習(xí)夏平，儀慧蘭

（山西大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山西 太原 030006）

由于工業(yè)“三廢”的不合理排放，以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中污水灌溉、肥料過(guò)量施用，導(dǎo)致大面積的土壤鎘（Cd）污染[1]。據(jù)農(nóng)業(yè)部調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)約有1.3 萬(wàn)hm2耕地受到Cd 污染，涉及11 個(gè)省市的25 個(gè)地區(qū)[2]。土壤中的Cd 可經(jīng)植物根部吸收，在植物體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)和積累，影響植物生長(zhǎng)發(fā)育，導(dǎo)致植株矮化、生育期延遲、葉片褪綠萎黃，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致死亡[3-4]。存留在食材中的Cd 還會(huì)危害人體健康。

研究發(fā)現(xiàn)，小麥、水稻、大豆等作物在Cd 脅迫時(shí)氧化還原代謝失衡，植物細(xì)胞中積累過(guò)量的活性氧（ROS），引起組織的氧化應(yīng)激，影響植株生長(zhǎng)發(fā)育[5-7]?，F(xiàn)有研究認(rèn)為，Cd 對(duì)植物的危害主要源于脅迫引發(fā)的ROS 水平升高。高水平ROS 可使生物大分子結(jié)構(gòu)損傷，功能異常，繼發(fā)細(xì)胞生理紊亂。Cd暴露能使樹(shù)木幼苗、作物等植物體細(xì)胞膜系統(tǒng)受損，葉綠體結(jié)構(gòu)損傷，光合作用抑制[8-9]，還會(huì)影響遺傳穩(wěn)定性[10]。

谷子（Setaria italica L.）生長(zhǎng)在廣袤的丘陵地帶，耐旱耐貧瘠、適應(yīng)性強(qiáng)，作為一種重要的雜糧作物，是我國(guó)北方居民的主要糧食之一。山西省谷子種植面積僅次于小麥、玉米，位于雜糧作物之首。

本試驗(yàn)選用谷子幼苗為研究對(duì)象，檢測(cè)了Cd脅迫下谷子幼苗生長(zhǎng)狀況及氧化/抗氧化指標(biāo)，以探究谷子幼苗響應(yīng)Cd 毒性的生理生化反應(yīng)機(jī)制。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試谷子品種為長(zhǎng)農(nóng)44 號(hào)，由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院谷子研究所惠贈(zèng)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在太原市山西大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。2018年10月挑選谷粒飽滿、大小均一的種子，蒸餾水浸種3 h，濕紗布包裹催芽后將露白的谷種均勻擺放在紗布上，水培法培養(yǎng)谷子幼苗，光周期 16/8 h（光照 /黑暗），溫度（25±2）℃，相對(duì)濕度40%～60%。7 d 后換用1/4 Hoagland 營(yíng)養(yǎng)液。

根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，選 50，200 μmol/L Cd 溶液處理10日齡谷子幼苗，對(duì)照組使用自來(lái)水，每天換1 次處理液。8 d 后測(cè)定幼苗根長(zhǎng)和地上部分鮮質(zhì)量，并取地上部分檢測(cè)生理生化指標(biāo)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

隨機(jī)選取每組20 株谷子幼苗，測(cè)量其根長(zhǎng)，每組30 株幼苗，稱量地上部分鮮質(zhì)量。每個(gè)處理設(shè)3 個(gè)重復(fù)。

取幼苗地上部分，采用羥氨氧化法測(cè)定O2-·產(chǎn)生速率；硫代巴比妥酸比色法測(cè)定MDA 含量；氮藍(lán)四唑光化學(xué)還原法測(cè)定SOD 活性；愈創(chuàng)木酚比色法測(cè)定POD 活性；紫外吸收法測(cè)定CAT 活性；CDNB 比色法測(cè)定GST 活性；茚三酮顯色法測(cè)定Cys 含量；分光光度法測(cè)定GSH 含量；DTNB 直接測(cè)定法測(cè)定GPX 活性；H2O2含量用南京建成生物科技有限公司試劑盒測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 17.0 軟件中的Duncan 法分析各處理組間的差異顯著性，使用Microsoft Excel 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd對(duì)谷子幼苗生長(zhǎng)的抑制效應(yīng)

Cd 處理谷子幼苗 8 d 后，50，200 μmol/L Cd 處理組幼苗根長(zhǎng)和地上部分鮮質(zhì)量均顯著低于對(duì)照組，Cd 處理組谷子幼苗生長(zhǎng)緩慢，植株矮小，植株葉緣發(fā)黃，葉尖干枯（圖1）。Cd 對(duì)谷子幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的抑制作用隨Cd 濃度增高而增強(qiáng)。

2.2 Cd對(duì)谷子幼苗的氧化脅迫

MDA 是膜脂過(guò)氧化的產(chǎn)物，通過(guò)MDA 含量檢測(cè)能間接反映植物受Cd 傷害的程度。從圖2可以看出，Cd 處理谷子幼苗 8 d 后，50 μmol/L Cd 處理組地上部分O2-·產(chǎn)生速率與對(duì)照組間無(wú)顯著差異，200 μmol/L Cd 處理組O2-·產(chǎn)生速率顯著高于對(duì)照組；50，200 μmol/L Cd 處理組地上部分中 H2O2和MDA 含量均顯著高于對(duì)照組。結(jié)果說(shuō)明，一定濃度的Cd 脅迫能誘發(fā)谷子幼苗體內(nèi)ROS 水平升高，導(dǎo)致膜脂過(guò)氧化損傷。

2.3 Cd對(duì)谷子幼苗抗氧化系統(tǒng)的影響

從圖3可以看出，Cd 處理谷子幼苗 8 d 后，50，200 μmol/L Cd 處理組地上部分POD 活性均顯著高于對(duì)照組，CAT 活性略高于對(duì)照，Cys，GSH 含量顯著高于對(duì)照組，但是SOD，GST 和GPX 活性與對(duì)照組間無(wú)顯著差異。結(jié)果表明，谷子幼苗中的POD 對(duì)Cd 較敏感，Cd 脅迫組谷子幼苗通過(guò)增強(qiáng)植物體內(nèi)抗氧化酶活性和增加抗氧化物質(zhì)GSH 和Cys 含量來(lái)提高對(duì)Cd 毒性的適應(yīng)性。

3 討論

現(xiàn)有研究表明，Cd 對(duì)植物的傷害主要與其引發(fā)的氧化脅迫和氧化損傷有關(guān)[5-7，11-13]。Cd 脅迫導(dǎo)致植物體內(nèi)ROS 水平升高，引發(fā)一系列對(duì)生物大分子和細(xì)胞功能、結(jié)構(gòu)的損傷，導(dǎo)致植株生理異常。本研究表明，谷子幼苗在Cd 脅迫時(shí)，體內(nèi)ROS 水平升高并誘發(fā)膜脂過(guò)氧化損傷，符合現(xiàn)有研究關(guān)于鎘毒性與氧化脅迫和氧化損傷關(guān)聯(lián)的描述，說(shuō)明本試驗(yàn)采用的Cd 處理對(duì)谷子幼苗產(chǎn)生了傷害。

為了控制體內(nèi)ROS 水平，植物體具有復(fù)雜的抗氧化系統(tǒng)來(lái)清除過(guò)量的ROS 自由基?？寡趸到y(tǒng)主要包括抗氧化酶系統(tǒng)和非酶抗氧化系統(tǒng)，抗氧化酶系統(tǒng)主要有 SOD，POD，CAT，GST 和 GPX 等，非酶抗氧化系統(tǒng)包括Cys，GSH，抗壞血酸，維生素E等。SOD 是植物體內(nèi)清除ROS 的第一個(gè)酶，負(fù)責(zé)將O2-·歧化為H2O2。生成的H2O2可以通過(guò)GSH-AsA循環(huán)清除，也可由 POD，CAT 等降解。HAN 等[13-14]研究發(fā)現(xiàn)，250，500 μmol/L Cd 溶液處理 10日齡谷子幼苗3 d 時(shí)，隨著Cd 濃度增加，谷子幼苗地上部分SOD 活性呈遞增的趨勢(shì)，250 μmol/L Cd 溶液處理后，谷子幼苗地上部分POD 活性顯著增加，隨著Cd濃度增加至500 μmol/L 時(shí)，幼苗地上部分POD 活性略有降低，250 μmol/L Cd 溶液處理后，谷子幼苗地上部分CAT 活性顯著升高，而500 μmol/L Cd 溶液處理后，幼苗地上部分CAT 活性略有降低。本研究采用 50，200 μmol/L Cd 處理 3 d 時(shí)，沒(méi)有檢出SOD，POD 和CAT 活性的改變，延長(zhǎng)處理時(shí)間至8 d時(shí)，POD 活性顯著升高，但SOD 和CAT 活性無(wú)明顯改變，說(shuō)明谷子抗氧化酶對(duì)Cd 的響應(yīng)會(huì)因?yàn)镃d 處理濃度和時(shí)間的不同而有所不同，高濃度或長(zhǎng)時(shí)間Cd 處理能形成較高水平的ROS，促使抗氧化酶活性提高以代謝活性氧分子，但是持續(xù)過(guò)高的ROS 水平能損傷蛋白分子，導(dǎo)致酶活性下降。

Cys 是植物硫同化途徑的最終產(chǎn)物，植物以Cys 為前體合成GSH，GSH 是生物體內(nèi)重要的抗氧化劑，可以通過(guò)抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)清除Cd誘導(dǎo)的ROS，還可作為底物合成植物螯合素（PC），在植物細(xì)胞中PC 能夠結(jié)合Cd2+，從而降低Cd 對(duì)植物細(xì)胞的毒害作用。GST 是由一個(gè)大的多基因家族編碼的多功能蛋白酶，屬Ⅱ相解毒酶，除了具有典型的谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶活性外，還具有谷胱甘肽過(guò)氧化物酶的活性[15]。GPX 以還原型GSH 為底物，催化H2O2及其有機(jī)氫過(guò)氧化物的分解，提高機(jī)體清除ROS 能力[16]。在重金屬脅迫時(shí)，GST 和 GPX 具有清除體內(nèi)ROS 自由基和解毒的雙重功能，可以保護(hù)細(xì)胞免受ROS 的損害。本研究中Cd 脅迫可以誘導(dǎo)谷子幼苗GSH 和Cys 含量顯著增加，與前人在玉米中得到結(jié)果[17]一致，表明抗氧化物質(zhì)Cys 和GSH在谷子對(duì)Cd 的適應(yīng)性生理中發(fā)揮了重要作用。王亞麗[14]研究發(fā)現(xiàn)，250，500 μmol/L Cd 處理 3 d 后谷子幼苗地上部分GST 和GPX 活性無(wú)明顯改變，與本研究結(jié)果一致，表明谷子幼苗GST 和GPX 對(duì)50～500 μmol/L Cd 處理不敏感。

4 結(jié)論

谷子幼苗在50，200 μmol/L Cd 溶液中處理8 d后，植株生長(zhǎng)發(fā)育受到抑制，地上組織中ROS 水平升高，膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物MDA 含量增加，毒性效應(yīng)呈現(xiàn)對(duì)Cd 劑量的依賴。Cd 脅迫使谷子抗氧化系統(tǒng)激活，抗氧化酶POD 活性和抗氧化分子Cys，GSH 水平提高，參與植株對(duì)Cd 的適應(yīng)。