镉胁迫对两个小麦品种生长及抗氧化酶类的影响

镉胁迫对两个小麦品种生理特性及抗氧化酶类活性的影响赵国英内蒙古赤峰学院生命科学系，赤峰 024000摘 要：以小麦品种川育12和小观54-2为材料，生长15天后用200 mol/L CdCl2水培小麦幼苗，研究镉(Cd)胁迫对两个品种小麦幼苗抗氧化酶类活性的影响。结果表明，Cd胁迫4天的情况下，两个小麦品种的抗氧化酶类活性没有受到较大影响，品种间也无明显区别。但在Cd胁迫8天时，川育12受镉胁迫最为严重，生长最差。丙二醛(MDA)含量明显升高，电导率也大幅度上升，抗氧化酶类活性也受到不同程度的影响，超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)活性均受到强烈抑制。相反，小观54-2表现出对镉较强的耐受性，Cd胁迫下MDA和电导率都没有明显改变，且保持有较高的绝对含水量，抗氧化酶类活性也随着Cd胁迫时间的加长而受到诱导增强。关键词：小麦；镉；丙二醛；抗氧化酶类1 引 言重金属污染是一个严重的环境问题，不仅限制植物生产力，还威胁着人类健康。镉(Cd)是一种工业毒物和环境污染物，过量时会导致生物体产生严重的生理和生长问题。 通常认为土壤中镉含量低于0.5 mg/kg时为安全浓度，但根据土壤质地的不同安全上限可达3 mg/kg1。镉不是还原性重金属，因此不会直接通过氧化反应产生活性氧(ROS)2。但是，镉胁迫能使植物体内活性氧自由基累积3，如超氧离子(O2-)，单线态氧(1O2)，过氧化氢(H2O2)和羟自由基(OH)。过多的活性氧可攻击细胞内蛋白质、脂类4及DNA碱基5，6，引发膜脂过氧化，导致生物膜系统破坏和植物生理代谢紊乱。 因此，严重影响植物的生长和降低作物产量，甚至造成植物死亡。 活性氧的清除系统有非酶系统和酶系统, 前者有谷胱甘肽、抗坏血酸和类胡萝卜素等; 后者包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)等7。研究表明, 作物种间对重金属的吸收和积累存在明显差异8,9。而镉对抗氧化酶系统的影响, 不同物种表现出较大差异10-12。 但目前就小麦品种而言, 研究镉胁迫对不同小麦品种的耐受性, 及对品种间抗氧化酶类的差异影响还为数不多。因此，本实验以四川常见的两个小麦品种为材料, 探讨Cd胁迫对两个小麦品种幼苗膜脂过氧化作用、抗氧化酶类活性等的影响，旨在进一步揭示两个不同品种小麦幼苗生理生化特性的变化与受镉污染的关系, 以及探讨植物受镉伤害机理。2 材料与方法2.1 实验材料 实验中所用的两个小麦品种为: 川育12，小观54-2。选取饱满均匀一致的2个小麦(Triticum aestivum L.)品种的种子，所有小麦种子先在室温25下浸种12 h后, 转入铺有4层纱布的磁盘中, 洒清水催芽4天；接着将生长一致的麦苗移植到沙基培养基中, 用1/2 Hoagland营养液培养15天。镉胁迫处理采用水培法培养, 每个品种设对照组(CK；用1/2 Hoagland营养液培养)和处理组(Cd；用1/2 Hoagland营养液培养+200 mol/L CdCl2处理), 每24 h换一次营养液。取镉胁迫4天和8天的幼苗分别测定叶片的含水量、丙二醛的含量、电导率及抗氧化酶类的活性。2.2 含水量的测定分别剪取两个品种小麦叶12片, 称其鲜重(Freshweight, FW), 经105烘30min, 80烘干48 h后, 称其干重(Dryweight, DW)。绝对含水量=(鲜重-干重)/鲜重100%。2.3膜伤害程度检测2.3.1丙二醛(MDA)含量的测定丙二醛含量的测定采用Sun等13的方法。通过测定 TBARS 值确定丙二醛的量，结果以nmol表示。取0.5 g小麦叶片, 加入5 ml 5TCA(三氯乙酸)和少量石英砂, 研磨至匀浆, 匀浆在3000 rpm离心10 min。吸取上清液2ml(对照加2 ml蒸馏水), 加入2 ml 0.67TBA(2-硫代巴比妥酸)溶液, 混匀后沸水浴反应30 min, 迅速冷却后3000 rpm, 离心5 min。取3 ml上清液测定532、600和450 nm的消光度。2.3.2 电导率的测定 参照张凡等14的方法。取0.2 g左右叶片剪成0.5 cm2的碎片，加8 ml去离子水, 真空渗透20 min(中途放气一两次), 室温下定容至25 ml, 静置1 h后, 使用DDS-C电导率仪测电导率(Ri)。再放入沸水中煮5 min，冷却至室温，再测电导率(Rt)。相对电导率Ro=Ri/Rt。2.4 粗酶溶液的制备粗酶溶液的提取参照Cao等15的方法。取0.5 g新鲜小麦叶片, 经蒸馏水冲洗并剪碎后, 置于预冷的研钵中, 加入5 mL 50 mM磷酸盐缓冲液(PBS, pH 6.8)于冰浴中研磨。研磨液在8 000 rpm、4 下离心20 min, 吸取上清液即为粗酶提取液, 按需要分装后置于-80保存备用。可分别用于超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)等抗氧化酶活性的测定。超氧化物歧化酶(SOD)含量的测定：参照Cao等15的NBT光还原法测定。3 mL反应液45 mM PBS(pH 7.8)，2 mM 甲硫氨酸(Met)，15 M氮蓝四唑(NBT)，0.4 M核黄素中加入50 L酶液。在4000 lx光强下反应20分钟。以避光不加酶液的体系为对照，测定OD560值。以抑制NBT光还原50%为一个酶活性单位(U)。过氧化物酶(POD)含量的测定：参照黄清泉等16的方法。以每分钟OD470的变化值0.01为一个相对酶活单位, 计算植物组织内过氧化物酶酶活力的大小。(单位: U/g)过氧化氢酶(CAT)含量的测定：参照Cao等15的方法。测定OD240的消光度值, 以OD240 每分钟下降0.01为1个酶活性单位(U)。3 结果与分析3.1 镉胁迫对两个小麦品种叶片的伤害程度从叶片的绝对含水量表明(图1), 川育12失水很严重，绝对含水量在镉胁迫处理8天明显低于小观54-2以上结果表明, 在镉胁迫条件下, 特别是镉胁迫8天后, 川育12的细胞透性增加快, 即细胞受伤害程度大。相反, 小观54-2的细胞透性改变不明显, 细胞受伤害程度轻。 丙二醛(MDA)是膜脂过氧化的重要产物之一, 其含量可以反映植物膜脂过氧化的程度, 是衡量逆境对植物伤害程度的重要生理指标。图1表明, 随着镉胁迫处理时间的延长, 叶片中丙二醛的含量均呈上升趋势。值得注意的是, 镉胁迫4天时, 两个品种的丙二醛含量差别不大；而在胁迫8天后, 川育12叶片中丙二醛含量明显高于小观54-2。细胞膜透性的改变表现为外渗液电导率的变化, 也是衡量细胞伤害程度的生理指标之一。镉胁迫处理4天后, 川育12的电导率显著上升, 几乎是小观54-2的两倍。镉胁迫处理8天时, 小观54-2的电导率很低, 且在8天胁迫处理时间内无明显变化, 电导率相对稳定；川育12的电导率上升幅度很大(图1)。 图1 镉胁迫下小麦幼苗膜脂的影响Fig.1 The effects of Cd stress on lipid peroxides3.2 镉胁迫对两个品种小麦保护酶活性的影响从图2可以看出, 两个品种小麦叶片在镉胁迫8天条件下，SOD活性表现为：川育12小观54-2。镉胁迫对小观54-2的SOD活性具有明显的诱导作用, 小观54-2的SOD活性为川育12的三倍以上。POD活性在小观54-2中表现很高, 川育12中POD活性很低。值得注意的是, 两个品种的CAT活性在镉胁迫条件下没有明显变化, 两品种间也没有较大区别。从上述结果中各种酶活的比较，小观54-2在镉胁迫处理8天的情况下抗氧化酶类活性均受到较强的诱导, 相反, 川育12受镉胁迫影响严重, 抗氧化酶类活性几乎都受到了抑制。4 讨论镉(Cd)是生物毒性最强的重金属之一。诸多研究表明, 镉胁迫能使植物体内累积较多的活性氧自由基10,11。植物体内产生的活性氧自由基可引发膜脂过氧化作用4, MDA作为植株体内膜脂类过氧化的最终产物, 与膜上蛋白质结合会引起蛋白质分子间和分子内的交联, 导致细胞膜系统受损, 透性增加, 最终引起植株死亡17。 图2 镉胁迫下小麦幼苗抗氧化酶类活性的变化 Fig.2Antioxidant enzymes activities in four wheat cultivars under Cd stress对于活性氧自由基对植物体造成的危害, 通过自身的抗氧化酶系统清除体内过多的活性氧是植物对抗重金属胁迫的重要机制之一12。机体消除超氧阴离子（O2-）的第一道防线是SOD, 它将超氧阴离子(O2-)转化为过氧化氢和水, 而第二道防线是CAT。CAT可清除H2O2。 因此, SOD和CAT协同作用, 共同消除机体活性氧, 减轻和阻止脂质过氧化作用。本实验结果表明, 根据两个品种间抗性的不同, Cd胁迫对抗氧化酶类活性的影响也不一致。Cd胁迫处理8天的条件下, SOD活性在小观54-2品种中受到明显诱导, 而川育12抗氧化酶受抑制情况十分严重。表明小麦对Cd耐受性的强弱与第一防线的SOD活性关系密切。CAT作为H2O2的直接清除剂, 在Cd胁迫下活性并没有上升,可能是因为长时间重度Cd胁迫抑制了CAT活性。其次, POD在两个小麦品种中均有较高的活性, 对于清除活性氧也起了至关重要的作用。综上所述, 提高抗氧化酶类的活性对于维持植物的正常生长至关重要。SOD和POD作为内源活性氧清除剂，能够在镉胁迫下，清除体内过多的活性氧，阻止膜脂过氧化，减少MDA等氧化产物的产生, 保护膜结构。两个小麦品种通过诱导不同抗氧化酶系抵抗镉离子胁迫。 参考文献:1 Benavides M, Gallego M S, Tomaro M L. 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