微波預處理對鎘脅迫引起小麥幼苗脂質過氧化傷害的防護作用

摘要：采用水培試驗在150 μmol/L Cd2+溶液脅迫下研究外源微波預處理對小麥幼苗生長和生理特性的影響。試驗結果表明：①鎘脅迫下，小麥幼苗生長受到抑制，葉片丙二醛（MDA）含量、過氧化氫（H2O2）含量及超氧自由基（·O—2）產生速率顯著增加（P<0.05），抗氧化酶活性、抗氧化物質含量及葉綠素含量顯著降低。②微波預處理5 s和10 s均能顯著提高鎘脅迫下小麥幼苗的生長；同時抑制鎘脅迫下小麥幼苗葉片MDA含量、H2O2含量及超氧自由基（·O—2）產生速率的上升，顯著提高（P<0.05）超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）及過氧化氫酶（CAT）活性，增加谷胱甘肽（GSH）、抗壞血酸（AsA）、葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素及葉綠素（a+b）含量。表明外源微波預處理可緩解鎘脅迫對小麥幼苗生長的抑制作用，緩解鎘脅迫引起的膜脂過氧化，保護細胞膜減少或免受損傷，提高植物抗鎘脅迫的能力。

關鍵詞：微波；鎘脅迫；小麥幼苗；脂質過氧化

中圖分類號：S512.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439—8114（2012）19—4217—05

鎘（Cadmium，Cd）是一種分布較廣、毒性較強的重金屬，它易溶、易遷移、難降解且易被植物吸收并通過食物鏈富集進入人體，危害人體健康[1]。土壤中過量的Cd遷移性很強，極易被植物吸收，對植物產生嚴重的生理毒害作用，引起植物生長的抑制甚至死亡[2，3]。Harminder等[4]研究表明Cd能抑制植物光合作用和蒸騰作用，干擾植物的代謝過程，加速植物的衰老，使植物生長發育受到抑制，甚至導致植物死亡。因此，研究植物Cd毒害的保護措施是植物抗逆研究的重要課題。

微波是一種頻率在300 MHz～300 GHz（波長為1 mm～1 m）之間的電磁波。有關微波在植物上的應用已有報道，適當劑量的微波輻射能提高菘藍和小麥種子的新陳代謝，促進種子的萌發和幼苗的生長發育[5—7]。Chen等[8，9]報道適量微波處理可增強小麥幼苗抗鹽和滲透脅迫的能力，但適當劑量的微波輻射對小麥鎘脅迫損傷的防護作用至今在國內外尚未見有報道。因此，本研究以小麥幼苗為材料，通過對植物生長、抗氧化物酶活性、抗氧化物質和光合色素含量等指標的測定，探討外源微波輻射在增強植物抵抗鎘脅迫方面的效應及其生理機制，為尋求提高植物耐鎘性措施提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

供試小麥（Triticum aestivum L.） 品種為鄭麥4號，由河南省農業科學院提供。

1.2 方法

選取子粒飽滿、大小均勻的小麥種子，用0.1% HgCl2消毒1 min后用去離子水沖洗30 min，自然干燥后分為兩個處理組，無微波和鎘脅迫處理的種子為對照組（CK），進行微波照射和鎘脅迫的種子為處理組。所用微波爐（廣州順德電子有限公司制造）輸出功率為700 W，波長為125 mm，輻射劑量為126 mW/cm2，輻照種子的時間分別為 0、5、10、15 s，然后置于25 ℃恒溫箱中浸種36 h，播種在鋪有2層濾紙的培養皿中催芽，80粒/皿，每組設5個重復，待出芽后，培養于（25±1）℃人工氣候室內，澆以Hoagland’s營養液，12 h/d光照，相對濕度為70%。待幼苗長至7 d（一葉一心）時，開始鎘脅迫處理，即營養液中Cd2+濃度為150 μmol/L。每隔1 d更換1次培養液，試驗設3次重復。在鎘脅迫處理8 d后取小麥幼苗和根測定各項指標。具體試驗設計如下：Hoagland’s營養液， CK；0 s微波預處理+ Hoagland’s營養液+150 μmol/L Cd2+；5 s微波預處理+ Hoagland’s營養液+150 μmol/L Cd2+；10 s微波預處理+ Hoagland’s營養液+150 μmol/L Cd2+；15 s微波預處理+ Hoagland’s營養液+150 μmol/L Cd2+。

1.3 生理生化指標測定

丙二醛（MDA）含量的測定按Predieri等[10]的方法。過氧化氫（CAT）含量的測定按Shi等[11]的方法。超氧自由基（·O—2）產生速率的測定按Elstner等[12]的方法。超氧化物歧化酶（SOD）活性根據Giannoplitis等[13]的方法測定。以每單位時間內抑制光化還原50%的氮藍四唑（NBT）為一個酶活性單位（U）。CAT酶活性測定參照文獻[14]的方法。過氧化物酶（POD）活性測定參照文獻[15]的方法。抗壞血酸（ASA）含量測定按Arakawa等[16]的方法。谷胱甘肽（GSH）含量測定按Ellman[17]的方法。葉綠素含量測定參照Arnon[18]的方法。類胡蘿卜素含量測定參照Lichtenthaler[19]的方法。根長和株高用直尺進行測量。

1.4 數據處理

采用SPSS 17軟件，Duncan's多重比較法進行數據統計分析。采用Origin 7.0軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 微波預處理對鎘脅迫小麥幼苗葉片MDA和H2O2含量及·O—2產生速率的影響

由圖1可知，鎘脅迫不進行微波處理可使小麥幼苗葉片的MDA和H2O2含量及·O—2產生速率顯著增加（P<0.05），與對照（CK）相比分別增加26.37%、25.80%、17.84%，表明鎘脅迫誘導活性氧產生積累，使細胞結構受到損傷。5 s和10 s微波預處理可顯著降低（P<0.05）鎘脅迫下小麥幼苗H2O2含量和·O—2產生速率，使MDA含量下降。而15 s微波預處理對鎘脅迫下小麥幼苗MDA含量、H2O2含量及·O—2產生速率沒有顯著作用。

2.2 微波預處理對鎘脅迫小麥葉片抗氧化酶活性的影響

SOD、CAT及POD等植物保護酶系統在逆境中對植物均起著重要的保護作用。由圖2可知，鎘脅迫不進行微波處理的小麥幼苗SOD酶活和CAT酶活與對照（CK）相比顯著下降（P<0.05）。而微波預處理5 s和10 s可使鎘脅迫小麥幼苗SOD酶活和CAT酶活顯著提高（P<0.05），同時微波預處理10 s可顯著提高（P<0.05）POD酶活。這就使得幼苗清除氧自由基能力加強，從而增強幼苗的適應能力。而15 s微波預處理對鎘脅迫下小麥幼苗SOD、POD及CAT酶活沒有顯著作用。

2.3 微波預處理對鎘脅迫小麥葉片抗氧化物質含量的影響

AsA和GSH是植物體內兩種重要的非酶類抗氧化物質，它們參與的AsA—GSH循環是植物體內重要的清除活性氧自由基系統。如圖3所示，鎘脅迫不進行微波處理可使小麥幼苗AsA和GSH含量顯著降低（P<0.05），與對照（CK）相比分別降低37.07%、28.03%。而5 s和10 s微波預處理可使鎘脅迫小麥幼苗AsA和GSH含量顯著增加（P<0.05）。15 s微波預處理對鎘脅迫下小麥幼苗AsA和GSH含量沒有顯著影響。

2.4 微波預處理對鎘脅迫小麥葉片光合色素含量的影響

光合色素是綠色植物進行光合作用必需的物質。鎘脅迫不進行微波處理可使小麥幼苗葉綠素a、葉綠素b、葉綠素（a+b）及類胡蘿卜素含量顯著降低（P< 0.05），與對照相比分別降低33.08%、32.03%、32.69%及32.30%。與鎘脅迫不進行微波處理相比，10 s微波預處理可使小麥幼苗葉綠素a、葉綠素b、葉綠素（a+b）及類胡蘿卜素含量顯著增加（P<0.05）。5 s和15 s微波預處理可使鎘脅迫下小麥幼苗的類胡蘿卜素和葉綠素（a+b）含量顯著增加，但對葉綠素a和葉綠素b含量沒有顯著影響（表1）。

2.5 微波預處理對鎘脅迫小麥幼苗生長的影響

由圖4可知，150 μmol/L Cd2+處理使小麥幼苗地上部和根的生長受到明顯抑制。與對照（CK）相比，鎘脅迫不進行微波預處理可使小麥幼苗的根長和株高顯著降低（P<0.05）。而5 s和10 s微波預處理可顯著提高鎘脅迫下幼苗根長和株高（P<0.05），從而提高根系吸收、運輸水分能力及植株的光合作用能力。15 s微波預處理對鎘脅迫下小麥幼苗的生長沒有顯著影響。

3 小結與討論

丙二醛（MDA）是膜脂過氧化的產物，其含量的高低反映了細胞膜脂過氧化的水平和植物對逆境條件反應的強弱[3]。本研究表明鎘脅迫不進行微波處理顯著增加（P<0.05）幼苗MDA和H2O2含量，說明鎘脅迫誘導小麥幼苗的氧化損傷。微波預處理種子5 s、10 s可顯著降低（P<0.05）幼苗MDA和H2O2含量。這與Chen等[8，9]的研究結果一致，即微波對小麥幼苗的干旱和滲透脅迫損傷具有防護作用，可降低幼苗MDA含量。即適當劑量的微波處理在防止植物細胞膜損傷上發揮了作用。

試驗結果表明，微波預處理種子5 s、10 s，幼苗葉片活性氧產生速率顯著下降（P<0.05）。較低的活性氧產生速率主要在于植物體具有一個高效的活性氧清除系統，植物體內清除自由基主要由SOD、POD及CAT等酶系統和抗氧化物質來完成[20]。試驗結果表明，微波預處理小麥種子5 s、10 s，幼苗葉片SOD、CAT活性和AsA、GSH含量顯著增加。表明適當劑量的微波處理可以提高鎘脅迫植物體內抗氧化酶活性和抗氧化物含量，增強植物體清除活性氧的能力。其可能原因是用微波處理時，種子內儲存的蛋白質、碳水化合物、核酸等生物大分子及水分子在微波（2 450 MHz）能量場作用下快速振蕩、互相碰撞、摩擦、擠壓，從而使動能（微波能）轉化為熱能；而適當熱能可以提高酶的活性，加速酶促反應進程[5]。其次，微波的非熱效應可以影響蛋白質、酶及生物大分子的結構，酶的半導體性和酶結構中金屬離子的順磁性，促使酶和底物接觸，加速酶促反應進程[21，22]。適量劑量的微波預處理可以提高植物對鎘脅迫的抵抗能力，反之會引起酶的鈍化，加重對植物的傷害。因此在實際生產中應選擇合適的微波劑量。

研究表明，植物在鎘脅迫下葉綠體結構受損，葉綠素生物合成受阻，導致葉綠素總量降低，植物光合作用受到抑制，從而引起植物生長勢減弱，生長量減少[23]。本研究表明，鎘脅迫不進行微波處理可使小麥幼苗葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素及葉綠素（a+b）含量顯著下降（P<0.05），這與徐勤松等[24]的研究結果相一致。微波預處理10 s可使小麥幼苗葉綠素a、葉綠素b、葉綠素（a+b）及類胡蘿卜素含量顯著增加，表明鎘脅迫下微波預處理有助于葉綠體結構穩定性的維持，對葉綠素具有保護效應。較高的光合色素含量為葉片同化更多的光合產物提供了生理基礎，有利于植株光合作用的進行和抗逆性的增強。

根系的吸收、運輸能力及植株的光合作用與植物的生長和產量密切相關。本試驗結果表明，微波預處理小麥種子5 s、10 s可顯著提高鎘脅迫小麥幼苗根長和株高，使小麥幼苗保持較高的吸收、運輸及光合作用等功能。

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