了水稻的生长，使水稻的生物量增加。在本试验中也验证了这一点。说明氯化镧的添加缓解铜对玉米的毒害，使溶液中铜与氯化镧络合，更易被玉米吸收，进而对生物量积累有重要的影响。

综上所述，可以通过根部灌水的方式，利用氯化镧提高玉米的抗铜性，从而为氯化镧在玉米生产栽培中的应用提供理论基础。

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Effects of Lanthanum Chloride on Antioxidant Characteristics of Maize Seedlings under Copper Stress

DAI Huiping1,2,3,ZHAO Hua2,JIA Genliang4,WU Sanqiao2,ZHAO Meirong2
(1.Shaanxi Province Key Laboratory of Bio-resources/Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723001,China; 2.College of Biological Science & Engineering,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723001,China; 3.School of Life Sciences,Lanzhou University/Gansu Key Laboratory of Biomonitoring and Bioremediation for Environmental Pollution,Lanzhou 730000,China; 4.College of Science,Northwest A&F University,Yangling 712100,China)

Hydroponic experiments were conducted to study the effects of exogenous lanthanum chloride on the antioxidant properties of maize seedling leaves and roots under copper stress.The results showed that copper stress significantly increased the activities of SOD,CAT,APX,DHAR,membrane permeability,and the contents of GSH,MDA in leaves,as well as the activities of SOD,CAT,DHAR,membrane permeability,and contents of AsA,MDA in roots,however,significantly decreased the activities of POD,GR and content of AsA in leaves，as well as the activities of POD,APX,GR and the GSH content in root.Compared with copper stress alone,exogenous lanthanum chloride could significantly increase the activities of SOD,APX,GR,DHAR and AsA content by 16.3%,86.2%,225.0%,62.5%,267.7% respectively in leaves,and the activities of SOD,POD,APX,GR,DHAR and the GSH content by 1.6%,148.5%,66.7%,51.5%,23.7%,19.3% respectively in roots; decrease the activities of CAT,POD,membrane permeability,and content of GSH,MDA by 47.5%、15.0%、15.4%、44.3%、48.1% in leaves,the activities of CAT,membrane permeability,and content of AsA,MDA in roots by 42.9%,50%,35.8%,41.1%;and significantly increase the biomass per plant by 25.4%.Above results indicated that lanthanum chloride could alleviate the oxidative damage and enhance the antioxidant abilities of maize seedlings.

lanthanum chloride; maize seedling; copper stress; antioxidant characteristics

2015-11-27

陕西省教育厅重点实验室科研计划项目(15JS019)；陕西省自然基金项目(2015JM3086)；甘肃省环境生物监测与修复重点实验室开放基金项目(GBBL2015006)；国家大学生创新创业训练计划项目(201510720570)；陕西省大学生创新创业训练计划项目(1970)；陕西理工学院大学生创新创业训练计划项目(UIRP15034)

代惠萍(1972-)，女，陕西武功人，副教授，博士，主要从事植物逆境生理研究。E-mail:daihp72@aliyun.com

S512.1

A

1004-3268(2016)04-0031-04