镉胁迫对玉米生理生化特性的影响_图文

1、农业环境科学学报2007,26(增刊:8-11J ournal of A gro-Environ m ent S cience镉胁迫对玉米生理生化特性的影响曹莹,李建东,赵天宏,郭伟(沈阳农业大学农学院,沈阳110161摘要:通过盆栽试验研究了不同浓度镉胁迫对玉米生理生化特性的影响。结果表明,随镉浓度升高,叶片的膜脂过氧化作用加剧,质膜透性升高。就整个生育时期而言,各处理叶片可溶性糖含量表现为拔节期含量高,开花期含量下降,蜡熟期含量又有所升高(C H除外。3种浓度镉胁迫的可溶性蛋白含量与对照比达到1%显著水平,低、中、高浓度的镉处理都使脯氨酸含量明显升高,S OD活性随处理浓度升高而上升,CA

2、T活性随处理浓度升高而下降,POD活性变化不规律。关键词:玉米;镉;生理生化特性中图分类号:Q945.78文献标识码:A文章编号:1672-2043(2007增刊-0008-04Effects of Cd Stress on Physiologica l and Bioche m ical Traits ofM aizeCAO Y ing,L I Jiang-dong,ZHAO T i an-hong,GUO W e i(Co llege of A grono m y,Shenyang A gr i cultura lU n i v ers it y,Shenyang110161,Ch i n

3、aAbstrac t:E ffects o f cad m iu m stress on physi o log ical and bioche m ical tra its of m aize w ere stud ied w ith a pot experi m ent i n t he present st udy.T he expe ri m ent res u lts showed that li p i d perox i dati on w as aggrav ated and m e m brane per m eab ility w as enhanced. In regar

4、d to who le g row period,so l uble s ugar content show ed a increasi ng trend du ri ng jo i nti ng stage,decreasi ng trend i n fl ow er-i ng stage and then an i ncreasi ng trend,too,in w ax stage under cad m i u m stress(excepti on of C H.So l ub l e prote i n content ex-h i bited a1%si gn ifi cant

5、level i n contrast w ith t he contro.l Pro li ne content al ways i ncreased under cad m i u m stresses at do sag es o f lo w,m oderate,hi gh concentrati ons.A cti v ities of superox i de dis mutase(S ODinc reased w ith the concentra ti on of cad m i u m en-hance m ent.H o w ever,cata lase(C ATacti v

6、 ity w as contrary and perox i dase(PODacti v ity w as exh i b ited irregulary.K eywords:zea may s;cad m iu m;physiolog i ca l and b i ochem ica l charac teristi cs镉是环境中的有毒物质,土壤环境受镉污染后,除影响作物的形态学特征,其体内生理、生化过程也受到影响,而有关这方面的研究一般多集中在作物苗期,全生育期的研究报道较少,本研究以玉米为供试作物,探讨在玉米生长发育过程中,镉对玉米生理、生化特性的影响,为明确镉污染的伤害机理和生物监

7、测提供理论依据。1材料与方法选用玉米杂交种富友1号(丹东市农科院培育为试材。重金属镉采用氯化镉(CdC l2#2.5H2O,投收稿日期:2006-09-01基金项目:沈阳农业大学青年基金作者简介:曹莹(1973,女,农学博士,讲师,主要从事逆境胁迫与农业生态系统管理的研究。E-m ai:l caoyi ng1111163.co m 放浓度(以纯镉计分别为:对照0mg#kg-1(C K、低浓度镉处理2m g#kg-1(CL、中浓度镉处理8m g #kg-1(C M、高浓度镉处理40m g#kg-1(C H。试验采用盆栽,盆钵直径33c m,高30c m,盆底无孔,铺沙砾使之形成一斜面,上覆尼龙网

8、,并插一中空塑料管,塑料管插入沙砾一端为斜面。盆土为农田草甸土,镉含量为0.18mg#kg-1,p H6.3,有机质含量16.5m g#kg-1,CEC为22.6c m ol#kg-1。底肥施用K2SO4,每盆用量为2g;磷酸二铵,每盆用量为5g。大喇叭口期追尿素每盆4g。播种前将底肥、重金属及盆土按规定用量混匀装盆,静置半个月后播种。试验采用实验区内大垄双行配置,株距33c m,双行行距33c m,大垄行距120c m。2006年5月17日定苗,9月6日收获。质膜透性采用DDS-11A型电导率仪测定。丙二醛(MDA 含量、可溶性糖含量、脯氨酸(Pro含量、过氧化氢酶(CAT活性、过氧化氢物酶

9、(POD活性测定采用张宪政1方法。超氧化物歧化酶(SOD 活性测定采用邹琦2方法。可溶性蛋白含量按文树基3方法测定。测定在3个生育时期进行,即拔节期(1、开花期(2和蜡熟期(3。2 结果与分析2.1镉胁迫对质膜透性与M DA 含量的影响由图1、图2可以看出,在镉胁迫下叶片细胞膜透性与MDA 含量变化呈现相同的变化趋势,即随镉浓度的提高和处理时间的延长,细胞膜透性依次增加,均高于对照。在不同的生育时期中,细胞膜透性大小分别为拔节期<开花期<蜡熟期(图1,且3个生育时期内各处理间差异达到5%显著水平。对玉米叶片MDA 含量与质膜透性进行相关分析表明,二者呈极显著的正相关(r =0.92

10、11*。由此可知,随镉浓度升高,膜脂过氧化加剧,最终导致膜损 伤。图1 镉胁迫对叶片细胞膜透性影响F i gure 1 E ffects of Cd stress on per m eab ility of ce ll m e mbrane图2 镉胁迫对叶片M DA 含量影响F i gure 2 E ffects of Cd stress on M DA con tent o fm a ize leaves作物体内可溶性糖含量代表其体内碳水化合物的合成、转化与输出代谢情况。由图3可知,拔节期3个镉处理与对照相比,其增减百分数分别为0.98%、77.45%与-31.37%,表现出一定浓度的镉胁迫

11、可以提高可溶性糖含量,但超过一定阈值时,则体现为抑制作用。开花期各处理的表现为随土壤镉浓度的升高而升高,3个镉处理玉米叶中可溶性糖含量均高于对照,分别较对照高3.74%、21.92%和48.13%,这表明可溶性糖的转化与运输速率小于合成速率,碳水化合物的转化、运输路径相对受阻。蜡熟期各处理的可溶性糖含量则呈现出与开花期相反的趋势,且3种镉处理间达到1%显著水平。这种变化趋势表明,随镉浓度升高,可溶性糖的合成速率小于转化、运输速率, 碳水化合物的合成路径相对受阻。图3 镉胁迫对可溶性糖含量的影响F i gure 3 E ffects of Cd stress on solub l e sugar

12、 content可溶性蛋白质多为未与膜系统特异结合的酶,其含量越高,该部位的生理生化反应与代谢活动就越旺盛。图4表明,镉胁迫处理在3个生育时期内都使可溶性蛋白含量高于对照,从整个生育时期来看,不同浓度的镉处理表现不同,低浓度镉处理的可溶性蛋白含量在整个生育期内的表现是/大起大落0,即开花期可溶性蛋白含量较拔节期提高50.00%,蜡熟期可溶性蛋白含量较开花期降低54.17%;而中、高浓度镉处理的可溶性蛋白含量在整个生育期内的表现则不同,即开花期可溶性蛋白含量较拔节期分别提高了19.35%和32.63%,蜡熟期可溶性蛋白含量较开花期分别降低了37.84%和15.34%,变化相对较为缓和。这种变化,

13、尤其是后期高浓度镉处理的可溶性蛋白含量变化相对较为缓和,导致了蜡熟期可溶性蛋白含量变化呈现了随镉处理浓度增加而升高的趋势。在所有生育时期内,3种浓度镉胁迫的可溶性蛋白含量与对照比均达到1%显著水平。2.4镉胁迫对Pro 含量的影响由图5可以看出,在3个生育时期内镉处理下的玉米叶片内游离Pro 含量均高于对照,且有随镉处理浓度升高而升高的趋势。其中拔节期CL 、C M 和C H9第26卷增刊农 业 环 境 科 学 学 报 图4 镉胁迫对可溶性蛋白含量影响F igure 4 Effects o f Cd stress on so l uble protei n conten t图5 镉胁迫对叶片脯

14、氨酸含量影响F igure 5 Effects o f Cd stress on pro li ne content处理的Pro 含量比对照分别增加25.41%、88.80%、和114.63%,达到1%显著水平;开花期CL 、C M 和C H 处理的Pro 含量比对照分别增加10.60%、23.00%、和33.02%;蜡熟期CL 、C M 和C H 处理的Pr o 含量比对照分别增加3.30%、38.47%和128.24%。2.5Cd 胁迫对SOD 、C AT 、POD 活性的影响3个生育时期内,3种镉处理的SOD 活性均随Cd 浓度升高而升高,除C H 处理始终高于对照外,其余处理均存在劣于

15、对照的表现(图6,这表明高浓度的镉处理能迅速启动自身的保护机制,提高SOD 的生物合成能力以最大限度的减小伤害。镉胁迫在拔节期和开花期,处理间均未达到1% 显著水平。图6 镉胁迫对SOD 活性影响F igure 6 Effects o f Cd stress on S OD activ it yCAT 是一种保护性酶,能够清除细胞内过多的H 2O 2以维持细胞内H 2O 2在一个正常水平,从而保护膜结构。从图7可以看出,在玉米的整个生育时期内,随镉处理浓度增加C AT 活性呈现有规律的下降趋势,且各处理的C AT 活性均低于对照,其下降幅度为:拔节期CL 、C M 、C H 比对照分别低24.

16、89%、42.86%和71.43%,处理间达到极显著水平;开花期CL 、C M 、C H 比对照分别低29.93%、38.93%和71.74%;蜡熟期CL 、C M 、C H 比对照分别低28.57%、37.98%和71.43%。从总体上看,CAT 活性随镉浓度升高而下降,说明随镉浓度升高, 抑制作用加强。图7 镉胁迫对C AT 活性的影响F i gure 7 E ffec ts o f Cd stress on CAT acti v ityP OD 是一种含Fe 的金属蛋白质,它能催化H 2O 2氧化酶类的反应,使植物免于受毒害,其作用如同氢的接受体一样,是植物体内重要的代谢酶,参与许多重要

17、的生理活动,如细胞分裂、生长发育等4。同时也是植物体内抗氧化酶系统的重要组成部分,它能催化有毒物质的分解,其活性的高低能反映植物受毒害的程度。从图8可以看出,CK 与CL 处理在整个生育时期内一直呈现下降趋势,而C M 与C H 处理在整个生育时期内则一直呈现上升趋势,但C H 处理比C M 处理上升趋势略快,这就导致了在蜡熟期镉处理随浓度增图8 镉胁迫对POD 活性的影响F i gure 8 E ffects of Cd stress on POD acti v ity10曹 莹等:镉胁迫对玉米生理生化特性的影响2007年3月加POD活性呈上升趋势,在开花期各处理间差异不显著。3结论与讨论不

18、良环境能引起植物体内自由基增加,导致细胞膜脂过氧化水平升高和细胞保护系统发生变化。本试验研究结果表明,在镉胁迫下,玉米叶片细胞膜透性呈现相同的变化趋势,即随着重金属浓度的增加和处理时间的延长,细胞膜透性越来越大,并且随时间的延长,膜透性达到的最高值也依次增加,使细胞内一些可溶性物质外渗,破坏了细胞内酶及代谢作用原有的区域性,这是玉米受害的原因之一。糖类作为呼吸基质为作物的各种合成过程和各种生命活动提供了所需的能量。由于碳水化合物具有这些重要的作用,既是营养中最基本的物质,也是需要最多的一类。在本试验研究中,就整个生育时期而言,镉处理的可溶性糖含量均表现为拔节期含量高,开花期含量下降,蜡熟期含量

19、又有所升高(C H除外。这可能是由于开花期玉米体内代谢旺盛,光合作用合成的可溶性糖转化为碳架的速率快,所以可溶性糖含量减少,而后期,接近成熟时,输出作用减弱,又导致可溶性糖含量升高。据研究,生长在镉污染环境中的许多生物具有一定的适应性,适应的主要途径是通过体内合成一类与镉特异结合的蛋白质或多肽,从而减轻镉害5。另外,可溶性蛋白质含量的提高,也会增加细胞渗透浓度和功能蛋白的数量,有助于维持细胞正常代谢6。植物在逆境下可溶性蛋白质含量的提高可调整蛋白质的结构和功能7,这可能是玉米植株受到镉害的一种生理反应,因此可溶性蛋白含量的增加对于镉逆境胁迫下的生物可能更有意义。低、中、高浓度的镉处理都使玉米叶

20、片中游离Pr o 含量明显升高,说明镉胁迫导致玉米叶片中游离Pr o 大量积累,Pro的累积可能是玉米对镉毒害的一种保护性适应。Pro是植物体内水溶性最大的氨基酸,具有较强的水合能力,是理想的渗透调节物质。而渗透调节被认为是植物适应逆境的主要生理调节机制, Pro的积累参与了渗透调节。生物细胞膜发生膜脂过氧化的一个主要机制是活性氧自由基诱发膜脂不饱和脂肪酸发生连锁的过氧化反应,使脂肪酸发生降解,产生脂质过氧化物8。在正常条件下,植物体内活性氧清除系统能有效地清除体内的活性氧自由基,从而使细胞免受伤害。但在逆境条件下,植物体内的活性氧自由基产生速度超过了植物清除活性氧的能力,便会引起伤害9。据研究,植物体内由SOD、POD、CAT构成的保护酶系统可清除有害的体内活性氧,从而保护膜系统10。本试验观察到3个生育时期内,镉胁迫下SOD 活性随低、中、高镉处理浓度升高而上升。CAT活性随处理浓度升高而下降。POD活性在拔节