鎘脅迫對水仙根系抗氧化系統(tǒng)的影響

張　瓊，陸鑾眉，戴清霞，朱麗霞，鄭海燕

(閩南師范大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建　漳州　363000)

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鎘脅迫對水仙根系抗氧化系統(tǒng)的影響

張瓊，陸鑾眉，戴清霞，朱麗霞，鄭海燕

(閩南師范大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建漳州363000)

研究不同質(zhì)量濃度鎘(0、0.5、2、4、8、25 mg·L-1)對水仙根系膜脂過氧化作用、抗氧化酶和非蛋白巰基的影響，以期為水仙栽培和園林綠化中篩選重金屬修復(fù)植物提供理論參考和依據(jù)。結(jié)果表明隨著鎘處理濃度的增加，與對照相比，根系丙二醛含量增加77.5%到653.5%；4～25 mg·L-1鎘誘導(dǎo)根系過氧化氫含量顯著增加，與對照相比，各處理濃度下過氧化氫含量增加13.4%到44.9%；SOD酶活性隨著鎘處理濃度升高呈現(xiàn)先下降后升高趨勢；POD酶活性隨著鎘處理濃度的增加而降低，4～25 mg·L-1鎘誘導(dǎo)根系POD活性顯著低于對照，降低幅度為18.7%～48.5%；8～25 mg·L-1鎘處理誘導(dǎo)GSH含量顯著升高，與對照相比分別增加78.1到116.2%；0.5 、25 mg·L-1鎘處理顯著降低了根系非蛋白巰基含量，與對照相比降低了29.0到5.4%。由此看出低濃度鎘脅迫已對水仙造成氧化脅迫，根系氧化脅迫隨著鎘處理濃度增加而加重；長期鎘脅迫下抗氧化酶活性受到抑制，降低植物抗氧化能力；而高濃度鎘脅迫下水仙通過合成GSH提高自身抗逆性。

中國水仙；鎘脅迫；過氧化作用；巰基

中國水仙Narcissustazettavar. chinensis栽培歷史悠久，是我國傳統(tǒng)十大名花之一為多年生單子葉植物，屬于石蒜科水仙屬。按照產(chǎn)地不同中國水仙可分為漳州水仙、平潭水仙和崇明水仙等。目前國內(nèi)外對水仙優(yōu)良品種選育、種質(zhì)鑒定、資源保護(hù)、栽培、種球儲運和生理活性成分提取等方面開展大量研究，而對水仙花抗性生理方面研究較少，尤其是對重金屬耐性方面研究幾乎空白[1-2]。

隨著人類社會快速發(fā)展，大量未經(jīng)處理的廢水、廢氣和廢渣排入環(huán)境，使得水體、土壤和大氣中重金屬含量急劇升高。重金屬元素能夠?qū)χ参锂a(chǎn)生直接和間接傷害，機(jī)制在于重金屬與植物體內(nèi)蛋白巰基結(jié)合或取代某些基團(tuán)造成蛋白活性抑制或結(jié)構(gòu)破壞，重金屬離子抑或?qū)χ参锎x產(chǎn)生滲透脅迫等。鎘屬于植物非必需元素，是生物毒性最強(qiáng)的重金屬之一，且生物遷移性較強(qiáng)，極易被植物體吸收累積。鎘對植物體造成的傷害包括抑制植物細(xì)胞分裂、損害植物超微結(jié)構(gòu)、抑制葉綠素合成和光合電子傳遞、損害質(zhì)膜和拮抗?fàn)I養(yǎng)元素吸收等[3-4]。鎘脅迫對植物造成的氧化脅迫是鎘毒害機(jī)理之一，許多研究顯示鎘導(dǎo)致植物體內(nèi)活性氧自由基積累，造成蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞和生物膜系統(tǒng)損傷，對植物造成嚴(yán)重傷害[5-8]。為探明水仙花對鎘的響應(yīng)機(jī)制，本研究通過水培試驗研究鎘脅迫對水仙花生長、抗氧化系統(tǒng)和鎘在水仙花中的積累特性，以期為水仙花栽培和園林綠化中篩選重金屬修復(fù)植物提供理論參考和依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗設(shè)計

將2年生水仙種球(產(chǎn)地漳州)用Hoagland營養(yǎng)液進(jìn)行水培。水培介質(zhì)中添加Cd、Cl2原溶液，使最后介質(zhì)鎘的質(zhì)量濃度分別為0.5、2、4、8和25 mg·L-1,記為Cd 0.5、Cd 2、Cd 4、Cd 8 和Cd 25，亦設(shè)置鎘濃度為0 mg·L-1對照處理(記為Cd 0)。水培溶液每3 d換1次，并用1 mol·L-1HCl 或1 mol·L-1NaOH 調(diào)節(jié)pH至6.0～ 6.5。處理8周后，植株按處理收獲，用去離子水沖洗干凈后選取新鮮根系進(jìn)行下列試驗。

1.2丙二醛含量測定

選取新鮮植物樣(根系)，剪碎混勻后，采用硫代巴比妥酸顯色法測定根系中丙二醛含量[7]。

1.3抗氧化酶和過氧化氫含量測定

SOD、POD和H2O2分別采用蘇州科銘生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)的超氧化物歧化酶測試盒、過氧化物酶測試盒和過氧化氫測試盒測定。

1.4非蛋白巰基和谷胱甘肽含量測定

NPT含量測定采用Rama提出的方法[9]，稱取0.2 g植物鮮樣，磺基水楊酸冰浴研磨后離心，定容后，加入Tris-HCl(pH 8.2)和5,5′-雙二硫-2硝基苯甲酸反應(yīng)體系，反應(yīng)20 min后于412 nm處測定吸光值，以GSH為巰基標(biāo)樣。

采用TDNB(二硫代雙-二硝基苯甲酸)法測定谷胱甘肽含量[10]，稱取1.0 g植物鮮樣，冰浴研磨，加入磷酸鉀緩沖液和 TDNB試劑，反應(yīng)5 min后于412 nm處測定吸光值，計算結(jié)果。

1.5數(shù)據(jù)處理

文中各生理指標(biāo)測定均為3次重復(fù)平均值。應(yīng)用Excel 2007整理試驗數(shù)據(jù)，運用SPSS 11.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，并進(jìn)行多重比較(SSR法)，顯著性水平為P<0.05。數(shù)據(jù)作圖采用Origin 8.0軟件。

2　結(jié)果與分析

2.1鎘對水仙根系丙二醛含量的影響

鎘對水仙丙二醛含量的影響如圖1所示。與對照處理相比，鎘處理脅迫均顯著增加根系丙二醛含量，根系丙二醛含量隨鎘處理濃度的升高而升高，Cd 0.5處理下丙二醛含量比對照處理高77.5%，Cd 8處理下丙二醛含量高于對照634.6%。由此可見低濃度鎘脅迫已對水仙根系產(chǎn)生氧化脅迫，氧化脅迫隨著鎘處理濃度的增加而增加。

2.2鎘對水仙根系過氧化氫含量的影響

圖1顯示鎘處理顯著影響水仙根系中過氧化氫含量。與對照相比，Cd 0.5和Cd 2處理對根系過氧化氫含量影響不顯著，鎘處理濃度大于等于4 mg·L-1脅迫下均顯著增加根系過氧化氫含量，其含量隨鎘處理濃度增加而增加，Cd 4處理下過氧化氫含量比對照高27.9%，Cd 8處理與Cd 25處理間過氧化氫含量差異不大，分別比對照高44.9%和46.6%。

2.3鎘對水仙根系SOD活性影響

圖2顯示鎘處理對根系SOD活性的影響，隨著鎘處理濃度的增加SOD活性呈現(xiàn)先下降而后升高的趨勢，其中Cd 2處理顯著降低其活性，比對照降低16.3%，其他處理沒有顯著影響SOD活性。

2.4鎘對過氧化物酶POD活性的影響

鎘處理顯著影響根系中POD活性(P<0.05)，隨著營養(yǎng)液中鎘處理濃度的增加，根中POD活性呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(圖2)。在Cd 8處理下POD活性最低，與對照處理相比下降48.5%；Cd 4和Cd 25處理下POD活性分別比對照下降29.9和24.9%。

2.5鎘對水仙根系NPT和GSH含量影響

由圖3可知，與對照處理相比，鎘濃度0.5、4 mg·L-1處理對根系GSH含量影響不顯著，而Cd 8和Cd 25處理濃度顯著增加其含量，分別比對照高78.1和116.2%。較高濃度鎘脅迫沒有顯著影響根系非蛋白巰基NPT含量，只有低濃度鎘處理(Cd 0.5)顯著降低了根系NPT含量，其低于對照9.7%。

3　討論與結(jié)論

植株處于正常生長環(huán)境中，活性氧和過氧化氫的積累控制于各種酶和化學(xué)的清除代謝過程中，逆境脅迫使得抗氧化系統(tǒng)與活性氧之間平衡被打破，誘發(fā)活性氧增加而導(dǎo)致氧化脅迫[11]。丙二醛是細(xì)胞膜脂過氧化脅迫的重要產(chǎn)物，其含量高低代表植株遭受環(huán)境脅迫的強(qiáng)弱。過氧化氫是由于活性氧在氧化酶(主要是SOD酶)催化作用下形成，再通過多酚氧化酶、過氧化氫酶(CAT)或過氧化物酶(POD)催化氧化還原降解為水和氧氣。許多研究報道了鎘脅迫導(dǎo)致植物體內(nèi)活性氧(或者過氧化氫)大量產(chǎn)生和積累[7]。本研究中低濃度鎘處理已導(dǎo)致根系丙二醛含量顯著增加，丙二醛含量隨鎘脅迫濃度的增加而增加，4～25 mg·L-1鎘處理濃度亦誘導(dǎo)水仙根系過氧化氫含量顯著增加，表明低濃度鎘脅迫已對水仙造成氧化脅迫，根系氧化脅迫隨著鎘處理濃度增加而加重。不同植物丙二醛含量對鎘脅迫響應(yīng)不同，有些鎘耐性較強(qiáng)的植物膜脂穩(wěn)定性較高，比如滇苦菜和東南景天膜在鎘處理濃度較低時兩種植物丙二醛含量都沒有顯著變化[12-13]。

生物抗氧化性系統(tǒng)包括具有高度還原性的非酶成分和抗氧化酶類，植物抗氧化系統(tǒng)活性的增加與植物抗逆性密切相關(guān)。一些研究顯示低濃度重金屬脅迫能夠增加氧化酶活性，高濃度重金屬脅迫顯著降低酶活性。超氧化物歧化酶是體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)中關(guān)鍵酶類，本研究中鎘對水仙根系SOD酶活性影響不高，只有2 mg·L-1Cd顯著抑制酶活性，其他鎘處理沒有顯著影響SOD活性。不同植物鎘耐性和防御機(jī)制不同，SOD酶活性對鎘處理響應(yīng)也不同，在一些植物中高濃度鎘脅迫可能導(dǎo)致活性氧的累積，從而激活更多SOD，或者由于鎘處理增強(qiáng)編碼SOD基因的表達(dá)，比如玉米、滇苦菜、蘆葦SOD活性隨著鎘處理濃度的增加而增加[7, 12, 14]。而在另一些植物中隨著鎘處理濃度的增加SOD活性亦降低，可能是由于產(chǎn)生的過氧化氫抑制SOD活性，或者鎘產(chǎn)生毒害作用抑制SOD酶基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)[15]。高陽等研究鎘脅迫時間對抗氧化酶活性的影響，結(jié)果顯示時間明顯影響煙草愈傷組織SOD酶活性，本研究中水仙根系SOD酶活性對鎘響應(yīng)可能與脅迫時間有關(guān)，是鎘對根系過氧化氫含量和SOD酶生成過程影響的最終結(jié)果，其機(jī)制有待進(jìn)一步研究[16]。

過氧化物酶是植物體內(nèi)活性較高的適應(yīng)性酶，廣泛存在于植物體內(nèi)不同組織，可消除SOD歧化反應(yīng)的產(chǎn)物過氧化氫。目前研究顯示POD對植物適應(yīng)性具有雙重作用，一方面POD在逆境初期表現(xiàn)為保護(hù)效應(yīng)，能夠及時分解過氧化氫而減輕活性氧對植物的危害；另一方面，POD在逆境后期表達(dá)參與活性氧生成，促進(jìn)葉綠素降解，表現(xiàn)為傷害效應(yīng)。一些研究表明由于底物濃度的增加，在一定低濃度范圍內(nèi)重金屬脅迫使得POD活性隨著重金屬脅迫濃度的增加而增加，高濃度脅迫下，由于對POD酶的傷害，而使POD活性降低[17]。本研究結(jié)果與鎘對滇苦菜根部POD活性影響相似，在一定范圍鎘處理濃度下，對照鎘處理濃度的增加，水仙根部POD活性下降[12]。許多研究顯示逆境初期所產(chǎn)生的大量活性氧誘導(dǎo)抗氧化酶的表達(dá)和活性增加，但隨著脅迫進(jìn)行，脅迫超過自身忍耐程度，導(dǎo)致基因表達(dá)量和酶活性下降[18]。本研究是在鎘處理一個月后進(jìn)行，結(jié)果顯示POD活性隨鎘脅迫劑量的升高而逐漸下降，清除過氧化氫的能力逐漸降低，導(dǎo)致體內(nèi)過氧化氫含量升高，說明水仙鎘耐性隨鎘脅迫濃度的升高而逐漸下降；而高濃度鎘脅迫(Cd 25)下根系POD活性升高，推測升高的POD活性表達(dá)參與活性氧生成，使得植物氧化脅迫增加。

巰基對鎘具有很強(qiáng)的親和力，GSH和PC等非蛋白巰基(NPT)物質(zhì)在植物耐鎘性中起到重要作用[19]。一些研究顯示鎘脅迫導(dǎo)致植物體內(nèi)大量合成非蛋白巰基化合物以降低鎘毒害[20-21]，而本研究中較高濃度鎘脅迫沒有顯著影響根系總巰基含量，但高濃度鎘處理顯著增加了GSH含量。有些研究也表明重金屬沒有影響植物體內(nèi)非蛋白巰基總量，而GSH在重金屬解毒中更為重要[20,22]。谷胱甘肽GSH是最豐富的低分子硫醇，在細(xì)胞分化和發(fā)育中扮演了重要角色，是較為豐富的非酶類抗氧化物質(zhì)，也是合成植物絡(luò)合素PCs的前體和多種抗氧化酶底物，而且GSH具有-SH能與重金屬絡(luò)合形成硫肽復(fù)合物，降低重金屬毒性，所以GSH含量的變化對植物耐重金屬性起著重要作用。有些研究也表明植物體內(nèi)過量表達(dá)GSH合成酶基因能夠提高植物抗逆性[23]。本研究中8～25 mg·L-1鎘處理顯著增加了GSH含量，表明水仙根系在高濃度鎘脅迫下通過合成GSH提高自身抗逆性，這與苜蓿葉片抗氧化系統(tǒng)對鎘脅迫影響類似，苜蓿葉片SOD活性在高濃度鎘脅迫下最低，而GSH含量在高濃度鎘脅迫下達(dá)到高峰[24]。

水仙花根系膜穩(wěn)定性較弱，低濃度鎘處理已導(dǎo)致水仙花根系遭受氧化脅迫，使得MDA含量顯著增加；水仙花根系抗氧化酶活性對鎘的響應(yīng)較弱，沒有顯示隨著鎘處理濃度增加而增加的濃度效應(yīng)，反而POD活性被鎘處理抑制；高濃度鎘脅迫顯著增加水仙花根系非酶類抗氧化物質(zhì)GSH 含量。

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(責(zé)任編輯：柯文輝)

Cadmium-induced Peroxidation and Production of Sulfur-related Complex in Roots ofNarcissustazettavar. chinensis

ZHANG Qiong, LU Luan-mei,DAI Qing-xia,ZHU Li-xia,ZHENG Hai-yan

(SchoolofBiologicalSciencesandBiotechnology,MinnanNormalUniversity,Zhangzhou,Fujian363000，China)

Effect of varied concentrations (i.e., 0, 0.5, 2, 4, 8, and 25 mg·L-1) of cadmium (Cd) on the membrane lipid peroxidation, superoxide dismutase (SOD), peroxidase (POD), non-protein sulfydryl (NPT), and glutathione (GSH)in the roots of daffodil,Narcissustazettavar. chinensis, were studied with a hydroponic culture. The study aimed to gain information for the cultivation, as well as selection of appropriate phytoremediation on the heavy metal stresses for the plants.It was found that (a) the content of root malondialdehyde (MDA) increased as Cd concentration increased; (b) at 4-25 mg·L-1, Cd induced a significant increase on hydrogen peroxidein the roots; (c) as Cd concentration increased, SOD activity decreased initially and followed by an increase,while POD decreased continuously with a significantly lower level than that of control when Cd concentration reached 4-25 mg·L-1; (d) GSH greatly increased with 8-25 mg·L-1Cd, while NPT drastically decreased with the presence of 0.5 mg·L-1or 25 mg·L-1Cd. It appeared that, even at low level, Cd already imposed oxidative stress on daffodil. As Cd concentration increased, the stress worsened. Underprolonged Cd stress, the anti-oxidation enzymatic activity was suppressed resulting in a lowered capacity of the plants to resist the stress. On the other hand,when encountered high Cd stress, the daffodil plant would synthesize GSH to improve its resistance to the adverse condition.

Narcissustazetta;cadmium stress; peroxidation; thiol

張瓊，陸鑾眉，戴清霞，等.鎘脅迫對水仙根系抗氧化系統(tǒng)的影響[J].福建農(nóng)業(yè)學(xué)報，2016，31(6)：591-595.

ZHANG Q，LU L-M，DAI Q-X，et al.Cadmium-induced Peroxidation and Production of Sulfur-related Complex in Roots ofNarcissustazettavar. chinensis[J].FujianJournalofAgriculturalSciences，2016，31(6)：591-595.

2015-12-30初稿；2016-03-25修改稿

張瓊(1980-)，女，博士，講師，主要從事植物生理生態(tài)和污染生態(tài)方向研究(E-mail：349369029@qq.com)

福建省教育廳中青年教師教育科研項目(JA15322)；閩南師范大學(xué)博士科研啟動項目(2006L21432)；閩南師范大學(xué)園林植物生長發(fā)育與生態(tài)配置校級創(chuàng)新團(tuán)隊項目(2013年)

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1008-0384(2016)06-591-05