Cd和水分復合脅迫對玉米幼苗葉片抗氧化酶的活性與MDA含量影響

朱 丹

(安徽中醫(yī)藥高等?？茖W校，安徽 蕪湖 241000)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展及全球水資源的日益短缺，污水灌溉等行為的日益加劇，干旱地區(qū)的土壤重金屬污染問題也日趨嚴重。研究表明活性氧(ROS)是植物對生物和非生物脅迫反應的典型特征，它可以使植物體內(nèi)產(chǎn)生氧化脅迫，導致細胞膜脂過氧化以及蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子的氧化損傷甚至導致植物死亡［1－2］。植物則可啟動抗氧化防御機制來應對脅迫所產(chǎn)生ROS，以減輕對細胞造成的傷害。對于植物ROS清除系統(tǒng)而言，主要包括超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)等物質(zhì)［3－4］。

近年來，對水分、重金屬單一因素脅迫，不同重金屬之間的復合脅迫已見諸多研究［5－7］，而水分、重金屬復合脅迫報道則不多。Cd是劇毒環(huán)境污染物，對植物具有明顯的毒害作用［6］。玉米是旱地作物中需求量最大，對水分脅迫很敏感的作物之一，干旱是影響玉米產(chǎn)量的重要原因之一［8］。本試驗以玉米為材料，以聚乙二醇6000(PEG6000)模擬水分脅迫條件，研究重金屬Cd、水分復合脅迫對玉米葉片的抗氧化酶活性影響情況，為玉米幼苗對重金屬和水分復合脅迫耐性研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料及處理

供試玉米(Zea mays L.)為雜交種‘農(nóng)大108’。用1%NaClO浸泡消毒后，于25℃催芽48h，挑選發(fā)芽一致的種粒在溫度28/22℃(光/暗)、光照強度200μmol m－2s－1、光周期14/10 h(光/暗)的條件下培養(yǎng)，直至幼苗第二片葉完全展開。從莖基部快速割取玉米幼苗地上部分后，于蒸餾水處理1 h以洗脫傷害，然后進行各種處理。Cd設置三個濃度:200mmol/L、400mmol/L、800mmol/L;用PEG6000模擬水分脅迫共設置三個濃度:10%、20%、40%，分別對玉米幼苗葉片進行復合脅迫處理，組合方式為Cd 200+PEG 10%、Cd 200+PEG 20%、Cd 200+PEG 40%、Cd 400+PEG 10%、Cd 400+PEG 20%、Cd 400+PEG 40%、Cd 800+PEG 10%、Cd 800+PEG 20%、Cd 800+PEG 40%。每個處理共12株幼苗，分別供SOD、CAT、POD、MDA等4個指標，3次重復測定，每次測定時選取1株幼苗，葉片選取第二片，對照組為蒸餾水處理，時間均為8 h，取第二片葉液氮凍存后貯藏在超低溫冰箱中，以備測定之需。

1.2 測定方法

MDA的含量采用硫代巴比妥酸(TBA)法［9］;SOD活性采用氯化硝基四氮唑藍(NBT)法測定［10］，以抑制NBT光氧化還原50%的酶量為一個活性單位，以U/g為單位;CAT活性采用紫外吸收法［11］，用△A 240表示POD活性;POD的活性采用愈創(chuàng)木酚法［11］，用△A 470表示POD活性。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel軟件進行作圖，用DPS軟件進行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd、水分單一及復合脅迫對玉米幼苗葉片SOD含量的影響

圖1 Cd、水分復合脅迫對玉米幼苗葉片SOD活性的影響Fig.1 Effects of combined stress of Cd and water on SOD activity in leaves of maize seedlings

由圖1可見，隨著Cd和水分復合脅迫程度的加劇，玉米幼苗葉片SOD活性變化趨勢較為復雜，但從整體上呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。在不同的Cd濃度處理下，隨著水分脅迫程度的加劇，SOD活性都呈現(xiàn)出先升高后降的趨勢。在Cd(400mmol/L)和PEG(20%)的復合處理下，SOD活性達到最大為對照的129.21%，在Cd(800mmol/L)和PEG(40%)的復合處理下，SOD活性最小，與對照差異不顯著。

2.2 Cd、水分單一及復合脅迫對玉米幼苗葉片POD含量的影響

由圖2可知，隨著Cd和水分復合脅迫程度程度的加劇，玉米幼苗葉片POD活性變化趨勢呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。即在低濃度Cd處理下，隨著水分脅迫程度的加劇，玉米幼苗葉片內(nèi)的POD活性逐漸升高，在Cd(200mmol/L)和PEG(40%)處理下，POD活性達到最大，且顯著高于對照，為對照的233.33%;在中濃度Cd處理和高濃度Cd處理下，隨著水分脅迫程度的加劇，玉米幼苗葉片內(nèi)的POD活性呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，在Cd(800mmol/L)和PEG(40%)處理下，POD的活性為對照的104.0%。

圖2 Cd、水分復合脅迫對玉米幼苗葉片POD活性的影響Fig.2 Effects of combined stress of Cd and water on POD activity in leaves of maize seedlings

2.3 Cd、水分單一及復合脅迫對玉米幼苗葉片CAT含量的影響

圖3 Cd、水分復合脅迫對玉米幼苗葉片CAT活性的影響Fig.3 Effects of Cd and water combined stress on CAT activity in leaves of maize seedlings

圖3顯示，隨著Cd濃度的增大和水分脅迫的加劇，玉米幼苗葉片的CAT含量變化與SOD類似:即在不同Cd濃度處理下，隨著水分脅迫的加劇，玉米幼苗葉片CAT活性亦先升高后下降。其中在Cd(200mmol/L)和PEG(20%)復合處理下，CAT活性最大，為對照的146.73%;在Cd(800mmol/L)和PEG(40%)復合處理下，CAT活性最小，與對照差異不顯著。

2.4 Cd、水分單一及復合脅迫對玉米幼苗葉片MDA含量的影響

圖4 Cd、水分復合脅迫對玉米幼苗MDA含量的影響Fig.4 Effects of Cd and water single and combined stress on MDA content in leaves of maize seedlings

由圖4可知，隨著Cd濃度的增大和水分脅迫的加劇，玉米幼苗葉片的MDA含量變化整體逐漸升高。即在低濃度、中濃度、高濃度Cd處理下，隨著水分脅迫程度的加劇，MDA含量呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，在Cd(800mmol/L)和PEG(40%)處理下，玉米幼苗葉片內(nèi)的MDA含量達到最大值，為對照的188.38%。

3 結(jié)論與討論

植物體內(nèi)的抗氧化酶在清除植物體內(nèi)產(chǎn)生的ROS，抑制膜脂過氧化，保護細胞免受傷害等方面起到了重要的作用。SOD是抵御活性氧自由基介導的氧化損傷的第一道防線，可通過Haber－weiss反應清除植物體內(nèi)多余的超氧陰離子，是保護酶體系中的關鍵酶［12］;CAT是一種包含血紅素的4聚體酶，存在于所有的植物細胞中，它可將H2O2迅速分解為H2O和O2;POD與CAT共同作用消除由SOD作用產(chǎn)生過量的H2O2，使H2O2維持在一個較低的水平。MDA是膜脂過氧化的最終產(chǎn)物［13］，其含量可直接反映出植物在逆境脅迫下所受到的傷害程度［14］。玉米幼苗葉片中的MDA含量隨Cd處理水平的提高和水分脅迫程度的加劇而呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，說明Cd和水分脅迫對生物膜系統(tǒng)造成傷害.影響植株的正常代謝。

本研究中，隨著Cd和水分復合脅迫程度程度的加劇，玉米幼苗葉片SOD、CAT、POD活性表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，這與前人研究結(jié)論一致，并且符合一般植物的應激性規(guī)律［15－16］。其中POD活性變化最為明顯，在低濃度Cd(200mmol/L)條件下，隨著水分脅迫的加劇，POD活性持續(xù)升高，直到與高濃度PEG(40%)復合脅迫時POD活性達到至高點后酶活不再上升;SOD和CAT的活性變化從整體上體現(xiàn)出先升后降的趨勢，并且在低濃度、中濃度、高濃度Cd的同一水平下，隨著水分脅迫的加劇，酶活變化值也是先增大后降低。同時，抗氧化酶達到最高值所對應的復合脅迫組合略有不同，如SOD達到最高值時的復合脅迫處理組合為Cd(400mmol/L)和PEG(20%)，POD達到最高值時的復合處理組合為Cd(200mmol/L)和PEG(40%)，CAT達到最高值時復合處理組合為Cd(200mmol/L)和PEG(20%)，并顯著高于對照。以上研究均表明，在不同濃度的Cd和不同程度的水分復合脅迫下，隨著內(nèi)源ROS清除劑的SOD、CAT和POD活性的升高，可在玉米幼苗葉片體內(nèi)清除過剩的ROS，維持ROS代謝平衡，保護膜結(jié)構(gòu)，使玉米幼苗葉片具有一定的抵抗復合脅迫的能力;但是玉米葉片抗氧化能力也有一定的局限性，當SOD、POD、CAT活性下降的時，說明玉米幼苗葉片體內(nèi)ROS的增加超過了自身歧化能力，抗氧化能力開始減弱。這與本研究中MDA含量隨著Cd和水分復合脅迫條件下數(shù)值上升趨勢結(jié)論邏輯一致。數(shù)據(jù)顯示，在復合脅迫組合Cd(800mmol/L)和PEG(40%)條件下，SOD、POD、CAT活性均達到最小并與對照差異不顯著，同樣復合脅迫處理下，MDA含量數(shù)值在所有復合脅迫組合中達到了最大，說明當玉米幼苗膜脂過氧化最大程度上受傷時，其抗氧化能力也達到了最弱。

由此可以認為在Cd和水分復合脅迫下，SOD、CAT、POD能在一定程度上可以緩解自由基積累與膜脂過氧化，但當復合脅迫超出了玉米幼苗葉片抗氧化能力的時候，抗氧化酶活性即可下降或被破壞。

:

［1］Dhindsa R S，Dhindsa P P，Reid D M.Leaf senescence and lipid peroxidation:Effects of some phytohormone and scavengers of free racdicals and singlet oxygen.Physiol Plant，1982:456 －457.

［2］李合生.現(xiàn)代植物生理學［M］.北京:高等教育出版社，2002:415，419.

［3］周希琴，莫燦坤.植物重金屬脅迫及其抗氧化系統(tǒng)［J］.新疆教育學院學報，2003，6(2):103－108.

［4］閆成仕.水分脅迫下植物葉片抗氧化系統(tǒng)的響應研究進展［J］.煙臺師范學院學報:自然科學版，2002，18(3):220－225.

［5］桑建榮，陸軍，蔣明義.水分脅迫和ABA處理對玉米葉片亞細胞器抗氧化酶活性的影響［J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學，2010(1):110－111.

［6］劉建新，趙國林，王毅民，等.Cd，Zn復合脅迫對玉米幼苗膜脂過氧化和抗氧化酶系統(tǒng)的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2006，25(1):54 －58.

［7］王芳，姬茜茹，邱宗波，等.不同玉米品種對增強UV－B輻射與干旱復合脅迫的生理響應［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2009，28(3):438－442.

［8］王士謙.玉米抗旱性的研究進展(綜述)［J］.河北科技師范學院學報，2005，19(3):76－80.

［9］陳建勛，王曉鋒.植物生理學實驗［M］.廣州:華南理工大學出版社，2002.

［10］張志良.植物生理學實驗指導［M］.北京:高等教育出版社，1990.

［11］李合生，孫群，趙世杰.植物生理生化試驗原理和技術［M］.北京:高等教育出版社，2000:125－128.

［12］鄭榮梁，黃中洋.自由基醫(yī)學與農(nóng)學基礎［M］.北京:高等教育出版社，2001.

［13］Shah K，Kumar R G，Verma S，et al.Effect of cadmium on lipid peroxidation，superoxide anion generation and activities of antioxidant enzymes in growing rice seedlings［J］.Plant Sci，2001，161:1135 －1144.

［14］鄭榮梁，黃中洋.自由基醫(yī)學與農(nóng)學基礎［M］.北京:高等教育出版社，2001.

［15］劉璐璐，柴明良，徐曉薇，等.γ射線輻照對春蘭根狀莖生長及抗氧化酶活性的影響［J］.核農(nóng)學報，2008，22(1):23－27.

［16］王廣林，張金池，王麗，等.銅、鋅脅迫對丁香蓼生理指標的影響［J］.南京林業(yè)大學學報:自然科學版，2009，33(4):43－47.