外源eBL對鎘脅迫下綠豆幼苗葉片礦質(zhì)元素吸收及鎘積累的影響

宋雅娟，陳 斌，冷 艷，李師翁

(蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，蘭州 730070)

當(dāng)今土壤和水環(huán)境中的重金屬污染問題已經(jīng)成為了全世界面臨的重大環(huán)境問題[1].鎘(Cd)是環(huán)境威脅最大的重金屬之一，因其具有較高的水溶性及毒性，即使在較低的濃度下也會對植物細(xì)胞產(chǎn)生毒性[2].Cd2+作為一種游離水合離子，可與有機(jī)或無機(jī)配體結(jié)合，并與植物所需的礦質(zhì)元素競爭吸收位點，易被植物根系吸收，并經(jīng)木質(zhì)部運(yùn)輸至莖和葉，在植物體內(nèi)蓄積[3].過量的Cd會引發(fā)植物體內(nèi)必需營養(yǎng)素和水分吸收的失衡，抗氧化系統(tǒng)的損傷，以及細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞等不良反應(yīng)，進(jìn)而擾亂植物正常的生長發(fā)育及代謝過程，造成植物死亡[4].因此，降低植物對Cd的吸收，緩解Cd對植物造成的不良脅迫成為環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的一個研究熱點.

24-表油菜素內(nèi)酯(24-epibrassionlide，eBL)是一類重要的具有生物活性的油菜素甾體化合物[5].大量研究表明，外源eBL的應(yīng)用可提高植物對重金屬脅迫的抗性及耐受性[6-8].礦質(zhì)營養(yǎng)元素(Mg、K、Ca、Cu、Zn、Fe等)在植物生長發(fā)育過程中至關(guān)重要，但重金屬脅迫往往會抑制植物對營養(yǎng)元素的吸收.外源eBL的施加可以提高重金屬脅迫下植物對礦質(zhì)元素的攝入量，減輕重金屬對植物造成的不利影響.有研究表明，Cd脅迫下，外源eBL的施加可以促進(jìn)豇豆(VignaunguiculataL.)幼苗對礦質(zhì)元素(Ca、Mg、Mn、Fe、Cu、Zn)的攝入，并降低Cd在植物中的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)，緩解Cd對豇豆造成的毒害[9].

綠豆(VignaradiataL.)是一種廣泛種植的重要豆科作物，是人類普遍食用的一種健康營養(yǎng)的豆類食品.本人前期研究[10]發(fā)現(xiàn)，外源eBL的應(yīng)用可有效維持Cd脅迫下綠豆幼苗細(xì)胞的氧化還原穩(wěn)態(tài)，并通過調(diào)控抗氧化系統(tǒng)活性來減輕由Cd引起的植物細(xì)胞膜脂過氧化，從而緩解Cd對綠豆幼苗造成的毒害.但是，外源eBL提高植物對Cd的耐受性是否能調(diào)控植物對礦質(zhì)元素吸收，需要開展研究.因此，本研究以綠豆幼苗為材料，探究外源eBL對Cd脅迫下綠豆幼苗葉片礦質(zhì)元素K、Ca、Mg、Cu和Zn吸收及Cd積累的影響，揭示外源eBL對Cd脅迫下綠豆幼苗礦質(zhì)元素及Cd吸收的調(diào)控作用.

1 材料與方法

1.1 供試材料

植物材料為綠豆[Vignaradiata(L.) R Wilczek]種子.Hoagland營養(yǎng)液配方[11]，eBL 和Cd處理濃度分別為0.05 μmol/L和100 μmol/L，由前期試驗確定[10].100 μmol/L Cd處理液由Hoagland營養(yǎng)液稀釋CdCl2·2H2O原液配制而成，0.05 μmol/L eBL處理液由蒸餾水稀釋1 mmol/L原液配制而成.試驗中使用的所有化學(xué)試劑均為分析純.

1.2 植物材料培養(yǎng)及處理

用自來水將綠豆種子沖洗3～5次后，加入75%乙醇溶液將清洗后的種子進(jìn)行消毒.15 min后，再用蒸餾水將種子沖洗3次.在種子中加入2倍體積的蒸餾水，置于25±1 ℃保溫箱中吸水膨脹.12 h后再次將綠豆種子進(jìn)行蒸餾水清洗，放入鋪有濕紗布的塑料盒中在25±1 ℃條件下萌發(fā)24 h.將發(fā)芽的綠豆均勻的播種于經(jīng)清洗并滅菌育苗盤中，上覆適量珍珠巖.將育苗盤置于25±1 ℃，光照周期為14 h (PAR值為100 μmol/L·m-2·s-1)的生長箱中培養(yǎng).培育5天后將生長均勻一致的綠豆幼苗用于后續(xù)試驗處理.

將生長了5天的綠豆幼苗進(jìn)行以下處理：1) Hoagland 營養(yǎng)液培養(yǎng)(對照)；2) 含Hoagland營養(yǎng)液培養(yǎng)和0.05 μmol/L eBL預(yù)處理，以Hoagland+eBL表示；3) 含100 μmol/L Cd的Hoagland營養(yǎng)液培養(yǎng)，以Cd表示；4) 含100 μmol/L Cd的Hoagland營養(yǎng)液培養(yǎng)和0.05 μmol/L eBL預(yù)處理，以Cd+eBL表示.eBL預(yù)處理即在葉片上均勻噴施eBL溶液，直至葉片完全濕潤且有液滴滴落.2 h后，將CdCl2以Hoagland營養(yǎng)液的形式加入至育苗盤中.對照組在葉片上噴灑等體積的蒸餾水，2 h后，在育苗盤中加入等體積的不含Cd的Hoagland營養(yǎng)液.每個處理設(shè)3個生物學(xué)重復(fù).分別在培養(yǎng)0、1、3、5、7、9天后將葉片收集，在75 ℃下烘干至恒重，研磨后過60目篩，用于礦質(zhì)元素及Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定.

1.3 葉片中K、Ca、Mg、Cu、Zn及Cd含量的測定

稱取0.5 g經(jīng)研磨過篩后的葉片干樣于三角瓶中，放數(shù)粒玻璃珠，加20 mL濃HNO3，蓋上漏斗.在80 ℃電熱板上加熱1.5 h，后升溫至140 ℃加熱3 h.待紅棕色煙霧消失后，在三角瓶中加入2 mL HClO4，之后在175 ℃下繼續(xù)加熱，直到消解液呈無色透明或略帶黃色.待冷卻后，將消解液過濾后定容至25 mL容量瓶.同時作試劑空白.利用220FS火焰原子吸收分光光度計測定Cu、Zn、Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù).將消解液稀釋20倍后測定K、Ca、Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù).各元素測定時儀器參考測定條件如表1所列[12-13].

表1 元素測定參考條件

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，均值采用最小顯著性差異(LSD)比較，以p<0.05為顯著性差異.用Origin 2018繪圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 外源eBL對綠豆幼苗葉片Cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

隨著Cd處理時間的延長，植物葉片中的Cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著(p<0.05)增加，第9 d葉片Cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比第1 d提高了9.4倍.與Cd處理相比，Cd+eBL處理使葉片中的Cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著(p<0.05)降低78.6%(見圖1).說明外源eBL的施加可有效降低Cd在綠豆幼苗中的積累.

圖1 外源eBL對綠豆幼苗葉片Cd積累量的影響Fig.1 Effects of exogenous eBL on Cd content inleaves of mung bean seedlings

2.2 外源eBL對Cd脅迫下綠豆幼苗葉片K的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

與對照Hoagland相比，eBL處理使第5 d至9 d葉片中K的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著(p<0.05)增加15%.與對照Hoagland相比，Cd處理使所有處理時間點K的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著(p<0.05)降低10.0%.與Cd處理相比，eBL+Cd處理使第1 d至7 d葉片中K的質(zhì)量分?jǐn)?shù)輕微提高2.7%，第5 d顯著(p<0.05)提高10.2%.說明Cd脅迫會降低植物對K的攝入量，但外源eBL的應(yīng)用可部分緩解Cd脅迫對K的吸收抑制(見圖2).

圖2 外源eBL對Cd脅迫下綠豆幼苗葉片K含量的影響Fig.2 Effects of exogenous eBL on K content in leaves of mung bean seedlings under Cd stress

2.3 外源eBL對Cd脅迫下綠豆幼苗葉片中Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

與對照Hoagland相比，eBL處理使葉片Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著(p<0.05)降低3.4%.與對照Hoagland相比，Cd處理使Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著(p<0.05)提高18.4%.與Cd處理相比，eBL+Cd處理使葉片Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著(p<0.05)提高4.0%.隨著處理時間的延長，對照組及eBL處理中葉片Mg含量變化不大.Cd處理和eBL+Cd處理使Mg含量呈不斷上升的趨勢(圖3).說明Cd脅迫促進(jìn)了綠豆對Mg 的吸收，外源eBL的應(yīng)用進(jìn)一步提高植物對Mg的吸收.

圖3 外源eBL對Cd脅迫下綠豆幼苗葉片Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù) 的影響Fig.3 Effects of exogenous eBL on Mg content in leaves of mung bean seedlings under Cd stress

2.4 外源eBL對Cd脅迫下綠豆幼苗葉片中Ca的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

與對照Hoagland相比，eBL處理使葉片Ca質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著(p<0.05)增加20.9%(第3 d除外).與對照Hoagland相比，Cd處理和eBL+Cd處理使所有處理時間點葉片Ca質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別顯著(p<0.05)降低93.1%和93.0%.與Cd處理相比，eBL+Cd處理使葉片Ca的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不大.隨著處理時間的延長，對照和eBL處理使Ca含量呈逐漸增加趨勢，eBL+Cd處理與Cd處理中Ca含量變化不大(見圖4).說明Cd2+會競爭Ca2+的吸收位點，導(dǎo)致植物對Ca的吸收量降低，外源eBL對葉片Ca含量影響較小.

圖4 外源eBL對Cd脅迫下綠豆幼苗葉片中Ca質(zhì)量 分?jǐn)?shù)的影響Fig.4 Effects of exogenous eBL on Ca content in leaves of mung bean seedlings under Cd stress

2.5 外源eBL對Cd脅迫下綠豆幼苗葉片中Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

與對照Hoagland相比，eBL處理使葉片中Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著(p<0.05)增加38.9%，但Cd處理使Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著(p<0.05)降低26.8%.說明Cd脅迫降低了植物對Zn的攝入量.與Cd處理相比，eBL+Cd處理在第5 d和9 d顯著(p<0.05)提高葉片Zn含量(見圖5).說明外源eBL的應(yīng)用可在處理后期促進(jìn)植物對Zn的吸收.

圖5 外源eBL對Cd脅迫下綠豆幼苗葉片中Zn的質(zhì)量 分?jǐn)?shù)的影響Fig.5 Effects of exogenous eBL on Zn content in leaves of mung bean seedlings under Cd stress

2.6 外源eBL對Cd脅迫下綠豆幼苗葉片中Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

與對照Hoagland相比，eBL處理、Cd處理以及eBL+Cd處理使所有處理時間點葉片中Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別顯著(p<0.05)降低47.7%、43.6%和41.1%.與Cd處理相比，eBL+Cd處理顯著(p<0.05)提高第7 d和9 d葉片中Cu含量(見圖6).說明Cd脅迫抑制植物對Cu的吸收，外源eBL的應(yīng)用可在處理后期促進(jìn)植物對Cu的吸收.

圖6 外源eBL對Cd脅迫下綠豆幼苗葉片中Cu的質(zhì)量 分?jǐn)?shù)的影響Fig.6 Effects of exogenous eBL on Cu content in leaves of mung bean seedlings under Cd stress

3 討論

當(dāng)植物暴露于Cd時，Cd極易被植物組織吸收并結(jié)合在細(xì)胞壁上，并通過植物韌皮部進(jìn)行遷移，從而積累在植物的任何部分[14].過量的Cd不僅對植物造成不利影響，還會通過食物鏈威脅人及其他動物的健康.本研究表明，隨著Cd處理時間的延長，綠豆幼苗葉片中的Cd積累量顯著增加，但外源eBL的施加有效降低了Cd的積累量.外源eBL的應(yīng)用同樣可以降低Cd在龍葵(SolanumnigrumL.)[15]和豌豆(PisumsativumL.)[16]葉片中的積累量.這些研究結(jié)果表明外源eBL的應(yīng)用可以通過降低Cd在植物中的積累量，緩解Cd脅迫對植物產(chǎn)生的毒害，提高植物對Cd的耐受性.

礦質(zhì)營養(yǎng)元素在植物正常生長發(fā)育過程中起著至關(guān)重要的作用.K是限制植物生長發(fā)育的重要營養(yǎng)元素，Cu和Zn廣泛參與植物多種代謝過程，是植物細(xì)胞多種氧化還原酶的重要輔助因子，參與植物呼吸代謝過程中的氧化還原反應(yīng)[17-18].然而，當(dāng)植物暴露于重金屬環(huán)境中，重金屬離子競爭性結(jié)合于K、Cu、Mg、Zn和Ca等離子通道，導(dǎo)致植物對礦質(zhì)營養(yǎng)元素吸收量以及轉(zhuǎn)運(yùn)能力降低，造成植物生理代謝過程紊亂[19]，這也是重金屬抑制植物生長，致使植物死亡的重要原因之一.本研究表明，Cd脅迫造成綠豆幼苗葉片中K、Ca、Cu和Zn含量降低，說明Cd降低了綠豆對這些礦質(zhì)元素的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn).文獻(xiàn)[20]中，Cd脅迫降低桉(EucalyptusurophyllaL.)葉片中Mg、 K、Ca、Cu、Zn和Fe等礦質(zhì)營養(yǎng)元素的含量.與文獻(xiàn)[20]中研究結(jié)果不同的是，我們的研究發(fā)現(xiàn) Cd脅迫提高了綠豆幼苗葉片中的Mg含量，表明Cd脅迫促進(jìn)了綠豆對Mg的吸收，這與方言等[11]在水芹菜(OenanthejavanicaL.)葉片上的研究結(jié)果相同.外源eBL 的施加可提高植物對營養(yǎng)元素的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)，緩解重金屬脅迫對植物造成的毒害[21].在本研究中，eBL提高了Cd脅迫下綠豆幼苗葉片K含量以及處理后期Cu和Zn含量，且提高了葉片中Mg含量.但eBL的應(yīng)用對葉片中Ca含量影響較小.Sumira等[16]研究發(fā)現(xiàn)，外源eBL可提高Cd脅迫下豌豆地上部分組織中Mg、 K、Ca、Cu、Zn和Fe等營養(yǎng)元素的吸收量.有研究提出，外源eBL之所以能改善植物因Cd脅迫造成的對營養(yǎng)元素吸收的抑制，可能與其可以降低Cd積累量，提高可溶性蛋白和核酸水平，以及提高ATP酶活性有關(guān)[20].Cd脅迫往往會對植物細(xì)胞中的質(zhì)子泵，尤其是對H+-ATP酶泵影響較大，H+-ATP酶在植物細(xì)胞內(nèi)主要通過建立化學(xué)電位梯度起到維持離子平衡的作用.eBL通過調(diào)控H+-ATP酶活性，促進(jìn)植物細(xì)胞對營養(yǎng)元素的吸收，維持植物細(xì)胞中的離子穩(wěn)態(tài)[22].另外，重金屬與營養(yǎng)元素交互作用的相關(guān)研究提出，植物營養(yǎng)元素的缺失與重金屬累積有關(guān)，充足的營養(yǎng)元素又會降低植物對重金屬的吸收與累積[23-24].外源eBL可通過增強(qiáng)植物根系對K+、Ca2+和Mg2+的吸收，使礦質(zhì)陽離子被優(yōu)先輸送至幼葉，起到降低Cd遷移量的作用[25].因此，一方面，eBL促進(jìn)Cd脅迫下綠豆幼苗礦質(zhì)元素的吸收，從而間接降低了Cd的吸收和在葉片中的積累量.另一方面，eBL通過對植物其他生理生化過程的調(diào)控提升Cd脅迫下植物的生理生化活性，增加對礦質(zhì)元素的吸收，進(jìn)一步降低對Cd的吸收.

4 結(jié)論

Cd暴露時，導(dǎo)致植物葉中Cd積累量的增加，降低K、Ca、Cu和Zn含量.外源eBL可顯著促進(jìn)K、Ca、Cu、Zn和Mg等離子的吸收和在葉片中的含量，從而顯著降低Cd的吸收和在葉片中的累積量.因此，顯著促進(jìn)植物對其他元素的吸收是eBL顯著降低植物葉片中的Cd含量，提高植物Cd脅迫耐受性的機(jī)制之一.