土壤殘留氯磺隆和鎘聯(lián)合脅迫對(duì)菠菜代謝產(chǎn)物的影響

趙麗娟，張洪，解靜芳,*，劉瑞卿,#，李萌，劉佩佳，王雅帥

1.山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，太原030006

2.山西省分析科學(xué)研究院，太原030006

土壤殘留氯磺隆和鎘聯(lián)合脅迫對(duì)菠菜代謝產(chǎn)物的影響

趙麗娟1，張洪2，解靜芳1,*，劉瑞卿1,#，李萌1，劉佩佳1，王雅帥1

1.山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，太原030006

2.山西省分析科學(xué)研究院，太原030006

通過盆栽試驗(yàn),評(píng)價(jià)土壤長(zhǎng)殘效期除草劑氯磺隆與重金屬鎘單一污染及復(fù)合污染對(duì)后茬作物菠菜生長(zhǎng)、代謝產(chǎn)物的影響?；贕C-MS技術(shù)對(duì)3個(gè)不同處理組菠菜的代謝產(chǎn)物進(jìn)行了辨識(shí)和分析。主成分分析結(jié)果表明,3個(gè)處理組的代謝物含量存在顯著差異。具體表現(xiàn)為:1)與空白對(duì)照相比,氯磺隆誘導(dǎo)菠菜多種氨基酸、與能量代謝相關(guān)的3種糖類物質(zhì)、蘋果酸、γ-氨基丁酸、乳酸和腐胺的含量顯著上升(*P＜0.05)；肌醇顯著下降(*P＜0.05)；鎘誘導(dǎo)菠菜多種氨基酸、與能量代謝相關(guān)的5種糖類物質(zhì)、參與三羧酸循環(huán)的蘋果酸和檸檬酸含量顯著上升(*P＜0.05)；肌醇和腐胺含量顯著下降(*P＜0.05)。2)與單一污染相比較,復(fù)合污染誘導(dǎo)菠菜多種氨基酸,多種糖類物質(zhì)和蘋果酸等含量顯著下降(*P＜0.05)。由此可見,復(fù)合污染減弱了氯磺隆和鎘單一污染時(shí)對(duì)氨基酸代謝和能量代謝的上調(diào)作用；氯磺隆和鎘之間沒有協(xié)同作用,相反對(duì)某些特定的代謝物存在拮抗作用。

氯磺隆；鎘；菠菜；代謝物；GC-MS

環(huán)境中多種因素都會(huì)影響植物的生長(zhǎng)和代謝。植物的產(chǎn)量和質(zhì)量最終來(lái)源于植物體內(nèi)的各種生理生化代謝活動(dòng)。植物體內(nèi)的代謝可分為初生代謝和次生代謝。一般來(lái)講,初生代謝形成產(chǎn)量,次生代謝形成質(zhì)量。而植物代謝產(chǎn)物的變化,對(duì)植物主要營(yíng)養(yǎng)成分的功能發(fā)揮有重要影響,而不同代謝產(chǎn)物對(duì)人體健康又會(huì)產(chǎn)生重要影響?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)大量使用除草劑導(dǎo)致其在土壤中殘留,同時(shí)長(zhǎng)期污廢水灌溉又導(dǎo)致了土壤重金屬污染。這樣的污染對(duì)作物、蔬菜代謝產(chǎn)物有無(wú)影響?影響機(jī)制如何?引起了研究者的廣泛關(guān)注。

磺酰脲類除草劑由于品種繁多、田間使用量少且除草效果好,銷量?jī)H次于草甘膦。氯磺隆是磺酰脲類除草劑的第一個(gè)品種,其在土壤的降解與土壤的性質(zhì)有著密切關(guān)系。由于其在土壤中殘效期長(zhǎng),已于2013年禁止使用,但有研究表明,先前與土壤結(jié)合的氯磺隆母體在植物生長(zhǎng)過程中可能會(huì)被釋放并轉(zhuǎn)化為可被甲醇提取的殘留物[1-4]。研究表明,在酸性土壤(pH 5.6)中,氯磺隆降解半衰期為13.3 d；而偏堿性土壤(pH 7.5)中,其半衰期達(dá)70 d[5]。此外,氯磺隆在堿性土壤中降解到最初施藥量的1% (DT99)需要3～5 y的時(shí)間,且此殘留水平會(huì)對(duì)后茬敏感作物產(chǎn)生潛在危害[6]。氯磺隆對(duì)植物的危害表現(xiàn)在抑制根尖細(xì)胞的分裂,抑制植物根部亞精胺的積累[7],從而抑制植物的生長(zhǎng),最終導(dǎo)致植物畸形或死亡。因此本文選擇磺酰脲類除草劑代表品種氯磺隆進(jìn)行研究。

眾所周知,土壤中的鎘主要來(lái)源于污水灌溉。在我國(guó)大部分地區(qū),污水灌溉可以緩解水資源短缺的問題。太原市是中國(guó)污水灌溉的典型城市之一, 1990年太原市污水灌溉面積達(dá)3 000公頃[8]。高等植物對(duì)鎘(Cd)較為敏感,盡管鎘對(duì)植物生長(zhǎng)不是必需的,但植物仍然可以通過根系吸收并運(yùn)輸?shù)秸麄€(gè)植株。因此,土壤環(huán)境中積累的Cd也會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)造成危害[9]。Cd可以導(dǎo)致植物碳同化下降,產(chǎn)生氧化應(yīng)激反應(yīng),從而抑制葉綠素的合成,減少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收,進(jìn)而破壞植物光合作用,阻礙植物生長(zhǎng)[10-14]。對(duì)于一些 Cd敏感的植物如甘藍(lán)型油菜(Brassica napus),低濃度(100mg Cd/kg dry soil)也可造成其生長(zhǎng)抑制,葉綠素含量下降,植物氣孔關(guān)閉,蒸騰速率下降等[14-16]。因此,Cd在植物中的吸收和積累能引起植物一系列的形態(tài)、生理生化上的變化。

除草劑的使用和污水灌溉在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中必不可少,但殘留除草劑和重金屬積累都會(huì)對(duì)后茬作物產(chǎn)生危害。目前還未有關(guān)于重金屬是加重還是緩解氯磺隆對(duì)植物藥害的報(bào)道。本文通過氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù),研究了除草劑氯磺隆殘留與重金屬鎘單一和聯(lián)合存在時(shí)對(duì)菠菜代謝物的影響,從而為農(nóng)產(chǎn)品安全食用、蔬菜種植及土壤污染物的指示提供科學(xué)的依據(jù)。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 試驗(yàn)材料和試劑

實(shí)驗(yàn)菠菜種子為日本翠玉大菠(山西侯馬農(nóng)人種業(yè)有限公司)。試驗(yàn)土壤采自山西省太原市小店區(qū)0～20 cm深的土壤。實(shí)驗(yàn)盆缽規(guī)格為上部直徑18 cm,高度16 cm,底部有排水孔。盆土重約400 g取其中一部分用于土壤質(zhì)地的測(cè)定。氯磺隆25%可濕性粉劑購(gòu)自江蘇省激素研究所股份有限公司,農(nóng)藥登記證號(hào):PD20081325；氯化鎘(AR.)購(gòu)自南京化學(xué)試劑有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟和方法

根據(jù)ISO11269-2(2013)[17]的方法,并做適當(dāng)?shù)男薷?進(jìn)行種子發(fā)芽和幼苗生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)。土壤風(fēng)干后過2 mm篩,消毒,備用。土壤質(zhì)地為粘壤土,pH值8.08,有機(jī)質(zhì)含量1.21%,陽(yáng)離子交換量25.4 cmol·kg-1。稱干土重為400 g的實(shí)驗(yàn)土壤,裝入到圓筒形塑料實(shí)驗(yàn)盆缽中。實(shí)驗(yàn)過程中每周定時(shí)、定量給每個(gè)盆缽添加自來(lái)水。幼苗出土后,待長(zhǎng)出2片真葉后,每盆定植5株,進(jìn)行后續(xù)觀察和實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行第40天時(shí),取不同處理菠菜植株用于代謝物測(cè)定。試驗(yàn)共進(jìn)行了3次,測(cè)定結(jié)果穩(wěn)定。

通過預(yù)實(shí)驗(yàn),選擇單一氯磺隆在風(fēng)干土中的添加劑量為0.5μg·kg-1；單一鎘在風(fēng)干土中的添加劑量為5.0mg·kg-1。2種污染物選擇的劑量對(duì)菠菜植株生長(zhǎng)沒有顯著影響。復(fù)合污染則為二者共同添加到土壤中。試驗(yàn)共設(shè)空白對(duì)照、氯磺隆單一處理、鎘單一處理、氯磺隆和鎘復(fù)合處理共4個(gè)處理,每個(gè)處理設(shè)6個(gè)重復(fù)。然后將精選好的菠菜種子播種在土壤表面,用一定量的細(xì)土覆蓋。所有實(shí)驗(yàn)均在溫室中進(jìn)行,溫度為(25±2)℃。相對(duì)濕度保持在40%～60%之間。

1.3 樣品提取及儀器分析條件

稱取液氮研磨的植物粉末30mg于離心管中,加入0.5 mL的甲醇和水(1/1,V/V),超聲提取30 min,10 000 r·min-1離心10 min,取100μL上清液于進(jìn)樣小瓶中,氮?dú)獯蹈?。加?0μL鹽酸甲氧胺吡啶溶液(20 g·L-1),37℃反應(yīng)90 min,再加入50μL N-甲基-N-(三甲基硅烷)三氯乙酰胺(MSTFA)+ 1%三甲基氯硅烷(TMCS),37℃反應(yīng)30 min。冷卻后,進(jìn)行GC-MS分析。

美國(guó)Thermo Fisher公司DSQ單四極桿氣相色譜質(zhì)譜儀。J＆W DB-5MS毛細(xì)管柱(0.32 mm×30 m,0.25μm)；進(jìn)樣口溫度280℃；載氣(He)流速1.0 mL·min－1,不分流。升溫程序:50℃保持1 min,以每分鐘10℃升至100℃,保持1 min；以每分鐘10℃升至200℃,保持1 min,以每分鐘10℃升至280℃,最后以每分鐘10℃升至320℃,保持1 min。溶劑延遲時(shí)間為5 min,進(jìn)樣量1μL。

電子轟擊(EI)離子源；電子能量70 eV；傳輸線溫度280℃；離子源溫度200℃；質(zhì)量掃描范圍m/z 50～650。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用自動(dòng)質(zhì)譜圖解卷積和鑒定系統(tǒng)軟件The Automatic Mass Spectral Deconvolution and Identification System(AMDIS)對(duì)空白組和處理組質(zhì)譜圖進(jìn)行濾噪、校正漂移、從緊密相鄰的共洗脫峰中提取出單個(gè)峰等一系列處理。質(zhì)譜圖經(jīng)AMDIS處理后,根據(jù)德國(guó)馬普的格列姆數(shù)據(jù)庫(kù)檢索,設(shè)置最小匹配值為60%。根據(jù)代謝物的保留時(shí)間和特征峰,進(jìn)行積分。結(jié)合內(nèi)標(biāo)物的峰面積,計(jì)算代謝物的相對(duì)含量。

2 結(jié)果與分析(Results and analysis)

2.1 不同處理組菠菜生長(zhǎng)狀況

除根長(zhǎng)在氯磺隆處理組顯著降低(P＜0.05)外,菠菜的株高、株型、顏色在不同處理組均沒有顯著差異。

2.2 不同處理菠菜代謝物的定性分析

總離子色譜圖經(jīng)預(yù)處理后,結(jié)合正構(gòu)烷烴的保留時(shí)間,計(jì)算不同代謝物的保留指數(shù)(retention index, RI)。通過代謝數(shù)據(jù)庫(kù)檢索,結(jié)合每種代謝物的保留時(shí)間(retention time,tR)、保留指數(shù),分析和確定衍生化后的分子式和分子量。通過保留指數(shù)定性分析技術(shù),對(duì)不同處理菠菜的代謝產(chǎn)物進(jìn)行辨識(shí),共鑒定出所有處理共有的39種代謝物,其中包括10種氨基酸、7種糖、14種酸類物質(zhì)以及其他化合物8種。

2.3 菠菜不同種類代謝物在不同處理組的變化

2.3.1 菠菜中不同種類代謝物主成分分析

對(duì)不同處理組菠菜的代謝物進(jìn)行主成分分析,如圖1所示,第1主成分(PC1)和第2主成分(PC2)可以解釋76%的原變量信息,4種不同處理組的菠菜代謝物在PCA得分圖PC1維上明顯區(qū)分,即組內(nèi)聚集,組間很好地分開。

圖1 不同處理組菠菜的主成分分析PC1/PC2得分圖Fig.1 PC1/PC2 scores ofSpinacia oleraceaL.in different treatments

主成分分析結(jié)果表明磷酸酯、蘇氨酸、半乳糖等10種代謝物與第1因子的相關(guān)程度高(因子得分系數(shù)絕對(duì)值大于0.8),脯氨酸、γ-氨基丁酸、蘋果酸等11種代謝物與第2因子的相關(guān)程度高(因子得分系數(shù)大于0.8)。具體結(jié)果見表1。

2.3.2氨基酸含量的變化

植物體內(nèi)氨基酸是植物蛋白質(zhì)合成的基本單元,也是植物體內(nèi)多種與抗逆性相關(guān)代謝產(chǎn)物的合成前體[18]。本研究共檢測(cè)到丙氨酸族氨基酸3種(丙氨酸、β-丙氨酸和纈氨酸),絲氨酸族氨基酸2種(絲氨酸和甘氨酸),天冬氨酸族氨基酸3種(天冬氨酸、蘇氨酸和異亮氨酸),以及谷氨酸族氨基酸2種(谷氨酸和脯氨酸)。結(jié)果見表2。

表1 菠菜代謝物因子得分系數(shù)Table 1 Component score coefficient of metabolites ofSpinacia oleraceaL.

表2 不同處理組菠菜氨基酸含量的變化分析(mg·g-1FW)Table 2 Changes of amino acids ofSpinacia oleraceaL.in different treatments(mg·g-1FW)

與對(duì)照組相比,土壤中殘留氯磺隆脅迫下,纈氨酸、異亮氨酸、脯氨酸、甘氨酸、蘇氨酸和天冬氨酸含量分別上升了37%、52%、6 796%、99%、178%和38%；丙氨酸、絲氨酸、β-丙氨酸和谷氨酸含量分別下降了42%、29%、40%和73%。

土壤鎘脅迫,丙氨酸、纈氨酸、異亮氨酸、脯氨酸、甘氨酸和天冬氨酸含量上升了44%、35%、54%、12 049%、112%和29%。絲氨酸、蘇氨酸、β-丙氨酸和谷氨酸含量下降了12%、75%、53%和88%。

復(fù)合污染時(shí),丙氨酸、纈氨酸、甘氨酸、絲氨酸、蘇氨酸和谷氨酸含量下降了92%、7%、13%、46%、100%和100%。異亮氨酸、脯氨酸、β-丙氨酸和天冬氨酸含量上升了25%、5 400%、124%和56%。

綜合比較,氯磺隆和鎘單一污染均誘導(dǎo)纈氨酸、異亮氨酸、脯氨酸、甘氨酸和天冬氨酸含量顯著(P＜0.05)上升；絲氨酸、β-丙氨酸和谷氨酸含量顯著(P＜0.05)下降。2個(gè)處理不同的是氯磺隆誘導(dǎo)丙氨酸含量顯著下降,蘇氨酸含量顯著上升；鎘誘導(dǎo)丙氨酸含量顯著上升,蘇氨酸含量顯著下降。與單一污染相比較,異亮氨酸和脯氨酸在復(fù)合污染處理的上升率均低于單一污染,天冬氨酸與之相反；絲氨酸和谷氨酸在復(fù)合污染處理的下降率高于單一污染處理；纈氨酸和甘氨酸在復(fù)合污染處理顯著下降,在單一污染處理顯著上升,β-丙氨酸與之相反；丙氨酸在復(fù)合污染處理的反應(yīng)與氯磺隆處理一致,與鎘處理相反；蘇氨酸在復(fù)合污染處理的反應(yīng)與鎘處理一致,與氯磺隆相反,且復(fù)合污染處理上升率和下降率高于單一污染。

氯磺隆以及其他磺酰脲了除草劑,其作用靶標(biāo)是乙酰乳酸合成酶(ALS),也稱乙酰羥基酸合成酶(AHAS),它抑制支鏈氨基酸纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸的生物合成[19-24]。然而,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明氯磺隆處理組支鏈氨基酸(纈氨酸和異亮氨酸)含量顯著上升。Zabalza等(2013)[25]發(fā)現(xiàn)ALS抑制劑會(huì)誘導(dǎo)短期內(nèi)總氨基酸在植物葉片和根系中含量的積累,本實(shí)驗(yàn)也得到了類似的結(jié)果,分析造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于蛋白質(zhì)的分解反應(yīng)速率大于合成反應(yīng)速率,從而掩蓋了氯磺隆對(duì)支鏈氨基酸合成的抑制作用[21]。鎘脅迫也導(dǎo)致了2種氨基酸含量的顯著上升。然而殘留除草劑和鎘復(fù)合污染后,菠菜中纈氨酸含量下降,同時(shí)異亮氨酸的上升比率也有所下降。

脯氨酸含量升高是植物抗逆反應(yīng)的重要標(biāo)記。許多研究表明,氯磺隆對(duì)植物根的生長(zhǎng)有抑制作用,且植物受到脅迫后脯氨酸含量顯著升高[26-27]。Xu等[28]研究表明脯氨酸在緩解Cd對(duì)龍葵(Solanum nigrum)幼苗的毒性起著至關(guān)重要的作用。本研究也得到了相似的結(jié)果,菠菜受到氯磺隆、鎘及2種污染物復(fù)合脅迫后,脯氨酸含量顯著升高,是對(duì)照組的55～121倍。

谷氨酸、甘氨酸和絲氨酸是光呼吸乙醇酸途徑中3種關(guān)鍵的氨基酸。氯磺隆和鎘脅迫均導(dǎo)致了谷氨酸和絲氨酸含量顯著下降,甘氨酸含量顯著升高,表明氯磺隆和鎘對(duì)甘氨酸的合成沒有影響,但對(duì)甘氨酸轉(zhuǎn)變絲氨酸的過程有抑制作用。復(fù)合污染則是甘氨酸、谷氨酸和絲氨酸含量均下降,表明2種物質(zhì)復(fù)合污染時(shí)光呼吸受到了抑制,即氨的循環(huán)受阻。此外,許多研究還表明絲氨酸是植物對(duì)生物或非生物脅迫做出反應(yīng)的重要標(biāo)志[29-31]。劉清岱等(2010)[32]報(bào)道外源絲氨酸能誘導(dǎo)植物衰老。實(shí)驗(yàn)表明氯磺隆、鎘以及復(fù)合污染均未造成菠菜中絲氨酸的積累,從而可以推斷氯磺隆、鎘以及復(fù)合污染并未加快菠菜的衰老。

圖2 不同處理組菠菜碳水化合物及其衍生物的含量變化注:*P＜0.05、**P＜0.01、***P＜0.001表示處理組與空白對(duì)照組之間差異(t-檢驗(yàn),雙尾檢驗(yàn))。Fig.2 Changes of carbohydrate and derivative ofSpinacia oleraceaL.in different treatmentsNote:*P＜0.05,**P＜0.01,***P＜0.001,statistical difference t-test (two-tail)compared with control.

2.3.3不同處理碳水化合物含量變化分析

不同處理、不同類碳水化合物含量變化見圖2a～c。

從圖2a可以看出,鎘對(duì)菠菜中D型吡喃葡萄糖、吡喃型葡萄糖、山梨糖、蔗糖和甘露糖的影響較大,與對(duì)照相比,均顯著升高。這與先前研究結(jié)果一致。有研究表明,當(dāng)大米受到鎘脅迫時(shí),其莖葉中會(huì)積累一定量的碳水化合物并伴隨著凈光合速率的下降[33]。Kieffe等[34](2008)研究結(jié)果顯示,各種碳水化合物的積累是鎘抑制植物生長(zhǎng)的一個(gè)重要因素。

此外,還可以看出,氯磺隆對(duì)菠菜中糖類物質(zhì)的影響較小,只有山梨糖的含量是極顯著(P＜0.001)升高。復(fù)合污染處理組,糖類物質(zhì)的含量較鎘處理組顯著下降,表明氯磺隆的加入減弱了鎘對(duì)糖類物質(zhì)的影響。

從圖2b可以看出,半乳糖苷是菠菜中唯一檢測(cè)到的半乳糖衍生物,其在氯磺隆處理組無(wú)顯著變化,但鎘處理組的含量則是對(duì)照組的93倍。復(fù)合污染雖較鎘處理有所降低,但仍是對(duì)照組的59倍。

圖2c顯示葡萄糖和半乳糖在不同處理中的變化情況。由圖可知,氯磺隆處理組顯著升高,而鎘處理和復(fù)合處理則導(dǎo)致了2種物質(zhì)含量的顯著下降。

綜上結(jié)果表明,植物受到不同污染物脅迫時(shí),積累的碳水化合物的種類和量不同。且2種污染物復(fù)合時(shí),植物體內(nèi)的碳水化合物并不是累加和提高的關(guān)系,表明2種污染物之間沒有協(xié)同作用,相反2種物質(zhì)在碳水化物的積累上表現(xiàn)為減弱的作用。通常,逆境脅迫下,植物會(huì)發(fā)生一系列的抗逆反應(yīng),如產(chǎn)生活性氧、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子、以及與抗性相關(guān)的蛋白和代謝物[35]。這些反應(yīng)都需要大量的能量來(lái)維持,因此能量代謝的提升是植物抗逆的一個(gè)重要標(biāo)志。Zabalza(2004)等[20]研究表明植株葉片和根部碳水化合物的積累是植物對(duì)乙酰乳酸合成酶(ALS)類除草劑的普遍生理反應(yīng)。

2.3.4 不同處理有機(jī)酸含量的變化

植物組織的一個(gè)顯著特征是有機(jī)酸總含量較高,這可能是由有機(jī)酸在植物體內(nèi)具有的重要代謝功能所決定的,有機(jī)酸除了參加光合作用和呼吸作用,還可以作為代謝活性溶質(zhì),調(diào)節(jié)滲透壓,平衡過多的陽(yáng)離子,在應(yīng)對(duì)養(yǎng)分缺乏、金屬脅迫以及操縱根-土界面、植物-微生物交互作用等代謝過程中,有機(jī)酸也是作為關(guān)鍵成分參與其中的[36]。不同處理菠菜有機(jī)酸含量變化結(jié)果見表3。

表3 不同處理組菠菜中有機(jī)酸類代謝物含量變化(mg·g-1FW)Table 3 Changes of organic acid ofSpinacia oleraceaL.in different treatments(mg·g-1FW)

從表2可以看出,與對(duì)照組相比,氯磺隆、鎘及復(fù)合污染均誘導(dǎo)蘋果酸、2-氨基丁酸、γ-氨基丁酸(GABA)、4-羥基肉桂酸和十六烷酸含量顯著上升,苯甲酸和十八烷酸含量顯著下降。氯磺隆脅迫導(dǎo)致了磷酸和乳酸含量的積累,而鎘和復(fù)合污染脅迫則使得這2種代謝物含量顯著下降。乳酸累積在細(xì)胞內(nèi),會(huì)使胞質(zhì)溶膠酸化,影響酶代謝。γ-氨基丁酸主要是來(lái)源于谷氨酸脫羧作用形成,研究發(fā)現(xiàn)冷害、缺氧、酸化、干旱等多種脅迫,均能引起植物體內(nèi)GABA水平升高[37]。本研究也得到了類似的結(jié)果,氯磺隆、鎘及復(fù)合污染均引起了菠菜體內(nèi)GABA水平升高。蘋果酸和檸檬酸是植物體內(nèi)三羧酸循環(huán)中2種主要的有機(jī)酸,氯磺隆處理誘導(dǎo)蘋果酸含量顯著升高,檸檬酸含量顯著下降；而鎘和復(fù)合污染時(shí)蘋果酸和檸檬酸含量同時(shí)顯著上升,曾有研究表明,麥類植物受到鋁毒害時(shí),蘋果酸和檸檬酸的分泌是主要的抗鋁機(jī)制[38]。結(jié)果表明,菠菜對(duì)鎘毒害的響應(yīng)與麥類植物對(duì)鋁毒害的響應(yīng)相似。

2.3.5 其他物質(zhì)含量變化

菠菜中共檢測(cè)到其他類物質(zhì)9種,包括碳二亞胺、丁胺、酪胺、腐胺、磷酸酯、苯酚、肌醇和葉綠醇。其中,與植物抗逆相關(guān)的物質(zhì)主要有腐胺和肌醇。2種物質(zhì)的變化結(jié)果見圖3。

圖3 不同處理組菠菜中腐胺和肌醇的含量變化注:*P＜0.05、**P＜0.01、***P＜0.001表示處理組與空白對(duì)照組之間差異(t-檢驗(yàn),雙尾檢驗(yàn))。Fig.3 Changes of putrescine and inositol ofSpinacia oleraceaL.in different treatmentsNote:*P＜0.05,**P＜0.01,***P＜0.001,statistical differences t-test(two-tail)compared with control.

腐胺是多胺類化合物的一種,可調(diào)節(jié)植物的生長(zhǎng)和發(fā)育,以及提高植物的抵抗力[39]。氯磺隆誘導(dǎo)菠菜中腐胺的積累,這與先前研究的結(jié)果一致[40]。然而,鎘處理及復(fù)合處理均未造成腐胺在菠菜中積累。

植物細(xì)胞中肌醇分子參與多種生理過程,包括形成植酸等儲(chǔ)存物質(zhì)、調(diào)節(jié)植物細(xì)胞抗逆、促進(jìn)種子脫水、修飾生長(zhǎng)素、參與細(xì)胞壁組成等[41]。研究證明,植物細(xì)胞中肌醇的原初功能是作為底物合成磷脂酰肌醇以及磷脂酰肌醇磷酸,維持內(nèi)膜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完整和運(yùn)輸功能；而內(nèi)膜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完整和運(yùn)輸功能又直接影響生長(zhǎng)素調(diào)控的植物胚胎發(fā)育過程。氯磺隆、鎘及二者復(fù)合污染均導(dǎo)致了肌醇含量顯著下降,進(jìn)而將會(huì)影響內(nèi)膜系統(tǒng)結(jié)果完整和運(yùn)輸功能,最終影響植物的發(fā)育。

綜上所述,氣質(zhì)聯(lián)用結(jié)合解卷積技術(shù),共鑒定出菠菜39種代謝產(chǎn)物。

分析氯磺隆和鎘處理代謝物含量變化得出,氯磺隆上調(diào)了蘇氨酸、葡萄糖、半乳糖、乳酸、蘋果酸和腐胺的含量；下調(diào)了丙氨酸和檸檬酸的含量；對(duì)多種碳水化合物無(wú)顯著影響。鎘上調(diào)了丙氨酸、D-型吡喃葡萄糖、吡喃葡萄糖、山梨糖、蔗糖、甘露糖、半乳糖苷、蘋果酸、檸檬酸含量；下調(diào)了蘇氨酸、葡萄糖、半乳糖、腐胺和肌醇含量。

分析復(fù)合污染和單一污染代謝物含量變化得出,2種污染物對(duì)纈氨酸、異亮氨酸、脯氨酸、甘氨酸、β-丙氨酸、谷氨酸、天冬氨酸、所有碳水化合物物、蘋果酸、檸檬酸等有機(jī)酸和腐胺存在拮抗作用；對(duì)絲氨酸和十八烷酸存在協(xié)同作用。此外,鎘的加入增強(qiáng)了氯磺隆對(duì)丙氨酸的作用；氯磺隆的加入增強(qiáng)了鎘對(duì)蘇氨酸、磷酸、乳酸和古洛糖酸的作用。

由此可得出,2種污染物對(duì)菠菜代謝物的影響存在差異,且兩種污染物復(fù)合時(shí)對(duì)不同代謝物的影響也不同,對(duì)多種代謝產(chǎn)物存在拮抗作用。從這個(gè)結(jié)果,我們可以推斷當(dāng)菠菜遭受氯磺隆脅迫時(shí),鎘能減弱氯磺隆的毒害作用。

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*共同通訊作者(Co-),E-mail:liurq@sxu.edu.cn

Joint Effects of Soil Residual Chlorsulfuron and Cadmium on Metabolites of Spinacia oleracea L.

Zhao Lijuan1,Zhang Hong2,Xie Jingfang1,*,Liu Ruiqing1,#,Li Meng1,Liu Peijia1,Wang Yashuai1
1.College of Environment and Resource,Shanxi University,Taiyuan 030006,China
2.Shanxi Academy of Analytical Science,Taiyuan 030006,China

6 September 2015 accepted 31 December 2015

The single and combined stress effects of the long residual herbicide chlorsulfuron and cadmium were evaluated on the growth and metabolites ofSpinacia oleraceaL.in this study.The metabolites ofSpinacia oleracea L.in different treatment groups were identified and analyzed by GC-MS technique.Combined with the results from the control group,there were individually significant differences in the detection of metabolites from the three treatment groups.1)Chlorsulfuron prompted a large increase(*P＜0.05)in the content of multiple-amino acids,the three carbohydrates involved in energy metabolism,malic acid,γ-aminobutyric acid(GABA),lactic acid and putrescine,otherwise,an obvious decrease of inositol(*P＜0.05).In the other hand,cadmium caused an increase(*P＜0.05)in multiple-amino acids,five energy-metabolism-related carbohydrates,malic acid and citric acid,however a decrease(*P＜0.05)of putrescine and inositol.2)Unlike the results of single treatment group of chlorsulfuron or Cd,the detection in combination treatment group showed a decrease(*P＜0.05)in multiple-amino acids,multiplecarbohydrates and malic acid and et al.Summarizing the results mentioned above,we concluded that the combined effects by soil residual chlorsulfuron and cadmium could obviously impair the up-effects on the amino acids and energy metabolisms induced by any single one of them;in addition,the combination effects by chlorsulfuron and cadmium also did not demonstrate an synergy but an antagonism on some metabolites.

chlorsulfuron;cadmium;Spinacia oleraceaL.;metabolities;GC-MS

2015-09-06 錄用日期:2015-12-31

1673-5897(2016)1-274-09

X171.5

A

10.7524/AJE.1673-5897.20150906001

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國(guó)家自然科學(xué)基金(No.30740037)；國(guó)家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(No.201103024)；山西省研究生優(yōu)秀創(chuàng)新項(xiàng)目(011452901009)；山西省自然科學(xué)基金(2014011013-2)

趙麗娟(1983—),女,在讀博士,研究方向?yàn)榄h(huán)境科學(xué),E-mail:zhao6286145@126.com；

),E-mail:xiejf@sxu.edu.cn

簡(jiǎn)介:解靜芳(1961-)，女，環(huán)境科學(xué)博士，教授，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境毒理化學(xué)、環(huán)境有機(jī)污染化學(xué)、環(huán)境污染物監(jiān)測(cè)與分析。