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

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） 促進初生根側根的生長，抑制植株、初生根、不定根和不定根側根的生長。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系。進一步研究表明，在蛋白質水平上，ABA對生長素的調(diào)節(jié)與蛋白運輸和降解有關。

關鍵詞：ABA； 水稻幼苗；生長素；鎘鋅互作；根系

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

收稿日期：2015-05-14

基金項目：山東省自然科學基金（編號：ZR2014DM010、ZR2015CL009）；山東省淄博市科技發(fā)展計劃（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的毒害作用[1]。一般情況下，當鎘在植物中的含量超過 1 mg/kg 時，植物的生長會受到嚴重影響[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。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，它是根細胞分裂、伸長生長、向地性應答和側根發(fā)育所必需的[9]。生長素對植物生長的誘導具有正負兩重性，表現(xiàn)為低濃度促進生長，高濃度抑制生長[10]。生長素促進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)與蛋白降解和運輸有關[14]。本試驗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 與生長素的關系。

1材料與方法

1. 1試驗材料與處理

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3次，每次至少3個重復。

1.2水稻形態(tài)學指標統(tǒng)計

每個處理3個重復，每個重復20株（共60株），進行下列指標統(tǒng)計，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；初生根側根數(shù)量：只統(tǒng)計長度大于1 mm的側根；初生根上側根的長度：所有側根長度的平均值；不定根數(shù)量和長度：只統(tǒng)計長度大于1 cm的不定根；不定根上側根數(shù)量，只統(tǒng)計長度大于1 mm的側根；不定根側根長度：所有側根長度的平均值。

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DR5-GUS基因水稻進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]進行。轉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3次，每次至少3個重復。

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 （蛋白運輸抑制劑）處理：將在MS固體培養(yǎng)基上生長6 d的轉DR5-GUS基因的水稻幼苗轉入Hoagland培養(yǎng)液中過夜。然后加入MG132（50 μmool/L）/BFA （50 μmol/L）Hoagland培養(yǎng)液中預處理3 h后再轉入分別含（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3次，每次至少3個重復。

1.5數(shù)據(jù)處理及分析

利用SPSS16.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用t檢驗，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 次重復試驗的平均值±標準誤。

2結果與分析

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根長度的影響單一ABA和TS處理的初生根上側根的長度分別比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根長度的影響如圖8所示，單一ABA處理的不定根上側根長度比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，利用轉DR5-GUS基因水稻檢測了根系生長素的分布變化，結果見圖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）處理條件下適量的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一步了解（Cd+Zn）處理下ABA調(diào)節(jié)生長素分布的機制，我們利用MG132 （蛋白降解抑制劑）/BFA （蛋白運輸抑制劑）對轉DR5-GUS基因水稻根系生長素的分布進行了檢測，結果見圖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。試驗還分析了DRB（RNA合成抑制劑）和CHX（蛋白質從頭合成抑制劑）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，本試驗條件下ABA對生長素分布的調(diào)節(jié)與蛋白質降解和運輸有密切關系。

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]。本研究結果也顯示無論在非脅迫還是在（Cd+Zn） 處理條件下，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輸有關。擬南芥種子萌發(fā)后，ABA 通過強化生長素信號來抑制胚軸的生長[15]。（Cd+Zn） 處理條件下添加 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系。

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