銫對青稞幼苗SOD和CAT活性的影響

唐正義，胡 蓉

(內江師范學院生命科學學院，四川內江641199)

銫對青稞幼苗SOD和CAT活性的影響

唐正義，胡 蓉*

(內江師范學院生命科學學院，四川內江641199)

以青稞三葉期幼苗為材料，分別用質量濃度為10．0、20．0、40．0、80．0和120．0 mg/L Cs+(CsCl)處理1、3、6和10 d后，研究不同質量濃度Cs+脅迫下青稞幼苗超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)活性的變化．結果表明:青稞幼苗在低質量濃度Cs+的脅迫下，CAT和SOD活性隨脅迫時間的延長而不斷升高，達到峰值后，不斷降低，整個曲線呈拋物線形;在高質量濃度Cs+的脅迫下CAT和SOD活性呈線性下降，隨染毒時間越長，CAT和SOD活性越低，表現出明顯的抑制作用．所以，Cs+對青稞幼苗具有較強的生理毒性，青稞CAT和SOD對Cs+污染反應靈敏，可作為環境中Cs+污染的監測指標．

Cs+;青稞;超氧化物歧化酶;過氧化氫酶

137Cs主要來自核實驗或核事故所釋放的裂變產物．銫是一種常見的γ射線發射源的同位素，已經被用在農業、癌癥治療、食品消毒、污水污泥處理以及外科手術設備消毒中［1］．放射性銫的化學性質與鉀類似，作為鉀的營養類似物易被作物吸收，在植物的組織(如水果、蔬菜等)中聚集，從而進入生態系統，并通過食物鏈進入人體，危害人們的健康［2－3］．飄浮在大氣中的137Cs隨著雨水降落到地面、水體中，嚴重地污染水域和農業生態環境［4－5］．

國內外有關于銫污染植物的研究，主要是研究放射性銫污染土壤植物修復技術，如藜科、莧科、菊科植物［6－7］對銫污染土壤的修復機制和修復能力上．近年來研究發現銫在土壤的分布有增加趨勢，主要集中在耕作層［8－9］．青稞(Hordeum vulgare)是禾本科大麥屬作物，主要產自我國西藏、青海、四川、云南等高海拔地區，具有豐富的藥用以及營養價值，是藏族人民的主要糧食．青稞抗逆性差，在逆境脅迫下，生長緩慢，產量低［10］．在作物抗性研究中，過氧化氫酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)等酶活性的變化已經廣泛作為指示植物抵御逆境傷害的指標［11－13］．本實驗以青稞幼苗為實驗材料，研究青稞在不同Cs+質量濃度的脅迫下其體內CAT和SOD活性的影響，為研究銫對植物的毒害機理提供一定的理論依據．

1 材料與方法

1．1 主要儀器 電子天秤(精天，FA1004A)，紫外分光光度計(UNICo－uv－2100)，超低溫冰箱(Thermo－991)，人工氣候箱(中捷RQH－250)，冰凍離心機(eppendorf Centrifuge 5417R)等．

1．2 青稞的培養及處理 青稞購自江蘇宿遷種子公司，選用飽滿均勻的青稞種子，流水沖洗干凈后于室溫下催芽12 h，25℃培養箱中萌發24 h，精選露白種子植入消毒的石英砂中，置于晝/夜溫度(23 ±2)℃/(18±2)℃、光照強度2 000 lx的人工氣候培養箱中培養，每天光照13 h，用1/2的Hoagland營養液培養，每天更換一次營養液．三葉期時開始用CsCl處理，處理質量濃度分別為10．0、20．0、40．0、80．0和120．0 mg/L，以Hoagland營養液培養為對照組，在處理第1、3、6和10天時，取幼苗葉片進行各指標測定．實驗設1個平行組，重復3次．

1．3 測定方法 參照GB/T 5009．171－2003［14］的鄰苯三酚自養化法檢測青稞 SOD活性和GB/T 23195－2008［15］的紫外分光光度計檢測青稞CAT活性．

1．4 數據處理方法 試驗數據用SPSS 17．0計算各處理組的平均值和標準誤差，使用t測驗分析各質量濃度處理組與對照組的差異顯著性，從而判定不同質量濃度的 Cs+以及處理時間不同對青稞SOD和CAT的毒性效應．數據結果為3次試驗的平均值±標準誤差，用Origin 7．5軟件作圖．

2 結果與分析

2．1 Cs+對青稞幼苗SOD活性的影響 如圖1所示，在染毒之初，用不同質量濃度Cs+處理1 d后，幼苗SOD活性隨Cs+質量濃度增大而增加．Cs+質量濃度為10．0、20．0和40．0 mg/L處理組在處理1～3 d內，其SOD活性隨處理時間延長而迅速增加，第3天達到峰值;第3天后，SOD活性則呈下降趨勢，各處理組與對照組之間差異顯著(P＜0．05);而Cs+質量濃度為80．0和120．0 mg/L處理組，SOD活性在處理1 d后達到最大，隨處理時間延長 SOD活性迅速下降．120．0 mg/L處理組SOD活性下降速度比80．0 mg/L更快，在第10天時，明顯低于對照，除120．0 mg/L處理組外，各處理組在第6天以前高于對照，并且差異極顯著(P＜0．01)．在第10天時，各實驗組與對照無顯著差異(P＞0．05)，說明Cs+對青稞幼苗的SOD酶活性有較大的毒性效應．

2．2 Cs+對青稞幼苗CAT活性的影響 如圖2所示，在染毒1 d后，幼苗CAT活性隨Cs+質量濃度增大而增加．Cs+質量濃度為10．0、20．0和40．0 mg/L處理組在處理1～3 d內，其CAT活性隨處理時間延長而增加，第3天達到峰值，第3天后，CAT活性則呈下降趨勢，各處理組與對照組之間差異顯著(P＜0．05);Cs+質量濃度為80．0和120．0 mg/L處理組，CAT活性在處理1 d后達到最大，隨后迅速下降．80．0 mg/L處理組在第6天低于對照組，隨后CAT酶活性有所回升，而120．0 mg/L處理組則繼續下降，處理組與對照組之間差異不顯著(P＜0．10)．到第10天時，各實驗組的青稞幼苗CAT活性均高于對照組，說明Cs+對青稞幼苗的CAT酶活性有較大影響．

3 討論

1)在有毒物質的脅迫下，植物細胞將產生氧化作用很強的活性氧(ROS)來解毒．但過高的ROS水平對細胞內的核酸、蛋白質、脂質等生物大分子造成損壞，影響細胞的正常功能．隨著ROS含量增加，其體內保護酶系統啟動，如SOD和CAT等酶活性增加以清除過量的ROS，維持ROS代謝平衡．在清除植物細胞內的O－2·、OH·和H2O2等ROS的過程中，SOD和 CAT占據十分重要的地位［16－17］．SOD主要催化從而消除O－2·對細胞和DNA結構的損害．SOD在清除 O－2·的同時又生成 H2O2，造成 H2O2的積累［18］．CAT催化

從而使H2O2控制在較低的水平［18］．

2)在低質量濃度Cs+作用下，青稞幼苗SOD、CAT活性增加來消除由Cs+脅迫誘導產生的ROS對細胞的傷害;高質量濃度Cs+長時間作用，導致細胞內的ROS不斷積累，超過青稞幼苗自身清除ROS的能力，甚至自身調節系統被破壞，從而導致SOD、CAT活性下降，引發細胞代謝紊亂，最終使植物體的生長和發育受到影響［19］．

研究結果表明，在低質量濃度Cs+的脅迫下，青稞葉片內SOD和CAT活性高于對照組，曲線呈拋物線變化，拋物線頂點為中毒反應的臨界值．當青稞細胞內的Cs+超過臨界點，超過了青稞幼苗自身清除活性氧的能力，SOD和CAT酶活性受到抑制．在高質量濃度Cs+的脅迫下，染毒初期，SOD和CAT活性很高，隨后呈線性降低．染毒初期，大量的Cs+進入青稞細胞內誘導SOD和CAT活性迅速升高來清除Cs+的危害，隨染毒時間延長，細胞積累的Cs+質量濃度過大，以致嚴重中毒，導致SOD和CAT活性迅速下降．該結果與安冰等［20－21］對小麥、玉米的研究結果相似，在Cs+作用下，青稞幼苗抗氧化體系在一定程度上被破壞，說明Cs+對青稞幼苗的CAT、SOD酶活性有較大的毒性效應．

3)CAT、SOD活性對環境Cs+污染反應靈敏，中、低質量濃度Cs+污染在較短時間內CAT、SOD活性均出現峰值．CAT、SOD活性峰值是青稞幼苗對Cs+污染從適應到中毒反應的臨界值，說明青稞幼苗體內CAT、SOD活性變化對環境Cs+污染具有較早的預警指示作用．

4 結論

1)輕度Cs+長時間脅迫或重度Cs+短時間脅迫均會誘導青稞幼苗體內的CAT、SOD活性增加;重度Cs+長時間脅迫下，CAT、SOD活性受到抑制．

2)染毒初期各質量濃度組對CAT、SOD活性均有誘導作用，隨染毒時間的延長，中、低質量濃度的Cs+誘導作用逐漸減弱，高質量濃度的Cs+有抑制作用．因此，CAT和SOD可被用作指示活性氧產生的生物標記物．

3)青稞幼苗體內的CAT、SOD活性曲線隨染毒時間的延長呈“拋物線”形變化．CAT、SOD對環境Cs+污染反應靈敏，且酶活性均有峰值出現，其峰值是青稞幼苗中毒反應的臨界點．因此，可以通過檢測其SOD和CAT活性來監測環境中Cs+污染程度．

［1］Iso Ray Inc．Iso Ray’s Cesium－131 Medical Isotope Used In Milestone Procedure Treating Eye Cancers At Tufts－New England Medical Center［EB/OL］．2007－12－13［2010－02－15］．http://www．businesswire．com/news/home/20071213005308/en/ IsoRays－Cesium－131－Medical－Isotope－Milestone－Procedure－Treating#．VD3rAHmiTFA．

［2］裘同才．探索利用植物凈化(90)Sr、(137)Cs污染的土壤［J］．農業環境科學學報，1988，7(5):14－17．

［3］AVERY S．Fate of caesium in the environment:distribution between the abiotic and biotic components of aquatic and terrestrial ecosystems［J］．J Environmental Radioactivity，1996，30(2):139－171．

［4］Committee on Radiation Source Use and Replacement，Nuclear and Radiation Studies Board，Division on Earth and Life Studies，et al．Radiation Source Use and Replacement:Abbreviated Version［M］．Washington:National Academies Press，2008．

［5］VINICHUK M，TAYLOR A F，ROSEN K，et al．Accumulation of potassium，rubidium and caesium((133)Cs and(137)Cs)in various fractions of soil and fungi in a Swedish forest［J］．Scie Total Envrironment，2010，408(12):2543－2548．

［6］NEGRI M C，HINCHMAN R R．The Use of Plants for the Treatment of Radionuclides［M］．New York:John Wiley and Sons Inc，2000．

［7］唐世榮．土－水介質中低放核素污染物的生物修復［J］．應用生態學報，2002，13(2):243－246．

［8］王小雷，楊浩．137Cs在坡耕地中的分布特征及土壤侵蝕中的應用［J］．湖北農業科學，2014，53(19):4555－4559．

［9］張云奇，張信寶，龍翼，等．農耕地土壤137Cs與210Pbex深度分布過程對比研究［J］．核農學報，2012，26(4):692－698．

［10］祁貴明，雒維萍，李海鳳．格爾木青稞新品種引種試驗及氣候適宜性分析［J］．安徽農業科學，2015，43(23):53－56．

［11］楊漢波，胡蓉，王春艷，等．重金屬Pb2+、Cd2+脅迫對青稞幼苗抗氧化能力的影響［J］．麥類作物學報，2010，30(5):842－846．

［12］段輝國，張軒波，向利紅，等．三唑酮對蠶豆離體葉片中三種抗氧化酶活性的影響［J］．內江師范學院學報，2009，24(6): 26－28．

［13］謝玉華，鐘玉輝，唐正義．乙草胺對小麥過氧化氫酶活性的影響［J］．內江師范學院學報，2012，27(12):48－50．

［14］中華人民共和國衛生部，中國國家標準化管理委員會．GB/T 5009．171－2003保健食品中SOD活性的測定［S］．北京:中國標準出版社，2003．

［15］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會．GB/T 23195－2008蜂花粉中過氧化氫酶的測定方法紫外分光光度法［S］．北京:中國標準出版社，2009．

［16］李大輝．鉛污染對菱幼苗SOD、POD及葉細胞亞顯微結構的影響［J］．中國環境科學，2009，29(2):136－141．

［17］丁燕芬，程紅焱，宋松泉．蓮種子的極端高溫耐性與抗氧化酶活性的變化［J］．中國科學C輯:生命科學，2008，38(4):337－347．

［18］古志欽，張利權．互花米草對持續淹水脅迫的生理響應［J］．環境科學學報，2009，29(4):876－881．

［19］杜秀敏，殷文璇，趙彥修，等．植物中活性氧的產生及清除機制［J］．生物工程學報，2001，17(2):121－125．

［20］安冰，唐運來，陳梅，等．小麥抗氧化能力對Cs+富集響應的研究［J］．核農學報，2011，25(2):348－352．

［21］安冰，唐運來，陳梅，等．玉米對Cs+的富集能力及Cs+對其抗氧化指標影響的研究［J］．原子能科學技術，2011，45(10): 1275－1280．

Effects of Cs+on SOD and CAT Activities of Hordeum vulgare

TANG Zhengyi，HU Rong

(College of Life Science，Neijiang Normal College，Neijiang 641100，Sichuan)

The influence of Cs+on activities of superoxide dismutase(SOD)and catalase(CAT)in Hordeum vulgare seedlings was investigated．Hordeum vulgare seedlings were treated with 10．0，20．0，40．0 80．0 and 120．0 mg/L Cs+with various days．After 1，3，6 and 10 days treatments，respectively，activities of SOD and CAT were determined．The results showed that，activities of CAT and SOD increase at first with prolonged treatment under low concentrations of Cs+，then decrease after reaching a peak．Both activity curves exhibit parabolic shapes．On the other hand，high concentration of Cs+inhibits activities of CAT and SOD．Both activities linearly decrease along with treating time．Overall，Cs+reveals strong physiological toxicity to Hordeum vulgare seedling．Activities of CAT and SOD of Hordeum vulgare seedlings are sensitive to Cs+pollution．Therefore，Hordeum vulgare seedling can be utilized as an indicator of Cs+pollution in environment monitoring．

Cs+;Hordeum vulgare;superoxide dismutase;catalase

X171．5

A

1001－8395(2016)04－0593－04

10．3969/j．issn．1001－8395．2016．04．025

(編輯 李德華)

2015－01－18

四川省應用基礎研究項目(2014JY0130)和四川省教育廳自然科學重點培育項目(11ZZ006)

*通信作者簡介:胡 蓉(1958—)，女，教授，主要從事生態毒理學的研究，E－mail:tanghurui@126．com