锶胁迫对玉米幼苗生长及生理生化响应的研究

常思宇++王建英++王晶妍

摘要：以玉米（Zea mays L.）种子和幼苗为研究对象，考察了不同浓度锶胁迫对玉米种子发芽率、幼苗根长、株高以及叶片中叶绿素含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性、过氧化物酶（POD）活性和丙二醛（MDA）含量的影响。结果表明，放射性核素锶对玉米种子的发芽及幼苗的生长具有双向作用，即低浓度促进，高浓度抑制的作用；随着锶胁迫浓度的增加，SOD活性呈现先增加后下降的趋势，而POD活性总体呈下降趋势，MDA含量总体呈升高趋势，表明玉米幼苗在放射性核素锶胁迫过程中经历了忍耐和逐渐受损的过程。

关键词：锶胁迫；玉米（Zea mays L.）；叶绿素；生理生化

中图分类号：S513 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）01-0032-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.01.009

Effects of Strontium Stress on the Growth and Physiological and Biochemical Characteristics of Corn Seedling

CHANG Si-yu1，2，WANG Jian-ying1，WANG Jing-yan1

（1.Key Laboratory of Integrated Exploitation of Bayan Obo Multi-Metal Resources， Inner Mongolia University of Science and Technology， Baotou 014010， Inner Mongola， China； 2.Mathematics and Bioengineering College， Inner Mongolia University of Science and Technology， Baotou 014010， Inner Mongola， China）

Abstract： Taking corn seeds and seedlings as material，the effects of strontium on the maize seed germination rate，root length and plant height of seedings， chlorophyll content，superoxide dismutase （SOD） activity，peroxidase （POD） activity and malondial-dehyde（MDA） content of leaves were studied. The results showed that radionuclide strontium had two-phase effects on maize seed germination and seedling growth，low doses promoted the proliferation of osteoblasts，but high doses inhibited the proliferation. With the concentrations of strontium increasing，the activities of SOD decreased initially and then increased，and the activities of POD decreased，whereas the content of MDA increased， which indicated that the maize seedlings undergo the process of the tolerance to be damaged under radionuclide strontium stress.

Key words： strontium stress； corn（Zea mays L.）； chlorophyll； physiology and biochemistry

隨着核工业的迅速发展，铀、钍、铯、锶等放射性核素不断进入水体、土壤，给环境带来的潜在污染越来越引起人们的关注[1，2]。锶作为放射性核素的一种，其可能对环境造成危害的形态为89Sr和90Sr[3]，往往通过吸附或摄食进入并累积在生物体内，最后通过食物链传递给人类。锶进入人体后，可以诱导多种肿瘤及白血病的发生，对人类的健康造成极大的危害。

锶主要来源于核工业废弃物和核原料的开采。随着核原料需求的加大，大量的金属选冶废渣和废水进入环境，已成为一种极具危害性的复合污染源[4]。中国大部分尾矿库中的各类污染物浓度呈现逐年升高的趋势，这些污染物直接或间接地影响着当地农作物和动植物的正常生长发育与遗传损伤。相关研究[5-7]表明，干旱、高温、重金属等因素胁迫作用都会影响植物的生长及体内活性氧化代谢系统的平衡，产生大量的氧自由基，这些自由基能破坏膜的完整性，造成膜的选择透过性丧失，细胞内含物外渗，代谢紊乱，导致一系列有害的生理生化变化[8]。近年来，国内外相继开展了铯、锶、铀[9，10]对农作物种子萌发和幼苗生长的影响，以及农作物对这些污染物吸收和累积规律方面的研究。而关于锶胁迫玉米生理生化的影响还鲜有报道。本试验以玉米（Zea mays L.）为研究对象，考察了不同浓度的锶溶液对玉米株高、叶绿素以及超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）及丙二醛（MDA）含量等抗氧化指标的影响，为探讨锶胁迫对植物的伤害机理和生物监测提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

仪器：分光光度计、电子天平、移液枪、恒温水浴锅、电磁炉、刻度试管、容量瓶、剪刀等。

藥剂：氯化锶，邻苯三酚、硫代巴比妥酸、愈创木酚等药剂均为国产分析纯。

材料：玉米品种博新34号。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计与方法 分别设置种子发芽试验和盆栽试验两类，种子发芽试验在培养皿中进行，试验前将培养皿清洗干净，并在底部垫上3层纱布，经灭菌处理后烘干备用。以分析纯氯化锶溶液为母液，分别稀释成锶浓度为2、4、6、8 g/L的处理液。在培养皿中分别加入不同浓度的处理液至浸湿纱布，然后放入10粒子粒饱满，无种皮破裂的完整玉米种子，96 h后统计种子的发芽数量和根长，连续统计 3 d后计算发芽率；盆栽试验采用高16 cm、直径20 cm的砖红色塑料花盆，每桶装过筛土壤作为栽培基质，放置7 d后播种。播种后，每隔1 d分别向盆栽中加入50 mL的处理液，以不添加氯化锶的处理液为对照，每个实验平行做3组。在光照培养箱中进行光（光照15 h、28 ℃、光照度9 000 lx）暗（黑暗9 h、18 ℃）交替培养，分别于不同时间取样测定发芽率、株高、叶绿素等指标。其中，发芽率（GR）=规定日期的发芽数/供试种子数×100%；发芽指数=∑（Gi/Di），式中，Gi为第i天发芽种子数，Di为时间。

1.2.2 生理生化指标的测定 叶绿素含量采用叶绿素测定仪（浙江托普，TYS-B）测定；SOD活性测定采用邻苯三酚自氧化法[11]；POD活性测定采用愈创木酚法[11]；MDA含量测定采用硫代巴比妥酸法[12]，所有指标均重复测定3次。

1.3 数据分析

采用Excel软件整理数据并进行方差分析，利用SPSS 17.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同浓度锶胁迫对玉米种子萌发及生长的影响

为了考察锶胁迫对玉米种子萌发及生长的抑制效果，考察了锶浓度分别为0、2、4、6、8 g/L时对玉米种子发芽和生长的影响，所得结果如表1所示。由表1可以看出，玉米的发芽率随着锶浓度的增加呈现降低的趋势。在锶浓度为0～4 g/L时，种子的发芽率变化较小，玉米种子萌发速率较快，大约在24 h后，玉米种子即可胀破种皮有萌发迹象，随着时间的延长，胚芽生长速率较快，可长至2.2 cm左右，说明低浓度锶胁迫对玉米的发芽率影响较小；当进一步提高锶的浓度时，种子的萌发缓慢，虽然种子也有萌发迹象，但胚芽较短（<1 cm），随胁迫处理时间的增加，种子发芽率下降趋势显著，说明高浓度的锶对玉米种子的萌发具有严重的抑制效果。盆栽中玉米生长20 d后的根长和株高对土壤中锶胁迫的反应十分明显，随着锶浓度的增加，平均根长和株高变化显著，均呈现先增加后减少的趋势，锶浓度为4 g/L时，玉米根系和株高均达到最大值。根系的生长对锶胁迫的响应更加敏感。

2.2 不同浓度锶胁迫对玉米叶片叶绿素含量的影响

在植物的光合作用中，叶绿素对光能的吸收、传递和转化起着极为重要的作用，其含量的变化既可反映植物叶片光合作用功能的强弱，也可用以表征逆境胁迫下植物组织器官的衰老状况。考察了不同锶浓度对玉米幼苗叶片叶绿素含量的影响，所得结果如图1所示。由图1可知，玉米幼苗在不同浓度锶胁迫下，叶片中叶绿素含量发生明显的变化，随着锶浓度的增加，叶片叶绿素含量呈先增加后减少的趋势。锶浓度为2 g/L时，叶片中叶绿素含量高于对照，说明其在此浓度下，叶绿素的合成受到促进，这可能也是低浓度的Sr2+可以促进植物生长的原因之一；但当锶浓度达到4 g/L时，叶绿素含量的变化呈现明显的下降趋势，其原因可能是过量的锶改变合成叶绿素的关键酶的构象，导致酶失活，抑制叶绿素的合成，随着叶绿素的分解不断进行，细胞膜的结构遭到破坏，造成植物体一系列生理代谢的紊乱，从而抑制植物的生长。

2.3 锶胁迫对玉米活性氧代谢的影响

2.3.1 锶胁迫对玉米SOD活性的影响 SOD是生物体内的重要保护酶之一，它与POD、CAT等协同作用构成生物体内的保护酶系统，以清除在逆境条件下或衰老过程中氧自由基的积累对生物膜的破坏。由图2可知，不同浓度锶胁迫下，玉米叶片中SOD活性呈先增加后降低的趋势，在锶浓度为4 g/L时，酶活性达到最高，是抗氧化损伤自身保护的趋势；随着浓度的进一步升高，SOD活性呈降低趋势，在浓度为8 g/L时，活性降至70.15 U/（g·min），说明锶的胁迫性毒害作用使整体细胞活性下降。

2.3.2 锶胁迫对玉米POD活性的影响 POD是植物体内抗氧化酶系统的重要组成部分，它能将H2O2转化成O2和H2O，其活性的高低能反映植物受毒害的程度以及植物对逆境的适应能力。考察了不同浓度锶胁迫对玉米幼苗叶片中POD活性的影响，所得结果如图3所示。由图3可知，不同锶胁迫浓度下玉米幼苗的POD活性整体呈现先增加后下降趋势，当锶浓度小于4 g/L时，变化幅度较小；但大于该值时，下降幅度逐渐变大，特别是锶浓度为8 g/L时，POD活性比锶浓度为6 g/L时下降了51.9%，其主要原因为锶胁迫下，生物体自身有抗氧化机制，但这种能力是有限的，一定程度后这种机制会被破坏或者被其他机制替代，从而造成酶活性的下降[13]。

2.3.3 锶胁迫对玉米MDA含量的影响 MDA被认为是植物体在逆境条件下发生膜脂过氧化作用的产物之一，其可作为膜脂过氧化强弱的一个重要指标。由图4可以看出，当锶浓度在0～4 g/L范围内时，随着锶浓度的增加，MDA含量呈现先增加后减少趋势，而锶浓度大于4 g/L时，MDA含量增加幅度较大，表明高浓度的锶胁迫危害下玉米幼苗叶片受到明显的氧化损伤。当锶浓度为8 g/L时，MDA含量达最高值，说明对植物已造成了伤害，锶在玉米幼苗体内的不断积累，导致膜脂过氧化作用加剧，MDA含量增大，进而MDA与生物膜上的蛋白质酶结合，导致蛋白质分子内和分子间发生交联，从而使其失去活性，引起膜丧失正常功能，该结果与刘慧芹等[14]的结果类似。

3 結论

锶对玉米种子的发芽和生长具有低浓度促进高浓度抑制作用，对玉米幼苗的生理生化指标影响较大。低浓度锶胁迫对玉米叶绿素含量具有促进作用，玉米幼苗叶片清除活性氧的能力增加，减少了活性氧对其的伤害，使其保持了较好的结构和功能；但高浓度的锶胁迫不仅对玉米幼苗叶片中叶绿素的产生有抑制作用，而且还造成玉米幼苗体内活性氧自由基产生速度超过了植物清除氧的能力，增强了活性氧对细胞的伤害，破坏了玉米幼苗自身的抗氧化基质，加剧了膜脂的过氧化作用，使蛋白质失去活性，引起膜功能的丧失。

参考文献：

[1] 史建君.放射性核素对生态环境的影响[J].核农学报，2011，25（2）：397-403.

[2] 贾秀芹.麻疯树对铯、锶胁迫的生理生化响应及富集[D].四川绵阳：西南科技大学，2012.

[3] 刘建琴，陈 珂.垂柳幼苗对锶胁迫的生理生化响应[J].安徽农业科学，2013，41（3）：1399-1401.

[4] SHURAN L，SHUJIN L. The discussion about the safety management of the mine tailings pond near the mine stope[J]. Procedia Engineering，2011，26：1901-1906.

[5] 马富举，李丹丹，蔡 剑，等.干旱胁迫对小麦幼苗根系生长和叶片光合作用的影响[J].应用生态学报，2012，23（3）：724-730.

[6] 张桂莲，陈立云，张顺堂，等.高温胁迫对水稻花粉粒性状及花药显微结构的影响[J].生态学报，2008，28（3）：1089-1097.

[7] 李 洋，于丽杰，金晓霞.植物重金属胁迫耐受机制[J].中国生物工程杂志，2015，35（9）：94-104.

[8] 袁 敏，铁柏清，唐美珍.重金属单一污染对龙须草叶绿素含量和抗氧化酶系统的影响[J].土壤通报，2005，36（6）：115-118.

[9] 唐永金，罗学刚，江世杰，等.锶、铯、铀对5种植物种子发芽的影响[J].种子，2013，32（4）：1-4.

[10] 聂小琴，李广悦，吴彦琼，等.铀胁迫对大豆和玉米种子萌发和幼苗生长及SOD与POD活性的影响[J].农业环境科学学报，2010，29（6）：1057-1064.

[11] 郝建军，康宗利，于 洋.植物生理学实验技术[M].北京：化学工业出版社，2007.

[12] 蔡 骏，李 颖，尹宗宁.邻苯三酚法测定超氧化物歧化酶缓释片中SOD的活性[J].华西药学杂志，2005，20（1）：54-55.

[13] 徐学华，黄大庄，王连芳，等.土壤铅、镉胁迫对红瑞木生长及生理生化特性的影响[J].水土保持学报，2009，23（1）：213-216，221.

[14] 刘慧芹，韩巨才，刘慧平，等.铅梯度胁迫对多年生黑麦草幼苗生理生化特性影响[J].草业学报，2012，21（6）：57-63.