外源NO对棉花幼苗重度镉胁迫的缓解效应

张茜，郭婧，吕思洁，康西璐，顾文哲，李存东，刘连涛*

(1.河北农业大学农学院/河北省作物生长调控实验室，河北保定071001;2.洛阳师范学院，河南洛阳471934)

外源NO对棉花幼苗重度镉胁迫的缓解效应

张茜1，郭婧1，吕思洁2，康西璐1，顾文哲1，李存东1，刘连涛1*

(1.河北农业大学农学院/河北省作物生长调控实验室，河北保定071001;2.洛阳师范学院，河南洛阳471934)

为探讨外源一氧化氮(NO)对棉花幼苗重度镉(Cd)胁迫的缓解效应，以农大棉601号为试验材料，采用水培方法，研究了不同浓度(50、100、200 μmol/L)硝普钠(SNP，NO供体)对重度Cd胁迫(75 μmol/L)下棉花幼苗生长的影响。结果表明，Cd处理下棉苗株高、叶面积较CK(不添加CdCl2和SNP)显著下降40.9%、31.9%，干物质积累量、组织含水量仅为CK的34.3%、33.2%，光合速率显著下降。重度Cd胁迫下添加低浓度外源NO(50、100 μmol/L)，棉花幼苗株高、叶面积较T0处理(75 μmol/L CdCl2)稍有增加(P＞0.05)，叶绿素含量比T0处理(75 μmol/L CdCl2)分别增加4.5%、15.5%(P＞0.05)，光合速率分别增加36.6%、27.9%(P＞0.05)，其他指标均无显著增加;而添加高浓度NO(200 μmol/L)下棉苗干物质积累量、根冠比、组织含水量、叶绿素含量均低于T0处理。因此认为，外源NO对重度Cd胁迫下棉苗生长的缓解效果不显著。

棉花;镉胁迫;一氧化氮;形态特征;光合特性

近年来，镉(Cd)已经成为农田主要的重金属污染物，对我国农业经济和人类健康产生影响。Cd是植物非必需金属离子，其进入植物体后，与细胞内的酶活性中心或蛋白巯基结合，取代Ca2+、Mg2+、Fe2+等必需金属离子，同时释放大量自由离子，引起氧化胁迫，加重膜脂过氧化程度，导致膜结构损伤［1］。棉花的主要经济产物为纤维，由于棉花纤维中Cd累积量低，而其他器官具有吸收和转运Cd的能力，因此，棉花是Cd污染土壤的修复作物［2］。但土壤中Cd含量过高时则影响棉花幼苗根系生长，阻碍水分和养分的吸收。因此，探寻缓解棉苗Cd胁迫的方法，对提高棉花对Cd污染土壤的修复效果具有重要意义。

一氧化氮(NO)作为一种信号分子，具有调节植物种子萌发、气孔运动、侧根发育以及延缓衰老等作用。适当浓度的NO可提高植株的抗逆性［3］，其主要是有利于碳氮代谢正常运转，提高棉花幼苗的抗氧化酶活性，降低过氧化氢(H2O2)和丙二醛(MDA)的积累，增强PSⅡ反应中心的结构和功能［4-6］。外源NO主要是通过提高叶片的叶绿素、脯氨酸和可溶性蛋白含量缓解植株氮素胁迫［7-8］。陈秀兰等［9］开展了外源NO对水稻Cd胁迫的缓解效应研究，结果表明，外源NO可提高Cd胁迫下水稻种子的发芽指数和活力指数，增加幼苗的根长、芽长、根和芽鲜质量，增强保护酶活性并降低MDA含量。前人开展了外源NO对番茄［10］和黄瓜［11］Cd胁迫的缓解效应研究，认为外源NO可显著增强植株抗氧化酶活性，维持矿质营养元素的平衡和光合效率，提高叶绿素和脯氨酸含量，增加生长量，最终促进Cd胁迫下植株的生长。目前，NO缓解植物Cd胁迫的研究主要是针对低Cd胁迫，而针对重度Cd胁迫［12］的研究鲜见报道。鉴于此，开展了外源NO缓解棉花幼苗重度Cd胁迫的效应试验，以期为Cd污染防治提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料培养与处理

供试棉花品种为农大棉601号。选用饱满的种子，经75%乙醇消毒15 min后，用蒸馏水冲洗干净，经温水浸泡1 h后，放置于25℃培养箱中催芽。待种子萌发露白后，转移至人工气候室进行培养钵育苗，采用蛭石作为培养基质，昼夜温度为25℃/20℃，相对湿度为60%，光强为600 μmol/(m2·s)。待植株生长至2片真叶时，移至装有1/2Hoagland’s营养液的水培钵中，5 d后更换为全Hoagland’s营养液。当植株生长至3～4片真叶时开始试验处理，采用硝普钠(saodium nitro prusside，SNP)为NO供体，Cd和NO处理分别为在Hoagland’s营养液中添加一定浓度的CdCl2和SNP，试验共设5个处理，分别为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)。处理开始后每2 d更换1次营养液，同时随机调整培养钵的位置。当植株生长至5～6片真叶时，进行植株形态和生理参数测定。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 形态指标各处理随机选取5株幼苗测定植株地上部和根部的干质量、鲜质量、株高、叶面积，计算植株的根冠比和组织含水量。

1.2.2 生理指标选取倒4或倒3功能叶片进行光合特性测定。光合速率(Pn)采用Li－6400光合测定系统(美国Li－Cor公司)进行测定。叶绿素含量采用紫外分光光度计法测定:剪取中上部功能叶片0.1 g，加入10 mL无水乙醇，避光处理24 h后，使用岛津2450型分光光度计测定［13］。

1.3 数据分析

数据采用Excel 2016进行整理，采用SPSS 21.0软件进行统计分析，采用Duncan’s新复极差法进行差异显著性检测，显著性水平为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 外源NO对Cd胁迫下棉花幼苗株高和单株叶面积的影响

由图1和图2可知，75 μmol/L Cd处理下，棉花幼苗的株高和叶面积显著低于CK，分别下降40.9%和31.9%。添加SNP后，随SNP浓度的增加，植株的株高和叶面积呈现先增加后降低的趋势，T1和T2处理较T0处理略有增加，但处理间差异不显著。表明外源NO对重度Cd胁迫下棉苗的株高和叶面积生长的缓解效应不明显。

图1 不同处理棉花幼苗的株高

图2 不同处理棉花幼苗的叶面积

2.2 外源NO对Cd胁迫下棉花幼苗干物质积累量和根冠比的影响

由图3可知，在75 μmol/L Cd处理下，棉花幼苗的干物质积累量显著下降，T0处理的干物质积累量仅为CK的34.3%。补充不同浓度的SNP后，Cd处理棉苗的干物质积累量无显著变化。根冠比反映根系与地上部之间干物质积累的关系。由图4可知，培养液中加入Cd后，植株的根冠比增加，地上部生长受到抑制。随着SNP浓度的增加，棉花幼苗根冠比呈先上升后下降的趋势，100 μmol/L SNP处理幼苗根冠比达到最大值，高浓度(200 μmol/L) SNP处理幼苗根冠比降低。50、100 μmol/L SNP处理下，棉花幼苗的根冠比分别比CK高出28.3% (P＞0.05)、44.0%(P＜0.05)。

图3 不同处理棉花幼苗的干物质积累量

图4 不同处理棉花幼苗的根冠比

2.3 外源NO对Cd胁迫下棉花幼苗组织含水量的影响

组织含水量反映植株体内的水分状况和叶片的生理活性。由图5可知，Cd处理棉花幼苗的组织含水量显著低于CK，仅为CK的33.2%。添加SNP后，随SNP处理浓度增加，植株的组织含水量呈下降趋势，但是处理间差异不显著。

图5 不同处理棉花幼苗的组织含水量

2.4 外源NO对Cd胁迫下棉花幼苗叶绿素含量的影响

由图6可知，与CK相比，Cd处理下棉花幼苗叶片的叶绿素含量无显著变化。培养液中添加SNP后表现为，低浓度(50、100 μmol/L)SNP处理组的叶绿素含量分别较T0处理增加4.5%、15.5%;而高浓度(200 μmol/L)SNP处理则较T2处理显著降低叶绿素含量。表明本试验条件下，Cd胁迫没有降低叶片叶绿素含量，低浓度SNP可以提高Cd处理下功能叶的叶绿素含量，但是高浓度SNP起抑制作用，降低叶绿素含量。

图6 不同处理棉花幼苗的叶绿素含量

2.5 外源NO对Cd胁迫下棉花幼苗光合速率的影响

由图7可知，Cd处理植株叶片光合速率显著低于CK。添加SNP后，随着SNP浓度的增加，光合速率先增加后下降。Cd胁迫下50、100、200 μmol/L SNP处理比T0处理分别增加36.6%、27.9%、13.8%。表明低浓度SNP能增加Cd胁迫下棉花幼苗的净光合速率，但缓解效应相对较弱。

图7 不同处理棉花幼苗的光合速率

3 结论与讨论

高浓度Cd对棉花根系生长产生毒害作用，Cd对植株根系生长的抑制影响了棉苗地上部的生长发育［14-15］。前人研究表明，Cd处理浓度超过50 μmol/L时，植株生长达到重度胁迫状态［12］。本研究中将Cd处理浓度设为75 μmol/L，棉苗生长发育受到阻碍，株高、叶面积、植株含水量、光合特性、干物质积累量均显著降低，地上部发育受到明显抑制，根冠比增加，这与前人研究结果［12］相似。

蔡海林等［16］研究表明，重金属胁迫下植物体内NO含量快速增加，代谢增强，外源施用NO对重金属毒害下的植物有保护作用，但是高浓度NO会对植物产生毒害。本研究结果显示，75 μmol/L Cd胁迫下，补充低浓度外源NO(50、100 μmol/L SNP)可提高棉花幼苗的株高、叶面积，但未达到显著水平，而对干物质积累量和组织含水量的影响不大;补充高浓度外源NO(200 μmol/L SNP)则加重Cd胁迫效应。低浓度NO对重度Cd胁迫下棉花幼苗功能叶片的叶绿素含量和光合速率的降低具有一定的缓解效应，表现为叶绿素含量和光合速率提高，而高浓度NO下棉花幼苗的光合速率下降至接近T0处理，这与陈静等［7］的研究结果相似。叶绿素含量的增加与光合速率的提高促进了幼苗伸长生长，增加了干物质的生成和累积。叶绿素含量增加可能是由于组织含水量降低，提高了叶片叶绿素浓度而表现出来的结果。高浓度NO对棉苗干物质积累量、根冠比、组织含水量、叶绿素含量的抑制效应，可能是由于高浓度的NO引起了细胞膜损伤，诱导DNA断裂，使部分抗氧化酶活性受到抑制，进而引起ROS积累的结果［17］。本研究认为，NO作为植物信号分子，浓度过高或过低都不能使信号物质起作用，只有适宜的浓度才能起到最佳的生物学效应。

重度(75 μmol/L)Cd胁迫下，棉花幼苗的光合作用受到抑制，添加低浓度(50、100 μmol/L SNP)外源NO对Cd胁迫效应具有缓解作用，但未表现出显著效果;高浓度(200 μmol/L SNP)外源NO则加重了Cd胁迫效应。本研究认为，外源NO对棉苗重度(75 μmol/L)Cd胁迫的缓解效果不显著。

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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

国家自然科学基金项目(31301270);河北省自然科学基金项目(C2016204088)

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

*通讯作者:刘连涛(1980－)，男，河北清河人，副研究员，博士，主要从事棉花栽培生理研究工作。E－mail:liultday@126.com