外源亚精胺对镉胁迫下玉米幼苗抗氧化酶系统的影响

2019-10-15

种子 2019年9期

(齐齐哈尔大学生命科学与农林学院，黑龙江齐齐哈尔 161006)

土壤中重金属含量伴随着经济的快速发展而逐渐增大，重金属在土壤中很难被降解，土壤中的重金属被农作物富集从而影响作物的光合作用和生理生化反应，使得作物的产量和品质下降。在缓解重金属污染问题方面，国内外学者做了大量工作[1-2]。亚精胺不仅能够对植株生长发育进行调解，在形态建成、性别分化和抗逆性方面发挥重要的作用[3-4]，而且与植物对外界环境胁迫反应的关系非常密切，可以通过抗氧化酶活性和可溶性蛋白含量提高，ROS水平和MDA含量的降低，调节细胞阴阳离子的平衡，提高抗逆能力。前人在亚精胺抗逆性方面的研究工作集中于抗旱、耐冷、抗盐，而关于抗金属方面的工作较少，主要集中在水生植物，关于亚精胺与农作物耐重金属的研究未见报道。镉具有很强的毒性，镉胁迫不仅使植株发生氧化胁迫，导致膜损伤，改变酶系活性，对细胞的超微结构有破坏作用[5-7]，还可对DNA产生直接或间接的影响，破坏蛋白质合成。

本研究以玉米为材料，分析1.0 mmol·L-1亚精胺(Spd)对不同浓度Cd胁迫下玉米幼苗生理生化的变化，为Cd毒害缓解机制研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验方法

挑选颗粒饱满的玉米种子，将玉米种子放于盛有水的烧杯中，放于齐齐哈尔大学遗传学实验室25 ℃培养箱中崔芽，将发芽的玉米种子播种在含有土壤的培养盆中。幼苗长到3叶1心时，用Hoagland营养液培养。将玉米幼苗分为2组，分别用含有0(对照)、0.5、1.0、3.0 mg·L-1和5.0 mg·L-1Cd的培养液处理，每个处理10株，另一组喷施1.0 mmol·L-1Spd，每次喷洒20 mL，5 d后取不同处理的叶片测定指标，重复3次。

1.2 指标测定

混合液法测定叶绿素含量[8]，考马斯亮蓝法测定可溶性蛋白含量[9]，硫代巴比妥酸法测定MDA含量[10]，H2O2含量测定参照Patterson等[11]的方法，O2-.产生速率参照Elstner和Heupel[12]的方法，进行NBT法测定SOD活性[10]，愈创木酚法测定POD活性[10]，CAT活性的测定采用碘量法[13]。

1.3 实验数据处理

采用SPSS 20.0软件相关分析和t检验，Excell 2010软件做图。

2 结果与分析

2.1 Spd对镉处理下玉米幼苗叶绿素含量的影响

外界环境对植物的毒害作用可以通过叶绿体含量变化体现，玉米幼苗的叶绿体含量在不同浓度Cd的处理下表现为先升高后下降(图1)，当Cd的浓度为0.5 mg·L-1时达到最大值，高于对照23.10%，然后逐渐降低且都低于对照，Cd处理玉米幼苗的叶绿素含量的相关系数r=-0.918(p<0.01)，极显著负相关。对Cd处理下的玉米幼苗喷施Spd后，叶绿体含量均高于相应的Cd处理组，其中3 mg·L-1和5 mg·L-1Cd处理喷施Spd后叶绿素含量与相应Cd处理含量差异显著(p<0.05)，5 mg·L-1Cd处理提高最多，提高了80.56%。说明Spd不仅对低浓度重金属的毒害具有缓解效应，对高能度的缓解效应也很显著。

注：“*”表示Spd处理与Cd处理间差异显著，下同。图1 Spd对镉胁迫下玉米幼苗叶绿素含量的影响

2.2 Spd对镉处理下玉米幼苗可溶性蛋白含量的影响

可溶性蛋白能增强细胞保水能力，起到保护细胞生物膜以及生命物质的作用，随着植物体内可溶性蛋白含量上升，植物的抗逆性也随之增强[14]。

由图2可见，在Cd处理组中，随着Cd浓度的增加可溶性蛋白含量逐渐下降，极显著负相关(r=-0.997,p<0.01)。施用Spd后，不同浓度Cd处理下玉米幼苗的可溶蛋白含量均有所升高，除了对照处理外，Spd处理组可溶蛋白含量均显著(p<0.05)高于相应Cd处理的含量，其中1 mg·L-1和5 mg·L-1Cd处理施用Spd后的含量分别增加了54.41%和了64%。表明Spd不仅促进蛋白合成，对蛋白降解也有一定的抑制效果。

图2 Spd对镉胁迫下玉米幼苗可溶性蛋白含量的影响

2.3 Spd对镉处理下玉米幼苗MDA、H2O2含量和O2-.产生速率的影响

Cd处理使得玉米幼苗膜脂化加剧，叶片中MDA含量随着Cd浓度的增加而增大(图3)，与Cd的浓度正相关(r=0.998,p<0.01),5 mg·L-1Cd处理高于对照55.04%，施用Spd后玉米幼苗MDA含量显著降低，除了对照处理外，Spd处理组MDA含量均显著(p<0.05)低于相应Cd处理的含量，在5 mg·L-1Cd处理时与相应对照比降低了28.15%。玉米幼苗H2O2含量在不同浓度Cd的处理下逐渐升高(图4)，在5 mg·L-1Cd处理时达到最大值，高于对照79.81%，H2O2含量与Cd正相关(r=0.960,p<0.01)，Spd的施用降低了H2O2含量，除了对照外，Spd处理组H2O2含量均显著(p<0.05)低于相应Cd处理的含量，在5 mg·L-1Cd处理时效果最为显著，降低了38.40%。对照组O2-.产生速率随着Cd浓度的增大而加快(图5)，在Cd浓度为5 mg·L-1处O2-.产生速率达到峰值，与对照相比加快了90.37%，Cd浓度与O2-.产生速率呈正相关(r=0.979,p<0.01)，施用1.0 mmol·L-1Spd后，降低了各处理的O2-.产生速率。其中3 mg·L-1和5 mg·L-1Cd处理施用Spd后O2-.产生速率与相应Cd处理相比显著降低(p<0.05)。由此说明1.0 mmol·L-1Spd能够降低MDA和H2O2含量，使O2-.产生速率下降，有效降低了膜脂化程度。

图3 Spd对镉胁迫下玉米幼苗MDA含量的影响

图4 Spd对镉胁迫下玉米幼苗H2O2含量的影响

2.4 Spd对镉处理下玉米幼苗抗氧化酶活性的影响

SOD、POD和CAT是重要的氧化酶对植物起着保护作用。由图6可以看出，当玉米幼苗经不同浓度Cd的毒害后，SOD先升后降，在1 mg·L-1Cd处达到最大值，高于对照76.59%。施用1 mmol·L-1Spd后SOD活性与相应的对照相比均有所升高，其中3 mg·L-1和5 mg·L-1Cd处理施用Spd后，SOD活性与相应Cd处理间差异显著(p<0.05)，在Cd浓度为5 mg·L-1时，施用Spd后与相应浓度的对照相比，SOD活性增加了37.76%，增幅最大。POD活性表现为先升后降(图7)，施用1 mmol·L-1Spd后，提高了各处理的POD活性，只有5 mg·L-1Cd处理在施用Spd后差异不显著p>0.05)，其它处理均达到差异显著(p<0.05)。其中3 mg·L-1Cd处理提高最大，高于相应对照的31.81%。单一Cd处理下，CAT在浓度为1 mg·L-1时达到峰值(图8)，高于对照88.65%，然后下降。施用Spd后各处理的CAT活性均显著高于相对应的Cd处理(p<0.05)，其中5 mg·L-1Cd处理增幅最大。与相应的对照比提高了59.31%。

图5 Spd对镉胁迫下玉米幼苗O2-.产生速率的影响

图6 Spd对镉胁迫下玉米幼苗SOD活性的影响

图7 Spd对镉胁迫下玉米幼苗POD活性的影响

图8 Spd对镉胁迫下玉米幼苗CAT活性的影响

3种抗氧化酶对镉的毒害起到缓解作用，在Cd浓度较高时效果更显著。

3 讨论

本试验中叶绿素含量与Cd浓度呈显著负相关，与赵雄伟等[15]研究的结果相同，这是因为叶绿素酸酯还原酶和δ-氨基酯酸脱氢酶受到了镉的抑制，施用1.0 mmol·L-1Spd显著提高了叶绿素含量，这是由于Spd所携带的正电荷通过与蛋白质等带负电荷的结合使类囊体膜结构的完整性得以保障，进而阻止膜脂过氧化及膜蛋白的水解作用,从而增加了叶绿素含量[16]。

当植物体处在逆境中蛋白质的含量会发生改变，这是植物适应重金属污染的一种途径，在本研究中，Cd处理使得可溶性蛋白含量下降，这可能由于Cd抑制了蛋白质合成酶的活性或者引起了蛋白质分解[17]。加入1.0 mmol·L-1Spd后，蛋白质的含量均有所升高，这是由于Spd参与了蛋白质的合成，调控蛋白质合成的中间过程。参与蛋白质链起始、延长、终止各个阶段[18]。

由于受重金属的协迫，活性氧在植物体内生成，导致膜脂过氧化作用和蛋白质发生链式聚合反应，从而损伤细胞膜系统，而MDA和H2O2含量，O2-.产生速率是衡量细胞膜损伤的重要标志[19]。

本研究表明，玉米幼苗在不同浓度Cd胁迫后导致MDA和H2O2含量增加，O2-.产生速率上升，其增幅随浓度的升高而增大。施用1.0 mmol·L-1Spd后有效降低了膜脂化程度，研究表明，Spd对金属自氧化有抑制作用，能够减弱用于产生ROS的电子的供应[20]，对抗氧化物质结构和功能有稳定作用，间接清除ROS。Spd还可以通过提高膜的稳定性，达到缓解膜质过氧化程度的作用[21]。

SOD、POD和CAT是酶促防御系统的保护酶，它们能够协同发挥作用，有效抑制膜脂过氧化，以减弱重金属对植物细胞的伤害[22]。本研究中，当Cd浓度较低(p<1.0 mg·L-1)时，3种氧化酶活性升高，避免玉米受到Cd的伤害，当Cd浓度增大时3种酶活性降低，这是由于低浓度Cd刺激了酶系统，使其自身的抗性增加所致。但随着重金属胁迫浓度的增加，玉米内产生的大量过氧化物，已经超出了酶的消除能力，使细胞受到伤害。施用Spd后相应增加了3种抗氧化酶活性，这是由于Spd的阳离子与蛋白质、核酸阴离子结合,刺激蛋白质的合成并调控某些蛋白质基因的表达，Spd能与已有的抗氧化酶分子结合,通过影响其结构调节酶活性[23]。