外源亞精胺對(duì)鎘脅迫下玉米幼苗抗氧化代謝的調(diào)控效應(yīng)

孫天國(guó) 孫玉斌

摘要：為研究亞精胺對(duì)玉米幼苗抗重金屬毒害影響的內(nèi)在機(jī)制，采用營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)法，研究5 mg/L鎘脅迫下不同濃度亞精胺對(duì)玉米幼苗光合作用和抗氧化酶活性的影響。結(jié)果表明：（1）在鎘毒害下，噴水處理玉米幼苗的超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化物酶（POD）、過(guò)氧化氫酶（CAT）活性下降，施加外源亞精胺可顯著提高抗氧化酶活性;（2）在鎘脅迫下，噴水處理的葉綠素含量和可溶性蛋白含量降低，施加外源亞精胺可提高二者的含量;（3）鎘毒害可使丙二醛（MDA）、過(guò)氧化氫（H2O2）含量及 O-2· 產(chǎn)生速率升高，施加外源亞精胺可降低膜脂過(guò)氧化程度，進(jìn)而降低MDA、H2O2含量及 O-2· 產(chǎn)生速率。說(shuō)明亞精胺能夠減輕鎘對(duì)玉米幼苗的毒害作用，且以0.5、1.0 mmol/L的效果較好。

關(guān)鍵詞：亞精胺;鎘脅迫;玉米;幼苗;抗氧化代謝;Cd毒害緩解機(jī)制;調(diào)控效應(yīng)

中圖分類號(hào)： S513.01 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2019）16-0103-03

收稿日期：2018-05-08

基金項(xiàng)目：黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（編號(hào)：12541879）。

作者簡(jiǎn)介：孫天國(guó)（1966—），男，黑龍江肇源人，碩士，副教授，主要從事植物生理研究。

重金屬污染伴隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展而產(chǎn)生，重金屬在環(huán)境中很難被降解，最后匯集在江河土壤中，土壤中的重金屬被農(nóng)作物富集，通過(guò)食物鏈傳遞給人類，對(duì)人類的健康產(chǎn)生威脅[1]。鎘具有很強(qiáng)的毒性，它不僅對(duì)植物的生理生化有影響，而且對(duì)細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)也有破壞作用[2]。亞精胺具有抗逆性作用，前人在亞精胺抗逆性方面的研究主要集中于抗旱、抗鹽方面，而關(guān)于其抗金屬脅迫方面的研究較少，且多是對(duì)單一濃度亞精胺與不同濃度重金屬的研究，而關(guān)于不同濃度亞精胺對(duì)重金屬毒害緩解效應(yīng)的研究較少。重金屬對(duì)植物的毒害作用不僅與重金屬種類有關(guān)，而且與其濃度密切相關(guān)。本研究以重要作物玉米為材料，分析不同濃度亞精胺對(duì) 5 mg/L 鎘（Cd）脅迫下玉米幼苗生理生化的影響，旨在為Cd毒害緩解機(jī)制研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2017年7月在齊齊哈爾大學(xué)遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。挑選顆粒飽滿的玉米種子，放于盛有水的燒杯中，置于25 ℃培養(yǎng)箱中催芽，將發(fā)芽的玉米種子播種在含有土壤的培養(yǎng)盆中。在幼苗長(zhǎng)到3葉1心時(shí)，用Hoagland營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)。試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理，每個(gè)處理10株玉米，用Hoagland營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)作為對(duì)照，以含有5 mg/L鎘的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行鎘脅迫處理培養(yǎng)，同時(shí)每天定時(shí)向葉面噴灑0（即水）、0.1、0.5、1.0、1.5 mmol/L 亞精胺（Spd）溶液20 mL。5 d后取不同處理相同部位的葉片2 g用去離子水沖洗后測(cè)定生理生化指標(biāo)，重復(fù)3次。

1.2 指標(biāo)測(cè)定

采用氮藍(lán)四唑（NBT）法[3]測(cè)定超氧化物歧化酶（SOD）活性，愈創(chuàng)木酚法[3]測(cè)定過(guò)氧化物酶（POD）活性，碘量法[4]測(cè)定過(guò)氧化氫酶（CAT）活性，混合液法[5]測(cè)定葉綠素含量，考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定可溶性蛋白含量[6]，硫代巴比妥酸法[3]測(cè)定丙二醛（MDA）含量;過(guò)氧化氫（H2O2）含量測(cè)定參照Patterson等的方法[7]，?O-2· 產(chǎn)生速率測(cè)定參照Elstner等的方法[8]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0 one-way ANOVA進(jìn)行分析，Excel 2010進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 亞精胺對(duì)鎘處理下玉米幼苗抗氧化酶活性的影響

SOD、POD和CAT是重要的抗氧化酶，對(duì)植物起著保護(hù)作用。從圖1可以看出，當(dāng)玉米幼苗受到鎘的毒害后，噴水處理的玉米幼苗SOD活性為對(duì)照的53.48%，加入不同濃度的亞精胺后SOD活性均有所升高，其中濃度為0.5、1.0 mmol/L的Spd溶液處理效果較好，其SOD活性分別較噴水處理升高了40.94%、58.01%，但二者仍顯著低于對(duì)照。

由圖2可見(jiàn)，5 mg/L鎘脅迫下噴水處理的玉米幼苗POD活性為對(duì)照的63.14%，施用不同濃度Spd溶液后POD活性均升高，且與噴水處理相比達(dá)到顯著差異水平，其中濃度為0.5、1.0 mmol/L的Spd溶液處理效果較好，其POD活性分別較噴水處理升高41.87%、43.90%，且與對(duì)照間差異不顯著，說(shuō)明Spd對(duì)鎘脅迫具有很好的緩解作用。

由圖3可知，在鎘毒害下，噴水處理的玉米幼苗CAT活性只為對(duì)照的36.09%，隨著Spd的施加CAT活性升高，4個(gè)不同濃度Spd溶液處理的玉米幼苗CAT活性均較噴水處理顯著提高，其中濃度為0.5、1.0 mmol/L的Spd溶液處理效果較好，其CAT活性分別升高62.70%、94.67%，但二者仍顯著低于對(duì)照。

3種抗氧化酶均可緩解鎘對(duì)玉米幼苗的毒害作用，但是這種緩解效應(yīng)是有限的。

2.2 亞精胺對(duì)鎘處理下玉米幼苗葉綠素含量的影響

外界環(huán)境對(duì)植物的毒害作用可以通過(guò)葉綠體含量變化來(lái)體現(xiàn)。由圖4可知，在鎘的毒害下，噴水處理的玉米幼苗葉綠素含量下降，只為對(duì)照的49.21%;在外源Spd作用下葉綠素含量較噴水處理升高，且與噴水處理相比差異顯著，說(shuō)明4個(gè)濃度的Spd都起到了緩解鎘毒害的作用，其中0.5、1.0 mmol/L Spd溶液的緩解作用較強(qiáng)，其葉綠素含量分別較噴水處理提高53.89%、67.30%。說(shuō)明Spd能夠緩解鎘脅迫抑制葉綠素合成的效應(yīng)。

2.3 亞精胺對(duì)鎘處理下玉米幼苗可溶性蛋白含量的影響

可溶性蛋白能增強(qiáng)細(xì)胞保水能力，起到保護(hù)細(xì)胞生物膜以及生命物質(zhì)的作用，隨著植物體內(nèi)可溶性蛋白含量的上升，植物的抗逆性隨之增強(qiáng)[9]。由圖5可見(jiàn)，在5 mg/L Cd的毒害下，噴水處理的玉米幼苗可溶性蛋白含量降低，為對(duì)照的64.14%。施加Spd后，隨著Spd溶液濃度的升高，可溶性蛋白含量逐漸增大，當(dāng)Spd溶液濃度為1.5 mmol/L時(shí)達(dá)到最大值，高于對(duì)照13.87%。0.5、1.0 mmol/L Spd溶液處理使得可溶性蛋白含量分別較噴水處理提高50.15%、63.82%，且與對(duì)照差異不顯著。表明Spd不僅可促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成，而且對(duì)蛋白質(zhì)降解有一定的抑制效果。

2.4 亞精胺對(duì)鎘處理下玉米幼苗MDA、H2O2含量和 O-2· 產(chǎn)生速率的影響

植物體內(nèi)自由基引發(fā)MDA的產(chǎn)生，MDA的積累能夠反映植物體內(nèi)自由基的活動(dòng)狀態(tài)。由圖6可知，在鎘的毒害下，噴水處理玉米幼苗的MDA含量升高，與對(duì)照相比提高 51.62%;在不同濃度Spd溶液處理下，MDA含量均較噴水處理下降，其中0.5、1.0 mmol/L Spd溶液處理下降得較為明顯，分別下降22.43%、28.92%，且1.0 mmol/ L Spd溶液處理的MDA含量與對(duì)照差異不顯著。

由圖7可見(jiàn)，在鎘的作用下，噴水處理的 O-2· 產(chǎn)生速率較對(duì)照提高75.30%，施用不同濃度的Spd溶液使得 O-2· 產(chǎn)生速率下降，其中濃度為0.5、1.0 mmol/L Spd溶液處理下降得較為明顯，分別下降31.00%、33.04%，且1.0 mmol/L Spd溶液處理的 O-2· 產(chǎn)生速率與對(duì)照差異不顯著。

由圖8可知，在鎘的作用下，噴水處理的H2O2含量較對(duì)照提高68.61%，在不同濃度Spd溶液的作用下H2O2含量均下降，其中濃度為0.5、1.0 mmol/L Spd溶液處理下降顯著，分別下降27.05%、33.63%，且二者與對(duì)照相比差異不顯著。說(shuō)明Spd對(duì)鎘脅迫下膜脂過(guò)氧化產(chǎn)生抑制作用，減少了鎘對(duì)細(xì)胞膜的傷害。

3 討論

植物體在逆境條件下可以通過(guò)提高SOD、POD、CAT活性來(lái)進(jìn)行自我保護(hù)，本研究中玉米幼苗在鎘脅迫下噴水處理3種過(guò)氧化物酶的活性均低于對(duì)照，說(shuō)明鎘對(duì)玉米調(diào)控體系產(chǎn)生了破壞作用。施用不同濃度的Spd溶液后，3種酶活性均提高，但不同濃度Spd溶液對(duì)3種酶活性的作用不同，雖然0.5、1.0 mmol/L Spd溶液可顯著提高SOD、CAT活性，但與對(duì)照相比仍有顯著差異，這可能是由于SOD和CAT對(duì)鎘的毒害較為敏感;0.5、1.0 mmol/L Spd溶液處理顯著提高玉米幼苗POD活性，使其恢復(fù)到對(duì)照水平。Spd之所以能夠提高酶的活性除了與其能夠刺激蛋白質(zhì)的合成和調(diào)控蛋白基因表達(dá)有關(guān)外，還與其能夠影響酶結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)酶活性有關(guān)[10]。

葉綠素含量大小能夠反映植物光合作用的強(qiáng)弱，植物組織、器官的衰老狀況也可通過(guò)葉綠素含量體現(xiàn)。本試驗(yàn)中，在鎘脅迫下，噴水處理的葉綠素含量明顯降低，這是因?yàn)棣?氨基酯酸脫氫酶、葉綠素酸酯還原酶活性受到了鎘的抑制，而外源Spd顯著提高了葉綠素含量，這是由于Spd參與膜的構(gòu)建，進(jìn)而阻止膜脂過(guò)氧化及膜蛋白的水解作用，從而達(dá)到保護(hù)膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的目的[11]。

蛋白質(zhì)是生物體重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。當(dāng)植物體處在逆境中時(shí)，蛋白質(zhì)的含量會(huì)發(fā)生改變，在本研究中鎘對(duì)植物體內(nèi)正常的可溶性蛋白合成具有抑制作用，使得可溶性蛋白含量降低。施用不同濃度的Spd溶液后，可溶性蛋白含量均有所升高，這是由于Spd參與了蛋白質(zhì)的合成，能夠調(diào)控蛋白質(zhì)合成的中間過(guò)程。

本研究中，在Cd脅迫下玉米幼苗的MDA、H2O2含量和 O-2· 產(chǎn)生速率上升，表明產(chǎn)生了過(guò)多的活性氧，破壞了細(xì)胞膜。外施不同濃度的Spd后膜脂過(guò)氧化程度下降，這與前人的研究結(jié)果[12]相同。有研究證實(shí)，Spd對(duì)金屬自氧化有抑制作用，能夠減少用于產(chǎn)生活性氧（ROS）的電子供應(yīng)[13]，對(duì)抗氧化物質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能有穩(wěn)定作用，可間接清除ROS。Spd還可以通過(guò)提高膜的穩(wěn)定性，達(dá)到緩解膜質(zhì)過(guò)氧化程度的作用[14]。

4 結(jié)論

鎘脅迫對(duì)玉米幼苗產(chǎn)生毒害作用，不僅影響抗氧化酶系統(tǒng)，還對(duì)膜透性和光合作用產(chǎn)生破壞作用。外源Spd能夠?qū)︽k的毒害作用起到緩解作用，且不同濃度Spd的緩解效果不同。本研究中，0.5、1.0 mmol/L Spd溶液對(duì)5 mg/L鎘處理玉米幼苗的緩解效果較好。

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