镉（Cd）是植物非必需元素，具有很强的毒性，能够使植物叶片失绿、损害光合系统、抑制一些代谢相关酶的活性，从而显着影响植物的生长发育^[1].玉米是我国重要粮食作物，Cd胁迫能显着抑制玉米生长、降低玉米产量^[2].了解玉米对Cd胁迫的响应机制、探讨Cd对玉米生长抑制效应的缓解措施，对我国玉米的安全生产具有重要意义。多胺是植物体内一类具有生物活性的低分子量脂肪族含氮碱的总称，被认为是生长调节物质或激素的第二信使^[3],其具有刺激细胞分裂、促进生长、延缓衰老、调节植物生长发育等方面的作用^{[4, 5, 6, 7]}.前人研究表明多胺在植物响应逆境胁迫中也发挥着重要作用。Duan等^[8]研究表明，多胺能够显着缓解水分胁迫对小麦生长的抑制作用；Kamiab等^[9]研究认为多胺有利于提高植物对盐胁迫的抗性；Yin等^[10]研究发现外源硅对高粱抗旱性的提高作用与其提高植株体内多胺含量有关。有研究发现多胺在植物响应Cd胁迫的过程中同样发挥着重要作用。徐勤松等^[11]研究表明，外源喷施亚精胺（Spd）能够增强槐叶苹的抗Cd胁迫能力；汤春芳等^[12]研究发现喷施Spd能够缓解Cd对宽叶香蒲的毒害作用。以上研究结果表明，多胺可能参与了植物对Cd胁迫的响应过程，但是关于Cd胁迫下多胺对玉米生长的影响还缺乏相关研究。基于此，本研究选择对Cd敏感性不同的玉米品种，主要研究：（1）Cd胁迫下，不同玉米品种内源Spd、精胺（Spm）、腐胺（Put）等多胺含量变化与Cd胁迫之间的关系；（2）在Cd胁迫条件下，外源施用Spd、Spm和Put对玉米生长、抗氧化酶活性以及光合速率等指标的影响，探讨利用外源多胺缓解玉米Cd胁迫的相关机制。 1 材料与方法 1.1 不同基因型玉米对Cd胁迫的响应

试验在西北农林科技大学科研温室进行。根据本课题组前期研究结果^[13],选取对Cd胁迫敏感性不同的玉米品种4个：对Cd胁迫不敏感的新户单4号和郑单518,对Cd胁迫敏感的陕单2001和张玉8号，进行水培试验。设置2个Cd处理水平：无Cd对照（T1,0 mg·L^-1）和Cd胁迫处理（T2,100 mg·L^-1）.将各个品种的种子播于装满石英砂的白瓷盘中发芽出苗，待长至二叶期取生长一致的幼苗，清洗干净，移入4 L水培箱中进行营养液培养。试验采用双因素随机区组设计，4个玉米品种、2个Cd处理水平，共8个处理，每个处理重复3次，每个重复设5个水培箱，共计120个培养箱。每个水培箱在铺设的泡沫板上打6个孔，每个孔中移栽1颗苗，用海绵固定。每个处理供给营养液为Hoagland营养液^[14],每隔3 d更换一次营养液，每天用HCl或NaOH调pH值，使pH值在5.5~6.0之间。Cd胁迫处理在营养液中加入CdCl₂·5H₂O.处理当天以及处理后6、12、18、24 d取样分别测定玉米叶片Spm、Spd、Put含量，每次取样5株玉米幼苗。同时在处理24 d后取样5株玉米幼苗，测定植株高度、植株地上部干重、根干重等指标。 1.2 Cd胁迫下外源多胺对玉米苗期生长的影响

根据上述试验结果，张玉8号对Cd胁迫敏感，因此外源多胺试验选择张玉8号为研究对象，进行水培试验。试验设置5个处理：Cd处理，营养液中含100 mg·L^-1 Cd;S1处理，营养液中含100 mg·L^-1 Cd和1 mmol·L^-1 Spd;S2处理，营养液中含100 mg·L^-1 Cd和1 mmol·L^-1 Spm;P1处理，营养液中含100 mg·L^-1 Cd和1 mmol·L^-1 Put;CK处理，营养液中不含Cd.

种子播种、育苗、移栽过程以及营养液配方、施用同上，每个处理5个水培箱，重复3次，共75个培养箱。在处理后6、12 d测定植株最上一片展开叶的净光合速率（Pn）和叶片叶绿素含量（SPAD值）,同时取样测定植株最上一片展开叶超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）等抗氧化酶活性和丙二醛（MDA）含量。每个处理每次取样10株用于测定指标，重复3次。在移栽后24 d,取样测定植株高度、植株地上部干重、根干重，每个处理测定10株植株。 1.3 测定方法

多胺含量的测定参照刘俊等^[15]报道，采用高效液相色谱法测定。SOD活性采用氮蓝四唑（NBT）光化还原法测定，POD活性采用愈创木酚法测定，CAT活性采用240 nm光密度比色法测定，MDA含量采用硫代巴比妥酸（TBA）显色反应测定，具体测定参照张蜀秋^[16]方法。旗叶光合速率使用便携式光合作用仪（LI-6400R）测定，旗叶叶绿素含量采用日本产SPAD-502型叶绿素计测定。将根、茎叶分装后105 ℃杀青15 min,70 ℃烘至恒重后测定植株地上部干重、根干重。 1.4 统计分析

采用 SPSS version13.0 软件进行统计分析。 2 结果与分析 2.1 不同基因型玉米生物学指标对Cd胁迫的响应

Cd胁迫显着抑制了玉米幼苗生长（表 1）.各品种Cd胁迫处理株高、地上部干物质重、根干物质重、总干物质重均显着低于相对应的无Cd对照。但是，不同品种对Cd胁迫的响应程度存在明显的差异，新户单4号和郑单518各指标变异系数（CV,Cd胁迫处理的测定值/无Cd对照测定值）均大于70%,而陕单2001和张玉8号各生长指标变异系数均小于55%.这表明，新户单4号和郑单518对Cd胁迫有较强的抗性，而陕单2001和张玉8号对Cd胁迫抗性较弱。

表 1 Cd对不同基因型玉米幼苗生长的影响 Table 1 Effect of cadmium on maize seedling growth

表选项

在无Cd条件下，各品种叶片中Put、Spd和Spm含量变化较为稳定，且并未表现出明显的基因型之间的差异（图 1）.Cd胁迫显着提高了玉米叶片中Put含量，但不同品种玉米叶片中Put含量随Cd胁迫持续的时间有不同的变化。对Cd胁迫抗性较强的新户单4号和郑单518,其叶片中Put含量在处理后6 d达到峰值，对Cd胁迫抗性较弱的品种陕单2001和张玉8号，其叶片中Put含量在处理后12 d达到峰值，且峰值显着高于新户单4号和郑单518.处理6 d后，新户单4号和郑单518叶片中Put含量开始下降至处理0 d时的水平，而陕单2001和张玉8号叶片中Put含量在处理12 d后才开始下降，但仍显着高于处理0 d时的水平。与Put类似，在处理早期Cd胁迫显着提高了玉米叶片中Spd和Spm含量，对于对Cd胁迫抗性较强的新户单4号和郑单518,处理后24 d内其叶片中Spd和Spm含量均显着高于单独Cd胁迫处理，而对Cd胁迫抗性较弱的陕单2001和张玉8号，在处理后12 d内叶片中Spd和Spm含量显着高于单独Cd胁迫处理，但是处理后24 d这2个品种叶片中Spd和Spm含量与对照无显着差异，甚至有低于无Cd对照的趋势。同时，在Cd胁迫下，对Cd胁迫抗性较强的郑单518和新户单4号其叶片中Spd和Spm含量显着高于对Cd胁迫抗性较弱的陕单2001和张玉8号。

图 1 Cd胁迫对玉米叶片中内源多胺含量的影响 Figure 1 Effect of cadmium on polyamine content in leaves of maize seedlings

图选项

Cd处理显着抑制了玉米幼苗（张玉8号）生长。Cd处理株高、茎叶干物质重、根干物质重等均显着低于CK处理（表 2）.与Cd处理相比，S1和S2处理株高、茎叶干物质重、根干物质重及总干物质重均显着提高，表明外源Spm和Spd缓解了Cd对玉米幼苗生长的抑制作用。与此不同，P1处理株高、地上部干物质重、根干物质重及总干物质重均低于Cd处理，但二者之间差异未达到显着水平。

表 2 Cd胁迫下外源Spd、Spm、Put对玉米幼苗生长的影响 Table 2 Effects of external Spd,Spm and Put on maize growth under Cd stresses

表选项

在处理后8 d和16 d时，Cd胁迫处理叶片中SOD、CAT、POD的活性均显着低于CK处理，而Cd胁迫处理叶片中MDA含量显着高于CK（图 2）.S1和S2处理下，SOD、CAT、POD的活性均显着高于单一Cd胁迫处理，但均低于CK处理。与此相反，S1和S2处理MDA含量显着低于Cd胁迫处理，但高于同期CK.与Spm和Spd不同，外源施用Put对叶片SOD、CAT、POD活性及MDA含量均无显着影响。

图 2 Cd胁迫下多胺对玉米幼苗叶片抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性和MDA含量的影响 Figure 2 Effect of external polyamine on antioxidant enzyme（SOD,POD,CAT） activities and MDA content in leaves of maize seedlings under Cd stresses

图选项

Cd胁迫处理显着抑制了玉米叶片叶绿素合成及光合作用，在处理后8 d和16 d时，Cd处理叶片SPAD值和净光合速率显着低于CK（图 3）.外源Spd和Spm明显缓解了Cd胁迫对玉米叶片叶绿素合成及光合作用的抑制作用，在处理后8 d和16 d,S1和S2处理叶片SPAD值和净光合速率均显着高于Cd处理，但均低于CK.与此不同，外源Put对叶片SPAD值和净光合速率均无显着影响，且P1处理叶片SPAD值和净光合速率均低于Cd处理。

图 3 Cd胁迫下多胺对玉米幼苗叶片净光合速率和SPAD值的影响 Figure 3 Effects of external polyamine on net photosynthetic rates and SPAD of maize seedling leaves under Cd stresses

图选项

本研究结果显示，4个玉米品种苗期对Cd的敏感性明显不同，新户单4号和郑单518各指标耐Cd指数均大于70%,而陕单2001和张玉8号各生长指标耐Cd指数均小于55%.这表明，不同基因型玉米苗期对Cd胁迫的敏感性存在显着差异。有研究表明，植物种间及品种间对Cd耐性存在明显差异^{[17, 18, 19]}.季书勤等^[20]研究表明不同小麦品种对重金属的吸收率不同。伍钧等^[21]研究表明，不同玉米品种对不同重金属的吸收累积能力存在较大差异。

本研究中对Cd胁迫抗性不同的4个玉米品种其内源多胺变化存在明显差异，且不同类型多胺变化不同。不同耐性玉米品种内源Spm和Spd含量变化差异表明：Spm和Spd含量的提高或积累有利于提高玉米幼苗对Cd胁迫的抗性；外源施用Spd和Spm下，玉米显着增加的生物量等指标也证实了Spm和Spd含量的提高或积累有利于提高玉米幼苗对Cd胁迫的抗性。前人在槐叶苹^[11]、宽叶香蒲^[12]等植物上的研究表明，外源施用Spd能够缓解Cd对植物生长的抑制作用。这表明，与其他植物一致，Spd和Spm能够缓解Cd对玉米生长的抑制作用，但只能部分缓解Cd胁迫对玉米幼苗生长的抑制作用，并不能完全消除Cd对玉米生长的抑制作用。

关于Put在植物抗逆性中的作用，前人研究存在一定争议，有研究认为Put能够缓解水分、盐胁迫等逆境胁迫对植物生长的抑制作用^[22],但是也有研究认为Put的积累不利于植物对逆境胁迫的适应，反而会加剧逆境胁迫对植物生长的抑制作用^[23].本研究表明，内源试验中，相对于对Cd不敏感玉米品种，对Cd敏感型玉米品种具有较高含量的Put,表明Put在抵御Cd胁迫的过程中起到有限或间接的作用。外源添加Put未能显着促进Cd胁迫下玉米的生长，这一结果进一步证明了以上论断。Put是Spm和Spd的合成前体^[3],Put的提高能够为Spm和Spd的合成提供底物，而对Cd胁迫抗性不同的玉米品种其由Put向Spd和Spm转化的能力不同：对Cd胁迫抗性较强的新户单4号和郑单958,Cd胁迫后其Put含量提高的同时Spd和Spm含量也迅速提高，且其Spd和Spm含量在处理后24 d内一直显着高于对照，同时其Put含量迅速下降；对Cd胁迫抗性较弱的陕单2001和张玉8号，其Spd和Spm含量短暂升高后迅速下降，而Put含量一直保持在较高水平。这些结果表明对Cd抗性较弱的玉米品种其由Put向Spd和Spm转化的能力较弱，造成了Put的大量积累，而前人研究表明，过高的Put积累对植物抗逆性有不利影响，因为Put的积累会破坏植物细胞的膜脂结构，造成自由基的积累^[23].

叶绿素含量降低、破坏光合作用是Cd对植物毒害作用最明显的症状之一^[24].Jiang等^[25]认为叶绿素对环境的响应比地上部干重和根长更加敏感，任何叶绿素水平的变化都会导致植物整个代谢过程受到影响。本研究发现，外源Cd胁迫处理显着降低了玉米幼苗叶片叶绿素含量和净光合速率，严重抑制了光合作用，和前人研究结果一致，Cd胁迫可能是抑制玉米植株生长的主要原因。外源施用Spd和Spm处理叶片叶绿素含量和净光合速率显着高于Cd胁迫处理，表明外源Spd和Spm缓解了Cd胁迫对叶片叶绿素含量和光合作用的抑制作用，提高了植株光合生产。这应是Spd和Spm缓解Cd胁迫对玉米植株生长抑制作用的重要原因。

植物细胞内活性氧的积累会破坏质膜结构、氧化蛋白质和核酸，进而导致细胞的氧化损伤，加速植株衰老。而植物体内存在活性氧自由基清除系统，对维持膜结构完整性和防御活性氧自由基对膜脂的攻击伤害有重要作用，其中SOD、POD、CAT等抗氧化酶起着重要作用。前人研究表明，Cd会诱导植株体内活性氧的产生，进而损坏植物膜结构、破坏叶绿体构成、抑制光合作用和植株生长^{[26, 27]}.本研究结果显示，Cd胁迫提高了过氧化产物MDA的积累，显着降低了SOD、POD和CAT等抗氧化酶活性。这表明，与其他植物类似，Cd胁迫破坏了玉米植株体内的抗氧化酶系统，诱导玉米植株体内活性氧的产生。这可能是Cd降低叶绿体含量、抑制玉米光合作用的主导因素。而与Cd胁迫处理相比，外源Spd和Spm显着提高了SOD、POD和CAT等抗氧化酶活性、降低了植株体内MDA含量，表明外源Spd和Spm能够缓解Cd胁迫对玉米植株抗氧化酶系统的破坏作用、抑制活性氧的生成，从而缓解Cd胁迫对玉米植株叶绿素、光合特性以及生长的抑制作用。这和前人在其他作物上的研究^{[11, 12]}类似。 4 结论

综合本研究结果可以看出，外源Cd胁迫通过破坏玉米植株体内的抗氧化酶系统，诱导玉米植株体内活性氧产生、降低叶绿体含量、抑制玉米光合生产的积累，从而抑制了玉米植株的生长发育。Spd和Spm能够缓解Cd胁迫对玉米植株抗氧化酶系统的破坏作用、抑制活性氧的产生，从而提高叶绿素的含量和植株的光合作用，显着缓解Cd胁迫对玉米幼苗生长的抑制作用，而Put在玉米幼苗抗Cd胁迫过程中并未发挥主要作用。