全 文 ：书镉胁迫下蚕豆幼苗抗氧化能力
对外源犖犗和犎２犗２的响应
李源，李金娟，魏小红
（甘肃农业大学生命科学技术学院，甘肃 兰州７３００７０）
摘要：以蚕豆品种临蚕２号为试验材料，采用土培法，研究了在镉胁迫期间蚕豆幼苗抗氧化酶（ＳＯＤ、ＣＡＴ和ＰＯＤ）
活性、脯氨酸、丙二醛和活性氧含量的动态变化过程，以探讨外源 ＮＯ和 Ｈ２Ｏ２ 对镉毒害下蚕豆幼苗的保护效应。
结果表明，０．１ｍｍｏｌ／ＬＳＮＰ（外源ＮＯ供体）和０．０１ｍｍｏｌ／ＬＨ２Ｏ２ 单独处理均可缓解０．１ｍｍｏｌ／Ｌ镉对蚕豆幼苗
的氧化损伤，而二者互作处理存在正协同效应，主要表现在增强了蚕豆幼苗的保护酶活性，其中ＳＯＤ在镉胁迫７２
ｈ后活性达到峰值，比对照提高５７．８９％，ＣＡＴ和ＰＯＤ均在镉胁迫４８ｈ后活性达到最大值，分别比对照提高
６９．６０％和１０１．１８％；镉胁迫１２０ｈ时，与单镉胁迫处理相比，互作处理的脯氨酸含量提高了１３４．８８％，而 ＭＤＡ含
量、内源 Ｈ２Ｏ２ 含量和体内Ｏ２·－的产生速率下降，有效地增强了蚕豆幼苗在镉胁迫期间的抗氧化能力。
关键词：一氧化氮；双氧水；蚕豆幼苗；镉胁迫；抗氧化能力
中图分类号：Ｓ６４３．６０３．４；Ｑ９４５．７８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４５７５９（２００９）０６０１８６０６
镉是一种毒性很强的重金属，土壤中的镉不仅会对农作物产生毒害作用，如抑制植物光合作用和蒸腾作用、
干扰植物的代谢过程、加速植物衰老、影响农作物产量和品质，而且能通过食物链引进人体从而引发多种疾
病［１～３］。蚕豆（犞犻犮犻犪犳犪犫犪），属豆科一年生草本植物，除了是良好的粮、菜兼用作物外，同时其植株又是很好的肥
料，其肥效优于绿肥紫公英，对改良土壤和培肥地力具有良好效果。近年来，由于镉污染问题的日趋加剧，严重影
响了我国蚕豆的产量和质量，是蚕豆种植业发展的巨大阻力［４］。因此，如何降低镉毒害及其在蚕豆中的积累是当
前亟待解决的问题。
一氧化氮（ＮＯ）是一种不稳定的气体信号分子，在植物生长发育及其对逆境的响应等方面起着重要的调节作
用，能够使非生物胁迫条件下的植物生长发育免受活性氧（ｒｅａｃｔｉｖｅｏｘｙｇｅｎｓｐｅｃｉｅｓ，ＲＯＳ）的伤害，从而增强植物
的适应能力［５］，这种效应与植物细胞的生理条件及 ＮＯ处理浓度有关［６，７］。研究表明，ＮＯ能够通过诱导小麦
（犜狉犻狋犻犮狌犿犪犲狊狋犻狏狌犿）气孔关闭来提高其抗旱性，可以增强小麦和芦苇（犘犺狉犪犵犿犻狋犲狊犮狅犿犿狌狀犻狊）耐盐性［８，９］。同时，
ＮＯ对植物重金属毒害具有一定的保护效应［１０～１２］。近期研究还发现，ＮＯ还可以与其他信号分子协同作用增强
植物抗逆性［１３，１４］。过氧化氢（Ｈ２Ｏ２）被认为是植物中的第二信使物质，也有显著的剂量效应，并且微量的 Ｈ２Ｏ２
在某些生理现象的调控中发挥重要作用，特别是参与细胞的信号转导方面［１５］。李儒佳和李雪梅［１６］发现，水杨酸
（ＳＡ）、脱落酸（ＡＢＡ）和Ｈ２Ｏ２ 均能缓解重金属镉对小麦幼苗的毒害作用，而以０．０１ｍｍｏｌ／ＬＨ２Ｏ２ 的处理效果
最佳。
据报道，ＮＯ和 Ｈ２Ｏ２ 均可诱导蚕豆等植物叶片气孔开度减小，并且二者具有正协同作用，从而进一步调控
叶片气孔开度，提高植物抗逆性［１７］。由此想到，作为信号分子的ＮＯ和 Ｈ２Ｏ２ 都参与了植物细胞对镉胁迫的响
应过程，那么这２种信号分子协同作用能否进一步缓解镉胁迫对蚕豆的伤害作用呢？因此，本试验于２００８年８
月通过研究施加外源ＮＯ、Ｈ２Ｏ２ 及其组合对重金属镉胁迫下蚕豆幼苗的主要保护酶活性（ＳＯＤ、ＣＡＴ和ＰＯＤ）、
超氧阴离子（Ｏ２·－）产生速率、丙二醛、脯氨酸和Ｈ２Ｏ２ 含量的影响，探讨ＮＯ、Ｈ２Ｏ２ 调控镉胁迫下蚕豆的生理生
化机理，为重金属污染伤害植物的生态防御研究提供一定的科学依据。
１８６－１９１
２００９年１２月
草 业 学 报
ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ
第１８卷 第６期
Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．６
收稿日期：２００８１２３０；改回日期：２００９０２２０
作者简介：李源（１９８３），男，河南平顶山人，在读硕士。Ｅｍａｉｌ：ｌｉｙ８３８３＠ｔｏｍ．ｃｏｍ
通讯作者。Ｅｍａｉｌ：ｗｅｉｘｈ＠ｇｓａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
１ 材料与方法
１．１ 材料与处理
供试材料为蚕豆（临蚕２号）。选择饱满、大小均匀、无损伤的蚕豆种子，自来水洗净后，用 ＨｇＣｌ２ 消毒１０
ｍｉｎ。蒸馏水冲洗３～５次，用蒸馏水浸种２４ｈ，将充分吸胀的种子均匀播撒于预先灭菌处理的土壤花盆中，置于
昼夜温度（２５±１）℃条件下培育生长，自然光照，待幼苗长至６～８片真叶时，选取生长整齐一致，健康的植株进行
ＳＮＰ、Ｈ２Ｏ２ 及其组合的预处理，即分别量取４０ｍＬ处理液喷施于叶面，每隔１２ｈ处理１次，连续处理３次。３６ｈ
后开始在土壤中施以０．１ｍｍｏｌ／ＬＣｄＣｌ２·２（１／２）Ｈ２Ｏ进行重金属处理，同时叶面喷施ＳＮＰ、Ｈ２Ｏ２ 及其组合处
理，每隔１２ｈ处理１次，每个处理３次重复。具体试验设计如下：Ａ．蒸馏水（ＣＫ）；Ｂ．０．１ｍｍｏｌ／ＬＣｄＣｌ２·２
（１／２）Ｈ２Ｏ；Ｃ．０．１ｍｍｏｌ／ＬＳＮＰ＋０．１ｍｍｏｌ／ＬＣｄＣｌ２·２（１／２）Ｈ２Ｏ；Ｄ．０．０１ｍｍｏｌ／ＬＨ２Ｏ２＋０．１ｍｍｏｌ／Ｌ
ＣｄＣｌ２·２（１／２）Ｈ２Ｏ；Ｅ．０．１ｍｍｏｌ／ＬＳＮＰ＋０．０１ｍｍｏｌ／ＬＨ２Ｏ２＋０．１ｍｍｏｌ／ＬＣｄＣｌ２·２（１／２）Ｈ２Ｏ。
１．２ 测定方法
基于上述处理，分别于０（镉胁迫前），２４，４８，７２，９６和１２０ｈ后采生长状况一致的幼苗叶片进行相关生理生
化指标的测定。ＰＯＤ活性测定采用愈创木酚法［１８］。ＣＡＴ活性测定参照Ｄｈｉｎｄｓａ等［１９］的方法。ＳＯＤ活性测定
采用ＮＢＴ显色法［２０］。ＭＤＡ含量测定采用硫代巴比妥酸法［１８］。脯氨酸含量测定采用水合印三酮法［２１］。Ｈ２Ｏ２
含量测定采用邹琦［２２］的方法。Ｏ２·－含量测定采用王爱国和罗广华［２３］的方法。以上各项指标的测定每个处理均
进行３次重复。
１．３ 数据处理
数据通过 ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘｃｅｌ和ＳＰＳＳ（１３．０）软件进行统计分析。
２ 结果与分析
２．１ 外源ＮＯ与 Ｈ２Ｏ２ 对镉胁迫下蚕豆幼苗叶片保护酶活性的影响
在镉胁迫１２０ｈ内，ＮＯ、Ｈ２Ｏ２ 及其互作处理ＳＯＤ活性均呈先上升后下降的趋势（图１ａ）。ＮＯ和 Ｈ２Ｏ２ 单
独处理在镉胁迫４８ｈ时ＳＯＤ活性达到峰值，与对照相比分别提高了５５．３６％和２６．００％；互作处理ＳＯＤ活性在
镉胁迫７２ｈ时达到最大值，比对照提高了５７．８９％；７２ｈ后各处理ＳＯＤ活性均开始下降，但互作处理下降最缓
慢，其活性极显著高于ＮＯ和Ｈ２Ｏ２ 单独处理（犘＜０．０１）。
在镉胁迫０ｈ时，ＮＯ、Ｈ２Ｏ２ 及其互作处理的ＣＡＴ活性与空白对照相比均呈上升趋势（图１ｂ）；４８ｈ时，ＮＯ
和Ｈ２Ｏ２ 的互作处理ＣＡＴ活性达到峰值，其活性比对照提高了６９．６０％，且显著高于ＮＯ和 Ｈ２Ｏ２ 单独处理（犘
＜０．０５）；镉胁迫１２０ｈ，虽然互作处理ＣＡＴ活性呈下降趋势，但仍显著高于其他处理（犘＜０．０５）。
在镉胁迫期间，与ＳＯＤ活性变化趋势相同，各处理ＰＯＤ活性也呈先上升后下降的趋势，且均在镉胁迫４８ｈ
时达到峰值（图１ｃ），此时，ＮＯ、Ｈ２Ｏ２ 及其互作处理与对照相比，其ＰＯＤ活性分别提高了５９．３９％，４４．７５％和
１０１．１８％，互作处理ＰＯＤ活性与其他处理相比差异极显著（犘＜０．０１）；４８ｈ后各处理ＰＯＤ活性均开始下降；虽
然镉胁迫１２０ｈ时，各处理ＰＯＤ活性均降至最低值，但互作处理ＰＯＤ活性仍显著高于 Ｈ２Ｏ２ 单独处理（犘＜
０．０５）。
２．２ 外源ＮＯ与 Ｈ２Ｏ２ 对镉胁迫下蚕豆幼苗叶片中脯氨酸和丙二醛含量的影响
镉胁迫０ｈ，ＮＯ、Ｈ２Ｏ２ 及其互作处理和Ｃｄ单独处理脯氨酸含量均高于空白对照（图２ａ）；４８ｈ后，各处理脯
氨酸含量明显增加，且随着胁迫时间的延长蚕豆幼苗叶片内脯氨酸含量呈持续上升趋势；镉胁迫１２０ｈ，ＮＯ、
Ｈ２Ｏ２ 及其互作处理与单镉处理相比，脯氨酸含量分别提高了７０．２３％，６６．８５％和１３４．８８％，互作组合与其他处
理之间差异极显著（犘＜０．０１）。
镉胁迫期间，与对照相比，各处理 ＭＤＡ含量均随胁迫时间的延长而提高，互作处理下 ＭＤＡ含量的上升趋
势最为缓慢，而单镉胁迫处理下 ＭＤＡ含量上升幅度最大，其中ＮＯ和 Ｈ２Ｏ２单独处理均可缓解 ＭＤＡ的大量生
成（图２ｂ）。镉胁迫０ｈ，ＮＯ、Ｈ２Ｏ２ 及其互作处理 ＭＤＡ含量均有所增加；镉胁迫１２０ｈ，单镉处理下 ＭＤＡ含量
分别比ＮＯ、Ｈ２Ｏ２ 及其互作处理高１９．２９％，１４．６３％和６３．４９％，显著高于其他处理（犘＜０．０５），说明细胞受到的
伤害最严重，ＮＯ、Ｈ２Ｏ２ 及其互作处理 ＭＤＡ含量上升较缓慢，其中互作处理缓解膜脂损伤的效果最为明显。
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图１ 外源犖犗与犎２犗２ 对镉胁迫下蚕豆幼苗
叶片犛犗犇、犆犃犜和犘犗犇活性的影响
犉犻犵．１ 犈犳犳犲犮狋狅犳犖犗犪狀犱犎２犗２狅狀狆狉狅狋犲犮狋犻狏犲
犲狀狕狔犿犲狊犮犪狋犻狏犻狋狔犻狀犺狅狉狊犲犫犲犪狀狊犲犲犱犾犻狀犵
犾犲犪狏犲狊狌狀犱犲狉犆犱狊狋狉犲狊狊
图２ 外源犖犗与犎２犗２ 对镉胁迫下蚕豆幼苗叶片中脯氨酸和丙二醛含量的影响
犉犻犵．２ 犈犳犳犲犮狋狅犳犖犗犪狀犱犎２犗２狅狀犮狅狀狋犲狀狋狊狅犳犘狉狅犾犻狀犲犪狀犱犕犇犃犻狀犺狅狉狊犲犫犲犪狀狊犲犲犱犾犻狀犵犾犲犪狏犲狊狌狀犱犲狉犆犱狊狋狉犲狊狊
２．３ 外源ＮＯ与 Ｈ２Ｏ２ 对镉胁迫下蚕豆幼苗叶片中Ｈ２Ｏ２ 和Ｏ２·－含量的影响
镉胁迫０ｈ，ＮＯ、Ｈ２Ｏ２ 及其互作处理的叶片中Ｈ２Ｏ２ 含量与空白对照相比均有所下降（图３ａ）；随着镉胁迫
时间的延长，各处理下Ｈ２Ｏ２ 含量与对照相比均呈上升的趋势；镉胁迫４８ｈ后，各处理Ｈ２Ｏ２ 含量均显著提高；在
镉胁迫期间，又以单纯镉胁迫处理的Ｈ２Ｏ２ 含量上升趋势最为明显，ＮＯ与 Ｈ２Ｏ２ 的互作处理则可以较为有效抑
制Ｈ２Ｏ２ 的产生；镉胁迫１２０ｈ，ＮＯ、Ｈ２Ｏ２ 及其互作处理 Ｈ２Ｏ２ 含量与单纯镉胁迫相比分别降低了１６．８７％，
１３．６２和２３．３７％，互作处理显著优于其他处理（犘＜０．０５）。
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镉胁迫期间，叶片中Ｏ２·－产生速率的变化趋势与 Ｈ２Ｏ２ 含量变化趋势相似（图３ｂ）：镉胁迫０ｈ，ＮＯ、Ｈ２Ｏ２
及其互作处理叶片中Ｏ２·－产生速率均有所提高，且在镉胁迫７２ｈ前其产生速率提高较为缓慢；镉胁迫７２ｈ后，
ＮＯ、Ｈ２Ｏ２ 及其互作处理Ｏ２·－产生速率有显著提高，但仍低于单纯镉胁迫处理；镉胁迫１２０ｈ，互作处理下Ｏ２·－
产生速率分别比ＮＯ、Ｈ２Ｏ２ 和单镉处理低１０．２４％，１６．０６％和２１．１５％，显著低于其他处理（犘＜０．０５）。
图３ 外源犖犗与犎２犗２ 对镉胁迫下蚕豆幼苗叶片中犎２犗２ 含量和犗２·－产生速率的影响
犉犻犵．３ 犈犳犳犲犮狋狅犳犖犗犪狀犱犎２犗２狅狀犮狅狀狋犲狀狋狊狅犳犎２犗２犪狀犱犗２·－ 狆狉狅犱狌犮狋犻狅狀狉犪狋犲
犻狀犺狅狉狊犲犫犲犪狀狊犲犲犱犾犻狀犵犾犲犪狏犲狊狌狀犱犲狉犆犱狊狋狉犲狊狊
３ 讨论
植物细胞内的ＰＯＤ、ＳＯＤ和ＣＡＴ等抗氧化酶可以在一定程度上清除各种逆境因子导致的活性氧，从而有
效地阻止其在植物体内的积累［２４～２７］。硝普钠（ＳＮＰ）是一种重要的 ＮＯ供体，０．５ｍｍｏｌ／ＬＳＮＰ能产生约２．０
μｍｏｌ／ＬＮＯ
［２８］。研究表明，外源ＮＯ能提高低温胁迫下黑麦草（犔狅犾犻狌犿狆犲狉犲狀狀犲）保护酶活性，尤其是ＰＯＤ活性
来增强其抗冷性［２９］，并与其他信号分子———蔗糖协同作用从而更有效地提高番茄（犔狔犮狅狆犲狉狊犻犮狅狀犲狊犮狌犾犲狀狋狌犿）幼
苗叶片的保护酶活性［１３］。本试验进一步证明了ＮＯ除了可提高植物抗冷性和抗盐性外，还可以增强植物的抗镉
能力，低浓度的ＳＮＰ（０．１ｍｍｏｌ／Ｌ）可以增强镉胁迫下蚕豆幼苗的抗性，但其效果略高于 Ｈ２Ｏ２ 单独处理。进一
步采用０．１ｍｍｏｌ／ＬＳＮＰ与０．０１ｍｍｏｌ／ＬＨ２Ｏ２ 组合发现，其能够更有效的诱导抗氧化酶活性的增强，显著提高
镉胁迫下蚕豆幼苗清除活性氧的能力。
生物膜在植物逆境胁迫研究中占重要地位，许多研究证实生物膜与植物抗性关系密切［２５，３０］。在正常条件
下，植物体内活性氧的产生与清除处于动态平衡的状态，由于细胞内自由基浓度很低，不会对植物造成伤害。但
当植物遭受到逆境胁迫时，体内活性氧的产生与清除之间的平衡被破坏，引发膜脂过氧化反应，从而引起膜的渗
漏，使细胞膜透性增强［３１］。在本试验胁迫期间，与０．１ｍｍｏｌ／ＬＳＮＰ和０．０１ｍｍｏｌ／ＬＨ２Ｏ２ 单独处理相比，０．１
ｍｍｏｌ／ＬＳＮＰ与０．０１ｍｍｏｌ／ＬＨ２Ｏ２ 的互作处理下 ＭＤＡ含量明显减少，其更有效的降低了镉对蚕豆幼苗生物
膜的氧化损伤，从而能较好地维持细胞膜的稳定性。
活性氧虽然具有一定的积极作用，如致使过敏细胞死亡、抵御病原体侵入细胞和作为第二信使调控抗病相关
基因的表达并启动植物抗毒素合成基因的转录［３２］。但植物在遭受环境胁迫时，活性氧会大大增加，而Ｏ２·－是活
性氧中最丰富的一种［３３］。活性氧可使酶失活，膜脂被氧化，核酸缺失，甚至引起突变［３４，３５］。如超氧化物可使一些
含金属的酶类失活；羟自由基可以引发磷脂的过氧化，生成 ＭＤＡ，破坏细胞的膜结构［３６］。所以，植物体内活性氧
水平的稳定对维持植物体新陈代谢的正常进行具有重要作用。试验中发现，在镉胁迫初期，０．１ｍｍｏｌ／ＬＳＮＰ与
０．０１ｍｍｏｌ／ＬＨ２Ｏ２ 的互作处理能够显著抑制蚕豆幼苗叶片中活性氧的生成，但是在镉胁迫７２ｈ后各处理下活
性氧含量均有显著提高，其变化规律与抗氧化酶类（ＰＯＤ、ＳＯＤ和ＣＡＴ）相似，这可能与互作处理能更有效的提
９８１第１８卷第６期 草业学报２００９年
高蚕豆幼苗抗氧化能力有关。由此推测，ＮＯ和 Ｈ２Ｏ２ 作为信号分子在调控镉胁迫下蚕豆幼苗叶片保护酶活性
等方面具有共同的信号通路。
刘新等［１７］研究表明在调控气孔运动中ＮＯ和 Ｈ２Ｏ２ 具有相互依赖性，ＮＯ和 Ｈ２Ｏ２ 信号分子具有信号自身
放大功能，共同参与了对气孔的调控。此外，ＮＯ还可以经 Ｈ２Ｏ２ 介导间接对顺乌头酸酶产生抑制作用［３７］。在激
活防御反应上，ＮＯ和Ｈ２Ｏ２ 之间还存在互补作用［１７］。植物防御镉胁迫是一个复杂的生理过程，其中包括许多一
系列复杂的信号传导链和信号转导机制。目前，国内外开始重视从基因水平去研究植物抗污染的作用机理［３８］，
而ＮＯ和Ｈ２Ｏ２ 又都可以在一定程度上诱导植物某些防御基因的表达［１７］。本试验中，研究了镉胁迫下蚕豆幼苗
一些重要抗性指标的动态变化规律，从而证明了二者之间在缓解重金属胁迫方面具有正协同作用，进一步提高了
蚕豆幼苗的抗氧化能力，但是二者在诱导抗逆基因表达方面的互作作用还有待进一步研究。
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犓犲狔狑狅狉犱狊：ＮＯ；Ｈ２Ｏ２；ｈｏｒｓｅｂｅａｎ（犞犻犮犻犪犳犪犫犪）ｓｅｅｄｌｉｎｇ；Ｃｄｓｔｒｅｓｓ；ａｎｔｉｏｘｉｄａｔｉｖｅｃａｐａｂｉｌｉｔｙ
１９１第１８卷第６期 草业学报２００９年