趙首萍, 張永志, 張 棋, 王鋼軍, 葉雪珠
(浙江省食品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所, 杭州 310021)
兩種基因型番茄對(duì)鎘脅迫響應(yīng)差異
趙首萍, 張永志, 張 棋, 王鋼軍, 葉雪珠*
(浙江省食品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所, 杭州 310021)
【目的】使用兩個(gè)番茄品種YSL189高鎘積累和HZ903低Cd積累進(jìn)行苗期水培實(shí)驗(yàn),旨在揭示番茄品種間Cd耐性差異的機(jī)理, 為分子育種改良番茄重金屬耐性提供新的信息?!痉椒ā勘狙芯恳郧捌阼b定的番茄高Cd積累品種YSL189和低Cd積累品種HZ903為材料, 采用苗期人工氣候箱水培的方式, 分析了在Cd 50和100 μmol/L脅迫下, 供試品種間形態(tài)學(xué)指標(biāo)、抗氧化酶活性、Cd積累量及相關(guān)基因表達(dá)的差異, 同時(shí)分析了供試品種苗期對(duì)離子態(tài)Cd的吸收速率差異?!窘Y(jié)果】 1)在Cd 50和100 μmol/L脅迫下, 根長(zhǎng)對(duì)Cd脅迫最敏感, 株高和生物量次之;與低Cd積累品種HZ903相比, 高Cd積累品種YSL189表現(xiàn)出生物量大、根系短、株高較高的特點(diǎn)。2)在50和100 μmol/L Cd脅迫下, 植株Cd積累量以根>莖>葉的趨勢(shì)遞減;同等脅迫下, YSL189植株根、莖、葉部的Cd積累量都顯著高于HZ903。3)當(dāng)培養(yǎng)介質(zhì)中Cd濃度大于20 μmol/L時(shí), YSL189根系對(duì)離子態(tài)Cd的吸收速率顯著高于HZ903; 定量PCR結(jié)果顯示, 在50和100 μmol/L Cd脅迫下, 品種間Nramp2、Nramp3和ZIP的表達(dá)量差異趨勢(shì)與Cd積累的差異趨勢(shì)一致, 即YSL189根系Cd吸收相關(guān)基因Nramp2,Nramp3 和ZIP的表達(dá)量高于HZ903。4)在Cd 50和100 μmol/L脅迫下, 根、莖部的SOD(超氧化物歧化酶)、POD(過(guò)氧化物酶)和CAT(過(guò)氧化氫酶)活性都是YSL189高于HZ903, 同時(shí)YSL189葉部POD和SOD活性也顯著高于HZ903, 同時(shí), TBARS(巴比妥酸反應(yīng)底物)含量所指示的根、莖部膜質(zhì)過(guò)氧化傷害程度則沒有品種間差異。【結(jié)論】YSL189根系對(duì)離子態(tài)Cd的高吸收速率以及Nramp2、Nramp3和ZIP基因的高表達(dá)量, 可能是其獲得高鎘積累量的原因之一;同等脅迫條件下, YSL189植株體內(nèi)高Cd濃度誘導(dǎo)了抗氧化酶的高活性, 這說(shuō)明YSL189植株對(duì)活性氧的清除能力強(qiáng)于HZ903。
鎘; 番茄; 吸收轉(zhuǎn)運(yùn); 抗氧化酶; 基因型差異
鎘(Cd) 因其高毒性而被認(rèn)為是典型的環(huán)境污染物[1], 自然和人為因素都可以導(dǎo)致土壤中的Cd濃度增加[2], 微量Cd通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體即可通過(guò)生物放大和積累效應(yīng)對(duì)人體產(chǎn)生一系列損傷, 如“骨痛病”等[2]。Cd干擾植物正常代謝及細(xì)胞間活動(dòng), 盡管有些超積累植物的葉片可以耐受Cd高達(dá)100 μg/g左右[4], 但研究發(fā)現(xiàn), 植株葉片Cd濃度在5~10 μg/g時(shí)就已經(jīng)產(chǎn)生毒害作用[5]。在形態(tài)上, Cd可導(dǎo)致植株葉片萎黃、壞死, 根系變短、變棕色等[6-7], 生理上可導(dǎo)致ROS(活性氧)的大量產(chǎn)生, 使膜質(zhì)受到過(guò)氧化的脅迫, 產(chǎn)生高濃度的TBARS(巴比妥酸反應(yīng)底物), 導(dǎo)致離子滲漏等[7-8]。Cd在植物體內(nèi)還可以取代必需金屬離子, 導(dǎo)致生物大分子的結(jié)構(gòu)及活性發(fā)生變化[9]。植物對(duì)重金屬脅迫的耐受機(jī)制也是多樣的, 如金屬離子的區(qū)室化作用、離子外排、螯合作用、抗氧化酶對(duì)活性氧的清除能力及相關(guān)抗氧化物質(zhì)的防衛(wèi)保護(hù)作用等[9]。大量研究都證實(shí)了超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)、過(guò)氧化物酶(POD)在植物耐Cd脅迫中起到重要的作用[9-11]。Cd可以Cd2+的形式通過(guò)離子通道蛋白ZIP(ZRT, IRT like proteins)和Nramp(Natural resistance associated macrophage proteins)進(jìn)入植物體內(nèi)[4,12-14]。對(duì)擬南芥的研究表明,ZIP和Nramp家族基因參與植物體內(nèi)Cu、Zn和Cd等金屬離子的運(yùn)輸過(guò)程[15-16], 而各種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白間的平衡是決定植物重金屬耐性的重要因素之一[9]。
盡管前人在植物對(duì)重金屬脅迫響應(yīng)方面已有很深入的研究, 但對(duì)于不同基因型品種間的重金屬脅迫及耐性差異少有報(bào)道。本研究組前期獲得了兩個(gè)Cd積累量存在顯著差異的番茄品種: 高Cd積累品種“YSL189”和低Cd積累品種“HZ903”。為了分析這兩個(gè)品種間對(duì)重金屬脅迫的響應(yīng)差異, 本研究分析了Cd脅迫下, 這兩個(gè)品種間Cd吸收系統(tǒng)及防衛(wèi)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的差異, 旨在揭示番茄品種間Cd耐性差異的機(jī)理, 為分子育種改良番茄重金屬耐性提供新的信息。
1.1 試驗(yàn)材料
材料為本研究室前期通過(guò)溫室盆栽及實(shí)驗(yàn)室水培鑒定得到的番茄(LycopersiconesculentumMill) 高Cd積累品種‘YSL189’和低Cd積累品種‘HZ903’。
1.2 試驗(yàn)方法
1.2.1 種子萌發(fā)及處理培養(yǎng)方法 采用人工氣候箱內(nèi)水培的方法研究。番茄種子用1% NaClO 浸泡表面消毒30 min, 28℃黑暗浸種24 h。石英砂育苗, 1/2濃度的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行預(yù)培養(yǎng), 苗齡15天時(shí)改為完全Hoagland營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng), 同時(shí)進(jìn)行Cd 0、 50、 100 μmol/L的處理, 重金屬Cd以CdCl2·2.5H2O形式提供, 為保證重金屬濃度, 每24 h換營(yíng)養(yǎng)液一次, 置于人工氣候箱內(nèi)培養(yǎng)。每個(gè)處理3次重復(fù), 培養(yǎng)溫度 28±2℃, 相對(duì)濕度75%, 光照 20000 lux, 晝夜循環(huán), 光照14 h/黑暗10 h。
1.2.2 取樣及各指標(biāo)測(cè)定方法 苗齡25天時(shí), 取各處理幼苗, 分為根、莖和葉三部分。一部分樣品液氮速凍后, -80℃冰箱保存, 以備基因表達(dá)量測(cè)定用;一部分樣品液氮速凍后, -40℃冰箱保存, 以備SOD、POD、CAT和TBARS測(cè)定用;一部分4℃冰箱保存, 以備Cd含量測(cè)定用。同時(shí)測(cè)定各處理番茄幼苗的根長(zhǎng)、株高及生物量。
取-40℃保存的樣品, CAT活性、SOD活性、POD活性測(cè)定參照Shah等[17]的方法, TBARS含量測(cè)定參考張志良等[18]的方法。取-80℃保存的樣品, 用異硫氰酸胍法提取RNA, 用powerscriptTM逆轉(zhuǎn)錄酶逆轉(zhuǎn)錄為cDNA。以該cDNA為模板分析基因表達(dá)量的變化。按照NCBI/GenBank 提供的序列設(shè)計(jì)適合熒光定量PCR的引物(表1), 以GAPDH為參照。引物由上海博亞生物技術(shù)有限公司合成,純度大于99%;TaqTM, MgCl2和dNTP由寶(TaKaRa)生物工程(大連)有限公司提供。
1.2.3 植株Cd吸收速率測(cè)定 預(yù)培養(yǎng)15天的番茄幼苗, 再以完全Hoagland營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)10天, 選取長(zhǎng)勢(shì)一致的番茄幼苗, 分別置于50 mL以0.2 mmol/L CaSO4為溶劑配成的含Cd 5、10 、20、50、100、200 μmol/L(以CdCl2·2.5H2O形式加入)的溶液中, 迅速稱取培養(yǎng)液及幼苗的總量(M1), 按上述條件培養(yǎng)5 h后再次稱取稱量培養(yǎng)液及幼苗的總量(M2), 同時(shí)測(cè)定溶液Cd濃度(C2)及幼苗根重(M3), 按照下面公式計(jì)算吸收速率:
V[μmol/(g·h), FW]={C1×50-C2×[50-(M1-M2)]}×10-3/(5×M3),
其中,V表示吸收速率;C1表示溶液初始Cd濃度(μmol/L);M1、M2、M3單位為g;50表示吸收液體積(mL)。
1.2.4 數(shù)據(jù)分析 數(shù)據(jù)用計(jì)算機(jī)軟件Microsoft Excel及SPSS11.5進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, 方差分析利用SPSS11.5軟件, 采用Duncan法分析。
2.1 形態(tài)學(xué)特性及鎘積累量差異
Cd處理顯著降低供試番茄品種的株高、根長(zhǎng)及生物量(表2)。根長(zhǎng)表現(xiàn)最為明顯, 與對(duì)照相比, 50 μmol/L Cd處理顯著降低了‘HZ903’和‘YSL189’的根長(zhǎng), 但Cd 50 μmol/L與100 μmol/L處理間沒有顯著差異;Cd脅迫對(duì)株高的影響與根長(zhǎng)稍有不同, Cd 50 μmol/L的處理與對(duì)照及100 μmol/L 處理間都沒有顯著差異, 而與對(duì)照相比, Cd 100 μmol/L處理則顯著降低供試品種的株高??梢娕c株高相比, 根長(zhǎng)對(duì)Cd脅迫更為敏感。Cd脅迫對(duì)總生物量的影響存在品種間的差異, 與對(duì)照相比‘YSL189’在Cd 50 μmol/L處理時(shí)總生物量顯著降低, 而‘HZ903’在Cd 100 μmol/L處理時(shí)總生物量顯著降低, 說(shuō)明從生物量的角度來(lái)看, 高Cd積累品種‘YSL189’要比低Cd積累品種‘HZ903’對(duì)Cd脅迫更敏感。
表2數(shù)據(jù)同時(shí)可以看出, ‘YSL189’的株高和總生物量大于‘HZ903’, 而根長(zhǎng)則小于‘HZ903’, 且這一趨勢(shì)不隨Cd處理濃度的變化而變化, 即供試兩個(gè)不同Cd積累特性的番茄品種間, 高Cd積累品種‘YSL189’與低Cd積累品種‘HZ903’相比, 具有生物量大、根系短、株高較高的特點(diǎn)。
注(Note): 表中數(shù)據(jù)為三次重復(fù)的平均值±SE Values are means±SE(n=3); 同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間在0.05水平差異顯著Values followed by different letters within a column are significantly different among treatments at the 0.05 level.
由表3可知,與對(duì)照相比, Cd處理顯著增加供試品種植株各部位的Cd積累量, 但Cd 50和100 μmol/L處理間植株各部位Cd積累量則沒有顯著差異, 且這一規(guī)律不存在品種間差異。供試品種植株不同部位的Cd積累差異趨勢(shì)一致, 即根>莖>葉,且不同植株部位間Cd積累量差異達(dá)到顯著水平(P<0.05), 這說(shuō)明根部是最易積累Cd的部位。從品種間Cd積累量差異來(lái)看, 不同Cd濃度處理?xiàng)l件下,‘ YSL189’的植株各部位Cd積累量都顯著高于‘HZ903’的相應(yīng)部位Cd積累量, 而且這一趨勢(shì)不隨Cd處理濃度的變化而變化(表3)。
注(Note): 表中數(shù)據(jù)為三次重復(fù)的平均值±SE Values are means±SE(n=3); 同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間在0.05水平差異顯著Values followed by different letters within a column are significantly different among treatments at the 0.05 level.
2.2 品種間鎘吸收及相關(guān)基因表達(dá)差異
供試品種根系對(duì)離子態(tài)Cd的吸收速率也存在顯著差異(圖1), 尤其是培養(yǎng)介質(zhì)中Cd離子濃度達(dá)到20 μmol/L以上時(shí), 高Cd積累品種‘YSL189’根系對(duì)Cd離子吸收速率顯著高于低Cd積累品種‘HZ903’, 且品種間差異隨著培養(yǎng)液中Cd離子濃度的增加而增加。但是培養(yǎng)介質(zhì)中Cd離子濃度為低于20 μmol/L時(shí), 兩個(gè)品種根系對(duì)Cd離子吸收速率沒有顯著差異。
[注(Note): 圖中數(shù)據(jù)為三次重復(fù)的平均值,誤差線代表標(biāo)準(zhǔn)偏差SE Values are means±SE(n=3), the short line on the curve means SE.]
定量PCR結(jié)果說(shuō)明, Cd吸收轉(zhuǎn)運(yùn)基因可能在品種間Cd積累量基因型差異上起到重要作用(圖2)。Nramp、ZIP和IRT基因在高Cd積累品種‘以色列189’和低Cd積累品種‘合作903’中的表達(dá)方式有差異。在Cd 50和500 μmol/L處理下, 品種間Nramp2、Nramp3和ZIP的表達(dá)量差異趨勢(shì)與與Cd積累的差異趨勢(shì)一致(圖2, 表3), 即高Cd積累品種‘YSL189’顯著高于低Cd積累品種‘HZ903’, 在對(duì)照(Cd 0 μmol/L)處理中, 品種間這三個(gè)基因的表達(dá)量不存在顯著差異, 這可能說(shuō)明這三個(gè)基因?qū)τ贑d脅迫下的番茄Cd積累基因型差異有一定的貢獻(xiàn)。
Nramp1、IRT1和IRT2的表達(dá)在0 μmol/L Cd處理時(shí)都是低Cd積累品種‘HZ903’的表達(dá)量顯著高于高Cd積累品種‘YSL189’;Cd 50 μmol/L處理時(shí)Nramp1的表達(dá)量在品種間差異不顯著, 而IRT1和IRT2都與對(duì)照處理表達(dá)規(guī)律相同, 即在低Cd積累品種‘HZ903’根中的表達(dá)量顯著高于高Cd積累品種‘YSL189’; Cd 100 μmol/L處理時(shí),IRT1表達(dá)無(wú)品種間差異,Nramp1在低Cd積累品種‘HZ903’根中表達(dá)量顯著高于高Cd積累品種‘YSL189’, 而IRT2的表達(dá)剛好相反。由此推測(cè),Nramp1、IRT1和IRT2可能對(duì)于低Cd環(huán)境下的Cd積累基因型差異起到一定的作用, 而在高Cd環(huán)境下, 則可能參與吸收的Cd在植株體內(nèi)的再分配過(guò)程, 比如根莖部分的轉(zhuǎn)運(yùn)或液泡區(qū)室化等, 還有待于進(jìn)一步研究。
2.3 TBARS—膜質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物差異分析
活性氧的產(chǎn)生是所有重金屬對(duì)植物毒害作用的共性, 而巴比妥酸反應(yīng)底物(TBARS)則是活性氧對(duì)膜脂過(guò)氧化作用的產(chǎn)物, 也是衡量膜脂受重金屬毒害程度的一項(xiàng)指標(biāo)。圖3可以看出, 與對(duì)照處理(0 μmol/L Cd)相比, Cd處理顯著增加了植株體內(nèi)的TBARS含量, 根部增加的幅度最大, 莖部次之, 葉片增加幅度最小。這說(shuō)明, Cd脅迫對(duì)植株各部位的細(xì)胞膜脂結(jié)構(gòu)有不同程度的破壞作用, 且與植株各部位的Cd積累量差異趨勢(shì)一致(表3), 根部Cd積累量最高, 細(xì)胞膜質(zhì)受到損傷的程度也最嚴(yán)重, TBARS含量最高, 莖部次之, 葉片受到毒害效應(yīng)最小。從品種間的差異來(lái)看, Cd處理濃度分別為50 和100 μmol/L 條件下, 雖然根部及莖部的Cd積累量都是‘YSL189’顯著高于‘HZ903’, 但是‘TBARS’含量則不存在品種間差異, 即在Cd濃度存在顯著差異的前提下, 品種間膜質(zhì)過(guò)氧化程度沒有顯著差異, 這說(shuō)明高Cd積累品種‘YSL189’細(xì)胞對(duì)Cd的耐受能力強(qiáng)于低Cd積累品種‘HZ903’。
2.4 抗氧化酶對(duì)鎘脅迫響應(yīng)差異
重金屬含量超過(guò)臨界值后都會(huì)干擾植物的正常代謝, 產(chǎn)生活性氧并帶來(lái)氧化脅迫, 而植物對(duì)氧化脅迫的敏感性及其解毒活性氧的能力是決定植物對(duì)重金屬耐性的重要因素[9-11,19]。在Cd 50和100 μmol/L脅迫下, 根、莖的SOD、POD和CAT活性都是‘YSL189’高于‘HZ903’, 且除Cd 50 μmol/L處理下的根部CAT和莖部SOD外, 差異都達(dá)到顯著水平(P<0.05)(表4), 這與Cd濃度的品種間差異趨勢(shì)一致(表3), 說(shuō)明‘YSL189’植株內(nèi)高濃度的Cd導(dǎo)致了高強(qiáng)度的氧化脅迫, 進(jìn)而也導(dǎo)致了植株體內(nèi)抗氧化酶的高活性。根、莖部的高POD, SOD和CAT活性顯示了Cd脅迫下‘YSL189’對(duì)活性氧的清除能力高于‘HZ903’(表4), 因此, 我們推測(cè)‘YSL189’根、莖部的高POD, SOD和CAT活性可能是其TBARS含量與HZ903沒有顯著差異的原因之一。
葉部情況則不同, 在Cd 50和100 μmol/L脅迫下, 雖然Cd含量仍然是‘YSL189’顯著高于‘HZ903’(表3), 而且POD和SOD的活性也是‘YSL189’顯著高于‘HZ903’(表4), 但這似乎并不能彌補(bǔ)顯著高的Cd濃度帶來(lái)的活性氧對(duì)膜質(zhì)的過(guò)氧化傷害, TBARS的含量仍然是‘YSL189’顯著高于‘HZ903’(圖3)。表4數(shù)據(jù)可以看出, 在Cd 50和100 μmol/L脅迫下, ‘YSL189’葉部CAT活性顯著低于‘HZ903’, 說(shuō)明不同抗氧化酶對(duì)Cd脅迫的響應(yīng)也不同, 而且與品種特性及植株部位密切相關(guān)。
不同植物種類對(duì)重金屬脅迫有不同的耐受機(jī)制, 這種不同機(jī)制也存在于同一作物的不同品種間[20-21]。與‘HZ903’相比, 高Cd積累品種‘YSL189’根、莖部Cd含量高, 抗氧化酶SOD、POD和CAT活性高, 我們推測(cè)‘YSL189’根、莖部具有較強(qiáng)的活性氧清除能力, 而這也是品種間根、莖部TBARS含量在Cd 50和100 μmol/L處理下沒有顯著差異的原因之一。這與Noushina等[22]的研究結(jié)果不同, Noushina等報(bào)道高Cd積累的芥菜品種具有較高的TBARS含量及SOD的活性, 而CAT的活性則較低, 這可能與作物類型及植株部位有關(guān)。不管品種間抗氧化酶活性的差異如何, 我們的結(jié)果顯示Cd處理都顯著增加供試品種植株各部位的抗氧化酶活性, 而Maria等[11]以豌豆幼苗作為研究材料, 發(fā)現(xiàn)Cd 50 μmol/L就可以降低CAT、CuZn-SOD和Mn-SOD的活性??梢? 不同物種及不同品種間, 甚至不同植株部位間抗氧化酶對(duì)Cd的耐性都存在差異, 還有待于進(jìn)一步深入研究。同時(shí),在大多數(shù)植物中, Cd的濃度都是根>莖>葉[23-24], 這說(shuō)明在大多數(shù)植物中, Cd主要在木質(zhì)部運(yùn)輸, 而不易在韌皮部運(yùn)輸[23-24], 這與我們的研究結(jié)果一致。
注(Note): 表中數(shù)據(jù)為三次重復(fù)的平均值±SE Values are means±SE(n=3); 數(shù)值后不同小寫字母表示同一抗氧化酶在不同處理、品種或植株部位間差異顯著(P<0.05)Values followed by different lower-case letters indicate significantly differ among treatments, cultivars or tissues of the same antioxidant enzyme atP<0.05 according to Duncan’s multiple range test.
[1] Pan K, Wang W X.Trace metal contamination in estuarine and coastal environments in China[J].Science of Total Environment, 2011, 1: 421-422.
[2] Kirkby E A, Johnson A E.Soil and fertilizer phosphorus in relation to crop nutrition[A]. White P J, Hammond J P.The ecophysiology of plant-phosphorus interactions[C].The Netherlands: Springer Press, 2008.
[3] Mills R F, Franci A, Ferreira-Rocha P Setal.The plant P1B-type ATPase AtHMA4 transports Zn and Cd and plays a role in detoxification of transition metals supplied at elevated levels[J].Febs Letters, 2005, 579: 783-791.
[4] Verbruggen N, Hermans C, Schat H.Mechanisms to cope with arsenic or cadmium excess in plants[J].Current Opinion in Plant Biology, 2009, 12: 364-372.
[5] White P J, Brown P H.Plant nutrition for sustainable development and global health[J].Annals of Botany, 2010, 105: 1073-1080.
[6] Li M, Zhang L J, Tao Letal.Ecophysiological responses of Juss- iaea rapens to cadmium exposure[J].Aquatic Botany, 2008, 88: 347-352.
[7] Mobin M, Khan N A.Photosynthetic activity, pigment composition and antioxidative response of two mustard(Brassicajuncea) cultivars differing in photosynthetic capacity subjected to cadmium stress[J].Journal of Plant Physiology, 2007, 164: 601-610.
[8] Smeets K, Ruytinx J, Semane Betal.Cadmium-induced transcr- iptional and enzymatic alterations related to oxidative stress[J].Environmental and Experimental Botany, 2008, 63: 1-8.
[9] Radhouane C, Hiroyuki K.Chapter 1-heavy metal tolerance in arabidopsis thaliana[J].Advances in Botany Research, 2011, 60: 1-49.
[10] Kartik C, Nancy G L.Physiological state, growth mode, and oxi- dative stress play a role in Cd(II)-mediated inhibition of nitrosomonas europaea 19718[J].Applied and Environmental Microbiology, 2008, 74: 2447-2453.
[11] MarIa C R P, Francisco J C, MarIa R Setal.Differential expression and regulation of antioxidative enzymes by cadmium in pea plants[J].Journal of Plant Physiology, 2007, 164: 1346-1357.
[12] Plaza S, Tearall K L, Zhao F Jetal.Expression and functional analysis of metal transporter genes in two contrasting ecotypes of the hyperaccumulator Thlaspi caerulescens[J].Journal of Experimental Botany, 2007, 58: 1717-1728.
[13] DalCorso G, Farinati S, Maistri Setal.How plants cope with cadmium: staking all on metabolism and gene expression[J].Journal of Integrative Plant Biology, 2008, 50: 1268-1280.
[14] Pedas P, Ytting C K, Fuglsang A Tetal.Manganese efficiency in barley: identification and characterization of the metal ion transporter HvIRT1[J].Plant Physiology, 2008, 148: 455-466.
[15] Hidenori M, Saki A, Aya Hetal.OsHMA3, a P1B-type of ATPase affects root-to-shoot cadmium translocation in rice by mediating efflux into vacuoles[J].New Phytologist, 2011, 189: 190-199.
[16] Klatte M, Schuler M, Wirtz Metal.The analysis of Arabidopsis nicotianamine synthase mutants reveals functions for nicotianamine in seed iron loading and iron deficiency responses[J].Plant Physiology, 2009, 150: 257-271.
[17] Shah K, Kumar R G, Verma Setal.Effect of cadmium on lipid peroxidation, superoxide anion generation and activities of antioxidant enzymes in growing rice seedlings[J].Plant Science, 2001, 161: 1135-1144.
[18] 張志良, 瞿偉菁.植物生理學(xué)試驗(yàn)指導(dǎo)[M].北京: 高等教育出版社, 1998. Zhang Z L, Qu W Q.Plant physiology experimental instruction[M].Beijing: Higher Education Press, 1998.
[19] Babula P, Adam V, Opatrilova Retal.Uncommon heavy metals, metalloids and their plant toxicity: A review[J].Environmental Chemistry Letters, 2008, 6: 189-213.
[20] 王樹鳳, 施翔, 孫海菁, 等.鎘脅迫下杞柳對(duì)金屬元素的吸收及其根系形態(tài)構(gòu)型特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(19): 6065-6073. Wang S F, Shi X, Sun H Jetal.Metal uptake and root morphological changes for two varieties of Salix integral under cadmium stress[J].Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(19): 6065-6073.
[21] 張微, 呂金印, 柳玲.不同基因型番茄幼苗對(duì)鎘脅迫的生理響應(yīng)及鎘吸收差異[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 29(6): 1065-1071. Zhang W, Lv J Y, Liu L.Difference of cadmium absorption and physiological responses of different varieties of tomatoes to cadmium stress[J].Journal of Agro-Environment Science, 2010, 29(6): 1065-1071.
[22] Noushina I, Asim M, Rahat Netal.Photosynthesis, growth and antioxidant metabolism in mustard(BrassicajunceaL.) cultivars differing in cadmium tolerance[J].Agricultural Science in China, 2010, 9: 519-527.
[23] Seregin I V, Kozhevnikova A D.Roles of root and shoot tissues in transport and accumulation of cadmium, lead, nickel, and strontium[J].Russian Journal of Plant Physiology, 2008, 55: 1-22.
[24] Conn S, Gilliham M.Comparative physiology of elemental distri- butions in plants[J].Annals of Botany, 2010, 105: 1081-1102.
[25] Becher M, Talke I N, Krall Letal.Cross-species microarray transcript profiling reveals high constitutive expression of metal homeostasis genes in shoots of the zinc hyperaccumulator Arabidopsis halleri[J].Plant Journal, 2004, 37: 251-268.
[26] Weber M, Harada E, Vess Cetal.Comparative microarray anal- ysis of Arabidopsis thaliana and Arabidopsis halleri roots identifies nicotianamine synthase, a ZIP transporter and other genes as potential metal hyper accumulation factors[J].Plant Journal, 2004, 37: 269-281.
[27] Sarwar N, Saifullah, Malhi S Setal.Role of mineral nutrition in minimizing cadmium accumulation by plants[J].Journal of the Science of Food and Agriculture, 2010, 90: 925-937.
[28] Luo B F, Du S T, Lu K Xetal.Iron uptake system mediates nitrate-facilitated cadmium accumulation in tomato(Solanumlycopersicum) plants[J].Journal of Experimental Botany, 2012, 63: 3127-3136.
[29] Hong C O, Chung D Y, Lee do Ketal.Comparison of phosphate materials for immobilizing cadmium in soil[J].Archives of Environmental Contamination Toxicology, 2010, 58: 268-274.
[30] Kovacs K, Kuzmann E, Vertes Aetal.Effect of cadmium on iron uptake in cucumber roots: a M?ssbauer spectroscopic study[J].Plant and Soil, 2010, 327: 49-56.
Differential responses of two tomato cultivars to cadmium stress
ZHAO Shou-ping, ZHANG Yong-zhi, ZHANG Qi, WANG Gang-jun, YE Xue-zhu*
(ZhejiangProvinceKeyLabforFoodSafety/InstituteofQualityandStandardforAgro-products,ZhejiangAcademyofAgriculturalSciences,Hangzhou310021,China)
【Objectives】To investigate the different responses of Cd accumulation in tomato cultivars exposed to Cadmium stress, a hydroponics experiment at seedling stage was performed using two tomato varieties, YSL189 with high Cd accumulation and HZ903 with low Cd accumulation, which were confirmed by our previous research. 【Methods】The experiment was performed in growth chamber, and morphological index, antioxidant enzyme activity, differences in Cd accumulation, ionic absorption rate and related gene expression in varieties were analyzed using seedling exposed to Cd 50 and 100 μmol/L. 【Results】 When exposed to 50 and 100 μmol/L of Cd, the root length of plants was more sensitive to Cd stress than plant height and biomass. Cultivar YSL189 exhibited higher tolerance in biomass and plant height, but lower root length than HZ903. Under both 50 and 100 μmol/L Cd treatments, the accumulation of Cd was reduced significantly in the order of roots, stem and leaves accordingly, and the Cd concentration in roots, stem and leaves of YSL189 was significantly higher than in those of HZ903. When the concentration of Cd in culture medium was over 20 μmol/L, the uptake rate of Cd in the roots of YSL189 was significantly higher than that in the roots of HZ903. The results of Real-Time PCR proved that the expression levels of transporter genesNramp2,Nramp3 andZIPin the roots of YSL 189 were higher than those in the roots of HZ903, and higher activities of SOD(superoxide dismutase), POD(peroxidase) and CAT(atalase) in roots and stems, SOD and POD in leaves were higher in YSL189 than those in HZ903, but no significant difference in concentration of TBARS(thiobarbituric acid reactive substance) between cultivars was found, indicating the degree of lipid peroxidation. 【Conclusion】 The higher Cd accumulation in YSL189 may be partly attributed to the higher Cd uptake rate, expression levels ofNramp2,Nramp3, andZIPin roots of YSL189 were higher than those of HZ903; and the higher activities of antioxidant enzymes in YSL189 were induced by higher Cd concentration, indicating the stronger power to detoxify reactive oxygen species for YSL189 than HZ903.
cadmium; tomato; transporter; antioxidase
2014-04-21 接受日期: 2014-11-25 網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2015-04-21
浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室前瞻項(xiàng)目資助。
趙首萍(1976—),女,黑龍江人,博士,助理研究員,主要從事植物營(yíng)養(yǎng)研究。Tel: 0571-86419052, E-mail: zhaosppaper@163.com *通信作者Tel: 0571-86415206,E-mail: zhaosppaper@163.com
S511;S143.1
A
1008-505X(2015)05-1261-08