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外源亚精胺对镉胁迫下玉米幼苗抗氧化代谢的调控效应

范文

孙天国孙玉斌

摘要：为研究亚精胺对玉米幼苗抗重金属毒害影响的内在机制，采用营养液培养法，研究5 mg/L镉胁迫下不同浓度亚精胺对玉米幼苗光合作用和抗氧化酶活性的影响。结果表明：（1）在镉毒害下，喷水处理玉米幼苗的超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性下降，施加外源亚精胺可显著提高抗氧化酶活性;（2）在镉胁迫下，喷水处理的叶绿素含量和可溶性蛋白含量降低，施加外源亚精胺可提高二者的含量;（3）镉毒害可使丙二醛（MDA）、过氧化氢（H2O2）含量及 O-2· 产生速率升高，施加外源亚精胺可降低膜脂过氧化程度，进而降低MDA、H2O2含量及 O-2· 产生速率。说明亚精胺能够减轻镉对玉米幼苗的毒害作用，且以0.5、1.0 mmol/L的效果较好。

关键词：亚精胺;镉胁迫;玉米;幼苗;抗氧化代谢;Cd毒害缓解机制;调控效应

中图分类号： S513.01 ?文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）16-0103-03

收稿日期：2018-05-08

基金项目：黑龙江省教育厅科学技术研究项目（编号：12541879）。

作者简介：孙天国（1966—），男，黑龙江肇源人，硕士，副教授，主要从事植物生理研究。

重金属污染伴随着经济的快速发展而产生，重金属在环境中很难被降解，最后汇集在江河土壤中，土壤中的重金属被农作物富集，通过食物链传递给人类，对人类的健康产生威胁[1]。镉具有很强的毒性，它不仅对植物的生理生化有影响，而且对细胞的超微结构也有破坏作用[2]。亚精胺具有抗逆性作用，前人在亚精胺抗逆性方面的研究主要集中于抗旱、抗盐方面，而关于其抗金属胁迫方面的研究较少，且多是对单一浓度亚精胺与不同浓度重金属的研究，而关于不同浓度亚精胺对重金属毒害缓解效应的研究较少。重金属对植物的毒害作用不仅与重金属种类有关，而且与其浓度密切相关。本研究以重要作物玉米为材料，分析不同浓度亚精胺对 5 mg/L 镉（Cd）胁迫下玉米幼苗生理生化的影响，旨在为Cd毒害缓解机制研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验方法

试验于2017年7月在齐齐哈尔大学遗传学实验室进行。挑选颗粒饱满的玉米种子，放于盛有水的烧杯中，置于25 ℃培养箱中催芽，将发芽的玉米种子播种在含有土壤的培养盆中。在幼苗长到3叶1心时，用Hoagland营养液培养。试验共设6个处理，每个处理10株玉米，用Hoagland营养液培养作为对照，以含有5 mg/L镉的Hoagland营养液进行镉胁迫处理培养，同时每天定时向叶面喷洒0（即水）、0.1、0.5、1.0、1.5 mmol/L 亚精胺（Spd）溶液20 mL。5 d后取不同处理相同部位的叶片2 g用去离子水冲洗后测定生理生化指标，重复3次。

1.2 指标测定

采用氮蓝四唑（NBT）法[3]测定超氧化物歧化酶（SOD）活性，愈创木酚法[3]测定过氧化物酶（POD）活性，碘量法[4]测定过氧化氢酶（CAT）活性，混合液法[5]测定叶绿素含量，考马斯亮蓝法测定可溶性蛋白含量[6]，硫代巴比妥酸法[3]测定丙二醛（MDA）含量;过氧化氢（H2O2）含量测定参照Patterson等的方法[7]，?O-2· 產生速率测定参照Elstner等的方法[8]。

1.3 数据处理

试验数据采用SPSS 17.0 one-way ANOVA进行分析，Excel 2010进行作图。

2 结果与分析

2.1 亚精胺对镉处理下玉米幼苗抗氧化酶活性的影响

SOD、POD和CAT是重要的抗氧化酶，对植物起着保护作用。从图1可以看出，当玉米幼苗受到镉的毒害后，喷水处理的玉米幼苗SOD活性为对照的53.48%，加入不同浓度的亚精胺后SOD活性均有所升高，其中浓度为0.5、1.0 mmol/L的Spd溶液处理效果较好，其SOD活性分别较喷水处理升高了40.94%、58.01%，但二者仍显著低于对照。

由图2可见，5 mg/L镉胁迫下喷水处理的玉米幼苗POD活性为对照的63.14%，施用不同浓度Spd溶液后POD活性均升高，且与喷水处理相比达到显著差异水平，其中浓度为0.5、1.0 mmol/L的Spd溶液处理效果较好，其POD活性分别较喷水处理升高41.87%、43.90%，且与对照间差异不显著，说明Spd对镉胁迫具有很好的缓解作用。

由图3可知，在镉毒害下，喷水处理的玉米幼苗CAT活性只为对照的36.09%，随着Spd的施加CAT活性升高，4个不同浓度Spd溶液处理的玉米幼苗CAT活性均较喷水处理显著提高，其中浓度为0.5、1.0 mmol/L的Spd溶液处理效果较好，其CAT活性分别升高62.70%、94.67%，但二者仍显著低于对照。

3种抗氧化酶均可缓解镉对玉米幼苗的毒害作用，但是这种缓解效应是有限的。

2.2 亚精胺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来体现。由图4可知，在镉的毒害下，喷水处理的玉米幼苗叶绿素含量下降，只为对照的49.21%;在外源Spd作用下叶绿素含量较喷水处理升高，且与喷水处理相比差异显著，说明4个浓度的Spd都起到了缓解镉毒害的作用，其中0.5、1.0 mmol/L Spd溶液的缓解作用较强，其叶绿素含量分别较喷水处理提高53.89%、67.30%。说明Spd能够缓解镉胁迫抑制叶绿素合成的效应。

2.3 亚精胺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的上升，植物的抗逆性随之增强[9]。由图5可见，在5 mg/L Cd的毒害下，喷水处理的玉米幼苗可溶性蛋白含量降低，为对照的64.14%。施加Spd后，随着Spd溶液浓度的升高，可溶性蛋白含量逐渐增大，当Spd溶液浓度为1.5 mmol/L时达到最大值，高于对照13.87%。0.5、1.0 mmol/L Spd溶液处理使得可溶性蛋白含量分别较喷水处理提高50.15%、63.82%，且与对照差异不显著。表明Spd不仅可促进蛋白质的合成，而且对蛋白质降解有一定的抑制效果。

2.4 亚精胺对镉处理下玉米幼苗MDA、H2O2含量和 O-2· 产生速率的影响

植物体内自由基引发MDA的产生，MDA的积累能够反映植物体内自由基的活动状态。由图6可知，在镉的毒害下，喷水处理玉米幼苗的MDA含量升高，与对照相比提高 51.62%;在不同浓度Spd溶液处理下，MDA含量均较喷水处理下降，其中0.5、1.0 mmol/L Spd溶液处理下降得较为明显，分别下降22.43%、28.92%，且1.0 mmol/ L Spd溶液处理的MDA含量与对照差异不显著。

由图7可见，在镉的作用下，喷水处理的 O-2· 产生速率较对照提高75.30%，施用不同浓度的Spd溶液使得 O-2· 产生速率下降，其中浓度为0.5、1.0 mmol/L Spd溶液处理下降得较为明显，分别下降31.00%、33.04%，且1.0 mmol/L Spd溶液处理的 O-2· 产生速率与对照差异不显著。

由图8可知，在镉的作用下，喷水处理的H2O2含量较对照提高68.61%，在不同浓度Spd溶液的作用下H2O2含量均下降，其中浓度为0.5、1.0 mmol/L Spd溶液处理下降显著，分别下降27.05%、33.63%，且二者与对照相比差异不显著。说明Spd对镉胁迫下膜脂过氧化产生抑制作用，减少了镉对细胞膜的伤害。

3 讨论

植物体在逆境条件下可以通过提高SOD、POD、CAT活性来进行自我保护，本研究中玉米幼苗在镉胁迫下喷水处理3种过氧化物酶的活性均低于对照，说明镉对玉米调控体系产生了破坏作用。施用不同浓度的Spd溶液后，3种酶活性均提高，但不同浓度Spd溶液对3种酶活性的作用不同，虽然0.5、1.0 mmol/L Spd溶液可显著提高SOD、CAT活性，但与对照相比仍有显著差异，这可能是由于SOD和CAT对镉的毒害较为敏感;0.5、1.0 mmol/L Spd溶液处理显著提高玉米幼苗POD活性，使其恢复到对照水平。Spd之所以能够提高酶的活性除了与其能够刺激蛋白质的合成和调控蛋白基因表达有关外，还与其能够影响酶结构、调节酶活性有关[10]。

叶绿素含量大小能够反映植物光合作用的强弱，植物组织、器官的衰老状况也可通过叶绿素含量体现。本试验中，在镉胁迫下，喷水处理的叶绿素含量明显降低，这是因为δ-氨基酯酸脱氢酶、叶绿素酸酯还原酶活性受到了镉的抑制，而外源Spd显著提高了叶绿素含量，这是由于Spd参与膜的构建，进而阻止膜脂过氧化及膜蛋白的水解作用，从而达到保护膜结构稳定的目的[11]。

蛋白质是生物体重要的物质基础。当植物体处在逆境中时，蛋白质的含量会发生改变，在本研究中镉对植物体内正常的可溶性蛋白合成具有抑制作用，使得可溶性蛋白含量降低。施用不同浓度的Spd溶液后，可溶性蛋白含量均有所升高，这是由于Spd参与了蛋白质的合成，能够调控蛋白质合成的中间过程。

本研究中，在Cd胁迫下玉米幼苗的MDA、H2O2含量和 O-2· 产生速率上升，表明产生了过多的活性氧，破坏了细胞膜。外施不同浓度的Spd后膜脂过氧化程度下降，这与前人的研究结果[12]相同。有研究证实，Spd对金属自氧化有抑制作用，能够减少用于产生活性氧（ROS）的电子供应[13]，对抗氧化物质结构和功能有稳定作用，可间接清除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[14]。

4 结论

镉胁迫对玉米幼苗产生毒害作用，不仅影响抗氧化酶系统，还对膜透性和光合作用产生破坏作用。外源Spd能够对镉的毒害作用起到缓解作用，且不同浓度Spd的缓解效果不同。本研究中，0.5、1.0 mmol/L Spd溶液对5 mg/L镉处理玉米幼苗的缓解效果较好。

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