馬永佳,梁嬋娟*
(1.江蘇省厭氧生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院,江蘇 無錫214122;2.江蘇省水處理技術(shù)與材料協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 無錫214122)
酸雨是全球性環(huán)境問題。酸雨對植物的直接影響主要表現(xiàn)在破壞細(xì)胞膜完整性[1]、降低葉綠素含量、抑制光合速率[2]、阻礙營養(yǎng)吸收[3]等,還能通過影響土壤的營養(yǎng)成分[4]、土壤中污染物賦存狀態(tài)[5]、土壤微生物活性等間接影響植物生長、產(chǎn)量和品質(zhì)[6],給農(nóng)林業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。面對全球人口增長對食品安全的挑戰(zhàn),以及當(dāng)下酸雨污染尚不能有效控制的嚴(yán)峻現(xiàn)實(shí),如何減輕酸雨對植物的危害迫在眉睫。
鈣(Ca)既是植物必需的營養(yǎng)物質(zhì),也是植物細(xì)胞第二信使,在調(diào)節(jié)植物耐受鹽、干旱、重金屬、酸雨等非生物脅迫方面發(fā)揮重要的作用[7-9]。前期研究發(fā)現(xiàn),外源Ca2+能上調(diào)植物質(zhì)膜H+-ATPase基因表達(dá)從而提高H+-ATPase活性,這一方面緩解了酸雨引起的胞內(nèi)H+增加,維持胞內(nèi)pH穩(wěn)定,另一方面保障了植物營養(yǎng)吸收所需質(zhì)子梯度勢[10-11]。然而植物質(zhì)膜H+-ATPase活性不僅受翻譯表達(dá)和磷酸化修飾的調(diào)控,也受質(zhì)膜環(huán)境的影響。脅迫條件下,質(zhì)膜中磷脂、糖脂、膜蛋白含量以及膜蛋白與脂質(zhì)間的相互作用均會(huì)發(fā)生適應(yīng)性變化,致使質(zhì)膜穩(wěn)定性改變,影響細(xì)胞內(nèi)各類代謝活動(dòng)的有序進(jìn)行[12]。而植物質(zhì)膜上磷脂與蛋白質(zhì)結(jié)合能力或脂質(zhì)重新分布均會(huì)受到細(xì)胞內(nèi)Ca2+含量或Ca2+形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響[13]。如能從質(zhì)膜環(huán)境角度探究外源Ca2+對植物耐酸性的影響,不僅為豐富植物酸致傷機(jī)理提供新思路,也能為理清Ca2+調(diào)控植物抗逆性的內(nèi)在機(jī)制提供新數(shù)據(jù)。
鑒于此,本文通過測定水稻質(zhì)膜組分(磷脂、糖脂以及膜蛋白含量),評價(jià)了外源Ca2+對模擬酸雨脅迫下水稻根系膜穩(wěn)定性的影響;通過觀察水稻根系中各種形態(tài)鈣的含量,從鈣形態(tài)角度闡明外源Ca2+對酸雨脅迫下水稻根系質(zhì)膜組分和穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)。這些研究結(jié)果有助于弄清外源Ca2+緩解植物酸致傷的作用機(jī)理,為尋找環(huán)境友好型調(diào)控方法以增強(qiáng)植物耐酸性提供參考,也為減輕酸雨造成的農(nóng)林業(yè)損失提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)用水稻品種為“五優(yōu)308”(Oryza sativa L.)。用0.1%HgCl2將種子消毒10 min后洗凈,并用去離子水浸泡24 h。浸泡后的水稻種子在25℃光照培養(yǎng)箱中萌發(fā)4 d,繼而轉(zhuǎn)入蛭石中培養(yǎng)14 d。取長勢一致的水稻幼苗轉(zhuǎn)移到6.88 L周轉(zhuǎn)箱中用營養(yǎng)液培養(yǎng)(pH 5.6)。培養(yǎng)環(huán)境的濕度為70%~80%,溫度為25℃/20℃(日/夜),光強(qiáng)度為250μmol·m-2·s-1,光周期為13 h/11 h(日/夜)。營養(yǎng)液采用的是國際水稻研究所(IRRI)常規(guī)水稻營養(yǎng)液配方[14],每3 d更換一次。
培養(yǎng)10 d后對水稻幼苗按如下試驗(yàn)設(shè)置進(jìn)行處理:pH 4.5、pH 3.0、Ca2+(5 mmol·L-1)、pH 4.5+Ca2+(5 mmol·L-1)、pH 3.0+Ca2+(5 mmol·L-1),并以不加模擬酸雨或Ca2+的水稻幼苗作為對照(CK)。按照濃硝酸和濃硫酸1∶3(V/V)的比例配制模擬酸雨(Simulated acid rain,SAR)母液[15],并用SAR母液將營養(yǎng)液調(diào)為pH 4.5或3.0的SAR溶液。用去離子水稀釋SAR母液(pH 4.5/3.0),每日上午10:00噴施水稻幼苗地上部,滴液為限。對照組噴灑pH 7.0去離子水。外源Ca2+以CaCl2的形式加入營養(yǎng)液中,攪拌至完全溶解。連續(xù)脅迫5 d后(脅迫期),在對照條件下繼續(xù)培養(yǎng)水稻幼苗5 d(恢復(fù)期),分別在處理的第6 d和11 d收集水稻根系測定指標(biāo)。
采用Singh等[16]的方法測定水稻根系質(zhì)膜穩(wěn)定性指數(shù)。參照Palmgren等[17]的方法分離水稻根系質(zhì)膜后,用Kates等[18]方法分離水稻根系質(zhì)膜總脂質(zhì)。將提取的水稻根系質(zhì)膜總脂質(zhì)用磷鉬酸比色法[19]測定總磷脂含量,用蒽酮法[20]測定總糖脂含量。采用薄層色譜法分離并測定磷脂和糖脂各組分含量。植物質(zhì)膜蛋白提取和BCA法蛋白含量測定試劑盒購于上海貝博生物科技有限公司。采用萃取法依次萃取水稻根系硝酸鈣和氯化鈣、水溶性鈣、果膠鈣、磷酸鈣和碳酸鈣、草酸鈣和硅酸鈣,并通過原子吸收測定鈣含量[21]。
所有數(shù)據(jù)均為3次獨(dú)立試驗(yàn)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差(Mean±SD),并采用SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析,不同字母表示顯著性差異(P<0.05),用Origin 8.5軟件制圖。
質(zhì)膜是非生物脅迫作用于植物細(xì)胞的靶位。脅迫下質(zhì)膜穩(wěn)定性越低,植物受傷害程度越嚴(yán)重,耐受性越低[22]。圖1是外源Ca2+對SAR脅迫下水稻根系膜穩(wěn)定性指數(shù)的影響。與CK相比,pH 4.5 SAR對水稻根系膜穩(wěn)定性無顯著影響(P>0.05),pH 3.0 SAR顯著降低了水稻根系膜穩(wěn)定性(P<0.05),降幅達(dá)17.7%。單一Ca2+和pH 4.5+Ca2+組水稻根系膜穩(wěn)定性與CK無差異(P>0.05),pH 3.0+Ca2+組水稻根系膜穩(wěn)定性低于CK(12.6%),但高于pH 3.0 SAR組(P<0.05),說明外源Ca2+可以在一定程度上緩解高強(qiáng)度SAR(pH 3.0)對水稻根系膜穩(wěn)定性的破壞。這可能與外源Ca2+提高質(zhì)膜H+-ATPase活性從而維持胞內(nèi)pH穩(wěn)定有關(guān)[11],也可能是外源Ca2+誘導(dǎo)抗氧化酶活性增加防止脂質(zhì)過氧化所致[23]?;謴?fù)5 d后,pH 4.5 SAR組水稻根系膜穩(wěn)定性仍處于CK水平(P>0.05),pH 3.0 SAR組水稻根系膜穩(wěn)定性低于CK且與脅迫期無明顯差異。SAR(pH 4.5/3.0)+Ca2+組水稻根系膜穩(wěn)定性均恢復(fù)至CK水平(P>0.05)。以上結(jié)果表明低強(qiáng)度SAR(pH 4.5)未超出水稻根系膜穩(wěn)定性的耐受范圍,而高強(qiáng)度SAR(pH 3.0)對水稻膜穩(wěn)定性的破壞不可逆。外源Ca2+可以在一定程度上緩解高強(qiáng)度SAR(pH 3.0)對水稻根系膜穩(wěn)定性的破壞,并促進(jìn)水稻根系膜穩(wěn)定性的恢復(fù)。
磷脂是植物質(zhì)膜的主要成分,其中磷脂酰膽堿(Phosphatidylcholine,PC)、磷脂酰甘油(Phosphatidylglycerol,PG)、磷脂酰肌醇(Phosphatidylinositol,PI)、磷脂酰絲氨酸(Phosphatidylserine,PS)是雙層脂,磷脂酰乙醇胺(Phosphatidylethanolamine,PE)為非雙層脂。脅迫導(dǎo)致的植物質(zhì)膜穩(wěn)定性下降通常與磷脂含量減少及雙層脂與非雙層脂比例(PC/PE)下降有關(guān),最終表現(xiàn)為植物抗逆性降低[24]。表1是外源Ca2+對SAR脅迫下水稻根系質(zhì)膜磷脂含量的影響。如表1所示,PC、PE和PG是水稻根系質(zhì)膜主要磷脂組分,約占總磷脂的80%。與CK相比,pH 4.5 SAR處理組水稻質(zhì)膜總磷脂、PC、PE和PG含量分別增加了24.1%、26.4%、24.5%和41.3%(P<0.05),PC/PE無顯著變化(P>0.05)。pH 3.0 SAR組水稻根系PE增幅大于pH 4.5 SAR組,但總磷脂、PC和PG含量,以及PC/PE分別降低了19.7%、35.0%、48.4%和53.6%(P<0.05)。結(jié)合膜穩(wěn)定性變化分析(圖1),SAR誘導(dǎo)的水稻膜雙層脂(PC和PG)減少和PC/PE比例下降可能是破壞膜穩(wěn)定性的原因之一。低強(qiáng)度SAR(pH 4.5)下水稻根系磷脂增加是水稻對酸雨脅迫的適應(yīng)性反應(yīng),以維持水稻根系膜穩(wěn)定性,避免質(zhì)膜受到SAR的傷害。前人也發(fā)現(xiàn)植物通過增加質(zhì)膜磷脂含量應(yīng)對低溫和鹽脅迫[25]。單一Ca2+處理對水稻根系磷脂組分無影響(P>0.05)。SAR(pH 4.5/3.0)+Ca2+處理的水稻根系總磷脂、PC和PG含量顯著高于單一SAR處理,但pH 3.0+Ca2+處理的水稻根系PG含量和PC/PE分別較CK低30.0%和39.1%(P<0.05)。結(jié)合膜穩(wěn)定性變化分析(圖1),外源Ca2+提高水稻根系磷脂(尤其是雙層脂)含量和PC/PE,有利于緩解高強(qiáng)度SAR(pH 3.0)對水稻根系膜穩(wěn)定性的破壞。然而,當(dāng)pH 4.5 SAR強(qiáng)度未影響水稻根系膜穩(wěn)定性時(shí),外源Ca2+也可以增加pH 4.5 SAR脅迫下水稻根系雙層脂含量,這可能在一定程度上提高水稻的耐酸性。因?yàn)閹ж?fù)電荷的PG和PC增強(qiáng)了磷脂對Ca2+的親和力,有利于維持植物質(zhì)膜的完整性[26]。Savithramma等[27]研究也發(fā)現(xiàn)施加Ca2+的蔬菜中總磷脂和總糖脂含量明顯增加,脂質(zhì)過氧化程度減輕,生長狀況更好。恢復(fù)5 d后,pH 4.5 SAR組水稻根系磷脂含量均恢復(fù)至CK水平(P>0.05),而pH 3.0 SAR組水稻根系PE含量仍高于CK(17.8%)(P<0.05),總磷脂、PC、PG含量以及PC/PE分別較CK降低22.2%、25.0%、45.5%和36.8%(P<0.05)。而添加外源性Ca2+后,在恢復(fù)期,SAR(pH 4.5/3.0)+Ca2+處理的水稻根系總磷脂和PC/PE的水平基本能保持與CK一致(P>0.05)。低強(qiáng)度SAR(pH 4.5)引起的水稻磷脂應(yīng)激增加在脅迫解除后消失,再次證明磷脂含量的微增加是水稻對SAR脅迫的適應(yīng)性反應(yīng)。高強(qiáng)度SAR(pH 3.0)對水稻磷脂組分造成不可逆破壞,導(dǎo)致水稻根系膜穩(wěn)定性仍較低(圖1)。外源Ca2+促進(jìn)SAR脅迫后水稻磷脂組分恢復(fù),這可能是SAR+Ca2+處理組水稻根系膜穩(wěn)定性得以恢復(fù)的重要原因之一。
植物細(xì)胞膜糖脂主要包含雙半乳糖甘油二酯(Digalactosyl diglyceride,DGDG)和單半乳糖甘油二酯(Monogalatosyl diglyceride,MGDG)。脅迫條件下植物細(xì)胞膜DGDG/MGDG比值的下降,會(huì)降低細(xì)胞膜微黏度[28],從而破壞膜穩(wěn)定性。表2是外源Ca2+對SAR脅迫下水稻根系質(zhì)膜糖脂含量的影響。與CK相比,pH 4.5 SAR組水稻根系總糖脂、DGDG和MGDG含量以及DGDG/MGDG比值無顯著變化(P>0.05),而pH 3.0 SAR組總糖脂、DGDG含量和DGDG/MGDG比值分別增加了18.5%、20.1%和19.2%(P<0.05)。單一Ca2+和pH 4.5+Ca2+組水稻根系總糖脂、DGDG和MGDG含量以及DGDG/MGDG比值與CK差異不顯著(P>0.05),pH 3.0+Ca2+組水稻根系的上述參數(shù)顯著高于CK(P<0.05),且增幅大于pH 3.0 SAR組。以上結(jié)果說明低強(qiáng)度SAR(pH 4.5)對水稻根系糖脂水平無影響,而高強(qiáng)度SAR(pH 3.0)促進(jìn)水稻根系糖脂雙層脂的形成,觸發(fā)水稻根系質(zhì)膜的脂質(zhì)重塑。這可能是SAR誘導(dǎo)DGDG合成酶基因DGD1/DGD2轉(zhuǎn)錄水平增加[29],致使糖脂大量生成取代磷脂,以應(yīng)對SAR對水稻質(zhì)膜傷害。相比較而言,外源Ca2+促進(jìn)了高強(qiáng)度SAR(pH 3.0)下水稻根系糖脂雙層脂的進(jìn)一步累積,但水稻根系膜穩(wěn)定性依然低于CK(圖1)。推測糖脂雙層脂的增加雖然有助于維持膜穩(wěn)定性,但磷脂中非雙層脂大面積形成導(dǎo)致膜雙層結(jié)構(gòu)中斷,細(xì)胞膜呈現(xiàn)高通透性,因而pH 3.0+Ca2+組水稻根系質(zhì)膜穩(wěn)定性較低但明顯優(yōu)于pH 3.0 SAR處理組(圖1)。高溫和干旱脅迫下也發(fā)現(xiàn)了植物DGDG增加有利于維持細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)與功能[30-31]?;謴?fù)5 d后,pH 3.0 SAR組水稻根系的總糖脂和DGDG含量,以及DGDG/MGDG仍高于CK和脅迫期,pH 4.5 SAR和SAR(pH 4.5/3.0)+Ca2+組水稻根系糖脂相關(guān)參數(shù)均恢復(fù)至CK(P>0.05)。這說明解除脅迫后,水稻仍需通過提高糖脂含量緩解高強(qiáng)度SAR(pH 3.0)對質(zhì)膜的傷害,但仍難恢復(fù)至正常水平。而外源Ca2+促進(jìn)糖脂組分的恢復(fù),致使水稻根系膜穩(wěn)定性得以恢復(fù)。
表1外源Ca2+對模擬酸雨脅迫下水稻根系質(zhì)膜磷脂含量的影響(mg·g-1)Table 1 Effect of exogenous Ca2+on phospholipid content of rice roots under simulated acid rain stress(mg·g-1)
表2外源Ca2+對模擬酸雨脅迫下水稻根系質(zhì)膜糖脂含量的影響(mg·g-1)Table 2 Effect of exogenous Ca2+on glycolipidscontent of rice roots under simulated acid rain stress(mg·g-1)
植物質(zhì)膜蛋白與脂質(zhì)分子相結(jié)合可以加固膜結(jié)構(gòu),膜蛋白脫離會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜穩(wěn)定性降低,從而引起質(zhì)膜功能變化。圖2是外源Ca2+對SAR脅迫下水稻根系質(zhì)膜蛋白含量的影響。與CK相比,pH 4.5 SAR組水稻根系的質(zhì)膜蛋白含量增加了45.1%,而pH 3.0 SAR組水稻根系的質(zhì)膜蛋白含量減少了20.3%(P<0.05)。單一Ca2+組水稻根系的質(zhì)膜蛋白含量無顯著變化(P>0.05),然而pH 4.5+Ca2+組水稻根系的質(zhì)膜蛋白含量高于CK(P<0.05),且與pH 4.5 SAR組無顯著差異(P>0.05)。pH 3.0+Ca2+組水稻根系的質(zhì)膜蛋白含量高于CK 45.7%,且高于pH 3.0 SAR組(P<0.05)。結(jié)合水稻磷脂含量和膜穩(wěn)定性變化分析(表2,圖1),外源Ca2+提高SAR脅迫下水稻根系膜蛋白含量,有利于加固質(zhì)膜結(jié)構(gòu),從而緩解磷脂和膜蛋白降解導(dǎo)致的膜結(jié)構(gòu)破壞。這可能是由于外源Ca2+減輕了酸雨中H+與膜上Ca2+的置換,促進(jìn)Ca2+與質(zhì)膜磷脂和蛋白的結(jié)合,提高細(xì)胞膜緊密度[32]?;謴?fù)5 d后,pH 4.5 SAR組水稻根系質(zhì)膜蛋白含量恢復(fù)至CK水平(P>0.05),而pH 3.0 SAR組水稻根系質(zhì)膜蛋白含量仍低于CK16.2%(P<0.05),SAR(pH 4.5/3.0)+Ca2+組水稻根系質(zhì)膜蛋白含量仍高于CK和脅迫期(P<0.05)。這表明解除脅迫后,水稻根系質(zhì)膜蛋白含量的自我恢復(fù)受SAR強(qiáng)度的限制,外源Ca2+可以維持SAR脅迫后的水稻根系膜蛋白含量處于較高水平。這可能與Ca2+增強(qiáng)質(zhì)膜蛋白表達(dá)有關(guān),質(zhì)膜蛋白豐度的增加對增強(qiáng)植物耐酸性有益[33]。
圖2外源Ca2+對模擬酸雨脅迫下水稻根系質(zhì)膜蛋白含量的影響
Figure 2 Effect of exogenous Ca2+on membraneprotein content of rice roots under simulated acid rain stress
逆境脅迫下植物細(xì)胞中的鈣通過形態(tài)轉(zhuǎn)化進(jìn)行再分配,以完成適應(yīng)逆境的生理調(diào)控。如水溶性鈣(多為游離Ca2+)在植物細(xì)胞中移動(dòng)和利用,參與信號(hào)傳遞;果膠酸鈣和草酸鈣則擔(dān)負(fù)著調(diào)節(jié)逆境下植物細(xì)胞內(nèi)外Ca2+平衡,保護(hù)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu),維持生長發(fā)育的功能[34]。表3是外源Ca2+和SAR脅迫下水稻根系鈣形態(tài)的分布。與CK相比,pH 4.5 SAR組水稻根系的水溶性鈣增加了18.8%,硝酸鈣-氯化鈣減少了24.2%(P<0.05)。pH 3.0 SAR組水稻根系水溶性鈣增幅高于pH 4.5 SAR處理組,且高于CK 57.2%,硝酸鈣-氯化鈣、果膠酸鈣和磷酸鈣-碳酸鈣分別減少34.8%、28.9%和32.9%(P<0.05)。這些結(jié)果表明,SAR會(huì)引起水稻根系水溶性鈣增加,非水溶性鈣流失。魏金卓等[35]也發(fā)現(xiàn)SAR引起水稻胞內(nèi)游離Ca2+增多。因此,可以推測低強(qiáng)度SAR(pH 4.5)誘導(dǎo)硝酸鈣-氯化鈣轉(zhuǎn)化為水溶性鈣,并向下游傳遞SAR脅迫信號(hào)。這種Ca2+信號(hào)可以提高脂酰轉(zhuǎn)移酶活性,促使磷脂的合成[36],進(jìn)而穩(wěn)定植物細(xì)胞膜組成。然而,脅迫下植物細(xì)胞持續(xù)升高的游離Ca2+激活磷脂酶D,磷脂大量被水解,導(dǎo)致離子滲透加劇[37]。因此,高強(qiáng)度SAR(pH 3.0)下水稻根系水溶性鈣的過量累積可能是降低磷脂含量的重要原因。單一Ca2+處理提高了水稻根系草酸鈣含量(P<0.05),pH 4.5+Ca2+組水稻根系水溶性鈣與pH 4.5 SAR處理組無顯著差異,但果膠酸鈣和磷酸鈣-碳酸鈣含量較CK分別提高了76.4%和26.2%(P<0.05)。pH 3.0+Ca2+組水稻根系果膠酸鈣和磷酸鈣-碳酸鈣含量均與CK無差異(P>0.05),水溶性鈣仍高于CK 19.7%但低于pH 3.0 SAR組(P<0.05)。由此可見,外源Ca2+促進(jìn)SAR脅迫下水稻根系水溶性鈣轉(zhuǎn)化為非水溶性鈣。這既維持了水稻根系非水溶性鈣水平,也避免了水溶性鈣累積,從而有效緩解SAR脅迫下水稻細(xì)胞膜脂和膜蛋白的降解,維持細(xì)胞膜穩(wěn)定性(圖1~圖2,表1~表2)。另外,植物細(xì)胞果膠酸鈣減少易引發(fā)植物細(xì)胞壁解體,阻礙細(xì)胞伸長。前人研究發(fā)現(xiàn)外源Ca2+減輕SAR對水稻相對生長速率的抑制[38],可以推測果膠酸鈣的增加可能是造成這一結(jié)果的原因之一?;謴?fù)5 d后,除pH 3.0 SAR處理組水稻根系水溶性鈣、果膠酸鈣和磷酸鈣-碳酸鈣仍低于CK(P<0.05)外,pH 4.5 SAR組與SAR(pH 4.5/3.0)+Ca2+組的水稻根系各種形態(tài)鈣含量均維持在CK水平(P>0.05)。這表明,解除脅迫后,高強(qiáng)度SAR(pH 3.0)處理組水稻根系鈣流失無法恢復(fù),而SAR(pH 4.5/3.0)+Ca2+復(fù)合處理為SAR脅迫下水稻根系質(zhì)膜組分的合成和膜穩(wěn)定性的恢復(fù)提供充足的鈣源。
(1)低強(qiáng)度SAR(pH 4.5)對水稻根系膜穩(wěn)定性未造成影響,而高強(qiáng)度SAR(pH 3.0)引起水稻根系水溶性鈣過量累積,非水溶性鈣流失,質(zhì)膜磷脂雙層脂和膜蛋白降解,對膜穩(wěn)定性造成不可逆?zhèn)Α?/p>
(2)外源Ca2+可以提高SAR(pH 4.5/3.0)脅迫下非水溶性鈣水平,促進(jìn)水溶性鈣轉(zhuǎn)化為非水溶性鈣,緩解質(zhì)膜磷脂雙層脂和膜蛋白降解,減輕高強(qiáng)度SAR(pH 3.0)對水稻根系膜穩(wěn)定性的傷害,并促進(jìn)水稻根系膜穩(wěn)定性的恢復(fù)。
表3外源Ca2+和模擬酸雨脅迫下水稻根系鈣形態(tài)的影響(mg·g-1)Table 3 Effect of exogenous Ca2+on calcium forms of rice roots under simulated acid rain stress(mg·g-1)