外源甜菜堿對鎘脅迫下超黑糯玉米活性氧代謝的影響

陳思曉，賈俊娟，王偉倫，巴青松，李桂萍①

（淮北師范大學 生命科學學院，安徽省資源植物重點實驗室，安徽 淮北235000）

0 引言

近年來我國重金屬污染愈發(fā)嚴重，重金屬一旦進入土壤中很難被排除，且可通過在作物體內(nèi)富集，通過食物鏈的傳遞放大其有害作用，進而給整個生態(tài)系統(tǒng)及人類健康帶來極大危害［1］. 目前，我國耕地的重金屬污染面積大約占總耕地面積的1/6，其中鎘污染遠超過其他重金屬污染［2］. 鎘是一種毒性極強的重金屬元素之一，通過干擾電子傳遞鏈，破壞細胞膜的完整性，激活或抑制不同的酶活性，改變DNA的序列等對各種細胞活動產(chǎn)生負面影響［3］. 鎘會通過誘導細胞死亡的方式干擾細胞內(nèi)重要的生理和生化反應(yīng)，從而干擾植物的生長和發(fā)育［4］.

甜菜堿是一種廣泛存在于高等植物、動物、微生物中的季胺類堿，作為滲透調(diào)節(jié)劑和保護劑，具有穩(wěn)定蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)和高度有序的膜結(jié)構(gòu)，維持細胞正常代謝，減少細胞膜脂過氧化程度等功能［5-9］. 在逆境條件下，植物體內(nèi)會大量積累甜菜堿，從而提高作物的抗逆性，改善作物品質(zhì)［10］.

玉米（Zea maysL.）是全球主要糧食作物之一，我國是世界第二大玉米生產(chǎn)和消費國，其產(chǎn)量占全國糧食總產(chǎn)量的1/4［11-12］. 但隨著重金屬污染愈發(fā)嚴重，玉米的產(chǎn)量受到嚴重威脅. 研究表明，甜菜堿作為一種抗氧化劑，能夠促進鎘脅迫下小麥、水稻和棉花的生長，提高抗氧化酶活性，從而緩解鎘脅迫對作物的毒害［13-15］. 但施加外源甜菜堿對鎘脅迫下超黑糯玉米根、莖的活性氧代謝的研究還鮮見報道. 本文以超黑糯玉米根、莖為材料，在施加外源甜菜堿和鎘脅迫條件下，對其活性氧代謝相關(guān)生理指標進行研究，以期為玉米的培育和抗重金屬脅迫的研究提供理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)計

供試材料為超黑糯玉米自交系I46，由淮北市濉溪農(nóng)科所提供.

該實驗是在淮北師范大學溫室中的自然氣候條件下進行的，白天和夜晚的平均溫度分別為28±4 ℃和20±3 ℃，相對濕度為55%～75%. 采用土培法培養(yǎng)玉米，選取均勻、飽滿的玉米種子，用0.1%的HgCl2溶液充分消毒7 min，再用水沖洗3次，然后均勻播種在土中（CdCl2·2.5H2O與GB混合并均勻攪拌在土壤中，每隔3 d攪拌一次，每盆裝土5 kg），每盆播種10粒. 本試驗設(shè)計處理依次為：H2O（CK）、Cd（10 mg/kg）、GB（25 mg/kg）、GB（50 mg/kg）、Cd（10 mg/kg）+GB（25 mg/kg）、Cd（10 mg/kg）+GB（50 mg/kg）. 各試驗組隨機排列，每天澆適量的水，每隔1 d轉(zhuǎn)換一次盆的位置. 待玉米苗長至第10 d時，每個處理隨機取樣，取相同部位的根、莖，用于各項指標測定.

1.2 測定項目與方法

MDA含量和O2-.產(chǎn)生速率分別采用硫代巴比妥酸比色法、羥胺氧化法測定［16］，H2O2含量采用硫酸鈦-硫酸法［17］，SOD、POD 和CAT 活性分別采用氮藍四唑（NBT）法［17］、愈創(chuàng)木酚比色法［18］、紫外吸收法［18］測定.

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel和SPSS軟件對數(shù)據(jù)進行處理（P＜0.05），并用SigmaPlot14.0進行作圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 甜菜堿對鎘脅迫下玉米根、莖中MDA和ROS的影響

如圖1所示，與對照組相比，單獨Cd2+處理下，玉米根、莖中H2O2、MDA含量和O2-.產(chǎn)生速率均顯著升高，分別升高43.87%、89.74%、359.70%和27.03%、114.28%、106.25%，且超黑糯玉米莖中的MDA 含量和O2-.產(chǎn)生速率均高于根部，而H2O2低于根部. 施加25 mg/kg GB 后，玉米根、莖中H2O2、MDA 含量和O2-.產(chǎn)生速率較單獨Cd2+處理分別顯著降低27.86%、36.49%、50.54%和14.54%、34.85%、46.20%. 施加50 mg/kg GB 后，玉米根、莖中H2O2、MDA 含量和O2-.產(chǎn)生速率較單獨Cd2+處理分別顯著降低61.04%、39.73%、40.48%和5.85%、8.35%、37.38%. 這說明在單獨Cd2+處理下，超黑糯玉米莖受到的傷害可能高于根部. 在Cd2+脅迫下，外源甜菜堿可以清除H2O2、MDA和O2-.，降低Cd2+對玉米細胞膜的損傷，有效緩解Cd2+對玉米根、莖的損傷，其中施加25 mg/kg GB時效果更佳.

圖1 甜菜堿對鎘脅迫下玉米根、莖中MDA和ROS的影響

2.2 甜菜堿對鎘脅迫下玉米根、莖中抗氧化酶活性的影響

圖2所示，單獨Cd2+處理下，玉米根、莖中的SOD、POD、APX和CAT的活性與對照相比均顯著降低，分別降低43.34%、28.80%、28.46%、30.50%和58.96%、57.62%、72.38%、66.76%. 可以看出，在單獨Cd2+處理下，超黑糯玉米莖中抗氧化酶的降低幅度高于根部. 25 mg/kg GB 與Cd2+共同處理時，玉米根、莖中的SOD、POD、APX 和CAT 的活性分別提高33.02%、18.66%、41.31%、54.68%和52.19%、65.41%、75.46%、103.19%. 50 mg/kg GB 與Cd2+共同處理時，玉米根、莖中的SOD、POD、APX 和CAT 的活性分別提高81.73%、15.67%、73.18%、83.81%和30.53%、27.86%、37.32%、71.95%. 由此可以看出，在單獨Cd2+處理下，玉米根部抵抗Cd2+脅迫的能力強于莖部. 施加甜菜堿可以有效提高Cd2+脅迫下玉米根、莖中APX、SOD、POD和CAT的活性，從而緩解Cd2+對玉米的毒害. 其中，施加25 mg/kg GB緩解Cd2+脅迫的效果更佳.

圖2 甜菜堿對鎘脅迫下玉米根、莖中抗氧化酶活性的影響

3 討論

在重金屬污染下，植物體內(nèi)ROS大量積累，使其受到氧化脅迫［19-21］. ROS的產(chǎn)生會誘導許多大分子如DNA、RNA、色素、蛋白質(zhì)、脂類等物質(zhì)的損傷［22］. 其中MDA 含量是其重要的量化指標之一. 在活性氧產(chǎn)生后，植物體內(nèi)的各類抗氧化酶協(xié)同去除活性氧，維持活性氧的平衡，從而達到保護植物的目的［23］. 本試驗表明，10 mg/kg Cd2+處理增加超黑糯玉米根、莖中的ROS和MDA的積累量，同時也使得POD、SOD、CAT及APX活性下降.

甜菜堿是一種兩性離子，其積累量與植物的非生物脅迫耐受性相關(guān). 施加甜菜堿主要通過減少蛋白質(zhì)氧化，脂質(zhì)過氧化，光抑制和上調(diào)脅迫保護蛋白來改善植物的耐受性［24-27］. You等［28］認為甜菜堿通過提高土豆的光合性能和抗氧化酶活性能夠提高其耐旱性. Rasheed等［13］認為施加甜菜堿可以促進鎘脅迫下小麥幼苗根和葉的鮮重、干重和長度，提高ROS清除能力. 本試驗也表明，施加外源甜菜堿可以降低超黑糯玉米根、莖中ROS和MDA的積累量，同時也提高APX、POD、SOD和CAT的活性，從而緩解鎘脅迫對作物的損傷.

綜上所述，施加甜菜堿可以在一定程度上緩解鎘脅迫對超黑糯玉米根、莖的抑制作用，且25 mg/kg GB的緩解效果最佳；提高抗氧化酶活性，清除MDA、ROS的積累，防止細胞膜脂過氧化，最終提高玉米的耐鎘能力，為玉米的培育和抗重金屬脅迫的研究提供理論基礎(chǔ).