镉胁迫对水稻抗氧化酶和营养品质的影响.pdf
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1、第4 5卷 第4期2 0 2 3年1 2月 延 边 大 学 农 学 学 报A g r i c u l t u r a lS c i e n c eJ o u r n a l o fY a n b i a nU n i v e r s i t y V o l.4 5 N o.4 D e c.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 3-1 1-0 8 基金项目:江西省教育厅科学技术研究项目(G J J 2 1 1 6 2 7);国家级大学生创新创业训练计划项目(2 0 2 3 1 0 4 1 7 0 1 1)作者简介:肖莎莎(2 0 0 2),女,湖南怀化人,学士,研究方向为植物对环境中重金属的响应及
2、营养品质,E-m a i l:1 3 1 2 5 6 6 2 1 6q q.c o m通信作者:姜成(1 9 7 8),男,吉林永吉人,博士,副教授,研究方向为重金属污染修复及植物富硒降镉,E-m a i l:j i a n g c h e n g 0 5 0 81 6 3.c o m文章编号:1 0 0 4-7 9 9 9(2 0 2 3)0 4-0 0 2 6-0 6 D O I:1 0.1 3 4 7 8/j.c n k i.j a s y u.2 0 2 3.0 4.0 0 4镉胁迫对水稻抗氧化酶和营养品质的影响肖莎莎,曹 霞,贺成峰,申晓慧,姜 成*(宜春学院 生命科学与资源环境学院
3、,江西 宜春3 3 6 0 0 0)摘要:以水稻为试验材料,采用温室水稻盆栽的方法,通过测定水稻中过氧化物酶(P O D)、超氧化物歧化酶(S O D)、过氧化氢酶(C A T)活性、稻米直链淀粉含量、蛋白质含量、氨基酸含量和胶稠度,研究不同浓度的镉胁迫对水稻抗氧化酶活性和营养品质的影响。结果表明:镉胁迫对水稻P O D、S O D和C A T活性的影响均表现为先上升后下降的趋势,但在较高镉浓度处理下,酶活性仍保持较高水平,表明水稻对镉胁迫具有较强的耐性。低浓度镉胁迫对水稻的氧化损伤较轻,高浓度胁迫则会严重影响水稻的生长和细胞代谢。镉浓度与水稻中直链淀粉、粗蛋白和1 7种氨基酸含量都成反比,与
4、胶稠度成正比,说明高浓度镉降低了稻米的营养品质。关键词:镉胁迫;水稻;抗氧化酶;营养品质中图分类号:S 5 1 1 文献标识码:A E f f e c t so f c a d m i u ms t r e s so na n t i o x i d a n t e n z y m e sa n dn u t r i t i o n a l q u a l i t yo f r i c eX I AOS h a s h a,C AOX i a,HEC h e n g f e n g,S HE NX i a o h u i,J I ANGC h e n g*(S c h o o l o fL i
5、 f eS c i e n c e sa n dR e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n t,Y i c h u nU n i v e r s i t y,Y i c h u nJ i a n g x i3 3 6 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:T h i se x p e r i m e n t a d o p t e dt h em e t h o do fp o t t e dc u l t i v a t i o ni nag r e e n h o u s eu s i n gr i c ea st h ee
6、 x-p e r i m e n t a lm a t e r i a l,a n d i n v e s t i g a t e dt h ee f f e c to f c a d m i u ms t r e s so na n t i o x i d a n te n z y m e sa n dn u t r i t i o n a lq u a l i t yb ym e a s u r i n ga c t i v i t i e so fP O D,S O D,a n dC AT,a n dc o n t e n t so fa m y l o s e,p r o t e i
7、n,a n da m i n oa c i d,a sw e l l a sg e l c o n s i s t e n c yo f r i c e.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a tP O D,S O Da n dC ATa c t i v i t i e s e x h i b i t e dat r e n do f f i r s t i n c r e a s i n ga n dt h e nd e c r e a s i n gw i t hi n c r e a s i n gc a d m i u mc o n c e n t
8、r a t i o n s,b u tt h e s ee n z y m e sr e t a i n e dh i g ha c t i v i t i e sa th i g hc a d m i u mc o n c e n t r a t i o n,i n d i c a t i n gah i g ht o l e r a n c eo fr i c et oc a d m i u ms t r e s s.O x i d a t i v ed a m a g eo c c u r r e dl e s sa tl o wc a d m i u mc o n c e n t r
9、a t i o n,b u th i g hc a d m i u mc o n c e n t r a t i o nn e g a t i v e l ya f f e c t e dr i c eg r o w t ha n dm e t a b o l i s m.C a d m i u mc o n c e n t r a t i o nw a s i n v e r s e l yp r o p o r t i o n a l t ot h ec o n t e n to f s t r a i g h t c h a i ns t a r c h,c r u d ep r o t
10、 e i na n d1 7a m i n oa c i d s i n r i c e,a n dp o s i t i v e l yp r o p o r t i o n a l t o t h ev i s c o s i t y,i n d i c a t i n gt h a th i g hc a d m i u mc o n c e n t r a t i o nr e d u c e dt h en u t r i t i o n a l q u a l i t yo f r i c e.K e y w o r d s:C a d m i u ms t r e s s;r i
11、 c e;a n t i o x i d a n t e n z y m e s;n u t r i t i o n a l q u a l i t y 第4期肖莎莎,等:镉胁迫对水稻抗氧化酶和营养品质的影响 镉是一种对人类身体危害巨大的重金属元素,具有强致癌性。镉进入到环境中后只有少部分释放到大气和水中,而绝大部分的镉以耦合物的形式留在土壤中,进而使得作物中的镉含量增加,对作物造成毒害作用,严重影响作物的产量与营养品质1。作物通过根系吸收的镉转移和积累到地上可食部分,进而通过食用进入人体2-3。食用重金属镉超标的食物会造成人体肝肾功能受损、骨质疏松等疾病4-5。水稻是我国3大主粮作物之一,但
12、水稻具有富集重金属镉的习性,也是吸收镉能力最强的3大谷类作物之一,深受镉元素的毒害。相关研究指出,食用含镉大米是造成镉进入人体的主要来源6-7。植物在受到重金属等胁迫时,会产生大量的活性氧,引起体内生理代谢紊乱8。胡婉茵等9发现,水稻体内积累过量镉会产生严重的毒性效应,影响植株的光合色素含量、呼吸强度、蒸腾和光化学效率,进而影响稻米的营养品质。植物为保障自身的正常生长,通过提高抗氧化酶的活性,消除大量活性氧带来的毒害1 0-1 2。通过研究植物抗氧化酶的活性变化,有助于探索植物对重金属胁迫的应对解毒机制,为提高植物对重金属的抗性研究提供理论依据。因此,探讨水稻生产中镉浓度对稻米抗氧化酶及营养品
13、质的影响,对保障粮食安全以及降低重金属镉污染对人体健康的威胁具有重要意义。1 材料与方法1.1 试剂及材料供试作物为水稻,土壤为农地用土。试验试剂及仪器有:氯化镉、H2O2、愈创木酚、KH2P O4、磷酸缓冲液、甲硫氨酸(M e t)、N B T、E D T A-N a2、核 黄素、研钵、离心机、烧杯、容量瓶等。1.2 处理方法在大棚中采用盆栽法种植水稻,每桶装取土样1 5k g,加水保持湿润,使土壤保持疏松。氮肥按基肥返青肥分蘖肥穗肥=42.51.52施用,磷肥作基肥一次性施入,钾肥按基肥分蘖肥穗肥=424施用。每盆栽水稻秧苗3穴,每穴5株,采用氯化镉处理,镉的处理浓度为0、1 0、2 0、
14、3 0、4 0、5 0m g/k g,每处理3次重复。水稻移栽前,先用水泡土3d,然后将配制好的氯化镉溶液均匀施入土中混匀。成熟期,将整盆植株收获,取稻米测定抗氧化物酶活性及营养品质。1.3 测定项目水稻成熟后,收割每个盆中所有水稻植株,脱粒,即采得每个盆中稻谷样品,分别取样测水稻中过氧化物酶(P O D)活性、超氧化物歧化酶(S O D)活性、过氧化氢酶(C AT)活性、直链淀粉、粗蛋白、胶稠度以及氨基酸含量。1.4 测定方法1.4.1水稻抗氧化酶活性的测定过氧化 物 酶(P O D)活 性 的 测 定 参 考 张 志 良等1 3的愈创木酚法,超氧化物歧化酶(S O D)活性测定采用李合生等
15、1 4的氮蓝四唑(N B T)光还原法,过氧化氢酶(C AT)活性的测定采用邹琦1 5的紫外吸收法。1.4.2 水稻营养成分含量分析稻米加工成精米用于营养品质分析。采用直接滴定法测定稻米中直链淀粉,采用双缩脲法1 6测定稻米中的蛋白质含量,采用H P L C-M S法1 7测定稻米中氨基酸含量,参照G B/T2 2 2 9 4-2 0 0 81 8测定稻米的胶稠度。1.5 数据统计与分析该试验数据采用S P P S2 2.0软件进行方差分析,利 用E x c e l2 0 2 1进 行 数 据 处 理 并 制 图 进 行分析。2 结果与分析2.1 镉胁迫对水稻抗氧化酶活性的影响2.1.1 镉胁
16、迫对水稻中过氧化物酶(P O D)的影响P O D与植物体内的呼吸、光合作用、生长素氧化以及木质素形成紧密相连,通过检测P O D活性,可以反映植物代谢和抗逆能力的变化。镉胁迫下,P O D活性 有 所 增 加,在 镉 浓 度 为1 0 m g/k g时,P O D活性达到最大值,为5 8 1.3 3 3U/(gm i n),之后随着镉浓度的增加,整体呈现降低的趋势,说明在镉浓度较低时,已开始对水稻产生胁迫作用,诱发水稻的应激反应,通过提高P O D活性来抵御活性氧的损伤,但随着镉浓度的升高,胁迫作用增强,P O D活性随 之 下 降。但 在 较 高 浓 度 下,与 对 照 相 比,P O D
17、活性仍保持在一定水平,说明水稻的耐镉性较强(图1)。72延 边 大 学 农 学 学 报第4 5卷 图1 镉胁迫对过氧化物酶的影响F i g.1 E f f e c t o f c a d m i u ms t r e s so np e r o x i d a s e2.1.2 镉胁迫对水稻中超氧化物歧化酶(S O D)的影响S O D是植物体内重要的保护酶之一,植物在逆境胁迫下会产生对细胞有害的活性氧和自由基,S O D通过催化歧化反应使活性氧生成过氧化氢和氧气,保护细胞避免或减轻活性氧伤害1 9。在研究植物衰老和应对压力的机制时,测定S O D活性具有重要意义。在植物正常生长时,S O D
18、的表达保持稳定,但在诸如高温、干旱和盐胁迫等逆境条件下,S O D的表达和活性会发生变化。由图2可知,镉胁迫下的水稻S O D活性值总体呈现先上升后下降的趋势,且各处理S O D活性均显著高于对照,当镉浓度到达4 0m g/k g时,S O D活性最高,当镉浓度为5 0m g/k g时,S O D活性有所减低,但仍保持在较高水平,表明水稻对镉胁迫表现出较强的耐受性。图2 镉胁迫对超氧化物歧化酶的影响F i g.2 E f f e c t o f c a d m i u ms t r e s so ns u p e r o x i d ed i s m u t a s e2.1.3 镉胁迫对水稻
19、中过氧化氢酶(C AT)活性的影响植物过氧化氢酶(C AT)是关键的保护酶之一,具有抗氧化损伤、抑菌抗炎、免疫保护、抗癌等多种生物学功能2 0,能提高植物对外界环境的适应性。由图3可知,随着镉处理浓度的升高,C AT活性增强,当镉浓度为3 0m g/k g时,C AT活性最大,随着镉浓度的继续增大,C AT活性开始下降,说明在低浓度镉处理下,水稻就表现出对镉胁迫的应激,通过提高C AT活性增强对活性氧的防御,但镉胁迫增加到一定强度时,会超过水稻的耐受极限,引起水稻C AT系统紊乱,导致C AT活性下降2 1。图3 镉胁迫对过氧化氢酶的影响F i g.3 E f f e c t o f c a
20、d m i u ms t r e s so nc a t a l a s e2.2 镉胁迫对水稻营养品质的影响2.2.1 稻米中直链淀粉含量直链淀粉的含量与结构不仅决定了大米淀粉的理化性质,也对各种大米食品的加工特性、食味品质等有 显 著 的 影 响2 2。由 图4可 知,当 镉 浓 度 为1 0m g/k g时,直链淀粉含量与对照相比,无显著差异,随着镉浓度的升高,直链淀粉含量呈现下降的趋势,且显著低于对照,镉浓度与稻米中直链淀粉含量成反比。图4 镉胁迫中稻米直链淀粉含量F i g.4 A m y l o s ec o n t e n t i nr i c eu n d e rc a d m
21、 i u ms t r e s s82 第4期肖莎莎,等:镉胁迫对水稻抗氧化酶和营养品质的影响2.2.2 稻米中粗蛋白含量粗蛋白是含氮物质的总称,是一种较粗糙的蛋白质形态。稻米中粗蛋白的含量是影响水稻重要的营养食味品质之一。由图5可以看出,稻米中粗蛋白含量随着镉浓度的增加而下降,且各处理浓度下的粗蛋白含量均显著低于对照,表明随着镉处理浓度的增加,抑制了蛋白质的合成,降低了稻米的营养品质。2.2.3 稻米中氨基酸含量谷类作物籽粒中氨基酸是人和动物的重要营养物质。提高稻米氨基酸含量特别是赖氨酸等必需氨基酸含量是水稻育种和栽培的一个重要目标和研究热点2 3。镉胁迫对稻米氨基酸的影响如表1所示,苏氨酸
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