玉米對Cs＋的富集能力及Cs＋對其抗氧化指標影響的研究

安 冰，唐運來，＊，陳 梅，王 丹，羅學剛

（1.西南科技大學 生命科學與工程學院，四川 綿陽 621000；2.西南科技大學 核廢物與環境安全國防重點學科實驗室，四川 綿陽 621000）

隨著核工業的發展、核技術的廣泛應用以及其他工業、農業、能源、軍事、交通、醫療衛生等行業的發展，人類生態環境中核素的本底不斷增加［1－3］。植物修復、放射性廢物處置與輻射生物學等研究受到了國內外前所未有的重視，發掘具有超積累能力的生物種質資源、揭示其富集機制、提高修復效率并將之應用于植物修復與污染防護，是該課題的研究熱點之一。

137Cs是放射性塵埃和核燃料廢物中重要核素之一，其半衰期為30.17a，也是生物學上最危險核素之一。核素銫在土壤中的遷移速度很慢，且作為鉀的營養類似物被作物吸收，從而進入生態系統食物鏈，對人類健康產生嚴重危害［4］。目前，國內外關于核素銫污染植物修復的研究尚處初級階段，主要是富集植物的篩選，對銫的（超）積累耐性機制（分子和生理機制）仍不很清楚，在研究中發現不同種、科、屬的植物對銫的積累不同，它們之間存在很大差異，而同種植物的不同器官對銫的積累也不盡相同，且土壤理化性質對植物富集銫也有一定影響。本實驗主要研究玉米對銫的富集情況及其抗氧化體系對不同濃度銫處理的影響差異，以期為銫污染的植物修復技術提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與處理方法

供試作物為川單25號，用Hoagland營養液進行室內盆栽水培，隔天換一次營養液，室內恒溫24°C，光周期為10h／d。三葉期開始用CsCl處理，處理濃度分別為0、0.5、1、5、10和20mmol／L，在處理7、14、21和28d后，分別采樣進行各指標的測定，每一指標的測定設置3個重復。

1.2 Cs＋含量及生理生化指標測定

取不同Cs＋濃度處理的玉米根、莖、葉烘干至恒重研細，分別取干粉0.1g待測。采用濕法（HNO3－HClO4）硝解，美國PE AA700型原子吸收光譜測定Cs＋含量，葉、莖、根中的Cs＋含量分別為WL、WS和WR。計算如下：富集系數BL、BS、BR＝WL、WS、WR（g／kg）／施入 Cs＋的量 （g／L）；轉運系數 TL、TS＝WL、WS（g／kg）／WR（g／kg）。

每處理選擇若干株，采取相同部位的葉帶回實驗室，丙二醛（MDA）含量參照 Hodges等［5］的方法測定；過氧化氫（H2O2）含量參照Brennan等［6］的方法測定；過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）活性采用Prochazkova等［7］的方法測定。

1.3 統計分析

用統計軟件SPSS 11.5對所有測定的指標進行方差分析，從而確定各處理間的差異，并用繪圖軟件Sigmaplot 10.0作圖。

2 結果與分析

2.1 不同濃度Cs＋處理對玉米幼苗富集Cs＋能力的影響

不同濃度Cs＋處理玉米幼苗Cs＋的富集與分布吸收情況示于圖1。從圖1a可看出，玉米幼苗對Cs＋具有一定的富集能力，玉米幼苗富集Cs＋的能力與Cs＋濃度和處理時間呈正相關，根為主要的富集器官，即根的Cs＋富集含量最高，莖次之，葉最低，28d處理時Cs＋富集含量最高，7d最少。當處理濃度為20mmol／L時，玉米Cs＋含量均達到最大，隨處理時間的延長，葉Cs＋含量分別為0.5mmol／L處理濃度的3.0、7.6、68.2和24.0倍；莖 Cs＋含量分別為0.5mmol／L處理濃度的3.1、40.8、66.7和18.0倍；根Cs＋含量分別為0.5mmol／L處理濃度的7.4、22.5、22.8和16.3倍。在所有處理濃度中，根Cs＋含量均遠大于莖和葉中的含量，其中最大處理濃度時，隨處理時間的延長，根Cs＋含量分別為葉的1.6、5.9、0.6和5.1倍，為莖的1.3、0.4、0.3和1.6倍。可見，Cs＋主要富集在玉米幼苗的根部，莖其次，葉最少。

隨處理時間的延長，玉米根、莖、葉的富集系數與脅迫時間呈正相關，均為BR＞BS＞BL，28d時達最大，說明隨時間的延長，富集能力不斷上升。Cs＋和K＋在化學性質上有相似性，在離子運輸過程中，二者存在競爭作用［8］，本實驗中，Hoagland營養液中 K＋濃度為5mmol／L。結果表明，處理7d和28d時，Cs＋濃度為0.5mmol／L玉米幼苗對Cs＋的富集系數最大；處理14d和21d時，Cs＋濃度為1.0mmol／L時富集系數最大。可能是因為K＋和Cs＋一定濃度比時，會促進Cs＋的吸收和富集，這與Soudek等［9］的研究結果一致。在所有處理濃度中，處理21d和28d時根、莖、葉富集系數明顯大于處理7d和14d時的富集系數，富集能力最強，這可能是因為Cs＋破壞了玉米的離子交換吸收系統，導致玉米對Cs＋的富集能力僅隨Cs＋濃度的增加而增加，而不受競爭抑制的影響。

圖1 不同濃度Cs＋處理玉米幼苗Cs＋的富集與分布吸收情況Fig.1 Absorbtion and distribution of Cs＋in maize seeding under different concentrations of Cs＋ treatment

與此同時，地下部分向地上部分的轉運系數逐漸增大，均表現為TS＞TL。如圖1c所示，在1mmol／L處理14、21和28d時，TS及TL幾乎都達到最高，隨后呈下降趨勢，但均維持在較高水平，且TS＞TL，說明根系吸收的Cs＋主要轉移并儲存在玉米莖中，隨著脅迫時間的延長，根系吸收Cs＋的總量增加，根系向地上部分轉運Cs＋的能力也不斷下降。玉米幼苗葉、莖在脅迫28d時TS和TL均達到最小，表明脅迫在14d和21d時，Cs＋從根系轉移到莖、葉的能力最強，在28d時植物體內運載Cs＋的載體逐漸飽和，轉運能力持平或下降。

除了籽粒莧、莧菜等少數植物能超量積累Cs＋外，葉菜、瓜果類蔬菜作物，大豆、玉米等糧食作物以及油菜等油料作物對Cs＋的富積能力均不強［9－10］。本實驗結果也表明，玉米根、莖、葉的富集系數均小于0.36，屬于低富集植物。玉米根、莖、葉中Cs＋含量與處理濃度和處理時間成正比，富集量為WR＞WS＞WL，這與Eapen和Fircks等［11－12］研究結果一致。目前，植物對銫的（超）積累耐性機制（分子和生理機制）仍不很清楚，尚需更深入的研究，生物學性狀優良的銫積累植物甚至超積累植物有待于進一步的篩選。

2.2 Cs＋脅迫對玉米幼苗葉CAT活性的影響

不同濃度Cs＋處理對玉米幼苗葉CAT、POD活性和MAD、H2O2含量的影響示于圖2。圖2a表明，在無Cs＋的情況下，玉米幼苗葉的CAT活性一直維持在一較低水平，隨后活性隨Cs＋濃度的升高而迅速增加，在1mmol／L處理濃度時，CAT活性達到最大，較對照分別提高了1.1、1.2、1.3和1.3倍，這表明CAT具有較強的抵御Cs＋誘導的氧化脅迫的作用；當Cs＋濃度繼續升高時，活性開始下降，在最大濃度20mmol／L時，CAT活性比最高時分別下降了32.2%、34.3%、34.8%和24.0%，說明 CAT受到抑制，抗氧化體系在一定程度上被破壞。

圖2 不同濃度Cs＋處理對玉米幼苗葉CAT、POD活性和MDA、H2O2含量的影響Fig.2 Effects of different Cs＋concentrations on CAT，POD activities and MAD，H2O2contents in leaves of maize seedlings

2.3 Cs＋脅迫對玉米幼苗葉POD活性的影響

由圖2b可見，玉米幼苗葉的POD活性隨Cs＋處理濃度的增大表現為先應激性上升后下降，且與脅迫時間呈正相關。濃度達1mmol／L時，玉米幼苗葉的POD活性達到最強，分別較對照提高了0.7、1.0、1.3和1.4倍，具有明顯的激活效應；隨后POD的活性呈下降趨勢，在處理濃度最大時，分別較最高時下降了28.9%、29.6%、33.5%和27.0%，即受到了抑制，表明POD清除過氧化物的能力有限。POD是一含鐵的金屬蛋白質，它能催化H2O2氧化酶類的反應，使植物免于毒害，其作用如同氫的接受體，是植物體內重要的代謝酶，參與許多重要的生理活動。同時也是植物體內抗氧化酶系統的重要組成部分，它能催化有毒物質的分解，其活性高低能反應植物受害的程度［13－14］，出現圖2b這種趨勢的原因可能是由于Cs＋進入玉米組織中，通過一系列生理生化反應產生了一些對植物體有毒害的過氧化物。隨處理濃度的增加，過氧化物在體內逐漸增加，由于POD具有催化這些自身有害過氧化物的氧化分解功能，因此會有隨著底物過氧化氫濃度的增加，POD的活性也在增加，增加到一定程度時不再增加，超出了POD清除有害過氧化物的能力。

CAT和POD在植物體內的活性氧清除系統中占有重要地位［15－19］，抗氧化酶和小分子抗氧化物能清除在細胞內生成的活性氧，構成對活性氧的防御體系，通過酶促作用被清除的活性氧僅限于超氧化物、過氧化物及部分自由基。許多研究證實，重金屬脅迫導致植物體內的活性氧的產生和清除失衡，造成植物體內自由基累積，導致對植物的損傷。在一定范圍內，CAT能把具潛在危害的O－2和H2O2轉化為無害的O2和H2O，且減少具毒性的、高活性的抗氧化酶，能有效清除H2O2，CAT和POD協調一致，將自由基控制在較低水平，使細胞免受傷害。本實驗中，在低濃度Cs＋處理下，玉米葉內Cs＋含量較低，其POD和CAT活性均高于對照，說明植物為了保護細胞免受氧化脅迫的傷害而提高2種保護酶的活性。但隨著Cs＋處理濃度的進一步提高，玉米葉內Cs＋含量不斷升高，POD和CAT活性依次下降，表現為抑制作用逐漸加強，該結果與劉莉［20］的報道相同。生物膜傷害的一個重要原因就是活性氧消除系統功能的下降［21］。

2.4 Cs＋脅迫對玉米幼苗葉H2O2和 MDA含量的影響

由圖2c和2d可看出，隨著Cs＋處理濃度的升高和處理時間的延長，葉內MDA和H2O2含量逐漸上升。Cs＋可誘導植物的自由基過氧化損傷，加劇植物體內膜脂過氧化作用，使膜上不飽和脂肪酸發生一系列活性氧反應。在一定脅迫強度內，細胞的各種保護機制使MDA含量維持在一定水平，但脅迫強度超過一定值后，細胞內代謝失調，自由基積累，膜脂過氧化作用加大，MDA含量升高。因此，在一定程度上，MDA含量的高低可表示細胞膜脂過氧化的程度和植物對逆境條件反應的強弱［22］。

逆境脅迫下植物細胞內活性氧自由基代謝失衡引起自由基的積累和膜脂過氧化使膜系統的結構和功能受到損傷是造成細胞傷害的重要原因［23］。隨著Cs＋濃度的增加和處理時間的延長，過多的H2O2不能被及時清除，它們可能質子化成毒性更強的·OH自由基，對膜脂產生不可逆的過氧化傷害，這與MDA含量隨Cs＋濃度增加而持續升高的結果相符。

本實驗中隨著玉米葉內Cs＋富集量的升高，MDA和H2O2含量呈逐漸上升趨勢，說明隨著Cs＋處理濃度的增加，導致氧化脅迫和膜脂過氧化程度加劇，同時伴隨CAT和POD活性的提高，對Cs＋誘導的氧化脅迫產生適應性保護反應。在其他重金屬脅迫對植物抗逆生理指標的影響研究方面也有類似報道［24－25］。

［1]LANGE C C，WACKETT L P，MINTON K W，et al.Engineering a recombinant Deinococcus radiodurans for organopollutant degradation in radioactive mixed waste environments［J］.Nature Biotechnology，1998，16（10）：929－933.

［2]林春梅.重金屬污染土壤生物修復技術研究現狀［J］.環境與健康雜志，2008，3（25）：273－275.LIN Chunmei.The research status of bio－remediation of heavy metals contaminated soils［J］.Journal of Environment and Health，2008，3（25）：273－275（in Chinese）.

［3]SHARMA R K，AGRAWAL M，MARSHALL F.Heavy metal contamination of soil and vegetables in suburban areas of Varanasi，India［J］.Ec－otoxicology and Environmental Safety，2007，66（2）：258－266.

［4]LASAT M M，WENDELL N，KOCHIAN L V.Potential for phytoremediation of137Cs from a contaminated soil［J］.Plant and Soil，1997，195（1）：99－106.

［5]HODGES D M，DELONG J M，FORNEY C F，et al.Improving the thiobarbituric acid－reactivesubstances assay for estimating lipid peroxidation in plant tissues containing anthocyanin and other interfering compounds［J］.Planta，1999，207（4）：604－611.

［6]BRENNAN T，FREKEL C.Involvement of hydrogen peroxide in the regulation of senescence in pear［J］.Plant Physiology，1977，59：411－416.

［7]PROCHAZKOVA D，SAIRAM R K，SRIVASTAVA G C，et al.Oxidative stress and antioxidant activity as the basis of senescence in maize leaves［J］.Plant Science，2001，161（4）：765－771.

［8]SANCHES N，ANJOS R M，MOSQUERA B.40K／137Cs discrimination ratios to the aboveground organs of tropical plants［J］.Journal of Environmental Radioactivity，2008，99（7）：1 127－1 135.

［9]SOUDEK P，VALENOVáS，VAVRˇíKOVáZ，et al.137Cs and90Sr uptake by sunflower cultivated under hydroponic conditions［J］.Journal of Environmental Radioactivity，2006，88（3）：236－250.

［10］鄭潔敏，李紅艷，牛天新，等.盆栽條件下三種植物對污染土壤中放射性銫的吸收試驗［J］.核農學報，2009，23（1）：123－127.ZHENG Jiemin，LI Hongyan，NIU Tianxin，et al.Uptake of radiocesium by three plants grown in134Cs contaminated soil under pot experiment condition［J］.Journal of Nuclear Agricultural Sciences，2009，23（1）：123－127（in Chinese）.

［11］EAPEN S，SINGH S，THORAT V，et al.Phytoremediation of radiostrontium （90Sr）and radiocesium （137Cs）using giant milky weed（Calotropis gigantea R.Br.）plants［J］.Chemosphere，2006，65（11）：2 071－2 073.

［12］FIRCKS Y，ROS N K，SENNERBY F L.Uptake and distribution of137Cs and90Sr in Salix viminalis plants［J］.Journal of Environmental Radioactivity，2002，63（1）：1－14.

［13］孫光聞，朱祝軍，方學智.鎘對白菜活性氧代謝及H2O2清除系統的影響［J］.中國農業科學，2004，37（12）：2 012－2 015.SUN Guangwen，ZHU Zhujun，FANG Xuezhi.Effects of different cadmium levels on active oxygen metabolism and H2O2－scavenging system in brassica campestris L.ssp.Chinensis［J］.Scientia Agricultura Sinica，2004，37（12）：2 012－2 015（in Chinese）.

［14］BARCEL J，POSCHENRIEDER C.Plant waterrelation as affected by heavy metal stress：A review［J］.Journal of Plant Nutrition，1990，13（1）：1－37.

［15］BOWLER C，Van MONTAGU M，INZ D.Superoxide dismutase and stress tolerance［J］.Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology，1992，43：83－116.

［16］黃玉山，羅廣華，關棨文.鎘誘導植物的自由基過氧化損傷［J］.植物學報，1997，39（6）：522－526.HUANG Yushan，LUO Guanghua，GUAN Qiwen.Peroxidation damage of oxygen free radicals induced by cadmium to plant［J］.Acta Botanica Sinica，1997，39（6）：522－526（in Chinese）.

［17］VANDENHOVEA H，CUYPERSB A，HEESA M V，et al.Oxidative stress reactions induced in beans （Phaseolus vulgaris）following exposure to uranium［J］.Plant Physiology and Biochemistry，2006，44（11－12）：795－805.

［18］JIN X F，YANG X E，EJAZUL I，et al.Effects of cadmium on ultrastructure and antioxidative defense system in hyperaccumulator and non－hyperaccumulator ecotypes of Sedum alfredii Hance［J］.Journal of Hazardous Materials，2008，156（1－3）：387－397.

［19］MARC D，ERIC B，SYLVIE C，et al.Antioxidant enzyme activities as affected by trivalent and hexavalent chromium species in Fontinalis antipyretica Hedw［J］.Chemosphere，2008，73（3）：281－290.

［20］劉莉.鎘對不同作物幼苗生長和生理特性的影響［D］.杭州：浙江大學，2005.

［21］MACFARLANE G R，BURCHETT M D.Photosynthetic pigments and peroxidase activity as indicators of heavy metal stress in the grey mangrove，avicennia marina（Forsk），marine pollution ［J］.Marine Pollution Bulletin，2001，42（3）：233－240.

［22］曹瑩，黃瑞冬，曹志強.鉛脅迫對玉米生理生化特性的影響［J］.玉米科學，2005，13（3）：61－64.CAO Ying，HUANG Ruidong，CAO Zhiqiang.Effects of Pb stress on the physiological and biochemical traits of maize［J］.Journal of Maize Sciences，2005，13（3）：61－64（in Chinese）.

［23］WU F B，ZHANG G P，DOMINY P.Four barley genotypes respond differently to cadmium：Lipid peroxidation and activities of antioxidant capacity［J］.Environmental and Experimental Botany，2003，50（1）：67－78.

［24］LI M，XIE X T.Effects of strontium－induced stress on marine microalgae Platymonas subcordiformis［J］.Chinese Journal of Oceanology and Limnology，2006，24（2）：154－160.

［25］徐愛春.柳樹無性系鎘積累和生理變化規律研究［D］.北京：中國林業科學研究院，2007.