IAA对Cd2+胁迫下拟南芥渗透调节物质及抗氧化特性的影响

常云霞，李姿琳，李芙蓉

(周口师范学院 生命科学与农学学院，河南 周口 466001)

随着工业的发展，重金属污染日益严重．据统计，中国镉污染农田面积高达2.0×105hm2，严重影响着农业生产[1-3]．土壤中的Cd具有较强的移动性，被植物根部吸收后转运到地上部累积，通过食物链进入人和动物体，对人和动物的生长发育产生极大的危害[4]．近年来，如何解决Cd污染土壤的耕种问题已受到广泛关注．研究表明在污染条件下，通过施加外源物质可以缓解或抑制 Cd对植物的毒害作用[3]．拟南芥作为模式植物，具有生长周期短等优点，这为研究植物生命活动提供了有利条件[5]．因此，明确Cd对拟南芥生长的影响及探讨缓解Cd胁迫的途径具有重要意义．

吲哚乙酸(IAA)是生长素类植物生长物质，影响细胞分裂、伸长和分化，也影响植物的生长、成熟和衰老[6]．近年来，发现IAA与植物的抗重金属性有密切联系，可以提高Cd2+胁迫下拟南芥幼苗的根长以及油菜的株高[7]，促进紫花苜蓿、滇苦菜和东南景天对铅的吸收作用[8-10]，促进大叶井口边草对砷的吸收作用[11]，降低铝对紫花苜蓿的毒害作用[12]．目前，关于采用外施IAA缓解Cd2+胁迫对拟南芥幼苗毒害作用的研究报道却较少，因此本实验以模式植物拟南芥为材料，选择1 μmol·L-1IAA预处理研究其对拟南芥植株镉胁迫生理的影响，从渗透调节物质含量和抗氧化酶活性等几个方面分析IAA缓解拟南芥植株镉胁迫生理的潜在机制．

1 材料与方法

1.1 材料

本实验供试材料为哥伦比亚野生型拟南芥(Col-0)，由周口师范学院植物遗传与分子育种实验室提供．采用基质培养的方式，培养容器为70 mm× 70 mm× 70 mm的塑料盒，培养溶液为MS大量营养液．

1.2 实验方法

拟南芥播种在超净工作台内进行，所用器皿及试剂均已灭菌．拟南芥种子先用75%乙醇表面消毒1 min，再用2.5%次氯酸钠溶液消毒8 min，无菌水重洗3～5次，用移液器将种子均匀播种在装有MS培养基的培养皿内，每皿约100～200粒种子．4 ℃培养箱内春化2～3 d后转移到25 ℃光照培养箱内培养，等幼苗长至2叶1芯时选择长势一致的将其移栽到装有营养土和蛭石的塑料盒中进行培养，每盒4棵，每托盘12盒．每天上午8时给幼苗浇灌MS大量营养液，每棵约5 mL，并在托盘底部补充蒸馏水．培养15 d后开始实施胁迫处理．

前期预实验结果表明1 μmol·L-1IAA具有缓解Cd2+毒害作用，故本实验将幼苗分为四个处理组，第一组为对照(CK)，处理液为MS大量营养液；第二组为IAA，处理液为1 μmol·L-1IAA+MS大量营养液；第三组为CdCl2，处理液为100 mg·L-1CdCl2+MS大量营养液；第四组为IAA+CdCl2，处理液为1 μmol·L-1IAA+100 mg·L-1CdCl2+MS大量营养液．胁迫6、8、10 d 后，收获植株测定相关指标．

1.3 测定指标与方法

取拟南芥叶片，可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250法测定[13]，可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定[14]，脯氨酸含量采用酸性茚三酮法测定[13]，丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法测定[13]，SOD活性采用氮蓝四唑法测定[13]，POD活性采用愈刨木酚法测定[14]，CAT的活性采用紫外吸收法测定[13]．

1.4 数据统计与分析

每种处理组3次重复，采用 Microsoft Office Excel 2013处理数据、图表，用SPSS 16.0对不同处理间的数据进行One-Way ANOVA分析，采用Duncan test．差异显著水平设置为α= 0.05．

2 结果与分析

2.1 IAA对镉胁迫期间拟南芥叶片内渗透调节物质含量的影响

2.1.1 对Pro含量的影响

注：图柱上小写字母表示处理间在0.05水平上的差异显著性，下图同

脯氨酸(Pro)是重要的渗透调节物质，其含量增加可能是植物对重金属的耐受机制之一[15-16].如图1所示，镉胁迫期间，对照组和IAA 处理组拟南芥叶片内Pro含量无明显差异；Cd2+胁迫处理组Pro含量则显著高于对照组(p<0.05)，并随Cd2+胁迫时间延长而升高，与胁迫第6 d相比Pro含量增加了21.12%与51.86%；与Cd2+胁迫组相比，IAA+Cd2+处理组拟南芥叶片内脯氨酸含量又显著增加(p<0.05)，增幅为18.01%～28.15%，说明外施IAA能显著提高拟南芥叶片内的Pro含量，缓解Cd2+胁迫对拟南芥的伤害作用．

2.1.2 对可溶性蛋白含量的影响

图2 IAA对镉胁迫期间拟南芥叶片内可溶性蛋白含量的影响

如图2所示，Cd2+胁迫处理组可溶性蛋白含量显著高于对照组(p<0.05)，并随Cd2+胁迫时间延长而升高；IAA+Cd2+处理组拟南芥可溶性蛋白含量与Cd2+胁迫组相比增加了 24.8%～19.2%(p<0.05)．说明IAA处理能有效提高拟南芥体内的可溶性蛋白含量，并通过蛋白与重金属镉的螫合来降低体内的镉含量，从而达到减少重金属镉胁迫造成的损伤[17-18]．

2.1.3 对可溶性糖含量的影响

图3 IAA对镉胁迫期间拟南芥叶片内可溶性糖含量的影响

可溶性糖是植物体内主要渗透调节剂，对细胞膜和原生质胶体有稳定作用，在重金属胁迫下，植物可以通过在体内积累可溶性糖的方式来降低水势，以适应外界环境的变化[19]．如图3所示，Cd2+胁迫后可溶性糖含量显著高于对照(p<0.05)，并随Cd2+胁迫时间延长而增加； IAA+Cd2+处理组拟南芥可溶性糖含量与Cd2+胁迫组相比显著增加了3.3%～11.6%．说明 IAA处理能促使拟南芥植株积累较多的游离脯氨酸、可溶性蛋白及可溶性糖，从而缓解镉胁迫造成的毒害作用．

2.2 IAA对镉胁迫期间拟南芥叶片内MDA含量的影响

图4 IAA对镉胁迫期间拟南芥叶片内MDA含量的影响

生物体内的氧自由基会攻击生物膜上的不饱和脂肪酸，引起脂质过氧化，MDA是脂质过氧化产物之一，可以反映细胞受自由基损伤的程度，常用于衡量重金属的毒性[20]．如图4所示，Cd2+胁迫后拟南芥叶片内MDA含量显著高于对照(p<0.05)，并随Cd2+胁迫时间延长而增加； IAA+Cd2+处理组拟南芥MDA含量与Cd2+胁迫组相比显著降低了7.1%～12.39%．说明 IAA预处理能缓解镉胁迫下拟南芥脂质过氧化作用，从而降低镉的伤害．

2.3 IAA对镉胁迫期间拟南芥叶片内抗氧化酶活性的影响

2.3.1 对SOD活性的影响

图5 IAA对镉胁迫期间拟南芥叶片内SOD活性的影响

SOD是植物内重要的保护酶，能有效清除活性氧自由基(ROS)．如图5所示，Cd2+胁迫处理后拟南芥叶片内SOD活性显著低于对照组(p<0.05)，但随Cd2+胁迫时间延长而有所增加；IAA+Cd2+处理组拟南芥SOD活性与Cd2+胁迫组相比增加了10%～4.35%．说明 IAA预处理能增加SOD活性，从而有效清除拟南芥体内ROS，减少对细胞的伤害．

2.3.2 对POD活性的影响

POD酶是植物体内重要的一类过氧化物酶，其活性高低与呼吸作用、光合作用及生长素的氧化等密切相关[21]．如图6所示，Cd2+胁迫处理组POD活性与对照组相比显著下降(p<0.05)，但随Cd2+胁迫时间延长而又显著增加；IAA+Cd2+处理组拟南芥POD活性与Cd2+胁迫组相比增加了9.3%～7.04%．表明外源IAA可有效增加叶片内POD活性，降低镉毒害作用．

图6 IAA对镉胁迫期间拟南芥叶片内POD活性的影响

2.3.3 对CAT活性的影响

CAT是植物抵御多种逆境胁迫的重要酶类，与SOD相互协调消除超氧阴离子，防止细胞膜系统发生过氧化，从而增强植物抗逆能力[22]．如图7所示，Cd2+胁迫处理后CAT活性显著低于对照(p<0.05)，但随Cd2+胁迫时间延长则显著增加；IAA+Cd2+处理组拟南芥CAT活性与Cd2+胁迫组相比增加了20.97%～24.6%．由此可以推测出，外施IAA可有效使拟南芥通过表达 CAT缓解镉的毒害效应．

图7 IAA对镉胁迫期间拟南芥叶片内CAT活性的影响

3 讨论

3.1 IAA对镉胁迫期间拟南芥叶片内渗透调节物质含量的影响

Pro、可溶性糖及可溶性蛋白是植物体内重要的渗透调节剂，具有保护蛋白质、细胞膜等结构的完整性以及清除ROS等功能，在保护植物细胞免受镉胁迫伤害中起到非常重要的作用[23-24]．本实验中随着Cd2+胁迫时间延长，拟南芥体内渗透调节物质含量显著增加；外施1 μmol·L-1IAA后，显著增强了游离Pro、可溶性糖及可溶性蛋白的含量，可能是与外源IAA能有效缓解Cd2+胁迫对拟南芥幼苗叶片的非气孔限制因素，提高叶片的光合能力，促进光合产物的合成和积累有关[4]．说明适宜浓度的IAA处理可有效减轻重金属Cd2+胁迫的毒害．

3.2 IAA对镉胁迫期间拟南芥叶片内抗氧化酶活性的影响

镉具有很强的毒性，较其他重金属更容易为农作物、蔬菜、稻米所吸收，对生物有机体产生较大的毒性．Cd离子进入植物体后会诱导植物体内产生大量的ROS，引起ROS代谢失衡，导致膜脂过氧化，使植物体内的抗氧化酶系统遭受不同程度的损害，进而引发蛋白质和核酸等生物大分子变性，最终导致细胞凋亡[25]．当植物受到外界非正常的生存环境时，其本身为了防御大量的ROS的伤害，自身会形成一整套完善的抵御体系[26]．植物可以通过体内的SOD、POD、CAT等抗氧化酶系统清除自由基，以应对外界的逆境胁迫，在形成应答的过程中，这些酶的活性会因胁迫和处理时间的不同而不同．本试验中，SOD、POD、CAT活性的变化趋势基本一致，SOD是植物体内清除ROS的第一道防线，将·O2-转化成O2和H2O2，进而阻断·O2-对细胞造成的伤害，POD和CAT的主要作用是清除植物体内的H2O2[27]．Cd2+胁迫下外施IAA后拟南芥幼苗叶片中SOD、POD、CAT活性都明显上升，说明拟南芥幼苗通过产生大量的抗氧化酶来抵抗逆境，使机体产生应答反应，顺利度过不良环境．而0.1 μmg/L IAA处理可以明显增强SOD、POD、CAT活性，缓解Cd2+对拟南芥幼苗的危害，可以增强植物的抗氧化酶系统能力．