鎘脅迫下不同甘薯品種抗性分析

陳豐酆,廖樂琴,俞笛揚,朱恩國,陶亮奇,王朝福,凌騰芳,康樂*

(1.西華師范大學 環境科學與工程學院,四川 南充 637000;2.韓國生命工學研究院,韓國 大田 34141)

金屬鎘是一種受到社會各界廣泛關注的有毒重金屬元素,過量攝入鎘對人體和動植物體等都有著巨大的危害作用。人體研究表明鎘對細胞內抗氧化酶活性具有抑制作用,促使細胞的氧化脅迫加劇,最終對人體的健康造成傷害[1-2]。鎘進入人體的主要途徑是通過食物鏈,長期食用含鎘食物會使鎘大量積存于肝或腎臟,對其造成危害,尤其是對腎臟危害最為明顯,極少數嚴重的病人會出現骨骼病變,1931年日本出現的“骨痛病”就是由于過度攝入鎘而產生。近些年在自然原因以及人為因素的雙重影響下,部分地區耕作地內土壤中的鎘含量逐漸增加,從而導致土壤毒性增加[3-5],使得其中的栽種的作物減產甚至絕收[6]。鎘對植物的途徑主要通過根系與葉片進入植物體內,可以破壞植物細胞內的線粒體與葉綠體結構,從而影響植物的光合作用和呼吸作用[7-8]。同時與人體研究結果類似的是高濃度鎘也能抑制植物體內酶的合成,部分酶甚至會失活[8],與之同時植物細胞也會受到明顯的氧化傷害,最終導致植物生長和發育受到抑制[9-10]。

甘薯又名紅薯、番薯、地瓜,為旋花科植物,是中國四大糧食作物之一,在世界糧食地位中同樣占有重要地位[11]。它具有豐富的營養價值和防癌作用,其體內豐富的胡蘿卜素還能夠有效地清除自由基,,而自由基是誘發癌癥等疾病的原因之一[12-13]。Kumar等研究表明,在鉻處理條件下,甘薯會通過增加體內POD、CAT、SOD等抗氧化酶活性來減少該種重金屬對甘薯的傷害,在鎳處理時,體內抗氧化酶活性也會增加,在高濃度鎳的處理條件下,甘薯還可以通過減少氧化應激來減少鎳對其傷害[14-15]。Lai等發現紫甘薯在受到鈾(U)毒害時,減輕毒害的主要途徑是通過改善自身能量供應和增加初級代謝物的合成,當U對紅薯進行毒害時,會顯著誘導甘薯防御相關基因的表達,包括抗氧化物質或酶等含量的增加來抵御重金屬U的毒害[16]。

通常來說植物細胞內的活性氧是通過酶促系統(如SOD、CAT和POD等物質)和非酶促系統來進行清除的[17],它們相互協調,清除細胞體內多余的活性氧,從而減輕活性氧對植物的傷害[18-19]。但當植物長期處于重金屬脅迫下,其體內的活性氧會大量增加[20],超過了植物本身的活性氧清除限度,使得植物細胞正常功能受到嚴重影響,最終引起作物衰老甚至死亡。因此,在重金屬脅迫下,植物體內活性氧的清除能力可以影響到植物的抗重金屬的脅迫的能力[21-22]?；诖?本研究以10種不同的甘薯植株材料探討鎘處理對其生理生化指標的影響,比較其體內葉綠素、H2O2、各種抗氧化酶含量的差異,揭示甘薯在鎘脅迫下的調節機制,并進行甘薯品種的抗性分析。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

以南紫薯020、渝薯153、漯徐2號、冀薯4號、渝薯1號、南渝薯02、冀薯5號、淮薯3號、渝薯33、煙薯25為供試材料。將10種甘薯植株分別種入含鎘苗床及其對照苗床,最后取其葉片作為實驗材料。

1.2 實驗方法

選取10種不同品種的甘薯植株,對照組用含改良霍格蘭營養液的苗床進行水培培養,實驗組則采用含450 μmol/L鎘的改良霍格蘭營養液進行培養,通過觀察甘薯植株表現性狀,當甘薯植株對照組與實驗組出現明顯差異時(如圖1～2),將選取其植株第3片至第5片葉進行實驗指標測定。

圖1 CK處理

1.3 測量方法

葉綠素含量的測定方法選取乙醇提取-紫外分光光度法進行測定[23],H2O2、SOD、GSH、CAT、POD的測定使用來自中國蘇州格瑞思生物科技有限公司的市售檢測試劑盒,并使用紫外分光光度計測量吸光度,實驗均重復測定3次。

2 結果與分析

2.1 鎘處理對甘薯葉片內葉綠素含量的影響

葉綠素是植物光合系統中重要組分之一, 其在葉片中的含量能直接影響到植物葉片光合作用的效率,進而影響到植物生長和發育。 通常測定葉綠素含量可以獲得植物生長狀態,因而長勢良好的植物會含有更高含量的葉綠素。由圖3可知,對照組漯徐2號、冀薯5號、南渝薯02、煙薯25、南紫薯020五類甘薯葉片葉綠素含量分別是實驗組甘薯葉片葉綠素含量的2.06倍、2.21倍、2.09倍、2.83倍、2.5倍,差異達到極顯著水平(P<0.01),對照組渝薯33、渝薯153、淮薯3號、冀薯4號、渝薯1號五種甘薯葉片葉綠素含量分別是實驗組甘薯葉片葉綠素含量的1.49,1.29,1.46,1.86,1.79倍,差異達到顯著水平(0.01

圖2 Cd處理

表示鎘脅迫組與對照組相比差異顯著(0.01

2.2 鎘處理對甘薯葉片內過氧化氫(H2O2)含量的影響

H2O2是生物體內常見的活性氧之一,它能損傷和修飾生物大分子例如蛋白質分子和脫氧核糖核酸(DNA)。高濃度的過氧化氫能攻擊這些分子產生細胞毒害。而低濃度的過氧化氫細胞內信號分子,在生物和非生物脅迫應激中以及植物生長發育中起重要的調節作用。由圖4可見,南紫薯020、煙薯25、淮薯3號、漯徐2號、南渝薯02、漯徐2號、渝薯1號、渝薯33、冀薯4號、渝薯153甘薯葉片實驗組H2O2含量分別是對照組甘薯葉片H2O2含量的5.33,5.2,5.67,4.72,5.22,3.91,4,4.68,4.23,4.27倍,差異達到極顯著水平(P<0.01);鎘處理條件下,各品種H2O2從少到多依次為渝薯153、冀薯4號、渝薯33、渝薯1號、冀薯5號、南渝薯02、漯徐2號、淮薯3號、煙薯25、南紫薯020。結果表明隨著鎘脅迫程度加深,甘薯葉片中H2O2含量會不斷增加,使甘薯細胞受到毒害,從而抑制植株生長。

表示鎘脅迫組與對照組相比差異極顯著(P<0.01)。圖4 鎘處理對10種甘薯過氧化氫(H2O2)含量的影響

2.3 鎘處理對甘薯葉片內超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響

SOD是生物體內一種不可或缺的抗氧化酶,在生物體內普遍存在,主要負責清除·O2-發生歧化反應從而生成H2O2,它具有抗衰老和提高機體對疾病抵抗力等功能,還能幫助機體適應不同的外界環境,以減少植物體受到的氧化脅迫。由圖5可知,冀薯4號、淮薯3號、煙薯25、南渝薯02、渝薯1號、漯徐2號六種甘薯葉片實驗組SOD含量分別是對照組葉片SOD含量的2.29,2.79,2.66,2.02,2.42,2.16倍,差異達到極顯著水平(P<0.01),渝薯33、渝薯153、冀薯5號、南紫薯020四種甘薯葉片實驗組SOD含量分別是對照組葉片SOD含量的1.84,1.93,1.71,1.37倍,差異達到顯著水平(0.01

△表示鎘脅迫組與對照組相比差異顯著(0.01

2.4 鎘處理對甘薯葉片內還原型谷胱甘肽(GSH)含量的影響

GSH是細胞內主要的抗氧化巰基物質之一,具有清除代謝產生的多余活性氧自由基等功能,以減少活性氧對細胞造成的傷害,它還可以在抗氧化、蛋白質巰基保護和氨基酸跨膜運輸等發揮重要作用,因此,GSH可以作為細胞氧化還原狀態的主要動態指標之一,檢測其含量,細胞所處的氧化還原狀態能夠很好地被反映出來。由圖6所見,南渝薯02、渝薯33、淮薯3號、漯徐2號四種甘薯實驗組GSH含量分別是對照組甘薯GSH含量的2.1,2.93,2.18,2倍,差異達到極顯著水平(P<0.01),渝薯153、冀薯4號、渝薯1號、冀薯5號、南紫薯020、煙薯25六種甘薯實驗組GSH含量分別是對照組GSH含量的1.63,1.35,1.36,1.33,1.83,1.83倍,差異達到顯著水平(0.01

△表示鎘脅迫組與對照組相比差異顯著(0.01P

2.5 鎘處理對甘薯葉片內過氧化氫酶(CAT)活性的影響

CAT具有催化過氧化氫分解為分子氧和水的活性,能使細胞免受過氧化氫毒害的功能,普遍存在于動植物組織,其活性可以一定程度反映生物體的代謝強度及抗寒、抗病能力。由圖7可知,渝薯1號實驗組甘薯CAT含量是對照組CAT含量的2.02倍,差異達到極顯著水平(P<0.01),渝薯153、渝薯33、冀薯4號、南紫薯020、冀薯5號、淮薯3號、南渝薯02、煙薯25、漯徐2號九種甘薯實驗組CAT含量分別是對照組CAT含量的1.65,1.83,1.65,1.25,1.42,1.43,1.35,1.36,1.52倍,差異達到顯著水平(0.01

△表示鎘脅迫組與對照組相比差異顯著(0.01

2.6 鎘處理對甘薯葉片內過氧化物酶(POD)活性的影響

POD廣泛存在于生物中,是一種重要的氧化還原酶,其具有參與光呼吸作用、可催化過氧化氫生成水和氧氣來消除過氧化氫毒性作用的功能。由圖8可知,冀薯4號、渝薯33、南渝薯02、渝薯153、渝薯1號、煙薯25六種甘薯實驗組POD含量分別是對照組甘薯含量的2.73,2.26,2.34,2.2,2.87, 2.22倍,差異達到極顯著水平(P<0.01),冀薯5號、淮薯3號、南紫薯020、漯徐2號四種甘薯實驗組POD含量分別是對照組甘薯含量的1.64,1.77,1.77,1.53倍,差異達到顯著水平(0.01

△表示鎘脅迫組與對照組相比差異顯著(0.01

3 小結和討論

葉綠素作為葉片中光合系統的最重要的基本組成之一,其含量多少直接決定光合作用強度。植物在鎘處理的條件下將直接導致其葉綠素含量降低,使光合作用減弱。本研究中,在鎘脅迫下,渝薯33、渝薯153兩種甘薯葉綠素含量相對較高,因此其光合作用的效率相較其他八種甘薯更高,淮薯3號、冀薯4號、漯徐2號、渝薯1號四種甘薯葉綠素含量在10種甘薯中相對均衡,冀薯5號、南渝薯02、煙薯25、南紫薯020四種甘薯葉綠素含量最少,其光合作用也最弱;同時,10種甘薯葉片都表現出變黃、萎蔫的癥狀,相比于對照組,葉綠素含量都極大的降低,這與以往研究結果類似。黃等研究發現,當環境中的鎘達到一定含量時,會導致稻苗葉子停止生長,最終枯黃[24]。孫等研究發現隨著鎘處理的時間變長,黃瓜幼苗中葉綠素含量逐漸降低[25]。劉等發現隨著鎘處理濃度的增加,金銀花葉片逐漸失綠,其葉綠素的含量呈現逐漸下降的趨勢[26]。這種現象出現的原因可能是鎘影響了葉綠素合成所需要的酶,從而導致葉綠素含量下降,葉片發黃。鎘處理會導致植物葉片內葉綠素含量下降,影響植物體內的光合作用及其他生理活動,包括植物對光能的吸收受到影響、植物光合系統所需物質的合成過程也會遭到破壞等。

鎘脅迫條件下,植物體內將產生大量的活性氧,這些多余的活性氧將引起生物大分子受到損傷甚至細胞的死亡。本研究中,在鎘脅迫條件下,過氧化氫含量最低的是渝薯153、冀薯4號兩種甘薯,因此,其受鎘脅迫的毒害相對較低,其次是渝薯33、渝薯1號、漯徐2號、南渝薯02四種甘薯,含量最高的則是冀薯5號、淮薯3號、煙薯25、南紫薯020四種甘薯,這四種甘薯受鎘脅迫毒害最嚴重;同時,鎘處理條件下甘薯體內過氧化氫的含量會大量增加,這與以往研究類似。于等研究發現鎘處理條件下黃瓜胚軸與胚根中的過氧化氫含量顯著提高[27]。于研究發現隨著鎘處理濃度的增加和處理時間的延長,小白菜幼苗葉片中過氧化氫的含量呈現上升趨勢[28]。邱等研究得到在鎘脅迫下,小麥幼苗生長受到抑制,體內過氧化氫的產生速率顯著增加[29]。過氧化氫的增長在某種程度上說明了重金屬鎘對植物造成的傷害,鎘對甘薯植株的毒害隨著脅迫時間的延長更嚴重,最終導致甘薯細胞的穩定性和功能性遭到破壞。

植物具有抗氧化系統會幫助植物抵抗環境脅迫誘導的氧化損傷[30],其在植物對抗外部環境壓力時可以發揮重要作用[31]。本實驗研究了抗氧化系統在甘薯植株遭受環境脅迫時的保護機制,由圖5、圖6、圖7、圖8可知,在鎘脅迫下,SOD表現活性較高的是冀薯4號、淮薯3號、渝薯33三種甘薯,南渝薯02、渝薯1號等七種甘薯SOD活性較低;GSH表現活性較高的是渝薯153、冀薯4號等五種甘薯,冀薯5號、淮薯3號等五種甘薯GSH活性相對較低;CAT表現活性較高的是渝薯153、渝薯1號等五種甘薯,表現活性較低的則是冀薯5號、淮薯3號等五種甘薯;POD表現活性較高的五種甘薯是冀薯4號、渝薯33等,表現活性較低的是渝薯1號、淮薯3號等五種甘薯。鎘處理導致活性氧含量增加,從而引起SOD、POD等抗氧化酶活性增加,而抗氧化酶活性的增加對于甘薯抵抗鎘脅迫具有重要作用。這與以往研究結果類似。曹等研究發現,玉米隨著鎘濃度的增加其中的SOD等抗氧化酶的活性增加[32]。劉等發現,隨著鎘濃度的增加,龍葵中的SOD、POD等抗氧化酶的活性增大[33]。趙研究發現,鎘脅迫條件下,大豆體內SOD、POD、CAT的活性顯著增加[34]。本實驗中,鎘處理條件下,雖然各類甘薯品種體內的抗氧化酶的活性相比于其對照組都有所增加,但由于品種的不同,抗氧化酶活性的增加也不相同,其中抗氧化酶含量越多,說明其甘薯在鎘處理下的抗性也越強,這是由于抗氧化酶的活性直接決定植物在鎘脅迫中的耐性所致?？傊?在甘薯植株遭受鎘脅迫時,體內的抗氧化酶系統會發揮作用,通過抗氧化酶活性的增加,減少重金屬鎘對甘薯植株造成的傷害。

通過本實驗可以知道,在甘薯遭遇鎘脅迫,導致其體內活性氧含量上升,會引起甘薯激發自我保護機制,從而使得甘薯體內抗氧化酶活性增加,例如超氧化物歧化酶(SOD)、還原型谷胱甘肽(GSH)等,抗氧化酶活性的提升可以催化活性氧分解成氧氣、水等物質,降低甘薯細胞內的氧化脅迫,減輕甘薯細胞受到的毒害,增強甘薯細胞對鎘的耐受性,但隨著鎘毒害加深,超過甘薯所能承受的最大程度,植株葉片便會變黃,最終枯萎。同時,本實驗也表明,不同甘薯品種對鎘的耐受性不同,部分甘薯體內的抗氧化酶在面對鎘脅迫時相比于其他甘薯植株表現的活性更高,葉綠素含量更高,受過氧化氫毒害程度更低。因此,綜合葉綠素、過氧化氫毒害、四種抗氧化酶活性分析,渝153、冀薯4號、渝薯33三種甘薯在鎘脅迫中受過氧化氫毒害最低,在葉綠素含量、抗氧化酶活性的表現中都相對較好,其對重金屬鎘抗性潛力最大,淮薯3號、冀薯5號、南渝薯02、渝薯1號四種甘薯在鎘脅迫作用下表現次之,南紫薯020、漯徐2號、煙薯25三種甘薯綜合葉綠素含量、受過氧化氫毒害程度以及抗氧化酶的活性來觀察,這三種甘薯是對鎘毒害最為敏感的甘薯。