(齊齊哈爾大學(xué)生命科學(xué)與農(nóng)林學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

土壤中重金屬含量伴隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展而逐漸增大，重金屬在土壤中很難被降解，土壤中的重金屬被農(nóng)作物富集從而影響作物的光合作用和生理生化反應(yīng)，使得作物的產(chǎn)量和品質(zhì)下降。在緩解重金屬污染問題方面，國內(nèi)外學(xué)者做了大量工作[1-2]。亞精胺不僅能夠?qū)χ仓晟L發(fā)育進(jìn)行調(diào)解，在形態(tài)建成、性別分化和抗逆性方面發(fā)揮重要的作用[3-4]，而且與植物對外界環(huán)境脅迫反應(yīng)的關(guān)系非常密切，可以通過抗氧化酶活性和可溶性蛋白含量提高，ROS水平和MDA含量的降低，調(diào)節(jié)細(xì)胞陰陽離子的平衡，提高抗逆能力。前人在亞精胺抗逆性方面的研究工作集中于抗旱、耐冷、抗鹽，而關(guān)于抗金屬方面的工作較少，主要集中在水生植物，關(guān)于亞精胺與農(nóng)作物耐重金屬的研究未見報道。鎘具有很強(qiáng)的毒性，鎘脅迫不僅使植株發(fā)生氧化脅迫，導(dǎo)致膜損傷，改變酶系活性，對細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)有破壞作用[5-7]，還可對DNA產(chǎn)生直接或間接的影響，破壞蛋白質(zhì)合成。

本研究以玉米為材料，分析1.0 mmol·L-1亞精胺(Spd)對不同濃度Cd脅迫下玉米幼苗生理生化的變化，為Cd毒害緩解機(jī)制研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗方法

挑選顆粒飽滿的玉米種子，將玉米種子放于盛有水的燒杯中，放于齊齊哈爾大學(xué)遺傳學(xué)實驗室25 ℃培養(yǎng)箱中崔芽，將發(fā)芽的玉米種子播種在含有土壤的培養(yǎng)盆中。幼苗長到3葉1心時，用Hoagland營養(yǎng)液培養(yǎng)。將玉米幼苗分為2組，分別用含有0(對照)、0.5、1.0、3.0 mg·L-1和5.0 mg·L-1Cd的培養(yǎng)液處理，每個處理10株，另一組噴施1.0 mmol·L-1Spd，每次噴灑20 mL，5 d后取不同處理的葉片測定指標(biāo)，重復(fù)3次。

1.2 指標(biāo)測定

混合液法測定葉綠素含量[8]，考馬斯亮藍(lán)法測定可溶性蛋白含量[9]，硫代巴比妥酸法測定MDA含量[10]，H2O2含量測定參照Patterson等[11]的方法，O2-.產(chǎn)生速率參照Elstner和Heupel[12]的方法，進(jìn)行NBT法測定SOD活性[10]，愈創(chuàng)木酚法測定POD活性[10]，CAT活性的測定采用碘量法[13]。

1.3 實驗數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 20.0軟件相關(guān)分析和t檢驗，Excell 2010軟件做圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 Spd對鎘處理下玉米幼苗葉綠素含量的影響

外界環(huán)境對植物的毒害作用可以通過葉綠體含量變化體現(xiàn)，玉米幼苗的葉綠體含量在不同濃度Cd的處理下表現(xiàn)為先升高后下降(圖1)，當(dāng)Cd的濃度為0.5 mg·L-1時達(dá)到最大值，高于對照23.10%，然后逐漸降低且都低于對照，Cd處理玉米幼苗的葉綠素含量的相關(guān)系數(shù)r=-0.918(p<0.01)，極顯著負(fù)相關(guān)。對Cd處理下的玉米幼苗噴施Spd后，葉綠體含量均高于相應(yīng)的Cd處理組，其中3 mg·L-1和5 mg·L-1Cd處理噴施Spd后葉綠素含量與相應(yīng)Cd處理含量差異顯著(p<0.05)，5 mg·L-1Cd處理提高最多，提高了80.56%。說明Spd不僅對低濃度重金屬的毒害具有緩解效應(yīng)，對高能度的緩解效應(yīng)也很顯著。

注：“*”表示Spd處理與Cd處理間差異顯著，下同。圖1 Spd對鎘脅迫下玉米幼苗葉綠素含量的影響

2.2 Spd對鎘處理下玉米幼苗可溶性蛋白含量的影響

可溶性蛋白能增強(qiáng)細(xì)胞保水能力，起到保護(hù)細(xì)胞生物膜以及生命物質(zhì)的作用，隨著植物體內(nèi)可溶性蛋白含量上升，植物的抗逆性也隨之增強(qiáng)[14]。

由圖2可見，在Cd處理組中，隨著Cd濃度的增加可溶性蛋白含量逐漸下降，極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.997,p<0.01)。施用Spd后，不同濃度Cd處理下玉米幼苗的可溶蛋白含量均有所升高，除了對照處理外，Spd處理組可溶蛋白含量均顯著(p<0.05)高于相應(yīng)Cd處理的含量，其中1 mg·L-1和5 mg·L-1Cd處理施用Spd后的含量分別增加了54.41%和了64%。表明Spd不僅促進(jìn)蛋白合成，對蛋白降解也有一定的抑制效果。

圖2 Spd對鎘脅迫下玉米幼苗可溶性蛋白含量的影響

2.3 Spd對鎘處理下玉米幼苗MDA、H2O2含量和O2-.產(chǎn)生速率的影響

Cd處理使得玉米幼苗膜脂化加劇，葉片中MDA含量隨著Cd濃度的增加而增大(圖3)，與Cd的濃度正相關(guān)(r=0.998,p<0.01),5 mg·L-1Cd處理高于對照55.04%，施用Spd后玉米幼苗MDA含量顯著降低，除了對照處理外，Spd處理組MDA含量均顯著(p<0.05)低于相應(yīng)Cd處理的含量，在5 mg·L-1Cd處理時與相應(yīng)對照比降低了28.15%。玉米幼苗H2O2含量在不同濃度Cd的處理下逐漸升高(圖4)，在5 mg·L-1Cd處理時達(dá)到最大值，高于對照79.81%，H2O2含量與Cd正相關(guān)(r=0.960,p<0.01)，Spd的施用降低了H2O2含量，除了對照外，Spd處理組H2O2含量均顯著(p<0.05)低于相應(yīng)Cd處理的含量，在5 mg·L-1Cd處理時效果最為顯著，降低了38.40%。對照組O2-.產(chǎn)生速率隨著Cd濃度的增大而加快(圖5)，在Cd濃度為5 mg·L-1處O2-.產(chǎn)生速率達(dá)到峰值，與對照相比加快了90.37%，Cd濃度與O2-.產(chǎn)生速率呈正相關(guān)(r=0.979,p<0.01)，施用1.0 mmol·L-1Spd后，降低了各處理的O2-.產(chǎn)生速率。其中3 mg·L-1和5 mg·L-1Cd處理施用Spd后O2-.產(chǎn)生速率與相應(yīng)Cd處理相比顯著降低(p<0.05)。由此說明1.0 mmol·L-1Spd能夠降低MDA和H2O2含量，使O2-.產(chǎn)生速率下降，有效降低了膜脂化程度。

圖3 Spd對鎘脅迫下玉米幼苗MDA含量的影響

圖4 Spd對鎘脅迫下玉米幼苗H2O2含量的影響

2.4 Spd對鎘處理下玉米幼苗抗氧化酶活性的影響

SOD、POD和CAT是重要的氧化酶對植物起著保護(hù)作用。由圖6可以看出，當(dāng)玉米幼苗經(jīng)不同濃度Cd的毒害后，SOD先升后降，在1 mg·L-1Cd處達(dá)到最大值，高于對照76.59%。施用1 mmol·L-1Spd后SOD活性與相應(yīng)的對照相比均有所升高，其中3 mg·L-1和5 mg·L-1Cd處理施用Spd后，SOD活性與相應(yīng)Cd處理間差異顯著(p<0.05)，在Cd濃度為5 mg·L-1時，施用Spd后與相應(yīng)濃度的對照相比，SOD活性增加了37.76%，增幅最大。POD活性表現(xiàn)為先升后降(圖7)，施用1 mmol·L-1Spd后，提高了各處理的POD活性，只有5 mg·L-1Cd處理在施用Spd后差異不顯著p>0.05)，其它處理均達(dá)到差異顯著(p<0.05)。其中3 mg·L-1Cd處理提高最大，高于相應(yīng)對照的31.81%。單一Cd處理下，CAT在濃度為1 mg·L-1時達(dá)到峰值(圖8)，高于對照88.65%，然后下降。施用Spd后各處理的CAT活性均顯著高于相對應(yīng)的Cd處理(p<0.05)，其中5 mg·L-1Cd處理增幅最大。與相應(yīng)的對照比提高了59.31%。

圖5 Spd對鎘脅迫下玉米幼苗O2-.產(chǎn)生速率的影響

圖6 Spd對鎘脅迫下玉米幼苗SOD活性的影響

圖7 Spd對鎘脅迫下玉米幼苗POD活性的影響

圖8 Spd對鎘脅迫下玉米幼苗CAT活性的影響

3種抗氧化酶對鎘的毒害起到緩解作用，在Cd濃度較高時效果更顯著。

3 討 論

本試驗中葉綠素含量與Cd濃度呈顯著負(fù)相關(guān)，與趙雄偉等[15]研究的結(jié)果相同，這是因為葉綠素酸酯還原酶和δ-氨基酯酸脫氫酶受到了鎘的抑制，施用1.0 mmol·L-1Spd顯著提高了葉綠素含量，這是由于Spd所攜帶的正電荷通過與蛋白質(zhì)等帶負(fù)電荷的結(jié)合使類囊體膜結(jié)構(gòu)的完整性得以保障，進(jìn)而阻止膜脂過氧化及膜蛋白的水解作用,從而增加了葉綠素含量[16]。

當(dāng)植物體處在逆境中蛋白質(zhì)的含量會發(fā)生改變，這是植物適應(yīng)重金屬污染的一種途徑，在本研究中，Cd處理使得可溶性蛋白含量下降，這可能由于Cd抑制了蛋白質(zhì)合成酶的活性或者引起了蛋白質(zhì)分解[17]。加入1.0 mmol·L-1Spd后，蛋白質(zhì)的含量均有所升高，這是由于Spd參與了蛋白質(zhì)的合成，調(diào)控蛋白質(zhì)合成的中間過程。參與蛋白質(zhì)鏈起始、延長、終止各個階段[18]。

由于受重金屬的協(xié)迫，活性氧在植物體內(nèi)生成，導(dǎo)致膜脂過氧化作用和蛋白質(zhì)發(fā)生鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng)，從而損傷細(xì)胞膜系統(tǒng)，而MDA和H2O2含量，O2-.產(chǎn)生速率是衡量細(xì)胞膜損傷的重要標(biāo)志[19]。

本研究表明，玉米幼苗在不同濃度Cd脅迫后導(dǎo)致MDA和H2O2含量增加，O2-.產(chǎn)生速率上升，其增幅隨濃度的升高而增大。施用1.0 mmol·L-1Spd后有效降低了膜脂化程度，研究表明，Spd對金屬自氧化有抑制作用，能夠減弱用于產(chǎn)生ROS的電子的供應(yīng)[20]，對抗氧化物質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能有穩(wěn)定作用，間接清除ROS。Spd還可以通過提高膜的穩(wěn)定性，達(dá)到緩解膜質(zhì)過氧化程度的作用[21]。

SOD、POD和CAT是酶促防御系統(tǒng)的保護(hù)酶，它們能夠協(xié)同發(fā)揮作用，有效抑制膜脂過氧化，以減弱重金屬對植物細(xì)胞的傷害[22]。本研究中，當(dāng)Cd濃度較低(p<1.0 mg·L-1)時，3種氧化酶活性升高，避免玉米受到Cd的傷害，當(dāng)Cd濃度增大時3種酶活性降低，這是由于低濃度Cd刺激了酶系統(tǒng)，使其自身的抗性增加所致。但隨著重金屬脅迫濃度的增加，玉米內(nèi)產(chǎn)生的大量過氧化物，已經(jīng)超出了酶的消除能力，使細(xì)胞受到傷害。施用Spd后相應(yīng)增加了3種抗氧化酶活性，這是由于Spd的陽離子與蛋白質(zhì)、核酸陰離子結(jié)合,刺激蛋白質(zhì)的合成并調(diào)控某些蛋白質(zhì)基因的表達(dá)，Spd能與已有的抗氧化酶分子結(jié)合,通過影響其結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)酶活性[23]。

4 結(jié) 論

Cd脅迫對玉米幼苗產(chǎn)生了毒害作用，不僅影響了抗氧化酶系統(tǒng)，還對膜透性和光合作用產(chǎn)生破壞作用。1.0 mmol·L-1Spd提高了抗氧化酶系統(tǒng)的活性，降低了膜透性，提高了光合能力，對鎘的毒害起到緩解作用，即使Cd濃度達(dá)到5 mg·L-1，緩解效果也顯著。