微波預(yù)處理對鎘脅迫引起小麥幼苗脂質(zhì)過氧化傷害的防護作用

摘要：采用水培試驗在150 μmol/L Cd2+溶液脅迫下研究外源微波預(yù)處理對小麥幼苗生長和生理特性的影響。試驗結(jié)果表明：①鎘脅迫下，小麥幼苗生長受到抑制，葉片丙二醛（MDA）含量、過氧化氫（H2O2）含量及超氧自由基（·O—2）產(chǎn)生速率顯著增加（P<0.05），抗氧化酶活性、抗氧化物質(zhì)含量及葉綠素含量顯著降低。②微波預(yù)處理5 s和10 s均能顯著提高鎘脅迫下小麥幼苗的生長；同時抑制鎘脅迫下小麥幼苗葉片MDA含量、H2O2含量及超氧自由基（·O—2）產(chǎn)生速率的上升，顯著提高（P<0.05）超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）及過氧化氫酶（CAT）活性，增加谷胱甘肽（GSH）、抗壞血酸（AsA）、葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素及葉綠素（a+b）含量。表明外源微波預(yù)處理可緩解鎘脅迫對小麥幼苗生長的抑制作用，緩解鎘脅迫引起的膜脂過氧化，保護細胞膜減少或免受損傷，提高植物抗鎘脅迫的能力。

關(guān)鍵詞：微波；鎘脅迫；小麥幼苗；脂質(zhì)過氧化

中圖分類號：S512.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439—8114（2012）19—4217—05

鎘（Cadmium，Cd）是一種分布較廣、毒性較強的重金屬，它易溶、易遷移、難降解且易被植物吸收并通過食物鏈富集進入人體，危害人體健康[1]。土壤中過量的Cd遷移性很強，極易被植物吸收，對植物產(chǎn)生嚴重的生理毒害作用，引起植物生長的抑制甚至死亡[2，3]。Harminder等[4]研究表明Cd能抑制植物光合作用和蒸騰作用，干擾植物的代謝過程，加速植物的衰老，使植物生長發(fā)育受到抑制，甚至導(dǎo)致植物死亡。因此，研究植物Cd毒害的保護措施是植物抗逆研究的重要課題。

微波是一種頻率在300 MHz～300 GHz（波長為1 mm～1 m）之間的電磁波。有關(guān)微波在植物上的應(yīng)用已有報道，適當劑量的微波輻射能提高菘藍和小麥種子的新陳代謝，促進種子的萌發(fā)和幼苗的生長發(fā)育[5—7]。Chen等[8，9]報道適量微波處理可增強小麥幼苗抗鹽和滲透脅迫的能力，但適當劑量的微波輻射對小麥鎘脅迫損傷的防護作用至今在國內(nèi)外尚未見有報道。因此，本研究以小麥幼苗為材料，通過對植物生長、抗氧化物酶活性、抗氧化物質(zhì)和光合色素含量等指標的測定，探討外源微波輻射在增強植物抵抗鎘脅迫方面的效應(yīng)及其生理機制，為尋求提高植物耐鎘性措施提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

供試小麥（Triticum aestivum L.） 品種為鄭麥4號，由河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。

1.2 方法

選取子粒飽滿、大小均勻的小麥種子，用0.1% HgCl2消毒1 min后用去離子水沖洗30 min，自然干燥后分為兩個處理組，無微波和鎘脅迫處理的種子為對照組（CK），進行微波照射和鎘脅迫的種子為處理組。所用微波爐（廣州順德電子有限公司制造）輸出功率為700 W，波長為125 mm，輻射劑量為126 mW/cm2，輻照種子的時間分別為 0、5、10、15 s，然后置于25 ℃恒溫箱中浸種36 h，播種在鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿中催芽，80粒/皿，每組設(shè)5個重復(fù)，待出芽后，培養(yǎng)于（25±1）℃人工氣候室內(nèi)，澆以Hoagland’s營養(yǎng)液，12 h/d光照，相對濕度為70%。待幼苗長至7 d（一葉一心）時，開始鎘脅迫處理，即營養(yǎng)液中Cd2+濃度為150 μmol/L。每隔1 d更換1次培養(yǎng)液，試驗設(shè)3次重復(fù)。在鎘脅迫處理8 d后取小麥幼苗和根測定各項指標。具體試驗設(shè)計如下：Hoagland’s營養(yǎng)液， CK；0 s微波預(yù)處理+ Hoagland’s營養(yǎng)液+150 μmol/L Cd2+；5 s微波預(yù)處理+ Hoagland’s營養(yǎng)液+150 μmol/L Cd2+；10 s微波預(yù)處理+ Hoagland’s營養(yǎng)液+150 μmol/L Cd2+；15 s微波預(yù)處理+ Hoagland’s營養(yǎng)液+150 μmol/L Cd2+。

1.3 生理生化指標測定

丙二醛（MDA）含量的測定按Predieri等[10]的方法。過氧化氫（CAT）含量的測定按Shi等[11]的方法。超氧自由基（·O—2）產(chǎn)生速率的測定按Elstner等[12]的方法。超氧化物歧化酶（SOD）活性根據(jù)Giannoplitis等[13]的方法測定。以每單位時間內(nèi)抑制光化還原50%的氮藍四唑（NBT）為一個酶活性單位（U）。CAT酶活性測定參照文獻[14]的方法。過氧化物酶（POD）活性測定參照文獻[15]的方法?？箟难幔ˋSA）含量測定按Arakawa等[16]的方法。谷胱甘肽（GSH）含量測定按Ellman[17]的方法。葉綠素含量測定參照Arnon[18]的方法。類胡蘿卜素含量測定參照Lichtenthaler[19]的方法。根長和株高用直尺進行測量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17軟件，Duncan's多重比較法進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。采用Origin 7.0軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波預(yù)處理對鎘脅迫小麥幼苗葉片MDA和H2O2含量及·O—2產(chǎn)生速率的影響

由圖1可知，鎘脅迫不進行微波處理可使小麥幼苗葉片的MDA和H2O2含量及·O—2產(chǎn)生速率顯著增加（P<0.05），與對照（CK）相比分別增加26.37%、25.80%、17.84%，表明鎘脅迫誘導(dǎo)活性氧產(chǎn)生積累，使細胞結(jié)構(gòu)受到損傷。5 s和10 s微波預(yù)處理可顯著降低（P<0.05）鎘脅迫下小麥幼苗H2O2含量和·O—2產(chǎn)生速率，使MDA含量下降。而15 s微波預(yù)處理對鎘脅迫下小麥幼苗MDA含量、H2O2含量及·O—2產(chǎn)生速率沒有顯著作用。

2.2 微波預(yù)處理對鎘脅迫小麥葉片抗氧化酶活性的影響

SOD、CAT及POD等植物保護酶系統(tǒng)在逆境中對植物均起著重要的保護作用。由圖2可知，鎘脅迫不進行微波處理的小麥幼苗SOD酶活和CAT酶活與對照（CK）相比顯著下降（P<0.05）。而微波預(yù)處理5 s和10 s可使鎘脅迫小麥幼苗SOD酶活和CAT酶活顯著提高（P<0.05），同時微波預(yù)處理10 s可顯著提高（P<0.05）POD酶活。這就使得幼苗清除氧自由基能力加強，從而增強幼苗的適應(yīng)能力。而15 s微波預(yù)處理對鎘脅迫下小麥幼苗SOD、POD及CAT酶活沒有顯著作用。

2.3 微波預(yù)處理對鎘脅迫小麥葉片抗氧化物質(zhì)含量的影響

AsA和GSH是植物體內(nèi)兩種重要的非酶類抗氧化物質(zhì)，它們參與的AsA—GSH循環(huán)是植物體內(nèi)重要的清除活性氧自由基系統(tǒng)。如圖3所示，鎘脅迫不進行微波處理可使小麥幼苗AsA和GSH含量顯著降低（P<0.05），與對照（CK）相比分別降低37.07%、28.03%。而5 s和10 s微波預(yù)處理可使鎘脅迫小麥幼苗AsA和GSH含量顯著增加（P<0.05）。15 s微波預(yù)處理對鎘脅迫下小麥幼苗AsA和GSH含量沒有顯著影響。

2.4 微波預(yù)處理對鎘脅迫小麥葉片光合色素含量的影響

光合色素是綠色植物進行光合作用必需的物質(zhì)。鎘脅迫不進行微波處理可使小麥幼苗葉綠素a、葉綠素b、葉綠素（a+b）及類胡蘿卜素含量顯著降低（P< 0.05），與對照相比分別降低33.08%、32.03%、32.69%及32.30%。與鎘脅迫不進行微波處理相比，10 s微波預(yù)處理可使小麥幼苗葉綠素a、葉綠素b、葉綠素（a+b）及類胡蘿卜素含量顯著增加（P<0.05）。5 s和15 s微波預(yù)處理可使鎘脅迫下小麥幼苗的類胡蘿卜素和葉綠素（a+b）含量顯著增加，但對葉綠素a和葉綠素b含量沒有顯著影響（表1）。

2.5 微波預(yù)處理對鎘脅迫小麥幼苗生長的影響

由圖4可知，150 μmol/L Cd2+處理使小麥幼苗地上部和根的生長受到明顯抑制。與對照（CK）相比，鎘脅迫不進行微波預(yù)處理可使小麥幼苗的根長和株高顯著降低（P<0.05）。而5 s和10 s微波預(yù)處理可顯著提高鎘脅迫下幼苗根長和株高（P<0.05），從而提高根系吸收、運輸水分能力及植株的光合作用能力。15 s微波預(yù)處理對鎘脅迫下小麥幼苗的生長沒有顯著影響。

3 小結(jié)與討論

丙二醛（MDA）是膜脂過氧化的產(chǎn)物，其含量的高低反映了細胞膜脂過氧化的水平和植物對逆境條件反應(yīng)的強弱[3]。本研究表明鎘脅迫不進行微波處理顯著增加（P<0.05）幼苗MDA和H2O2含量，說明鎘脅迫誘導(dǎo)小麥幼苗的氧化損傷。微波預(yù)處理種子5 s、10 s可顯著降低（P<0.05）幼苗MDA和H2O2含量。這與Chen等[8，9]的研究結(jié)果一致，即微波對小麥幼苗的干旱和滲透脅迫損傷具有防護作用，可降低幼苗MDA含量。即適當劑量的微波處理在防止植物細胞膜損傷上發(fā)揮了作用。

試驗結(jié)果表明，微波預(yù)處理種子5 s、10 s，幼苗葉片活性氧產(chǎn)生速率顯著下降（P<0.05）。較低的活性氧產(chǎn)生速率主要在于植物體具有一個高效的活性氧清除系統(tǒng)，植物體內(nèi)清除自由基主要由SOD、POD及CAT等酶系統(tǒng)和抗氧化物質(zhì)來完成[20]。試驗結(jié)果表明，微波預(yù)處理小麥種子5 s、10 s，幼苗葉片SOD、CAT活性和AsA、GSH含量顯著增加。表明適當劑量的微波處理可以提高鎘脅迫植物體內(nèi)抗氧化酶活性和抗氧化物含量，增強植物體清除活性氧的能力。其可能原因是用微波處理時，種子內(nèi)儲存的蛋白質(zhì)、碳水化合物、核酸等生物大分子及水分子在微波（2 450 MHz）能量場作用下快速振蕩、互相碰撞、摩擦、擠壓，從而使動能（微波能）轉(zhuǎn)化為熱能；而適當熱能可以提高酶的活性，加速酶促反應(yīng)進程[5]。其次，微波的非熱效應(yīng)可以影響蛋白質(zhì)、酶及生物大分子的結(jié)構(gòu)，酶的半導(dǎo)體性和酶結(jié)構(gòu)中金屬離子的順磁性，促使酶和底物接觸，加速酶促反應(yīng)進程[21，22]。適量劑量的微波預(yù)處理可以提高植物對鎘脅迫的抵抗能力，反之會引起酶的鈍化，加重對植物的傷害。因此在實際生產(chǎn)中應(yīng)選擇合適的微波劑量。

研究表明，植物在鎘脅迫下葉綠體結(jié)構(gòu)受損，葉綠素生物合成受阻，導(dǎo)致葉綠素總量降低，植物光合作用受到抑制，從而引起植物生長勢減弱，生長量減少[23]。本研究表明，鎘脅迫不進行微波處理可使小麥幼苗葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素及葉綠素（a+b）含量顯著下降（P<0.05），這與徐勤松等[24]的研究結(jié)果相一致。微波預(yù)處理10 s可使小麥幼苗葉綠素a、葉綠素b、葉綠素（a+b）及類胡蘿卜素含量顯著增加，表明鎘脅迫下微波預(yù)處理有助于葉綠體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的維持，對葉綠素具有保護效應(yīng)。較高的光合色素含量為葉片同化更多的光合產(chǎn)物提供了生理基礎(chǔ)，有利于植株光合作用的進行和抗逆性的增強。

根系的吸收、運輸能力及植株的光合作用與植物的生長和產(chǎn)量密切相關(guān)。本試驗結(jié)果表明，微波預(yù)處理小麥種子5 s、10 s可顯著提高鎘脅迫小麥幼苗根長和株高，使小麥幼苗保持較高的吸收、運輸及光合作用等功能。

參考文獻：

[1] 邵小杰，楊洪強.氯化鎘脅迫下葡萄根、葉內(nèi)源一氧化氮和活性氧的生成[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2010，21（10）：2666—2670.

[2] XU J， YIN H X， LI X. Protective effects of proline against cadmium toxicity in micropropagated hyperaccumulator Solanum nigrum L[J]. Plant Cell Reports，2009，28（2）：325—333.

[3] MOUSSA H R，EL—GAMAL，S M. Effect of salicylic acid pretreatment on cadmium toxicity in wheat[J]. Biol Plant，2010， 54（2）：315—320.

[4] HARMINDER P S，DAIZY R B，GURPREET K，et al. Nitric oxide （as sodium nitroprusside） supplementation ameliorates Cd toxicity in hydroponically grown wheat roots[J]. Environmental and Experimental Botany，2008，63（1—3）：158—167.

[5] ROUX D，VIAN A，GIRAD S，et al. Electromagnetic fields（900 MHz） evoke consistent molecular responses in tomato plants[J]. Plant Physiology，2006，128（2）：283—288.

[6] HAMADAE A M. Effects of microwave treatment on growth， photosynthetic pigments and some metabolites of wheat[J]. Biologia Plantarum， 2007，51（2）：343—345.

[7] CHEN Y P. Microwave treatment of eight seconds protects cells of Isatis indigotica from enhanced UV—B radiation lesions[J]. Photochem Photobiol，2006，82（2）：503—507.

[8] CHEN Y P，JIA J F，HAN X L. Weak microwave can alleviate water deficit induced by osmotic stress in wheat seedlings [J]. Planta，2009，229（2）：291—298.

[9] CHEN Y P，JIA J F，WANG Y J. Weak microwave can enhance tolerance of wheat seedlings to salt stress[J]. Journal of Plant Growth Reguation，2009，28（4）：381—385.

[10] PREDIERI S，NORMAN M A，KRIZEK D T，et al. Influence of UV—B radiation on membrane lipid composition and ethylene of evolution in ‘Doyenned Hiver’ pear shoots grown in vitro under different photosynthetic photo fluxes [J]. Environment Experiment Botany，1995，35（2）：152—160.

[11] SHI S Y，WANG G，WANG Y D，et al. Protective effect of nitric oxide against oxidative stress under ultraviolet t—B radiation [J]. Nitric Oxide，2005，13（1）：1—9.

[12] ELSTNER E F，HEUPEL A. Inhibition of nitrite formation from hydroxylaminonium—chloride： a simple assay for superoxide dismutase[J]. Analytical Biochemistry，1976，70（2）：616—620.

[13] GIANNOPLITIS C N，RIES S K. Superoxide dismutaseⅠ： Purification and quantitative relationship with water soluble protein in seedlings [J]. Plant Physiology，1997，59（2）：315—318.

[14] CAKMAK I，MARSCHNER H. Magnesium deficiency and high light intensity on enhance activities of superoxide dismutase， peroxidase and glatation reductase in bean leaves [J]. Plant Physiology， 1992， 98（4）：1222—1227.

[15] ZHANG J X，KIRHAM M B. Drought stress—induced changes in activities of superoxide dismutase， catalase and peroxidase in wheat species[J]. Plant Cell Physiology，1994，35（5）：785—791.

[16] ARAKAWA N，TSUTSUMI K，SANCEDA N G，et al. A rapid and sensitive method for the determination of ascorbic acid using 4，7—diphenyl—1，10—phenanthroline[J].Agricultural and Biological Chemistry，1981，45（5）：1289—1290.

[17] ELLMAN G L. Tissue sulfhydryl groups[J]. Archives of Biochem and Biophys，1959，82（1）：70—77.

[18] ARNON D I.Copper enzymes in isolated chloroplasts. Polyphenoloxidase in Beta vulgaris[J]. Plant Physiology，1949，24（1）：1—15.

[19] LICHTENTHALER H K. Chlorophylls and carotenoids： pigments of photosynthetic biomemranes[J]. Methods Enzymology，1987，148：350—382.

[20] SHAH K，RITAMBHARA G K，VERMA S，DUBEY R S. Effect of cadmium on lipid peroxidation， superoxide anion generation and activities of antioxidant enzymes in growing rice seedlings [J]. Plant Sci，2001，161（6）：1135—1144.

[21] BELAYAVSKAYA N A. Biological effects due to weak magnetic field on plants[J]. Adv Space Res，2004，34（7）：1566—1574.

[22] RACUCIU M，CALUGARU G H，CREANGA D E. Static magnetic field influence on some plant growth[J]. Romanian J Phys， 2006，51（1—2）：245—251.

[23] BELKHADI A，HEDIJI H，ABBES Z，et al. Effects of exogenous salicylic acid pre—treatment on cadmium toxicity and leaf lipid content in Linum usitatissimum L[J]. Ecotox Environ，2010，73（5）：1004—1011.

[24] 徐勤松，計汪棟，楊海燕，等. 鎘在槐葉蘋葉片中的蓄積及其生態(tài)毒理學(xué)分析[J].生態(tài)學(xué)報，2009，29（6）：3019—3027.