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        鎘脅迫對2個寧夏主栽水稻品種幼苗期抗氧化同工酶亞基及其活性的影響

        2016-10-20 01:48:18黃雪妮屈凡馬名立
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2016年7期
        關(guān)鍵詞:細(xì)胞凋亡水稻

        黃雪妮 屈凡 馬名立

        摘要:為探討2個寧夏主栽水稻品種萌發(fā)期、幼苗期對鎘(Cd)脅迫的形態(tài)、生理生化響應(yīng),明確Cd污染對水稻的傷害機(jī)理,并為早期檢測提供理論依據(jù),以富源4號、寧梗28號為研究對象,于人工氣候室內(nèi)培養(yǎng),設(shè)置3個Cd處理濃度(0、50、100 μmol/L),研究不同處理對水稻發(fā)芽率、胚芽鞘長度、胚根數(shù)、主根長的影響以及根系中活性氧類(ROS)的累積和細(xì)胞凋亡情況;采用聚丙烯酰胺凝膠電泳(PAGE)技術(shù)分析Cd對4種抗氧化酶[超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)]同工酶亞基的影響。結(jié)果顯示:(1)Cd毒害使根系產(chǎn)生大量活性氧類而誘導(dǎo)根尖伸長區(qū)細(xì)胞死亡,從而抑制了2個品種主根生長,但卻使根數(shù)增加;(2)100 μmol/L Cd抑制了富源4號SOD同工酶亞基,導(dǎo)致SOD總活性下降,CAT活卻顯著性增強(qiáng);(3)寧梗28比富源4號有較強(qiáng)的耐受Cd的能力。分析結(jié)果可知:胚根數(shù)的增加是寧夏水稻耐受Cd脅迫的重要措施;Cd脅迫下的SOD活性以及SOD同工酶亞基是可以用來鑒定水稻受重金屬脅迫的一個重要的生理傷害指標(biāo);CAT對Cd 脅迫下的水稻起重要的抗氧化保護(hù)作用。

        關(guān)鍵詞:Cd脅迫;水稻;同工酶;活性氧(ROS);細(xì)胞凋亡

        中圖分類號: S511.01 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A 文章編號:1002-1302(2016)07-0107-06

        水稻是寧夏平原引黃灌溉區(qū)的主要糧食作物之一,也是寧夏平原重要的經(jīng)濟(jì)作物,大面積種植的水稻品種有寧梗系列、富源4號等[1]。但是,隨著黃河沿岸經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,含有重金屬污染物的工業(yè)廢水被排入黃河,導(dǎo)致黃河水質(zhì)不斷惡化,重金屬污染成為沿黃區(qū)水稻種植面臨的重要問題,尤其是重金屬鎘(Cd)作為生物毒性極強(qiáng)的元素,不但在土壤中的化學(xué)活性大,而且移動性強(qiáng)、毒性持久。水稻是一種極易富集Cd的農(nóng)作物,可以將Cd累積在籽粒部位,通過食物鏈的傳遞進(jìn)入人體?!版k米”嚴(yán)重危及人體健康,能夠致病、致癌、致病變。因此,污染區(qū)稻米產(chǎn)品的安全性一直受到重視[2-3]。

        目前,關(guān)于水稻對Cd的吸收積累途徑、Cd在水稻中的分布規(guī)律,及Cd對水稻生長發(fā)育的毒害機(jī)理等方面已有大量的報道[4-7],Cd對水稻的生態(tài)生理效應(yīng)趨于成熟。而有研究表明,不同品種的水稻對Cd的耐受性及累積性有顯著差異[4],種子萌發(fā)期既是水稻生活周期的起點(diǎn),也是水稻感知外界環(huán)境的最初生命階段,水稻種子萌發(fā)時期的生長狀況直接影響水稻后期的發(fā)育和產(chǎn)量。目前,關(guān)于Cd在水稻生活周期不同發(fā)育階段的效應(yīng),尤其是寧夏主栽水稻品種對重金屬Cd響應(yīng)方面的研究鮮有報道。筆者以寧夏主栽水稻品種寧梗28號、富源4號為研究對象,研究Cd脅迫對這2個品種的萌發(fā)率、胚芽鞘長度、主根數(shù)、根系中活性氧類(ROS)累積、根系凋亡以及超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)同工酶的影響,旨在探討重金屬脅迫對寧夏主栽水稻抗氧化同工酶基因表達(dá)的影響以及水稻在重金屬脅迫下的抗性差異,為揭示Cd對寧夏主栽水稻品種毒害的生理機(jī)理及保障糧食安全和監(jiān)測重金屬污染提供理論依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        以寧夏主栽水稻品種富源4號、寧梗28號為試驗(yàn)材料,種子購于寧夏賀蘭縣種子公司。

        1.2 試驗(yàn)方法

        1.2.1 水稻的萌發(fā)與處理 挑選大小一致、顆粒飽滿的當(dāng)年產(chǎn)水稻種子,先用蒸餾水沖洗干凈,后用10%次氯酸鈉溶液浸泡消毒10 min,再用蒸餾水沖洗5次,于25 ℃蒸餾水中浸種4 h,讓種子充分吸脹。取直徑12 cm、鋪有2層消毒濾紙的培養(yǎng)皿,將種子鋪于其中,每個培養(yǎng)皿中均勻擺放30粒種子。對照組(CK)即非脅迫處理,每天加入10 mL滅菌水;Cd處理1每天加入10 mL 50 μmol/L Cd,處理2每天加入10 mL 100 μmol/L Cd,每個處理重復(fù)3次。將對照與各處理放置于人工氣候箱中黑暗培養(yǎng),溫度28 ℃,濕度40%,注意通風(fēng)。

        1.2.2 種子萌發(fā)指標(biāo)的測量 發(fā)芽期間,每天定時記錄萌發(fā)數(shù)(以種子露白為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)),萌發(fā)2 d開始測量胚芽鞘長度(mm),每次隨機(jī)挑選15粒進(jìn)行測量,計算平均值。發(fā)芽率(GR)即培養(yǎng)3 d時發(fā)芽種子數(shù)占種子總數(shù)的比例(%),萌發(fā)5 d后移栽至1/2 Hoagland培養(yǎng)液中,處理濃度不變。

        1.2.3 可溶性總蛋白的提取及同工酶電泳 待幼苗生長至10 cm時,各稱取0.5 g幼苗樣品,在冰浴條件下在樣品中加入 2 mL 酶提取液[0.1 mol/L Tris-HCl緩沖液,pH值8.0(每100 mL含0.073 g半胱氨酸、0.105 g維生素C、20.075 g EDTA-Na、10 mL甘油、5.84 mL 1 mol/L HCl)],研磨至勻漿,于4 ℃、13 000 r/min離心20 min,上清液即為酶粗提取液,用考馬斯亮藍(lán)法測定總蛋白含量[8]。

        同工酶電泳采用北京六一生物科技有限公司生產(chǎn)的垂直板凝膠電泳儀。超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化物酶電泳時采用10%分離膠、5%濃縮膠??箟难徇^氧化物酶采用7.5%分離膠、5%濃縮膠。上樣量45 μL,預(yù)電泳10 min,濃縮膠中穩(wěn)定電壓為80 V,進(jìn)入分離膠后穩(wěn)定電壓為120 V,電流200 mA。于冰浴中電泳3~4 h后,當(dāng)指示染料下行至距膠板末端1~2 cm 時停止電泳[9]。

        1.2.3.1 同工酶染色及拍照 SOD同工酶的染色采用氮藍(lán)四唑同工酶法[10],POD同工酶染色采用乙酸-聯(lián)苯胺法[10],CAT同工酶染色采用淀粉法[11],APX同工酶染色參照邵巍等的方法[12],根據(jù)染色的酶譜計算相對遷移率Rf:

        Rf=酶帶遷移距離/前沿指示劑距離。

        1.2.3.2 酶活性的測定 SOD活性測定采用氮藍(lán)四唑(NBT)法[13],POD活性測定采用愈創(chuàng)木酚法[14],CAT、APX活性的測定采用吳倩的方法[15]。每個處理重復(fù)3次,所得數(shù)據(jù)用GraphPadprism 5.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行分析。

        1.2.4 根系中ROS的累積及根系凋亡檢測 為了檢測Cd脅迫下水稻根系中ROS的累積隨時間的變化情況,以富源4號的根系為材料。活性氧的檢測:ROS Assay Kit,購自上海碧云天生物技術(shù)有限公司,用二甲基亞砜(DMSO)稀釋成母液后保存于-20 ℃,工作液按1 ∶ 1 000的比例稀釋。以用100 μmol Cd處理0、24、48、72 h的主根根尖為材料,經(jīng)大量純凈水沖洗干凈后,浸泡于ROS染色液中,于37 ℃溫育20 min;用滅菌去離子水沖洗干凈,裝載于載玻片上,在熒光顯微鏡激發(fā)波長為480 nm的條件下觀察活性氧的累積情況,每個處理重復(fù)8次。

        Cd脅迫下根系細(xì)胞凋亡情況用碘化丙錠(PI)檢測:碘化丙啶購自Sigma公司,是一種細(xì)胞核染料,能特異穿透死亡細(xì)胞的細(xì)胞膜而不能穿過活性細(xì)胞的細(xì)胞膜,從而達(dá)到鑒別活細(xì)胞的作用。先將PI粉末溶于滅菌水中,配制成濃度為 10 μg/mL 的母液,然后將母液用0.9% NaCl按1 ∶ 100的比例稀釋成工作液。根系處理方法同ROS染色處理,步驟、時間一樣,選取均勻一致的主根,浸泡在工作液中染色大約 3 min,然后用0.9% NaCl溶液沖洗干凈、壓片,于熒光顯微鏡下觀察并拍照,整個過程要求在暗條件下操作,以防熒光猝滅。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 結(jié)果與分析

        2.1.1 水稻種子的萌發(fā)率和胚芽鞘長度 表1結(jié)果顯示:與CK相比,隨著Cd脅迫濃度的增加,2個品種水稻在處理3 d的發(fā)芽率沒有被明顯抑制,甚至Cd處理能在一定程度上促進(jìn)種子的萌發(fā),寧28的萌發(fā)率比富源4號高。培養(yǎng)7 d的主根長、胚根數(shù)測量統(tǒng)計結(jié)果發(fā)現(xiàn),2個梯度的Cd處理能增加2個品種的胚根數(shù),50 μmol/L Cd能極顯著增加寧梗28根數(shù)(P<0.01),富源4號的根數(shù)也極顯著增加(P 圖1結(jié)果顯示,在非脅迫處理下,寧梗28的胚芽鞘長度比富源4號長,50 μmol/L Cd在一定程度上能促進(jìn)種子萌發(fā)、胚芽鞘生長,但是100 μmol/L Cd卻能夠抑制胚芽鞘生長。寧梗28的胚芽鞘長度比富源4號長,而胚芽鞘長度可以作為抗逆性的形態(tài)指標(biāo)之一[16],可見與富源4號相比,寧梗28對Cd脅迫有較強(qiáng)的抗逆性。

        2.1.2 根系中ROS的累積及細(xì)胞凋亡檢測 圖2結(jié)果顯示,與對照(CK)相比,100 μmol/L Cd脅迫24 h之后,根尖出現(xiàn)了較強(qiáng)的熒光,說明水稻根系中累積了較多ROS;48 h后檢測發(fā)現(xiàn),根尖中的ROS仍然沒有及時被清除;而72 h之后熒光明顯減弱。同樣,PⅠ染色檢測根尖細(xì)胞凋亡的結(jié)果顯示,隨著Cd暴露時間的延長,熒光強(qiáng)度明顯增強(qiáng),在72 h時熒光強(qiáng)度最大。檢測結(jié)果顯示,細(xì)胞凋亡部位主要發(fā)生在根尖分生區(qū)、伸長區(qū)部位,這可能是導(dǎo)致主根伸長生長被抑制的主要原因。

        2.1.3 水稻同工酶電泳及酶活性測定結(jié)果

        2.1.3.1 Cd對2個品種SOD同工酶及酶活的影響 圖3-a 富源4號同工酶電泳結(jié)果顯示,與對照相比,50 μmol/L Cd使SOD亞基出現(xiàn)了8條帶,Rf值分別為0.12、0.23、0.32、0.45、0.57、0.71、0.78、0.84,并且S3、S4、S5亞基的亮度明顯增強(qiáng)。圖3-b酶活測定結(jié)果顯示,低濃度Cd能夠使SOD活性極顯著上升(P

        2.1.3.2 不同處理對POD的影響 由圖4-a可知,富源4號POD同工酶電泳結(jié)果出現(xiàn)7條Rf值分別為0.07、0.21、0.39、0.58、0.61、0.85、0.91的酶帶,隨著Cd2+濃度的增加,富源4號POD亞基條帶數(shù)沒有變化,P4亞基的亮度稍有增加。同步酶活測定結(jié)果顯示,Cd濃度的增加并沒有顯著性引起POD活性的變化(圖4-b)。圖4-c寧28的POD同工酶電泳結(jié)果也顯示有7條酶帶,P4亞基隨著Cd2+濃度的增大而逐漸加深;POD活性沒有顯著性的變化(圖4-d)。

        這一結(jié)果表明,在Cd脅迫早期,POD并沒有起到明顯的抗氧化保護(hù)作用,有研究認(rèn)為,POD很有可能是植物受到傷害的一個重要的生理傷害指標(biāo),是植物體內(nèi)H2O2過度累積的一個重要標(biāo)志。因此推測,可能水稻體內(nèi)的H2O2暫時沒有過度累積,因此POD活性沒有顯著上升。

        2.1.3.3 Cd處理對水稻CAT的影響 不同濃度的Cd脅迫處理后,富源4號CAT同工酶圖譜顯示3條酶譜帶,Rf值分別為0.12、0.18、0.29,C1、C3的亮度逐漸加大、條帶加寬(圖5-a);由圖5-c可知,寧梗28同工酶電泳結(jié)果也顯示3條帶,C2、C3亞基的亮度隨著Cd濃度的增大而增強(qiáng)。酶活測定結(jié)果顯示,100 μmol/L Cd脅迫都能使CAT活性極顯著上升(P<0.01)(圖5-b、圖5-d)。這一結(jié)果表明,CAT在Cd脅迫下并沒有被抑制,可能在抗氧化保護(hù)系統(tǒng)中起到比較重要的作用。

        2.1.3.4 不同Cd濃度對水稻APX的影響 由圖6-a、圖6-b可見,富源4號的APX活性無明顯變化,100 μmol/L Cd使A7亞基亮度降低。由圖6-c、圖6-d可見,寧梗28的APX在100 μmol/L Cd脅迫下條帶亮度稍有增強(qiáng), 但是在酶

        活性上沒有明顯差異。這些結(jié)果說明,在脅迫早期,APX對Cd的響應(yīng)不明顯。

        3 討論

        關(guān)于Cd對種子萌發(fā)及幼苗生長方面的影響已經(jīng)有大量報道,楊穎麗等研究發(fā)現(xiàn),低濃度Cd對種子萌發(fā)有一定的促進(jìn)作用[17],本研究結(jié)果與之相似,這可能是由于萌發(fā)初期Cd對淀粉酶活力略有提高作用,從而促進(jìn)了細(xì)胞分裂[18]。而高濃度Cd對主根伸長生長的顯著抑制作用可能與Cd進(jìn)入細(xì)胞之后導(dǎo)致細(xì)胞分裂出現(xiàn)障礙或不正常分裂[19-20]、根系中ROS的過量累積而導(dǎo)致根尖細(xì)胞死亡有重要關(guān)系,說明Cd脅迫對水稻根系發(fā)育及胚芽生長有明顯抑制作用,而寧梗

        28、富源4號對Cd脅迫的一個重要形態(tài)響應(yīng)就是增加胚根數(shù)。

        抗氧化同工酶是植物體內(nèi)最活躍的酶系之一,逆境脅迫可以調(diào)節(jié)同工酶基因在不同水平上表達(dá),不良的環(huán)境因素常常引起基因的變異而導(dǎo)致酶結(jié)構(gòu)的改變,這種改變反映在同工酶的酶譜上出現(xiàn)了不同數(shù)量、不同遷移率的譜帶,因此同工酶的表達(dá)是遺傳因子與環(huán)境因子共同作用的結(jié)果。通過對抗氧化同工酶的分析,可以初步了解寧夏水稻品種對不良環(huán)境的響應(yīng)。當(dāng)Cd被吸收進(jìn)入水稻體內(nèi)之后,刺激產(chǎn)生有害的過氧化物,當(dāng)脅迫發(fā)生后,水稻體內(nèi)的過氧化物酶系統(tǒng)會被激活起到保護(hù)作用;但當(dāng)脅迫發(fā)生超過水稻忍受極限時,其防御措施也就相應(yīng)減弱,乃至死亡。SOD第1個參與 O-2 · 的清除反應(yīng),生成H2O2、O2,在抗氧化酶類中處于重要地位。SOD活性的高低可以在一定程度上反映植物抗逆本領(lǐng)的強(qiáng)弱[21-22],Liu等研究表明,日本忍冬具有較強(qiáng)的富集重金屬Cd的能力,經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn),在重金屬脅迫下忍冬體內(nèi)具有較高的SOD活性[23]。而本試驗(yàn)結(jié)果表明,2個寧夏水稻在遭受Cd脅迫后,SOD同工酶基因在譜帶數(shù)、表達(dá)量上都發(fā)生了明顯的變化,SOD同工酶S3、S4亞基基因的被抑制效應(yīng),導(dǎo)致SOD活性在高濃度Cd脅迫下極顯著地被抑制,因此推測SOD在Cd脅迫下不能起關(guān)鍵的抗氧化保護(hù)作用,活性氧代謝系統(tǒng)失調(diào)的主要產(chǎn)物可能為H2O2,而非 O-2 · 。

        CAT在重金屬抗性方面起到重要作用,能夠高效地分解H2O2為H2O、O2而不需要消耗任何物質(zhì),因此能積極地響應(yīng)體內(nèi)H2O2累積,從而避免H2O2從過氧化物酶體擴(kuò)散至細(xì)胞而造成氧化毒害。在煙草中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了CAT基因編碼的3種蛋白質(zhì)用來清除體內(nèi)產(chǎn)生的H2O2[24]。筆者研究發(fā)現(xiàn),在SOD被抑制的情況下,CAT活性卻在顯著上升,CAT同工酶隨著Cd濃度的升高,出現(xiàn)新的酶條帶亞基,可能在后期將 O-2 · 、H2O2清除,從而最大限度地減少HO-的形成。

        由于ROS的累積與POD的活性呈顯著線性關(guān)系,MacFarlane等將POD活性的上升認(rèn)為是遭受重金屬脅迫的一個重要的指標(biāo)[25]。本研究表明,在Cd脅迫早期,無論是同工酶電泳還是酶活檢測,結(jié)果都顯示POD沒有明顯改變,因此推測水稻幼苗中的H2O2物質(zhì)未累積的較多,導(dǎo)致酶活基本未變。在本試驗(yàn)中,早期POD沒有明顯變化,可能與脅迫程度和CAT對ROS的積極清除有關(guān)。

        4 結(jié)論

        (1)Cd對水稻根系毒害主要表現(xiàn)在根系中ROS的累積、根尖伸長區(qū)細(xì)胞的凋亡以及根系生長被抑制,而寧夏水稻根系適應(yīng)Cd脅迫的一個重要措施就是增加胚根數(shù)。(2)SOD亞基S3、S4的被抑制效應(yīng),是導(dǎo)致SOD活性下降的主要原因,因此Cd脅迫下SOD活性以及SOD同工酶是可以用來鑒定水稻受重金屬脅迫的一個重要的生理傷害指標(biāo)。(3)CAT在寧夏水稻清除Cd誘導(dǎo)的過氧化損傷中起到重要的作用。

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