Cu2+胁迫对大豆生长和抗氧化酶活性的影响

1、Cu2+胁迫对大豆生长和抗氧化酶活性的影响摘要：植物体摄入过量的重金属Cu2+会对植物产生毒害作用，为探讨外施Cu2+对大豆幼苗的毒害机理，以齐黄35为试验材料，采用盆栽法，以不同浓度0、20、200、400g/gCu2+处理液进行胁迫，研究外源Cu2+胁迫对大豆丙二醛MDA含量、抗氧化酶活性超氧化物歧化酶SOD、过氧化氢酶POD和根茎干鲜质量地上干鲜质量和地下干鲜质量的影响。结果说明，随着Cu2+胁迫浓度的增加，MDA含量呈现上升趋势;对2种抗氧化酶的活性影响显著，但活性影响方向不一致，显著降低SOD活性，增强POD活性，各Cu2+处理下SOD活性与同期对照组15d相比降低1.90%19.5

2、5%，POD活性与同期对照组15d相比增强31.36%49.45%;Cu2+胁迫显著降低大豆幼苗地上干质量、地上鲜质量、地下干质量、地下鲜质量、总鲜质量、总干质量，与对照组相比，400g/g浓度的Cu2+胁迫分别下降了55.58%、64.79%、60.31%、85.42%、57.46%、74.79%。Cu2+胁迫引起丙二醛、抗氧化酶和根茎干鲜质量的显著变化，抑制大豆幼苗的正常生长，丙二醛是Cu2+胁迫的重要表征指标，研究为大豆幼苗的Cu2+毒害机理提供依据。关键词：Cu2+胁迫;活性氧;抗氧化酶;生物量;大豆中图分类号：S565.101文献标志码：A文章编号：1002-1302202112-0

3、089-04Cu2+是植物体生长必需的微量元素，参与植物体电子传递和光合作用，在植物的正常生长发育过程中起着重要的作用，但植物组织中过量的Cu2+会对植物产生毒害作用。有研究报道，受到Cu2+毒害的植物植株增长减少、光合作用减弱、矿物质元素摄入量下降1-3。植物体摄入过量的重金属Cu2+会使植物活性氧reactiveoxygenspecies，简称ROS的产生与去除失衡，导致植物体活性氧的积累进而抑制植物生长并对植物产生毒害作用。活性氧产生后，会使植物器官中的膜脂发生过氧化，产生过氧化产物丙二醛malondialdehyde，简称MDA【4】。Liu等在玉米和水稻中研究发现，高浓度的Cu2+能

4、够增加植物不同组织的丙二醛含量5-6。植物可通过增加抗氧化酶、在根中对重金属进行螯合等协调机制承受一定程度的Cu2+胁迫7-8。这些协调机制中，抗氧化防御系统在降低植物Cu2+毒害方面起着重要的作用9-10。抗氧化防御系统通过相关酶促和非酶促去除系统的启动，以减轻或消除活性氧积累对植物的伤害，酶促系统主要包括超氧化物歧化酶superoxidedismutase，简称SOD、过氧化氢酶catalase，简称CAT、过氧化物酶peroxidase，简称POD、抗坏血酸过氧化物酶ascorbataperoxidase，简称APX和谷胱甘肽复原酶glutathionereductase，简称GR，非酶

5、促反应主要包括抗坏血酸ascorbicacid，简称AsA、类胡萝卜素carotenoid，简称Car以及一些含巯基的低分子化合物等11-12。Shashi等在鹰嘴豆和甘蓝型油菜中研究发现，Cu2+胁迫能够增加抗氧化酶活性13-14。Liu等在玉米中研究发现低浓度的Cu2+胁迫增加过氧化物酶活性，高浓度的Cu2+胁迫降低过氧化物酶活性【5】。近年来，随着工业生产、矿井开采和城市活动使得农业水源和土壤中富集大量金属Cu2+，Cu2+胁迫已成为导致作物减产和品质下降的主要因素之一15。本研究通过测定不同浓度Cu2+处理下大豆幼苗丙二醛含量、酶活性和生物量的变化，探讨Cu2+对大豆幼苗生长和抗氧化酶

6、的影响，以期为深入说明植物耐Cu2+机理提供一定的理论依据。1材料与方法1.1试验材料与生长环境试验品种为齐黄35审定编号：国审豆No.2021005，于2021年1012月在国家农业智能装备工程技术研究中心小汤山国家精准农业示范基地116.44°E，40.18°N中進行盆栽培养。挑选颗粒饱满、大小均一的大豆种子，用1%NaClO溶液消毒15min，之后用去离子水冲洗3次，用吸水滤纸吸干水分，挑选完好无损的大豆种子种于盆中，盆中预先用水浇透，每盆种植10粒种子，种子上覆盖3cm厚的干土基质。花盆直径25cm，高20cm，每个花盆装入6kg的土基质土与育苗基质按比例混合。盆土

7、基质根底肥力为有机质含量为52.6%，全氮含量为1.47%，速效钾含量为143mg/kg，有效磷含量为13.1mg/kg，pH值为5.5。20d后挑选长势一致的幼苗，每盆留苗4株，共24盆96株。试验期间，温室内温度保持在1525，相对湿度RH为60%75%，日间光合有效辐射PAR为400800mol/m2·s。1.2Cu2+胁迫处理Cu2+胁迫参照GB156181995?土壤环境质量标准?中3个等级标准值设置16。采用分析纯CuSO4·5H2O制备浓度为0、20、200、400g/g的Cu2+处理液备用。试验中设置4个Cu2+梯度表1，每个梯度均设置6个平行试验，即4个处

8、理6个重复24盆盆栽大豆幼苗。以上处理分别在Cu2+胁迫后5、10、15d，摘取大豆幼苗顶部第35叶位完全成熟的叶片，立即带回实验室进行MDA含量和抗氧化酶SOD、POD活性测定。在Cu2+胁迫处理15d进行生物量的测定。1.3测定指标和数据分析1.3.1MDA含量和抗氧化酶活性测定MDA含量测定采用赵世杰等改进方法17。SOD活性测定采用NBT法nitrotetrazoliumbluechloride，氯化硝基四氮唑蓝法18，POD活性采用愈创木酚法19测定。指标测定时，每个处理6次重复，取平均值。1.3.2生物量测定处理15d后，不同处理下的大豆幼苗通过去离子水冲洗干净，并用吸水纸吸干附着

9、于样品上的水分，用剪刀将大豆样品分为地上和地下局部。用分析天平分别称取大豆样品地上局部和根系的鲜质量g/株，然后于105下杀青0.5h，再在80烘干至恒质量，分别称取大豆样品地上局部和根系的干质量g/株。1.4数据统计采用Origin软件制作图形，SPSS19.0软件进行单因素方差分析ANOVA，数据显著性差异运用Duncans新复极差法进行多重比较=0.05。2结果与分析2.1Cu2+胁迫对大豆幼苗MDA含量的影响MDA含量随时间的延长呈先升高后下降趋势。不同Cu2+胁迫处理下大豆幼苗叶片MDA含量差异显著，Cu2+胁迫能够显著增加大豆幼苗叶片MDA含量。由图1可知，处理5d，Cu2+胁迫浓

10、度在200g/g下，大豆幼苗MDA含量与CK相比增幅较小，差异不显著P>0.05;Cu2+胁迫浓度在400g/g下，大豆幼苗MDA含量显著升高，与CK相比增加了62.76%。处理10d，各Cu2+胁迫处理下大豆幼苗MDA含量与CK相比差异均到达显著水平P>0.05，20、200、400g/g下MDA含量与CK相比分别增加了20.6%、54.85%、62.76%，其中Cu2+胁迫浓度在400g/g下MDA含量到达最大值7.2mmol/g。处理15d，各Cu2+胁迫处理下大豆幼苗MDA含量与处理10d相比有所下降，但与CK相比，各处理均到达显著水平P>0.05，20、200、40

11、0g/g下MDA含量与CK相比分别增加了23.36%、56.53%、61.43%。MDA含量随Cu2+胁迫浓度的增加而显著增加，说明外施Cu2+能诱导大豆幼苗MDA含量的升高，MDA含量高说明细胞膜脂過氧化程度增加，植物细胞膜受到的伤害增大。2.2Cu2+胁迫对大豆幼苗抗氧化酶活性的影响2.2.1对大豆幼苗SOD活性的影响随着Cu2+胁迫浓度和时间的延长，Cu2+胁迫处理能够显著降低大豆叶片SOD活性图2-A。处理5d后，Cu2+胁迫浓度在400g/g下SOD活性与CK相比差异到达显著水平P>0.05，大豆幼苗SOD活性降低了19.07%，其他Cu2+胁迫浓度下SOD活性与CK相比差异不

12、显著。处理10d，Cu2+胁迫浓度在20g/g下SOD活性与CK相比差异不显著P>0.05;Cu2+胁迫浓度在200g/g和400g/g下SOD活性与CK相比差异到达显著水平，与CK相比SOD活性分别降低了20.05%和24.86%，其中Cu2+胁迫浓度400g/g下SOD活性最小，为116.96U/g。处理15d，各Cu2+胁迫浓度对大豆幼苗SOD活性的影响与处理10d类似，Cu2+胁迫浓度在20g/g下SOD活性与CK相比降低了1.90%，但差异未到达显著水平P>0.05;在200g/g和400g/g下SOD活性与CK相比分别降低了19.78%和19.55%。2.2.2对大豆幼

13、苗POD活性的影响随着Cu2+胁迫处理时间的延长，Cu2+胁迫处理能够显著增加大豆叶片POD活性图2-B。处理5d，各Cu2+胁迫下大豆幼苗POD活性与CK相比差异不显著P>0.05。处理10d，各Cu2+胁迫下大豆幼苗POD活性与CK相比差异均到达显著水平P>0.05，Cu2+胁迫浓度在20、200、400g/g下SOD活性与CK相比分别增加了25.61%、34.49%、42.4%。处理15d，各Cu2+胁迫浓度对大豆幼苗POD活性的影响与CK相比差异均到达显著水平P>0.05，分别增加了31.36%、33.94%和49.45%，其中Cu2+胁迫浓度在400g/g下POD活

14、性到达最大，为266.81U/g。2.3Cu2+胁迫对大豆幼苗生长和生物量的影响2.3.1对大豆幼苗生长的影响Cu2+处理对大豆幼苗造成的毒害病症较明显，主要表现在茎秆和叶脉会呈现黄褐色毒害病症图3。随着Cu2+处理时间的延长毒害病症从植物形态学下端向上端蔓延，对叶片的毒害是从叶片与叶柄连接处开始向整个叶的主脉和侧脉延伸扩展。Cu2+处理后10d，CK与20g/gCu2+胁迫浓度下大豆幼苗生长状况类似;200g/gCu2+胁迫浓度下大豆幼苗基部茎秆呈现黄褐色病斑，局部植株中部叶片由叶柄向主叶脉蔓延黄褐色病斑;400g/gCu2+胁迫浓度下严重影响大豆生长，与对照组相比，茎秆纤细、植株矮小，Cu

15、2+毒害蔓延至新生叶片，黄褐色病斑从主叶脉蔓延到侧脉，严重的会覆盖整个大豆叶片，大豆植株基部叶片严重畸形、萎蔫。2.3.2对大豆幼苗生物量的影响由表2可知，Cu2+胁迫处理显著抑制大豆幼苗的生长。Cu2+胁迫浓度在20g/g时，主要抑制大豆幼苗地上局部的生长，对幼苗地下鲜质量和总鲜质量的影响不显著P>0.05，与CK相比，对地上鲜质量、地上干质量、根干质量和总干质量影响显著，分别减少了21.49%、32.39%、33.33%、33.61%。而Cu2+胁迫浓度在200g/g时，对大豆幼苗地上局部和地下局部生长均有抑制作用，且差异到达显著水平，与CK相比地上鲜质量、地上干质量、地下鲜质量、地

16、下干质量、总鲜质量、总干质量分别减少了38.43%、54.93%、38.13%、70.83%、38.18%、62.18%。随着胁迫浓度的增加，Cu2+胁迫对大豆幼苗地上和地下局部生长的抑制效果越明显，Cu2+胁迫浓度在400g/g下，地上鲜质量、地上干质量、地下鲜质量、地下干质量、总鲜质量、总干质量最小，与CK相比分别减少了55.58%、64.79%、60.31%、85.42%、57.46%、74.79%。3討论与结论铜作为植物正常生命活动所必需的微量营养元素，广泛参与各种生命活动20。然而过量的铜含量将影响植物细胞代谢和离子平衡，对植物产生毒害作用，进而影响植物的正常生长10，21。正常情况

17、下，植物体内存在活性氧去除系统，使植物在生命活动中产生的活性氧处于产生和消除的动态平衡，从而使植物免受活性氧伤害。当植物处理胁迫逆境时，活性氧动态平衡被打破，产生大量活性氧，促使植物脂膜和细胞器膜的严重过氧化，MAD含量升高，进而导致光合色素含量下降，影响植物的光合作用，因此MDA含量一定程度上能反映植物体活性氧的含量22。短时5d低浓度的Cu2+胁迫20200g/g与同期对照组相比，MDA含量变化不显著，但随着时间的延长1015d，低浓度的Cu2+胁迫20200g/g将会引起MDA含量的显著变化;而短时5d高浓度的Cu2+胁迫400g/g与同期对照组相比，MDA含量差异到达显著水平。这可能是

18、因为短时低浓度Cu2+胁迫并未破坏植物体内活性氧动态平衡，但随着胁迫时间的延长，Cu2+离子胁迫打破植物体内活性氧动态平衡，导致活性氧大量产生，MAD含量升高;而高浓度的Cu2+胁迫迅速破坏植物体内活性氧动态平衡，引起MDA含量的显著升高。本研究中发现，随着Cu2+胁迫处理时间的延长，MDA含量逐渐升高图1，类似的研究结论也在玉米【5】、水稻【6】、小麦23、棉花24、竹子25和油菜14中发现，因而膜脂过氧化可能是Cu2+毒害植物的重要途径，而MDA是膜脂过氧化的产物，因此MDA是表征Cu2+毒害的重要指标。本研究结果说明，Cu2+胁迫能够显著增强POD的活性，这与一些学者在玉米26、穿心莲2

19、7的研究结果一致;低浓度的Cu2+胁迫对SOD活性的影响不显著，高浓度的Cu2+胁迫显著降低SOD活性，这与一些学者在水稻和空心连中关于Cu2+胁迫对SOD活性低促高抑的结论不一致6，28，这可能与植物生长环境、胁迫处理时间和研究作物品种有关。Cu2+胁迫处理下，2种抗氧化酶SOD和POD活性表现不一，原因是铜对抗氧化酶活性的影响可能同时表现为促进和抑制2个方面。一方面，过量Cu2+明显提高POD在转录水平的表达，诱导同工酶的表达，以及对酶蛋白结构进行加工与修饰，提高POD的总活性29;另一方面，Cu2+胁迫下产生的活性氧可以破坏SOD合成的DNA、RNA和蛋白质的结构，从而破坏SOD的表达系

20、统和结构，降低酶的活性30。关于20400g/gCu2+胁迫是否促进POD同工酶表达破坏合成SOD的相关DNA、RNA和蛋白质结构是进一步研究的方向。本研究以不同浓度0、20、200、400g/gCu2+对大豆幼苗进行胁迫处理，研究外源Cu2+对大豆幼苗的毒害机理，分别测定胁迫处理后5、10、15d大豆幼苗MDA含量、SOD活性、POD活性和根茎干鲜质量等指标，发现随着Cu2+胁迫浓度的增加及胁迫时间的延长，MDA含量升高、SOD活性下降、POD活性升高、根茎干鲜质量减少。说明Cu2+胁迫抑制大豆幼苗的正常生长，MDA是表征Cu2+毒害的重要指标，为大豆幼苗的Cu2+毒害机理提供依据。参考文献

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