鎘脅迫對水稻抗氧化酶和營養品質的影響

肖莎莎, 曹 霞, 賀成峰, 申曉慧, 姜 成

(宜春學院 生命科學與資源環境學院,江西 宜春 336000)

鎘是一種對人類身體危害巨大的重金屬元素,具有強致癌性。鎘進入到環境中后只有少部分釋放到大氣和水中,而絕大部分的鎘以耦合物的形式留在土壤中,進而使得作物中的鎘含量增加,對作物造成毒害作用,嚴重影響作物的產量與營養品質[1]。作物通過根系吸收的鎘轉移和積累到地上可食部分,進而通過食用進入人體[2-3]。食用重金屬鎘超標的食物會造成人體肝腎功能受損、骨質疏松等疾病[4-5]。水稻是我國3大主糧作物之一,但水稻具有富集重金屬鎘的習性,也是吸收鎘能力最強的3大谷類作物之一,深受鎘元素的毒害。相關研究指出,食用含鎘大米是造成鎘進入人體的主要來源[6-7]。

植物在受到重金屬等脅迫時,會產生大量的活性氧,引起體內生理代謝紊亂[8]。胡婉茵等[9]發現,水稻體內積累過量鎘會產生嚴重的毒性效應,影響植株的光合色素含量、呼吸強度、蒸騰和光化學效率,進而影響稻米的營養品質。植物為保障自身的正常生長,通過提高抗氧化酶的活性,消除大量活性氧帶來的毒害[10-12]。通過研究植物抗氧化酶的活性變化,有助于探索植物對重金屬脅迫的應對解毒機制,為提高植物對重金屬的抗性研究提供理論依據。因此,探討水稻生產中鎘濃度對稻米抗氧化酶及營養品質的影響,對保障糧食安全以及降低重金屬鎘污染對人體健康的威脅具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試劑及材料

供試作物為水稻,土壤為農地用土。試驗試劑及儀器有：氯化鎘、H2O2、愈創木酚、KH2PO4、磷酸緩沖液、甲硫氨酸(Met)、NBT、EDTA-Na2、核黃素、研缽、離心機、燒杯、容量瓶等。

1.2 處理方法

在大棚中采用盆栽法種植水稻,每桶裝取土樣15 kg,加水保持濕潤,使土壤保持疏松。氮肥按基肥∶返青肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶2.5∶1.5∶2施用,磷肥作基肥一次性施入,鉀肥按基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶2∶4施用。每盆栽水稻秧苗3穴,每穴5株,采用氯化鎘處理,鎘的處理濃度為0、10、20、30、40、50 mg/kg,每處理3次重復。水稻移栽前,先用水泡土3 d,然后將配制好的氯化鎘溶液均勻施入土中混勻。成熟期,將整盆植株收獲,取稻米測定抗氧化物酶活性及營養品質。

1.3 測定項目

水稻成熟后,收割每個盆中所有水稻植株,脫粒,即采得每個盆中稻谷樣品,分別取樣測水稻中過氧化物酶(POD)活性、超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化氫酶(CAT)活性、直鏈淀粉、粗蛋白、膠稠度以及氨基酸含量。

1.4 測定方法

1.4.1水稻抗氧化酶活性的測定

過氧化物酶(POD)活性的測定參考張志良等[13]的愈創木酚法,超氧化物歧化酶(SOD)活性測定采用李合生等[14]的氮藍四唑(NBT)光還原法,過氧化氫酶(CAT)活性的測定采用鄒琦[15]的紫外吸收法。

1.4.2 水稻營養成分含量分析

稻米加工成精米用于營養品質分析。采用直接滴定法測定稻米中直鏈淀粉,采用雙縮脲法[16]測定稻米中的蛋白質含量,采用HPLC-MS法[17]測定稻米中氨基酸含量,參照GB/T 22294-2008[18]測定稻米的膠稠度。

1.5 數據統計與分析

該試驗數據采用SPPS 22.0軟件進行方差分析,利用Excel 2021進行數據處理并制圖進行分析。

2 結果與分析

2.1 鎘脅迫對水稻抗氧化酶活性的影響

2.1.1 鎘脅迫對水稻中過氧化物酶(POD)的影響

POD與植物體內的呼吸、光合作用、生長素氧化以及木質素形成緊密相連,通過檢測POD活性,可以反映植物代謝和抗逆能力的變化。鎘脅迫下,POD活性有所增加,在鎘濃度為10 mg/kg時,POD活性達到最大值,為581.333 U/(g·min),之后隨著鎘濃度的增加,整體呈現降低的趨勢,說明在鎘濃度較低時,已開始對水稻產生脅迫作用,誘發水稻的應激反應,通過提高POD活性來抵御活性氧的損傷,但隨著鎘濃度的升高,脅迫作用增強,POD活性隨之下降。但在較高濃度下,與對照相比,POD活性仍保持在一定水平,說明水稻的耐鎘性較強(圖1)。

圖1 鎘脅迫對過氧化物酶的影響

2.1.2 鎘脅迫對水稻中超氧化物歧化酶(SOD)的影響

SOD是植物體內重要的保護酶之一,植物在逆境脅迫下會產生對細胞有害的活性氧和自由基,SOD通過催化歧化反應使活性氧生成過氧化氫和氧氣,保護細胞避免或減輕活性氧傷害[19]。在研究植物衰老和應對壓力的機制時,測定SOD活性具有重要意義。在植物正常生長時,SOD的表達保持穩定,但在諸如高溫、干旱和鹽脅迫等逆境條件下,SOD的表達和活性會發生變化。由圖2可知,鎘脅迫下的水稻SOD活性值總體呈現先上升后下降的趨勢,且各處理SOD活性均顯著高于對照,當鎘濃度到達40 mg/kg時,SOD活性最高,當鎘濃度為50 mg/kg時,SOD活性有所減低,但仍保持在較高水平,表明水稻對鎘脅迫表現出較強的耐受性。

圖2 鎘脅迫對超氧化物歧化酶的影響

2.1.3 鎘脅迫對水稻中過氧化氫酶(CAT)活性的影響

植物過氧化氫酶(CAT)是關鍵的保護酶之一,具有抗氧化損傷、抑菌抗炎、免疫保護、抗癌等多種生物學功能[20],能提高植物對外界環境的適應性。由圖3可知,隨著鎘處理濃度的升高,CAT活性增強,當鎘濃度為30 mg/kg時,CAT活性最大,隨著鎘濃度的繼續增大,CAT活性開始下降,說明在低濃度鎘處理下,水稻就表現出對鎘脅迫的應激,通過提高CAT活性增強對活性氧的防御,但鎘脅迫增加到一定強度時,會超過水稻的耐受極限,引起水稻CAT系統紊亂,導致CAT活性下降[21]。

圖3 鎘脅迫對過氧化氫酶的影響

2.2 鎘脅迫對水稻營養品質的影響

2.2.1 稻米中直鏈淀粉含量

直鏈淀粉的含量與結構不僅決定了大米淀粉的理化性質,也對各種大米食品的加工特性、食味品質等有顯著的影響[22]。由圖4可知,當鎘濃度為10 mg/kg時,直鏈淀粉含量與對照相比,無顯著差異,隨著鎘濃度的升高,直鏈淀粉含量呈現下降的趨勢,且顯著低于對照,鎘濃度與稻米中直鏈淀粉含量成反比。

圖4 鎘脅迫中稻米直鏈淀粉含量

2.2.2 稻米中粗蛋白含量

粗蛋白是含氮物質的總稱,是一種較粗糙的蛋白質形態。稻米中粗蛋白的含量是影響水稻重要的營養食味品質之一。由圖5可以看出,稻米中粗蛋白含量隨著鎘濃度的增加而下降,且各處理濃度下的粗蛋白含量均顯著低于對照,表明隨著鎘處理濃度的增加,抑制了蛋白質的合成,降低了稻米的營養品質。

圖5 稻米中粗蛋白含量

2.2.3 稻米中氨基酸含量

谷類作物籽粒中氨基酸是人和動物的重要營養物質。提高稻米氨基酸含量特別是賴氨酸等必需氨基酸含量是水稻育種和栽培的一個重要目標和研究熱點[23]。鎘脅迫對稻米氨基酸的影響如表1所示,蘇氨酸含量未受到鎘脅迫的影響,各處理與對照相比,無顯著差異,天冬氨酸、絲氨酸、甘氨酸、纈氨酸、苯丙氨酸含量在低濃度(10 mg/kg)鎘脅迫下未受影響,但隨著鎘質量濃度的增加,呈現出顯著的降低趨勢,其他種類氨基酸受到鎘脅迫的影響相對較大,總體呈現出不同程度的降低趨勢。綜合分析可知,鎘脅迫降低了稻米中氨基酸的含量。

表1 不同濃度鎘脅迫對稻米氨基酸含量的影響Table 1 Effects of cadmium stress on amino acid content of rice(%)

2.2.4 稻米膠稠度

膠稠度是稻米淀粉的一種膠體特性,指稻米淀粉經糊化、冷卻后米糊膠延展的長度,表示淀粉糊化和冷卻的回升趨勢。鎘脅迫對稻米膠稠度的影響如圖6所示,隨著鎘濃度的增加,稻米的膠稠度有所增加,但增加的幅度不大。

圖6 鎘脅迫對稻米膠稠度的影響

3 討論

3.1 鎘脅迫對水稻抗氧化酶的影響

植物遭受鎘脅迫會產生活性氧自由基(reactive oxygen species,ROS)[24-25],而過氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)是植物體內重要的保護酶,三者協同作用,能清除植物體內過剩的自由基[26],從而提高植物的抗逆性,減輕外界環境脅迫對植物的毒害[27]。試驗結果表明,隨著鎘脅迫濃度的增加,水稻的POD、SOD與CAT活性都得到了增強,說明POD、SOD與CAT共同發揮作用清除水稻體內自由基和過氧化物的作用,使抗氧化保護能力增強,這可能是適應鎘脅迫條件下活性氧自由基增多,保護體內活性氧積累與清除系統平衡的一種適應性調節,以此來減輕氧自由基增加導致的細胞傷害。這一結論與王陽陽等[28]、肖美娜等[29]報道結果一致。當鎘脅迫達到一定濃度時,水稻抗氧化酶活性開始下降,可能是超過了水稻的耐受極限,導致抗氧化酶系統的紊亂[24],Shah等[30]的研究認為,這可能與酶合成的抑制或酶亞單位組裝上的改變有關。在較高濃度(50 mg/kg)鎘處理下,雖然POD、SOD與CAT活性降低,但仍保持在一定水平,說明水稻對鎘脅迫處理具有較強的耐受性。

3.2 鎘脅迫對水稻營養品質的影響

在評價稻米的食味品質的指標中,直鏈淀粉、粗蛋白、氨基酸含量及膠稠度的大小通常是非常重要的指標。鎘脅迫下,水稻中直鏈淀粉和粗蛋白含量均隨鎘濃度的增加呈現下降的趨勢,說明鎘脅迫抑制了淀粉和蛋白質的合成。稻米氨基酸是動物和人體營養物質的重要來源之一,是稻米品質的重要組成部分。提高稻米中氨基酸含量特別是賴氨酸等必需氨基酸含量,對保障人體的營養攝入和提高身體素質具有重要意義[31]。鎘脅迫對蘇氨酸含量未出現顯著影響,對天冬氨酸、絲氨酸、甘氨酸、纈氨酸、苯丙氨酸含量影響相對較小,對賴氨酸、甲硫氨酸、異亮氨酸、亮氨酸等其他種類氨基酸含量影響相對較大,總體氨基酸含量呈現降低趨勢。表明鎘脅迫條件下降低了稻米的營養品質。但鎘脅迫有利于稻米膠稠度的形成,鎘濃度越高,稻米膠稠度越高。

4 結論

在低濃度鎘處理下,水稻過氧化物酶(POD)活性顯著增加,但超過一定濃度時呈現下降的趨勢;在各濃度鎘處理下,超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)的活性整體呈現先上升后下降的趨勢,各處理下SOD和CAT活性均顯著高于對照,表明水稻對鎘脅迫具有較強的抗性。鎘脅迫降低了稻米中直鏈淀粉、蛋白質和氨基酸含量,其中,賴氨酸、甲硫氨酸、異亮氨酸、亮氨酸等人體必需氨基含量均顯著降低,鎘脅迫降低了稻米的營養品質;而稻米膠稠度隨鎘脅迫濃度增加呈上升趨勢。