2017, Vol. 36文章信息
- 王亚丽, 仪慧兰, 韩彦莎
- WANG Ya-li, YI Hui-lan, HAN Yan-sha
- SO2对谷子幼苗根系镉胁迫的缓解作用
- Sulfur dioxide alleviates cadmium toxicity in the roots of foxtail millet seedlings
- 农业环境科学学报, 2017, 36(3): 443-448
- Journal of Agro-Environment Science, 2017, 36(3): 443-448
- http://dx.doi.org/10.11654/jaes.2016-1338
文章历史
- 收稿日期: 2016-10-21
随着工业三废的排放以及农业生产中含镉（Cd）农药、化肥的过量使用，人类赖以生存的土壤、水体受到不同程度的Cd污染。据不完全统计，我国Cd污染农田面积达2.0×105 hm2，严重影响农业生产[1]。Cd毒害可直接或间接引发植物体活性氧自由基（Reactive oxygen species，ROS）的积累，高水平ROS会破坏叶绿素、核酸和蛋白质等生物大分子结构，影响细胞结构和功能，抑制植物生长发育，甚至导致死亡[2]。近年来，如何解决Cd污染土壤上的耕作问题受到广泛关注。在污染条件下，通过施加外源物质来缓解或抑制Cd对植物的毒害作用是相对快速和简便的措施，科研人员致力于寻求适合的外源物质来减轻Cd污染对植物生长发育带来的影响。
硫是植物生长必需的一种营养元素，大气中低浓度的二氧化硫（SO2）可作为植物硫营养的来源。环境中的SO2经气孔进入植物体，在细胞内溶于水产生SO32-和HSO3-。研究表明，一定浓度的SO2能够诱导植物抗氧化系统应答[3-4]。我们前期研究发现，30 mg·m-3 SO2预处理后，拟南芥对干旱胁迫的耐受性和对灰霉菌感染的抗性均明显增强[5-6]。但是，SO2在作物重金属毒害中的缓解作用少有报道。
谷子（Setaria italica L.）又称粟，在我国北方干旱半干旱地区广泛种植，是山西省传统的优质杂粮作物。本研究以谷子幼苗为实验材料，采用SO2衍生物（SO32-:HSO3-，3:1，mmol·L-1/mmol·L-1）处理[7]，研究SO2对幼苗根系Cd毒性的缓解作用，为人工降低Cd污染对谷子幼苗的危害提供实验依据。
1 材料与方法 1.1 植物培养供试谷子（Setaria italica L.）品种为“长农44号”，谷种由山西省农业科学院谷子研究所郭二虎研究员惠赠。
选取籽粒饱满的谷种，用0.5%的次氯酸钠浸泡7 min，双蒸水冲洗后浸种3 h，湿纱布包裹催芽，将露白一致的谷种均匀摆放于无菌纱布上，水培法培养谷子幼苗，光周期为16 h/8 h（昼/夜），温度（25±2）℃，相对湿度45%~65%。
1.2 实验分组与处理根据预实验结果，选择对谷子幼根生长有促进作用的SO2衍生物（Na2SO3:NaHSO3，3:1，mmol·L-1/mmol·L-1）浓度500 μmol·L-1（浓度以总S含量计算），及对谷子幼根生长有抑制作用的Cd（CdCl2·2.5H2O）浓度250 μmol·L-1和500 μmol·L-1，作为后续实验浓度。
选取生长10 d且长势良好的谷子幼苗分为6组，SO2干预组用SO2衍生物预处理1 d后转入Cd溶液中处理3 d，Cd处理组水培1 d后改用Cd溶液处理3 d。具体分组处理如下：
（1）对照组（CK）：水培4 d。
（2）SO2处理组（S500）：500 μmol·L-1 SO2衍生物处理1 d +水培3 d。
（3）Cd处理组Ⅰ（Cd250）：水培1 d + 250 μmol·L-1 Cd处理3 d。
（4）SO2干预组Ⅰ（Cd250+S500）：500 μmol·L-1 SO2衍生物处理1 d + 250 μmol·L-1 Cd处理3 d。
（5）Cd处理组Ⅱ（Cd500）：水培1 d + 500 μmol·L-1 Cd处理3 d。
（6）SO2干预组Ⅱ（Cd500+S500）：500 μmol·L-1 SO2衍生物处理1 d + 500 μmol·L-1 Cd处理3 d。
处理期间的温度、湿度及光照条件同上。处理结束后，双蒸水冲洗，取根部迅速检测生理生化指标。以相同条件下3次生物学重复实验得到的材料来检测各处理组的相关指标。
1.3 生长指标检测利用直尺测量每组20株植株的根长，随后将它们放在烘箱中105 ℃杀青20 min，70 ℃烘至恒重，称其干重。
1.4 生理生化指标检测取谷子幼根，用羟氨氧化法测定超氧阴离子（O2-·）产生速率，硫酸钛沉淀法测定过氧化氢（H2O2）含量，硫代巴比妥酸法测定丙二醛（MDA）含量。超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）活性测定参照Li等[3]的方法。谷胱甘肽（GSH）含量测定参照Anderson等[8]的方法。谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）活性测定参照Wendel等[9]的方法。谷胱甘肽硫转移酶（GST）活性测定参照Habig等[10]CDNB比色法。
1.5 数据统计分析计算各组3个重复实验的平均值和标准误，采用SPSS 16.0软件进行方差分析，用Duncan方法对不同处理组的数据进行多重比较。图中不同字母表示组间差异显著（P < 0.05），相同字母表示组间差异不显著。
2 结果与分析 2.1 镉对谷子幼苗根长的影响及SO2的缓解作用Cd胁迫后，谷子幼根生长受到明显抑制，250 μmol·L-1 Cd和500 μmol·L-1 Cd组的根长分别比对照降低了30.4%和39.8%（图 1A）。用500 μmol·L-1 SO2衍生物预处理后，Cd对根的生长抑制得到明显缓解，幼苗根长显著大于Cd单独处理组（图 1A）。250 μmol·L-1 Cd对根干重的影响不明显，而500 μmol·L-1 Cd处理组根干重显著降低（图 1B）；用SO2衍生物预处理后，500 μmol·L-1 Cd组根干重显著大于Cd单独处理组（图 1B）。结果表明，Cd对谷子根系生长具有明显毒性，一定剂量的SO2预处理可以缓解Cd对幼根生长的毒性作用。
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| 图 1 外源SO2衍生物对镉胁迫下谷子幼苗根长和根干重的影响 Figure 1 Effects of SO2 derivates on length and dry weight of the roots of millet seedlings under Cd stress 图中不同小写字母表示差异显著（P < 0.05）。下同 Different lowercase letters indicate significant difference (P < 0.05). The same below |
Cd处理后，根组织中O2-·产生速率增加，H2O2含量显著升高，250 μmol·L-1 Cd和500 μmol·L-1 Cd组的H2O2含量分别比对照提高了54.8%和75.4%，MDA含量比对照增加了48.8%和157.0%（图 2）。用SO2衍生物预处理后，Cd处理组的O2-·产生速率、H2O2和MDA含量不同程度降低，其中：250 μmol·L-1 Cd组O2-·产生速率和H2O2含量分别降低12.4%和23.5%，MDA含量显著降低35.6%；500 μmol·L-1 Cd组的O2-·产生速率、H2O2和MDA含量均显著降低，降幅分别为37.4%、37.5%和21.8%（图 2）。结果表明，Cd处理引发了谷子根部的氧化胁迫与氧化损伤，外用一定剂量SO2能抑制Cd引发的ROS升高，减轻膜脂损伤程度。
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| 图 2 外源SO2衍生物对镉胁迫下谷子幼根O2-·产生速率、H2O2和MDA含量的影响 Figure 2 Effects of SO2 derivates on O2-· generation rate and contents of H2O2 and MDA in roots of millet seedlings under Cd stress |
Cd处理后，根部POD活性下降，GPX和CAT活性变化不明显，SOD活性上升（图 3）。用SO2衍生物预处理后，Cd处理组POD、GPX活性均上升（图 3A至图 3B）；250 μmol·L-1 Cd诱发的SOD活性升高被显著抑制（图 3C）；Cd250+S500和Cd500+S500组CAT活性较Cd250和Cd500单独处理组明显下降（图 3D）。结果表明，Cd胁迫改变了谷子根细胞中的抗氧化酶活性，影响了细胞的氧化还原代谢过程，外源SO2可增强Cd胁迫下植株根部的POD、GPX活性，有助于清除ROS，缓解Cd造成的氧化胁迫。
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| 图 3 外源SO2衍生物对镉胁迫下谷子幼根POD、GPX、SOD及CAT活性的影响 Figure 3 Effects of SO2 derivates on activities of POD, GPX, SOD and CAT in roots of millet seedlings under Cd stress |
Cd处理组根中GSH含量提高，GST活性升高。用SO2衍生物预处理后，250 μmol·L-1 Cd组GSH含量显著增加68.0%，500 μmol·L-1 Cd组GST活性显著升高，增幅为21.8%（图 4）。结果表明，Cd处理组谷子根部重要抗氧化分子GSH含量和代谢解毒酶GST活性升高，参与对Cd胁迫的应答，施用SO2衍生物能提高250 μmol·L-1 Cd组GSH水平，增强500 μmol·L-1 Cd组GST活性，进而提高植株对不同浓度Cd胁迫的适应能力。
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| 图 4 外源SO2衍生物对镉胁迫下谷子幼根GSH含量和GST活性的影响 Figure 4 Effects of SO2 derivates on GSH content and the activity of GST in roots of millet seedlings under Cd stress |
根系是植物的重要组成部分，是植物生长发育、新陈代谢的重要营养器官。根系具有固着和支持植物体的作用，能够吸收土壤中的水分和无机盐并输送到地上部供植株生长发育，还能合成和分泌多种化合物参与植物保护过程。因此，根系的生理状态会直接影响植株的正常生长发育。土壤Cd污染对植物的影响最先发生在根部，根部所在环境污染物浓度高，污染物与根部接触的时间长，致使植物根受害严重，影响植株的生长发育。本文研究Cd对谷子幼根的毒性及SO2衍生物的缓解作用，发现500 μmol·L-1 SO2衍生物预处理可缓解Cd对幼根生长的抑制（图 1）。
Cd具有很强的毒性，可诱导植物体内ROS大量积累，导致细胞氧化损伤。本研究采用的Cd处理能使谷子幼根中O2-·大量产生，H2O2水平升高，膜脂过氧化产物MDA含量提高；外源SO2衍生物在缓解Cd对谷子生长抑制的同时，明显降低了根组织的ROS积累，阻止或减轻了Cd引发的膜脂氧化损伤（图 2）。这与王云等[11]、Liang等[12]的研究结果类似，他们也发现外施硫化合物可减轻Cd对小麦、小白菜等作物造成的氧化损伤。
为进一步分析SO2缓解Cd致谷子根系氧化损伤的机制，我们检测了根系中抗氧化系统的变化。研究发现，SO2干预组根系POD和GPX活性提高，SOD和CAT活性下降（图 3），主要抗氧化酶活性的改变与Cd浓度有关，但两个SO2干预组的MDA水平显著低于Cd单独处理组（图 2C），说明SO2处理能降低根组织氧化胁迫，缓解氧化损伤。POD可催化由H2O2参与的各种还原剂的氧化反应，起到清除H2O2的作用，GPX利用GSH将脂质过氧化物和H2O2还原成相应的醇和H2O，由此SO2干预组POD和GPX升高对降低Cd引发的氧化胁迫起到了重要作用。SOD主要催化O2-·生成H2O2和O2，CAT催化H2O2生成H2O和O2。虽然SO2干预组O2-·生成速率降低的原因尚不明确，但SO2干预组SOD活性下降可能与同期酶底物O2-·减少（图 2）有一定关系，还会导致SOD产物H2O2减少，并可能引发下游H2O2分解酶CAT活性的降低。此外，作为植物细胞中重要的抗氧化酶，SOD和CAT有可能在SO2干预早期发挥作用。Zhu等[13]在研究SO2衍生物缓解小麦铝毒害时发现，短期胁迫下（12~36 h），SO2衍生物能上调SOD、CAT和APX等多种抗氧化酶活性，他们也认为外源SO2通过上调植物体内的抗氧化防御系统来提高植物对铝的耐受性。
抗氧化系统由酶和非酶系统组成，非酶组分包括抗坏血酸、GSH等。研究表明GSH在植物抵抗Cd胁迫的过程中发挥了重要作用[14]。本研究结果显示，SO2衍生物预处理能显著增加250 μmol·L-1 Cd处理组抗氧化分子GSH水平，大量积累的GSH一方面可通过氧化还原途径清除ROS（图 5），另一方面参与植物螯合肽（PCs）的合成，合成的PCs与Cd2+结合，由细胞质进入液泡，从而降低对细胞的毒害[15]，减少Cd胁迫引发的根系氧化损伤（图 5）。GST是植物细胞内重要的解毒酶，能催化GSH与重金属离子结合从而脱毒，还能结合胞内的代谢废物和有害物并将其转运至胞外[16]。本研究结果显示，SO2衍生物预处理能提高500 μmol·L-1 Cd处理组的GST活性，GST活性升高可促进GSH与Cd结合，并可加速胞内有害物的排出，从而减轻Cd的毒性，降低Cd对谷子生长的抑制。这也表明SO2干预效应受Cd浓度影响。
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| 图 5 SO2缓解谷子根系镉胁迫机理示意图 Figure 5 The sketch map of SO2 alleviation the toxicity of Cd stress in millet seedlings roots |
在250、500 μmol·L-1的Cd胁迫下，谷子幼苗根组织中ROS大量积累，膜脂过氧化损伤程度增加，根生长受到抑制。500 μmol·L-1外源SO2衍生物能够通过以下两种方式有效缓解Cd对谷子幼苗根系的毒性：（1）通过上调抗氧化酶系统的POD和GPX活性来清除ROS；（2）通过维持较高的GSH水平和提高GST活性来减少Cd引发的氧化损伤，并增强Cd解毒能力。目前，关于SO2衍生物缓解谷子根系镉毒害的分子机制仍待探究，对于SO2衍生物是否能够减少谷子地上部分的Cd积累，还需进一步明确。
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