蔡鳳香+陳豆豆+楊飛+鄭欣+張思韜+趙鳳云

摘要：脫落酸（abscisic acid，ABA）和生長素是植物體內(nèi)重要的信號分子，以水稻（Oryza sativa L.） 中花 11 號為材料分析了鎘鋅互作條件下ABA對水稻幼苗根系生長和生長素分布的影響。結(jié)果表明，在鎘鋅互作條件下添加ABA合成抑制劑——鎢酸鈉（sodium tungstate，TS） 促進(jìn)初生根側(cè)根的生長，抑制植株、初生根、不定根和不定根側(cè)根的生長。與鎘加鋅處理相比，添加ABA使生長素在根尖的積累減少，相反，添加TS使生長素的積累增加，說明ABA與生長素平衡有密切關(guān)系。進(jìn)一步研究表明，在蛋白質(zhì)水平上，ABA對生長素的調(diào)節(jié)與蛋白運(yùn)輸和降解有關(guān)。

關(guān)鍵詞：ABA； 水稻幼苗；生長素；鎘鋅互作；根系

中圖分類號： S511.01文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2016）06-0114-04

收稿日期：2015-05-14

基金項(xiàng)目：山東省自然科學(xué)基金（編號：ZR2014DM010、ZR2015CL009）；山東省淄博市科技發(fā)展計(jì)劃（編號：111089、113106）。

作者簡介：蔡鳳香（1989—），女，山東菏澤人，碩士研究生，主要從事分子生物學(xué)研究。E-mail：526260632@qq.com。

通信作者：趙鳳云，博士，教授，主要從事分子生物學(xué)研究。E-mail：zfy1226@126.com。鎘不是植物生長的必需元素，高濃度鎘對植物有較強(qiáng)的毒害作用[1]。一般情況下，當(dāng)鎘在植物中的含量超過 1 mg/kg 時，植物的生長會受到嚴(yán)重影響[2]。研究發(fā)現(xiàn)在處理時間相同的情況下，隨著鎘濃度的增加洋蔥根的生長速率遞減。在相同濃度鎘處理的情況下，隨著處理時間的延長，單位時間內(nèi)生長速率遞減或停止生長[3]。鋅對植物的生長發(fā)育有重要調(diào)節(jié)作用，是植物生長不可缺少的微量元素。缺鋅會導(dǎo)致植株生長緩慢或停止[4]，但鋅過量則抑制植物地上部分和根系的生長發(fā)育[5]。已有研究表明，低濃度的鋅能促進(jìn)植物的生長發(fā)育，而高濃度的鋅會對植物造成傷害。 在植物體內(nèi)，當(dāng)鋅含量大于 50 mg/kg時，就會發(fā)生鋅中毒[ 6]。鎘脅迫下添加適當(dāng)濃度的鋅能緩解鎘對植物的毒害，改善植物的生長；但過量的鋅則會加重鎘毒害[7-8]。鎘與鋅復(fù)合污染對植物的影響與二者的濃度、植物種類、處理時間及處理方式等有關(guān)。眾所周知，生長素是調(diào)節(jié)根系生長發(fā)育不可缺少的信號分子，它是根細(xì)胞分裂、伸長生長、向地性應(yīng)答和側(cè)根發(fā)育所必需的[9]。生長素對植物生長的誘導(dǎo)具有正負(fù)兩重性，表現(xiàn)為低濃度促進(jìn)生長，高濃度抑制生長[10]。生長素促進(jìn)根生長的最適濃度約為10-11～10-9 mol/L[11] 。ABA 是環(huán)境對植物生長發(fā)育影響的重要調(diào)節(jié)因子[12]。我們的前期研究發(fā)現(xiàn)，ABA 是調(diào)節(jié)水稻根系生長的重要信號分子[13]，它能緩解鎘脅迫引起的生長素過量積累，從而減輕鎘對根系生長的抑制作用。對水稻幼苗 進(jìn)行GUS 染色發(fā)現(xiàn)，ABA 能影響生長素的分布，用 MG132、BFA 檢測表明，ABA 對生長素分布的調(diào)節(jié)與蛋白降解和運(yùn)輸有關(guān)[14]。本試驗(yàn)旨在研究鎘鋅互作條件下 ABA 是否參與根系生長的調(diào)節(jié)以及 ABA 與生長素的關(guān)系。

1材料與方法

1. 1試驗(yàn)材料與處理

挑選籽粒飽滿的中花11號（Oryza sativa L.）水稻種子，去殼后消毒：75% 乙醇（30 s）、0.2%氯化汞（15 min）、2% 次氯酸鈉（15 min），用無菌水沖洗干凈，按每瓶45粒分別種入含1 μmol/L脫落酸（ABA）、0.2 m mol/L鎢酸鈉（TS）、0.2 mmol/L Cd（NO3）2+0.3 m mol/L Zn（NO3）2（Cd+Zn）、0.2 mmol/L Cd（NO3）2+0.3 mmol/L Zn（NO3）2+1 μmol/L ABA（Cd+Zn+ABA）、0.2 mmol/L Cd（NO3）2+0.3 mmol/L Zn（NO3）2+0.2 mmol/L TS（Cd+Zn+TS）的MS培養(yǎng)基中，放入培養(yǎng)箱內(nèi)[光周期為 14 h光照，光照度為 200 μmol/（m2·s），溫度 26 ℃；夜間10 h，溫度 20 ℃] 培養(yǎng)13 d。每種處理至少重復(fù)3次，每次至少3個重復(fù)。

1.2水稻形態(tài)學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

每個處理3個重復(fù)，每個重復(fù)20株（共60株），進(jìn)行下列指標(biāo)統(tǒng)計(jì)，株高：從葉尖到莖基部的長度；初生根長度：從根莖連接處到初生根根尖的長度；初生根側(cè)根數(shù)量：只統(tǒng)計(jì)長度大于1 mm的側(cè)根；初生根上側(cè)根的長度：所有側(cè)根長度的平均值；不定根數(shù)量和長度：只統(tǒng)計(jì)長度大于1 cm的不定根；不定根上側(cè)根數(shù)量，只統(tǒng)計(jì)長度大于1 mm的側(cè)根；不定根側(cè)根長度：所有側(cè)根長度的平均值。

1.3ABA對鎘鋅互作水稻初生根生長素分布的影響

利用GUS 染色法對轉(zhuǎn)DR5-GUS基因水稻進(jìn)行根尖生長素的分布和積累測定，GUS 染色參考Petersson 等的方法[15]進(jìn)行。轉(zhuǎn)基因水稻種子分別種在含ABA、TS、（Cd+Zn）、（Cd+Zn+ABA）、 （Cd+Zn+TS） 的MS培養(yǎng)基中，放入培養(yǎng)箱內(nèi)[光周期為 14 h光照，光照強(qiáng)度為 200 μmol/（m2·s），溫度 26 ℃；夜間10 h，溫度 20 ℃]培養(yǎng)3天，取不同處理的初生根根尖在避光條件下進(jìn)行GUS染色24小時，脫色后在體視顯微鏡下觀察并拍照。每種處理至少拍20株，且至少重復(fù)3次，每次至少3個重復(fù)。

1.4ABA在蛋白水平對水稻根系生長素分布的影響

MG132 （蛋白降解抑制劑）/BFA （蛋白運(yùn)輸抑制劑）處理：將在MS固體培養(yǎng)基上生長6 d的轉(zhuǎn)DR5-GUS基因的水稻幼苗轉(zhuǎn)入Hoagland培養(yǎng)液中過夜。然后加入MG132（50 μmool/L）/BFA （50 μmol/L）Hoagland培養(yǎng)液中預(yù)處理3 h后再轉(zhuǎn)入分別含（Cd+Zn）、（Cd+Zn+ABA）和 （Cd+Zn+TS） 的Hoagland培養(yǎng)液中處理12 h。取不同處理的初生根根尖在避光條件下進(jìn)行GUS染色24 h，脫色后在體視顯微鏡下觀察并拍照。每種處理至少拍20株，且至少重復(fù)3次，每次至少3個重復(fù)。

1.5數(shù)據(jù)處理及分析

利用SPSS16.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用t檢驗(yàn)，分析對照與處理不同處理之間的差異。若P<0.05 則2組數(shù)據(jù)間具有顯著性差異；若P<0.01則2組數(shù)據(jù)間具有極顯著性差異。所有數(shù)據(jù)為 3 次重復(fù)試驗(yàn)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

2結(jié)果與分析

2.1ABA對鎘鋅互作水稻幼苗生長的影響

2.1.1ABA對鎘鋅互作水稻植株高度的影響如圖1所示，單一ABA和鎢酸鈉（TS）處理的株高都比CK處理的低12.0%（P<0.01），但二者之間無明顯差異；（Cd+Zn）處理的株高比（Cd+Zn+TS）處理的高30.2%（P<0.01），比（Cd+Zn+ABA）處理的低8.2%（P<0.01），其中（Cd+Zn+TS）處理的株高最低，比（Cd+Zn+ABA）處理的低29.5%（P<0.01）。

2.1.2ABA對鎘鋅互作水稻初生根生長發(fā)育的影響

2.1.2.1ABA對鎘鋅互作水稻初生根長度的影響如圖2所示，單一ABA和TS處理的初生根的長度分別比CK處理的短4.5%和17.3%；（Cd+Zn） 和（Cd+Zn+ABA）處理的初生根長度相似，差異不顯著，二者分別比（Cd+Zn+TS）處理的長141%和139%（P<0.01），差異極顯著。

2.1.2.2ABA對鎘鋅互作水稻初生根側(cè)根數(shù)量的影響如圖3所示，單一ABA和TS處理的初生根上側(cè)根數(shù)目分別比CK處理的多42.5% 和30.0%，差異顯著；（Cd+Zn）和（Cd+Zn+ABA）處理的差異不顯著，（Cd+Zn+ABA）比（Cd+Zn+TS）處理的多85.9%（P<0.01），差異極顯著。

2.1.2.3ABA對鎘鋅互作水稻初生根側(cè)根長度的影響單一ABA和TS處理的初生根上側(cè)根的長度分別比CK的短50.3%和52.8%（P<0.01）（圖4），差異極顯著；（Cd+Zn）處理的比（Cd+Zn+ABA）處理的長29.3%，（Cd+Zn+ABA）比（Cd+Zn+TS）處理的短33.9%（P<0.01），差異極顯著。

2.1.3ABA對鎘鋅互作水稻不定根生長發(fā)育的影響

2.1.3.1ABA對鎘鋅互作水稻不定根數(shù)量的影響如圖5所示，單一 ABA和TS處理的不定根的數(shù)量分別比CK處理的少20.7%和26.7%（P<0.01），差異極顯著；（Cd+Zn）和（Cd+Zn+TS）處理分別比（Cd+Zn+ABA）處理少18.2%和12.7%，差異顯著。

2.1.3.2ABA對鎘鋅互作水稻不定根側(cè)根數(shù)量的影響如圖6所示，單一 ABA和TS處理的不定根上側(cè)根的數(shù)量分別比CK處理的多33.6%和105.6%（P<0.01），差異極顯著；ABA處理的比TS處理的少35.0%；（Cd+Zn）處理的比（Cd+Zn+ABA）處理的多43.2%（P<0.01），差異極顯著；（Cd+Zn+ABA）比（Cd+Zn+TS）處理的少31.7%。

2.1.3.3ABA對鎘鋅互作水稻不定根長度的影響如圖7所示，單一ABA和TS處理的不定根長度與CK處理的類似；（Cd+Zn）處理的比CK處理的長58.7%（P<0.01），差異極顯著；（Cd+Zn）處理的分別比（Cd+Zn+ABA）和（Cd+Zn+TS）處理的長15.7%和41.8%（P<0.01），差異極顯著；（Cd+Zn+ABA） 處理的比（Cd+Zn+TS）的長25.3%（P<0.01），差異極顯著。

2.1.3.4ABA對鎘鋅互作水稻不定根側(cè)根長度的影響如圖8所示，單一ABA處理的不定根上側(cè)根長度比CK處理的短2.1%，TS處理的比CK處理的長23.1%（P<0.01），差異極顯著；（Cd+Zn）處理的比（Cd+Zn+ABA）處理的短 23.5%（P<0.01），差異極顯著；（Cd+Zn+ABA）處理的比（Cd+Zn+TS）處理的長66.2%（P<0.01），差異極顯著。

2.2ABA對鎘鋅互作水稻根系生長素分布的影響

2.2.1ABA對鎘鋅互作水稻根系生長素分布的影響為了進(jìn)一步了解上述不同處理對根系生長的影響是否與生長素的分布有關(guān)，利用轉(zhuǎn)DR5-GUS基因水稻檢測了根系生長素的分布變化，結(jié)果見圖9。在處理到第3天時，初生根根尖生長素的積累和分布發(fā)生了明顯變化，與CK處理 相比，單一ABA 處理使生長素積累減少，而TS處理則使生長素積累顯著增加。（Cd+Zn+ABA）處理比（Cd+Zn）的生長素少，而（Cd+Zn+TS）處理比（Cd+Zn）的生長素多。就總體而言，含ABA 的處理生長素比不含ABA 的減少，含TS的處理比不含TS的多。本試驗(yàn)中TS顯著干擾生長素的積累和分布，說明在非脅迫和（Cd+Zn）處理?xiàng)l件下適量的ABA 是維持生長素平衡所必需的。

2.2.2ABA在蛋白水平對水稻初生根生長素分布的影響為了進(jìn)一步了解（Cd+Zn）處理下ABA調(diào)節(jié)生長素分布的機(jī)制，我們利用MG132 （蛋白降解抑制劑）/BFA （蛋白運(yùn)輸抑制劑）對轉(zhuǎn)DR5-GUS基因水稻根系生長素的分布進(jìn)行了檢測，結(jié)果見圖10。由圖10可見，（Cd+Zn+ABA）處理比（Cd+Zn）處理的生長素積累減少，而（Cd+Zn+TS）處理比（Cd+Zn）處理積累的多。（Cd+Zn+ABA+MG132）處理比（Cd+Zn+ABA）處理的生長素積累增多，（Cd+Zn+ABA+BFA）處理與（Cd+Zn+ABA）處理相比生長素積累差異似乎不顯著。（Cd+Zn+TS+BFA）處理比（Cd+Zn+TS）處理的生長素積累明顯增多，相反，（Cd+Zn+TS+MG132）處理比（Cd+Zn+TS）處理生長素的積累明顯減少。試驗(yàn)還分析了DRB（RNA合成抑制劑）和CHX（蛋白質(zhì)從頭合成抑制劑）對

生長素分布的影響，但是（Cd+Zn+ABA/TS+DRB/CHX）與（Cd+Zn+ABA/TS）相比生長素的積累和分布無明顯變化。因此，本試驗(yàn)條件下ABA對生長素分布的調(diào)節(jié)與蛋白質(zhì)降解和運(yùn)輸有密切關(guān)系。

3討論

如前所述，ABA在調(diào)節(jié)根系生長的過程中發(fā)揮重要作用[12-14]。本研究結(jié)果也顯示無論在非脅迫還是在（Cd+Zn） 處理?xiàng)l件下，適量的ABA 是調(diào)節(jié)水稻根系生長不可缺少的信號分子。本試驗(yàn)中，添加ABA 和ABA 抑制劑對水稻初生根和不定根的長度及其側(cè)根的長度和數(shù)量都有不同程度的影

響，說明ABA 參與了該條件下根系生長的調(diào)節(jié)。已有研究顯示，在種子萌發(fā)和根系生長過程中，ABA 和生長素信號存在交互作用。如Wang 等報(bào)道，ABA 改變了擬南芥根尖生長素的分布，它與抑制根系生長與生長素運(yùn)輸有關(guān)。擬南芥種子萌發(fā)后，ABA 通過強(qiáng)化生長素信號來抑制胚軸的生長[15]。（Cd+Zn） 處理?xiàng)l件下添加 ABA 使生長素在根尖的積累減少，相反，添加 TS 使生長素的積累增加，說明該條件下 ABA 與生長素平衡有密切關(guān)系。綜上所述，ABA 對鎘鋅互作水稻根系生長的調(diào)節(jié)與其改變生長素的積累和分布有密切關(guān)系。

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