麻云霞 李鋼鐵 梁田雨 王檬檬 鄒 苗 童春元 楊 穎 田夢(mèng)妮
( 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)
鎘(Cd)是擁有較強(qiáng)毒性的重金屬元素和土地污染物之一,最近幾年,由于各行業(yè)生產(chǎn)水平的高速提升,工業(yè)廢水、廢渣排入農(nóng)田及不合理施肥制度的使用,導(dǎo)致我國(guó)眾多地區(qū)土壤污染日趨嚴(yán)重,Cd2+產(chǎn)生積聚,其含量超過(guò)一般土壤,于植株的生長(zhǎng)有負(fù)面效應(yīng)[1-2]。有研究證明逆境下植物細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化,礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收速率降低,出現(xiàn)活性氧堆積現(xiàn)象,抑制了植物生長(zhǎng),Cd2+是非還原型重金屬,不能參加哈伯-韋斯反應(yīng),因此也會(huì)影響植物保護(hù)酶系統(tǒng),包括植物呼吸作用酶、光合作用酶及根系脫氫酶和固氮酶等[3-4]。Cd2+在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中所起的作用呈現(xiàn)雙面性,濃度較小時(shí),可促進(jìn)植物體內(nèi)某些生理指標(biāo)的積累,即為學(xué)術(shù)界認(rèn)可的施加較小濃度Cd2+對(duì)植物能發(fā)揮顯著的“積極效應(yīng)”,而濃度較高時(shí)則產(chǎn)生負(fù)面的脅迫作用,且土壤中Cd2+形態(tài)易被植物吸收,從地下部分轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部分,通過(guò)食物鏈等途徑傳遞,最終對(duì)動(dòng)物和人類的健康造成不可估量的危害[5]。
酸棗(Zizyphus jujuba)屬鼠李科(Rhamnaceae)棗屬(Zizyphus),廣布于華北、西北、東北和華東的向陽(yáng)山坡、荒蕪丘陵和平原,從東部的濕潤(rùn)地帶到西部的干旱區(qū)均有分布。酸棗根系發(fā)達(dá),具有抗旱、耐鹽堿、耐低溫的特性,在水土保持方面有重要的作用,是生態(tài)恢復(fù)的先鋒樹(shù)種。但目前對(duì)該植物的研究主要集中于生物活性物質(zhì)提取[6]、藥用價(jià)值開(kāi)發(fā)[7]、組培嫁接[8]、抗旱能力及結(jié)構(gòu)研究[9]等方面。重金屬污染研究主要集中在經(jīng)濟(jì)作物和農(nóng)作物上,對(duì)園林觀賞植物的研究較為少見(jiàn)[10]。酸棗作為棗樹(shù)的砧木時(shí)多在土壤和灌溉條件好的苗圃地,酸棗繁殖過(guò)程中幼苗極易受到Cd2+脅迫危害的情況并不多見(jiàn),但在新建棗園和新疆實(shí)生播種建園時(shí)確有因Cd2+脅迫出現(xiàn)嚴(yán)重出苗不齊、幼齡樹(shù)死亡的情況,且Cd2+為環(huán)境中存在劇毒的重金屬污染物。一氧化氮(NO)作為氣體小分子信號(hào)物質(zhì),在植物體內(nèi)參與多種生理過(guò)程,如種子萌發(fā)[11]、調(diào)節(jié)植物光合作用[12]、側(cè)根生長(zhǎng)[13]、植物抗逆性[14]、細(xì)胞程序性死亡等[15]。本試驗(yàn)以酸棗為試材,以重金屬Cd2+為目標(biāo)污染物,通過(guò)研究不同濃度的硝普鈉(SNP)對(duì)Cd2+脅迫下酸棗幼苗生長(zhǎng)、活性氧代謝、抗氧化酶系,礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素的攝入及光系統(tǒng)等的影響,篩選出SNP緩解Cd2+脅迫的最佳濃度,初步探討外施NO應(yīng)用于酸棗幼苗對(duì)Cd脅迫下的調(diào)控作用,這將為預(yù)防Cd2+造成的植物污染,降低Cd2+在酸棗體內(nèi)的積累提供依據(jù)。
本試驗(yàn)在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)科教示范區(qū)(111°73′29″E,40°83′35″N,海拔 1051 m)開(kāi)展,供試材料為酸棗,種子由巴彥淖爾市林業(yè)科學(xué)研究所提供。選取大小均勻、圓潤(rùn)光滑的酸棗種子使用0.1%的HgCl2進(jìn)行10 min殺菌,蒸餾水沖刷3~5遍,放于濕潤(rùn)的紗布上25℃避光催芽,36 h后將出芽的種子播于洗凈的蛭石營(yíng)養(yǎng)缽中,用1/4 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液定時(shí)定量灌溉,當(dāng)幼苗出現(xiàn)3~4片真葉后,選取長(zhǎng)勢(shì)均一、生長(zhǎng)較好的幼苗清除完根部殘留物,換成完全營(yíng)養(yǎng)液繼續(xù)培育,每3 d更換1次營(yíng)養(yǎng)液。水培期間電動(dòng)氣泵保持持續(xù)通氣狀態(tài),幼苗長(zhǎng)出5~6片真葉之后,開(kāi)始進(jìn)行Cd2+脅迫試驗(yàn)。
2017年6月15日,對(duì)長(zhǎng)勢(shì)恢復(fù)較好的幼苗正式開(kāi)始預(yù)試驗(yàn)。將不添加Cd2+作為對(duì)照(CK),試驗(yàn)設(shè)計(jì)梯度為 BT1(25 μmol/L Cd2+);BT2(50 μmol/L Cd2+);BT3(75 μmol/L Cd2+);BT4(100 μmol/L Cd2+);BT5(125 μmol/L Cd2+)。試驗(yàn) 30d 后根據(jù)幼苗生物量和相對(duì)生長(zhǎng)速率(RGR)篩選出50 μmol/L CdCl2為 Cd2+脅迫濃度。
SNP除了產(chǎn)生NO外,還會(huì)生成NO2-/NO3-和Fe(CN)52-等。因此,設(shè)定 100 μmol/L的 NaNOx和Na3Fe(CN)6處理作為試驗(yàn)相關(guān)處理。根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)得出Cd2+脅迫濃度及所添加NO供體SNP特性,外源物質(zhì)對(duì)酸棗幼苗在Cd2+脅迫下的生理生態(tài)效應(yīng)試驗(yàn)共設(shè)置以下7個(gè)處理,試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如表1所示。
表1 外源物質(zhì)對(duì)鎘脅迫酸棗的生理生態(tài)效應(yīng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Table 1 Experimental design scheme of physiological and ecological effects of exogenous materials on Z. jujube under Cd2+ stress
每組處理共設(shè)置3個(gè)重復(fù),隨機(jī)分布在大棚中,營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)期間其營(yíng)養(yǎng)液更換頻率為每天1次,使用KOH或HCl將pH調(diào)整為6.6±0.2。溫室里光周期是15 h,白天其最高溫度為31.3 ℃,夜間最低溫度為14.4 ℃,在試驗(yàn)第20天時(shí),取樣進(jìn)行分析測(cè)定。NO供體硝普鈉購(gòu)自德國(guó)Merck公司,先用蒸餾水配制100 mmol/L的母液,存于4 ℃低溫下,其濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)后即可用于試驗(yàn)處理。
1.3.1 形態(tài)指標(biāo)和生物量測(cè)定
在脅迫試驗(yàn)的第10天(D1,所測(cè)總生物量為W1),第 20天(D2,所測(cè)總生物量為W2)時(shí),選擇每個(gè)梯度下的6株酸棗進(jìn)行形態(tài)指標(biāo)和生物量的測(cè)定,使用Li-3000C便攜式葉面積儀(Li-Cor,USA)測(cè)定幼苗葉片植株葉長(zhǎng)及葉寬。用游標(biāo)卡尺(精度為0.001 cm)測(cè)定其基徑,用卷尺(精度為0.1 cm)測(cè)定主根長(zhǎng)度及幼苗株高。用無(wú)菌水對(duì)幼苗表層土屑進(jìn)行沖刷,用濾紙將表層殘留水分吸干,稱取鮮質(zhì)量,然后放于105 ℃烘箱中烘干殺青10 min,再于65 ℃下烘干,測(cè)定干質(zhì)量,用電子分析天平(精度為0.0001 g)分別稱取植物各部分的干質(zhì)量后并進(jìn)行累加得出植株總生物量,按公式(1)~(2)計(jì)算相對(duì)生長(zhǎng)速率和根莖比(R/S)。
1.3.2 生理指標(biāo)測(cè)定
指標(biāo)測(cè)定均在處理第20天進(jìn)行。每個(gè)處理選取幼苗嫩葉,放入96%的乙醇磨碎,于25 mL容量瓶中定容,在665、646、470 nm測(cè)定吸光值,計(jì)算各光合色素含量[16]。凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)測(cè)定,使用Ciras-2型便攜式光合測(cè)定系統(tǒng)(PP Systems,USA)測(cè)定,光的強(qiáng)度為 1000 μmol/(m2·s)。
過(guò)氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法測(cè)定,過(guò)氧化物酶(POD)活性測(cè)定采用愈創(chuàng)木酚法,超氧化物歧化酶(SOD)活性測(cè)定采用氮藍(lán)四唑(NBT)光化還原法,抗壞血酸氧化酶(APX)活性利用紫外分光光度法測(cè)定。
過(guò)氧化氫(H2O2)與丙二醛(MDA)含量測(cè)定參照李合生等[17]的方法,過(guò)氧根離子自由基產(chǎn)生速率測(cè)定參照Elstner 等[18]的方法,脯氨酸(Pro)測(cè)定采用酸性茚三酮比色法[17]。
質(zhì)膜質(zhì)子泵(H+-ATPase)活性測(cè)定參照Wang等[19]的方法;質(zhì)膜鈣泵(Ca2+-ATPase)活性測(cè)定參照繆穎等[20]的方法。將幼苗泡于乙二胺四乙酸二鈉溶液中(2 mmol/L),除掉表面附著的微量元素,4 h后取出后用蒸餾水沖洗,并分離葉片和根系,殺青完置于80℃下烘干,用原子吸收光譜儀 AA6300 (Shimadzu,Japan)分析 Cd2+和微量元素含量[21]。
數(shù)據(jù)采用SPSS 21.0 軟件統(tǒng)計(jì)分析,多重比較(Duncan新復(fù)極差法)檢驗(yàn),Microsoft Excel 2003制表作圖。顯著性水平設(shè)定為α=0.05。
由表2可知,不同濃度Cd2+處理酸棗幼苗后其生長(zhǎng)指標(biāo)均出現(xiàn)下降,當(dāng)Cd2+濃度達(dá)到50 μmol/L,株高、地上鮮質(zhì)量、地上干質(zhì)量、地下鮮質(zhì)量和地下干質(zhì)量均顯著低于CK(P<0.05),分別下降了25.68%、36.27%、33.33%、64.66%和58.62%。BT1和BT2的R/S均高于CK,BT2下值達(dá)到最大,與CK相比差異顯著(P<0.05)。BT1與BT2的RGR比CK降低7.31%和37.26%,BT2與CK相比達(dá)到顯著水平(P<0.05)。BT2的RGR與BT1相比差異顯著(P<0.05),為植物RGR下降最快的,對(duì)植物生長(zhǎng)造成了嚴(yán)重抑制。因此,選用50 μmol/L Cd2+為鎘脅迫的處理濃度,即作為研究酸棗幼苗在逆境下對(duì)SNP的響應(yīng)的最佳Cd2+濃度。
表2 不同梯度鎘處理酸棗幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)的變化Table 2 Effects of different Cd2+ contents on the growth index of Z. jujube seedlings
由表3可知,單一Cd2+脅迫下,酸棗幼苗干質(zhì)量、鮮質(zhì)量、基徑、根長(zhǎng)、葉寬、葉長(zhǎng)和葉數(shù)與CK相比顯著下降(P<0.05),分別下降了44.74%,48.90%,6.67%,22.41%、11.92%、7.91%和6.12%。T2、T3與T4可對(duì)Cd2+脅迫下酸棗幼苗的抑制效應(yīng)起到一定的緩解作用,T4的長(zhǎng)勢(shì)較CK出現(xiàn)較好改善,葉數(shù)、葉長(zhǎng)、葉寬、根長(zhǎng)、株高、基徑、鮮質(zhì)量、干質(zhì)量分別比T1提高了13.96%、6.05%、10.62%、17.60%、5.62%、31.39%和43.24%,顯著高于 T1(P<0.05)。T5、T6和 T7下植株生物量和形態(tài)指標(biāo)呈下降趨勢(shì),對(duì)Cd2+脅迫下酸棗長(zhǎng)勢(shì)的影響越來(lái)越小,T5與T1差異均不顯著,表明NO消除劑cPTIO的施加消除了SNP對(duì)酸棗幼苗Cd2+脅迫下的緩解效應(yīng),各指標(biāo)與單一Cd2+脅迫處理接近;SNP相似物NaNOx、Na3Fe(CN)6處理下的酸棗幼苗生物量和形態(tài)指標(biāo)長(zhǎng)與Cd2+和T5并無(wú)較大差別,對(duì)逆境環(huán)境下引起的植株長(zhǎng)勢(shì)變差并無(wú)明顯作用。因此從Cd2+脅迫下酸棗的生長(zhǎng)趨勢(shì)能夠可以看出,NO可顯著調(diào)節(jié)Cd2+脅迫對(duì)酸棗的負(fù)面效應(yīng),25~125 μmol/L SNP施加后較CK均出現(xiàn)了生物量的變化,其生物量積累程度隨SNP濃度的不同出現(xiàn)差異,其中100 μmol/L SNP處理效果最好,而NO消除劑cPTIO、SNP類似物NaNOx、Na3Fe(CN)6并不能顯著消除Cd2+脅迫對(duì)酸棗幼苗生物量和形態(tài)指標(biāo)的負(fù)面作用。
表3 鎘脅迫酸棗幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)對(duì)外源一氧化氮的響應(yīng)Table 3 Effects of exogenous NO on the growth of Z. jujube seedling under Cd2+ sress
由表4可知,與CK相比,Cd2+處理使酸棗幼苗葉片的葉綠素a含量、葉綠素b含量、類胡蘿卜素含量、葉綠素a/b含量分別下降了49.24%,37.50%、56.67%和18.80%,差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。由于外源NO添加濃度的不同,其植株光合色素含量出現(xiàn)“鐘形”變化趨勢(shì),其中T4的葉綠素a、葉綠素b的含量和葉綠素a/b的含量達(dá)到最大值,分別比T1提高了48.45%、34.52%、21.17%,差異均顯著(P<0.05),T3的類胡蘿卜素含量最大,且與T4并無(wú)顯著差異。在添加cPTIO處理后,SNP的緩解效果被消除,在Cd2+處理液中加入 100 μmol/L NaNOx或 100 μmol/L Na3Fe(CN)6,與Cd2+脅迫處理差異不顯著。
表4 外源一氧化氮對(duì)鎘脅迫酸棗葉綠素含量和光合參數(shù)的影響Table 4 Effects of exogenous NO on the chlorophyll contents and photosynthetic parameters in Z. jujube under Cd2+ sress
同時(shí),T1使酸棗葉片的Pn、Tr和Gs分別比CK下降了40.23%、52.79%、44.81%,Ci升高了42.51%,差異均顯著(P<0.05)。在T2、T3和T4下加入不同濃度的NO大大緩解了Pn、Tr、Gs和Ci的變化趨勢(shì)幅度,其中Ci處理的效果最明顯,T4下的Pn、Tr和Gs分別比T1提高了57.40%、72.58%和62.45%,Ci降低了24.78%,差異均顯著(P<0.05)。用 NO消除劑 cPTIO處理可明顯抵消SNP對(duì)Pn的正面效應(yīng),Tr、Gs和Ci則并未出現(xiàn)顯著差異,外施100 μmol/L的NaNOx或Na3Fe(CN)6對(duì)葉Pn、Tr、Gs影響不顯著,對(duì)Ci影響顯著。
由圖1可知,施加Cd2+后顯著降低植株SOD、CAT及葉片內(nèi)APX含量(P<0.05),與CK相比,Cd2+脅迫下幼苗葉片和根系中SOD活性降低了29.17%和 39.06%,CAT活性降低了47.88%和58.62%,葉片中APX活性下降了51.63%,均顯著低于CK(P<0.05),同時(shí)Cd2+脅迫下葉片和根系中POD活性與CK相比各自升高了36.11%和93.96%,差異顯著(P<0.05)。T2葉片中POD活性略微下降,T3和T4仍繼續(xù)呈上升趨勢(shì),但根系則呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。T2、T3和T4大大減輕了Cd2+脅迫對(duì)SOD、CAT和APX酶活性的負(fù)面效應(yīng),其中T4和T1比較,幼苗葉片和根系內(nèi)SOD活性升高了33.10%和57.22%,CAT活性升高了79.07%和91.67%,葉片內(nèi)POD活性升高了13.27%,根系內(nèi)POD活性下降了44.39%,葉片和根系內(nèi)APX活性升高了98.96%和78.66%,差異均顯著(P<0.05)。然而 100 μmol/L cPTIO、NaNOx和Na3Fe(CN)6并未顯著影響Cd2+脅迫下幼苗葉片和根系內(nèi)SOD、CAT和APX酶活性及葉片中POD活性,僅顯著影響根系中POD含量。
由圖2可知,與CK比較,Cd2+脅迫后幼苗葉片和根部?jī)?nèi)H2O2、MDA、Pro總量及產(chǎn)生速率明顯升高,表示Cd2+脅迫致使植物幼苗活性氧出現(xiàn)堆積狀況,細(xì)胞內(nèi)部遭受破壞,加深植物受損程度。與單一Cd2+脅迫比較,T3和T4的H2O2、MDA含量和產(chǎn)生速率都產(chǎn)生明顯下降,T4幼苗葉片和根系中H2O2比Cd2+處理分別下降了44.93%和59.18%,MDA分別下降了66.67%和60.00%,比Cd2+處理分別下降了39.74%和42.31%,均差異顯著(P<0.05)。添加外源SNP能夠提高Pro含量,T4與CK相比達(dá)到顯著水平(P<0.05),幼苗葉片和根系中Pro比Cd2+處理提高46.70%和49.43%,外施100 μmol/L SNP 后,H2O2、MDA 含量和產(chǎn)生速率最接近正常水平,質(zhì)膜過(guò)氧化得到緩解。雖然大劑量SNP的施加使根中H2O2、MDA含量及產(chǎn)生速率有所下降,但并未低于Cd2+脅迫無(wú)外源SNP添加的程度,cPTIO的施加消除了NO于Cd2+脅迫后H2O2、MDA、Pro含量及產(chǎn)生速率堆積的負(fù)面效應(yīng),T5的葉片和根系H2O2、MDA積累及葉片內(nèi)的產(chǎn)生速率高于T2、T3和T4,與單一Cd2+脅迫處理接近,根系中產(chǎn)生速率低于T2和T3,高于T4;Pro含量低于 T2、T3和 T4,與單一 Cd2+脅迫處理接近,SNP類似物NaNOx、Na3Fe(CN)6與cPTIO相似,對(duì)幼苗葉片和根系中H2O2、MDA、Pro含量及產(chǎn)生速率的作用與Cd2+和T5并無(wú)較大差別。
圖1 外源一氧化氮對(duì)鎘脅迫酸棗幼苗SOD、POD、CAT和APX活性的影響Fig. 1 Effects of exogenous NO on activity of SOD, POD, CAT and APX of Z. jujube seedlings under Cd2+ stress
圖2 外源一氧化氮對(duì)鎘脅迫酸棗幼苗H2O2、MDA、Pro含量和產(chǎn)生速率的影響Fig. 2 Effects of exogenous NO on H2O2, MDA, Procontents and production rates of Z. jujube seedlings under Cd2+ stress
由圖3可知,CK組根內(nèi)Cd2+總量為0,單一Cd2+處理后,酸棗幼苗葉片和根系內(nèi)Cd2+總量大幅度升高,無(wú)論高低劑量的SNP都可以使Cd2+脅迫下的酸棗幼苗葉片與根系中Cd2+總量出現(xiàn)減小,但整體并未大于Cd2+脅迫無(wú)外施SNP處理的Cd2+含量。T4葉片和根系內(nèi)Cd2+含量比Cd2+處理顯著降低了52.24%和 59.90%(P<0.05)。同一處理下,其葉片所含Cd2+總量顯著低于根系中的含量(P<0.05),其根系為Cd2+所趨向堆積的部位。加入cPTIO、NaNOx、Na3Fe(CN)6,葉片和根系Cd2+總量均大于T4,但并未達(dá)到顯著水平,同時(shí)cPTIO、NaNOx、Na3Fe(CN)6各處理組下的Cd2+含量總體低于Cd2+處理組。由此可見(jiàn),單一Cd2脅迫可以導(dǎo)致酸棗幼苗葉片和根系中內(nèi)源Cd2+聚集,外源NO能明顯降低Cd2+脅迫后根系內(nèi)源Cd2+的堆積。
由圖4可知,Cd2+脅迫后幼苗葉片與根系質(zhì)膜H+-ATPase和Ca2+-ATPase活性都出現(xiàn)大幅度降低,與CK相比,幼苗葉片和根系質(zhì)膜H+-ATPase分別顯著降低了34.55%和43.82%(P<0.05),Ca2+-ATPase分別顯著降低了 30.66%和31.11%(P<0.05)。添加不同劑量的SNP,幼苗葉片和根系質(zhì)膜H+-ATPase和Ca2+-ATPase活性逐漸升高,T4的H+-ATPase比T1提高了40.64%和 88.97%,Ca2+-ATPase比 T1提高了 30.60%和44.85%,與CK相比達(dá)到顯著差異(P<0.05),添加100 μmol/L的SNP能使ATPase活性提高到正常水平,而外施 100 μmol/L的 cPTIO、NaNOx、Na3Fe(CN)6下,植物幼苗質(zhì)膜H+-ATPase、Ca2+-ATPase活性和單一Cd2+脅迫沒(méi)有明顯差別。
圖3 外源一氧化氮對(duì)鎘脅迫酸棗植株中Cd2+總量的影響Fig. 3 Effects of exogenous NO on Cd2+ contents in Z. jujube under Cd2+ stress
圖4 外源一氧化氮對(duì)鎘脅迫酸棗質(zhì)膜H+-ATPase與Ca2+-ATPase活性的影響Fig. 4 Effects of exogenous NO on H+-ATPase and Ca2+-ATPase activities in plasma membrane of Z. jujube under Cd2+ stress
由表5可知,在酸棗葉片中,Cd2+脅迫降低對(duì)鉀(K)、鈣(Ca)、鎂(Mg)、鐵(Fe)、銅(Cu)、鋅(Zn)的吸收,相比CK分別降低了 63.87%、49.80%、32.66%、50.20%、47.54%、33.51%,差異顯著(P<0.05),同時(shí)Cd2+脅迫顯著提高了對(duì)錳(Mn)的吸收(P<0.05),相比CK提高了115.17%;而在酸棗根部?jī)?nèi),Cd2+脅迫與 CK相比顯著降低了對(duì)鉀 K、Ca、Mg、Fe、Zn、Mn的攝入(P<0.05),同時(shí)顯著提高了植株對(duì)Cu的吸收(P<0.05)。在酸棗葉片中,加不同濃度的SNP提高了植株葉片對(duì)K、Ca、Mg、Fe、Cu、Zn和Mn的攝入,其中在T4下作用最顯著,分別相比T1顯著提高了141.75%、86.01%、50.50%、94.93%、81.64%、53.18%和134.81%(P<0.05);但在酸棗根系內(nèi),加小劑量到大劑量的SNP,植株葉片對(duì)Ca、Mg、Fe和Zn的攝入也呈遞增趨勢(shì),在T4下最大,分別相比T1顯著提高了67.84%、33.80%、86.76%和37.05%(P<0.05),K和Cu的攝入量為先減小后增高,于T2下最低,T4比T1提高了8.67%和7.35%,差異并不顯著,Mn無(wú)明顯變化規(guī)律,在T3下達(dá)到最大。而外 施 100 μmol/L 的 cPTIO、NaNOx、Na3Fe(CN)6下對(duì)植株葉片的微量礦質(zhì)元素?zé)o顯著影響,cPTIO并沒(méi)有對(duì)植株根系的礦質(zhì)元素產(chǎn)生較大作用,NaNOx明顯降低了植物幼苗根部的Mn含量,Na3Fe(CN)6的加入大大提高了了根系Fe總量,使根系內(nèi)Cu總量出現(xiàn)下降,這可能與T7引入Fe元素有關(guān)。
表5 不同濃度SNP對(duì)鎘脅迫酸棗礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)含量的影響Table 5 Effects of different concentrations of SNP on mineral nutrition in shoots and roots of Z. jujube under Cd2+ stress g/kg
Cd2+是植物生長(zhǎng)的非必需元素,Cd2+脅迫可引起植物生理生化方面復(fù)雜的變化,能夠使內(nèi)脂氧合酶和還原性輔酶II(NADPH)氧化酶活性提高[22],膜質(zhì)過(guò)氧化和細(xì)胞內(nèi)代謝出現(xiàn)紊亂,最后導(dǎo)致植物長(zhǎng)勢(shì)變差。本試驗(yàn)觀察得知,Cd2+中毒的酸棗植株矮小,老葉葉脈間和葉尖失綠,新葉卷曲、老葉出現(xiàn)較多Cd2+中毒的褐色斑點(diǎn),植物葉性狀和基徑等均遭受抑制,表明50 μmol/L Cd2+處理使其生理指標(biāo)值顯著減小,使植物的生長(zhǎng)狀況變差,這進(jìn)一步驗(yàn)證了前人的結(jié)論[23]。試驗(yàn)過(guò)程中觀測(cè)到,植物幼苗根部受到的脅迫傷害較葉片更為嚴(yán)重,其原因?yàn)楸驹囼?yàn)采用的為營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)方法,其Cd2+能與植物根部大面積直接接觸,根部?jī)?nèi)Cd2+高于葉片。外源SNP處理后,Cd2+中毒的癥狀得到明顯改善,酸棗生物量明顯增加,NO對(duì)提高酸棗抗Cd2+脅迫的作用明顯,外源NO對(duì)Cd2+處理下氧化傷害的緩解作用已在紫花苜蓿(Medicago sathiva)[24]、東南景天(Sedum plumbizincicola)[25]、蠶豆(Vicia faba)等[26]多個(gè)物種中得到證明。Cd2+于酸棗幼苗根部存在截留效應(yīng),可以和根部中的谷脫甘肽和含硫化合物與其結(jié)合構(gòu)成螯合物發(fā)揮解毒效果,根長(zhǎng)隨著濃度的提高逐漸增長(zhǎng),表示適宜的SNP劑量調(diào)節(jié)了根系細(xì)胞壁內(nèi)交換位點(diǎn)的轉(zhuǎn)移,使根系生長(zhǎng)速度加快,加大了對(duì)礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素的攝入。劉柿良等[27]、Wang等[28]在研究發(fā)現(xiàn)了施加NO對(duì)植物幼苗的大小濃度-雙面現(xiàn)象,這都顯示了植物存在“低促高抑”的狀況,但在本研究中,植物各生理指標(biāo)在T4恢復(fù)到與CK相近的水平,因此并未設(shè)置過(guò)多試驗(yàn)組。NO消除劑cPTIO、SNP類似物NaNOx、Na3Fe(CN)6的應(yīng)用卻沒(méi)有緩解Cd2+誘導(dǎo)的氧化脅迫傷害,這與李海燕等[29]對(duì)外源NO對(duì)Cd脅迫下玉米(Zea maya)幼苗根的研究中得出cPTIO的加入逆轉(zhuǎn)了SNP保護(hù)作用的結(jié)論出現(xiàn)了差異,而本研究與此相悖的結(jié)果可能與植物物種、器官、發(fā)育階段、脅迫處理的方式、濃度和時(shí)間等有關(guān)。因此可以判斷SNP于Cd2+脅迫下酸棗幼苗生理指標(biāo)的回升現(xiàn)象為NO導(dǎo)致的,NO很大部分上是通過(guò)減少氧化傷害來(lái)提高Cd2+耐性的。
湯紹虎等[30]研究表明適宜的SNP能夠有效提高黃瓜(Cucunis sativus)的光系統(tǒng)活性、光合速率和產(chǎn)量。光合色素含量是表示植株葉片中光合結(jié)構(gòu)的重要組成部分,其受到脅迫后都會(huì)對(duì)其含量產(chǎn)生不同程度的改變[31]。Cd2+對(duì)植物脅迫作用最明顯的特征是植株葉片黃化,Cd2+脅迫后,其葉綠素含量開(kāi)始出現(xiàn)下降,且葉綠素含量與Cd2+濃度為負(fù)相關(guān)變化趨勢(shì),由此也能夠得出,隨著Cd2+脅迫濃度的不斷加強(qiáng),葉片的光合速率顯著下降,施加NO后又顯著增加,從而保證酸棗光合速率出現(xiàn)回升。本研究中,酸棗幼苗于Cd2+脅迫下,Pn大幅度下降,這與葉綠素含量的降低有密切關(guān)系;Pn和Gs下降的同時(shí)Ci出現(xiàn)上升的趨勢(shì)。Kopyra等[32]研究表明,施加外源NO能夠明顯提高Cd2+脅迫下羽扇豆(Lupinus polyphyllus)根尖SOD、CAT、和APX活性,本研究結(jié)論與此相似,Cd2+處理顯著降低了酸棗SOD、CAT、APX活性,在Cd2+處理下添加外源NO提高了SOD、CAT、APX活性,POD在Cd2+脅迫及施加NO后一直呈上升趨勢(shì),這與廖克波[33]對(duì)觀光木(Michelia odora)在Cd2+脅迫時(shí)的變化規(guī)律相同。與正常生長(zhǎng)的植株相比,Cd2+脅迫致使酸棗幼苗體內(nèi)MDA和H2O2、含量上升,這與Rodriguez等[34]對(duì)豌豆(Pisum sativum)和 Yi等[35]對(duì)水稻(Oryza sativa)的研究結(jié)果相一致,表明抗氧化物質(zhì)為逆境環(huán)境里限制植株生長(zhǎng)發(fā)展的關(guān)鍵物質(zhì),而100 μmol/LNO顯著降低了Cd2+脅迫下葉片細(xì)胞MDA和H2O2、的含量,且減小細(xì)胞膜透性的上升幅度和細(xì)胞膜的變化,緩解了Cd2+脅迫對(duì)植株造成的氧化傷害。Pro一方面經(jīng)由催化鳥(niǎo)氨酸生成,另一方面也可以催化谷氨酸形成,之后會(huì)存在降解過(guò)程,所以Pro總量取決于這2個(gè)過(guò)程總的強(qiáng)弱。在此實(shí)驗(yàn)結(jié)果中顯示,Cd2+單一處理后,酸棗內(nèi)產(chǎn)生大量的Pro,施加外源NO則進(jìn)一步加速了Pro的這種變化趨勢(shì),這和Fan等[36]、Dilek等[37]的試驗(yàn)結(jié)果相一致。在NO緩解脅迫損傷的機(jī)理,有2種說(shuō)法被國(guó)內(nèi)外學(xué)者認(rèn)可:其一,NO可直接與活性氧作用,例如可與形成過(guò)氧硝酸鹽,這種物質(zhì)對(duì)細(xì)胞的傷害相對(duì)較輕,因而起到了保護(hù)細(xì)胞的作用;其二,NO可以作為一個(gè)信號(hào)分子,激活細(xì)胞內(nèi)的抗氧化系統(tǒng),而這些原因則需在后一步的分子生物學(xué)上得到驗(yàn)證。本研究在添加cPTIO后,SNP的效果被顯著消除,施用NOx-和Na3Fe(CN)6,并無(wú)法顯著改變Cd2+脅迫對(duì)幼苗抗氧化酶以及MDA和H2O2等總量的大小。植物攝入的Cd+于各部位的總量排列順序分別為根>莖>葉>籽粒[38]。本研究也表明,酸棗根系中Cd2+的濃度高于葉片,Cd2+于根部?jī)?nèi)的堆積一方面是因?yàn)榧?xì)胞壁上羧基的交聯(lián)作用,另一方面則是由于可溶性蛋白中硫基的交互作用,而葉中的Cd2+含量遠(yuǎn)低于根部可能是因?yàn)镹O防止幼苗膜質(zhì)過(guò)氧化并維持細(xì)胞膜的穩(wěn)定,Cd2+很難入侵到地上部分的細(xì)胞中。這種將Cd2+富集于根系是植物阻止Cd2+脅迫的生存策略。Cd2+處理使酸棗根部?jī)?nèi)H+-ATPase和Ca2+-ATPase活性顯著下降,而NO能夠使Cd2+脅迫下酸棗葉片和根部細(xì)胞質(zhì)膜 H+-ATPase和 Ca2+-ATPase活性出現(xiàn)上升,其原因可能是由于施加供體SNP后,細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性得到恢復(fù),給H+-ATPase和Ca2+-ATPase活性創(chuàng)造了較好的存在和進(jìn)一步反應(yīng)的微環(huán)境,張?chǎng)螛s[39]對(duì)巨峰葡萄(Vitis vinifera)的研究更好的驗(yàn)證了以上結(jié)論。在幼苗體內(nèi),各種離子的含量及種類一直處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程中。然而,Cd2+脅迫打破了這種平衡,Cd2+脅迫降低了酸棗體內(nèi)K、Ca、Mg、Fe、Cu、Zn的總量,NO提高了酸棗在Cd2+脅迫下對(duì)礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素的攝入。綜上所述,Cd2+脅迫會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制,而Cd2+脅迫下一定濃度的外源 SNP 處理能夠通過(guò)增強(qiáng)活性氧清除能力,提高光合色素總量和質(zhì)膜ATP酶活性,進(jìn)一步加強(qiáng)葉肉細(xì)胞光合性能,提升離子與信號(hào)分子跨膜轉(zhuǎn)換,維持礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素平衡,緩解鎘脅迫對(duì)細(xì)胞質(zhì)膜的損傷,增強(qiáng)酸棗幼苗對(duì)Cd2+毒害的抗性,使 Cd2+對(duì)酸棗的毒害得到一定程度的緩解,其中濃度以100 μmol/L緩解脅迫效果最好,而NO消除劑cPTIO、SNP類似物NaNOx、Na3Fe(CN)6并無(wú)相同作用。