镉对谷子幼苗的毒性作用

2019-06-01习夏平仪慧兰

山西农业科学 2019年5期

习夏平，仪慧兰

（山西大学生命科学学院，山西太原 030006）

由于工业“三废”的不合理排放，以及农业生产过程中污水灌溉、肥料过量施用，导致大面积的土壤镉（Cd）污染[1]。据农业部调查数据显示，我国约有1.3 万hm2耕地受到Cd 污染，涉及11 个省市的25 个地区[2]。土壤中的Cd 可经植物根部吸收，在植物体内转运和积累，影响植物生长发育，导致植株矮化、生育期延迟、叶片褪绿萎黄，严重时导致死亡[3-4]。存留在食材中的Cd 还会危害人体健康。

研究发现，小麦、水稻、大豆等作物在Cd 胁迫时氧化还原代谢失衡，植物细胞中积累过量的活性氧（ROS），引起组织的氧化应激，影响植株生长发育[5-7]。现有研究认为，Cd 对植物的危害主要源于胁迫引发的ROS 水平升高。高水平ROS 可使生物大分子结构损伤，功能异常，继发细胞生理紊乱。Cd暴露能使树木幼苗、作物等植物体细胞膜系统受损，叶绿体结构损伤，光合作用抑制[8-9]，还会影响遗传稳定性[10]。

谷子（Setaria italica L.）生长在广袤的丘陵地带，耐旱耐贫瘠、适应性强，作为一种重要的杂粮作物，是我国北方居民的主要粮食之一。山西省谷子种植面积仅次于小麦、玉米，位于杂粮作物之首。

本试验选用谷子幼苗为研究对象，检测了Cd胁迫下谷子幼苗生长状况及氧化/抗氧化指标，以探究谷子幼苗响应Cd 毒性的生理生化反应机制。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试谷子品种为长农44 号，由山西省农业科学院谷子研究所惠赠。

1.2 试验设计

试验在太原市山西大学生命科学学院实验室进行。2018年10月挑选谷粒饱满、大小均一的种子，蒸馏水浸种3 h，湿纱布包裹催芽后将露白的谷种均匀摆放在纱布上，水培法培养谷子幼苗，光周期 16/8 h（光照 /黑暗），温度（25±2）℃，相对湿度40%～60%。7 d 后换用1/4 Hoagland 营养液。

根据前期试验结果，选 50，200 μmol/L Cd 溶液处理10日龄谷子幼苗，对照组使用自来水，每天换1 次处理液。8 d 后测定幼苗根长和地上部分鲜质量，并取地上部分检测生理生化指标。

1.3 测定项目及方法

随机选取每组20 株谷子幼苗，测量其根长，每组30 株幼苗，称量地上部分鲜质量。每个处理设3 个重复。

取幼苗地上部分，采用羟氨氧化法测定O2-·产生速率；硫代巴比妥酸比色法测定MDA 含量；氮蓝四唑光化学还原法测定SOD 活性；愈创木酚比色法测定POD 活性；紫外吸收法测定CAT 活性；CDNB 比色法测定GST 活性；茚三酮显色法测定Cys 含量；分光光度法测定GSH 含量；DTNB 直接测定法测定GPX 活性；H2O2含量用南京建成生物科技有限公司试剂盒测定。

1.4 数据分析

采用SPSS 17.0 软件中的Duncan 法分析各处理组间的差异显著性，使用Microsoft Excel 软件作图。

2 结果与分析

2.1 Cd对谷子幼苗生长的抑制效应

Cd 处理谷子幼苗 8 d 后，50，200 μmol/L Cd 处理组幼苗根长和地上部分鲜质量均显著低于对照组，Cd 处理组谷子幼苗生长缓慢，植株矮小，植株叶缘发黄，叶尖干枯（图1）。Cd 对谷子幼苗生长发育的抑制作用随Cd 浓度增高而增强。

2.2 Cd对谷子幼苗的氧化胁迫

MDA 是膜脂过氧化的产物，通过MDA 含量检测能间接反映植物受Cd 伤害的程度。从图2可以看出，Cd 处理谷子幼苗 8 d 后，50 μmol/L Cd 处理组地上部分O2-·产生速率与对照组间无显著差异，200 μmol/L Cd 处理组O2-·产生速率显著高于对照组；50，200 μmol/L Cd 处理组地上部分中 H2O2和MDA 含量均显著高于对照组。结果说明，一定浓度的Cd 胁迫能诱发谷子幼苗体内ROS 水平升高，导致膜脂过氧化损伤。

2.3 Cd对谷子幼苗抗氧化系统的影响

从图3可以看出，Cd 处理谷子幼苗 8 d 后，50，200 μmol/L Cd 处理组地上部分POD 活性均显著高于对照组，CAT 活性略高于对照，Cys，GSH 含量显著高于对照组，但是SOD，GST 和GPX 活性与对照组间无显著差异。结果表明，谷子幼苗中的POD 对Cd 较敏感，Cd 胁迫组谷子幼苗通过增强植物体内抗氧化酶活性和增加抗氧化物质GSH 和Cys 含量来提高对Cd 毒性的适应性。

3 讨论

现有研究表明，Cd 对植物的伤害主要与其引发的氧化胁迫和氧化损伤有关[5-7，11-13]。Cd 胁迫导致植物体内ROS 水平升高，引发一系列对生物大分子和细胞功能、结构的损伤，导致植株生理异常。本研究表明，谷子幼苗在Cd 胁迫时，体内ROS 水平升高并诱发膜脂过氧化损伤，符合现有研究关于镉毒性与氧化胁迫和氧化损伤关联的描述，说明本试验采用的Cd 处理对谷子幼苗产生了伤害。

为了控制体内ROS 水平，植物体具有复杂的抗氧化系统来清除过量的ROS 自由基。抗氧化系统主要包括抗氧化酶系统和非酶抗氧化系统，抗氧化酶系统主要有 SOD，POD，CAT，GST 和 GPX 等，非酶抗氧化系统包括Cys，GSH，抗坏血酸，维生素E等。SOD 是植物体内清除ROS 的第一个酶，负责将O2-·歧化为H2O2。生成的H2O2可以通过GSH-AsA循环清除，也可由 POD，CAT 等降解。HAN 等[13-14]研究发现，250，500 μmol/L Cd 溶液处理 10日龄谷子幼苗3 d 时，随着Cd 浓度增加，谷子幼苗地上部分SOD 活性呈递增的趋势，250 μmol/L Cd 溶液处理后，谷子幼苗地上部分POD 活性显著增加，随着Cd浓度增加至500 μmol/L 时，幼苗地上部分POD 活性略有降低，250 μmol/L Cd 溶液处理后，谷子幼苗地上部分CAT 活性显著升高，而500 μmol/L Cd 溶液处理后，幼苗地上部分CAT 活性略有降低。本研究采用 50，200 μmol/L Cd 处理 3 d 时，没有检出SOD，POD 和CAT 活性的改变，延长处理时间至8 d时，POD 活性显著升高，但SOD 和CAT 活性无明显改变，说明谷子抗氧化酶对Cd 的响应会因为Cd 处理浓度和时间的不同而有所不同，高浓度或长时间Cd 处理能形成较高水平的ROS，促使抗氧化酶活性提高以代谢活性氧分子，但是持续过高的ROS 水平能损伤蛋白分子，导致酶活性下降。

Cys 是植物硫同化途径的最终产物，植物以Cys 为前体合成GSH，GSH 是生物体内重要的抗氧化剂，可以通过抗坏血酸-谷胱甘肽循环清除Cd诱导的ROS，还可作为底物合成植物螯合素（PC），在植物细胞中PC 能够结合Cd2+，从而降低Cd 对植物细胞的毒害作用。GST 是由一个大的多基因家族编码的多功能蛋白酶，属Ⅱ相解毒酶，除了具有典型的谷胱甘肽转移酶活性外，还具有谷胱甘肽过氧化物酶的活性[15]。GPX 以还原型GSH 为底物，催化H2O2及其有机氢过氧化物的分解，提高机体清除ROS 能力[16]。在重金属胁迫时，GST 和 GPX 具有清除体内ROS 自由基和解毒的双重功能，可以保护细胞免受ROS 的损害。本研究中Cd 胁迫可以诱导谷子幼苗GSH 和Cys 含量显著增加，与前人在玉米中得到结果[17]一致，表明抗氧化物质Cys 和GSH在谷子对Cd 的适应性生理中发挥了重要作用。王亚丽[14]研究发现，250，500 μmol/L Cd 处理 3 d 后谷子幼苗地上部分GST 和GPX 活性无明显改变，与本研究结果一致，表明谷子幼苗GST 和GPX 对50～500 μmol/L Cd 处理不敏感。