鎘對谷子幼苗的毒性作用

習夏平，儀慧蘭

（山西大學生命科學學院，山西 太原 030006）

由于工業“三廢”的不合理排放，以及農業生產過程中污水灌溉、肥料過量施用，導致大面積的土壤鎘（Cd）污染[1]。據農業部調查數據顯示，我國約有1.3 萬hm2耕地受到Cd 污染，涉及11 個省市的25 個地區[2]。土壤中的Cd 可經植物根部吸收，在植物體內轉運和積累，影響植物生長發育，導致植株矮化、生育期延遲、葉片褪綠萎黃，嚴重時導致死亡[3-4]。存留在食材中的Cd 還會危害人體健康。

研究發現，小麥、水稻、大豆等作物在Cd 脅迫時氧化還原代謝失衡，植物細胞中積累過量的活性氧（ROS），引起組織的氧化應激，影響植株生長發育[5-7]。現有研究認為，Cd 對植物的危害主要源于脅迫引發的ROS 水平升高。高水平ROS 可使生物大分子結構損傷，功能異常，繼發細胞生理紊亂。Cd暴露能使樹木幼苗、作物等植物體細胞膜系統受損，葉綠體結構損傷，光合作用抑制[8-9]，還會影響遺傳穩定性[10]。

谷子（Setaria italica L.）生長在廣袤的丘陵地帶，耐旱耐貧瘠、適應性強，作為一種重要的雜糧作物，是我國北方居民的主要糧食之一。山西省谷子種植面積僅次于小麥、玉米，位于雜糧作物之首。

本試驗選用谷子幼苗為研究對象，檢測了Cd脅迫下谷子幼苗生長狀況及氧化/抗氧化指標，以探究谷子幼苗響應Cd 毒性的生理生化反應機制。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試谷子品種為長農44 號，由山西省農業科學院谷子研究所惠贈。

1.2 試驗設計

試驗在太原市山西大學生命科學學院實驗室進行。2018年10月挑選谷粒飽滿、大小均一的種子，蒸餾水浸種3 h，濕紗布包裹催芽后將露白的谷種均勻擺放在紗布上，水培法培養谷子幼苗，光周期 16/8 h（光照 /黑暗），溫度（25±2）℃，相對濕度40%～60%。7 d 后換用1/4 Hoagland 營養液。

根據前期試驗結果，選 50，200 μmol/L Cd 溶液處理10日齡谷子幼苗，對照組使用自來水，每天換1 次處理液。8 d 后測定幼苗根長和地上部分鮮質量，并取地上部分檢測生理生化指標。

1.3 測定項目及方法

隨機選取每組20 株谷子幼苗，測量其根長，每組30 株幼苗，稱量地上部分鮮質量。每個處理設3 個重復。

取幼苗地上部分，采用羥氨氧化法測定O2-·產生速率；硫代巴比妥酸比色法測定MDA 含量；氮藍四唑光化學還原法測定SOD 活性；愈創木酚比色法測定POD 活性；紫外吸收法測定CAT 活性；CDNB 比色法測定GST 活性；茚三酮顯色法測定Cys 含量；分光光度法測定GSH 含量；DTNB 直接測定法測定GPX 活性；H2O2含量用南京建成生物科技有限公司試劑盒測定。

1.4 數據分析

采用SPSS 17.0 軟件中的Duncan 法分析各處理組間的差異顯著性，使用Microsoft Excel 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 Cd對谷子幼苗生長的抑制效應

Cd 處理谷子幼苗 8 d 后，50，200 μmol/L Cd 處理組幼苗根長和地上部分鮮質量均顯著低于對照組，Cd 處理組谷子幼苗生長緩慢，植株矮小，植株葉緣發黃，葉尖干枯（圖1）。Cd 對谷子幼苗生長發育的抑制作用隨Cd 濃度增高而增強。

2.2 Cd對谷子幼苗的氧化脅迫

MDA 是膜脂過氧化的產物，通過MDA 含量檢測能間接反映植物受Cd 傷害的程度。從圖2可以看出，Cd 處理谷子幼苗 8 d 后，50 μmol/L Cd 處理組地上部分O2-·產生速率與對照組間無顯著差異，200 μmol/L Cd 處理組O2-·產生速率顯著高于對照組；50，200 μmol/L Cd 處理組地上部分中 H2O2和MDA 含量均顯著高于對照組。結果說明，一定濃度的Cd 脅迫能誘發谷子幼苗體內ROS 水平升高，導致膜脂過氧化損傷。

2.3 Cd對谷子幼苗抗氧化系統的影響

從圖3可以看出，Cd 處理谷子幼苗 8 d 后，50，200 μmol/L Cd 處理組地上部分POD 活性均顯著高于對照組，CAT 活性略高于對照，Cys，GSH 含量顯著高于對照組，但是SOD，GST 和GPX 活性與對照組間無顯著差異。結果表明，谷子幼苗中的POD 對Cd 較敏感，Cd 脅迫組谷子幼苗通過增強植物體內抗氧化酶活性和增加抗氧化物質GSH 和Cys 含量來提高對Cd 毒性的適應性。

3 討論

現有研究表明，Cd 對植物的傷害主要與其引發的氧化脅迫和氧化損傷有關[5-7，11-13]。Cd 脅迫導致植物體內ROS 水平升高，引發一系列對生物大分子和細胞功能、結構的損傷，導致植株生理異常。本研究表明，谷子幼苗在Cd 脅迫時，體內ROS 水平升高并誘發膜脂過氧化損傷，符合現有研究關于鎘毒性與氧化脅迫和氧化損傷關聯的描述，說明本試驗采用的Cd 處理對谷子幼苗產生了傷害。

為了控制體內ROS 水平，植物體具有復雜的抗氧化系統來清除過量的ROS 自由基?？寡趸到y主要包括抗氧化酶系統和非酶抗氧化系統，抗氧化酶系統主要有 SOD，POD，CAT，GST 和 GPX 等，非酶抗氧化系統包括Cys，GSH，抗壞血酸，維生素E等。SOD 是植物體內清除ROS 的第一個酶，負責將O2-·歧化為H2O2。生成的H2O2可以通過GSH-AsA循環清除，也可由 POD，CAT 等降解。HAN 等[13-14]研究發現，250，500 μmol/L Cd 溶液處理 10日齡谷子幼苗3 d 時，隨著Cd 濃度增加，谷子幼苗地上部分SOD 活性呈遞增的趨勢，250 μmol/L Cd 溶液處理后，谷子幼苗地上部分POD 活性顯著增加，隨著Cd濃度增加至500 μmol/L 時，幼苗地上部分POD 活性略有降低，250 μmol/L Cd 溶液處理后，谷子幼苗地上部分CAT 活性顯著升高，而500 μmol/L Cd 溶液處理后，幼苗地上部分CAT 活性略有降低。本研究采用 50，200 μmol/L Cd 處理 3 d 時，沒有檢出SOD，POD 和CAT 活性的改變，延長處理時間至8 d時，POD 活性顯著升高，但SOD 和CAT 活性無明顯改變，說明谷子抗氧化酶對Cd 的響應會因為Cd 處理濃度和時間的不同而有所不同，高濃度或長時間Cd 處理能形成較高水平的ROS，促使抗氧化酶活性提高以代謝活性氧分子，但是持續過高的ROS 水平能損傷蛋白分子，導致酶活性下降。

Cys 是植物硫同化途徑的最終產物，植物以Cys 為前體合成GSH，GSH 是生物體內重要的抗氧化劑，可以通過抗壞血酸-谷胱甘肽循環清除Cd誘導的ROS，還可作為底物合成植物螯合素（PC），在植物細胞中PC 能夠結合Cd2+，從而降低Cd 對植物細胞的毒害作用。GST 是由一個大的多基因家族編碼的多功能蛋白酶，屬Ⅱ相解毒酶，除了具有典型的谷胱甘肽轉移酶活性外，還具有谷胱甘肽過氧化物酶的活性[15]。GPX 以還原型GSH 為底物，催化H2O2及其有機氫過氧化物的分解，提高機體清除ROS 能力[16]。在重金屬脅迫時，GST 和 GPX 具有清除體內ROS 自由基和解毒的雙重功能，可以保護細胞免受ROS 的損害。本研究中Cd 脅迫可以誘導谷子幼苗GSH 和Cys 含量顯著增加，與前人在玉米中得到結果[17]一致，表明抗氧化物質Cys 和GSH在谷子對Cd 的適應性生理中發揮了重要作用。王亞麗[14]研究發現，250，500 μmol/L Cd 處理 3 d 后谷子幼苗地上部分GST 和GPX 活性無明顯改變，與本研究結果一致，表明谷子幼苗GST 和GPX 對50～500 μmol/L Cd 處理不敏感。

4 結論

谷子幼苗在50，200 μmol/L Cd 溶液中處理8 d后，植株生長發育受到抑制，地上組織中ROS 水平升高，膜脂過氧化產物MDA 含量增加，毒性效應呈現對Cd 劑量的依賴。Cd 脅迫使谷子抗氧化系統激活，抗氧化酶POD 活性和抗氧化分子Cys，GSH 水平提高，參與植株對Cd 的適應。