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各凯寿
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1 52, 08702(205) 激光与光电子学进展 Laser & Optoelectronics Progress 205 中国激光杂志社摘要 He-Ne 激光和 6- 苄基氨基嘌呤对镉污染下小麦幼苗的影响张美萍韩榕 2* 陕永杰山西师范大学生命科学学院, 山西临汾山西师范大学地理科学学院, 山西临汾为研究减轻镉污染对小麦造成的伤害, 探讨了 He-Ne 激光和外施 6- 苄基氨基嘌呤 (6-BA) 对镉 (Cd) 污染下的小麦抗氧化酶系的变化结果表明 : He-Ne 激光 6-BA 对镉污染均有缓解作用,He-Ne 激光和 6-BA 复合处理下的效果最佳复合处理提高了小麦幼苗中 POD 酶 SOD 酶 CAT 酶的活性, 丙二醛 (MDA) 含量的增速变慢, 电解质的泄露也得到了缓解说明 6-BA 和 He-Ne 激光辐照处理可以减轻镉毒害引起的自由基伤害, 对提高小麦抗逆能力具有积极作用关键词激光器 ; He-Ne 激光 ; Cd 2+ 胁迫 ; 6- 苄基氨基嘌呤 ; 小麦中图分类号 Q554+.6; X503 文献标识码 A doi: /LOP Effects of 6-BA and He-Ne Laser on the Seedling of Wheat Antioxidant Enzymes under Cadmium Stress Zhang Meiping Han Rong Shan Yongjie 2 College of Life sciences, Shanxi Normal University, Linfen, Shanxi 04004, China 2 School of Geography Science, Shanxi Normal University, Linfen, Shanxi 04004, China Abstract The paper studied the effect of spraying different concentration of He-Ne laser and 6-benzylaminopurine (6-BA) on protective enzymes system under Cd 2+ pollution. The result shows that 6-BA and He-Ne laser have the relieving effects on heavy metal injury. Super oxide dismutase (SOD) peroxidase (POD) and catalase (CAT) activities can effectively improve in different degree, and the increase of malondialdehyde (MDA) content and electrolyte leakage become much slower. It shows that action of exogenous 6-BA and He-Ne laser can alleviate the injury caused by cadmium stress and increasing the cadmium resistance of wheat seedlings. Key words lasers; He-Ne laser; Cd 2+ stress; 6-benzylaminopurine; wheat OCIS codes ; 引言镉 (Cd) 元素由于其高移动性和高毒害性, 被公认为是对人类最具威胁的主要有毒重金属之一 [] 受自然和人类活动影响,Cd 2+ 施放量日益增加,Cd 2+ 进入生物圈的速率约为每年 t; 同时酸雨作用使得土壤 Cd 2+ 的可溶性增加, 区域性的土壤 Cd 2+ 污染加重, 直接导致农作物减产,Cd 2+ 经食物链进入人体, 则危害人类健康, 甚至引发公害病骨痛病 [2] 植物受到重金属镉污染就会引发毒害症状, 通常表现为植株生长迟缓株体矮小叶片黄化产量下降等症状 [3] 小麦是我国第二大粮食作物, 其产量和品质直接涉及到人民饮食健康和粮食安全 [4] 国内近 20 年来有关小麦中重金属含量超标的问题也日益突出降低小麦中有毒重金属的含量成为学者们日益关注的问题收稿日期 : ; 收到修改稿日期 : ; 网络出版日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金 ( ) 山西省留学基金项目 ( ) 山西省青年基金项目 ( ) 国家重点实验室开放基金项目 (204KF03) 山西师范大学校基金 (ZR305) 作者简介 : 张美萍 (975 ), 女, 博士, 副教授, 主要从事环境植物学和生物物理学等方面的研究 mpzhang2006@63.com * 通信联系人 shanyongjie2005@63.com

2 6- 苄氨基嘌呤 (6-BA) 是组织培养者最喜爱的细胞分裂素, 其具有促进植物芽形成的作用, 也可以诱导愈伤组织发生 6-BA 对提高植物抗逆性的作用也受到重视, 主要集中在盐害水渍干旱等逆境条件下 [5-6] 重金属污染作为全球环境污染最主要因素之一, 在此逆境条件下, 外施 6-BA 对植物的具体作用尚不多见 [7] 激光对生物体具有一定的刺激效应及修复功能 [8-9] 已有研究表明,He-Ne 激光辐照可以提高甜菜糖分含量本课题组做了大量的 He-Ne 激光修复研究, 研究表明 : 用 He-Ne 激光辐照受 UV-B 辐射的小麦, 其部分修复了类囊体膜损伤, 提高了叶片光合作用 ; 同时使小麦叶片的同工酶活性各种 ATP 酶活性及 RUBP 羧化酶活性增强 [9-5] 本文通过人工模拟重金属 Cd 2+ 污染环境, 以小麦为研究材料, 分析了 He-Ne 激光辐照和外施 6-BA 对重金属 Cd 2+ 污染下作物抗氧化酶系的影响, 探求 He-Ne 激光和 6-BA 对重金属 Cd 2+ 毒害小麦的修复机理, 补充重金属 Cd 2+ 污染防治理论体系 2 材料与方法 2. 材料选择山西省农科院提供的晋小麦号品种为研究作物 2.2 方法 2.2. 种子的萌发选取籽粒饱满均匀的晋小麦号种子, 配置并均匀喷洒质量浓度为 5% 的次氯酸钠消毒液, 密封放置 30 min 后用蒸馏水漂洗去除消毒液, 均匀摆放于培养皿内的湿滤纸上, 每个培养皿 50 粒, 置于培养箱 25 培养设置处理待小麦幼苗叶片长至 0 cm 左右进行 Cd 2+ 处理 Cd 2+ 浓度为 0.5 mmol L -,5 天后进行修复处理, 本研究选用的 6-BA 浓度为 mol L -, 采用 5 mw mm -2, 波长 nm 的 He-Ne 激光辐照 [8] 为排除杂光影响, 激光辐照处理在暗室进行, 激光辐照设备采用西安激光仪器厂生产的大功率 He-Ne 激光发生器设置了对照组 (CK 组, 正常生长 ) Cd 2+ 离子处理组 Cd 2+ 污染后外施 6-BA 处理组 (6-BA/ Cd 2+ 复合 ) Cd 2+ 污染后 He-Ne 激光辐照组 (Cd 2+ /L 复合处理 ) Cd 2+ 污染后 He-Ne 激光和 6-BA 复合处理组 (6-BA/ Cd 2+ /L 复合处理 ) 持续处理一周后测定其生理指标超氧化物歧化酶活性的测定在 4 的条件下提取超氧化物歧化酶 (SOD), 取 5 g 幼叶组织加入 0 ml,0.05 mol L - (ph=6.7) 磷酸缓冲液, 研磨, 匀浆以 0000 g 冷冻离心 0 min, 测定 SOD 酶活性, 在 560 nm 处测定 OD 值, 以 OD 值每分钟下降 0.0 为一个酶活单位过氧化氢酶活性的测定 [0] 采用王丽红等的方法测定过氧化氢 (CAT) 酶活性丙二醛含量和电导率的测定参照张志良的方法测定丙二醛 (MDA) 含量 [8] 采用田如男改进的方法测定电导率 [] 叶绿素荧光参数的测定参照 Strasser 的方法测定荧光参数, 仪器采用德国 WALE 公司生产的叶绿素荧光仪 (PAM200) [2] 数据分析采用 SPSS 数据分析软件进行结果分析 3 结果与分析 3. 各处理对小麦幼苗丙二醛 (MDA) 含量的影响由图可知, 与 CK 组相比, 受 Cd 2+ 胁迫小麦叶片的 MDA 含量显著增加 (P<0.05),Cd 2+ 加剧了小麦的膜脂过氧化程度而 He-Ne 激光辐照和外施 6-BA 能缓解这种破坏作用, 使 MDA 含量降低,He-Ne 激光辐照和外施 6-BA 共同作用于 Cd 2+ 胁迫的小麦时缓解作用最好

3 图 He-Ne 激光及 6-BA 对 Cd 2+ 污染的小麦幼苗 MDA 的影响 Fig. Effect of He-Ne laser and 6-BA on the content of MDA in the Cd 2+ contaminated wheat 3.2 各处理对小麦幼苗 SOD 活性的影响由图 2 可知, 与 CK 组相比,Cd 2 + 胁迫下小麦叶片的 SOD 酶活性显著降低 (P<0.05), 经过外施 6-BA 和 He-Ne 激光处理污染的小麦后,SOD 酶活性出现了明显升高, 但均低于对照组, 采用 6-BA 和 He-Ne 激光复合处理后,SOD 酶活性不仅比 Cd 2+ 胁迫下显著提高 (P<0.05), 而且高于 CK 组说明 He-Ne 激光和 6-BA 能明显提高抗氧化酶系中 SOD 的活性, 从而增强小麦抗逆性,He-Ne 激光和 6-BA 复合处理对 Cd2+ 污染的缓解作用显著提高图 2 He-Ne 激光及 6-BA 对 Cd 2+ 污染小麦幼苗 SOD 酶活性的影响 Fig.2 Effect of 6-BA and He-Ne laser on the activities of SOD in the Cd 2+ contaminated wheat 3.3 各处理对小麦幼苗 CAT 活性的影响由图 3 可知, 与 CK 组相比,Cd 2+ 胁迫下,CAT 活性显著下降 (P<0.05), 外施 6-BA 及 He-Ne 激光处理修复后, 酶活性都有不同程度的升高, 但二者之间差异不大 (P=0.403 >0.05),6-BA 和 He-Ne 激光复合处理 Cd 2+ 胁迫的小麦, 与 Cd 2+ 组相比,CAT 酶活性显著升高 (P<0.05), 但与 CK 组差异不显著图 3 He-Ne 激光及 6-BA 对 Cd 2+ 污染小麦幼苗 CAT 的影响 Fig.3 Effect of 6-BA and He-Ne laser on the activities of CAT in the Cd 2+ contaminated wheat 3.4 各处理对小麦幼苗质膜透性的影响由图 4 可知, 受 Cd 2+ 胁迫的小麦叶片电导率急剧增大因为电导率的大小与细胞膜透性成正比关系, 电导率越大, 细胞膜透性越大, 这样细胞内电解质的泄露就愈加严重, 说明此时小麦叶片细胞膜受到严重伤害而外施 6-BA 和 He-Ne 激光辐照复合处理, 电导率显著下降,6-BA 和 He-Ne 激光辐照均能明显缓解这一症状 (P<0.05)

4 图 4 6-BA 和 Ne-Ne 激光对小麦幼苗细胞膜透性的影响 Fig.4 Effect of 6-BA and He-Ne laser on membrane permeability in the Cd 2+ contaminated wheat 3.5 各处理对 Cd 2+ 污染下小麦叶片光合机构的比活性的影响与对照 (CK) 相比, 而受 Cd 2+ 污染的小麦叶片的吸收光能 (ABS/CS) 作用下降 (P<0.05), 表明 Cd 2+ 污染一方面导致光合系统 Ⅱ 反应中心降解或失活 ; 另一方面改变了色素的结构和功能, 激发能 (TRo/CS) 及电子传递链中的还原能 (ETo/CS) 减少 (P<0.0), 同时, 热耗散 (DIo/CS) 增加 (P<0.0), 小麦叶片受 Cd 2+ 污染胁迫后启动了相应的防御机制, 使得过剩激发能得以及时耗散图 5 He-Ne 激光及 6-BA 对 Cd 2+ 污染小麦叶片光合机构的比活性的影响 Fig.5 Effect of 6-BA and He-Ne laser on the activities of energy fluxes per excited cross-section in the Cd 2+ contaminated wheat 与 Cd 2+ 相比,He-Ne 激光和 6-BA 均使小麦叶片吸收的光能 (ABS/CS) 升高 (P>0.05), 激发能 (TRo/CS) (P>0.05) 和还原能 (ETo/CS) 增加 (P<0.05), 同时, 热耗散 (DIo/CS) 降低 (P>0.05);He-Ne 激光和 6-BA 复合处理受 Cd 2+ 污染的小麦后, 小麦叶片吸收的光能 (ABS/CS)(P<0.05) 激发能 (TRo/CS)(P<0.0) 及对应还原能 (ETo/CS)(P<0.0) 也显著高于 Cd 2 + 胁迫组, 同时,DIo/CS 又显著低于 Cd 2 + 污染组 (P<0.0), 而高于对照组 (CK)(P<0.05) 以上结果说明, 受 Cd 2+ 污染的小麦幼苗叶片吸收与转换光能的效率降低, 而 6-BA 和一定剂量的 He-Ne 激光辐照均能在一定程度上提高植物对光能的吸收与转换效率,6-BA 及 He-Ne 激光复合处理更能缓解 Cd 2+ 污染的毒害作用 4 讨论 [3] 研究表明, 细胞分裂素对活性氧系统具有调节功能, 对作物抗逆和抗衰老过程有重要作用 He-Ne 激光辐射过程中起修复作用的有可能是电磁效应, 它在一定程度上影响蛋白质酶及生物分子结构, 从而导致酶活性的改良 [0] 活性氧包括 H 2O 2 O 2 OH 等多种形式, 活性氧的过度积累能促进膜脂过氧化反应, 消耗类脂中不饱和脂肪酸, 引起一系列自由基反应, 导致膜脂和膜蛋白损伤而破坏细胞内膜系统, 从而造成植物生长发育不良植物镉元素含量过高诱发生成大量的活性氧, 从而使植物的自由基过氧化损伤, 加剧膜脂过氧化作用, 表现出毒害症状 [4] 作为植物细胞内重要的抗氧化酶,SOD 酶和 CAT 酶可以清除植物体内过量的活性氧, 维持活性氧代谢 [0] 平衡, 保护膜结构, 从而使植物体抗毒性增强 SOD 酶具有催化超氧化物阴离子自由基 (O 2 ) 的作用, 生

5 成分子氧或过氧化氢, 控制膜质氧化, 减少对膜系统的伤害 [5] CAT 酶能催化 H 2O 2 分解成水和氧在这些酶的共同作用下, 将植物体内累积的 O 2 和 H 2O 2 转化为无害的 H 2O 和 O 2, 使细胞内自由基维持在一个较低 [5] 水平, 防止细胞受自由基的毒害实验结果已表明,Cd 2+ 对 SOD 酶和 CAT 酶都有一定的破坏作用 Cd 2+ 对酶的破坏可能是由于 Cd 2+ 与酶蛋白中巯基 (-SH) 结合, 导致酶的催化中心或酶结构受损还有研究表明, Cd 2+ 胁迫对小麦叶片 CAT 酶活性的抑制可能与 Cd 2+ 引起 CAT 酶分子构型的改变有关, 小麦叶片内的 Cd 2+ 可能会取代 CAT 酶分子中的铁离子而降低 CAT 酶活性, 由于活性自由基的积累导致 CAT 酶分子空间构型改变, 从而抑制 CAT 酶活性膜脂过氧化是植物遭受逆境的重要特征,MDA 可以与蛋白质核酸反应, 降低纤维素桥键稳定性, 抑制 [8] 蛋白质合成 MDA 过度积累会对膜和细胞造成一定伤害, 可作为反映膜脂过氧化作用强弱的重要指标研究表明, 镉污染破坏对植物细胞膜有严重破坏作用, 表现为使得细胞膜透性增加, 从而使细胞内的电解质外渗, 以致植物细胞液的电导率增大细胞膜透性的增加可能是由于 Cd 2+ 与膜蛋白的 -SH 结合, 或与磷酸酰乙醇胺和单分子层的磷脂丝氨酸反应而导致膜蛋白的磷脂结构发生变化改变引起的此外, 也与镉导致膜脂过氧化加剧有重要关系 [3] 实验结果表明, 在 Cd 2+ 污染环境下, 激光和 6-BA 均能有效提高作物抗氧化酶活性, 抑制 MDA 大量产生, 从而缓解了 Cd 2+ 对小麦的毒害 He-Ne 激光辐照可以激活 6-BA 的激素作用, 从而更有效地降低和部分修复由镉污染对小麦造成的损伤 5 结论 He-Ne 激光和外源 6-BA 的加入均可明显减缓膜脂过氧化和细胞膜的透性变化, 从而减轻镉污染对小麦的毒害作用 He-Ne 激光和外源 6-BA 复合处理效果更佳, 不仅起到修复作用, 还有促进作用参考文献 Cheng Wangda, Yao Haigen, Zhang Guoping, et al.. effect of cadmium on growth and nutrition metabolism in rice[j]. Scientia agricultura sinica, 2005, 38(3): 程旺大, 姚海根, 张国平, 等. 镉胁迫对水稻生长和营养代谢的影响 [J]. 中国农业科学, 2005, 38(3): Zhang Jun, Shu Wensheng. Mechanisms of heavy metal cadmium tolerance in plants[j]. Journal of Plant Physiology and Molecular Biology, 2006, 32(): -8. 张军, 束文圣. 植物对重金属镉的耐受机制 [J]. 植物生理与分子生物学学报, 2006, 32(): HegedüsA, Erdei S, Horvàth G. Comparative studies of H 2O 2 detoxifying enzymes in green and greening barley seedling under cadmium stress[j]. Plant Science, 200, 60: Shao Yun, Jiang Lina, Li Chunxi, et al.. Effects of Cu 2+ on seed germination and seedling growth of wheat[j]. Journal of HENAN Agricultural Sciences, 2005, : 3-6. 邵云, 姜丽娜, 李春喜, 等. Cu 2+ 对小麦种子萌发和幼苗生长的影响 [J]. 河南农业科学, 2005, : Dong Yonghua, Shi Jiping, Li Guangmin, et al.. Efficiency of 6- BA or ABA pretreatment as foliar spray in enhanling drought resistance in maize seedlings[j]. Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica, 998, 8(2): 董永华, 史吉平, 李广敏, 等. 外施 6-BA 和 ABA 提高玉米幼苗抗早能力的作用及效果 [J]. 西北植物学报, 998, 8(2): Wu Xuexia, He Jie, Chen Jianlin, et al.. Alleviation of exogenous 6- benzyladenine on two genotypes of eggplant (Solanum melongena Mill.) growth under salt stress[j]. Protoplasma, 204, 25(): Zheng Chunfeng, Zhu Yunji, Zhu Huijie, et al.. Floret development and grain setting characteristics in winter wheat in response to pre-anthesis applications of 6-benzylaminopurine and boron[j]. Fleld crops research, 204, 69: Han Rong, Zhang Meiping, Yuan Feng xia, et al.. Influence on cell membrane in wheat exposed to enhanced ultraviolet B radiation and irradiated by He-Ne laser[j]. Acta Botanica Boreali- Occidentalia Sinica, 2004, 24(8): 韩榕, 张美萍, 原锋霞, 等. He -Ne 激光对增强 UV-B 辐射小麦细胞膜的影响 [J]. 西北植物学报, 2004, 24(8): Zhang Meiping, Liang Zhiying, Han Rong, et al.. Effects of He- Ne laser and enhanced UV- B radiation on the photosynthetic on rice flags[j]. Chinese J Lasers, 204, 4(8): 张美萍, 梁志英, 韩榕, 等. He - Ne 激光对增强 UV- B 辐射对水稻幼苗光合作用的影响 [J]. 中国激光, 204, 4(8):

6 0 Meiping, Zhang, Yongjie Shan, Xiaohua Wang, et al.. Influence of He-Ne laser radiation on the ATPase activity of wheat seedling by enhanced ultraviolet-b radiation[j]. Chinese Journal of Lasers, 2009, 36(9): Wang Lihong, Huang Xiaohua, Zhou Qing, et al.. Response of POD and CAT During Seeds of Rice, Wheat and rape Germination on acid rain stress[j]. Environmental Science, 2005, 26(6): 王丽红, 黄晓华, 周青, 等. 水稻小麦和油菜种子萌发 POD 与 CAT 对酸雨胁迫的响应 [J]. 环境科学, 2005, 26(6): Meiping Zhang, Xiaohua Wang, Yongjie Shan, et al.. Effects of He- Ne laser and enhanced ultraviolet- B radiation on the isozymes gene expression of wheat seedlings[j]. Chinese J Lasers, 20, 38(5): Zhou Hongwei, Shi GuoXin, Chen JingYao, et al.. Relieving to Hg 2 + in jury of alternanthera philoxeroides antioxidant enzyme system by sprayed 6-BA[J]. Acta Ecologica Sinica, 2003, (2): 周红卫, 施国新, 陈景耀, 等. 6-BA 对水花生抗氧化酶系 Hg 2+ 毒害的缓解作用 [J]. 生态学报, 2003, (2): Wang Mei e, Zhou QiXing. Effects of Cd and Cu on physiological and biochemical processes of wheat seedlings and their toxic mechanisms[j]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2006, 26(2): 王美娥, 周启星. 重金属 Cd Cu 对小麦幼苗生理生化过程的影响及其毒性机理研究 [J]. 环境科学学报. 2006, 26(2): Yi Su, Wang Runlan, Wang Qiong, et al.. Effects of uranium tail stress on chlorophyll content and MDA content and activity of SOD in rice seedings[j]. Acta Agronomica Sinica, 2004, 30(6): 易俗, 王瑞兰, 汪琼, 等. 铀尾沙胁迫对水稻幼苗叶绿素含量 MDA 含量和 SOD 活性的影响 [J]. 作物学报, 2004, 30(6): 栏目编辑 : 韩峰

5月15期

5月15期中国农学通报 2012,28(15):106-111 Chinese Agricultural Science Bulletin 旱地小麦休闲期不同耕作措施对土壤水分蓄纳利用与产量形成的影响贺立恒, 高志强, 孙敏, 李青 ( 山西农业大学农学院, 山西太谷 030801) 摘要 : 为了提