铜胁迫对玉米幼苗生长_叶绿素荧光参数和抗氧化酶活性的影响

1、植物学通报2006, 23 (2): 129137Chinese Bulletin of Botany研究论文铜胁迫对玉米幼苗生长、叶绿素荧光参数和抗氧化酶活性的影响胡筑兵陈亚华王桂萍沈振国（南京农业大学生命科学学院南京）摘要本文研究了铜（）胁迫下玉米（）幼苗生长、叶绿素含量、叶绿素荧光参数和抗氧化酶活性的变化。研究结果表明，µ处理天明显抑制玉米幼苗根系生长，并减少玉米幼苗的干物重，以及增加玉米幼苗地上部和根系含量；玉米幼苗吸收的大部分积累在根系，在地上部分布较少。处理还降低玉米叶片的叶绿素含量和、和值。在天的处理期间，根系中、和活性呈现先上升后下降的趋势。而叶片中的、和活性在处理前

2、期不受胁迫的显著影响，处理后期则因胁迫而增强。实验表明抗氧化酶在抵御过量引起的氧化胁迫中发挥了一定的作用。关键词玉米，铜胁迫，叶绿素荧光，抗氧化酶Effects of Copper Stress on Growth, Chlorophyll FluorescenceParameters and Antioxidant Enzyme Activities ofZea mays Seedlings，（，），µm，收稿日期：；接受日期：基金项目：教育部科学技术研究重点项目（）通讯作者：铜（）是植物生长的必需微量元素，参与植物的光合作用等许多过程，在植物的正常生长发育过程中起着重要的作用，但

3、植物组织中过量的又会对植物产生毒害作用（，）。过量的能够降低植物叶片中叶绿素含量，破坏类囊体上的色素蛋白复合体的结构，影响植物的原初光化学反应和的光合电子传输（Pätsikkä et al., 1998; liwa-Kurdzieland Strzatka, 2002; Mysliwa-Kurdziel et al., 2002;Pätsikkä et al., 200）。是可变价金属离子，植物细胞中的可以通过和反应促使植物细胞累积羟自由基（.O）和过氧化氢（）（üzendüb，）。累积的活性氧可以引发脂质和蛋白质的过氧化作用，从而严

4、重干扰植物正常的生理代谢（，；，）。活性氧产生后，植物体内清除系统会启动以减轻或消除活性氧累积对植物的伤害，主要有酶促系统和非酶促系统两类。前者主要包括超氧化物歧化酶（，）、过氧化氢酶（，）、过氧化物酶（，）、抗坏血酸过氧化物酶（，）和谷胱甘肽还原酶（，），后者主要指抗坏血酸（，）、类胡萝卜素（，）以及一些含巯基的低分子化合物等（，；，）。重金属胁迫下，抗氧化系统清除活性氧能力的高低直接与植物对重金属的耐性强弱有关（江行玉和赵可夫，）。本文通过测定不同浓度处理下玉米幼苗生长、叶绿素荧光参数和抗氧化酶活性等的变化，探讨过量铜对玉米（）幼苗生长和光合作用的影响以及抗氧化酶在植物抵御铜胁迫中的作用，

5、以期为深入揭示植物耐的机理提供一定的理论依据。材料与方法实验材料与实验设计（）供试材料玉米（），品种为农大。种子经表面消毒分钟，用自来水冲洗干净，在下浸种小时，在光照培养箱中催芽。挑选露白一致的玉米种子播于石英砂中，幼苗长出后，将其转移到营养液中，置于温室中培养（温度，湿度，光通量密度µ），每天更换次营养液。待苗长至两叶一心后进行不同浓度处理，处理浓度设为：、和µ，以2的形式加入。处理后的第、和天取样，测定、和活性以及最大光化学效率（）、光化学猝灭系数（）、实际量子产额（）、电子传输速率（）的值。处理后的第天取样测定叶片叶绿素、叶片丙二醛（）含量、根系长度、根系含量以及根系

6、和地上部含量和干物量。每个处理设个重复。处理期间调节处理液为。测定方法叶绿素含量的测定取叶片，用剪刀剪碎，浸泡在丙酮：乙醇（：）溶液中小时，浸泡液为待测液。测定方法参照张宪政（）的方法。含量测定含量参照赵世杰等（）改进的方法进行测定。含量的测定烘干的植物样品用玛瑙研钵磨碎，用（：）混合液消煮（，），之后用火焰原子吸收分光光度计（）测定含量。叶绿素荧光参数的测定样品测定前，用湿纱布保湿，暗适应分钟。在室温下，用叶绿素荧光仪（，）程序标准参数（作用光通量密度µ）测定。、和的值由软件直接读出。酶液提取、酶活性及蛋白质含量的测定取叶片，加入预冷的胡筑兵等：铜胁迫对玉米幼苗生长、叶绿素荧光参数

7、和抗氧化酶活性的影响磷酸缓冲液（内含乙二胺四乙酸和聚丙烯吡咯烷酮）研磨至匀浆，冷冻离心（，分钟），上清液为酶提液。的提取需在提取液中加。、和活性参照和（）的方法测定。活性以抑制氮蓝四唑（）光氧化还原的酶量为个酶活性单位（），活性用表示。活性用表示；活性用表示；活性用表示。不同波长下的吸光度变化用岛津分光光度计连续测定。活性参照等（）的方法测定，用岛津分光光度计连续测定处的吸光度，活性用表示。蛋白质含量测定参照（）的方法。数据统计实验中数据均采用统计标准差；采用软件根据最小显著差数法（法）进行差异显著性（）分析。处理明显抑制玉米幼苗根系生长，减少玉米幼苗根系和地上部干物重（）（表）。处理也显著降

8、低叶片叶绿素含量（）。处理浓度越高，玉米幼苗干物重和叶绿素含量减少也越明显。玉米幼苗根系和地上部含量随处理浓度增加而显著增加，其中根系含量明显高于叶片的含量。积累在根系中的可占植株总量的。与对照相比，µ处理天对玉米幼苗根系和叶片中的含量没有显著影响（），而和µ处理显著增加玉米根系和叶片中的含量（）（表）。胁迫对叶绿素荧光参数的影响图显示了不同浓度处理下的玉米幼苗叶片、和的变化趋势。与对照相比，µ处理天显著降低玉米幼苗叶片的、和值。处理浓度越高，、和值的下降程度越大。而µ处理天则对叶片中的、和值没有显著影响。胁迫对根系抗氧化酶活性的影响不同浓度处理下，玉米

9、幼苗根系中、和活性的变化趋势见图。随着处理时间的延长，、和结果与分析胁迫对植株生长、叶绿素含量、含量和含量的影响与对照（µ）相比，µ表处理天对玉米幼苗根系长度、干物重、含量、叶绿素含量和含量的影响，nder excess Cu supply for 10 daysCu concentrations (µmolL)0.3251020Root Length (cmplant)16.4±0.3a14.7±0.1b13.5±0.3c11.1±0.1d-1Root dry weight (mg.plant)24.8±0.4a

10、21.3±1.2b21.0±1.1b20.5±0.9b-1Shoot dry weight (mg.plant)95.2±2.4a75.0±12.5b71.5±4.8b80.0±2.6b-1Root Cu content (µg.g DW)96.9±5.2d591.4±49.3c715.9±78.1b1012.3±24.4a-1Shoot Cu content (µg.g DW)16.2±0.3b21.9±2.0a20.5±1.6a24

11、.2±2.8a-1Chlorophyll content (mg.g FW)3.16±0.30a2.69±0.04b2.25±0.22c2.15±0.08c-1Root MDA content (nmol.gFW)1.37±0.19b1.51±0.18b1.94±0.40a1.93±0.29a-1Leave MDA content (nmol.gFW)3.15±0.21b3.36±0.15b3.75±0.15a3.77±0.26a注：表中数值为：平均值±标

12、准误差，不同字母表示差异显著（，）：± ；（）活性的变化趋势基本相同。在处理的前和活性均高于对照，这种酶活性均有随着处理浓度的增加而升高的趋势。但过量处理延长到天，根系活性明显降低并低于对照，而活性降低到对照植株的水平。过量处理植株根系活性则在处理的第天降低到对照水平以下。短时间的过量处理（和天），有提高玉米幼苗根系中活性的趋势，但延长处理时间则降低活性（图）。如µ处理天，活性比对照减少了。与对照相比，和µ处理对玉米幼苗根系活性没有显著影响，但µ处理显著提高根系中活性（图）。与对照相比，µ处理天对玉米幼苗叶片中、和活性没有显著影响（图）。处理时

13、间延长至天，叶片和活性提高并显著高于对照，而活性则在处理的第天才显著提高（图）。活性从处理时间的第天开始，随处理时间的延长而逐渐提高，并显著高于对照（图）。而叶片中活性变化与其他酶具有一定差异，在处理的第天，活性明显低于对照，但随着处理时间的延长，活性逐渐上升，并显著高于对照（图）。天，µ处理植株的根系、胁迫对叶片抗氧化酶活性的影响胡筑兵等：铜胁迫对玉米幼苗生长、叶绿素荧光参数和抗氧化酶活性的影响讨论本实验结果显示µ即对玉米幼苗产生毒害作用。与对照相比，胁迫下的玉米幼苗根系和地上部生长受到明显抑制，并且随着营养液中浓度的增加，生长的受抑制程度也越明显（表）。植物对重金属的耐

14、性可以分为排斥机制和耐性机制，在排斥机制中，植物通过减少根系吸收和向地上部运输来降低重金属含量（，）；而在耐性机制中，植物通过合成蛋白质、多肽、氨基酸和有机酸等化合物来螯合细胞内的游离金属离子（，；（），；，；，）。本实验结果显示玉米幼苗吸收的以上累积在根系，随着营养液中浓度的增加（µ），叶片含量的胡筑兵等：铜胁迫对玉米幼苗生长、叶绿素荧光参数和抗氧化酶活性的影响上升并不明显（表），显示玉米幼苗对过量铜的耐性机理主要是排斥机制，这与其他植物的耐机制相一致（，；，；，；，）。同时，本实验结果表明µ处理后，叶片中含量上升均不明显，但叶片中光合作用的指标和抗氧化酶活性变化显著（表

15、，图和图），我们推测处理后根系中高含量可能作为一种信号分子，激活叶片中的活性氧清除系统（，）。同时，过量能明显引起根系累积，是一个重要的信号分子，也是一种主要的活性氧（，）。根系中过量的可能被转移到叶片中，引起叶片中的氧化胁迫，脂质过氧化程度增加，光合作用能力下降（，）。过量能明显降低植株叶片色素含量，破坏内囊体膜结构，修饰加工色素分子和降低色素合成酶的活性等，从而降低植物光合作用效率（Pätsikkä et al., 1998; ysliwa-Kurdziel andStrzatka, 2002; Mysliwa-Kurdziel et al., 2002;Pä

16、tsikkä et al., 200）。叶绿素荧光技术被认为是快速检测植物光合机构无损伤的最灵敏的探针。用于度量原初光能转换效率，则表示通过的电子传输速率。是天线色素吸收的光能用于光化学电子传递的份额，较低的反映中开放的反应中心比例和参与固定的电子减少。是的实际光化学效率，反映吸收的光子供给反应中心的效率（焦德茂，）。我们的实验结果显示，过量明显降低、和值（表和图），表明玉米幼苗利用光能的效率明显下降，的电子传递严重受阻，这必然导致光合作用效率的降低。过量降低叶片的光合作用效率可能是抑制植物生长的原因之一。氧化胁迫是毒害的一种重要机制（，；，；Schüzendüb

17、el，；，）。在诱导活性氧产生方面，可以直接接受中电子形成，将氧化成，然后通过反应生成.O和（üzendüb，）。活性氧能够攻击质膜和细胞器膜中的不饱和脂肪酸，引起膜脂过氧化，膜透性增大（，）。本实验结果也显示过量处理下含量明显上升（表）。因此，膜脂过氧化可能是毒害植物的重要途径之一。目前有许多研究结果表明对抗氧化酶（，和等）活性的影响可能同时表现为促进和抑制两个方面。一方面，过量明显提高抗氧化酶在转录水平的表达，诱导同工酶的表达，以及对酶蛋白结构进行加工与修饰，提高酶的总活性（，；，）。另一方面，胁迫下产生的活性氧可以破坏、和蛋白质的结构，因而破坏抗氧化酶的表达系统和结构

18、，降低酶的活性（，；，；，；，）。在处理初期（天），一些抗氧化酶活性的升高可能与植物适应诱导活性氧增加有关，而延长处理时间降低一些抗氧化酶活性则可能是细胞中过量可能直接作用于酶蛋白或影响基因表达的结果。至于玉米幼苗叶片在处理初期（天），因运输到地上部的较少而对抗氧化酶活性没有产生显著影响。但随处理的延长和地上部积累量的增加，也一定程度上诱导增加抗氧化酶的活性（图）。结果表明抗氧化酶的增强可能是玉米幼苗对胁迫的早期响应之一，根系抗氧化酶对过量的响应明显早于叶片抗氧化酶的响应。此外，我们的研究结果显示在过量的胁迫下叶片中抗氧化酶活性与叶绿素荧光参数的变化趋势相一致（图和图），表明抗氧化酶在抵御过量

19、引起的氧化胁迫中发挥了一定的作用。参考文献江行玉，赵可夫（）植物重金属伤害及其抗性机理应用与环境生物学报，焦德茂（）运用光合机理揭示生理育种途径（北京：中国农业出版社），张宪政（）作物生理研究法（北京：农业出版社），赵世杰，许长成，邹琦，孟庆伟（）植物组织中丙二醛测定方法的改进植物生理学通讯，Baker, A.J.M. (1981). Accumulatiors and excluders.Strategies in the response of plants to heavy metals.J. Plant Nutr. 3, 643-654.Borgegard, S.O., and Ryd

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