甜菜碱对铅胁迫下玉米幼苗生理特性的影响

1 材料与方法

1.1 材料

蠡玉37，购自“阜阳颖汇农贸市场”。

1.2 材料培养及处理

选取籽粒饱满的玉米种子，75%乙醇消毒10 min后，用水冲洗2～3次，于水中浸种48 h后，用湿润的纱布包裹并置于黑暗条件下萌发；将发芽后的种子移入小盆中，置于光照培养箱中培养。培养条件为12 h/12 h（光照/黑暗），光照强度1 200 xl，相对湿度65%，温度25℃/20℃（白天/夜间）。待玉米幼苗培养至2叶1心时进行实验处理，设置4个处理，处理条件见表1。实验处理48 h后，取样测定各项生理指标。每个处理重复3次。

表1 玉米幼苗处理条件

1.3 生理指标测定方法

1.3.1 POD活性的测定

愈创木酚法测定过氧化物酶(POD)的活性。在POD催化下，H2O2将愈创木酚氧化成茶褐色产物。此产物在470 nm处有最大光吸收值，故可通过测定470 nm下的吸光值变化计算POD的活性（U·g-1·min-1），以每分钟内470 nm处吸光值变化0.01为1个POD活性单位（U）。

1.3.2 SOD活性的测定

氮蓝四唑法（NBT还原法）测定超氧化物歧化酶(SOD)的活性。在有氧化物质存在的条件下，核黄素可被光还原，被还原的核黄素在有氧条件下极易再氧化而产生O2-，O2-可将NBT还原为蓝色的甲腙。而SOD可清除O2-，从而抑制了甲腙的形成。故依据SOD抑制NBT在光下的还原作用来确定SOD活性（U·g-1）大小。一个酶活力单位（U）定义为将NBT的还原抑制到对照一半（50%）时所用的酶量。

1.3.3 CAT活性的测定

紫外吸收法测定过氧化氢酶(CAT)的活性。H2O2在240 nm波长下有强烈吸收，CAT能分解H2O2，使反应溶液吸光值随反应时间而降低。根据测量吸光率的变化速度即可测出过氧化氢酶的活性（U·g-1·min-1），以每分钟内240 nm处吸光值减少0.1的酶量为1个酶活单位（U）。

1.3.4 MDA含量的测定

硫代巴比妥酸(TBA)法测定丙二醛（MDA）的含量。TBA在酸性条件下加热与组织中的丙二醛产生显色反应，生成红棕色的三甲川（3、5、5－三甲基恶唑2、4－二酮），三甲川最大的吸收波长在532 nm。为排除可溶性糖的干扰，分别在532 nm、600 nm和450 nm波长处测定吸光度值，即可计算出丙二醛含量（μmol·g-1）。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2007和GraphPad Prism 5.01对各组数据进行计算和作图，SPSS 17.0进行均值、标准误差计算及显著性分析。

2 结果与分析

2.1 外源甜菜碱对玉米幼苗过氧化物酶(POD)活性的影响

POD在植物体内普遍存在，其活性较高，它与光合作用、呼吸作用以及生长素的氧化等都有密切关系，其酶活性与植物抗逆性有着直接的关系，因而在植物的生长发育过程中，是反映植物体内代谢变化的重要生理指标。

由图1可知，随着Pb(NO3)2溶液浓度的增加，玉米幼苗POD活性呈现先升后降趋势（Pb(NO3)2溶液浓度达到50 mg/L时，POD活性最大）。对照组和甜菜碱处理的玉米幼苗POD活性无明显差异，说明正常条件下甜菜碱对POD活性的影响不显著；玉米幼苗在重金属铅胁迫下，与对照组相比，其POD的活性升高，且在甜菜碱的作用下，其POD的酶活性显著提高（p＜0.05），分别提高了63.51%，52.83%，52.48%，52.69%，说明外源甜菜碱可提高重金属铅胁迫下玉米体内POD的活性。

图1 外源甜菜碱对铅胁迫下玉米幼苗过氧化物酶(POD)活性的影响

2.2 外源甜菜碱对玉米幼苗超氧化物歧化酶(SOD)的影响

SOD普遍存在于植物体内，是一种能够清除超氧阴离子自由基的酶，在植物抗逆过程中发挥着重要作用。

由图2可知，玉米体内的SOD活性随着Pb (NO3)2溶液浓度的不断增加呈现上升趋势。对照组和甜菜碱处理的SOD活性无明显差异，说明正常条件下甜菜碱对SOD活性的影响不显著；玉米幼苗在重金属铅胁迫下，与对照组相比，其SOD的活性不断升高，且在甜菜碱的作用下，其SOD活性显著升高（p＜0.05），分别提高了71.24%（50 mg/L），44.00%（200 mg/L），说明外源甜菜碱对重金属铅胁迫下玉米体内SOD的活性有显著影响。

图2 外源甜菜碱对铅胁迫下玉米幼苗超氧化物歧化酶(SOD)活性的影响

2.3 外源甜菜碱对玉米幼苗过氧化氢酶(CAT)的影响

CAT在植物体内普遍存在，是一种为细胞内清除活性氧的保护酶，在防止自由基损伤中起着重要作用。

由图3可知，CAT活性的变化趋势和POD活性大体一致（Pb(NO3)2溶液浓度达到100 mg/L时，CAT活性最大）。甜菜碱处理的CAT活性略低于对照组，说明正常条件下甜菜碱不能提高玉米体内CAT活性。玉米幼苗在重金属铅胁迫的情况下，与对照组相比，其CAT的酶活性升高，且在甜菜碱的作用下（50 mg/L和100 mg/L），其酶活性显著提高（p＜0.05），分别提高了42.50%，47.28%。但是当Pb(NO3)2溶液浓度达到200 mg/ L时，甜菜碱处理的CAT活性低于铅胁迫处理，说明外源甜菜碱对低浓度和中高浓度下的重金属铅胁迫的玉米体内CAT的活性有显著影响。

图3 外源甜菜碱对铅胁迫下玉米幼苗过氧化氢酶(CAT)活性的影响

2.4 外源甜菜碱对玉米幼苗丙二醛(MDA)含量的影响

MDA是在植物器官衰老或逆境条件下受到伤害时，其组织或器官膜脂质发生过氧化反应的产物，其含量与植物衰老及逆境伤害有密切关系。

由图4可以看出，随着Pb(NO3)2溶液的浓度不断升高，玉米体内MDA含量不断增加。甜菜碱处理的MDA含量略低于对照组，说明正常条件下甜菜碱对玉米体内MDA含量无明显的影响。铅胁迫和铅胁迫加甜菜碱处理下丙二醛含量都高于对照组，说明重金属铅胁迫会使玉米幼苗体内的MDA含量增加；但铅胁迫加甜菜碱处理（50 mg/L和100 mg/L）中MDA的含量明显低于铅胁迫处理（p＜0.05），分别降低了25.99%，21.55%。但是当Pb(NO3)2溶液浓度达到200 mg/ L时，甜菜碱处理下的MDA含量只降低了10.49%，说明甜菜碱对低浓度和中高浓度的重金属铅胁迫玉米体内MDA含量有显著的影响。

3 讨论

目前，对于甜菜碱的研究很多，主要集中在对其生物功能的研究上。甜菜碱是含羧基的季铵化合物，是高等植物中最重要的渗透调节物质之一，定位于细胞质。当植物遭遇胁迫时，甜菜碱会在细胞质中积累并达到较高的水平，从而调节渗透压，维持细胞内的水分平衡，同时还能够在渗透胁迫条件下稳定生物大分子的结构和功能，保护POD，SOD，CAT等保护酶的活性[11]，对植物维持细胞内的正常膨压以及一些生化反应的进行具有重要的生理意义[12]。

图4 外源甜菜碱对铅胁迫下玉米幼苗丙二醛(MDA)含量的影响

近年来，甜菜碱在抗逆方面的生物功能越来越受到关注。甜菜碱在外源施用时，无论采用浸种、灌根还是喷施都有利于植物的吸收，甜菜碱通过提高植物的抗逆性使其度过逆境恢复生长，对实现农业稳产具有重要意义[13-14]。本研究显示，在处理时间内随着Pb(NO3)2溶液浓度的增加，POD活性和CAT活性呈现先上升后下降的趋势，SOD活性和MDA含量持续增加，并且甜菜碱能够显著提高铅胁迫下玉米幼苗的POD，SOD（Pb(NO3)2浓度≥50 mg/L）和CAT（50 mg/L≤Pb(NO3)2浓度＜200 mg/L）活性；明显降低MDA的含量（50 mg/ L≤Pb(NO3)2浓度＜200 mg/L）；结果表明，甜菜碱通过提高植物体内POD，SOD，CAT活性，降低MDA含量的增加量，在一定程度上可缓解重金属铅胁迫对玉米幼苗的伤害，帮助植物更好的适应环境。本实验可为甜菜碱抵御重金属胁迫的分子机制研究提供新的思路，也可为进一步解决重金属污染，提高植物抗逆性提供重要实验参考数据。

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Effects of betaine on physiological characteristics of maize seedlings under Pb stress

LIU Hui1，JING Huai-jiang1，ZHOU Xin1，WANG Rong1,2*
(1.School of Biology and Food Engineering,Fuyang Normal University,Fuyang Anhui236037,China;2.Key Laboratory of Embryo Development and Reproductive Regulation Anhui Province，Fuyang Anhui236037,China)

In order to study the effects of betaine on the growth and development of maize seedlings under heavy metal Pb stress,maize seedlings were treated with betaine under different concentrations of Pb stress.The growth of maize seedlings was observed and the activities of peroxidase(POD),superoxide dismutase(SOD),catalase(CAT)and malondialdehyde(MDA)content were measured,to investigate the effects of exogenous betaine on Pb stress of maize seedlings.The results showed that the activities of POD,SOD and CAT in maize seedling were significantly increased after betaine treatment,and the increase of MDAcontent was significantly decreased,indicating that betaine could relieve the stress of maize seedlings to a certain extent.

betaine;Pb stress;maize seedlings;physiological characteristics

Q945.78

1004-4329（2017）01-046-05

10.14096/j.cnki.cn34-1069/n/1004-4329（2017）01-046-05

2016-12-08

国家自然科学基金重点项目（21637004）；安徽省科技厅自然基金项目（1408085MC44）；安徽省教育厅自然科学研究重点项目（KJ2016A874）资助。

刘慧（1991-），女，硕士生，研究方向：植物抗逆分子机制。

王荣（1968-），女，硕士，教授，研究方向：植物抗逆分子机制及动物早期胚胎发育。Email:wangrbnu@aliyun.com。