Pb²⁺脅迫對玉米幼苗生理指標(biāo)的影響

摘要：采用盆栽試驗研究了不同濃度的Pb2+溶液對玉米（Zea mays L.）幼苗生理指標(biāo)的影響。結(jié)果表明，在Pb2+作用下，玉米幼苗生長受到一定的抑制作用，較高濃度的Pb2+顯示較高的毒性。表現(xiàn)為隨著Pb2+濃度的增加，玉米幼苗葉片脯氨酸、丙二醛（MDA）含量增加，超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）活性升高，可溶性蛋白質(zhì)含量減少。

關(guān)鍵詞：玉米（Zea mays L.）幼苗；Pb2+脅迫；生理指標(biāo)

中圖分類號：S513；Q945.78 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）18-4319-03

重金屬污染對環(huán)境和人體健康危害很大，因為重金屬在土壤中的滯留時間長，不易被微生物分解，還可以通過水稻、小麥、玉米（Zea mays L.）等農(nóng)作物的可食用部位進(jìn)入食物鏈，最終影響人體的健康[1]。目前，由于含有重金屬的工業(yè)廢水的不合理排放以及用污水灌溉農(nóng)田等原因，致使某些土壤受到了重金屬污染。隨著工業(yè)進(jìn)程的加快，重金屬污染已經(jīng)成為全球性環(huán)境問題。重金屬對土壤的污染因其隱蔽性、不可逆性和長期性的特點對陸生生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成潛在的巨大威脅[2]。鉛（Pb）是土壤中主要的重金屬污染元素之一，被植物吸收并積累到一定程度就會影響種子的萌發(fā)，使根系喪失正常功能，妨礙其對養(yǎng)料的吸收，阻滯農(nóng)作物正常生長發(fā)育，降低產(chǎn)量和品質(zhì)[3，4]。

本試驗以甜玉米為材料，研究了不同濃度Pb2+溶液對甜玉米葉片脯氨酸、丙二醛（MDA）和可溶性蛋白質(zhì)含量以及超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）活性的影響，旨在了解植物重金屬的作用機(jī)理，最終為預(yù)防和控制重金屬污染提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料選用甜玉米品種粵甜9號，購于廣東省肇慶市端州區(qū)肇興種子經(jīng)營部。

1.2 材料的培養(yǎng)處理

挑選飽滿一致的玉米種子，用0.1% HgCl2消毒10 min，蒸餾水沖洗干凈，然后將種子平均分為4份置于小燒杯中，用不同濃度的Pb2+溶液浸泡24 h。試驗共設(shè)4個Pb2+濃度處理，分別為0 （CK）、50、100、200 mg/L。將浸泡好的種子分別按濃度均勻地置于花盆中，每個花盆15顆，每個處理2盆，再鋪上一層薄薄的細(xì)土，并給花盆貼好標(biāo)簽。將所有的花盆置于常溫條件下培養(yǎng)10 d后取樣測定。

1.3 測定方法

可溶性蛋白質(zhì)含量采用考馬斯亮藍(lán)G-250比色法[5]測定；脯氨酸含量采用酸性茚三酮法[6]測定；MDA含量采用硫代巴比妥酸法[7]測定；SOD活性采用NBT光還原法[8]測定；POD活性采用愈創(chuàng)木酚法[9]測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 Pb2+脅迫對玉米幼苗葉片中可溶性蛋白質(zhì)含量的影響

蛋白質(zhì)含量是研究植物營養(yǎng)、代謝作用以及生長發(fā)育等生命活動的重要指標(biāo)[9]。從圖1中可以看出，加入Pb2+后，玉米幼苗葉片中可溶性蛋白質(zhì)含量明顯下降，且隨著Pb2+濃度的增加，可溶性蛋白質(zhì)含量逐漸減少。表明Pb2+可以抑制某些蛋白質(zhì)的合成，降低玉米幼苗葉片中可溶性蛋白質(zhì)含量，從而影響玉米幼苗的正常生長。

2.2 Pb2+脅迫對玉米幼苗葉片中脯氨酸含量的影響

植物在受到逆境時，能引起脯氨酸的應(yīng)激性合成，從而調(diào)節(jié)植物細(xì)胞的滲透壓，以維持正常生命活動來抵抗逆境[10]。由圖2可以看出，隨著Pb2+濃度的增加，玉米幼苗葉片中脯氨酸含量上升，脯氨酸的含量與Pb2+濃度成正相關(guān)。

2.3 Pb2+脅迫對玉米幼苗葉片中MDA含量的影響

MDA是植物組織在逆境下遭受氧化脅迫發(fā)生膜脂過氧化的產(chǎn)物，反映細(xì)胞膜脂過氧化程度和植物對逆境條件反應(yīng)的強弱。由圖3可知，玉米幼苗受Pb2+脅迫后，葉片中MDA含量比對照均有所升高，且隨著Pb2+濃度的增加呈上升趨勢，表明玉米受Pb毒害隨著Pb2+濃度的增加而加重。

2.4 Pb2+脅迫對玉米幼苗葉片中SOD活性的影響

SOD是植物體內(nèi)清除和減少破壞性氧自由基的保護(hù)酶，其活性大小常被用作植株抗氧化能力強弱的指標(biāo)。由圖4可知，隨著Pb2+濃度增加，玉米幼苗葉片中SOD活性呈上升趨勢。

2.5 Pb2+脅迫對玉米幼苗葉片中POD活性的影響

由圖5可知，玉米幼苗受Pb2+脅迫后，葉片中POD活性均比對照有所升高。在50～200 mg/L的Pb2+溶液處理下，Pb2+濃度與POD活性呈正相關(guān)。POD活性升高可增強其清除自由基的能力，抑制有害物質(zhì)的產(chǎn)生，對玉米幼苗生長起一定的保護(hù)作用。

3 討論

3.1 Pb2+脅迫與可溶性蛋白質(zhì)的關(guān)系

蛋白質(zhì)是由氨基酸組成的具有一定結(jié)構(gòu)的高分子化合物，是與生命活動聯(lián)系在一起的物質(zhì)。它是機(jī)體的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，不僅是構(gòu)成各類細(xì)胞原生質(zhì)的主要物質(zhì)，而且核蛋白質(zhì)及其相應(yīng)的核糖核酸（DNA/RNA）還是遺傳的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。Pb2+脅迫下，植物呼吸作用受到影響，根系生長受到抑制，減少了根系對礦質(zhì)元素的吸收，降低了光合作用速率[11]，從而抑制了可溶性蛋白質(zhì)的合成，降低了玉米幼苗適應(yīng)脅迫的能力，對維持玉米幼苗正常生長有一定的抑制作用，并且隨著Pb2+濃度的增大抑制作用增強。

3.2 Pb2+脅迫與脯氨酸的關(guān)系

脯氨酸是植物重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，它的積累有著對逆境適應(yīng)的意義[12]。因此其含量的變化可以作為植物對逆境脅迫的一種生理指標(biāo)。在正常環(huán)境條件下，植物體內(nèi)游離脯氨酸含量較低，經(jīng)Pb2+脅迫后玉米幼苗葉片中游離脯氨酸含量增加，且明顯高于對照組，是玉米對重金屬脅迫的正常生理反應(yīng)。脯氨酸含量的增加可以降低水勢，維持植物體內(nèi)的水分平衡，保持植物的正常生長。遭受脅迫的植物細(xì)胞內(nèi)大量積累脯氨酸是植物抵抗Pb2+脅迫的機(jī)制。

3.3 Pb2+脅迫與膜脂過氧化的關(guān)系

MDA是膜脂過氧化的主要產(chǎn)物之一，是有細(xì)胞毒性的物質(zhì)，能夠引起細(xì)胞膜功能紊亂，且對許多功能分子有破壞作用，因此MDA含量增加是植物細(xì)胞損傷的直接原因，是葉片細(xì)胞膜系統(tǒng)受害的重要標(biāo)志之一。逆境條件下，MDA含量可以反映植物受害程度[9]。本研究結(jié)果表明，在Pb2+脅迫下，玉米幼苗葉片MDA含量增加，可見脅迫加劇了氧自由基的產(chǎn)生和積累，促進(jìn)了膜脂過氧化，使膜的透性增大，對膜傷害程度加劇，造成對玉米幼苗細(xì)胞膜的損傷，抑制玉米幼苗生長。膜脂過氧化又可能與蛋白質(zhì)合成復(fù)合體，并發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生使之失活的有毒物質(zhì)，抑制蛋白質(zhì)合成，導(dǎo)致膜被破壞，膜的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)功能降低，從而使呼吸作用和光合作用減弱，進(jìn)而抑制了玉米幼苗的正常生長。

3.4 Pb2+脅迫與抗氧化酶的關(guān)系

植物在不良的環(huán)境條件下，能導(dǎo)致氧自由基產(chǎn)生加快，使膜系統(tǒng)發(fā)生膜脂過氧化，而生物體內(nèi)的SOD、POD等抗氧化酶協(xié)同構(gòu)成保護(hù)酶系統(tǒng)，可以清除這些氧自由基，解除或減輕植物受傷害程度[13]。

SOD是膜脂過氧化防御系統(tǒng)的主要保護(hù)酶，它催化活性氧發(fā)生歧化反應(yīng)，產(chǎn)生無毒分子氧和水，從而避免植物遭受傷害，較高的SOD活性是植物抵抗逆境脅迫的生理基礎(chǔ)。POD是酶保護(hù)系統(tǒng)中的重要組成部分，POD活性的變化趨勢與SOD活性一致。POD是植物體內(nèi)分布較廣的一類含鐵氧化還原酶，具有重要的生理功能，如木質(zhì)素的形成、伸展蛋白的聚合、植物生長素的代謝、病毒的抵抗和創(chuàng)傷的愈合等，在植物呼吸代謝中起重要作用，可有效地清除代謝過程中產(chǎn)生的活性氧對膜脂的過氧化及其他傷害過程[14]。重金屬能直接或間接地誘導(dǎo)活性氧產(chǎn)生，從而使植物體內(nèi)產(chǎn)生氧化脅迫。POD活性的提高是一種急性解毒措施，使細(xì)胞免受毒害。本試驗結(jié)果表明，在0～200 mg/L的Pb2+脅迫下，隨著Pb2+濃度增大，玉米幼苗葉片中膜脂過氧化作用加劇，氧自由基生成量增加，植物體內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，SOD和POD活性都有所上升，以緩解植物體受Pb2+的毒害。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，不同濃度的Pb2+溶液對玉米的生長脅迫程度不同。在Pb2+溶液濃度為50～200 mg/L時，玉米幼苗葉片中脯氨酸、MDA含量增加，SOD、POD活性升高，可溶性蛋白質(zhì)含量減少，這是玉米生長對Pb2+脅迫適應(yīng)性的體現(xiàn)。當(dāng)Pb2+過量時會使玉米的生理特性發(fā)生變化，從而影響玉米幼苗的營養(yǎng)、代謝能力及生長發(fā)育等正常的生命活動，使玉米表現(xiàn)出Pb2+中毒現(xiàn)象。隨著Pb2+濃度的升高，玉米所受的毒害程度加重。

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