劉紫薇,楊慶根,張朝,高琴,肖先儀,尤本武,陳學(xué)平
1 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)煙草與健康研究中心,安徽合肥市徽州大道1129號(hào),230051;
2 江西省煙草公司贛州市公司,江西贛州市青年路40號(hào),341000;
3 安徽中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心,安徽合肥市天達(dá)路9號(hào),230088;
4 安徽皖南煙葉有限責(zé)任公司,宣城市鰲峰中路72號(hào),242000
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),全世界6%的陸地和20%的灌溉農(nóng)用地是鹽堿地,預(yù)計(jì)至2050年將有50%以上的耕地發(fā)生鹽堿化[1]。土地鹽堿化影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和生物多樣性,已成為世界性的環(huán)境問題。鹽堿脅迫影響植物生長發(fā)育,導(dǎo)致植物產(chǎn)量和品質(zhì)下降,是主要的非生物逆境因素之一[2]。由堿性鹽造成的土壤堿化除滲透脅迫、離子毒害、營養(yǎng)缺失外,還存在高pH危害,比由中性鹽造成的土壤鹽化問題更加嚴(yán)重[3]。趙楠等[4]研究表明隨堿脅迫濃度升高堿蓬種子萌發(fā)以及幼苗生長均降低;堿脅迫下枸杞活性氧代謝、離子均衡等方面均遭到比鹽脅迫下更大的破壞[5];低濃度鹽脅迫可促進(jìn)虎尾草生物量增加,而相同堿脅迫則會(huì)降低其生物量[6]。植物對(duì)鹽堿脅迫的適應(yīng)過程復(fù)雜,研究植物對(duì)堿脅迫的響應(yīng)機(jī)制對(duì)改良利用鹽堿土地具有重要意義。
血紅素加氧酶(heme oxygenase,HO)是催化降解血紅素(Heme)的起始酶和限速酶,存在3種不同亞型(HO-1、HO-2和HO-3)。研究表明HO在植物中有多種重要功能,Lin等[7]研究發(fā)現(xiàn)HO-1參與黃瓜不定根的伸長。Chen等[8]研究表明,小麥幼苗葉片中H2O2通過誘導(dǎo)HO的表達(dá)以提高氧化脅迫適應(yīng)性。Cui等[9]研究發(fā)現(xiàn)苜蓿HO-1參與了水楊酸對(duì)重金屬鎘造成的氧化脅迫的緩解。
氯化血紅素(hemin)是天然血紅素的體外純化形式,其化學(xué)性質(zhì)與血紅素類似。Hemin既是HO-1的底物,同時(shí)又是HO-1的促進(jìn)劑,能誘導(dǎo)HO-1的活性,提高植物抵抗氧化脅迫的能力并調(diào)節(jié)植物代謝[10]。研究表明,血紅素可誘導(dǎo)番茄側(cè)根形成[11],緩解鹽脅迫對(duì)小麥幼苗[12]和煙草幼苗[13]的傷害。但目前有關(guān)氯化血紅素誘導(dǎo)植物抵御堿脅迫的研究尚未見報(bào)道。本研究通過向培養(yǎng)液中加入Na2CO3進(jìn)行煙苗的堿協(xié)迫實(shí)驗(yàn),研究不同濃度hemin預(yù)處理對(duì)煙株抵御堿脅迫的影響,并測(cè)定煙株抗氧化酶活力、抗氧化物質(zhì)和抗?jié)B透物質(zhì)含量、無機(jī)離子吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)以及相關(guān)基因表達(dá)以探究外源hemin誘導(dǎo)煙株抵御堿脅迫的機(jī)理。
煙草品種“云煙 87”由安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供;氯化血紅素由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)提供;RNA提取試劑盒和熒光定量PCR試劑盒購于北京天根生物技術(shù)有限公司;Taq聚合酶和反轉(zhuǎn)錄試劑盒購于大連TaKaRa公司。
將消毒后的煙草種子均勻撒于經(jīng)霍格蘭營養(yǎng)液潤濕的滅菌珍珠巖中,發(fā)芽后選取生長一致的3~4片真葉齡幼苗移至含有相同體積營養(yǎng)液的育苗盒中。分4組,每組設(shè)3盒重復(fù),每盒12株,溫度(28±2)℃,16h光照/d。預(yù)處理24h后,將堿脅迫組和hemin組煙苗移入含有10mmol/LNa2CO3的營養(yǎng)液中,同時(shí)對(duì)照組更換營養(yǎng)液。具體操作如表1所示。堿脅迫10d后觀察煙株表型,并拍照取樣,提取RNA,進(jìn)行生理指標(biāo)測(cè)定。所有實(shí)驗(yàn)均設(shè)置3次重復(fù)。
表1 水培條件Tab.1 Hydroponics culture
取出完整煙株后用去離子水沖洗,濾紙吸干葉片及根部水分,稱取鮮重,量取根長。相對(duì)含水量測(cè)定采用李玲等[14]方法。
相對(duì)電導(dǎo)率測(cè)定采用張清莉等[15]的方法,MDA測(cè)定采用硫代巴比妥酸比色法[16]。
SOD活力測(cè)定采用張清莉等[15]的方法;POD活力測(cè)定采用李玲等[14]的方法;APX活力測(cè)定采用鄒琦等[17]的方法;CAT活力測(cè)定參照南京建成生物試劑公司CAT測(cè)試試劑盒說明書。
光合色素含量測(cè)定采用丙酮提取法[18],根系活力測(cè)定采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法[17]。
GSH含量測(cè)定參照南京建成生物工程研究所GSH測(cè)試盒說明書;AsA含量測(cè)定采用李玲等[14]的方法。
脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量測(cè)定分別采用酸性茚三酮法[19]、蒽酮法[17]和考馬斯亮藍(lán)法[17]。有機(jī)酸含量測(cè)定采用李玲等[14]的方法。
用去離子水沖洗植株3次,濾紙吸干后置于105℃烘箱殺青15min,后于80℃烘干至恒重。根和葉分別研磨成粉,利用Optima 7300DV等離子體原子發(fā)射光譜儀測(cè)定各元素含量。
莖葉混合物的總RNA提取參照植物總RNA提取試劑盒說明書。RNA反轉(zhuǎn)錄參照TaKaRa反轉(zhuǎn)錄試劑盒說明書。相對(duì)定量PCR測(cè)定參照北京天根公司SuperReal PreMix Plus(SYBR Green)試劑盒說明書。應(yīng)用LightCycler96并設(shè)定兩步法PCR反應(yīng)程序進(jìn)行反應(yīng)。內(nèi)參基因?yàn)棣?tubulin,目的基因?yàn)镹tPDR1、NtPDR3、NtNAC和NtGSH1,引物序列見表2。
表2 基因引物序列Tab.2 Gene sequence of primers
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差,數(shù)據(jù)分析采用單因素方差分析,置信區(qū)間P<0.05,統(tǒng)計(jì)分析軟件使用origin 9.1。
如圖1所示,與對(duì)照組相比,堿脅迫組煙株生長受到抑制,葉片變小(圖1A,B)、發(fā)黃(圖1A,B),鮮重(圖1C)、根長(圖1D)及相對(duì)含水量(圖1E)較對(duì)照組分別降低了59.00%,50.40%,19.60%。而經(jīng)hemin處理后,煙株鮮重和根長的生長抑制以及葉片發(fā)黃都得到明顯緩解,且相對(duì)含水量得到提高。經(jīng)1μmol/L hemin處理的煙株鮮重(圖1C)和根長(圖1D)較堿脅迫組分別增加了64.05%和47.56%,2μmol/L hemin處理的煙株鮮重(圖1C)和根長(圖1D)較脅迫組分別增加了47.80%和32.91%,經(jīng)1μmol/L hemin和2μmol/L hemin處理后相對(duì)含水量也分別增加了17.01%%,17.28%(圖1E)。
圖1 堿脅迫下hemin對(duì)煙株長勢(shì)(A,B),鮮重(C),根長(D)及相對(duì)含水量(E)的影響Fig.1 Effect of hemin on the growth(A,B),fresh weight(C),root length(D)and relative water content(E)of tobacco seedlings under alkali stress
如圖2A所示,與對(duì)照組相比,堿脅迫下煙株的葉綠素a,葉綠素b,類胡蘿卜素含量分別減少了73.49%,67.66%,68.86%。經(jīng)1μmol/L hemin,2μmol/L hemin處理后較堿脅迫組煙株葉綠素a含量分別增加了20.29%,75.80%,葉綠素b含量分別增加了13.98%,47.81%,類胡蘿卜素含量分別增加了23.45%,71.52%。受到堿脅迫后,煙株的根系活力較對(duì)照組降低了79.37%,而經(jīng)1μmol/L hemin,2μmol/L hemin處理后根系活力較堿脅迫組分別升高了132.71%,129.00%(圖2B)。
圖2 對(duì)照組、堿脅迫組、hemin組煙株光合色素含量(A)和根系活力(B)Fig.2 Photosynthetic pigment content(A)and root activity(B)in the control,alkali stress and hemin groups
受到堿脅迫后,煙株體內(nèi)MDA含量(圖3A)以及相對(duì)電導(dǎo)率(圖3B)較對(duì)照組均有所升高。而經(jīng)1μmol/L hemin,2μmol/L hemin 處理后,與堿脅迫組相比,MDA含量(圖3A)分別減少了9.62%,10.84%,而相對(duì)電導(dǎo)率(圖3B)分別降低了15.97%和36.76%。
圖3 對(duì)照組、堿脅迫組、hemin組MDA含量(A)和相對(duì)電導(dǎo)率差異(B)Fig.3 MDA content(A)and relative electrical conductivity(B)in the natural,alkali stress and hemin groups
如圖4A所示,堿脅迫下煙株SOD活力較對(duì)照組降低了 44.22%,經(jīng)1μmol/L hemin,2μmol/L hemin處理后SOD活力較堿脅迫組分別升高了23.76%,62.96%。如4B所示,受到堿脅迫后煙株P(guān)OD活力較對(duì)照組有小幅度升高(19.07%),而經(jīng)1μmol/L hemin,2μmol/L hemin處理后POD活力大幅度提升,與堿脅迫組相比,分別升高了221.26%,198.54%。如圖4C所示,堿脅迫組煙株CAT活力較對(duì)照組降低了 54.99%,而經(jīng)1μmol/L hemin,2μmol/L hemin處理后CAT活力較堿脅迫組分別升高了71.51%,36.89%。如圖4D所示,堿脅迫處理后煙株APX活力較對(duì)照組降低了31.90%,經(jīng)1μmol/L hemin,2μmol/L hemin處理后APX活力較堿脅迫組分別升高了72.89%,67.71%。
圖4 對(duì)照組、堿脅迫組、hemin組煙株SOD(A),POD(B),CAT(C)和APX(D)活力Fig.4 Activity of SOD(A),POD(B),CAT(C)and APX(D)in the control,alkali stress and hemin groups
如圖5A所示,與對(duì)照組相比,堿脅迫組還原型AsA和脫氫AsA含量分別增加了8.99%,38.45%。經(jīng)1μmol/L hemin預(yù)處理后,其還原型AsA含量比堿脅迫組減少了63.08%,脫氫AsA含量增加了16.96%;2μmol/L hemin預(yù)處理后,還原型AsA含量減少了40.82%,而脫氫AsA增加了33.18%。如圖5B所示,煙株受到堿脅迫后,GSH含量較對(duì)照組增加了 26.88%,經(jīng)1μmol/L hemin,2μmol/L hemin 處理后煙株體內(nèi)GSH含量較堿脅迫組顯著下降,分別下降了50.87%,48.50%。
圖5 對(duì)照組、堿脅迫組、hemin組煙株AsA(A),GSH(B)含量Fig.5 Contents of AsA(A)and GSH(B)in the control,alkali stress and hemin groups
如圖6A所示,煙株受到堿脅迫后,脯氨酸含量比對(duì)照組增加了271.86%,經(jīng)1μmol/L hemin處理后煙株體內(nèi)脯氨酸較堿脅迫組增加了300.54%,2μmol/L hemin處理后脯氨酸含量積累較少,增加了26.37%。如圖6B所示,堿脅迫下,煙株體內(nèi)可溶性糖含量較對(duì)照組減少了34.05%,經(jīng)1μmol/L hemin,2μmol/L hemin處理后可溶性糖含量較堿脅迫組分別增加了49.07%,9.38%。如圖6C所示,煙株體內(nèi)可溶性蛋白含量在受到堿脅迫后較對(duì)照組降低了48.95%,而經(jīng)1μmol/L hemin,2μmol/L hemin處理后,可溶性蛋白含量較堿脅迫組分別增加了30.12%,16.87%。如圖6D所示,受到堿脅迫后,煙株葉部有機(jī)酸含量較對(duì)照組增加了27.78%,而根部有機(jī)酸含量則減少了24.81%。經(jīng)hemin處理后,葉部和根部有機(jī)酸含量較堿脅迫組均出現(xiàn)下降。1μmol/L hemin處理后葉部和根部有機(jī)酸含量分別減少了15.55%,28.11%,2μmol/L hemin處理后葉部和根部有機(jī)酸含量分別減少了13.80%,36.61%。
圖6 對(duì)照組、堿脅迫組、hemin組煙株脯氨酸含量(A),可溶性糖含量(B)和可溶性蛋白含量(C)及有機(jī)酸含量(D)Fig.6 Contents of prolinecontent(A),soluble sugar(B),soluble protein(C)and organic acid(D)in the control,alkali stress and hemin groups
如圖7A所示,受到堿脅迫后煙株體內(nèi)Na+大量積累,相比于對(duì)照組葉部和根部Na+分別增加了133.94%和35.65%。經(jīng)1μmol/L hemin,2μmol/L hemin處理后,葉部Na+含量較堿脅迫組分別減少了16.56%和21.98%,根部Na+含量分別減少了17.05%和18.94%。如圖7B所示,堿脅迫組葉部和根部K+含量較對(duì)照組都有所降低,經(jīng)1μmol/L hemin,2μmol/L hemin 處理后,K+的吸收得以提高,葉部較堿脅迫組分別增加了17.01%和14.41%,根部分別增加了42.46%和28.94%。此外,經(jīng)hemin處理后,煙株根部和葉部的K+/Na+比均有提高(圖7C)。如圖7D所示,堿脅迫下煙株體內(nèi)Ca2+含量大量降低,葉部和根部較對(duì)照組分別減少了48.02%和52.45%,而經(jīng)hemin處理后葉部和根部Ca2+含量較堿脅迫組均得以增加。其中1μmol/L hemin處理后分別增加了50.97%和59.98%,2μmol/L hemin處理后分別增加了37.47%和41.07%。如圖7E所示,受到堿脅迫后煙株體內(nèi)Mg2+含量降低,葉部和根部相比于對(duì)照組分別減少了42.86%和43.59%。經(jīng)1μmol/L hemin,2μmol/L hemin處理后,較堿脅迫組葉部Mg2+含量分別增加了40.99%和24.88%,根部Mg2+含量分別增加了65.04%和49.22%。
圖7 對(duì)照組、堿脅迫組、hemin組煙株Na+(A)、K+(B)、K+/Na+(C)、Ca2+(D)和Mg2+(E)含量Fig.7Na+ content(A),K+ content(B),K+/Na+(C),Ca2+ content(D),and Mg2+ content(E)in the control,alkali stress and hemin groups
如圖8A所示,NtPDR1和NtPDR3基因在受到堿脅迫后相對(duì)表達(dá)量均上調(diào),經(jīng)1μmol/L hemin,2μmol/L hemin處理后上調(diào)更加顯著。由8B可以看出,經(jīng)1μmol/L hemin,2μmol/L hemin 處理后,堿脅迫下的煙株NtNAC基因表達(dá)大幅上調(diào)。如圖8B所示,堿脅迫組NtGSH1基因表達(dá)下調(diào),而經(jīng)hemin處理后基因表達(dá)上調(diào),2μmol/L hemin處理組上調(diào)尤其顯著。
圖8 對(duì)照組組、堿脅迫組、hemin組煙株幼苗NtPDR(A)、NtNAC(B)和NtGSH1(B)基因相對(duì)表達(dá)量Fig.8 Expression of NtPDR(A),NtNAC(B)and NtGSH1(B)genes in the control,alkali stress and hemin groups
受到堿脅迫后煙株生長受到抑制,葉片減小發(fā)黃且根長變短,膜脂質(zhì)過氧化程度加劇。經(jīng)外源hemin處理后,上述現(xiàn)象均得到緩解。Han等[20]研究表明,氯化汞導(dǎo)致苜蓿脂質(zhì)過氧化及根的伸長抑制,加入高鐵血紅素則有效減少脂質(zhì)過氧化物含量并促進(jìn)根的伸長,增加SOD等抗氧化酶活性。本研究中Hemin處理可增加煙株根系活力;誘導(dǎo)煙草體內(nèi)SOD、POD、CAT和APX等抗氧化酶活力大幅提高,從而消除多余活性氧,將過量H2O2轉(zhuǎn)化為水和分子氧,這與尤本武等[21]的研究結(jié)果一致。AsA能與O2-反應(yīng)并能猝滅O2-和清除H2O2
[22];脅迫條件下,H2O2等活性氧也可被GSH還原。Hemin處理后煙株體內(nèi)還原型AsA與GSH較堿脅迫組減少,可能是hemin促進(jìn)了還原型AsA和GSH與活性氧的反應(yīng),因而AsA和GSH被大量消耗,同時(shí)降低了煙株的氧化損傷。
鹽脅迫下植物受到滲透脅迫,可通過積累對(duì)細(xì)胞無毒的有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)以增強(qiáng)其耐鹽能力[23]。Hemin誘導(dǎo)脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)大量產(chǎn)生與積累有利于煙株在堿脅迫下對(duì)水分的吸收,并維持細(xì)胞滲透壓,以保證細(xì)胞正常生理功能。堿脅迫實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)示著有機(jī)酸代謝調(diào)節(jié)可能與植物的抗堿機(jī)制密切相關(guān)[24-25]。郭立泉[26]等研究表明,堿脅迫引起星星草體內(nèi)有機(jī)酸的特異積累。而本研究中經(jīng)hemin處理后煙株體內(nèi)有機(jī)酸積累相較堿脅迫組出現(xiàn)減少,具體機(jī)理仍有待進(jìn)一步研究。
鹽脅迫下外界高濃度的Na+會(huì)取代細(xì)胞質(zhì)膜上的Ca2+,質(zhì)膜選擇透過性被破壞并導(dǎo)致胞內(nèi)離子外滲,抑制了根系對(duì)K+、Ca2+的吸收;同時(shí)大量Na+進(jìn)入細(xì)胞影響了部分酶的結(jié)構(gòu)和功能,從而破壞細(xì)胞新陳代謝,導(dǎo)致鹽害[25];K+、Ca2+、Mg2+是植物生長發(fā)育中重要的無機(jī)離子[27-28]。Hemin可通過降低煙株體內(nèi)Na+積累,增加K+、Ca2+和Mg2+的吸收,提高煙株K+/Na+比,從而緩解堿脅迫對(duì)煙株造成的滲透脅迫和離子毒害,提高煙株的抗堿能力。胡冰等研究[29]也表明高鐵血紅素可以維持鹽脅迫下小麥幼苗根部的離子穩(wěn)態(tài)。Lee等研究證實(shí)擬南芥的AtPDR12所編碼的蛋白在金屬離子的轉(zhuǎn)運(yùn)過程中起作用[30]。而NtPDR1是AtPDR12的直系同源基因。本研究中hemin 誘導(dǎo)NtPDR1基因表達(dá)上調(diào),NtPDR1蛋白可能參與了金屬離子Na+、K+、Ca2+、Mg2+等的轉(zhuǎn)運(yùn)。Ducos E研究表明NtPDR3轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可能起到獲取鐵離子的作用[31]。Hemin誘導(dǎo)NtPDR3基因表達(dá)上調(diào)可能促使NtPDR3蛋白從外界向胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)鐵離子,緩解堿脅迫造成的礦質(zhì)元素缺失。
受到脅迫時(shí)植物通過一系列信號(hào)傳遞激發(fā)轉(zhuǎn)錄因子的產(chǎn)生,轉(zhuǎn)錄因子與相應(yīng)順式作用元件結(jié)合可激活下游逆境相關(guān)基因表達(dá)[32]。諸多研究也表明了NAC類轉(zhuǎn)錄因子參與非生物脅迫應(yīng)答且發(fā)揮重要作用[33-36]。Hemin處理誘導(dǎo)NtNAC基因表達(dá)上調(diào),合成NAC轉(zhuǎn)錄因子,并通過基因產(chǎn)物對(duì)堿脅迫做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)反應(yīng)。NtGSH1基因表達(dá)上調(diào)可促進(jìn)GSH合成,加強(qiáng)GSH與活性氧反應(yīng),清除多余自由基,從而緩解氧化損傷。
外源hemin處理可有效改善堿脅迫下煙株的生長抑制。一方面提高SOD、POD、CAT、APX等抗氧化酶活力,促進(jìn)抗氧化物質(zhì)AsA和GSH與活性氧反應(yīng)并消除多余活性氧;增加脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量,維持細(xì)胞滲透勢(shì)。另一方面增加根系活力,加強(qiáng)營養(yǎng)物質(zhì)吸收;降低煙株體內(nèi)Na+積累,促進(jìn)K+、Ca2+、Mg2+吸收,維持離子穩(wěn)態(tài)。同時(shí)hemin參與誘導(dǎo)NtPDR1、NtPDR3以及轉(zhuǎn)錄因子NtNAC基因表達(dá)上調(diào),促進(jìn)金屬離子和次生代謝物轉(zhuǎn)運(yùn)、激素調(diào)控和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)以及營養(yǎng)元素吸收,從而緩解堿脅迫對(duì)煙株造成的傷害。本研究結(jié)果表明,外源hemin處理可誘導(dǎo)煙株抵御堿脅迫,可作為新型高效抗逆性物質(zhì)。關(guān)于hemin的其他抗逆性功能還有待更多研究。
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