外源eBL对镉胁迫下绿豆幼苗叶片矿质元素吸收及镉积累的影响

2022-04-26宋雅娟李师翁

兰州交通大学学报 2022年2期

宋雅娟，陈斌，冷艳，李师翁

(兰州交通大学环境与市政工程学院，兰州 730070)

当今土壤和水环境中的重金属污染问题已经成为了全世界面临的重大环境问题[1].镉(Cd)是环境威胁最大的重金属之一，因其具有较高的水溶性及毒性，即使在较低的浓度下也会对植物细胞产生毒性[2].Cd2+作为一种游离水合离子，可与有机或无机配体结合，并与植物所需的矿质元素竞争吸收位点，易被植物根系吸收，并经木质部运输至茎和叶，在植物体内蓄积[3].过量的Cd会引发植物体内必需营养素和水分吸收的失衡，抗氧化系统的损伤，以及细胞结构的破坏等不良反应，进而扰乱植物正常的生长发育及代谢过程，造成植物死亡[4].因此，降低植物对Cd的吸收，缓解Cd对植物造成的不良胁迫成为环境科学领域的一个研究热点.

24-表油菜素内酯(24-epibrassionlide，eBL)是一类重要的具有生物活性的油菜素甾体化合物[5].大量研究表明，外源eBL的应用可提高植物对重金属胁迫的抗性及耐受性[6-8].矿质营养元素(Mg、K、Ca、Cu、Zn、Fe等)在植物生长发育过程中至关重要，但重金属胁迫往往会抑制植物对营养元素的吸收.外源eBL的施加可以提高重金属胁迫下植物对矿质元素的摄入量，减轻重金属对植物造成的不利影响.有研究表明，Cd胁迫下，外源eBL的施加可以促进豇豆(VignaunguiculataL.)幼苗对矿质元素(Ca、Mg、Mn、Fe、Cu、Zn)的摄入，并降低Cd在植物中的吸收与转运，缓解Cd对豇豆造成的毒害[9].

绿豆(VignaradiataL.)是一种广泛种植的重要豆科作物，是人类普遍食用的一种健康营养的豆类食品.本人前期研究[10]发现，外源eBL的应用可有效维持Cd胁迫下绿豆幼苗细胞的氧化还原稳态，并通过调控抗氧化系统活性来减轻由Cd引起的植物细胞膜脂过氧化，从而缓解Cd对绿豆幼苗造成的毒害.但是，外源eBL提高植物对Cd的耐受性是否能调控植物对矿质元素吸收，需要开展研究.因此，本研究以绿豆幼苗为材料，探究外源eBL对Cd胁迫下绿豆幼苗叶片矿质元素K、Ca、Mg、Cu和Zn吸收及Cd积累的影响，揭示外源eBL对Cd胁迫下绿豆幼苗矿质元素及Cd吸收的调控作用.

1 材料与方法

1.1 供试材料

植物材料为绿豆[Vignaradiata(L.) R Wilczek]种子.Hoagland营养液配方[11]，eBL 和Cd处理浓度分别为0.05 μmol/L和100 μmol/L，由前期试验确定[10].100 μmol/L Cd处理液由Hoagland营养液稀释CdCl2·2H2O原液配制而成，0.05 μmol/L eBL处理液由蒸馏水稀释1 mmol/L原液配制而成.试验中使用的所有化学试剂均为分析纯.

1.2 植物材料培养及处理

用自来水将绿豆种子冲洗3～5次后，加入75%乙醇溶液将清洗后的种子进行消毒.15 min后，再用蒸馏水将种子冲洗3次.在种子中加入2倍体积的蒸馏水，置于25±1 ℃保温箱中吸水膨胀.12 h后再次将绿豆种子进行蒸馏水清洗，放入铺有湿纱布的塑料盒中在25±1 ℃条件下萌发24 h.将发芽的绿豆均匀的播种于经清洗并灭菌育苗盘中，上覆适量珍珠岩.将育苗盘置于25±1 ℃，光照周期为14 h (PAR值为100 μmol/L·m-2·s-1)的生长箱中培养.培育5天后将生长均匀一致的绿豆幼苗用于后续试验处理.

将生长了5天的绿豆幼苗进行以下处理：1) Hoagland 营养液培养(对照)；2) 含Hoagland营养液培养和0.05 μmol/L eBL预处理，以Hoagland+eBL表示；3) 含100 μmol/L Cd的Hoagland营养液培养，以Cd表示；4) 含100 μmol/L Cd的Hoagland营养液培养和0.05 μmol/L eBL预处理，以Cd+eBL表示.eBL预处理即在叶片上均匀喷施eBL溶液，直至叶片完全湿润且有液滴滴落.2 h后，将CdCl2以Hoagland营养液的形式加入至育苗盘中.对照组在叶片上喷洒等体积的蒸馏水，2 h后，在育苗盘中加入等体积的不含Cd的Hoagland营养液.每个处理设3个生物学重复.分别在培养0、1、3、5、7、9天后将叶片收集，在75 ℃下烘干至恒重，研磨后过60目筛，用于矿质元素及Cd质量分数的测定.

1.3 叶片中K、Ca、Mg、Cu、Zn及Cd含量的测定

称取0.5 g经研磨过筛后的叶片干样于三角瓶中，放数粒玻璃珠，加20 mL浓HNO3，盖上漏斗.在80 ℃电热板上加热1.5 h，后升温至140 ℃加热3 h.待红棕色烟雾消失后，在三角瓶中加入2 mL HClO4，之后在175 ℃下继续加热，直到消解液呈无色透明或略带黄色.待冷却后，将消解液过滤后定容至25 mL容量瓶.同时作试剂空白.利用220FS火焰原子吸收分光光度计测定Cu、Zn、Cd质量分数.将消解液稀释20倍后测定K、Ca、Mg质量分数.各元素测定时仪器参考测定条件如表1所列[12-13].

表1 元素测定参考条件

1.4 数据处理

利用SPSS软件对数据进行单因素方差分析，均值采用最小显著性差异(LSD)比较，以p<0.05为显著性差异.用Origin 2018绘图.

2 结果与分析

2.1 外源eBL对绿豆幼苗叶片Cd的质量分数的影响

随着Cd处理时间的延长，植物叶片中的Cd的质量分数显著(p<0.05)增加，第9 d叶片Cd的质量分数比第1 d提高了9.4倍.与Cd处理相比，Cd+eBL处理使叶片中的Cd的质量分数显著(p<0.05)降低78.6%(见图1).说明外源eBL的施加可有效降低Cd在绿豆幼苗中的积累.

图1 外源eBL对绿豆幼苗叶片Cd积累量的影响Fig.1 Effects of exogenous eBL on Cd content inleaves of mung bean seedlings

2.2 外源eBL对Cd胁迫下绿豆幼苗叶片K的质量分数的影响

与对照Hoagland相比，eBL处理使第5 d至9 d叶片中K的质量分数显著(p<0.05)增加15%.与对照Hoagland相比，Cd处理使所有处理时间点K的质量分数显著(p<0.05)降低10.0%.与Cd处理相比，eBL+Cd处理使第1 d至7 d叶片中K的质量分数轻微提高2.7%，第5 d显著(p<0.05)提高10.2%.说明Cd胁迫会降低植物对K的摄入量，但外源eBL的应用可部分缓解Cd胁迫对K的吸收抑制(见图2).

图2 外源eBL对Cd胁迫下绿豆幼苗叶片K含量的影响Fig.2 Effects of exogenous eBL on K content in leaves of mung bean seedlings under Cd stress

2.3 外源eBL对Cd胁迫下绿豆幼苗叶片中Mg的质量分数的影响

与对照Hoagland相比，eBL处理使叶片Mg质量分数显著(p<0.05)降低3.4%.与对照Hoagland相比，Cd处理使Mg质量分数显著(p<0.05)提高18.4%.与Cd处理相比，eBL+Cd处理使叶片Mg质量分数显著(p<0.05)提高4.0%.随着处理时间的延长，对照组及eBL处理中叶片Mg含量变化不大.Cd处理和eBL+Cd处理使Mg含量呈不断上升的趋势(图3).说明Cd胁迫促进了绿豆对Mg 的吸收，外源eBL的应用进一步提高植物对Mg的吸收.

图3 外源eBL对Cd胁迫下绿豆幼苗叶片Mg质量分数的影响Fig.3 Effects of exogenous eBL on Mg content in leaves of mung bean seedlings under Cd stress

2.4 外源eBL对Cd胁迫下绿豆幼苗叶片中Ca的质量分数的影响

与对照Hoagland相比，eBL处理使叶片Ca质量分数显著(p<0.05)增加20.9%(第3 d除外).与对照Hoagland相比，Cd处理和eBL+Cd处理使所有处理时间点叶片Ca质量分数分别显著(p<0.05)降低93.1%和93.0%.与Cd处理相比，eBL+Cd处理使叶片Ca的质量分数变化不大.随着处理时间的延长，对照和eBL处理使Ca含量呈逐渐增加趋势，eBL+Cd处理与Cd处理中Ca含量变化不大(见图4).说明Cd2+会竞争Ca2+的吸收位点，导致植物对Ca的吸收量降低，外源eBL对叶片Ca含量影响较小.

图4 外源eBL对Cd胁迫下绿豆幼苗叶片中Ca质量分数的影响Fig.4 Effects of exogenous eBL on Ca content in leaves of mung bean seedlings under Cd stress

2.5 外源eBL对Cd胁迫下绿豆幼苗叶片中Zn的质量分数的影响

与对照Hoagland相比，eBL处理使叶片中Zn的质量分数显著(p<0.05)增加38.9%，但Cd处理使Zn质量分数显著(p<0.05)降低26.8%.说明Cd胁迫降低了植物对Zn的摄入量.与Cd处理相比，eBL+Cd处理在第5 d和9 d显著(p<0.05)提高叶片Zn含量(见图5).说明外源eBL的应用可在处理后期促进植物对Zn的吸收.

图5 外源eBL对Cd胁迫下绿豆幼苗叶片中Zn的质量分数的影响Fig.5 Effects of exogenous eBL on Zn content in leaves of mung bean seedlings under Cd stress

2.6 外源eBL对Cd胁迫下绿豆幼苗叶片中Cu的质量分数的影响

与对照Hoagland相比，eBL处理、Cd处理以及eBL+Cd处理使所有处理时间点叶片中Cu的质量分数分别显著(p<0.05)降低47.7%、43.6%和41.1%.与Cd处理相比，eBL+Cd处理显著(p<0.05)提高第7 d和9 d叶片中Cu含量(见图6).说明Cd胁迫抑制植物对Cu的吸收，外源eBL的应用可在处理后期促进植物对Cu的吸收.

图6 外源eBL对Cd胁迫下绿豆幼苗叶片中Cu的质量分数的影响Fig.6 Effects of exogenous eBL on Cu content in leaves of mung bean seedlings under Cd stress

3 讨论

当植物暴露于Cd时，Cd极易被植物组织吸收并结合在细胞壁上，并通过植物韧皮部进行迁移，从而积累在植物的任何部分[14].过量的Cd不仅对植物造成不利影响，还会通过食物链威胁人及其他动物的健康.本研究表明，随着Cd处理时间的延长，绿豆幼苗叶片中的Cd积累量显著增加，但外源eBL的施加有效降低了Cd的积累量.外源eBL的应用同样可以降低Cd在龙葵(SolanumnigrumL.)[15]和豌豆(PisumsativumL.)[16]叶片中的积累量.这些研究结果表明外源eBL的应用可以通过降低Cd在植物中的积累量，缓解Cd胁迫对植物产生的毒害，提高植物对Cd的耐受性.

矿质营养元素在植物正常生长发育过程中起着至关重要的作用.K是限制植物生长发育的重要营养元素，Cu和Zn广泛参与植物多种代谢过程，是植物细胞多种氧化还原酶的重要辅助因子，参与植物呼吸代谢过程中的氧化还原反应[17-18].然而，当植物暴露于重金属环境中，重金属离子竞争性结合于K、Cu、Mg、Zn和Ca等离子通道，导致植物对矿质营养元素吸收量以及转运能力降低，造成植物生理代谢过程紊乱[19]，这也是重金属抑制植物生长，致使植物死亡的重要原因之一.本研究表明，Cd胁迫造成绿豆幼苗叶片中K、Ca、Cu和Zn含量降低，说明Cd降低了绿豆对这些矿质元素的吸收和转运.文献[20]中，Cd胁迫降低桉(EucalyptusurophyllaL.)叶片中Mg、 K、Ca、Cu、Zn和Fe等矿质营养元素的含量.与文献[20]中研究结果不同的是，我们的研究发现 Cd胁迫提高了绿豆幼苗叶片中的Mg含量，表明Cd胁迫促进了绿豆对Mg的吸收，这与方言等[11]在水芹菜(OenanthejavanicaL.)叶片上的研究结果相同.外源eBL 的施加可提高植物对营养元素的吸收与转运，缓解重金属胁迫对植物造成的毒害[21].在本研究中，eBL提高了Cd胁迫下绿豆幼苗叶片K含量以及处理后期Cu和Zn含量，且提高了叶片中Mg含量.但eBL的应用对叶片中Ca含量影响较小.Sumira等[16]研究发现，外源eBL可提高Cd胁迫下豌豆地上部分组织中Mg、 K、Ca、Cu、Zn和Fe等营养元素的吸收量.有研究提出，外源eBL之所以能改善植物因Cd胁迫造成的对营养元素吸收的抑制，可能与其可以降低Cd积累量，提高可溶性蛋白和核酸水平，以及提高ATP酶活性有关[20].Cd胁迫往往会对植物细胞中的质子泵，尤其是对H+-ATP酶泵影响较大，H+-ATP酶在植物细胞内主要通过建立化学电位梯度起到维持离子平衡的作用.eBL通过调控H+-ATP酶活性，促进植物细胞对营养元素的吸收，维持植物细胞中的离子稳态[22].另外，重金属与营养元素交互作用的相关研究提出，植物营养元素的缺失与重金属累积有关，充足的营养元素又会降低植物对重金属的吸收与累积[23-24].外源eBL可通过增强植物根系对K+、Ca2+和Mg2+的吸收，使矿质阳离子被优先输送至幼叶，起到降低Cd迁移量的作用[25].因此，一方面，eBL促进Cd胁迫下绿豆幼苗矿质元素的吸收，从而间接降低了Cd的吸收和在叶片中的积累量.另一方面，eBL通过对植物其他生理生化过程的调控提升Cd胁迫下植物的生理生化活性，增加对矿质元素的吸收，进一步降低对Cd的吸收.