土壤不同鎘濃度對玉米CT38生長及抗氧化酶活性的影響

惠俊愛，黨志*

1. 仲愷農業(yè)工程學院園藝園林學院，廣東 廣州 510225；2. 華南理工大學，廣東 廣州 510331

土壤不同鎘濃度對玉米CT38生長及抗氧化酶活性的影響

惠俊愛1,2，黨志2*

1. 仲愷農業(yè)工程學院園藝園林學院，廣東 廣州 510225；2. 華南理工大學，廣東 廣州 510331

玉米（Zea mays L.）被認為是鎘吸收強、生物量大的經濟作物。采用盆栽實驗研究鎘脅迫對玉米CT38植株生長及抗氧化酶活性的影響。通過向土壤中添加不同濃度的鎘，設定1、5、15、50、100 mg·kg-1共5個鎘濃度，研究不同鎘濃度長期處理下對玉米CT38生長發(fā)育的影響。結果表明：處理90 d時玉米株高在鎘處理濃度15、50、100 mg·kg-1分別比對照下降了18.2%、56.1%、59.8%，鮮質量分別比對照下降了53.3%、66.9%、77.9%。鎘脅迫下玉米植株葉中抗氧化酶系統的POD、CAT和APX活性變化規(guī)律存在共同點，隨鎘處理濃度升高，基本呈單峰曲線變化，SOD活性變化情況較復雜。處理90 d時，鎘處理濃度為1、5、15、50、100 mg·kg-1時，玉米CT38葉片POD活性分別比同期對照下降了12.1%、49.8%、60%、64.9%、75.1%；APX活性分別下降了54.4%、58.9%、65.6%、79.5%、85.3%；CAT活性分別增加了12.5%、18.8%、31.3%、65.6%、143.8%。CAT活性在玉米生長發(fā)育階段隨鎘濃度升高呈現增加趨勢鎘使玉米葉片內酶含量上升，可溶性蛋白總量增加，為玉米對抗鎘脅迫提供生理基礎，對抗鎘脅迫影響，提高POD活性，加速玉米植株內過氧化物清除速度。在相對低的鎘濃度作用下，玉米葉片CAT活性升高，抵抗低濃度鎘脅迫條件下產生的過氧化氫，從而適應逆境環(huán)境。

鎘脅迫；玉米；蛋白；酶系統

1 材料與方法

1.1 材料

試驗所用土壤為水稻土，取自廣東省廣州市增城區(qū)?；纠砘再|如下：pH6.42，有機質1.63%，總鎘（Cadmium，Cd）含量0.32 mg·kg-1，N0.09%，速效P0.05%，速效K0.04%。土壤風干過2 mm篩，以溶液形式加入CdCl2·2.5H2O，鎘濃度為1、5、15、50、100 mg·kg-1，以不加鎘土壤作為對照（CK）。土壤加入鎘溶液，充分混勻，保持持水量的70%平衡14 d后，風干，土壤重新磨碎混勻，裝盆，每盆盛土3.0 kg。每盆施復合肥（N 15%，P 15%，K 15%）1 g。

本試驗所用植物為玉米超甜38（CT38），種子購于廣東省農科院，選取粒籽飽滿完整的CT38種子進行催芽，催芽后每盆種植10粒，幼苗長至2 cm高時，間苗至每盆留3株。實驗進行期間每天澆入適量水分使土壤含水量維持在田間持水量的65%～70%。定期觀察并記錄植物的生長狀況，處理30、60和90 d時分別選取生長健壯的同一葉位（從頂部葉數第3片葉）功能葉進行各項指標的測定；植株株高、質量的測定于處理30、60、90 d時進行。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 抗氧化酶活性測定

參照鄒琦（2000）方法：

1）酶液的提?。悍Q取0.5 g左右鮮樣剪碎，加0.05 mol·L-1、pH7.8的磷酸緩沖液（內含1%的PVP）5.0 mL及少量石英砂，冰浴中研磨，12000 r·min-1，4 ℃下離心15 min，上清液定容至10 mL，上清液為酶提取液，用于可溶性蛋白含量及SOD、POD、CAT、APX活性的測定。

2）SOD、CAT、POD和APX活性測定：以反應抑制氮藍四唑（NBT）光氧化還原50%的酶量為一個酶活力單位測定SOD，用Unit·mg-1表示；采用高錳酸鉀滴定法測定CAT，以30 ℃下每克鮮質量樣品每分鐘內分解H2O2的毫克數為酶活力單位（μmol·g-1·min-1）；采用愈創(chuàng)木酚法測定POD，以ΔOD470 g-1·min-1表示酶活力單位。APX活性測定以記錄1 min內290 nm下的光吸收值變化，根據ASA的摩爾消光系數為2.8 mmol·L-1·cm-1計算酶活性。

1.2.2 可溶性蛋白含量測定：

按張志良和瞿偉菁（2007）方法采用考馬斯亮藍染色法測定，并用牛血清白蛋白作標準曲線，測定可溶性蛋白質含量。

1.3 數據處理

采用MicrosoftExcel和SPSS軟件，對數據進行統計分析。

圖1 不同濃度鎘脅迫時玉米植株株高（A），鮮質量（B）的變化Fig.1 The height and weight of corn under Cd stress

2 結果與分析

2.1 鎘脅迫對玉米植株株高，鮮質量的影響

由圖1可以看出，隨著鎘處理濃度的增加，玉米植株株高、鮮質量呈現逐漸下降趨勢，特別是鎘處理濃度在15、50、100 mg·kg-1時下降趨勢更加顯著。株高在處理90 d時鎘處理濃度為15、50、100 mg·kg-1分別比同期對照下降了18.2%、56.1%、59.8%（圖1A）；同時，玉米植株鮮重呈降低的趨勢，處理90 d時鎘處理濃度為5、15、50、100 mg·kg-1時分別比同期對照下降了31.7%、53.3%、66.9%、77.9%（圖1B）。鎘處理濃度更直觀地先影響到玉米鮮質量即生物量。

2.2 鎘脅迫對可溶性蛋白含量的影響

可溶性蛋白在植物體內是多種活性酶的總稱，

其含量高低反映葉活性、養(yǎng)分代謝及有機物合成能力等（劉素純等，2006）。由圖2A中我們可以看出，隨生育期推進，可溶性蛋白含量呈單峰曲線變化趨勢。鎘脅迫處理使可溶性蛋白含量高于對照，不同濃度的鎘處理表現不同，處理30 d時鎘處理濃度為1、5、15、50、100 mg·kg-1時分別比同期對照增加了72.7%、54.5%、36.4%、9.1%、-9.1%，處理60 d時鎘處理濃度為1、5、15、50、100 mg·kg-1

時分別比同期對照增加了15.4%、7.7%、0、-11.5%、-16.9%。后期高濃度鎘處理的可溶性蛋白含量變化相對較為緩和，導致可溶性蛋白含量變化呈現了隨鎘處理濃度增加而升高的趨勢?？扇苄缘鞍卓偭吭黾?，為玉米對抗重金屬脅迫提供生理基礎，對抗重金屬脅迫影響。

圖2 不同鎘濃度對葉片可溶性蛋白（A），SOD（B），POD（C），CAT（D）及APX（E）活性的影響Fig.2 The effect of Cadmium on soluble protein content (A), activity of SOD(B),POD (C), CAT(D), and APX(E) of leaves

2.3 鎘脅迫對保護性酶系統的影響

生物細胞膜發(fā)生膜脂過氧化的一個主要機制是活性氧自由基誘發(fā)膜脂不飽和脂肪酸發(fā)生連鎖的過氧化反應，使脂肪酸發(fā)生降解，產生脂質過氧化物（李兆君等，2004）。在正常條件下，植物體內活性氧清除系統能有效地清除體內的活性氧自由基，從而使細胞免受傷害。但在逆境條件下，植物體內的活性氧自由基產生速度超過了植物清除活性氧的能力，便會引起傷害。據研究，植物體內由SOD、POD、CAT構成的保護酶系統可清除有害的體內活性氧，從而保護膜系統（付世景等，2007）。

2.3.1 鎘脅迫對SOD活性的影響

超氧化物歧化酶（SOD）是植物體內保護酶系統3大酶類之一，SOD活性的強弱反映植物組織清除超氧化物的能力，又間接反映出植物所受脅迫強度，植物體內發(fā)生超氧化的強度（鐵柏清等，2007）。本試驗觀察到鎘脅迫下SOD活性隨鎘處理濃度升高而變化，處理30、90 d時，50、100 mg·kg-1處理下高于CK（圖2B）。處理30 d時鎘處理濃度為1、5、15、50、100 mg·kg-1時分別比同期對照增加了7.4%、4.9%、8.2%、60.7%、50.8%，處理90 d時鎘處理濃度為1、5、15、50、100 mg·kg-1時分別比同期對照增加了-28.1%、-40.9%、-50.8%、15.9%、34.8%。

2.3.2 鎘脅迫對POD活性的影響

過氧化物酶（POD）作為保護酶系統中的另一重要酶，主要作用是清除過氧化化物及過氧離子。POD的活性同樣反映出植物清除過氧化物的能力，并從另一側面顯示出外界環(huán)境帶給植物脅迫作用的高低（原海燕等，2007）。重金屬鎘脅迫的作用破壞了玉米自身的過氧物動態(tài)平衡（多立安等，2006），刺激植物體內酶保護系統，提高POD活性，加速玉米植株內過氧化物清除速度，以對抗重金屬脅迫帶來的大量過氧化物。在植物自身耐性范圍內，重金屬脅迫濃度越高，POD活性提高越大（圖2C）。POD活性在處理30d時隨鎘處理濃度升高而下降處理30 d時鎘處理濃度為1、5、15、50、100 mg·kg-1時分別比同期對照增加了10%、18.1%、22.5%、95.8%、171.25%；60 d隨鎘處理濃度升高而升高，處理60 d時鎘處理濃度為1、5、15、50、100 mg·kg-1時分別比同期對照增加了0.9%、19.4%、32.1%、38.8%、52.4%。處理90 d時又下降，可能是長期受鎘濃度的影響再加上葉片衰老，導致其活性低于CK。處理90 d時鎘處理濃度為1、5、15、50、100 mg·kg-1時分別比同期對照下降了12.1%、49.8%、60%、64.9%、75.1%。

2.3.3 鎘脅迫對CAT活性的影響

CAT活性隨鎘處理濃度升高而升高，且隨處理時間的延長都高于CK（圖2D）。過氧化氫酶（CAT）作為保護酶系統3大酶系之一，清除過氧化氫以保護組織免受傷害，其活性從側面反映出脅迫導致的過氧化氫活性高低（巍海英等，2004）。處理30 d時鎘處理濃度為1、5、15、50、100 mg·kg-1時分別比同期對照增加了18.2%、27.3%、45.5%、59.1%、95.5%，處理90 d時鎘處理濃度為1、5、15、50、100 mg·kg-1時分別比同期對照增加了12.5%、18.8%、31.3%、65.6%、143.8%。

2.3.4 鎘脅迫對APX活性的影響

抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)的第一步反應是APX催化的以抗壞血酸為電子供體進行的H2O2還原[20]。鎘處理下葉片O2-·產生速度加快，引起SOD活性增強H2O2必然增多，但CAT和APX因活性降低，不能有效清除H2O2而使H2O2含量升高。APX在處理10、20、30、60 d時各濃度處理下高于CK，且在60 d時其活性較強，達到最高值，90 d時低于CK。處理30 d時鎘處理濃度為1、5、15、50、100 mg·kg-1時分別比同期對照增加了14.3%、38.6%、40.6%、48.6%、94.9%，處理90 d時鎘處理濃度為1、5、15、50、100 mg·kg-1時分別比同期對照下降了54.4%、58.9%、65.6%、79.5%、85.3%（圖2E）。

3 討論

鎘是一種極易被植物吸收的非必需元素。低濃度鎘處理對某些富集植物的生長有一定的促進作用，而高濃度鎘處理下，植物體需要消耗有效能量來保持細胞的正常功能從而出現生長速率減慢、植株矮小、葉片變黃、卷曲、褪綠等癥狀。當處于重金屬脅迫時，植物體內活性氧產生和消除的平衡遭到破壞，有利于活性氧的積累，造成膜脂過氧化，導致植物生長異常。為了控制活性氧水平，植物體啟動自身的保護系統—抗氧化系統，如抗氧化酶類CAT、SOD、POD和APX等能清除代謝產生的活性氧（李珊等，2007）。能在一定范圍內及時清除重金屬脅迫而產生的活性氧自由基和過氧化物，防比膜脂過氧化，以維持機體內自由基代謝的動態(tài)平衡。

本研究表明，隨著鎘濃度的升高，玉米根系和葉片中SOD、POD、CAT活性呈先升高后降低的趨勢，與前人的研究結果相一致。玉米體內SOD、POD、CAT活性升高，清除活性氧的能力增強，這

符合植物對脅迫反應的典型防御特征，即當脅迫發(fā)生后，植物體就會采取各種措施，提高抗性以適應不良環(huán)境。但是隨著脅迫濃度的增強和脅迫時間的延長，鎘在植物體內積累量增加，對植物體造成的傷害加重，超過植物所能忍耐的極限，其防御措施也就相應地減弱，玉米體內SOD、POD、CAT活性顯著降低。本實驗的研究結果與Mobin等（2007）對芥菜（Brassica juncea）所作的研究一致。

植物中抗氧化酶對重金屬脅迫的反應在植物種類和不同組織中的差異，可能是因為不同植物對重金屬的耐性不同，也可能是因為重金屬處理的時間及濃度的差異而致。低濃度鎘脅迫下，SOD、POD在清除玉米葉片內活性氧起著重要作用，但是隨著脅迫時間的延長，高濃度鎘脅迫下APX活性升高幅度較低，活性氧清除能力減弱，活性氧大量積累，導致了嚴重的膜質過氧化傷害，植株生長顯著受到抑制（圖1A, B）。

4 結論

鎘脅迫對玉米CT38生長產生明顯影響，低濃度鎘處理能促進玉米植株的生長，而高濃度鎘處理對玉米的生長產生明顯的抑制作用。高濃度鎘處理打破了玉米體內活性氧的產生與清除動態(tài)平衡，玉米體內抗氧化酶活性顯著降低，導致活性氧大量積累，引起嚴重的膜脂過氧化傷害，從而顯著抑制了玉米植株的生長。而在較高Cd2+濃度下，玉米CT38可通過增加過氧化氫酶（CAT）活性、可溶性蛋白含量等來緩解鎘對植物體的危害。

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Effects of different cadmium concentrations in soil on growth and antioxidant enzyme activities of maize CT38

HUI Jun ai1,2, DANG Zhi2*
1. Zhongkai University of Agriculture and Engineering, Guangzhou 510225, China；2. South China University of Technology, Guangzhou 510331, China

Maize (Zea mays L.) was considered to be the cadmium absorption strong, large biomass crops. The pot experiment was

cadmium; corn CT38; protein; enzyme system

S513.01

A

1674-5906（2014）05-0884-06

國家自然科學基金重點項目（40730741）；863項目（2007AA0610-01）；廣東省自然科學基金團隊項目（9351064101000001）；華南理工大學自然科學基金（E5090550）

惠俊愛（1978年生），女，講師，博士，研究方向為逆境生理生化。E-mail: jahui78@126.com

*通信作者

2014-03-14

惠俊愛，黨志. 土壤不同鎘濃度對玉米CT38生長及抗氧化酶活性的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2014, 23(5): 884-889.

HUI Jun?ai, DANG Zhi. Effects of different cadmium concentrations in soil on growth and antioxidant enzyme activities of maize CT38 [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(5): 884-889.

目前重金屬污染已經成為最嚴重的環(huán)境污染問題之一（李銘紅等，2006）。鎘是自然界中污染范圍及生物毒性較大的重金屬（任艷芳等，2009；張銀秋等，2011；史靜等，2013），并能通過食物鏈對人類及生態(tài)系統產生危害（URAGUCHI等，2009；WANG等，2008）。隨著城市化進程的加快，車輛尾氣及化工制造業(yè)等使城市及周邊的土壤不同程度地受到鎘的污染，生長在此土壤上的植物也會受到鎘污染的影響（劉周莉等，2009）。植物在逆境生存時其植株內的抗氧化酶系統起著非常關鍵作用，植物抗氧化酶系統是植物清除體內活性氧毒害物質的一個主要途徑，抗氧化酶系統是超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶等酶的統稱（甘海峰等，2010）。一旦在植物體內形成過氧化物，它們即刻發(fā)揮作用，利用氧化還原作用將過氧化物轉換為毒害較低或無害的物質（姜成等，2013）。植物體內的超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)是一類重要的抗氧化酶，在清除重金屬等誘導產生的氧自由基和過氧化物、抑制膜脂過氧化、保護細胞免遭傷害等方面起著重要作用，可有效調節(jié)逆境對植株的脅迫效應（劉俊祥等，2011；劉英等，2011；夏紅霞和朱啟紅，2013）。因此，研究重金屬對植物酶系統方面的影響對于揭示植物的耐性機理至關重要。

甜玉米（Zea,mays.L.var.rugosa Bonaf），又稱蔬菜玉米，超甜玉米是甜玉米中的一個品種，由于其含糖量高、適宜采收期長而得到廣泛種植。廣東作為甜玉米的主產區(qū)，珠三角地區(qū)的土壤多數受重金屬的污染，通過前期的試驗表明甜玉米能耐一定濃度鎘脅迫。玉米長期生長在這種環(huán)境中其相關生長發(fā)育變化如何，還少有報道。本研究通過土培實驗旨在從酶的變化角度來研究重金屬脅迫下植物的響應，為重金屬毒害的防止和重金屬污染評價提供科學依據。探討土壤-植物系統鎘污染的預警機制，以期為我國農田土壤鎘污染的治理以及農產品的安全保障提供科學依據。

conducted to study effects of cadmium stress on growth and antioxidant enzyme activity of maize CT38 plant. By adding different concentrations of cadmium in the soil, set 1, 5, 15, 50, 100 mg·kg-1, a total of 5 Cd concentration, to study the effects of different concentration of cadmium long-term treatment on corn growth and development of CT38. The results showed that, Maize plant height in the Cd concentration 15, 50, 100 mg·kg-1were decreased by 18.2%, 56.1%, 59.8%, fresh weight were decreased by 53.3%, 66.9%, 77.9% when dealing with 90 d. There were common points of maize leaf antioxidase system in POD, CAT, and APX activity change of Cd stress, with the Cd concentration increased, the basic was the single peak curve, the change of SOD activity was more complex. The treatment of 90 d, the Cd concentration was 1, 5, 15, 50, 100 mg·kg-1, POD activity in leaves of maize CT38 respectively over the same period decreased by 12.1%, 49.8%, 60%, 64.9%, 75.1%. APX activity were decreased by 54.4%, 58.9%, 65.6%, 79.5%, 85.3%. The activity of CAT were increased by 12.5%, 18.8%, 31.3%, 65.6%, 143.8%. The activity of CAT in maize growth stages increased cadmium content in maize leaves enzyme increased with cadmium concentration. Total soluble protein increased, provide the physiological basis for maize against cadmium stress, against the effects of cadmium stress. Increased POD activity, accelerated the corn plant peroxide scavenging rate. Cadmium concentrations in the role of relatively low, increased CAT activity of maize, resulting in resistance to low concentrations of cadmium stress conditions of hydrogen peroxide, so as to adapt to the stress environment.