镉胁迫对水稻抗氧化酶和营养品质的影响

肖莎莎, 曹 霞, 贺成峰, 申晓慧, 姜 成

(宜春学院 生命科学与资源环境学院,江西 宜春 336000)

镉是一种对人类身体危害巨大的重金属元素,具有强致癌性。镉进入到环境中后只有少部分释放到大气和水中,而绝大部分的镉以耦合物的形式留在土壤中,进而使得作物中的镉含量增加,对作物造成毒害作用,严重影响作物的产量与营养品质[1]。作物通过根系吸收的镉转移和积累到地上可食部分,进而通过食用进入人体[2-3]。食用重金属镉超标的食物会造成人体肝肾功能受损、骨质疏松等疾病[4-5]。水稻是我国3大主粮作物之一,但水稻具有富集重金属镉的习性,也是吸收镉能力最强的3大谷类作物之一,深受镉元素的毒害。相关研究指出,食用含镉大米是造成镉进入人体的主要来源[6-7]。

植物在受到重金属等胁迫时,会产生大量的活性氧,引起体内生理代谢紊乱[8]。胡婉茵等[9]发现,水稻体内积累过量镉会产生严重的毒性效应,影响植株的光合色素含量、呼吸强度、蒸腾和光化学效率,进而影响稻米的营养品质。植物为保障自身的正常生长,通过提高抗氧化酶的活性,消除大量活性氧带来的毒害[10-12]。通过研究植物抗氧化酶的活性变化,有助于探索植物对重金属胁迫的应对解毒机制,为提高植物对重金属的抗性研究提供理论依据。因此,探讨水稻生产中镉浓度对稻米抗氧化酶及营养品质的影响,对保障粮食安全以及降低重金属镉污染对人体健康的威胁具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试剂及材料

供试作物为水稻,土壤为农地用土。试验试剂及仪器有：氯化镉、H2O2、愈创木酚、KH2PO4、磷酸缓冲液、甲硫氨酸(Met)、NBT、EDTA-Na2、核黄素、研钵、离心机、烧杯、容量瓶等。

1.2 处理方法

在大棚中采用盆栽法种植水稻,每桶装取土样15 kg,加水保持湿润,使土壤保持疏松。氮肥按基肥∶返青肥∶分蘖肥∶穗肥=4∶2.5∶1.5∶2施用,磷肥作基肥一次性施入,钾肥按基肥∶分蘖肥∶穗肥=4∶2∶4施用。每盆栽水稻秧苗3穴,每穴5株,采用氯化镉处理,镉的处理浓度为0、10、20、30、40、50 mg/kg,每处理3次重复。水稻移栽前,先用水泡土3 d,然后将配制好的氯化镉溶液均匀施入土中混匀。成熟期,将整盆植株收获,取稻米测定抗氧化物酶活性及营养品质。

1.3 测定项目

水稻成熟后,收割每个盆中所有水稻植株,脱粒,即采得每个盆中稻谷样品,分别取样测水稻中过氧化物酶(POD)活性、超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化氢酶(CAT)活性、直链淀粉、粗蛋白、胶稠度以及氨基酸含量。

1.4 测定方法

1.4.1水稻抗氧化酶活性的测定

过氧化物酶(POD)活性的测定参考张志良等[13]的愈创木酚法,超氧化物歧化酶(SOD)活性测定采用李合生等[14]的氮蓝四唑(NBT)光还原法,过氧化氢酶(CAT)活性的测定采用邹琦[15]的紫外吸收法。

1.4.2 水稻营养成分含量分析

稻米加工成精米用于营养品质分析。采用直接滴定法测定稻米中直链淀粉,采用双缩脲法[16]测定稻米中的蛋白质含量,采用HPLC-MS法[17]测定稻米中氨基酸含量,参照GB/T 22294-2008[18]测定稻米的胶稠度。

1.5 数据统计与分析

该试验数据采用SPPS 22.0软件进行方差分析,利用Excel 2021进行数据处理并制图进行分析。

2 结果与分析

2.1 镉胁迫对水稻抗氧化酶活性的影响

2.1.1 镉胁迫对水稻中过氧化物酶(POD)的影响

POD与植物体内的呼吸、光合作用、生长素氧化以及木质素形成紧密相连,通过检测POD活性,可以反映植物代谢和抗逆能力的变化。镉胁迫下,POD活性有所增加,在镉浓度为10 mg/kg时,POD活性达到最大值,为581.333 U/(g·min),之后随着镉浓度的增加,整体呈现降低的趋势,说明在镉浓度较低时,已开始对水稻产生胁迫作用,诱发水稻的应激反应,通过提高POD活性来抵御活性氧的损伤,但随着镉浓度的升高,胁迫作用增强,POD活性随之下降。但在较高浓度下,与对照相比,POD活性仍保持在一定水平,说明水稻的耐镉性较强(图1)。

图1 镉胁迫对过氧化物酶的影响

2.1.2 镉胁迫对水稻中超氧化物歧化酶(SOD)的影响

SOD是植物体内重要的保护酶之一,植物在逆境胁迫下会产生对细胞有害的活性氧和自由基,SOD通过催化歧化反应使活性氧生成过氧化氢和氧气,保护细胞避免或减轻活性氧伤害[19]。在研究植物衰老和应对压力的机制时,测定SOD活性具有重要意义。在植物正常生长时,SOD的表达保持稳定,但在诸如高温、干旱和盐胁迫等逆境条件下,SOD的表达和活性会发生变化。由图2可知,镉胁迫下的水稻SOD活性值总体呈现先上升后下降的趋势,且各处理SOD活性均显著高于对照,当镉浓度到达40 mg/kg时,SOD活性最高,当镉浓度为50 mg/kg时,SOD活性有所减低,但仍保持在较高水平,表明水稻对镉胁迫表现出较强的耐受性。

图2 镉胁迫对超氧化物歧化酶的影响

2.1.3 镉胁迫对水稻中过氧化氢酶(CAT)活性的影响

植物过氧化氢酶(CAT)是关键的保护酶之一,具有抗氧化损伤、抑菌抗炎、免疫保护、抗癌等多种生物学功能[20],能提高植物对外界环境的适应性。由图3可知,随着镉处理浓度的升高,CAT活性增强,当镉浓度为30 mg/kg时,CAT活性最大,随着镉浓度的继续增大,CAT活性开始下降,说明在低浓度镉处理下,水稻就表现出对镉胁迫的应激,通过提高CAT活性增强对活性氧的防御,但镉胁迫增加到一定强度时,会超过水稻的耐受极限,引起水稻CAT系统紊乱,导致CAT活性下降[21]。

图3 镉胁迫对过氧化氢酶的影响

2.2 镉胁迫对水稻营养品质的影响

2.2.1 稻米中直链淀粉含量

直链淀粉的含量与结构不仅决定了大米淀粉的理化性质,也对各种大米食品的加工特性、食味品质等有显著的影响[22]。由图4可知,当镉浓度为10 mg/kg时,直链淀粉含量与对照相比,无显著差异,随着镉浓度的升高,直链淀粉含量呈现下降的趋势,且显著低于对照,镉浓度与稻米中直链淀粉含量成反比。

图4 镉胁迫中稻米直链淀粉含量

2.2.2 稻米中粗蛋白含量

粗蛋白是含氮物质的总称,是一种较粗糙的蛋白质形态。稻米中粗蛋白的含量是影响水稻重要的营养食味品质之一。由图5可以看出,稻米中粗蛋白含量随着镉浓度的增加而下降,且各处理浓度下的粗蛋白含量均显著低于对照,表明随着镉处理浓度的增加,抑制了蛋白质的合成,降低了稻米的营养品质。

图5 稻米中粗蛋白含量

2.2.3 稻米中氨基酸含量

谷类作物籽粒中氨基酸是人和动物的重要营养物质。提高稻米氨基酸含量特别是赖氨酸等必需氨基酸含量是水稻育种和栽培的一个重要目标和研究热点[23]。镉胁迫对稻米氨基酸的影响如表1所示,苏氨酸含量未受到镉胁迫的影响,各处理与对照相比,无显著差异,天冬氨酸、丝氨酸、甘氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸含量在低浓度(10 mg/kg)镉胁迫下未受影响,但随着镉质量浓度的增加,呈现出显著的降低趋势,其他种类氨基酸受到镉胁迫的影响相对较大,总体呈现出不同程度的降低趋势。综合分析可知,镉胁迫降低了稻米中氨基酸的含量。

表1 不同浓度镉胁迫对稻米氨基酸含量的影响Table 1 Effects of cadmium stress on amino acid content of rice(%)

2.2.4 稻米胶稠度

胶稠度是稻米淀粉的一种胶体特性,指稻米淀粉经糊化、冷却后米糊胶延展的长度,表示淀粉糊化和冷却的回升趋势。镉胁迫对稻米胶稠度的影响如图6所示,随着镉浓度的增加,稻米的胶稠度有所增加,但增加的幅度不大。

图6 镉胁迫对稻米胶稠度的影响

3 讨论

3.1 镉胁迫对水稻抗氧化酶的影响

植物遭受镉胁迫会产生活性氧自由基(reactive oxygen species,ROS)[24-25],而过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)是植物体内重要的保护酶,三者协同作用,能清除植物体内过剩的自由基[26],从而提高植物的抗逆性,减轻外界环境胁迫对植物的毒害[27]。试验结果表明,随着镉胁迫浓度的增加,水稻的POD、SOD与CAT活性都得到了增强,说明POD、SOD与CAT共同发挥作用清除水稻体内自由基和过氧化物的作用,使抗氧化保护能力增强,这可能是适应镉胁迫条件下活性氧自由基增多,保护体内活性氧积累与清除系统平衡的一种适应性调节,以此来减轻氧自由基增加导致的细胞伤害。这一结论与王阳阳等[28]、肖美娜等[29]报道结果一致。当镉胁迫达到一定浓度时,水稻抗氧化酶活性开始下降,可能是超过了水稻的耐受极限,导致抗氧化酶系统的紊乱[24],Shah等[30]的研究认为,这可能与酶合成的抑制或酶亚单位组装上的改变有关。在较高浓度(50 mg/kg)镉处理下,虽然POD、SOD与CAT活性降低,但仍保持在一定水平,说明水稻对镉胁迫处理具有较强的耐受性。

3.2 镉胁迫对水稻营养品质的影响

在评价稻米的食味品质的指标中,直链淀粉、粗蛋白、氨基酸含量及胶稠度的大小通常是非常重要的指标。镉胁迫下,水稻中直链淀粉和粗蛋白含量均随镉浓度的增加呈现下降的趋势,说明镉胁迫抑制了淀粉和蛋白质的合成。稻米氨基酸是动物和人体营养物质的重要来源之一,是稻米品质的重要组成部分。提高稻米中氨基酸含量特别是赖氨酸等必需氨基酸含量,对保障人体的营养摄入和提高身体素质具有重要意义[31]。镉胁迫对苏氨酸含量未出现显著影响,对天冬氨酸、丝氨酸、甘氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸含量影响相对较小,对赖氨酸、甲硫氨酸、异亮氨酸、亮氨酸等其他种类氨基酸含量影响相对较大,总体氨基酸含量呈现降低趋势。表明镉胁迫条件下降低了稻米的营养品质。但镉胁迫有利于稻米胶稠度的形成,镉浓度越高,稻米胶稠度越高。

4 结论

在低浓度镉处理下,水稻过氧化物酶(POD)活性显著增加,但超过一定浓度时呈现下降的趋势;在各浓度镉处理下,超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)的活性整体呈现先上升后下降的趋势,各处理下SOD和CAT活性均显著高于对照,表明水稻对镉胁迫具有较强的抗性。镉胁迫降低了稻米中直链淀粉、蛋白质和氨基酸含量,其中,赖氨酸、甲硫氨酸、异亮氨酸、亮氨酸等人体必需氨基含量均显著降低,镉胁迫降低了稻米的营养品质;而稻米胶稠度随镉胁迫浓度增加呈上升趋势。