Pb²⁺脅迫對玉米幼苗生理指標的影響

摘要：采用盆栽試驗研究了不同濃度的Pb2+溶液對玉米（Zea mays L.）幼苗生理指標的影響。結果表明，在Pb2+作用下，玉米幼苗生長受到一定的抑制作用，較高濃度的Pb2+顯示較高的毒性。表現為隨著Pb2+濃度的增加，玉米幼苗葉片脯氨酸、丙二醛（MDA）含量增加，超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）活性升高，可溶性蛋白質含量減少。

關鍵詞：玉米（Zea mays L.）幼苗；Pb2+脅迫；生理指標

中圖分類號：S513；Q945.78 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）18-4319-03

重金屬污染對環境和人體健康危害很大，因為重金屬在土壤中的滯留時間長，不易被微生物分解，還可以通過水稻、小麥、玉米（Zea mays L.）等農作物的可食用部位進入食物鏈，最終影響人體的健康[1]。目前，由于含有重金屬的工業廢水的不合理排放以及用污水灌溉農田等原因，致使某些土壤受到了重金屬污染。隨著工業進程的加快，重金屬污染已經成為全球性環境問題。重金屬對土壤的污染因其隱蔽性、不可逆性和長期性的特點對陸生生態系統構成潛在的巨大威脅[2]。鉛（Pb）是土壤中主要的重金屬污染元素之一，被植物吸收并積累到一定程度就會影響種子的萌發，使根系喪失正常功能，妨礙其對養料的吸收，阻滯農作物正常生長發育，降低產量和品質[3，4]。

本試驗以甜玉米為材料，研究了不同濃度Pb2+溶液對甜玉米葉片脯氨酸、丙二醛（MDA）和可溶性蛋白質含量以及超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）活性的影響，旨在了解植物重金屬的作用機理，最終為預防和控制重金屬污染提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料選用甜玉米品種粵甜9號，購于廣東省肇慶市端州區肇興種子經營部。

1.2 材料的培養處理

挑選飽滿一致的玉米種子，用0.1% HgCl2消毒10 min，蒸餾水沖洗干凈，然后將種子平均分為4份置于小燒杯中，用不同濃度的Pb2+溶液浸泡24 h。試驗共設4個Pb2+濃度處理，分別為0 （CK）、50、100、200 mg/L。將浸泡好的種子分別按濃度均勻地置于花盆中，每個花盆15顆，每個處理2盆，再鋪上一層薄薄的細土，并給花盆貼好標簽。將所有的花盆置于常溫條件下培養10 d后取樣測定。

1.3 測定方法

可溶性蛋白質含量采用考馬斯亮藍G-250比色法[5]測定；脯氨酸含量采用酸性茚三酮法[6]測定；MDA含量采用硫代巴比妥酸法[7]測定；SOD活性采用NBT光還原法[8]測定；POD活性采用愈創木酚法[9]測定。

2 結果與分析

2.1 Pb2+脅迫對玉米幼苗葉片中可溶性蛋白質含量的影響

蛋白質含量是研究植物營養、代謝作用以及生長發育等生命活動的重要指標[9]。從圖1中可以看出，加入Pb2+后，玉米幼苗葉片中可溶性蛋白質含量明顯下降，且隨著Pb2+濃度的增加，可溶性蛋白質含量逐漸減少。表明Pb2+可以抑制某些蛋白質的合成，降低玉米幼苗葉片中可溶性蛋白質含量，從而影響玉米幼苗的正常生長。

2.2 Pb2+脅迫對玉米幼苗葉片中脯氨酸含量的影響

植物在受到逆境時，能引起脯氨酸的應激性合成，從而調節植物細胞的滲透壓，以維持正常生命活動來抵抗逆境[10]。由圖2可以看出，隨著Pb2+濃度的增加，玉米幼苗葉片中脯氨酸含量上升，脯氨酸的含量與Pb2+濃度成正相關。

2.3 Pb2+脅迫對玉米幼苗葉片中MDA含量的影響

MDA是植物組織在逆境下遭受氧化脅迫發生膜脂過氧化的產物，反映細胞膜脂過氧化程度和植物對逆境條件反應的強弱。由圖3可知，玉米幼苗受Pb2+脅迫后，葉片中MDA含量比對照均有所升高，且隨著Pb2+濃度的增加呈上升趨勢，表明玉米受Pb毒害隨著Pb2+濃度的增加而加重。

2.4 Pb2+脅迫對玉米幼苗葉片中SOD活性的影響

SOD是植物體內清除和減少破壞性氧自由基的保護酶，其活性大小常被用作植株抗氧化能力強弱的指標。由圖4可知，隨著Pb2+濃度增加，玉米幼苗葉片中SOD活性呈上升趨勢。

2.5 Pb2+脅迫對玉米幼苗葉片中POD活性的影響

由圖5可知，玉米幼苗受Pb2+脅迫后，葉片中POD活性均比對照有所升高。在50～200 mg/L的Pb2+溶液處理下，Pb2+濃度與POD活性呈正相關。POD活性升高可增強其清除自由基的能力，抑制有害物質的產生，對玉米幼苗生長起一定的保護作用。

3 討論

3.1 Pb2+脅迫與可溶性蛋白質的關系

蛋白質是由氨基酸組成的具有一定結構的高分子化合物，是與生命活動聯系在一起的物質。它是機體的重要物質基礎，不僅是構成各類細胞原生質的主要物質，而且核蛋白質及其相應的核糖核酸（DNA/RNA）還是遺傳的主要物質基礎。Pb2+脅迫下，植物呼吸作用受到影響，根系生長受到抑制，減少了根系對礦質元素的吸收，降低了光合作用速率[11]，從而抑制了可溶性蛋白質的合成，降低了玉米幼苗適應脅迫的能力，對維持玉米幼苗正常生長有一定的抑制作用，并且隨著Pb2+濃度的增大抑制作用增強。

3.2 Pb2+脅迫與脯氨酸的關系

脯氨酸是植物重要的滲透調節物質，它的積累有著對逆境適應的意義[12]。因此其含量的變化可以作為植物對逆境脅迫的一種生理指標。在正常環境條件下，植物體內游離脯氨酸含量較低，經Pb2+脅迫后玉米幼苗葉片中游離脯氨酸含量增加，且明顯高于對照組，是玉米對重金屬脅迫的正常生理反應。脯氨酸含量的增加可以降低水勢，維持植物體內的水分平衡，保持植物的正常生長。遭受脅迫的植物細胞內大量積累脯氨酸是植物抵抗Pb2+脅迫的機制。

3.3 Pb2+脅迫與膜脂過氧化的關系

MDA是膜脂過氧化的主要產物之一，是有細胞毒性的物質，能夠引起細胞膜功能紊亂，且對許多功能分子有破壞作用，因此MDA含量增加是植物細胞損傷的直接原因，是葉片細胞膜系統受害的重要標志之一。逆境條件下，MDA含量可以反映植物受害程度[9]。本研究結果表明，在Pb2+脅迫下，玉米幼苗葉片MDA含量增加，可見脅迫加劇了氧自由基的產生和積累，促進了膜脂過氧化，使膜的透性增大，對膜傷害程度加劇，造成對玉米幼苗細胞膜的損傷，抑制玉米幼苗生長。膜脂過氧化又可能與蛋白質合成復合體，并發生反應產生使之失活的有毒物質，抑制蛋白質合成，導致膜被破壞，膜的信號轉導功能降低，從而使呼吸作用和光合作用減弱，進而抑制了玉米幼苗的正常生長。

3.4 Pb2+脅迫與抗氧化酶的關系

植物在不良的環境條件下，能導致氧自由基產生加快，使膜系統發生膜脂過氧化，而生物體內的SOD、POD等抗氧化酶協同構成保護酶系統，可以清除這些氧自由基，解除或減輕植物受傷害程度[13]。

SOD是膜脂過氧化防御系統的主要保護酶，它催化活性氧發生歧化反應，產生無毒分子氧和水，從而避免植物遭受傷害，較高的SOD活性是植物抵抗逆境脅迫的生理基礎。POD是酶保護系統中的重要組成部分，POD活性的變化趨勢與SOD活性一致。POD是植物體內分布較廣的一類含鐵氧化還原酶，具有重要的生理功能，如木質素的形成、伸展蛋白的聚合、植物生長素的代謝、病毒的抵抗和創傷的愈合等，在植物呼吸代謝中起重要作用，可有效地清除代謝過程中產生的活性氧對膜脂的過氧化及其他傷害過程[14]。重金屬能直接或間接地誘導活性氧產生，從而使植物體內產生氧化脅迫。POD活性的提高是一種急性解毒措施，使細胞免受毒害。本試驗結果表明，在0～200 mg/L的Pb2+脅迫下，隨著Pb2+濃度增大，玉米幼苗葉片中膜脂過氧化作用加劇，氧自由基生成量增加，植物體內產生應激反應，SOD和POD活性都有所上升，以緩解植物體受Pb2+的毒害。

4 結論

本研究結果表明，不同濃度的Pb2+溶液對玉米的生長脅迫程度不同。在Pb2+溶液濃度為50～200 mg/L時，玉米幼苗葉片中脯氨酸、MDA含量增加，SOD、POD活性升高，可溶性蛋白質含量減少，這是玉米生長對Pb2+脅迫適應性的體現。當Pb2+過量時會使玉米的生理特性發生變化，從而影響玉米幼苗的營養、代謝能力及生長發育等正常的生命活動，使玉米表現出Pb2+中毒現象。隨著Pb2+濃度的升高，玉米所受的毒害程度加重。

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