外源NO對棉花幼苗重度鎘脅迫的緩解效應(yīng)

張茜，郭婧，呂思潔，康西璐，顧文哲，李存東，劉連濤*

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/河北省作物生長調(diào)控實(shí)驗(yàn)室，河北保定071001;2.洛陽師范學(xué)院，河南洛陽471934)

外源NO對棉花幼苗重度鎘脅迫的緩解效應(yīng)

張茜1，郭婧1，呂思潔2，康西璐1，顧文哲1，李存東1，劉連濤1*

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/河北省作物生長調(diào)控實(shí)驗(yàn)室，河北保定071001;2.洛陽師范學(xué)院，河南洛陽471934)

為探討外源一氧化氮(NO)對棉花幼苗重度鎘(Cd)脅迫的緩解效應(yīng)，以農(nóng)大棉601號(hào)為試驗(yàn)材料，采用水培方法，研究了不同濃度(50、100、200 μmol/L)硝普鈉(SNP，NO供體)對重度Cd脅迫(75 μmol/L)下棉花幼苗生長的影響。結(jié)果表明，Cd處理下棉苗株高、葉面積較CK(不添加CdCl2和SNP)顯著下降40.9%、31.9%，干物質(zhì)積累量、組織含水量僅為CK的34.3%、33.2%，光合速率顯著下降。重度Cd脅迫下添加低濃度外源NO(50、100 μmol/L)，棉花幼苗株高、葉面積較T0處理(75 μmol/L CdCl2)稍有增加(P＞0.05)，葉綠素含量比T0處理(75 μmol/L CdCl2)分別增加4.5%、15.5%(P＞0.05)，光合速率分別增加36.6%、27.9%(P＞0.05)，其他指標(biāo)均無顯著增加;而添加高濃度NO(200 μmol/L)下棉苗干物質(zhì)積累量、根冠比、組織含水量、葉綠素含量均低于T0處理。因此認(rèn)為，外源NO對重度Cd脅迫下棉苗生長的緩解效果不顯著。

棉花;鎘脅迫;一氧化氮;形態(tài)特征;光合特性

近年來，鎘(Cd)已經(jīng)成為農(nóng)田主要的重金屬污染物，對我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)和人類健康產(chǎn)生影響。Cd是植物非必需金屬離子，其進(jìn)入植物體后，與細(xì)胞內(nèi)的酶活性中心或蛋白巰基結(jié)合，取代Ca2+、Mg2+、Fe2+等必需金屬離子，同時(shí)釋放大量自由離子，引起氧化脅迫，加重膜脂過氧化程度，導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)損傷［1］。棉花的主要經(jīng)濟(jì)產(chǎn)物為纖維，由于棉花纖維中Cd累積量低，而其他器官具有吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)Cd的能力，因此，棉花是Cd污染土壤的修復(fù)作物［2］。但土壤中Cd含量過高時(shí)則影響棉花幼苗根系生長，阻礙水分和養(yǎng)分的吸收。因此，探尋緩解棉苗Cd脅迫的方法，對提高棉花對Cd污染土壤的修復(fù)效果具有重要意義。

一氧化氮(NO)作為一種信號(hào)分子，具有調(diào)節(jié)植物種子萌發(fā)、氣孔運(yùn)動(dòng)、側(cè)根發(fā)育以及延緩衰老等作用。適當(dāng)濃度的NO可提高植株的抗逆性［3］，其主要是有利于碳氮代謝正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提高棉花幼苗的抗氧化酶活性，降低過氧化氫(H2O2)和丙二醛(MDA)的積累，增強(qiáng)PSⅡ反應(yīng)中心的結(jié)構(gòu)和功能［4-6］。外源NO主要是通過提高葉片的葉綠素、脯氨酸和可溶性蛋白含量緩解植株氮素脅迫［7-8］。陳秀蘭等［9］開展了外源NO對水稻Cd脅迫的緩解效應(yīng)研究，結(jié)果表明，外源NO可提高Cd脅迫下水稻種子的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)，增加幼苗的根長、芽長、根和芽鮮質(zhì)量，增強(qiáng)保護(hù)酶活性并降低MDA含量。前人開展了外源NO對番茄［10］和黃瓜［11］Cd脅迫的緩解效應(yīng)研究，認(rèn)為外源NO可顯著增強(qiáng)植株抗氧化酶活性，維持礦質(zhì)營養(yǎng)元素的平衡和光合效率，提高葉綠素和脯氨酸含量，增加生長量，最終促進(jìn)Cd脅迫下植株的生長。目前，NO緩解植物Cd脅迫的研究主要是針對低Cd脅迫，而針對重度Cd脅迫［12］的研究鮮見報(bào)道。鑒于此，開展了外源NO緩解棉花幼苗重度Cd脅迫的效應(yīng)試驗(yàn)，以期為Cd污染防治提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料培養(yǎng)與處理

供試棉花品種為農(nóng)大棉601號(hào)。選用飽滿的種子，經(jīng)75%乙醇消毒15 min后，用蒸餾水沖洗干凈，經(jīng)溫水浸泡1 h后，放置于25℃培養(yǎng)箱中催芽。待種子萌發(fā)露白后，轉(zhuǎn)移至人工氣候室進(jìn)行培養(yǎng)缽育苗，采用蛭石作為培養(yǎng)基質(zhì)，晝夜溫度為25℃/20℃，相對濕度為60%，光強(qiáng)為600 μmol/(m2·s)。待植株生長至2片真葉時(shí)，移至裝有1/2Hoagland’s營養(yǎng)液的水培缽中，5 d后更換為全Hoagland’s營養(yǎng)液。當(dāng)植株生長至3～4片真葉時(shí)開始試驗(yàn)處理，采用硝普鈉(saodium nitro prusside，SNP)為NO供體，Cd和NO處理分別為在Hoagland’s營養(yǎng)液中添加一定濃度的CdCl2和SNP，試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理，分別為CK(不添加CdCl2和SNP)、T0(75 μmol/L CdCl2)、T1(75 μmol/L CdCl2+50 μmol/L SNP)、T2 (75 μmol/L CdCl2+100 μmol/L SNP)、T3(75 μmol/L CdCl2+200 μmol/L SNP)。處理開始后每2 d更換1次營養(yǎng)液，同時(shí)隨機(jī)調(diào)整培養(yǎng)缽的位置。當(dāng)植株生長至5～6片真葉時(shí)，進(jìn)行植株形態(tài)和生理參數(shù)測定。

1.2 測定項(xiàng)目與方法

1.2.1 形態(tài)指標(biāo)各處理隨機(jī)選取5株幼苗測定植株地上部和根部的干質(zhì)量、鮮質(zhì)量、株高、葉面積，計(jì)算植株的根冠比和組織含水量。

1.2.2 生理指標(biāo)選取倒4或倒3功能葉片進(jìn)行光合特性測定。光合速率(Pn)采用Li－6400光合測定系統(tǒng)(美國Li－Cor公司)進(jìn)行測定。葉綠素含量采用紫外分光光度計(jì)法測定:剪取中上部功能葉片0.1 g，加入10 mL無水乙醇，避光處理24 h后，使用島津2450型分光光度計(jì)測定［13］。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2016進(jìn)行整理，采用SPSS 21.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢測，顯著性水平為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源NO對Cd脅迫下棉花幼苗株高和單株葉面積的影響

由圖1和圖2可知，75 μmol/L Cd處理下，棉花幼苗的株高和葉面積顯著低于CK，分別下降40.9%和31.9%。添加SNP后，隨SNP濃度的增加，植株的株高和葉面積呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，T1和T2處理較T0處理略有增加，但處理間差異不顯著。表明外源NO對重度Cd脅迫下棉苗的株高和葉面積生長的緩解效應(yīng)不明顯。

圖1 不同處理棉花幼苗的株高

圖2 不同處理棉花幼苗的葉面積

2.2 外源NO對Cd脅迫下棉花幼苗干物質(zhì)積累量和根冠比的影響

由圖3可知，在75 μmol/L Cd處理下，棉花幼苗的干物質(zhì)積累量顯著下降，T0處理的干物質(zhì)積累量僅為CK的34.3%。補(bǔ)充不同濃度的SNP后，Cd處理棉苗的干物質(zhì)積累量無顯著變化。根冠比反映根系與地上部之間干物質(zhì)積累的關(guān)系。由圖4可知，培養(yǎng)液中加入Cd后，植株的根冠比增加，地上部生長受到抑制。隨著SNP濃度的增加，棉花幼苗根冠比呈先上升后下降的趨勢，100 μmol/L SNP處理幼苗根冠比達(dá)到最大值，高濃度(200 μmol/L) SNP處理幼苗根冠比降低。50、100 μmol/L SNP處理下，棉花幼苗的根冠比分別比CK高出28.3% (P＞0.05)、44.0%(P＜0.05)。

圖3 不同處理棉花幼苗的干物質(zhì)積累量

圖4 不同處理棉花幼苗的根冠比

2.3 外源NO對Cd脅迫下棉花幼苗組織含水量的影響

組織含水量反映植株體內(nèi)的水分狀況和葉片的生理活性。由圖5可知，Cd處理棉花幼苗的組織含水量顯著低于CK，僅為CK的33.2%。添加SNP后，隨SNP處理濃度增加，植株的組織含水量呈下降趨勢，但是處理間差異不顯著。

圖5 不同處理棉花幼苗的組織含水量

2.4 外源NO對Cd脅迫下棉花幼苗葉綠素含量的影響

由圖6可知，與CK相比，Cd處理下棉花幼苗葉片的葉綠素含量無顯著變化。培養(yǎng)液中添加SNP后表現(xiàn)為，低濃度(50、100 μmol/L)SNP處理組的葉綠素含量分別較T0處理增加4.5%、15.5%;而高濃度(200 μmol/L)SNP處理則較T2處理顯著降低葉綠素含量。表明本試驗(yàn)條件下，Cd脅迫沒有降低葉片葉綠素含量，低濃度SNP可以提高Cd處理下功能葉的葉綠素含量，但是高濃度SNP起抑制作用，降低葉綠素含量。

圖6 不同處理棉花幼苗的葉綠素含量

2.5 外源NO對Cd脅迫下棉花幼苗光合速率的影響

由圖7可知，Cd處理植株葉片光合速率顯著低于CK。添加SNP后，隨著SNP濃度的增加，光合速率先增加后下降。Cd脅迫下50、100、200 μmol/L SNP處理比T0處理分別增加36.6%、27.9%、13.8%。表明低濃度SNP能增加Cd脅迫下棉花幼苗的凈光合速率，但緩解效應(yīng)相對較弱。

圖7 不同處理棉花幼苗的光合速率

3 結(jié)論與討論

高濃度Cd對棉花根系生長產(chǎn)生毒害作用，Cd對植株根系生長的抑制影響了棉苗地上部的生長發(fā)育［14-15］。前人研究表明，Cd處理濃度超過50 μmol/L時(shí)，植株生長達(dá)到重度脅迫狀態(tài)［12］。本研究中將Cd處理濃度設(shè)為75 μmol/L，棉苗生長發(fā)育受到阻礙，株高、葉面積、植株含水量、光合特性、干物質(zhì)積累量均顯著降低，地上部發(fā)育受到明顯抑制，根冠比增加，這與前人研究結(jié)果［12］相似。

蔡海林等［16］研究表明，重金屬脅迫下植物體內(nèi)NO含量快速增加，代謝增強(qiáng)，外源施用NO對重金屬毒害下的植物有保護(hù)作用，但是高濃度NO會(huì)對植物產(chǎn)生毒害。本研究結(jié)果顯示，75 μmol/L Cd脅迫下，補(bǔ)充低濃度外源NO(50、100 μmol/L SNP)可提高棉花幼苗的株高、葉面積，但未達(dá)到顯著水平，而對干物質(zhì)積累量和組織含水量的影響不大;補(bǔ)充高濃度外源NO(200 μmol/L SNP)則加重Cd脅迫效應(yīng)。低濃度NO對重度Cd脅迫下棉花幼苗功能葉片的葉綠素含量和光合速率的降低具有一定的緩解效應(yīng)，表現(xiàn)為葉綠素含量和光合速率提高，而高濃度NO下棉花幼苗的光合速率下降至接近T0處理，這與陳靜等［7］的研究結(jié)果相似。葉綠素含量的增加與光合速率的提高促進(jìn)了幼苗伸長生長，增加了干物質(zhì)的生成和累積。葉綠素含量增加可能是由于組織含水量降低，提高了葉片葉綠素濃度而表現(xiàn)出來的結(jié)果。高濃度NO對棉苗干物質(zhì)積累量、根冠比、組織含水量、葉綠素含量的抑制效應(yīng)，可能是由于高濃度的NO引起了細(xì)胞膜損傷，誘導(dǎo)DNA斷裂，使部分抗氧化酶活性受到抑制，進(jìn)而引起ROS積累的結(jié)果［17］。本研究認(rèn)為，NO作為植物信號(hào)分子，濃度過高或過低都不能使信號(hào)物質(zhì)起作用，只有適宜的濃度才能起到最佳的生物學(xué)效應(yīng)。

重度(75 μmol/L)Cd脅迫下，棉花幼苗的光合作用受到抑制，添加低濃度(50、100 μmol/L SNP)外源NO對Cd脅迫效應(yīng)具有緩解作用，但未表現(xiàn)出顯著效果;高濃度(200 μmol/L SNP)外源NO則加重了Cd脅迫效應(yīng)。本研究認(rèn)為，外源NO對棉苗重度(75 μmol/L)Cd脅迫的緩解效果不顯著。

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Mitigative Effects of Exogenous NO on Cotton Seedlings under Severe Cd Stress

ZHANG Xi1，GUO Jing1，L Sijie2，KANG Xilu1，GU Wenzhe1，LI Cundong1，LIU Liantao1*
(1.College of Agronomy，Agricultural University of Hebei/Key Laboratory of Regulation and Control of Crop Growth of Hebei Province，Baoding 071001，China;2.Luoyang Normal University，Luoyang 471934，China)

To investigate the relieving effects of exogenous nitric oxide(NO)on cotton seedlings under severe Cd stress，Nongdamian No.601 was used as test material to study the effects of different concentrations(50，100，200 μmol/L)of sodium nitroprusside(SNP，the donor of NO)on cotton seedlings under severe Cd stress(75 μmol/L)using hydroponics method.The results showed that under severe Cd stress，the plant height and leaf area of cotton seedling were significantly decreased by 40.9%and 31.9%compared with CK(without CdCl2and SNP);dry matter accumulation and tissue water content were only 34.3%and 33.2%of CK;photosynthetic rates declined significantly.Under severe Cd stress，compared with T0 treatment(75 μmol/L CdCl2)，for the treatments with 50 and 100 μmol/L NO，the plant height and leaves area increased slightly(P＞0.05)，chlorophyll contents increased by 4.5%and 15.5%respectively(P＞0.05)，photosynthetic rate increased by 36.6%and 27.9%(P＞0.05)，and other indexes did not change significantly;however，for the treatments with 200 μmol/L NO，the dry matter accumulation，root/shoot ratio，tissue water content，and chlorophyll content decreased.Therefore，the relieving effects of exogenous NO on the growth of cotton seedlings under severe Cd stress were not significant.

cotton;Cd stress;nitric oxide;morphological characteristics;photosynthetic characteristics

S562

A

1004－3268(2017)07－0035－04

2016－12－03

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31301270);河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(C2016204088)

張茜(1995－)，女，河北涿州人，在讀本科生，研究方向:作物栽培。E－mail:504726491@qq.com

*通訊作者:劉連濤(1980－)，男，河北清河人，副研究員，博士，主要從事棉花栽培生理研究工作。E－mail:liultday@126.com