SO2对谷子幼苗根系镉胁迫的缓解作用

王亚丽，仪慧兰，韩彦莎

（山西大学生命科学学院，太原 030006）

SO2对谷子幼苗根系镉胁迫的缓解作用

王亚丽，仪慧兰*，韩彦莎

（山西大学生命科学学院，太原 030006）

以谷子幼苗为材料，采用SO2衍生物（SO2-3∶HSO-3，3∶1，mmol·L-1/mmol·L-1）预处理方式，研究外源SO2对镉（Cd）致根系毒性的影响。研究发现：250、500 μmol·L-1Cd胁迫下，谷子幼苗根生长受到明显抑制，根组织中活性氧（ROS）大量产生，膜脂过氧化增加；与Cd单独处理组相比，用500 μmol·L-1SO2衍生物预处理后，Cd对根系生长的抑制作用减弱，根组织中ROS水平降低，膜脂氧化损伤减轻，谷胱甘肽（GSH）含量提高，过氧化物酶（POD）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）和谷胱甘肽硫转移酶（GST）等酶活性明显增加。结果表明：一定浓度的SO2衍生物能够通过上调抗氧化酶系统POD和GPX的活性来有效缓解Cd胁迫造成的谷子根系氧化损伤，并很可能通过维持较高的GSH水平和提高GST活性来增强谷子根系的Cd解毒能力。

谷子；二氧化硫；镉；根系；抗氧化系统

随着工业三废的排放以及农业生产中含镉（Cd）农药、化肥的过量使用，人类赖以生存的土壤、水体受到不同程度的Cd污染。据不完全统计，我国Cd污染农田面积达2.0×105hm2，严重影响农业生产[1]。Cd毒害可直接或间接引发植物体活性氧自由基（Reactive oxygen species，ROS）的积累，高水平ROS会破坏叶绿素、核酸和蛋白质等生物大分子结构，影响细胞结构和功能，抑制植物生长发育，甚至导致死亡[2]。近年来，如何解决Cd污染土壤上的耕作问题受到广泛关注。在污染条件下，通过施加外源物质来缓解或抑制Cd对植物的毒害作用是相对快速和简便的措施，科研人员致力于寻求适合的外源物质来减轻Cd污染对植物生长发育带来的影响。

硫是植物生长必需的一种营养元素，大气中低浓度的二氧化硫（SO2）可作为植物硫营养的来源。环境中的SO2经气孔进入植物体，在细胞内溶于水产生和HSO-3。研究表明，一定浓度的SO2能够诱导植物抗氧化系统应答[3-4]。我们前期研究发现，30 mg· m-3SO2预处理后，拟南芥对干旱胁迫的耐受性和对灰霉菌感染的抗性均明显增强[5-6]。但是，SO2在作物重金属毒害中的缓解作用少有报道。

谷子（Setaria italica L.）又称粟，在我国北方干旱半干旱地区广泛种植，是山西省传统的优质杂粮作物。本研究以谷子幼苗为实验材料，采用SO2衍生物（，3∶1，mmol·L-1/mmol·L-1）处理[7]，研究SO2对幼苗根系Cd毒性的缓解作用，为人工降低Cd污染对谷子幼苗的危害提供实验依据。

1 材料与方法

1.1 植物培养

供试谷子（Setaria italica L.）品种为“长农44号”，谷种由山西省农业科学院谷子研究所郭二虎研究员惠赠。

选取籽粒饱满的谷种，用0.5%的次氯酸钠浸泡7 min，双蒸水冲洗后浸种3 h，湿纱布包裹催芽，将露白一致的谷种均匀摆放于无菌纱布上，水培法培养谷子幼苗，光周期为16 h/8 h（昼/夜），温度（25±2）℃，相对湿度45%～65%。

1.2 实验分组与处理

根据预实验结果，选择对谷子幼根生长有促进作用的SO2衍生物（Na2SO3∶NaHSO3，3∶1，mmol·L-1/mmol· L-1）浓度500 μmol·L-1（浓度以总S含量计算），及对谷子幼根生长有抑制作用的Cd（CdCl2·2.5H2O）浓度250 μmol·L-1和500 μmol·L-1，作为后续实验浓度。

选取生长10 d且长势良好的谷子幼苗分为6组，SO2干预组用SO2衍生物预处理1 d后转入Cd溶液中处理3 d，Cd处理组水培1 d后改用Cd溶液处理3 d。具体分组处理如下：

（1）对照组（CK）：水培4 d。

（2）SO2处理组（S500）：500 μmol·L-1SO2衍生物处理1 d+水培3 d。

（3）Cd处理组Ⅰ（Cd250）：水培1 d+250 μmol· L-1Cd处理3 d。

（4）SO2干预组Ⅰ（Cd250+S500）：500 μmol·L-1SO2衍生物处理1 d+250 μmol·L-1Cd处理3 d。

（5）Cd处理组Ⅱ（Cd500）：水培1 d+500 μmol· L-1Cd处理3 d。

（6）SO2干预组Ⅱ（Cd500+S500）：500 μmol·L-1SO2衍生物处理1 d+500 μmol·L-1Cd处理3 d。

处理期间的温度、湿度及光照条件同上。处理结束后，双蒸水冲洗，取根部迅速检测生理生化指标。以相同条件下3次生物学重复实验得到的材料来检测各处理组的相关指标。

1.3 生长指标检测

利用直尺测量每组20株植株的根长，随后将它们放在烘箱中105℃杀青20 min，70℃烘至恒重，称其干重。

1.4 生理生化指标检测

取谷子幼根，用羟氨氧化法测定超氧阴离子（O-2·）产生速率，硫酸钛沉淀法测定过氧化氢（H2O2）含量，硫代巴比妥酸法测定丙二醛（MDA）含量。超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）活性测定参照Li等[3]的方法。谷胱甘肽（GSH）含量测定参照Anderson等[8]的方法。谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）活性测定参照Wendel等[9]的方法。谷胱甘肽硫转移酶（GST）活性测定参照Habig等[10]CDNB比色法。

1.5 数据统计分析

计算各组3个重复实验的平均值和标准误，采用SPSS 16.0软件进行方差分析，用Duncan方法对不同处理组的数据进行多重比较。图中不同字母表示组间差异显著（P＜0.05），相同字母表示组间差异不显著。

2 结果与分析

2.1 镉对谷子幼苗根长的影响及SO2的缓解作用

Cd胁迫后，谷子幼根生长受到明显抑制，250μmol·L-1Cd和500 μmol·L-1Cd组的根长分别比对照降低了30.4%和39.8%（图1A）。用500 μmol·L-1SO2衍生物预处理后，Cd对根的生长抑制得到明显缓解，幼苗根长显著大于Cd单独处理组（图1A）。250 μmol·L-1Cd对根干重的影响不明显，而500 μmol·L-1Cd处理组根干重显著降低（图1B）；用SO2衍生物预处理后，500 μmol·L-1Cd组根干重显著大于Cd单独处理组（图1B）。结果表明，Cd对谷子根系生长具有明显毒性，一定剂量的SO2预处理可以缓解Cd对幼根生长的毒性作用。

图1 外源SO2衍生物对镉胁迫下谷子幼苗根长和根干重的影响Figure 1 Effects of SO2derivates on length and dry weight of the roots of millet seedlings under Cd stress

2.2 镉对谷子幼根的氧化胁迫及SO2的缓解作用

图2 外源SO2衍生物对镉胁迫下谷子幼根O-2·产生速率、H2O2和MDA含量的影响Figure 2 Effects of SO2derivates on O-2·generation rate and contents of H2O2and MDA in roots of millet seedlings under Cd stress

2.3 镉对谷子幼根抗氧化酶活性的影响及SO2的缓解作用

Cd处理后，根部POD活性下降，GPX和CAT活性变化不明显，SOD活性上升（图3）。用SO2衍生物预处理后，Cd处理组POD、GPX活性均上升（图3A至图3B）；250 μmol·L-1Cd诱发的SOD活性升高被显著抑制（图3C）；Cd250+S500和Cd500+S500组CAT活性较Cd250和Cd500单独处理组明显下降（图3D）。结果表明，Cd胁迫改变了谷子根细胞中的抗氧化酶活性，影响了细胞的氧化还原代谢过程，外源SO2可增强Cd胁迫下植株根部的POD、GPX活性，有助于清除ROS，缓解Cd造成的氧化胁迫。

2.4 镉对谷子幼根GSH含量和GST活性的影响及SO2的缓解作用

Cd处理组根中GSH含量提高，GST活性升高。用SO2衍生物预处理后，250 μmol·L-1Cd组GSH含量显著增加68.0%，500 μmol·L-1Cd组GST活性显著升高，增幅为21.8%（图4）。结果表明，Cd处理组谷子根部重要抗氧化分子GSH含量和代谢解毒酶GST活性升高，参与对Cd胁迫的应答，施用SO2衍生物能提高250 μmol·L-1Cd组GSH水平，增强500μmol·L-1Cd组GST活性，进而提高植株对不同浓度Cd胁迫的适应能力。

3 讨论

图3 外源SO2衍生物对镉胁迫下谷子幼根POD、GPX、SOD及CAT活性的影响Figure 3 Effects of SO2derivates on activities of POD，GPX，SOD and CAT in roots of millet seedlings under Cd stress

图4 外源SO2衍生物对镉胁迫下谷子幼根GSH含量和GST活性的影响Figure 4 Effects of SO2derivates on GSH content and the activity of GST in roots of millet seedlings under Cd stress

根系是植物的重要组成部分，是植物生长发育、新陈代谢的重要营养器官。根系具有固着和支持植物体的作用，能够吸收土壤中的水分和无机盐并输送到地上部供植株生长发育，还能合成和分泌多种化合物参与植物保护过程。因此，根系的生理状态会直接影响植株的正常生长发育。土壤Cd污染对植物的影响最先发生在根部，根部所在环境污染物浓度高，污染物与根部接触的时间长，致使植物根受害严重，影响植株的生长发育。本文研究Cd对谷子幼根的毒性及SO2衍生物的缓解作用，发现500 μmol·L-1SO2衍生物预处理可缓解Cd对幼根生长的抑制（图1）。

Cd具有很强的毒性，可诱导植物体内ROS大量积累，导致细胞氧化损伤。本研究采用的Cd处理能使谷子幼根中大量产生，H2O2水平升高，膜脂过氧化产物MDA含量提高；外源SO2衍生物在缓解Cd对谷子生长抑制的同时，明显降低了根组织的ROS积累，阻止或减轻了Cd引发的膜脂氧化损伤（图2）。这与王云等[11]、Liang等[12]的研究结果类似，他们也发现外施硫化合物可减轻Cd对小麦、小白菜等作物造成的氧化损伤。

为进一步分析SO2缓解Cd致谷子根系氧化损伤的机制，我们检测了根系中抗氧化系统的变化。研究发现，SO2干预组根系POD和GPX活性提高，SOD和CAT活性下降（图3），主要抗氧化酶活性的改变与Cd浓度有关，但两个SO2干预组的MDA水平显著低于Cd单独处理组（图2C），说明SO2处理能降低根组织氧化胁迫，缓解氧化损伤。POD可催化由H2O2参与的各种还原剂的氧化反应，起到清除H2O2的作用，GPX利用GSH将脂质过氧化物和H2O2还原成相应的醇和H2O，由此SO2干预组POD和GPX升高对降低Cd引发的氧化胁迫起到了重要作用。SOD主要催化O-2·生成H2O2和O2，CAT催化H2O2生成H2O和O2。虽然SO2干预组生成速率降低的原因尚不明确，但SO2干预组SOD活性下降可能与同期酶底物减少（图2）有一定关系，还会导致SOD产物H2O2减少，并可能引发下游H2O2分解酶CAT活性的降低。此外，作为植物细胞中重要的抗氧化酶，SOD和CAT有可能在SO2干预早期发挥作用。Zhu等[13]在研究SO2衍生物缓解小麦铝毒害时发现，短期胁迫下（12～36 h），SO2衍生物能上调SOD、CAT和APX等多种抗氧化酶活性，他们也认为外源SO2通过上调植物体内的抗氧化防御系统来提高植物对铝的耐受性。

抗氧化系统由酶和非酶系统组成，非酶组分包括抗坏血酸、GSH等。研究表明GSH在植物抵抗Cd胁迫的过程中发挥了重要作用[14]。本研究结果显示，SO2衍生物预处理能显著增加250 μmol·L-1Cd处理组抗氧化分子GSH水平，大量积累的GSH一方面可通过氧化还原途径清除ROS（图5），另一方面参与植物螯合肽（PCs）的合成，合成的PCs与Cd2+结合，由细胞质进入液泡，从而降低对细胞的毒害[15]，减少Cd胁迫引发的根系氧化损伤（图5）。GST是植物细胞内重要的解毒酶，能催化GSH与重金属离子结合从而脱毒，还能结合胞内的代谢废物和有害物并将其转运至胞外[16]。本研究结果显示，SO2衍生物预处理能提高500 μmol·L-1Cd处理组的GST活性，GST活性升高可促进GSH与Cd结合，并可加速胞内有害物的排出，从而减轻Cd的毒性，降低Cd对谷子生长的抑制。这也表明SO2干预效应受Cd浓度影响。

图5 SO2缓解谷子根系镉胁迫机理示意图Figure 5 The sketch map of SO2alleviation the toxicity of Cd stress in millet seedlings roots

4 结论

在250、500 μmol·L-1的Cd胁迫下，谷子幼苗根组织中ROS大量积累，膜脂过氧化损伤程度增加，根生长受到抑制。500 μmol·L-1外源SO2衍生物能够通过以下两种方式有效缓解Cd对谷子幼苗根系的毒性：（1）通过上调抗氧化酶系统的POD和GPX活性来清除ROS；（2）通过维持较高的GSH水平和提高GST活性来减少Cd引发的氧化损伤，并增强Cd解毒能力。目前，关于SO2衍生物缓解谷子根系镉毒害的分子机制仍待探究，对于SO2衍生物是否能够减少谷子地上部分的Cd积累，还需进一步明确。

[1]李婧,周艳文,陈森,等.我国土壤镉污染现状、危害及其治理方法综述[J].安徽农学通报,2015,21（24）：104-107.

LI Jing,ZHOU Yan-wen,CHEN Sen,et al.Actualities,damage and management of soil cadmium pollution in China[J].Anhui Agriculture Science Bulletin,2015,21（24）：104-107.

[2]Toppi L S D,Gabbrielli R.Response to cadmium in higher plants[J].Environmental and Experimental Botany,1999,41（2）：105-130.

[3]Li L H,Yi H L.Effect of sulfur dioxide on ROS production,gene expression and antioxidant enzyme activity in Arabidopsis plants[J].Plant Physiology and Biochemistry,2012,58：46-53.

[4]Giraud E,Ivanova A,Gordon C S,et al.Sulphur dioxide evokes a large scale reprogramming of the grape berry transcriptome associated with oxidative signalling and biotic defence responses[J].Plant,Cell and Environment,2012,35（2）：405-417.

[5]刘佳.二氧化硫在谷子和拟南芥干旱胁迫过程中的生理作用[D].太原：山西大学,2015.

LIU Jia.The important roles of SO2in plant response to drought stress in millet and Arabidopsis[D].Taiyuan：Shanxi University,2015.

[6]薛美昭,仪慧兰.SO2诱导拟南芥miR393转录介导植株抗病性增强[EB/OL].北京：中国科技论文在线[2015-05-21].http//www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201505-296.

XUE Mei-zhao,YI Hui-lan.MiR393 mediated disease resistance toBotrytiscinereainArabidopsisexposedtoSO2[EB/OL].Beijing：Scientific Papers Online[2015-05-21].http//www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201505-296.

[7]Shapiro R.Genetic effects of bisulfite[J].Mutation Research,1977,39（2）：149-176.

[8]Anderson M E.Determination of glutathione and glutathione disulfide in biological samples[J].Methods in Enzymology,1985,113：548-555.

[9]Wendel A.Glutathione peroxidase[J].Methods in Enzymology,1981,77：325-333.

[10]Habig W H,Pabst M J,Jakoby W B.Glutathione S-transferases the first enzymatic step in mereapturic acid formation[J].Biological Chemistry,1974,249（22）：7130-7139.

[11]王云,张海军,唐为忠,等.硫对镉胁迫下小麦幼苗生长和一些生理特性的影响[J].农业环境科学学报,2008,27（3）：1029-1032.

WANG Yun,ZHANG Hai-jun,TANG Wei-zhong,et al.Effect of sulfur on plant growth and some physiological characteristics of wheat seedlings under cadmium stress[J].Journal of Agro-Environment Science,2008,7（3）：1029-1032.

[12]Liang T S,Han D,Guo D W.Sulfur decreases cadmium translocation and enhances cadmium tolerance by promoting sulfur assimilation and glutathione metabolism inBrassica chinensisL.[J].Ecotoxicology andEnvironmental Safety,2016,124：129-137.

[13]Zhu D B,Hu K D,Guo X K,et al.Sulfur dioxide enhances endogenous hydrogen sulfide accumulation and alleviates oxidative stress induced by aluminum stress in germinating wheat seeds[J].Oxidative Medicine and Cellular Longevity,2015.http：//dx. doi.org/10.1155/2015/612363.

[14]蔡保松,雷梅,陈同斌,等.植物螯合肽及其在抗重金属胁迫中的作用[J].生态学报,2003,23（10）：2126-2132.

CAI Bao-song,LEI Mei,CHEN Tong-bin,et al.Phytochelatins and their roles in phyto-tolerance to heavy metals：A review[J].Acta Ecologica Sinica,2003,23（10）：2126-2132.

[15]段喜华,唐中华,郭晓瑞.植物谷胱甘肽的生物合成及其生物学功能[J].植物研究,2009,30（1）：98-105.

DUAN Xi-hua,TANG Zhong-hua,GUO Xiao-rui.Biosynthesis and function of glutathione in plant[J].Bulletin of Botanical Reserch,2009, 30（1）：98-105.

[16]Dixon D,Lapthorn A,Edwards R.Plant glutathione transferase[J].Genome Biology,2002,3（3）. doi：10.1186/gb-2002-3-3-reviews3004.

Sulfur dioxide alleviates cadmium toxicity in the roots of foxtail millet seedlings

WANG Ya-li,YI Hui-lan*,HAN Yan-sha
（School of Life Science,Shanxi University,Taiyuan 030006,China）

Sulfur is an essential element for plant growth and responses to environmental stress.We show that exogenous SO2derivates（SO2-3∶HSO-3,3∶1,mmol·L-1/mmol·L-1）alleviated cadmium（Cd）toxicity in foxtail millet（Setaria italica L.）seedlings,mainly focusing on seedling roots.The results show that 250 μmol·L-1and 500 μmol·L-1Cd markedly inhibited root growth,increased the production of reactive oxygen species（ROS）,and caused higher levels of lipid peroxidation product malondialdehyde（MDA）in roots of foxtail millet seedling.Compared to Cd treatment alone,pretreatment with 500 μmol·L-1SO2derivates weakened the inhibitory effects of Cd on root length and dry weight, and decreased the ROS and MDA levels in millet roots under Cd stress.Moreover,the activities of peroxidase（POD）,glutathione peroxidase（GPX）and glutathione S-transferase（GST）as well as glutathione（GSH）contents in SO2pretreatment groups were also significantly higher than those in Cd treatment alone.These results indicate that activities of POD,GPX and GST enzymes,and increase of GSH content induced by SO2pretreatment play important roles in plant adaptation to Cd stress.Our results suggest that SO2could alleviate Cd-induced toxicity through activating antioxidant enzymatic and non-enzymatic components,which could enhance the detoxication capacity in plants.

foxtail millet;sulfur dioxide;cadmium;root;antioxidant system

X503.231

A

1672-2043（2017）03-0443-06

10.11654/jaes.2016-1338

王亚丽，仪慧兰，韩彦莎.SO2对谷子幼苗根系镉胁迫的缓解作用[J].农业环境科学学报,2017,36（3）：443-448.

WANG Ya-li,YI Hui-lan,HAN Yan-sha.Sulfur dioxide alleviates cadmium toxicity in the roots of foxtail millet seedlings[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36（3）：443-448.

2016-10-21

王亚丽（1991—），女，山西长治人，在读硕士，主要从事植物逆境生理研究。E-mail：810670551@qq.com

*通信作者：仪慧兰E-mail：yihl@sxu.edu.cn

国家自然科学基金项目（30870454,30470318,31371868）；高等学校博士学科点专项科研基金项目（20070108007,20121401110007）

Project supported：The National Natural Science Foundation of China（30870454，30470318，31371868）；The Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China（20070108007，20121401110007）