外施脱落酸对镉胁迫下青萍生理特性的影响

游丽娟， 阮成旭， 袁重桂， 高俊晖， 丘英栋

(福州大学生物科学与工程学院， 福建 福州 350108)

0 引言

镉是植物非必需及有毒的元素， 并在环境中普遍存在. 随着工农业的发展， 大量农药、 除草剂、 肥料施用于农地， 使得水体重金属污染程度愈发严重. 水体中过量的镉元素， 不仅能在植物体内残留， 而且还会对植物产生一系列的毒害作用， 造成生物量和体内物质代谢紊乱. 当水体中重金属含量超标时， 不仅危及到水体中各种生物， 包括植物、 藻类、 微生物甚至是鱼类， 受镉污染的动植物农产品可通过食物链进入到人体从而危及人类健康[1].

植物激素是植物体内合成的对植物生长发育和生理生化有着重要影响的微量有机质， 能促进细胞分裂、 生长以及新器官的分化和形成， 对植物的生长发育和生理生化有重要影响. 甚至能减轻逆境条件下自由基活性氧对植物的伤害， 增强植物对严寒、 干旱、 高温、 过量重金属等非生物胁迫的适应性， 主要有生长素、 赤霉素、 细胞分裂素、 乙烯和脱落酸等5大类. 脱落酸(abscisic acid, ABA)是一种重要的信号传导物质， 在植物抵御干旱、 盐害、 水涝、 冷害、 病害等方面起着重要的作用， 被称为“逆境激素”. ABA 可促进气孔关闭、 诱导抗性蛋白的合成、 调控基因和蛋白质的表达[2].

外施ABA能够提高小麦幼苗对镉的耐性， 提高小麦幼苗的根系活力， 增加其叶片超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、 过氧化氢酶(catalase, CAT) 和过氧化物酶(peroxidase, POD) 活性， 促进其脯氨酸积累， 降低丙二醛 (malondialdehyde, MDA) 的含量[3]. 而且外源ABA也能够提高大麦幼苗对镉的耐性， 并能明显降低不结球白菜和水稻[4]幼苗地上部分的镉含量. 因此， ABA可以提高植物对镉胁迫的耐性， 并缓解镉的毒害作用.

青萍(LemnaminorL.)， 别名为浮萍， 是一种水生维管束植物， 生于沼池、 湖泊或静水中， 分布广泛， 遍及全球温暖的地区. 青萍具有繁殖快、 产量高、 个体小、 直接浮于水面、 易从污染水体快速富集重金属等优点[5]， 经常被用于水体生物监测和植物修复, 是植物修复技术的理想材料. 而且青萍的淀粉含量也很高， 可用于生物发酵生产生物燃料乙醇[6]. 通过对文献的考量， 外施ABA缓解植物镉胁迫的机制研究大部分集中于陆生植物， 如水稻、 繁缕、 大麦等， 对水生漂浮植物报道较少. 本研究以青萍为材料， 探讨外施ABA对镉污染下青萍的生长及生理生化指标的影响， 为青萍尝试作为重金属镉的富集植物， 从而应用于镉污染水体的修复及缓解重金属对植物的毒害作用提供基础理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2017年12月至2018年1月在福州大学应用生态学实验室进行. 试验用青萍采自生态学实验室， 未经重金属污染， 采回后以自来水、 蒸馏水、 去离子水各冲洗数遍. 在实验室自然光照、 温度为(20±2)℃下先用去离子水培养3 d， 再用Hoagland营养液[7]驯化培养3 d. 于实验前取外形完好、 颜色一致、 形状和大小都相近的青萍进行试验.

1.2 试验方法

表1 处理方案

将选取的青萍移至生态学实验室内， 在可控温条件(昼/夜(22/19±1)℃)下进行外源物质ABA及镉胁迫处理. 试验共设7个处理， 分别为: CK空白组， 培养于培养液中； Cd、 A1、 A2、 A3、 A4、 A5处理组， 具体处理方案如表1所示. ABA处理为镉胁迫第二天进行且采用傍晚叶面喷施的方式， 每次均喷施10 mL， 对照组和空白组均喷施蒸馏水. 每个处理设置3个平行， 每盆营养液500 mL， 青萍投放量为2.00 g， 均置于直径为15 cm的聚乙烯盆中培养. 每次喷施以叶片均匀附着一层小水滴为准， 各处理的光照条件一致， 均为温室自然光照. 连续处理5 d后收取全部青萍， 测定相关指标， 各生长指标及生理指标测定重复3 次.

1.3 测定项目

1) 鲜重的测定. 处理5 d后， 收取全部青萍， 先用自来水冲洗， 再用蒸馏水冲洗3遍， 沥干水分， 平铺在吸水纸上， 吸水5 min后电子天平称重.

2) 质量相对增加率和特定生长率的计算. 质量相对增加率的计算公式为

特定生长率的计算公式为

式中： WGR和SGR分别为质量相对增加率(%)和特定生长率(%·d-1)；m1为初始平均质量(g)；m2为终末平均质量(g)；t2-t1为试验天数(d).

3) 光合色素含量的测定. 采用95%乙醇提取法[8]， 利用分光光度计在波长665、 649、 470 nm下测量其消光度.

4) 渗透调节物质和膜脂过氧化的测定. 可溶性糖含量的测定采用蒽酮硫酸比色法； 脯氨酸含量的测定采用磺基水杨酸比色法, 具体参照文献[9]. 可溶性蛋白含量的测定采用Bradford法[10]. 膜脂过氧化以MDA为指标， 测定方法采用硫代巴比妥酸显色法[11].

5) 抗氧化酶活性的测定. SOD和CAT活性的测定均采用苏州科铭生物技术有限公司试剂盒， 货号分别为SOD-2-Y和CAT-2-Y. POD活性的测定采用愈创木酚法[12].

1.4 数据处理.

采用Excel 2007计算实验数据并作图， SPSS Statistics 22软件对各组数据进行单因素方差分析(One-way ANOVA)及Duncan多重比较分析， 差异显著水平设置为P<0.05.

2 结果与分析

2.1 不同质量浓度ABA对镉胁迫下青萍生长指标的影响

不同质量浓度ABA对镉胁迫下青萍的生长影响结果见表2. 与CK相比， 镉能显著抑制青萍的生长， 鲜重、 质量相对增加率、 特定生长率分别显著减少了12.46%、 38.36%、 33.55%(P<0.05). 喷施ABA后， 以上生长指标均显著增加(P<0.05), 随ABA质量浓度的增加呈先上升后下降的趋势， 且在A3处理下达到最大值， 较镉胁迫最大分别增加了5.38%、 23.90%、 20.84%. 由此说明在一定ABA质量浓度下， 可以缓解青萍在镉胁迫下的生长状况， 且ABA的质量浓度对青萍生长存在“低促高抑”的现象.

表2 不同质量浓度ABA对镉胁迫下青萍鲜重、 质量相对增加率、 特定生长速率的影响

注： 表中数据均为平均值±标准差； 同列数据后不同小写字母表示不同处理之间存在显著差异(n=3)， 下同

2.2 不同质量浓度ABA对镉胁迫下青萍光合色素含量的影响

不同质量浓度ABA对镉胁迫下青萍光合色素含量的影响见表3. 由表3可知， 镉处理可能抑制了青萍色素的合成， 也可能加速了其分解， 使得青萍的叶绿素a、 叶绿素b、 叶绿素(a+b)和类胡萝卜素含量显著下降(P<0.05)， 进而影响光合作用的顺利进行. 与CK相比， 镉胁迫下青萍的叶绿素a、 叶绿素b、 叶绿素(a+b)和类胡萝卜素含量分别显著减少了33.84%、 25.00%、 32.94%和25.00%(P<0.05). 施加ABA后， 且随ABA喷施质量浓度的增加， 青萍的叶绿素a、 叶绿素b、 叶绿素(a+b)和类胡萝卜素含量呈先上升后下降的趋势. 叶绿素a、 叶绿素b、 叶绿素(a+b)和类胡萝卜素含量在A3处理下达到最大值， 比镉胁迫分别提高了18.60%、 13.33%、 10.53%和41.67%. 由此可知， 外施ABA可提高光合色素含量来缓解镉胁迫下青萍的光合作用， 且ABA的质量浓度对色素含量影响存在“低促高抑”的现象， 这与ABA对镉胁迫下青萍的生长影响变化一致.

表3 不同质量浓度ABA对镉胁迫下青萍色素含量的影响

2.3 不同质量浓度ABA对镉胁迫下青萍渗透调节物质的影响

不同质量浓度ABA对镉胁迫下青萍渗透调节物质的影响见表4. 表4表明， 镉胁迫下青萍的可溶性蛋白含量有所上升， 相比CK组显著提高了0.65%(P<0.05). 施加外源ABA后， 各处理的蛋白含量呈现先上升后下降的趋势， 但变化较为平缓， 说明ABA能促进镉胁迫下青萍可溶性蛋白的表达(或减缓其分解). ABA各处理条件下青萍可溶性糖和脯氨酸含量均高于对照组， 镉胁迫下青萍的可溶性糖含量急剧增加， 与CK相比， 显著提高了64.74%(P<0.05)； 随着外源ABA质量浓度的升高， 各处理可溶性糖含量呈现先上升后下降的趋势， 在A4处理下达到最大值， 相比Cd 组增加了11.50%. 镉胁迫下青萍的脯氨酸含量略微增加， 与CK组相比， 增加率为8.11%； 施加ABA后， 各处理组脯氨酸含量先增加后下降， 与生长指标、 光合色素含量、 可溶性蛋白和可溶性糖含量变化趋势类似， 其中A3处理下脯氨酸含量达到最大值， 相比镉胁迫下增加了10.00%. 表明镉胁迫可以诱导青萍渗透调节物质含量上升， 施加一定质量浓度ABA后会进一步提高其含量， 且可以回到甚至超出CK水平， 而质量浓度过高则会减少其含量， 同样表现出“低促高抑”的现象.

表4 不同质量浓度ABA对镉胁迫下青萍渗透调节物质含量的影响

2.4 不同质量浓度ABA对镉胁迫下青萍抗氧化酶活性和MDA含量的影响

不同质量浓度ABA对镉胁迫下青萍抗氧化酶活性和MDA含量的影响如图1所示. 与CK相比， Cd显著抑制了SOD活性， 显著降低了14.53%(P<0.05)； 外施ABA后， SOD活性随着ABA质量浓度的升高先上升后下降， 且各处理下SOD活性仍显著高于Cd组(P<0.05)， 在A1～A3处理下均超出CK水平， 最大可提高33.06%. 镉胁迫下青萍的POD和CAT活性均显著高于CK(P<0.05)， 分别提高了31.04%和5.06%， 施加外源ABA后， 随着质量浓度的增加， CAT活性先上升后下降， 在A3处理下， CAT活性达到峰值且显著超出CK水平(P<0.05), 与CK和Cd组相比， 分别提高了16.88%和11.25%. 而POD却有所不同， 随ABA质量浓度的增大， 其活性先下降后上升， 外源ABA虽然降低了青萍POD活性， 但各处理仍高于CK处理. 镉胁迫下青萍的MDA含量显著增加了12.33%(P<0.05)； 施加ABA后， 随着ABA质量浓度的增大， MDA含量呈现先下降后上升的趋势， 在A5处理下达到最大， A3处理下达到最小， 且显著低于Cd组(P<0.05)， 说明高质量浓度的ABA很可能加剧了镉对青萍的毒害作用， 而低质量浓度ABA可以抑制MDA含量的增加从而对青萍的膜脂过氧化反应起到一定缓解作用.

注：同图不同小写字母表示不同处理之间存在显著差异(n=3)图1 不同质量浓度ABA对镉胁迫下青萍抗氧化酶活性及MDA含量的影响Fig.1 Effects of different mass concentrations ABA on autioxidant enzyme activities and MDA content of Lemna minor under Cd stress

3 讨论

3.1 不同质量浓度ABA对镉胁迫下青萍生长指标的影响

已有研究表明， 外源ABA可以诱导植物非生物胁迫耐受性， 能改善镉胁迫下植物的生长、 光合作用、 抗氧化酶活性等， 从而在一定程度上缓解镉的毒害作用， 促进植物生长. 重金属胁迫下植物体最先表现出的一个重要特征就是生物量减小， 植物受到镉毒害后， 特别是根部受到毒害时， 会严重影响到根部水分和矿质元素的吸收， 从而影响整个植物的生长， 导致生物量下降[13]. 在本试验中， 当培养液中存在CdCl2时， 青萍的鲜重、 质量相对增加率和特定生长率显著下降(P<0.05)； 外施ABA后， 青萍的鲜重、 质量相对增加率和特定生长率得到显著提高(P<0.05)， 说明外施一定质量浓度的ABA可以缓解镉对青萍生长的毒害作用， 这与孙仲秧[14]研究的外源脱落酸缓解水稻镉毒害的生理机制结论相同.

3.2 不同质量浓度ABA对镉胁迫下青萍光合色素含量的影响

镉会降低植物的光合色素含量从而影响植物的光合作用， 其机理主要是因为镉会影响植物的水分吸收从而影响植物的水分平衡， 在一定程度上会抑制叶绿素生物合成的关键性酶的活性， 使叶绿体光合膜蛋白中心离子发生改变， 导致叶绿素含量降低， 破坏光合器官及色素继而破坏光合作用过程， 如类囊体膜上的电子传递链， 碳循环和气孔运动， 从而导致光合效率下降， 影响植物正常生长. 本研究结果表明， 在镉的胁迫下， 青萍的叶绿素a、 叶绿素b、 叶绿素(a+b)、 类胡萝卜素均显著下降， 分别减少了33.84%、 25.00%、 32.94%和25.00%(P<0.05)， 在很大程度上显著抑制了光合作用效率. 在镉胁迫下外施ABA后， 各处理的光合色素含量随着ABA质量浓度的增大均有提高， 尤其是类胡萝卜素， 在A3处理下， 含量已超过CK水平， 相比镉提高41.67%， 由此说明外源ABA可促进光合色素的合成(或减缓其分解)， 从而促进光合作用， 提高光合作用效率. 谭华强等[15]在外施ABA对镉胁迫下莴苣的研究中发现， 与Cd组相比， ABA处理可使生菜的叶绿素a、 叶绿素b、 类胡萝卜素、 叶绿素总含量均有所提高， 这与本试验研究结果一致. ABA对镉胁迫下的缓解作用主要归结于ABA受体之ChlH/ABAR， ChlH/ABAR是位于植物细胞质体/叶绿体中的镁离子螯合酶H 亚基， 它能催化细胞叶绿素的合成， 从而控制叶片的光合作用和植物生长.

3.3 不同质量浓度ABA对镉胁迫下青萍渗透调节物质的影响

当重金属离子进入植物组织时， 植物会通过增加可溶性蛋白、 可溶性糖及脯氨酸等渗透调节物质含量来维持体内的水分平衡, 维持压力势基本不变以保证植物体内生理生化过程的正常进行, 从而提高对重金属胁迫的抗性. 本研究中， 镉胁迫导致青萍的可溶性蛋白、 可溶性糖和脯氨酸含量增加； 外施ABA后， 各处理的可溶性蛋白、 可溶性糖和脯氨酸含量随ABA质量浓度的增大呈现先上升后下降的趋势. 在A2或A3处理下， 这3种物质含量均达到峰值， 且均超出CK水平， 说明ABA可以诱导植物积累更多的可溶性蛋白、 可溶性糖和脯氨酸等渗透调节物质来抵抗镉的毒害作用. 这是因为在镉胁迫下， 外源ABA不仅能在转录水平上激活一些逆境基因的表达、 促进逆境蛋白的合成， 还能诱导PCS1基因转录水平和提高植物螯合肽合成酶PCS活性， 从而促进植物螯合肽大量合成并螯合重金属离子发挥解毒作用[16]. 而脯氨酸可与重金属离子结合， 形成无毒的Cd-脯氨酸复合物， 该复合物可以减少重金属离子对一些酶活性中心的伤害， 从而缓解镉对青萍的毒害作用.

3.4 不同质量浓度ABA对镉胁迫下青萍抗氧化酶活性和MDA含量的影响

4 结语

镉会影响青萍的生长、 光合色素含量、 渗透调节物质含量及抗氧化酶系统， 从而对青萍产生毒害作用. ABA的存在促进了光合作用的进行和渗透调节物质的积累， 减少了自由基对膜的破坏， 可以延缓SOD、 CAT活性的下降， 降低MDA的积累， 缓解了膜脂过氧化反应， 使质膜受到保护， 从而来减轻镉对青萍的伤害. 研究表明， 外施ABA质量浓度为1×10-3mg·L-1或1×10-4mg·L-1时效果最好.