PEG對Cd脅迫下水稻幼苗抗氧化酶活性的影響

張?jiān)娡? 梅映學(xué), 魏 瑋, 孫棟婉, 蘇 昕, 王 茜, 馬蓮菊

(沈陽師范大學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院, 沈陽 110034)

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PEG對Cd脅迫下水稻幼苗抗氧化酶活性的影響

張?jiān)娡? 梅映學(xué), 魏 瑋, 孫棟婉, 蘇 昕, 王 茜, 馬蓮菊

(沈陽師范大學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院, 沈陽 110034)

通過對Cd脅迫下水稻幼苗葉片超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)等抗氧化酶活性、MDA含量及株高的研究,以及外源干旱預(yù)處理對這些參數(shù)的影響,來探討干旱預(yù)處理對Cd脅迫下水稻幼苗抗氧化酶活性等生理指標(biāo)的影響。結(jié)果表明:Cd處理使水稻幼苗株高降低,但PEG預(yù)處理卻能夠使水稻幼苗株高顯著增加(P<0.05)。隨著Cd處理時(shí)間的延長,水稻幼苗葉片MDA含量明顯增加(P<0.05),PEG預(yù)處理則可以減少M(fèi)DA含量。同時(shí)Cd處理還降低了水稻幼苗葉片中SOD、POD、CAT和APX的活性;經(jīng)過PEG預(yù)處理的水稻幼苗葉片的SOD、POD、CAT、APX活性均顯著高于Cd處理組(P<0.05)。PEG預(yù)處理可誘導(dǎo)水稻幼苗對隨后的Cd脅迫產(chǎn)生交叉適應(yīng),以減輕Cd脅迫對水稻幼苗造成的傷害。

PEG預(yù)處理; 鎘; 水稻幼苗; 抗氧化酶; 交叉適應(yīng)

0 引 言

中國是一個(gè)水稻大國,近年來由于人口大量增加,工業(yè)發(fā)展迅速,工業(yè)“三廢”污染嚴(yán)重,大量工業(yè)廢水流入農(nóng)田,導(dǎo)致農(nóng)田鎘(Cd)污染日益嚴(yán)重[1]。重金屬Cd是植物生長的非必需元素,Cd離子進(jìn)入植物體后可誘導(dǎo)其產(chǎn)生大量的活性氧,引起活性氧代謝失調(diào),造成膜脂過氧化損傷,使得植物體內(nèi)的抗氧化酶系統(tǒng)遭到不同程度的破壞,引起蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子變性,最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[2-3]。

干旱脅迫也是非生物脅迫之一,能使得植物的生長發(fā)育受阻。由于氣溫升高、全球氣候變暖,土壤中水分流失嚴(yán)重,估計(jì)50多年后農(nóng)作物的產(chǎn)量將會顯著降低[4]。干旱之所以會使植物受到迫害,是因?yàn)楦珊到档土酥参锏墓夂献饔肹5],使得植物體的凈光合速率和氣孔導(dǎo)度下降[6]。

針對干旱脅迫,水稻幼苗的體內(nèi)會進(jìn)行一系列的生理生化反應(yīng)來抵御這些迫害。超氧陰離子自由基(O2-)是生物體內(nèi)多種生理反應(yīng)的中間產(chǎn)物之一,是活性氧的一種,具有極強(qiáng)的氧化能力,是生物氧化毒害的重要因素之一[7];SOD是機(jī)體內(nèi)天然存在的超氧化物自由基的清除因子,它可以把有害的超氧化物自由基轉(zhuǎn)化為過氧化氫(H2O2);H2O2是對機(jī)體有害的活性氧,但體內(nèi)的過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)會立即將其轉(zhuǎn)變?yōu)樗甗8]。這樣,SOD、POD、CAT便形成了一個(gè)抵抗逆境脅迫的防御系統(tǒng)。結(jié)果表明,干旱預(yù)處理對Cd脅迫下水稻幼苗的SOD、POD等抗氧化酶活性均增高,也就意味著水稻抗氧化能力有所提高。

已有研究證明,植物會在不同的逆境中產(chǎn)生交叉適應(yīng)現(xiàn)象。所謂交叉適應(yīng)是指植物經(jīng)受某種脅迫后,不僅會提高植物對這種脅迫的抗性,同時(shí)還會增強(qiáng)植物體對其他脅迫的抗性。例如,PEG干旱預(yù)處理下的玉米幼苗可以提高其在非生物脅迫方面的抗性[9]。

通過對水稻幼苗進(jìn)行PEG干旱預(yù)處理,誘導(dǎo)了水稻幼苗對Cd脅迫的交叉抗性;采用常規(guī)生理生化方法,獲得相關(guān)生理指標(biāo),探討PEG干旱預(yù)處理誘導(dǎo)水稻幼苗對Cd脅迫交叉抗性的應(yīng)答機(jī)理,對水稻的生產(chǎn)和實(shí)踐提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料:遼星1號水稻。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 種子處理

選取飽滿、均一的水稻種子,用3% 的H2O2浸泡10 min進(jìn)行消毒,隨后在28 ℃黑暗條件下浸種24 h,吸脹后催芽24 h,播種在600 mL燒杯的紗網(wǎng)上,在恒溫培養(yǎng)箱下(白天16 h、28 ℃;黑夜8 h、26 ℃)用Hoagland培養(yǎng)液進(jìn)行水培培養(yǎng)。待幼苗生長7 d左右到三葉一心期時(shí),分為3組處理:第1組為空白對照組(CK),即在恒溫培養(yǎng)箱中用Hoagland培養(yǎng)液進(jìn)行水培培養(yǎng);第2組為Cd脅迫處理組, 用Hoagland培養(yǎng)液培養(yǎng)7d后,再用含有0.1 mmol/L CdCl2(預(yù)實(shí)驗(yàn)確定該濃度已對水稻幼苗造成傷害)的培養(yǎng)液進(jìn)行脅迫處理;第3組為PEG干旱預(yù)處理組,用5% PEG預(yù)處理7 d后,再用含0.1 mmol/L CdCl2的培養(yǎng)液進(jìn)行脅迫處理。分別于處理后第7 d、第14 d、第21 d測定葉片MDA含量、SOD等抗氧化酶活性,各處理組重復(fù)3次。

1.2.2 測定方法

每盆分別取0.5 g水稻幼苗葉片,MDA含量采用TBA(硫代巴比妥酸)檢測法測定[10];SOD活性采用NBT光化還原法測定[11];POD活性采用愈創(chuàng)木酚法測定[12];CAT活性采用紫外分光光度法測定[13],APX活性參照Nakano和Asada的方法進(jìn)行改進(jìn)后測定[14]。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 12.0 軟件,針對不同濃度處理的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析(One-way ANOVA),比較各處理與對照之間差異顯著性,數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(mean±SE)表示。采用EXCEL 2003軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱預(yù)處理對Cd脅迫下水稻幼苗株高的影響

圖1 PEG預(yù)處理對Cd脅迫下水稻幼苗株高的影響

株高是最能直接反應(yīng)出植物生長情況的指標(biāo)。如圖1所示,在處理第7 d,5%PEG干旱預(yù)處理的水稻幼苗葉片株高顯著低于對照植株(P<0.05),說明PEG預(yù)處理使水稻幼苗遭受輕微傷害。在處理的第14 d,Cd處理組的植株株高已顯著低于對照植株(P<0.05),說明Cd脅迫抑制水稻幼苗的生長;但 5%PEG干旱預(yù)處理組的株高卻顯著高于Cd脅迫處理組(P<0.05),在處理的第21 d與第14 d的生長趨勢一致。這說明5%PEG預(yù)處理誘發(fā)了水稻幼苗的交叉適應(yīng),促進(jìn)水稻幼苗的生長,部分緩解了Cd脅迫對水稻幼苗的傷害。

2.2 干旱預(yù)處理對Cd脅迫下水稻幼苗葉片MDA含量的影響

圖2 PEG預(yù)處理對Cd脅迫下水稻幼苗葉片丙二醛含量的影響

丙二醛(MDA)是膜脂過氧化最終分解產(chǎn)物,其含量的多少可以間接地反映植物所受脅迫傷害程度[15]。如圖2所示,隨著處理時(shí)間的延長,Cd脅迫處理組的MDA含量呈現(xiàn)出上升趨勢,說明Cd對水稻幼苗產(chǎn)生傷害;與Cd處理相比,在5%PEG干旱預(yù)處理下水稻幼苗MDA含量顯著降低(P<0.05),說明干旱預(yù)處理緩解了水稻幼苗所受的Cd 脅迫傷害,有助于提高水稻幼苗對Cd脅迫的抗性。

2.3 干旱預(yù)處理對Cd脅迫下水稻幼苗葉片SOD活性的影響

超氧陰離子自由基(O2-)是生物體多種生理反應(yīng)中自然生成的中間產(chǎn)物之一。SOD是機(jī)體內(nèi)存在的天然的超氧自由基清除因子,是體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)的第一道防線,它通過一定的生理反應(yīng)可以把有害的超氧自由基轉(zhuǎn)化為過氧化氫。由圖3可以看出,Cd脅迫處理的水稻幼苗葉片SOD活性與對照組相比顯著降低(P<0.05);而在5%PEG干旱預(yù)處理下,水稻幼苗葉片SOD活性與Cd脅迫處理相比顯著提高(P<0.05);隨著處理時(shí)間的延長,Cd脅迫處理組的SOD活性呈現(xiàn)下降趨勢;而5%PEG干旱預(yù)處理組的SOD則呈現(xiàn)較穩(wěn)定的趨勢,差異不明顯(P<0.05)。

圖3 PEG預(yù)處理對Cd脅迫下水稻幼苗葉片SOD活性的影響

2.4 干旱預(yù)處理對Cd脅迫下水稻幼苗葉片POD活性的影響

植物體內(nèi)的活性氧代謝系統(tǒng)的平衡在逆境條件下會受到一定影響,在植物清除體內(nèi)自由基過程中,POD酶起著消除H2O2的作用。由圖4可見,在處理前期,Cd處理的水稻幼苗葉片POD活性顯著高于對照組(P<0.05),這可能是植物通過POD活性的增高,來緩解 Cd 脅迫對其傷害;隨著處理時(shí)間的延長,水稻幼苗葉片 POD 活性逐漸降低。與Cd處理組相比,水稻幼苗葉片在5% PEG預(yù)處理下POD活性初期相差不顯著(P<0.05),但到后期高于Cd處理組,提高了28.4%,這說明PEG預(yù)處理能夠減輕Cd脅迫對POD酶活性的傷害。

圖4 PEG預(yù)處理對Cd脅迫下水稻幼苗葉片POD活性的影響

2.5 干旱預(yù)處理對Cd脅迫下水稻幼苗葉片CAT活性的影響

過氧化氫酶(CAT)可以促使 H2O2分解為氧和水,從而清除體內(nèi)有害的過氧化氫,使細(xì)胞免于遭受 H2O2的毒害,是生物防御體系的關(guān)鍵酶之一。CAT 作用于H2O2的機(jī)理實(shí)質(zhì)上是H2O2的歧化反應(yīng),必須有2個(gè)H2O2先后與CAT相遇且碰撞,才能發(fā)生反應(yīng)。H2O2濃度越高,分解速度越快。由圖5可見,在整個(gè)處理時(shí)期,Cd處理的水稻幼苗葉片CAT活性始終低于對照組;與Cd處理相比,5%PEG干旱預(yù)處理的水稻幼苗葉片CAT活性在初期(第7 d)顯著增高,但隨著處理時(shí)間延長,二者差異不顯著(P<0.05)。

2.6 干旱預(yù)處理對Cd脅迫下水稻幼苗葉片APX活性的影響

抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性升高,可使超氧陰離子自由基(O2-)的產(chǎn)生速率下降,脂質(zhì)過氧化作用有所減弱。由圖6可以看出,Cd處理的水稻幼苗葉片APX活性與對照相比,初期相差不顯著;處理時(shí)間延長到中期時(shí)(第14 d),二者相差顯著(P<0.05)。在整個(gè)Cd處理時(shí)期,水稻幼苗葉片APX活性呈現(xiàn)下降趨勢;而5% PEG干旱預(yù)處理的水稻幼苗葉片APX活性則呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,且與Cd處理相比APX的活性顯著增高(P<0.05)。

圖6 PEG預(yù)處理對Cd脅迫下水稻幼苗

3 討 論

重金屬Cd不是植物必需的營養(yǎng)元素,不參與生物的代謝活動,過量的積累對植物具有明顯的脅迫作用。由于人類活動導(dǎo)致農(nóng)田Cd污染日益嚴(yán)重,已經(jīng)成為影響稻米品質(zhì)的重要因素。本實(shí)驗(yàn)表明,Cd處理的水稻幼苗植株生長遲緩,幼苗矮化,株高顯著低于對照組(P<0.05),這與Ma等研究一致[16],這表明Cd處理對水稻幼苗產(chǎn)生了傷害,抑制了水稻幼苗的生長。在5%PEG預(yù)處理下的水稻幼苗株高在初期低于Cd處理組,但隨著處理時(shí)間的延長卻顯著增高(P<0.05)(見圖1)。

Cd除了可以抑制水稻幼苗的生長之外,也能明顯影響植物的生理生化反應(yīng)。Hendny等指出,Cd對植物毒害作用的主要原因是誘發(fā)了高活性的自由基,而自由基則是導(dǎo)致膜脂過氧化的主要原因[17],活性氧自由基還會使蛋白質(zhì)脫氫而產(chǎn)生蛋白質(zhì)自由基,進(jìn)一步引發(fā)了鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng),損傷細(xì)胞膜系統(tǒng)。因此MDA可以作為細(xì)胞膜損傷程度的重要標(biāo)志。本實(shí)驗(yàn)中,5%PEG預(yù)處理組的MDA含量顯著降低(P<0.05),說明干旱預(yù)處理緩解了Cd的傷害作用。

在正常條件下,植物依靠自身的自由基清除系統(tǒng)可及時(shí)清除代謝所產(chǎn)生的自由基,如SOD、POD、CAT和APX等抗氧化酶組成了完整的防御鏈條。本實(shí)驗(yàn)中,在Cd處理初期,4種抗氧化酶活性與對照相比差異不顯著(P<0.05),而隨著處理時(shí)間的延長,4種抗氧化酶活性表現(xiàn)均下降。在5%PEG干旱預(yù)處理下,水稻幼苗葉片中SOD、POD、CAT和APX的活性均高于Cd處理組,這表明通過PEG預(yù)處理可以提高水稻幼苗的抗氧化酶活性,從而起到增強(qiáng)水稻幼苗抵抗重金屬脅迫的作用。

研究表明,通過預(yù)處理能夠誘導(dǎo)植物對隨后的非生物脅迫產(chǎn)生交叉適應(yīng),促進(jìn)植物生長[9]。Ma等人研究發(fā)現(xiàn)NaCl預(yù)處理能夠緩解Cd的脅迫作用,促進(jìn)水稻幼苗生長[16]。水稻幼苗對外源物質(zhì)殼寡糖與鹽脅迫之間也存在交叉適應(yīng),從而提高水稻的抗鹽性[17]。本實(shí)驗(yàn)中,通過PEG預(yù)處理也可誘導(dǎo)水稻幼苗對隨后的Cd脅迫產(chǎn)生交叉適應(yīng),主要是通過激活水稻幼苗葉片內(nèi)清除ROS的相關(guān)抗氧化酶,從而緩解Cd的傷害。

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Influence of PEG pretreatment on antioxidant enzyme activities of rice seedling to subsequent Cd stress

ZHANGShiwan,MEIYingxue,WEIwei,SUNDongwan,SUXin,WANGQian,MALianju

(College of Chemistry and Life Science, Shenyang Normal University, Shengyang 110034, China)

Effects of PEG pretreatment were studied on rice seedling growth and antioxidative activities of rice seedling stressed by Cd. The result indicated that Cd treatment reduced rice seedling's height compared to the control, but the PEG pretreatment increased the rice seedling’s height compared to the Cd treatment. With the prolong of Cd treatment time, MDA content of the rice seedling leaves increased significantly, but PEG pretreatment reduced MDA content. Cd treatment also reduced the activities of SOD, POD and CAT and APX of the rice seedling leaves. Under PEG pretreatment, the activities of SOD, POD and CAT and APX of the rice seedling leaves were significantly increased in comparison with that of Cd treatment. PEG pretreatment induced rice seedlings cross adaptation on the subsequent Cd stress and alleviated the Cd stress on rice seedlings.

PEG pretreatment; Cd; rice seedling; antioxidant enzyme; cross-adaptation

2014-12-25。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31270369); 沈陽師范大學(xué)主任基金資助項(xiàng)目(EERC-K-201406); 沈陽師范大學(xué)“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”項(xiàng)目。

張?jiān)娡?1991-),女,遼寧沈陽人,沈陽師范大學(xué)碩士研究生; 通信作者: 馬蓮菊(1969-),女,遼寧莊河人,沈陽師范大學(xué)副教授,博士,碩士研究生導(dǎo)師。

1673-5862(2015)03-0437-05

Q945.78

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2015.03.026