陈思晓，贾俊娟，王伟伦，巴青松，李桂萍①

（淮北师范大学 生命科学学院，安徽省资源植物重点实验室，安徽 淮北235000）

0 引言

近年来我国重金属污染愈发严重，重金属一旦进入土壤中很难被排除，且可通过在作物体内富集，通过食物链的传递放大其有害作用，进而给整个生态系统及人类健康带来极大危害［1］. 目前，我国耕地的重金属污染面积大约占总耕地面积的1/6，其中镉污染远超过其他重金属污染［2］. 镉是一种毒性极强的重金属元素之一，通过干扰电子传递链，破坏细胞膜的完整性，激活或抑制不同的酶活性，改变DNA的序列等对各种细胞活动产生负面影响［3］. 镉会通过诱导细胞死亡的方式干扰细胞内重要的生理和生化反应，从而干扰植物的生长和发育［4］.

甜菜碱是一种广泛存在于高等植物、动物、微生物中的季胺类碱，作为渗透调节剂和保护剂，具有稳定蛋白质的四级结构和高度有序的膜结构，维持细胞正常代谢，减少细胞膜脂过氧化程度等功能［5-9］. 在逆境条件下，植物体内会大量积累甜菜碱，从而提高作物的抗逆性，改善作物品质［10］.

玉米（Zea maysL.）是全球主要粮食作物之一，我国是世界第二大玉米生产和消费国，其产量占全国粮食总产量的1/4［11-12］. 但随着重金属污染愈发严重，玉米的产量受到严重威胁. 研究表明，甜菜碱作为一种抗氧化剂，能够促进镉胁迫下小麦、水稻和棉花的生长，提高抗氧化酶活性，从而缓解镉胁迫对作物的毒害［13-15］. 但施加外源甜菜碱对镉胁迫下超黑糯玉米根、茎的活性氧代谢的研究还鲜见报道. 本文以超黑糯玉米根、茎为材料，在施加外源甜菜碱和镉胁迫条件下，对其活性氧代谢相关生理指标进行研究，以期为玉米的培育和抗重金属胁迫的研究提供理论基础.

1 材料与方法

1.1 材料与设计

供试材料为超黑糯玉米自交系I46，由淮北市濉溪农科所提供.

该实验是在淮北师范大学温室中的自然气候条件下进行的，白天和夜晚的平均温度分别为28±4 ℃和20±3 ℃，相对湿度为55%～75%. 采用土培法培养玉米，选取均匀、饱满的玉米种子，用0.1%的HgCl2溶液充分消毒7 min，再用水冲洗3次，然后均匀播种在土中（CdCl2·2.5H2O与GB混合并均匀搅拌在土壤中，每隔3 d搅拌一次，每盆装土5 kg），每盆播种10粒. 本试验设计处理依次为：H2O（CK）、Cd（10 mg/kg）、GB（25 mg/kg）、GB（50 mg/kg）、Cd（10 mg/kg）+GB（25 mg/kg）、Cd（10 mg/kg）+GB（50 mg/kg）. 各试验组随机排列，每天浇适量的水，每隔1 d转换一次盆的位置. 待玉米苗长至第10 d时，每个处理随机取样，取相同部位的根、茎，用于各项指标测定.

1.2 测定项目与方法

MDA含量和O2-.产生速率分别采用硫代巴比妥酸比色法、羟胺氧化法测定［16］，H2O2含量采用硫酸钛-硫酸法［17］，SOD、POD 和CAT 活性分别采用氮蓝四唑（NBT）法［17］、愈创木酚比色法［18］、紫外吸收法［18］测定.

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel和SPSS软件对数据进行处理（P＜0.05），并用SigmaPlot14.0进行作图.

2 结果与分析

2.1 甜菜碱对镉胁迫下玉米根、茎中MDA和ROS的影响

如图1所示，与对照组相比，单独Cd2+处理下，玉米根、茎中H2O2、MDA含量和O2-.产生速率均显著升高，分别升高43.87%、89.74%、359.70%和27.03%、114.28%、106.25%，且超黑糯玉米茎中的MDA 含量和O2-.产生速率均高于根部，而H2O2低于根部. 施加25 mg/kg GB 后，玉米根、茎中H2O2、MDA 含量和O2-.产生速率较单独Cd2+处理分别显著降低27.86%、36.49%、50.54%和14.54%、34.85%、46.20%. 施加50 mg/kg GB 后，玉米根、茎中H2O2、MDA 含量和O2-.产生速率较单独Cd2+处理分别显著降低61.04%、39.73%、40.48%和5.85%、8.35%、37.38%. 这说明在单独Cd2+处理下，超黑糯玉米茎受到的伤害可能高于根部. 在Cd2+胁迫下，外源甜菜碱可以清除H2O2、MDA和O2-.，降低Cd2+对玉米细胞膜的损伤，有效缓解Cd2+对玉米根、茎的损伤，其中施加25 mg/kg GB时效果更佳.

图1 甜菜碱对镉胁迫下玉米根、茎中MDA和ROS的影响

2.2 甜菜碱对镉胁迫下玉米根、茎中抗氧化酶活性的影响

图2所示，单独Cd2+处理下，玉米根、茎中的SOD、POD、APX和CAT的活性与对照相比均显著降低，分别降低43.34%、28.80%、28.46%、30.50%和58.96%、57.62%、72.38%、66.76%. 可以看出，在单独Cd2+处理下，超黑糯玉米茎中抗氧化酶的降低幅度高于根部. 25 mg/kg GB 与Cd2+共同处理时，玉米根、茎中的SOD、POD、APX 和CAT 的活性分别提高33.02%、18.66%、41.31%、54.68%和52.19%、65.41%、75.46%、103.19%. 50 mg/kg GB 与Cd2+共同处理时，玉米根、茎中的SOD、POD、APX 和CAT 的活性分别提高81.73%、15.67%、73.18%、83.81%和30.53%、27.86%、37.32%、71.95%. 由此可以看出，在单独Cd2+处理下，玉米根部抵抗Cd2+胁迫的能力强于茎部. 施加甜菜碱可以有效提高Cd2+胁迫下玉米根、茎中APX、SOD、POD和CAT的活性，从而缓解Cd2+对玉米的毒害. 其中，施加25 mg/kg GB缓解Cd2+胁迫的效果更佳.

图2 甜菜碱对镉胁迫下玉米根、茎中抗氧化酶活性的影响

3 讨论

在重金属污染下，植物体内ROS大量积累，使其受到氧化胁迫［19-21］. ROS的产生会诱导许多大分子如DNA、RNA、色素、蛋白质、脂类等物质的损伤［22］. 其中MDA 含量是其重要的量化指标之一. 在活性氧产生后，植物体内的各类抗氧化酶协同去除活性氧，维持活性氧的平衡，从而达到保护植物的目的［23］. 本试验表明，10 mg/kg Cd2+处理增加超黑糯玉米根、茎中的ROS和MDA的积累量，同时也使得POD、SOD、CAT及APX活性下降.

甜菜碱是一种两性离子，其积累量与植物的非生物胁迫耐受性相关. 施加甜菜碱主要通过减少蛋白质氧化，脂质过氧化，光抑制和上调胁迫保护蛋白来改善植物的耐受性［24-27］. You等［28］认为甜菜碱通过提高土豆的光合性能和抗氧化酶活性能够提高其耐旱性. Rasheed等［13］认为施加甜菜碱可以促进镉胁迫下小麦幼苗根和叶的鲜重、干重和长度，提高ROS清除能力. 本试验也表明，施加外源甜菜碱可以降低超黑糯玉米根、茎中ROS和MDA的积累量，同时也提高APX、POD、SOD和CAT的活性，从而缓解镉胁迫对作物的损伤.

综上所述，施加甜菜碱可以在一定程度上缓解镉胁迫对超黑糯玉米根、茎的抑制作用，且25 mg/kg GB的缓解效果最佳；提高抗氧化酶活性，清除MDA、ROS的积累，防止细胞膜脂过氧化，最终提高玉米的耐镉能力，为玉米的培育和抗重金属胁迫的研究提供理论基础.