氯化鑭對銅脅迫下玉米幼苗抗氧化特性的影響

代惠萍，趙 樺，賈根良，吳三橋，趙美容(1.陜西理工學(xué)院/陜西省資源重點實驗室,陜西 漢中 73001； .陜西理工學(xué)院 生物科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 漢中 73001； 3.蘭州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院/甘肅省環(huán)境生物監(jiān)測與修復(fù)重點實驗室,甘肅 蘭州 730000；.西北農(nóng)林科技大學(xué) 理學(xué)院，陜西 楊凌 71100)

氯化鑭對銅脅迫下玉米幼苗抗氧化特性的影響

代惠萍1,2,3，趙 樺2，賈根良4，吳三橋2，趙美容2
(1.陜西理工學(xué)院/陜西省資源重點實驗室,陜西 漢中 723001； 2.陜西理工學(xué)院 生物科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 漢中 723001； 3.蘭州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院/甘肅省環(huán)境生物監(jiān)測與修復(fù)重點實驗室,甘肅 蘭州 730000；4.西北農(nóng)林科技大學(xué) 理學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

以玉米為試材，采用溶液培養(yǎng)方法，研究了外源氯化鑭對銅脅迫下玉米幼苗葉片及根系抗氧化特性的影響。結(jié)果表明，銅脅迫顯著提高了玉米葉片SOD、CAT、APX、DHAR活性、GSH含量、細(xì)胞質(zhì)膜透性、MDA含量及根系SOD、CAT、DHAR活性、AsA含量、細(xì)胞質(zhì)膜透性、MDA含量，而使葉片POD、GR活性、AsA含量及根系POD、APX、GR活性、GSH含量顯著降低。與銅脅迫相比，氯化鑭+銅復(fù)合處理葉片的SOD、APX、GR、DHAR活性與AsA含量分別顯著增加了16.3%、86.2%、225.0%、62.5%、267.7%，其根系POD、APX、GR、DHAR活性和GSH含量分別顯著增加了148.5%、66.7%、51.5%、23.7%、19.3%，葉片CAT、POD活性、GSH含量、細(xì)胞質(zhì)膜透性、MDA含量分別降低了47.5%、15.0%、15.4%、44.3%、48.1%，根系CAT活性、AsA含量、細(xì)胞質(zhì)膜透性、MDA含量分別降低了42.9%、50.0%、35.8%、41.1%，氯化鑭+銅復(fù)合處理使玉米幼苗生物量顯著增加了25.4%。綜上，氯化鑭可提高玉米幼苗的抗氧化能力，從而緩解銅脅迫玉米植株所造成的傷害。

氯化鑭； 玉米幼苗； 銅脅迫； 抗氧化特性

銅(Cu)是植物正常生命活動所必需的微量元素，同時是多種蛋白質(zhì)和酶的組成成分，廣泛參與植物的多種代謝反應(yīng)，但過量的銅則會導(dǎo)致植物細(xì)胞內(nèi)活性氧(ROS)濃度升高，對植物產(chǎn)生毒害作用[1]。為了抵御銅脅迫造成的傷害，植物則會通過增強抗氧化酶活性和非酶抗氧化劑含量，即增強植物體自身的活性氧清除系統(tǒng)，從而減少或降低氧化傷害[2-10]。鑭是一種稀土元素，在調(diào)控植物抗逆性中具有重要作用。研究表明，稀土元素鑭能促進(jìn)植物的生長發(fā)育，提高植物的抗逆性，尤其可以顯著增強植物的抗氧化能力[2,11]。如王蕊等[3]以豌豆為研究對象，證明了鑭處理緩解了銅脅迫對豌豆幼苗膜系統(tǒng)造成的傷害。但迄今有關(guān)氯化鑭調(diào)控銅脅迫下玉米抗氧化能力的報道很少。因此，從生理水平研究氯化鑭對玉米抗氧化特性及抗銅的生理調(diào)控機(jī)制意義重大。

本試驗以滑玉14幼苗為材料，研究了外源氯化鑭對銅脅迫下玉米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)、 谷胱甘肽還原酶(GR)、脫氫抗壞血酸還原酶(DHAR)活性、抗壞血酸(AsA)含量、還原型谷胱苷肽(GSH)含量及細(xì)胞膜透性、丙二醛(MDA)含量等生理指標(biāo)的影響，以期揭示外源氯化鑭提高玉米抗銅性的生理機(jī)制，旨在為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)栽培中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料培養(yǎng)及處理

試驗玉米材料為滑玉14。挑選大小均勻、顆粒飽滿且無病蟲害的種子用0.1% HgCl2浸泡20 min進(jìn)行常規(guī)消毒并用蒸餾水沖洗，再用蒸餾水浸泡24 h，然后轉(zhuǎn)移至培養(yǎng)皿中，加入適量蒸餾水在培養(yǎng)箱中進(jìn)行發(fā)芽與幼苗培養(yǎng)，培養(yǎng)箱溫度設(shè)為25 ℃。待幼苗長出第1片葉時，挑選生長情況基本一致的幼苗轉(zhuǎn)入1/2 Hoagland營養(yǎng)液中進(jìn)行培養(yǎng)，每2 d換一次營養(yǎng)液。待幼苗長至兩葉一心時，挑選生長情況基本一致的幼苗進(jìn)行試驗。試驗共設(shè)3種處理，分別為100 mL 1/2 Hoagland營養(yǎng)液處理(CK)、銅脅迫處理(Cu)、氯化鑭+銅脅迫處理(La+Cu)，其中Cu脅迫處理是向100 mL 1/2 Hoagland營養(yǎng)液中加入CuSO4，使其成為100 μmol/L CuSO4溶液，將根系置于該溶液中進(jìn)行處理；La+Cu脅迫處理是先用100 mL 1/2 Hoagland營養(yǎng)液配制成的30 μmol/L LaCl3預(yù)處理24 h，然后轉(zhuǎn)入100 mL 100 μmol/L CuSO4溶液中進(jìn)行處理。每個處理用5株幼苗，重復(fù)3次。在處理2 d后，分別測定各處理葉片及根系的各項生理指標(biāo)，每個指標(biāo)重復(fù)測定3次。

1.2 測定項目與方法

膜透性測定參照Shan等[4]的方法，膜透性用膜相對透性表示，膜相對透性=L1/L2×100%。式中：L1表示殺死前外滲液的電導(dǎo)值，L2表示殺死后外滲液的電導(dǎo)值。MDA含量及SOD、POD、CAT、APX、GR 活性測定按照Dai等[5-7]的方法。DHAR活性測定參照Miyake等[8]的方法。AsA含量參照Kampfenkel等[9]的方法測定。GSH含量參照Dai 等[10]的方法測定。生物量采用烘干法測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SAS軟件處理，在α=0.05水平上進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氯化鑭對銅脅迫下玉米幼苗抗氧化酶活性及細(xì)胞質(zhì)膜透性、AsA、GSH和MDA含量的影響

由表1可以看出，與對照相比， Cu脅迫顯著提高了玉米葉片SOD、CAT、APX、DHAR活性、GSH含量、細(xì)胞質(zhì)膜透性、MDA含量及根系SOD、CAT、DHAR活性、AsA含量、細(xì)胞質(zhì)膜透性、MDA含量，而使葉片POD、GR活性、AsA含量及根系POD、APX、GR活性、GSH含量顯著降低。與Cu脅迫相比，La+Cu復(fù)合處理葉片的SOD、APX、GR、DHAR活性與AsA含量分別顯著增加了16.3%、86.2%、225.0%、62.5%、267.7%，其根系POD、APX、GR、DHAR活性和GSH含量分別顯著增加了148.5%、66.7%、51.5%、23.7%、19.3%，葉片CAT、POD活性、GSH含量、細(xì)胞質(zhì)膜透性、MDA含量分別降低了47.5%、15.0%、15.4%、44.3%、48.1%，根系CAT活性、AsA含量、細(xì)胞質(zhì)膜透性、MDA含量分別降低了42.9%、50.0%、35.8%、41.1%。

表1 氯化鑭對銅脅迫下玉米幼苗葉片和根系SOD、CAT、POD、APX、GR、DHAR活性、膜透性、AsA、GSH和MDA含量的影響

項目器官處理 CK Cu La+CuSOD活性/(U/g)葉2．7±0．3c4．3±0．5b5．0±0．8a根5．5±0．8b6．1±0．6a6．2±0．5aCAT活性/[U/(min·g)]葉8．5±2．6c20．0±4．3a10．5±5．2b根1．1±3．2c3．5±3．1a2．0±7．1bPOD活性/[U/(min·g)]葉3．0±2．1a2．0±2．8b1．7±3．3b根16．7±2．4b10．3±2．2c25．6±3．6aAPX活性/[U/(min·g)]葉16．2±2．0c30．5±3．1b56．8±2．7a根10．5±1．9b7．5±2．4c12．5±2．9aGR活性/[U/(min·g)]葉4．0±2．3b2．0±2．5c6．5±3．2a根5．1±1．3a3．3±1．7b5．0±3．5aDHAR活性/[U/(min·g)]葉21．4±1．2a25．1±1．1b40．8±2．1a根15．9±1．6b27．9±1．8b34．5±2．7aAsA含量/(μmol/g)葉0．42±0．5b0．31±1．4c1．14±1．5a根0．45±0．6c0．60±0．9a0．30±1．2cGSH含量/(μmol/g)葉0．92±0．4b1．04±0．7a0．88±1．1b根0．86±0．3b0．83±0．5b0．99±0．6a膜透性/%葉10．1±0．4c28．7±0．6a16．0±1．0b根13．0±0．3c29．6±0．2a19．0±0．5bMDA含量/(μmol/g)葉1．4±0．2c5．2±0．4a2．7±0．6b根2．3±0．1c5．6±0．2a3．3±0．3b

注：表中同行中數(shù)值后不同小寫字母表示同一指標(biāo)在不同處理間在α=0.05水平差異顯著，下同。

2.2 氯化鑭對銅脅迫下玉米幼苗生物量的影響

生物量的大小反映植物對不良環(huán)境條件的抵抗能力。由表2可知，與對照相比，Cu脅迫處理使玉米幼苗單株干質(zhì)量顯著降低了33.7%。與Cu脅迫處理相比，La+Cu復(fù)合處理則顯著增加了玉米幼苗的單株干質(zhì)量。這進(jìn)一步說明，氯化鑭可以緩解Cu脅迫對玉米植株造成的傷害。

表2 氯化鑭對銅脅迫下玉米幼苗單株生物量的影響 g/株

3 結(jié)論與討論

鑭是一種重要的稀土元素，氯化鑭能夠調(diào)控脅迫下植物的抗氧化代謝，進(jìn)而調(diào)控植物抗逆境的能力[2-3,11]。本研究表明，與Cu脅迫比較，La+Cu顯著降低銅脅迫對葉片和根系造成的過氧化傷害。其La+Cu處理下參試品種葉片和根系的細(xì)胞質(zhì)膜透性和MDA含量顯著降低，這說明氯化鑭在一定程度上緩解銅脅迫對玉米幼苗所造成的過氧化傷害，這與潘雪峰等[1]研究結(jié)果一致。王蕊等[3]研究表明，鑭可以通過提高豌豆葉片SOD、CAT和POD活性而緩解銅脅迫所造成的氧化傷害。本研究進(jìn)一步證實了這一結(jié)果，鑭可以通過提高玉米幼苗葉片SOD活性而提高抗銅性。馬占強等[12]在玉米上的研究表明，添加鑭使玉米幼苗葉片的POD活性顯著減少，這與本研究的結(jié)果基本一致。說明施用氯化鑭使玉米幼苗葉片SOD、APX、GR和DHAR活性及根系POD、APX和GR活性顯著增加，從而使根葉細(xì)胞質(zhì)膜透性和MDA含量顯著降低，緩解玉米所遭受的氧化傷害，增強抗銅的能力。GSH作為AsA-GSH循環(huán)代謝的重要組成部分參與或直接清除細(xì)胞內(nèi)活性氧自由基，GR的活性影響到胞內(nèi)GSH庫的水平，添加氯化鑭使GR活性、GSH含量顯著增加，GSH促進(jìn)AsA-GSH循環(huán)使得DHAR、APX和GR的活性相應(yīng)提高[13-15]。AsA作為一種小分子的抗氧化物質(zhì)，與植物的抗氧化能力密切相關(guān)。本研究表明，氯化鑭使葉片AsA含量顯著增加。說明氯化鑭可以通過增強幼苗抗氧化系統(tǒng)的防護(hù)能力而提高抗銅能力。

生物量大小是衡量植物對逆境條件適應(yīng)的重要指標(biāo)。吳文杰等[2]研究報道，氯化鑭的添加促進(jìn)了水稻的生長，使水稻的生物量增加。在本試驗中也驗證了這一點。說明氯化鑭的添加緩解銅對玉米的毒害，使溶液中銅與氯化鑭絡(luò)合，更易被玉米吸收，進(jìn)而對生物量積累有重要的影響。

綜上所述，可以通過根部灌水的方式，利用氯化鑭提高玉米的抗銅性，從而為氯化鑭在玉米生產(chǎn)栽培中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

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Effects of Lanthanum Chloride on Antioxidant Characteristics of Maize Seedlings under Copper Stress

DAI Huiping1,2,3,ZHAO Hua2,JIA Genliang4,WU Sanqiao2,ZHAO Meirong2
(1.Shaanxi Province Key Laboratory of Bio-resources/Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723001,China; 2.College of Biological Science & Engineering,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723001,China; 3.School of Life Sciences,Lanzhou University/Gansu Key Laboratory of Biomonitoring and Bioremediation for Environmental Pollution,Lanzhou 730000,China; 4.College of Science,Northwest A&F University,Yangling 712100,China)

Hydroponic experiments were conducted to study the effects of exogenous lanthanum chloride on the antioxidant properties of maize seedling leaves and roots under copper stress.The results showed that copper stress significantly increased the activities of SOD,CAT,APX,DHAR,membrane permeability,and the contents of GSH,MDA in leaves,as well as the activities of SOD,CAT,DHAR,membrane permeability,and contents of AsA,MDA in roots,however,significantly decreased the activities of POD,GR and content of AsA in leaves，as well as the activities of POD,APX,GR and the GSH content in root.Compared with copper stress alone,exogenous lanthanum chloride could significantly increase the activities of SOD,APX,GR,DHAR and AsA content by 16.3%,86.2%,225.0%,62.5%,267.7% respectively in leaves,and the activities of SOD,POD,APX,GR,DHAR and the GSH content by 1.6%,148.5%,66.7%,51.5%,23.7%,19.3% respectively in roots; decrease the activities of CAT,POD,membrane permeability,and content of GSH,MDA by 47.5%、15.0%、15.4%、44.3%、48.1% in leaves,the activities of CAT,membrane permeability,and content of AsA,MDA in roots by 42.9%,50%,35.8%,41.1%;and significantly increase the biomass per plant by 25.4%.Above results indicated that lanthanum chloride could alleviate the oxidative damage and enhance the antioxidant abilities of maize seedlings.

lanthanum chloride; maize seedling; copper stress; antioxidant characteristics

2015-11-27

陜西省教育廳重點實驗室科研計劃項目(15JS019)；陜西省自然基金項目(2015JM3086)；甘肅省環(huán)境生物監(jiān)測與修復(fù)重點實驗室開放基金項目(GBBL2015006)；國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201510720570)；陜西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(1970)；陜西理工學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(UIRP15034)

代惠萍(1972-)，女，陜西武功人，副教授，博士，主要從事植物逆境生理研究。E-mail:daihp72@aliyun.com

S512.1

A

1004-3268(2016)04-0031-04