外源一氧化氮對鎘脅迫酸棗幼苗生理代謝指標(biāo)的影響

麻云霞 李鋼鐵 梁田雨 王檬檬 鄒 苗 童春元 楊 穎 田夢妮

( 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

鎘（Cd）是擁有較強(qiáng)毒性的重金屬元素和土地污染物之一，最近幾年，由于各行業(yè)生產(chǎn)水平的高速提升，工業(yè)廢水、廢渣排入農(nóng)田及不合理施肥制度的使用，導(dǎo)致我國眾多地區(qū)土壤污染日趨嚴(yán)重，Cd2+產(chǎn)生積聚，其含量超過一般土壤，于植株的生長有負(fù)面效應(yīng)[1-2]。有研究證明逆境下植物細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，礦質(zhì)營養(yǎng)元素的吸收速率降低，出現(xiàn)活性氧堆積現(xiàn)象，抑制了植物生長，Cd2+是非還原型重金屬，不能參加哈伯-韋斯反應(yīng)，因此也會影響植物保護(hù)酶系統(tǒng)，包括植物呼吸作用酶、光合作用酶及根系脫氫酶和固氮酶等[3-4]。Cd2+在植物生長發(fā)育過程中所起的作用呈現(xiàn)雙面性，濃度較小時，可促進(jìn)植物體內(nèi)某些生理指標(biāo)的積累，即為學(xué)術(shù)界認(rèn)可的施加較小濃度Cd2+對植物能發(fā)揮顯著的“積極效應(yīng)”，而濃度較高時則產(chǎn)生負(fù)面的脅迫作用，且土壤中Cd2+形態(tài)易被植物吸收，從地下部分轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部分，通過食物鏈等途徑傳遞，最終對動物和人類的健康造成不可估量的危害[5]。

酸棗（Zizyphus jujuba）屬鼠李科（Rhamnaceae）棗屬（Zizyphus），廣布于華北、西北、東北和華東的向陽山坡、荒蕪丘陵和平原，從東部的濕潤地帶到西部的干旱區(qū)均有分布。酸棗根系發(fā)達(dá)，具有抗旱、耐鹽堿、耐低溫的特性，在水土保持方面有重要的作用，是生態(tài)恢復(fù)的先鋒樹種。但目前對該植物的研究主要集中于生物活性物質(zhì)提取[6]、藥用價值開發(fā)[7]、組培嫁接[8]、抗旱能力及結(jié)構(gòu)研究[9]等方面。重金屬污染研究主要集中在經(jīng)濟(jì)作物和農(nóng)作物上，對園林觀賞植物的研究較為少見[10]。酸棗作為棗樹的砧木時多在土壤和灌溉條件好的苗圃地，酸棗繁殖過程中幼苗極易受到Cd2+脅迫危害的情況并不多見，但在新建棗園和新疆實生播種建園時確有因Cd2+脅迫出現(xiàn)嚴(yán)重出苗不齊、幼齡樹死亡的情況，且Cd2+為環(huán)境中存在劇毒的重金屬污染物。一氧化氮（NO）作為氣體小分子信號物質(zhì)，在植物體內(nèi)參與多種生理過程，如種子萌發(fā)[11]、調(diào)節(jié)植物光合作用[12]、側(cè)根生長[13]、植物抗逆性[14]、細(xì)胞程序性死亡等[15]。本試驗以酸棗為試材，以重金屬Cd2+為目標(biāo)污染物，通過研究不同濃度的硝普鈉（SNP）對Cd2+脅迫下酸棗幼苗生長、活性氧代謝、抗氧化酶系，礦質(zhì)營養(yǎng)元素的攝入及光系統(tǒng)等的影響，篩選出SNP緩解Cd2+脅迫的最佳濃度，初步探討外施NO應(yīng)用于酸棗幼苗對Cd脅迫下的調(diào)控作用，這將為預(yù)防Cd2+造成的植物污染，降低Cd2+在酸棗體內(nèi)的積累提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)科教示范區(qū)（111°73′29″E，40°83′35″N，海拔 1051 m）開展，供試材料為酸棗，種子由巴彥淖爾市林業(yè)科學(xué)研究所提供。選取大小均勻、圓潤光滑的酸棗種子使用0.1%的HgCl2進(jìn)行10 min殺菌，蒸餾水沖刷3～5遍，放于濕潤的紗布上25℃避光催芽，36 h后將出芽的種子播于洗凈的蛭石營養(yǎng)缽中，用1/4 Hoagland營養(yǎng)液定時定量灌溉，當(dāng)幼苗出現(xiàn)3～4片真葉后，選取長勢均一、生長較好的幼苗清除完根部殘留物，換成完全營養(yǎng)液繼續(xù)培育，每3 d更換1次營養(yǎng)液。水培期間電動氣泵保持持續(xù)通氣狀態(tài)，幼苗長出5～6片真葉之后，開始進(jìn)行Cd2+脅迫試驗。

1.2 試驗設(shè)計

2017年6月15日，對長勢恢復(fù)較好的幼苗正式開始預(yù)試驗。將不添加Cd2+作為對照（CK），試驗設(shè)計梯度為 BT1（25 μmol/L Cd2+）；BT2（50 μmol/L Cd2+）；BT3（75 μmol/L Cd2+）；BT4（100 μmol/L Cd2+）；BT5（125 μmol/L Cd2+）。試驗 30d 后根據(jù)幼苗生物量和相對生長速率（RGR）篩選出50 μmol/L CdCl2為 Cd2+脅迫濃度。

SNP除了產(chǎn)生NO外，還會生成NO2-/NO3-和Fe(CN)52-等。因此，設(shè)定 100 μmol/L的 NaNOx和Na3Fe(CN)6處理作為試驗相關(guān)處理。根據(jù)預(yù)實驗得出Cd2+脅迫濃度及所添加NO供體SNP特性，外源物質(zhì)對酸棗幼苗在Cd2+脅迫下的生理生態(tài)效應(yīng)試驗共設(shè)置以下7個處理，試驗設(shè)計方案如表1所示。

表1 外源物質(zhì)對鎘脅迫酸棗的生理生態(tài)效應(yīng)試驗設(shè)計方案Table 1 Experimental design scheme of physiological and ecological effects of exogenous materials on Z. jujube under Cd2+ stress

每組處理共設(shè)置3個重復(fù)，隨機(jī)分布在大棚中，營養(yǎng)液培養(yǎng)期間其營養(yǎng)液更換頻率為每天1次，使用KOH或HCl將pH調(diào)整為6.6±0.2。溫室里光周期是15 h，白天其最高溫度為31.3 ℃，夜間最低溫度為14.4 ℃，在試驗第20天時，取樣進(jìn)行分析測定。NO供體硝普鈉購自德國Merck公司，先用蒸餾水配制100 mmol/L的母液，存于4 ℃低溫下，其濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)后即可用于試驗處理。

1.3 測定方法

1.3.1 形態(tài)指標(biāo)和生物量測定

在脅迫試驗的第10天（D1，所測總生物量為W1），第 20天（D2，所測總生物量為W2）時，選擇每個梯度下的6株酸棗進(jìn)行形態(tài)指標(biāo)和生物量的測定，使用Li-3000C便攜式葉面積儀（Li-Cor，USA）測定幼苗葉片植株葉長及葉寬。用游標(biāo)卡尺（精度為0.001 cm）測定其基徑，用卷尺（精度為0.1 cm）測定主根長度及幼苗株高。用無菌水對幼苗表層土屑進(jìn)行沖刷，用濾紙將表層殘留水分吸干，稱取鮮質(zhì)量，然后放于105 ℃烘箱中烘干殺青10 min，再于65 ℃下烘干，測定干質(zhì)量，用電子分析天平（精度為0.0001 g）分別稱取植物各部分的干質(zhì)量后并進(jìn)行累加得出植株總生物量，按公式（1）～（2）計算相對生長速率和根莖比（R/S）。

1.3.2 生理指標(biāo)測定

指標(biāo)測定均在處理第20天進(jìn)行。每個處理選取幼苗嫩葉，放入96%的乙醇磨碎，于25 mL容量瓶中定容，在665、646、470 nm測定吸光值，計算各光合色素含量[16]。凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）測定，使用Ciras-2型便攜式光合測定系統(tǒng)（PP Systems，USA）測定，光的強(qiáng)度為 1000 μmol/（m2·s）。

過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外吸收法測定，過氧化物酶（POD）活性測定采用愈創(chuàng)木酚法，超氧化物歧化酶（SOD）活性測定采用氮藍(lán)四唑（NBT）光化還原法，抗壞血酸氧化酶（APX）活性利用紫外分光光度法測定。

過氧化氫（H2O2）與丙二醛（MDA）含量測定參照李合生等[17]的方法，過氧根離子自由基產(chǎn)生速率測定參照Elstner 等[18]的方法，脯氨酸（Pro）測定采用酸性茚三酮比色法[17]。

質(zhì)膜質(zhì)子泵（H+-ATPase）活性測定參照Wang等[19]的方法；質(zhì)膜鈣泵（Ca2+-ATPase）活性測定參照繆穎等[20]的方法。將幼苗泡于乙二胺四乙酸二鈉溶液中（2 mmol/L），除掉表面附著的微量元素，4 h后取出后用蒸餾水沖洗，并分離葉片和根系，殺青完置于80℃下烘干，用原子吸收光譜儀 AA6300 （Shimadzu，Japan）分析 Cd2+和微量元素含量[21]。

1.4 分析方法

數(shù)據(jù)采用SPSS 21.0 軟件統(tǒng)計分析，多重比較（Duncan新復(fù)極差法）檢驗，Microsoft Excel 2003制表作圖。顯著性水平設(shè)定為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同梯度鎘處理酸棗幼苗的生長表現(xiàn)

由表2可知，不同濃度Cd2+處理酸棗幼苗后其生長指標(biāo)均出現(xiàn)下降，當(dāng)Cd2+濃度達(dá)到50 μmol/L，株高、地上鮮質(zhì)量、地上干質(zhì)量、地下鮮質(zhì)量和地下干質(zhì)量均顯著低于CK（P＜0.05），分別下降了25.68%、36.27%、33.33%、64.66%和58.62%。BT1和BT2的R/S均高于CK，BT2下值達(dá)到最大，與CK相比差異顯著（P＜0.05）。BT1與BT2的RGR比CK降低7.31%和37.26%，BT2與CK相比達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。BT2的RGR與BT1相比差異顯著（P＜0.05），為植物RGR下降最快的，對植物生長造成了嚴(yán)重抑制。因此，選用50 μmol/L Cd2+為鎘脅迫的處理濃度，即作為研究酸棗幼苗在逆境下對SNP的響應(yīng)的最佳Cd2+濃度。

表2 不同梯度鎘處理酸棗幼苗生長指標(biāo)的變化Table 2 Effects of different Cd2+ contents on the growth index of Z. jujube seedlings

2.2 外源一氧化氮對鎘脅迫酸棗生長的影響

由表3可知，單一Cd2+脅迫下，酸棗幼苗干質(zhì)量、鮮質(zhì)量、基徑、根長、葉寬、葉長和葉數(shù)與CK相比顯著下降（P＜0.05），分別下降了44.74%，48.90%，6.67%，22.41%、11.92%、7.91%和6.12%。T2、T3與T4可對Cd2+脅迫下酸棗幼苗的抑制效應(yīng)起到一定的緩解作用，T4的長勢較CK出現(xiàn)較好改善，葉數(shù)、葉長、葉寬、根長、株高、基徑、鮮質(zhì)量、干質(zhì)量分別比T1提高了13.96%、6.05%、10.62%、17.60%、5.62%、31.39%和43.24%，顯著高于 T1（P＜0.05）。T5、T6和 T7下植株生物量和形態(tài)指標(biāo)呈下降趨勢，對Cd2+脅迫下酸棗長勢的影響越來越小，T5與T1差異均不顯著，表明NO消除劑cPTIO的施加消除了SNP對酸棗幼苗Cd2+脅迫下的緩解效應(yīng)，各指標(biāo)與單一Cd2+脅迫處理接近；SNP相似物NaNOx、Na3Fe(CN)6處理下的酸棗幼苗生物量和形態(tài)指標(biāo)長與Cd2+和T5并無較大差別，對逆境環(huán)境下引起的植株長勢變差并無明顯作用。因此從Cd2+脅迫下酸棗的生長趨勢能夠可以看出，NO可顯著調(diào)節(jié)Cd2+脅迫對酸棗的負(fù)面效應(yīng)，25～125 μmol/L SNP施加后較CK均出現(xiàn)了生物量的變化，其生物量積累程度隨SNP濃度的不同出現(xiàn)差異，其中100 μmol/L SNP處理效果最好，而NO消除劑cPTIO、SNP類似物NaNOx、Na3Fe（CN）6并不能顯著消除Cd2+脅迫對酸棗幼苗生物量和形態(tài)指標(biāo)的負(fù)面作用。

表3 鎘脅迫酸棗幼苗生長指標(biāo)對外源一氧化氮的響應(yīng)Table 3 Effects of exogenous NO on the growth of Z. jujube seedling under Cd2+ sress

2.3 外源一氧化氮對鎘脅迫酸棗光合特性的影響

由表4可知，與CK相比，Cd2+處理使酸棗幼苗葉片的葉綠素a含量、葉綠素b含量、類胡蘿卜素含量、葉綠素a/b含量分別下降了49.24%，37.50%、56.67%和18.80%，差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）。由于外源NO添加濃度的不同，其植株光合色素含量出現(xiàn)“鐘形”變化趨勢，其中T4的葉綠素a、葉綠素b的含量和葉綠素a/b的含量達(dá)到最大值，分別比T1提高了48.45%、34.52%、21.17%，差異均顯著（P＜0.05），T3的類胡蘿卜素含量最大，且與T4并無顯著差異。在添加cPTIO處理后，SNP的緩解效果被消除，在Cd2+處理液中加入 100 μmol/L NaNOx或 100 μmol/L Na3Fe(CN)6，與Cd2+脅迫處理差異不顯著。

表4 外源一氧化氮對鎘脅迫酸棗葉綠素含量和光合參數(shù)的影響Table 4 Effects of exogenous NO on the chlorophyll contents and photosynthetic parameters in Z. jujube under Cd2+ sress

同時，T1使酸棗葉片的Pn、Tr和Gs分別比CK下降了40.23%、52.79%、44.81%，Ci升高了42.51%，差異均顯著（P＜0.05）。在T2、T3和T4下加入不同濃度的NO大大緩解了Pn、Tr、Gs和Ci的變化趨勢幅度，其中Ci處理的效果最明顯，T4下的Pn、Tr和Gs分別比T1提高了57.40%、72.58%和62.45%，Ci降低了24.78%，差異均顯著（P＜0.05）。用 NO消除劑 cPTIO處理可明顯抵消SNP對Pn的正面效應(yīng)，Tr、Gs和Ci則并未出現(xiàn)顯著差異，外施100 μmol/L的NaNOx或Na3Fe(CN)6對葉Pn、Tr、Gs影響不顯著，對Ci影響顯著。

2.4 外源一氧化氮對鎘脅迫酸棗幼苗抗氧化酶系統(tǒng)的影響

由圖1可知，施加Cd2+后顯著降低植株SOD、CAT及葉片內(nèi)APX含量（P＜0.05），與CK相比，Cd2+脅迫下幼苗葉片和根系中SOD活性降低了29.17%和 39.06%，CAT活性降低了47.88%和58.62%，葉片中APX活性下降了51.63%，均顯著低于CK（P＜0.05），同時Cd2+脅迫下葉片和根系中POD活性與CK相比各自升高了36.11%和93.96%，差異顯著（P＜0.05）。T2葉片中POD活性略微下降，T3和T4仍繼續(xù)呈上升趨勢，但根系則呈現(xiàn)相反的趨勢。T2、T3和T4大大減輕了Cd2+脅迫對SOD、CAT和APX酶活性的負(fù)面效應(yīng)，其中T4和T1比較，幼苗葉片和根系內(nèi)SOD活性升高了33.10%和57.22%，CAT活性升高了79.07%和91.67%，葉片內(nèi)POD活性升高了13.27%，根系內(nèi)POD活性下降了44.39%，葉片和根系內(nèi)APX活性升高了98.96%和78.66%，差異均顯著（P＜0.05）。然而 100 μmol/L cPTIO、NaNOx和Na3Fe(CN)6并未顯著影響Cd2+脅迫下幼苗葉片和根系內(nèi)SOD、CAT和APX酶活性及葉片中POD活性，僅顯著影響根系中POD含量。

2.5 外源一氧化氮對鎘脅迫酸棗幼苗膜脂過氧化的影響

由圖2可知，與CK比較，Cd2+脅迫后幼苗葉片和根部內(nèi)H2O2、MDA、Pro總量及產(chǎn)生速率明顯升高，表示Cd2+脅迫致使植物幼苗活性氧出現(xiàn)堆積狀況，細(xì)胞內(nèi)部遭受破壞，加深植物受損程度。與單一Cd2+脅迫比較，T3和T4的H2O2、MDA含量和產(chǎn)生速率都產(chǎn)生明顯下降，T4幼苗葉片和根系中H2O2比Cd2+處理分別下降了44.93%和59.18%，MDA分別下降了66.67%和60.00%，比Cd2+處理分別下降了39.74%和42.31%，均差異顯著（P＜0.05）。添加外源SNP能夠提高Pro含量，T4與CK相比達(dá)到顯著水平（P＜0.05），幼苗葉片和根系中Pro比Cd2+處理提高46.70%和49.43%，外施100 μmol/L SNP 后，H2O2、MDA 含量和產(chǎn)生速率最接近正常水平，質(zhì)膜過氧化得到緩解。雖然大劑量SNP的施加使根中H2O2、MDA含量及產(chǎn)生速率有所下降，但并未低于Cd2+脅迫無外源SNP添加的程度，cPTIO的施加消除了NO于Cd2+脅迫后H2O2、MDA、Pro含量及產(chǎn)生速率堆積的負(fù)面效應(yīng)，T5的葉片和根系H2O2、MDA積累及葉片內(nèi)的產(chǎn)生速率高于T2、T3和T4，與單一Cd2+脅迫處理接近，根系中產(chǎn)生速率低于T2和T3，高于T4；Pro含量低于 T2、T3和 T4，與單一 Cd2+脅迫處理接近，SNP類似物NaNOx、Na3Fe(CN)6與cPTIO相似，對幼苗葉片和根系中H2O2、MDA、Pro含量及產(chǎn)生速率的作用與Cd2+和T5并無較大差別。

圖1 外源一氧化氮對鎘脅迫酸棗幼苗SOD、POD、CAT和APX活性的影響Fig. 1 Effects of exogenous NO on activity of SOD， POD， CAT and APX of Z. jujube seedlings under Cd2+ stress

圖2 外源一氧化氮對鎘脅迫酸棗幼苗H2O2、MDA、Pro含量和產(chǎn)生速率的影響Fig. 2 Effects of exogenous NO on H2O2， MDA， Procontents and production rates of Z. jujube seedlings under Cd2+ stress

2.6 外源一氧化氮對鎘脅迫酸棗幼苗鎘富集量的影響

由圖3可知，CK組根內(nèi)Cd2+總量為0，單一Cd2+處理后，酸棗幼苗葉片和根系內(nèi)Cd2+總量大幅度升高，無論高低劑量的SNP都可以使Cd2+脅迫下的酸棗幼苗葉片與根系中Cd2+總量出現(xiàn)減小，但整體并未大于Cd2+脅迫無外施SNP處理的Cd2+含量。T4葉片和根系內(nèi)Cd2+含量比Cd2+處理顯著降低了52.24%和 59.90%（P＜0.05）。同一處理下，其葉片所含Cd2+總量顯著低于根系中的含量（P＜0.05），其根系為Cd2+所趨向堆積的部位。加入cPTIO、NaNOx、Na3Fe(CN)6，葉片和根系Cd2+總量均大于T4，但并未達(dá)到顯著水平，同時cPTIO、NaNOx、Na3Fe(CN)6各處理組下的Cd2+含量總體低于Cd2+處理組。由此可見，單一Cd2脅迫可以導(dǎo)致酸棗幼苗葉片和根系中內(nèi)源Cd2+聚集，外源NO能明顯降低Cd2+脅迫后根系內(nèi)源Cd2+的堆積。

2.7 外源一氧化氮對鎘脅迫酸棗幼苗質(zhì)膜ATPase活性的影響

由圖4可知，Cd2+脅迫后幼苗葉片與根系質(zhì)膜H+-ATPase和Ca2+-ATPase活性都出現(xiàn)大幅度降低，與CK相比，幼苗葉片和根系質(zhì)膜H+-ATPase分別顯著降低了34.55%和43.82%（P＜0.05），Ca2+-ATPase分別顯著降低了 30.66%和31.11%（P＜0.05）。添加不同劑量的SNP，幼苗葉片和根系質(zhì)膜H+-ATPase和Ca2+-ATPase活性逐漸升高，T4的H+-ATPase比T1提高了40.64%和 88.97%，Ca2+-ATPase比 T1提高了 30.60%和44.85%，與CK相比達(dá)到顯著差異（P＜0.05），添加100 μmol/L的SNP能使ATPase活性提高到正常水平，而外施 100 μmol/L的 cPTIO、NaNOx、Na3Fe(CN)6下，植物幼苗質(zhì)膜H+-ATPase、Ca2+-ATPase活性和單一Cd2+脅迫沒有明顯差別。

圖3 外源一氧化氮對鎘脅迫酸棗植株中Cd2+總量的影響Fig. 3 Effects of exogenous NO on Cd2+ contents in Z. jujube under Cd2+ stress

圖4 外源一氧化氮對鎘脅迫酸棗質(zhì)膜H+-ATPase與Ca2+-ATPase活性的影響Fig. 4 Effects of exogenous NO on H+-ATPase and Ca2+-ATPase activities in plasma membrane of Z. jujube under Cd2+ stress

2.8 外源一氧化氮對鎘脅迫酸棗幼苗礦質(zhì)營養(yǎng)含量的影響

由表5可知，在酸棗葉片中，Cd2+脅迫降低對鉀（K）、鈣（Ca）、鎂（Mg）、鐵（Fe）、銅（Cu）、鋅（Zn）的吸收，相比CK分別降低了 63.87%、49.80%、32.66%、50.20%、47.54%、33.51%，差異顯著（P＜0.05），同時Cd2+脅迫顯著提高了對錳（Mn）的吸收（P＜0.05），相比CK提高了115.17%；而在酸棗根部內(nèi)，Cd2+脅迫與 CK相比顯著降低了對鉀 K、Ca、Mg、Fe、Zn、Mn的攝入（P＜0.05），同時顯著提高了植株對Cu的吸收（P＜0.05）。在酸棗葉片中，加不同濃度的SNP提高了植株葉片對K、Ca、Mg、Fe、Cu、Zn和Mn的攝入，其中在T4下作用最顯著，分別相比T1顯著提高了141.75%、86.01%、50.50%、94.93%、81.64%、53.18%和134.81%（P＜0.05）；但在酸棗根系內(nèi)，加小劑量到大劑量的SNP，植株葉片對Ca、Mg、Fe和Zn的攝入也呈遞增趨勢，在T4下最大，分別相比T1顯著提高了67.84%、33.80%、86.76%和37.05%（P＜0.05），K和Cu的攝入量為先減小后增高，于T2下最低，T4比T1提高了8.67%和7.35%，差異并不顯著，Mn無明顯變化規(guī)律，在T3下達(dá)到最大。而外 施 100 μmol/L 的 cPTIO、NaNOx、Na3Fe(CN)6下對植株葉片的微量礦質(zhì)元素?zé)o顯著影響，cPTIO并沒有對植株根系的礦質(zhì)元素產(chǎn)生較大作用，NaNOx明顯降低了植物幼苗根部的Mn含量，Na3Fe(CN)6的加入大大提高了了根系Fe總量，使根系內(nèi)Cu總量出現(xiàn)下降，這可能與T7引入Fe元素有關(guān)。

表5 不同濃度SNP對鎘脅迫酸棗礦質(zhì)營養(yǎng)含量的影響Table 5 Effects of different concentrations of SNP on mineral nutrition in shoots and roots of Z. jujube under Cd2+ stress g/kg

3 結(jié)論與討論

Cd2+是植物生長的非必需元素，Cd2+脅迫可引起植物生理生化方面復(fù)雜的變化，能夠使內(nèi)脂氧合酶和還原性輔酶II（NADPH）氧化酶活性提高[22]，膜質(zhì)過氧化和細(xì)胞內(nèi)代謝出現(xiàn)紊亂，最后導(dǎo)致植物長勢變差。本試驗觀察得知，Cd2+中毒的酸棗植株矮小，老葉葉脈間和葉尖失綠，新葉卷曲、老葉出現(xiàn)較多Cd2+中毒的褐色斑點，植物葉性狀和基徑等均遭受抑制，表明50 μmol/L Cd2+處理使其生理指標(biāo)值顯著減小，使植物的生長狀況變差，這進(jìn)一步驗證了前人的結(jié)論[23]。試驗過程中觀測到，植物幼苗根部受到的脅迫傷害較葉片更為嚴(yán)重，其原因為本試驗采用的為營養(yǎng)液培養(yǎng)方法，其Cd2+能與植物根部大面積直接接觸，根部內(nèi)Cd2+高于葉片。外源SNP處理后，Cd2+中毒的癥狀得到明顯改善，酸棗生物量明顯增加，NO對提高酸棗抗Cd2+脅迫的作用明顯，外源NO對Cd2+處理下氧化傷害的緩解作用已在紫花苜蓿（Medicago sathiva）[24]、東南景天（Sedum plumbizincicola）[25]、蠶豆（Vicia faba）等[26]多個物種中得到證明。Cd2+于酸棗幼苗根部存在截留效應(yīng)，可以和根部中的谷脫甘肽和含硫化合物與其結(jié)合構(gòu)成螯合物發(fā)揮解毒效果，根長隨著濃度的提高逐漸增長，表示適宜的SNP劑量調(diào)節(jié)了根系細(xì)胞壁內(nèi)交換位點的轉(zhuǎn)移，使根系生長速度加快，加大了對礦質(zhì)營養(yǎng)元素的攝入。劉柿良等[27]、Wang等[28]在研究發(fā)現(xiàn)了施加NO對植物幼苗的大小濃度－雙面現(xiàn)象，這都顯示了植物存在“低促高抑”的狀況，但在本研究中，植物各生理指標(biāo)在T4恢復(fù)到與CK相近的水平，因此并未設(shè)置過多試驗組。NO消除劑cPTIO、SNP類似物NaNOx、Na3Fe（CN）6的應(yīng)用卻沒有緩解Cd2+誘導(dǎo)的氧化脅迫傷害，這與李海燕等[29]對外源NO對Cd脅迫下玉米（Zea maya）幼苗根的研究中得出cPTIO的加入逆轉(zhuǎn)了SNP保護(hù)作用的結(jié)論出現(xiàn)了差異，而本研究與此相悖的結(jié)果可能與植物物種、器官、發(fā)育階段、脅迫處理的方式、濃度和時間等有關(guān)。因此可以判斷SNP于Cd2+脅迫下酸棗幼苗生理指標(biāo)的回升現(xiàn)象為NO導(dǎo)致的，NO很大部分上是通過減少氧化傷害來提高Cd2+耐性的。

湯紹虎等[30]研究表明適宜的SNP能夠有效提高黃瓜（Cucunis sativus）的光系統(tǒng)活性、光合速率和產(chǎn)量。光合色素含量是表示植株葉片中光合結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其受到脅迫后都會對其含量產(chǎn)生不同程度的改變[31]。Cd2+對植物脅迫作用最明顯的特征是植株葉片黃化，Cd2+脅迫后，其葉綠素含量開始出現(xiàn)下降，且葉綠素含量與Cd2+濃度為負(fù)相關(guān)變化趨勢，由此也能夠得出，隨著Cd2+脅迫濃度的不斷加強(qiáng)，葉片的光合速率顯著下降，施加NO后又顯著增加，從而保證酸棗光合速率出現(xiàn)回升。本研究中，酸棗幼苗于Cd2+脅迫下，Pn大幅度下降，這與葉綠素含量的降低有密切關(guān)系；Pn和Gs下降的同時Ci出現(xiàn)上升的趨勢。Kopyra等[32]研究表明，施加外源NO能夠明顯提高Cd2+脅迫下羽扇豆（Lupinus polyphyllus）根尖SOD、CAT、和APX活性，本研究結(jié)論與此相似，Cd2+處理顯著降低了酸棗SOD、CAT、APX活性，在Cd2+處理下添加外源NO提高了SOD、CAT、APX活性，POD在Cd2+脅迫及施加NO后一直呈上升趨勢，這與廖克波[33]對觀光木（Michelia odora）在Cd2+脅迫時的變化規(guī)律相同。與正常生長的植株相比，Cd2+脅迫致使酸棗幼苗體內(nèi)MDA和H2O2、含量上升，這與Rodriguez等[34]對豌豆（Pisum sativum）和 Yi等[35]對水稻（Oryza sativa）的研究結(jié)果相一致，表明抗氧化物質(zhì)為逆境環(huán)境里限制植株生長發(fā)展的關(guān)鍵物質(zhì)，而100 μmol/LNO顯著降低了Cd2+脅迫下葉片細(xì)胞MDA和H2O2、的含量，且減小細(xì)胞膜透性的上升幅度和細(xì)胞膜的變化，緩解了Cd2+脅迫對植株造成的氧化傷害。Pro一方面經(jīng)由催化鳥氨酸生成，另一方面也可以催化谷氨酸形成，之后會存在降解過程，所以Pro總量取決于這2個過程總的強(qiáng)弱。在此實驗結(jié)果中顯示，Cd2+單一處理后，酸棗內(nèi)產(chǎn)生大量的Pro，施加外源NO則進(jìn)一步加速了Pro的這種變化趨勢，這和Fan等[36]、Dilek等[37]的試驗結(jié)果相一致。在NO緩解脅迫損傷的機(jī)理，有2種說法被國內(nèi)外學(xué)者認(rèn)可：其一，NO可直接與活性氧作用，例如可與形成過氧硝酸鹽，這種物質(zhì)對細(xì)胞的傷害相對較輕，因而起到了保護(hù)細(xì)胞的作用；其二，NO可以作為一個信號分子，激活細(xì)胞內(nèi)的抗氧化系統(tǒng)，而這些原因則需在后一步的分子生物學(xué)上得到驗證。本研究在添加cPTIO后，SNP的效果被顯著消除，施用NOx-和Na3Fe(CN)6，并無法顯著改變Cd2+脅迫對幼苗抗氧化酶以及MDA和H2O2等總量的大小。植物攝入的Cd+于各部位的總量排列順序分別為根＞莖＞葉＞籽粒[38]。本研究也表明，酸棗根系中Cd2+的濃度高于葉片，Cd2+于根部內(nèi)的堆積一方面是因為細(xì)胞壁上羧基的交聯(lián)作用，另一方面則是由于可溶性蛋白中硫基的交互作用，而葉中的Cd2+含量遠(yuǎn)低于根部可能是因為NO防止幼苗膜質(zhì)過氧化并維持細(xì)胞膜的穩(wěn)定，Cd2+很難入侵到地上部分的細(xì)胞中。這種將Cd2+富集于根系是植物阻止Cd2+脅迫的生存策略。Cd2+處理使酸棗根部內(nèi)H+-ATPase和Ca2+-ATPase活性顯著下降，而NO能夠使Cd2+脅迫下酸棗葉片和根部細(xì)胞質(zhì)膜 H+-ATPase和 Ca2+-ATPase活性出現(xiàn)上升，其原因可能是由于施加供體SNP后，細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性得到恢復(fù)，給H+-ATPase和Ca2+-ATPase活性創(chuàng)造了較好的存在和進(jìn)一步反應(yīng)的微環(huán)境，張鑫榮[39]對巨峰葡萄（Vitis vinifera）的研究更好的驗證了以上結(jié)論。在幼苗體內(nèi)，各種離子的含量及種類一直處于一個動態(tài)平衡的過程中。然而，Cd2+脅迫打破了這種平衡，Cd2+脅迫降低了酸棗體內(nèi)K、Ca、Mg、Fe、Cu、Zn的總量，NO提高了酸棗在Cd2+脅迫下對礦質(zhì)營養(yǎng)元素的攝入。綜上所述，Cd2+脅迫會對植物生長產(chǎn)生抑制，而Cd2+脅迫下一定濃度的外源 SNP 處理能夠通過增強(qiáng)活性氧清除能力，提高光合色素總量和質(zhì)膜ATP酶活性，進(jìn)一步加強(qiáng)葉肉細(xì)胞光合性能，提升離子與信號分子跨膜轉(zhuǎn)換，維持礦質(zhì)營養(yǎng)元素平衡，緩解鎘脅迫對細(xì)胞質(zhì)膜的損傷，增強(qiáng)酸棗幼苗對Cd2+毒害的抗性，使 Cd2+對酸棗的毒害得到一定程度的緩解，其中濃度以100 μmol/L緩解脅迫效果最好，而NO消除劑cPTIO、SNP類似物NaNOx、Na3Fe(CN)6并無相同作用。