镉对谷子幼苗的毒性作用

山西农业科学2019，47（5）：766-769镉对谷子幼苗的毒性作用
习夏平袁仪慧兰
（山西大学生命科学学院，山西太原030006）
摘要:为研究镉对谷子幼苗的毒性作用，以谷子长农44号为材料，采用50，200滋mol/L Cd 溶液水培幼苗，8d 后
检测植株生长状况及氧化/抗氧化指标。

结果表明，Cd 胁迫后谷子幼苗根长和地上部分鲜质量显著降低，植株叶缘发黄，叶尖干枯；地上组织中O 2-·生成速率提高，H 2O 2和MDA 含量显著升高，过氧化物酶活性显著升高，过氧化氢酶活性略有升高，谷胱甘肽和半胱氨酸含量显著增加，超氧化物歧化酶、谷胱甘肽硫转移酶和谷胱甘肽过氧化物酶活性无明显改变。

一定浓度的Cd 胁迫可诱导谷子幼苗中活性氧水平升高，抑制植株生长发育，诱导植物抗氧化系统应答，即抗氧化分子合成增加、抗氧化酶系统激活，以提高谷子幼苗的Cd 耐受性。

关键词:镉毒性；谷子幼苗；氧化损伤；抗氧化系统中图分类号:S515
文献标识码:A
文章编号:1002-2481（2019）05-0766-04
Toxic Effects of Cadmium on Millet Seedlings
XI Xiaping ，YI Huilan
（College of Life Science ，
Shanxi University ，Taiyuan 030006，China ）Abstract ：Effects of cadmium （Cd ）on millet was studied by using Changnong 44seedlings as the materials.After millet seedlings were treated with 50,200μmol/L Cd for 8d,the growth status as well as oxidation and antioxidation indexes were detected.The results showed that the root length and the fresh quality of aboveground part of millet seedlings decreased significantly in Cd-treated groups,associated with leaf curling and less green.The superoxide anion formation rate increased,and the contents of hydrogen peroxide and malondialdehyde increased significantly in Cd-treated groups.The activities of catalase and peroxidase,and the contents of glutathione and cysteine increased in Cd-treated groups,but the activities of superoxide dismutase,glutathione S-transferase and glutathione peroxidase didn't change significantly.The results show that a certain concentrations of Cd can induce the increase of reactive oxygen species level in millet seedlings,inhibit plant growth and development,and induce plant antioxidant system response.The responses of antioxidant system in plants can improve the tolerance of millet seedlings to Cd stress.
Key words ：cadmium toxicity;millet seedlings;oxidative damage;antioxidant system
收稿日期:2019-03-05
基金项目:国家自然科学基金项目（31371868）；山西优秀人才科技创新项目（201605D211031）；山西省重点研发计划项目（社会发展）
（201703D321026-4）；山西省回国留学人员科研资助项目
（2017-010）作者简介:习夏平（1992-），女，陕西渭南人，在读硕士，研究方向：植物逆境生理。

仪慧兰为通信作者。

由于工业“三废”的不合理排放，
以及农业生产过程中污水灌溉、肥料过量施用，导致大面积的土壤镉（Cd ）污染[1]。

据农业部调查数据显示，
我国约有1.3万hm 2耕地受到Cd 污染，涉及11个省市的25个地区[2]。

土壤中的Cd 可经植物根部吸收，在植物体内转运和积累，影响植物生长发育，
导致植株矮化、生育期延迟、叶片褪绿萎黄，严重时导致死亡[3-4]。

存留在食材中的Cd 还会危害人体健康。

研究发现，小麦、水稻、大豆等作物在Cd 胁迫时氧化还原代谢失衡，植物细胞中积累过量的活性
氧（ROS ），引起组织的氧化应激，影响植株生长发育[5-7]。

现有研究认为，Cd 对植物的危害主要源于胁
迫引发的ROS 水平升高。

高水平ROS 可使生物大
分子结构损伤，功能异常，继发细胞生理紊乱。

Cd 暴露能使树木幼苗、作物等植物体细胞膜系统受损，叶绿体结构损伤，光合作用抑制[8-9]，还会影响遗传稳定性[10]。

谷子（Setaria italica L.）生长在广袤的丘陵地
带，耐旱耐贫瘠、适应性强，作为一种重要的杂粮作物，是我国北方居民的主要粮食之一。

山西省谷子种植面积仅次于小麦、玉米，位于杂粮作物之首。

本试验选用谷子幼苗为研究对象，检测了Cd
胁迫下谷子幼苗生长状况及氧化/抗氧化指标，以探究谷子幼苗响应Cd 毒性的生理生化反应机制。

习夏平等：镉对谷子幼苗的毒性作用
1
材料和方法
1.1
试验材料
供试谷子品种为长农44号，由山西省农业科
学院谷子研究所惠赠。

1.2
试验设计
试验在太原市山西大学生命科学学院实验室
进行。

2018年10月挑选谷粒饱满、
大小均一的种子，蒸馏水浸种3h ，湿纱布包裹催芽后将露白的谷
种均匀摆放在纱布上，水培法培养谷子幼苗，光周期16/8h （光照/黑暗），温度（25±2）℃，相对湿度
40%～60%。

7d 后换用1/4Hoagland 营养液。

根据前期试验结果，选50，200μmol/L Cd 溶液
处理10日龄谷子幼苗，对照组使用自来水，每天换1次处理液。

8d 后测定幼苗根长和地上部分鲜质量，并取地上部分检测生理生化指标。

1.3
测定项目及方法
随机选取每组20株谷子幼苗，测量其根长，
每组30株幼苗，称量地上部分鲜质量。

每个处理设3个重复。

取幼苗地上部分，采用羟氨氧化法测定O 2-·产
生速率；硫代巴比妥酸比色法测定MDA 含量；氮蓝四唑光化学还原法测定SOD 活性；愈创木酚比色法测定POD 活性；紫外吸收法测定CAT 活性；CDNB 比色法测定GST 活性；茚三酮显色法测定Cys 含量；分光光度法测定GSH 含量；DTNB 直接测定法测定GPX 活性；H 2O 2含量用南京建成生物
科技有限公司试剂盒测定。

1.4
数据分析
采用SPSS 17.0软件中的Duncan 法分析各处
理组间的差异显著性，
使用Microsoft Excel 软件作图。

2
结果与分析
2.1
Cd 对谷子幼苗生长的抑制效应
Cd 处理谷子幼苗8d 后，50，200μmol/L Cd 处
理组幼苗根长和地上部分鲜质量均显著低于对照
组，Cd 处理组谷子幼苗生长缓慢，植株矮小，植株叶缘发黄，叶尖干枯（图1）。

Cd 对谷子幼苗生长发
育的抑制作用随Cd 浓度增高而增强。

2.2Cd 对谷子幼苗的氧化胁迫
MDA 是膜脂过氧化的产物，通过MDA 含量检测能间接反映植物受Cd 伤害的程度。

从图2可以
看出，Cd 处理谷子幼苗8d 后，50μmol/L Cd 处理组地上部分O 2-
·产生速率与对照组间无显著差异，200μmol/L Cd 处理组O 2-·产生速率显著高于对照
组；50，200μmol/L Cd 处理组地上部分中H 2O 2和MDA 含量均显著高于对照组。

结果说明，
一定浓度的Cd 胁迫能诱发谷子幼苗体内ROS 水平升高，导致膜脂过氧化损伤。

山西农业科学2019年第47卷第5期
2.3Cd对谷子幼苗抗氧化系统的影响
从图3可以看出，Cd处理谷子幼苗8d后，50，200μmol/L Cd处理组地上部分POD活性均显著高于对照组，CAT活性略高于对照，Cys，GSH含量显著高于对照组，但是SOD，GST和GPX活性与对照组间无显著差异。

结果表明，谷子幼苗中的POD对Cd较敏感，Cd胁迫组谷子幼苗通过增强植物体内抗氧化酶活性和增加抗氧化物质GSH和Cys含量来提高对Cd毒性的适应性。

3讨论
现有研究表明，Cd对植物的伤害主要与其引发的氧化胁迫和氧化损伤有关[5-7，11-13]。

Cd胁迫导致植物体内ROS水平升高，引发一系列对生物大分子和细胞功能、结构的损伤，导致植株生理异常。

本研究表明，谷子幼苗在Cd胁迫时，体内ROS水平升高并诱发膜脂过氧化损伤，符合现有研究关于镉毒性与氧化胁迫和氧化损伤关联的描述，说明本试验采用的Cd处理对谷子幼苗产生了伤害。

为了控制体内ROS水平，植物体具有复杂的抗氧化系统来清除过量的ROS自由基。

抗氧化系统主要包括抗氧化酶系统和非酶抗氧化系统，抗氧化酶系统主要有SOD，POD，CAT，GST和GPX等，非酶抗氧化系统包括Cys，GSH，抗坏血酸，维生素E 等。

SOD是植物体内清除ROS的第一个酶，负责将O2-·歧化为H2O2。

生成的H2O2可以通过GSH-AsA 循环清除，也可由POD，CAT等降解。

HAN等[13-14]研究发现，250，500μmol/L Cd溶液处理10日龄谷子幼苗3d时，随着Cd浓度增加，谷子幼苗地上部分SOD活性呈递增的趋势，250μmol/L Cd溶液处理后，谷子幼苗地上部分POD活性显著增加，随着Cd 浓度增加至500μmol/L时，幼苗地上部分POD活性略有降低，250μmol/L Cd溶液处理后，谷子幼苗地上部分CAT活性显著升高，而500μmol/L Cd溶液处理后，幼苗地上部分CAT活性略有降低。

本研究采用50，200μmol/L Cd处理3d时，没有检出SOD，POD和CAT活性的改变，延长处理时间至8d 时，POD活性显著升高，但SOD和CAT活性无明显改变，说明谷子抗氧化酶对Cd的响应会因为Cd处理浓度和时间的不同而有所不同，高浓度或长时间Cd处理能形成较高水平的ROS，促使抗氧化酶活性提高以代谢活性氧分子，但是持续过高的ROS水平能损伤蛋白分子，导致酶活性下降。

Cys是植物硫同化途径的最终产物，植物以Cys为前体合成GSH，GSH是生物体内重要的抗氧化剂，可以通过抗坏血酸-谷胱甘肽循环清除Cd 诱导的ROS，还可作为底物合成植物螯合素（PC），在植物细胞中PC能够结合Cd2+，从而降低Cd对植物细胞的毒害作用。

GST是由一个大的多基因家族编码的多功能蛋白酶，属Ⅱ相解毒酶，除了具有典型的谷胱甘肽转移酶活性外，还具有谷胱甘肽过氧化物酶的活性[15]。

GPX以还原型GSH为底物，催化H2O2及其有机氢过氧化物的分解，提高机体清除ROS能力[16]。

在重金属胁迫时，GST和GPX具有清除体内ROS自由基和解毒的双重功能，可以保护细胞免受ROS的损害。

本研究中Cd胁迫可以诱导谷子幼苗GSH和Cys含量显著增加，与前人在玉米中得到结果[17]一致，表明抗氧化物质Cys和GSH 在谷子对Cd的适应性生理中发挥了重要作用。

王
(上接第750页)
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4结论
谷子幼苗在50，200μmol/L Cd溶液中处理8d 后，植株生长发育受到抑制，地上组织中ROS水平升高，膜脂过氧化产物MDA含量增加，毒性效应呈现对Cd剂量的依赖。

Cd胁迫使谷子抗氧化系统激活，抗氧化酶POD活性和抗氧化分子Cys，GSH水平提高，参与植株对Cd的适应。

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