劉仕翔，黃益宗，羅澤嬌，黃永春，保瓊莉，王培培，袁　彪，李文華

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）環(huán)境學(xué)院，武漢430074；2.農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津300191）

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外源褪黑素處理對(duì)鎘脅迫下水稻種子萌發(fā)的影響

劉仕翔1，2，黃益宗2*，羅澤嬌1，黃永春2，保瓊莉2，王培培2，袁彪2，李文華2

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）環(huán)境學(xué)院，武漢430074；2.農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津300191）

摘要：為探討外源褪黑素對(duì)Cd脅迫下植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響，采用室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)研究外源褪黑素對(duì)Cd脅迫下水稻種子萌發(fā)及相關(guān)生理指標(biāo)的影響。結(jié)果表明：外源褪黑素對(duì)Cd脅迫下水稻種子萌發(fā)具有一定的促進(jìn)作用，褪黑素施用可提高水稻種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)，促進(jìn)水稻幼根和幼芽的生長(zhǎng)，當(dāng)Cd濃度為100 μmo1·L-1時(shí)，添加100 μmo1·L-1褪黑素使得水稻根系活力和總根長(zhǎng)分別比對(duì)照處理提高15.2%和133.7%；外源褪黑素能顯著降低Cd脅迫下水稻幼芽的MDA含量，提高水稻體內(nèi)的POD、SOD和CAT的活性，當(dāng)Cd濃度為100 μmo1·L-1時(shí)，添加10～1000 μmo1·L-1褪黑素會(huì)使水稻幼芽MDA含量比對(duì)照處理降低8.2%～16.0%，POD、SOD和CAT的活性分別比對(duì)照處理提高21.3%～45.5%、24.2%～32.2%和77.8%～145.8%。褪黑素可以有效地緩解Cd對(duì)水稻的毒害作用。

關(guān)鍵詞：水稻；種子萌發(fā)；鎘；褪黑素；抗氧化系統(tǒng)

劉仕翔，黃益宗，羅澤嬌，等.外源褪黑素處理對(duì)鎘脅迫下水稻種子萌發(fā)的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，35（6）：1034-1041.

LIU Shi-xiang，HUANG Yi-zong，LUO Ze-jiao，et a1. Effects of exogenous me1atonin on germination of rice seeds under Cd stresses［J］. Journal of Agro-Environment Science，2016，35（6）：1034-1041.

隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，各種污染物不斷排放，并在環(huán)境中不斷累積和轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致土壤環(huán)境污染日益嚴(yán)重。土壤重金屬污染因其高富集、難降解、毒性強(qiáng)等原因越來越受到人們的廣泛關(guān)注。近年來我國(guó)土壤重金屬污染問題越來越嚴(yán)重，據(jù)報(bào)道，我國(guó)受Cd、As、Pb、Hg、Zn等重金屬污染的耕地面積近2000萬hm2，約占總耕地面積的五分之一；每年因重金屬污染減產(chǎn)糧食超1000萬t，被重金屬污染糧食達(dá)1200萬t，由此造成的經(jīng)濟(jì)損失至少達(dá)200億元［1］。據(jù)2014年環(huán)保部和國(guó)土資源部聯(lián)合發(fā)布的全國(guó)首次土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)［2］顯示，我國(guó)土壤總樣點(diǎn)超標(biāo)率為16.1%，耕地超標(biāo)率達(dá)到19.4%，其中重金屬超標(biāo)比較嚴(yán)重，Cd污染超標(biāo)不斷加重。長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲、東北老工業(yè)基地等部分區(qū)域土壤污染問題比較突出，西南、中南地區(qū)土壤重金屬超標(biāo)范圍較大。土壤重金屬污染來源主要是人為來源，包括礦產(chǎn)開采、金屬冶煉、化工、汽車尾氣排放、污泥使用、污水灌溉、農(nóng)藥和化肥施用、大氣沉降等［3］。土壤中重金屬通過植物吸收、積累、富集，并通過食物鏈途徑進(jìn)入人體，從而對(duì)人類健康造成威脅，因而有必要采取不同技術(shù)措施對(duì)重金屬污染進(jìn)行有效修復(fù)。

Cd是水稻生長(zhǎng)發(fā)育非必需元素，水稻對(duì)其有一定的耐受性。研究表明低濃度Cd對(duì)水稻的生長(zhǎng)表現(xiàn)出一定的促進(jìn)作用，但當(dāng)Cd濃度增加時(shí)，水稻的生長(zhǎng)會(huì)受到明顯抑制［4］。Cd可通過抑制種子中的淀粉酶、蛋白酶活性影響淀粉和蛋白質(zhì)的分解，從而對(duì)種子萌發(fā)產(chǎn)生影響［5］。水稻作為我國(guó)主要糧食作物，種子萌發(fā)時(shí)期幼芽的生長(zhǎng)狀況對(duì)其日后的生長(zhǎng)及產(chǎn)量有重要的影響，因而提高水稻種子在萌發(fā)時(shí)期對(duì)重金屬的耐受性，緩解重金屬對(duì)水稻種子萌發(fā)的毒害作用就顯得尤為重要。褪黑素（Me1atonin，MT），又名果體素，1958年首次從牛的松果體分離出來［6］，早期被認(rèn)為僅存在于動(dòng)物體內(nèi)，其與生物個(gè)體的發(fā)育、生殖等調(diào)節(jié)機(jī)制密切相關(guān)。由于褪黑素廉價(jià)易得，醫(yī)學(xué)上早已將其用于疾病的預(yù)防和重金屬造成的神經(jīng)毒害的緩解［7］。隨著近年來褪黑素在越來越多的植物體內(nèi)被發(fā)現(xiàn)，其在植物體內(nèi)的作用逐漸被人們所認(rèn)知［8］。越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，外源褪黑素的添加能提高植物對(duì)逆境（紫外線輻射、高溫、低溫、干旱、重金屬等脅迫）的耐受性以及提高植物對(duì)病蟲害的抵抗能力［9-13］，褪黑素對(duì)植物逆境的緩解作用主要通過清除自由基、提高抗氧化酶活性等方式實(shí)現(xiàn)。Turk等［14］的研究發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)礦質(zhì)元素及抗氧化能力，外源施加褪黑素能緩解低溫導(dǎo)致的水稻種子氧化損傷。Ta1等［15］的研究表明，大型海藻在不同重金屬（Cd、Pb、Zn等）的脅迫下，褪黑素的含量均明顯增加，其中金屬Cd對(duì)褪黑素含量的影響最大，Pb和Zn的影響相對(duì)較小。這也證明了內(nèi)源褪黑素對(duì)Cd毒害的緩解作用及外源褪黑素的施加對(duì)緩解植物重金屬脅迫的可行性。然而迄今為止褪黑素對(duì)Cd脅迫下植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響尚未見報(bào)道。本文以水稻為研究對(duì)象，探討外源褪黑素添加對(duì)Cd脅迫下水稻種子萌發(fā)的影響。

1　材料與方法

1.1材料

水稻品種為湘早燦24號(hào)。選取飽滿的水稻種子，在試驗(yàn)前均用3%NaC1O浸泡消毒10 min，蒸餾水反復(fù)沖洗3～5遍。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

在預(yù)實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置5、10、20、50、100、200 μmo1·L-16個(gè)不同Cd濃度處理，選出與空白處理相比對(duì)水稻幼苗萌發(fā)產(chǎn)生不同程度影響的10、100 μmo1·L-1兩個(gè)處理濃度作為正式Cd處理濃度實(shí)驗(yàn)，即設(shè)置3個(gè)Cd濃度處理0、10、100 μmo1·L-1。褪黑素處理濃度參考Posmyk等［12］和Zhang等［16］早期對(duì)外源褪黑素抗逆研究所選用的濃度，設(shè)置4個(gè)褪黑素濃度處理：0、10、100、1000 μmo1·L-1。共組合成12個(gè)實(shí)驗(yàn)處理。Cd以CdC12形式加入。將消毒過的種子均勻放入直徑9 cm的培養(yǎng)皿中，內(nèi)鋪兩層無菌試紙。每個(gè)培養(yǎng)皿50粒種子，按照設(shè)置濃度加入10 mL含有Cd和褪黑素的處理液，移入28℃生化培養(yǎng)箱中進(jìn)行暗培養(yǎng)。每個(gè)處理3次重復(fù)。培養(yǎng)期間每日觀察和記錄種子的發(fā)芽情況，并用稱重法補(bǔ)充蒸發(fā)的水分。

1.3測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1萌發(fā)指標(biāo)測(cè)定

培養(yǎng)時(shí)期每天記錄水稻種子萌發(fā)的數(shù)量，第3d統(tǒng)計(jì)種子的發(fā)芽勢(shì)，第8d測(cè)定水稻幼芽的根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)、根鮮重和芽鮮重（其中芽鮮重、根鮮重按皿計(jì)算），并統(tǒng)計(jì)水稻種子的發(fā)芽率。發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率的計(jì)算公式如下：發(fā)芽勢(shì)=3 d內(nèi)發(fā)芽種子粒數(shù)/供試種子數(shù)×100%發(fā)芽率=8 d內(nèi)發(fā)芽種子粒數(shù)/供試種子數(shù)×100% 1.3.2生理指標(biāo)測(cè)定

取萌發(fā)8d的幼芽，于-80℃下超低溫保存，用于生理指標(biāo)的測(cè)定。水稻根系活力用α-萘胺法測(cè)定［17］，丙二醛（MDA）含量的測(cè)定參考《植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)》［18］，超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）和過氧化物酶（POD）活性的測(cè)定采用Zhang等［16］的方法。采用根系掃描儀（EPson ExPression 10000XL）對(duì)水稻根系進(jìn)行掃描，并用WinRhizo根系分析軟件進(jìn)行根形態(tài)指標(biāo)分析。

1.4數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Origin 9.0和SPSS 19統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行分析及差異顯著性檢驗(yàn)。對(duì)不同處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析（ANOVA）和Duncan多重比較。數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2　結(jié)果與分析

2.1褪黑素對(duì)水稻種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)的影響

圖1為外源添加褪黑素對(duì)Cd脅迫下水稻種子發(fā)芽率的影響。Cd脅迫對(duì)水稻種子的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率均有降低作用，10 μmo1·L-1Cd脅迫分別降低水稻種子發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率5%和8%，100 μmo1·L-1Cd脅迫降低水稻種子發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率幅度均為6%。褪黑素添加對(duì)Cd脅迫下水稻種子發(fā)芽具有一定的促進(jìn)作用。當(dāng)Cd濃度為10 μmo1·L-1時(shí)，添加10 μmo1·L-1褪黑素相比對(duì)照處理顯著提高水稻種子發(fā)芽率7.8%，而添加100、1000 μmo1·L-1褪黑素時(shí)種子發(fā)芽率沒有顯著變化；當(dāng)Cd濃度提高到100 μmo1·L-1時(shí)，添加100 μmo1·L-1褪黑素相比對(duì)照處理顯著提高水稻種子發(fā)芽率5.3%。褪黑素濃度過高抑制水稻種子的發(fā)芽，在沒有Cd脅迫時(shí)，10、100 μmo1·L-1褪黑素添加對(duì)水稻種子發(fā)芽沒有影響，而當(dāng)其濃度提高到1000 μmo1·L-1時(shí)，水稻種子發(fā)芽率比對(duì)照降低5.7%。

外源添加褪黑素對(duì)Cd脅迫下水稻種子發(fā)芽勢(shì)的影響見圖2。外源添加褪黑素對(duì)Cd脅迫下水稻種子發(fā)芽勢(shì)也有一定的促進(jìn)作用。當(dāng)Cd濃度為100 μmo1· L-1時(shí)，與沒有添加褪黑素的對(duì)照相比，添加10、100、1000 μmo1·L-1褪黑素分別提高水稻種子發(fā)芽勢(shì)9.0%、10.2%和5.6%。褪黑素濃度過高對(duì)水稻種子的發(fā)芽勢(shì)有抑制作用，在沒有Cd脅迫時(shí)，1000 μmo1·L-1褪黑素導(dǎo)致水稻種子發(fā)芽勢(shì)比對(duì)照降低6.1%。

2.2褪黑素對(duì)水稻根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)、根重和芽重的影響

圖1　褪黑素（MT）對(duì)Cd脅迫下水稻種子發(fā)芽率的影響Figure 1 Effects of exogenous me1atonin on germination rates of rice seeds under Cd stresses

圖2　褪黑素（MT）對(duì)Cd脅迫下水稻種子發(fā)芽勢(shì)的影響Figure 2 Effects of exogenous me1atonin on germination Potentia1s of rice seeds under Cd stresses

圖3　褪黑素（MT）對(duì)Cd脅迫下水稻幼芽根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)的影響Figure 3 Effects of exogenous me1atonin on root and shoot 1ength of rice seed1ings under Cd stresses

外源添加褪黑素對(duì)Cd脅迫下水稻根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)的影響如圖3所示。Cd脅迫下，水稻幼芽、根的生長(zhǎng)受到明顯的限制，根系尤為顯著。10 μmo1·L-1Cd脅迫下，與對(duì)照組相比水稻幼芽芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)分別下降了19.9%和25.3%；而100 μmo1·L-1Cd脅迫下，相應(yīng)指標(biāo)下降幅度更為明顯，分別為33.2%和50.2%。外源褪黑素的添加對(duì)Cd脅迫下水稻根長(zhǎng)有明顯的促進(jìn)作用。當(dāng)Cd濃度為10 μmo1·L-1時(shí)，與沒有添加褪黑素的對(duì)照相比，添加10 μmo1·L-1褪黑素顯著提高根長(zhǎng)19.3%；當(dāng)Cd脅迫濃度達(dá)100 μmo1·L-1時(shí)，100、1000 μmo1·L-1褪黑素相比對(duì)照處理均提高水稻根長(zhǎng)28.9%，而當(dāng)褪黑素濃度提高至1000 μmo1·L-1時(shí)，對(duì)根長(zhǎng)的影響反而表現(xiàn)為抑制作用，比對(duì)照處理下降39.5%。外源褪黑素的加入對(duì)Cd脅迫下水稻芽長(zhǎng)的變化沒有顯著影響。在沒有Cd脅迫時(shí)，添加1000μmo1·L-1褪黑素使水稻芽長(zhǎng)比對(duì)照處理下降13.3%。

圖4為外源褪黑素添加對(duì)Cd脅迫下水稻根鮮重和芽鮮重的影響。Cd脅迫下，水稻幼芽芽鮮重、根鮮重明顯下降。與對(duì)照處理相比，10 μmo1·L-1Cd脅迫下，與對(duì)照組相比水稻幼芽芽鮮重、根鮮重分別下降了21.2%、43.9%；而100 μmo1·L-1Cd脅迫下，相應(yīng)指標(biāo)下降幅度更為明顯，分別為50.7%、67.2%。添加外源褪黑素能明顯提高水稻的根鮮重。當(dāng)Cd濃度為10 μmo1·L-1時(shí)，與沒有添加褪黑素的對(duì)照相比，添加10 μmo1·L-1褪黑素使水稻根鮮重提高40.0%；當(dāng)Cd脅迫濃度為100 μmo1·L-1時(shí)，10、100 μmo1·L-1褪黑素的添加使水稻根鮮重分別比對(duì)照處理提高31.0%和42.0%，但當(dāng)褪黑素濃度為1000 μmo1·L-1時(shí)，根鮮重反而下降35.7%。外源褪黑素的添加對(duì)水稻芽鮮重也有一定的提高作用。10 μmo1·L-1Cd脅迫下，添加10 μmo1·L-1褪黑素相比對(duì)照處理明顯提高水稻芽鮮重9.6%，而添加100、1000 μmo1·L-1褪黑素對(duì)水稻芽重沒有顯著影響；當(dāng)Cd濃度增加到100 μmo1·L-1時(shí)，與對(duì)照處理相比，添加100 μmo1·L-1褪黑素可提高8.1%芽鮮重，但是褪黑素濃度為10、1000 μmo1·L-1時(shí)，對(duì)Cd脅迫下水稻芽鮮重?zé)o明顯影響。在無Cd脅迫的情況下，10、100 μmo1·L-1褪黑素對(duì)水稻芽鮮重?zé)o明顯影響，1000 μmo1·L-1褪黑素會(huì)導(dǎo)致水稻芽鮮重下降7.0%。

2.3褪黑素對(duì)水稻幼芽MDA含量和酶活性的影響

圖4　褪黑素（MT）對(duì)Cd脅迫下水稻幼芽根鮮重、芽鮮重的影響Figure 4 Effects of exogenous me1atonin on root and shoot fresh weights of rice under Cd stresses

圖5　褪黑素（MT）對(duì)Cd脅迫下水稻幼芽MDA含量的影響Figure 5 Effects of exogenous me1atonin on MDA content of rice shoots under Cd stresses

外源添加褪黑素對(duì)Cd脅迫下水稻幼芽MDA含量的影響見圖5。Cd脅迫下，MDA含量隨著Cd脅迫濃度的增加而上升，在10、100 μmo1·L-1Cd處理后，相對(duì)于對(duì)照組MDA分別增加了40.1%和66.8%。添加褪黑素可顯著降低Cd脅迫下水稻幼芽的MDA含量。Cd濃度為10 μmo1·L-1時(shí)，添加10 μmo1·L-1褪黑素使MDA含量從對(duì)照處理的358.0 nmo1·g-1FW下降至312.0 nmo1·g-1FW，當(dāng)褪黑素濃度提高到100、1000 μmo1·L-1時(shí)，MDA含量有所上升，但依然顯著低于沒有添加褪黑素的對(duì)照組；當(dāng)Cd濃度提高到100 μmo1·L-1時(shí)，添加100 μmo1·L-1褪黑素對(duì)MDA含量影響最大，從對(duì)照處理的424.3 nmo1·g-1FW降至356.0 nmo1·g-1FW，降低幅度為16.1%。

圖6為添加外源褪黑素對(duì)Cd脅迫下水稻幼芽POD活性的影響。外源褪黑素添加能顯著提高Cd脅迫下水稻幼芽的POD活性。Cd脅迫濃度為10 μmo1· L-1時(shí)，添加10、100、1000 μmo1·L-1褪黑素相比對(duì)照組使水稻幼芽POD活性分別提高21.5%、31.3%和42.2%；當(dāng)Cd濃度為100 μmo1·L-1時(shí)，添加10、100、1000 μmo1·L-1褪黑素相比對(duì)照組POD活性分別提高21.3%、40.6%和45.5%。外源褪黑素添加也可以顯著提高Cd脅迫下水稻幼芽的CAT、SOD活性（圖7和圖8），其變化趨勢(shì)與POD類似。當(dāng)Cd濃度為10 μmo1·L-1時(shí)，添加10、100、1000 μmo1·L-1褪黑素使水稻幼芽CAT活性分別比對(duì)照處理提高62.2%、75.7% 和74.8%，SOD活性分別提高16.7%、46.9%和54.2%；當(dāng)Cd脅迫濃度上升至100 μmo1·L-1時(shí)，10、100、1000 μmo1·L-1褪黑素添加使水稻幼芽CAT活性分別比對(duì)照處理提高77.8%、143.1%和145.8%，SOD活性分別提高24.2%、32.2%和28.7%。

2.4褪黑素對(duì)水稻幼芽根系活力和根系形態(tài)的影響

圖9為添加外源褪黑素對(duì)Cd脅迫下水稻根系活力的影響。10 μmo1·L-1Cd脅迫對(duì)水稻幼芽根系活力無明顯影響，100 μmo1·L-1Cd能明顯降低水稻根系活力，與對(duì)照組相比下降了33.1%，添加外源褪黑素能顯著提高根系活力。當(dāng)Cd脅迫濃度為10 μmo1·L-1時(shí)，添加10、100 μmo1·L-1外源褪黑素對(duì)根系活力影響不大，而褪黑素濃度為1000 μmo1·L-1時(shí)卻顯著地抑制水稻的根系活力；當(dāng)Cd脅迫濃度提升至100 μmo1·L-1時(shí)，10、100 μmo1·L-1褪黑素均能顯著提高水稻根系活力，增幅分別為14.0%和15.2%。

圖6　褪黑素（MT）對(duì)Cd脅迫下水稻幼芽POD酶活性的影響Figure 6 Effects of exogenous me1atonin on POD activity of rice shoots under Cd stresses

圖7　褪黑素（MT）對(duì)Cd脅迫下水稻幼芽SOD酶活性的影響Figure 7 Effects of exogenous me1atonin on SOD activity of rice shoots under Cd stresses

圖8　褪黑素（MT）對(duì)Cd脅迫下水稻幼芽CAT酶活性的影響Figure 8 Effects of exogenous me1atonin on CAT activity of rice shoots under Cd stresses

圖9　褪黑素（MT）對(duì)Cd脅迫下水稻根系活力的影響Figure 9 Effects of exogenous me1atonin on rice root activity under Cd stresses

表1為添加外源褪黑素對(duì)Cd脅迫下水稻根系形態(tài)相關(guān)參數(shù)的影響。在Cd脅迫下，水稻根系總長(zhǎng)度、表面積、根體積均有明顯的下降趨勢(shì)，與對(duì)照處理相比，10 μmo1·L-1Cd脅迫下分別下降了28.4%、40.0%和50.0%，100 μmo1·L-1Cd脅迫下分別下降了59.1%、60.9%和65.0%。總根尖數(shù)在10 μmo1·L-1Cd脅迫下與對(duì)照組相比無明顯差異，而在100 μmo1·L-1Cd脅迫下，與對(duì)照組相比平均值下降了34.9%，效果顯著。在Cd脅迫下，根系直徑、根分支數(shù)與對(duì)照組相比沒有顯著差異。外源褪黑素處理能顯著地提高Cd脅迫下水稻的總根長(zhǎng)、根表面積和根體積。在10 μmo1·L-1Cd脅迫下，添加10 μmo1·L-1褪黑素使水稻總根長(zhǎng)、根表面積和根體積分別比對(duì)照處理提高84.5%、104.1%和129.9%；而Cd濃度為100 μmo1·L-1時(shí)，添加100 μmo1·L-1褪黑素可分別提高水稻總根長(zhǎng)、根表面積和根體積133.7%、100.0%和85.7%。添加褪黑素對(duì)Cd脅迫下水稻根系直徑也有影響。在10、100 μmo1·L-1Cd濃度脅迫下，添加10 μmo1·L-1褪黑素導(dǎo)致水稻根系直徑分別比對(duì)照處理顯著降低11.0%和9.9%。當(dāng)Cd脅迫濃度為100 μmo1·L-1時(shí)，添加外源褪黑素對(duì)水稻根尖數(shù)有一定影響，與未添加褪黑素的對(duì)照處理相比，10、100 μmo1·L-1褪黑素使水稻根尖數(shù)分別比對(duì)照處理提高73.7%和93.4%。添加褪黑素對(duì)Cd脅迫下水稻分叉數(shù)影響不顯著。

表1　褪黑素對(duì)Cd脅迫下水稻幼芽根系形態(tài)相關(guān)參數(shù)的影響Tab1e 1 Effects of exogenous me1atonin on root Parameters of rice under Cd stresses

3　討論

Cd脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育有明顯的抑制和毒害作用，例如它對(duì)水稻的毒害作用主要表現(xiàn)為抑制水稻萌發(fā)、生長(zhǎng)、細(xì)胞分裂，影響水稻的光合作用和呼吸作用，產(chǎn)生氧化脅迫，對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)造成損傷［19］。本研究發(fā)現(xiàn)Cd脅迫可明顯抑制水稻種子的萌發(fā)，種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)明顯下降，水稻幼芽和幼根生長(zhǎng)明顯受到抑制，添加合適的外源褪黑素則有效緩解了Cd脅迫對(duì)水稻種子萌發(fā)的影響。這與Tan等［20］報(bào)道的有關(guān)褪黑素促進(jìn)Cu脅迫下豌豆種子萌發(fā)的結(jié)果一致。

Cd脅迫可誘導(dǎo)植物產(chǎn)生包括過氧化氫（H2O2）、超氧自由基（O-2·）、羥基（OH-）等活性氧物質(zhì)，這些活性氧物質(zhì)可破壞植物的膜系統(tǒng)，加劇膜脂過氧化程度，影響植物的光合作用等正常生理功能，進(jìn)而影響諸如脂質(zhì)、核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子的代謝過程［21-22］。MDA是植物膜脂過氧化評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。一般認(rèn)為，Cd脅迫產(chǎn)生的自由基會(huì)損害水稻細(xì)胞內(nèi)的膜系統(tǒng)，導(dǎo)致水稻體內(nèi)MDA含量增加。本研究也發(fā)現(xiàn)Cd脅迫導(dǎo)致水稻幼芽MDA含量顯著提高，但是外源褪黑素的添加能顯著降低水稻幼芽的MDA含量，說明褪黑素可有效緩解水稻體內(nèi)的過氧化脅迫。Cd脅迫對(duì)植物體內(nèi)抗氧化酶活性也有明顯影響，研究表明Cd脅迫導(dǎo)致的植物抗氧化酶活性變化隨著植物基因型的不同而不同［23］。本研究中，在10 μmo1· L-1Cd濃度脅迫下水稻幼芽的POD、SOD活性比沒有Cd脅迫時(shí)有所提高，但是水稻幼芽CAT活性卻隨著Cd脅迫濃度的增加而顯著降低。外源添加10～1000 μmo1·L-1褪黑素均能顯著提高Cd脅迫下水稻幼芽的POD、SOD和CAT的活性，而且褪黑素濃度越高這種作用越明顯（圖6、圖7、圖8）。POD和CAT可將植物細(xì)胞中的H2O2迅速分解為H2O和O2，從而清除過氧化體中產(chǎn)生的H2O2，它們?cè)谝种浦参锬ぶ^氧化方面發(fā)揮著重要的作用。SOD是植物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的唯一專職清除O-2·的抗氧化酶，是清除活性氧自由基的關(guān)鍵酶，能把O-2·還原成H2O2，還能將O-2·氧化為O2［24］。褪黑素施用顯著提高水稻體內(nèi)POD、SOD和CAT的活性，從而提高植物清除H2O2、O-2·等活性氧物質(zhì)的能力。這可能是褪黑素緩解Cd脅迫對(duì)水稻毒害的主要機(jī)制之一。另外，褪黑素是目前已知的抗氧化作用最強(qiáng)的內(nèi)源性自由基清除劑［25］。Pieri等［26］發(fā)現(xiàn)褪黑素與維生素E、維生素C、還原性谷胱甘肽相比，是更為有效的親脂性氧化劑，而且褪黑素抗氧化過程的中間產(chǎn)物N1-乙?；?N2-甲?；?5-甲氧基犬尿胺（AFMK）和N1-乙?；?5-甲氧基犬尿胺（AMK）本身也是有效的自由基清除劑，會(huì)增加其對(duì)自由基的清除能力。植物體內(nèi)SOD/POD、SOD/CAT比值的平衡也會(huì)影響植物的膜脂過氧化狀況。Shah等［27］研究發(fā)現(xiàn)，SOD的過量表達(dá)會(huì)加速O-2·轉(zhuǎn)化為H2O2和O2，如果清除H2O2的酶活性無法同等程度地提高，則剩余的H2O2會(huì)同O-2·相結(jié)合生成氧化性更強(qiáng)的·OH，進(jìn)而加劇植物的氧化損傷。Kanazawa等［28］也報(bào)道SOD/POD、SOD/ CAT比值的提升會(huì)進(jìn)一步增加植物體的氧化脅迫。本研究發(fā)現(xiàn)，盡管添加褪黑素對(duì)水稻幼芽SOD/POD比值影響不大，但是卻顯著降低Cd脅迫下水稻幼芽SOD/CAT比值，這可能也是褪黑素緩解水稻氧化脅迫、降低Cd毒害的機(jī)制之一。

根系作為水稻重要的吸收和代謝器官，其生長(zhǎng)、形態(tài)對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)吸收有重要的作用。根長(zhǎng)、根表面積、根體積、根直徑、根尖數(shù)和根分叉數(shù)是評(píng)價(jià)植物根系生長(zhǎng)發(fā)育、養(yǎng)分吸收、與環(huán)境介質(zhì)互動(dòng)的重要指標(biāo)。Cd脅迫對(duì)水稻根系生長(zhǎng)發(fā)育有重要影響，通常認(rèn)為Cd對(duì)水稻的毒害首先反應(yīng)在根系上。根系活力主要反映植物根氧化、還原和合成的能力，是間接衡量根系功能的重要指標(biāo)。本研究發(fā)現(xiàn)，添加10、100 μmo1· L-1褪黑素對(duì)Cd脅迫下水稻根系活力有明顯的促進(jìn)作用（圖9），同時(shí)褪黑素可促進(jìn)水稻總根長(zhǎng)、根直徑、根表面積、根體積的增長(zhǎng)，說明褪黑素能提高水稻根系的新陳代謝速度，從而有利于水稻根系發(fā)育和植株生長(zhǎng)。SarroPou1ou等［29］研究證實(shí)施用0～10 μmo1·L-1褪黑素可促進(jìn)櫻桃根系再生，提高櫻桃根生物量、脯氨酸含量和總糖含量等。褪黑素的添加對(duì)滲透脅迫下導(dǎo)致植物側(cè)根數(shù)目的減少有緩解作用［30］。

近年來，科學(xué)工作者在提高植物抗逆方面進(jìn)行了多方面的探索，主要通過礦質(zhì)元素、植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)來降低重金屬對(duì)植物體的毒害。植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)（如水楊酸、谷胱甘肽等）對(duì)水稻Cd脅迫均有較為顯著的緩解作用，相較于其他抗氧化劑（如維生素E、谷胱甘肽），褪黑素的抗氧化能力更強(qiáng)，同時(shí)褪黑素的加入還可以提高植物體內(nèi)其他抗氧化劑（如抗壞血酸和谷胱甘肽）的含量［31］。由于褪黑素具有親水和親脂的雙重性質(zhì)，能夠自由進(jìn)出細(xì)胞，也使其在重金屬脅迫情況下能迅速轉(zhuǎn)移至反應(yīng)位置。另外，褪黑素容易獲得，規(guī)模化使用時(shí)成本不高。這些優(yōu)勢(shì)使褪黑素在植物抗逆，特別是在抗重金屬脅迫方面具有潛在的應(yīng)用前景。

對(duì)植物而言，由于濃度不同，褪黑素對(duì)逆境脅迫可能具有緩解作用，也可能加劇植物體的受毒程度。本試驗(yàn)中不同施用濃度的褪黑素對(duì)植物抗Cd脅迫作用影響較大，如10、100、1000 μmo1·L-1褪黑素對(duì)重金屬Cd導(dǎo)致的氧化脅迫均表現(xiàn)出明顯的緩解作用，均能提高抗氧化酶活性，降低脂質(zhì)過氧化。10、100 μmo1·L-1褪黑素對(duì)Cd脅迫下水稻種子萌發(fā)及水稻根系生長(zhǎng)有顯著的促進(jìn)作用，而1000 μmo1·L-1褪黑素對(duì)水稻種子萌發(fā)及水稻根系生長(zhǎng)則無明顯影響或呈負(fù)面影響。這可能是因?yàn)橥屎谒鼐哂休^強(qiáng)的活性氧清除作用，而高濃度褪黑素對(duì)活性氧的過多清除反過來卻阻礙了植物體內(nèi)的信號(hào)傳遞，延遲了植物體對(duì)Cd脅迫做出的反應(yīng)。因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中還需要根據(jù)具體作物種類及不同逆境條件，對(duì)外源褪黑素的施用濃度作出相應(yīng)的選擇。

4　小結(jié)

（1）添加外源褪黑素可促進(jìn)Cd脅迫下水稻的種子萌發(fā)，提高種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)，提高水稻根系活力，促進(jìn)水稻根系和幼芽的生長(zhǎng)，但是褪黑素濃度過高（1000 μmo1·L-1）卻不利于水稻種子萌發(fā)、根系和幼芽的生長(zhǎng)。

（2）添加褪黑素可顯著降低Cd脅迫下水稻幼芽的MDA含量，顯著提高POD、SOD和CAT的活性，說明褪黑素添加可有效地抑制Cd脅迫對(duì)水稻的膜脂過氧化，緩解Cd對(duì)水稻的毒害作用。

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Effects of exogenous melatonin on germination of rice seeds under Cd stresses

LIU Shi-xiang1，2，HUANG Yi-zong2*，LUO Ze-jiao1，HUANG Yong-chun2，BAO Qiong-1i2，WANG Pei-Pei2，YUAN Biao2，LI Wen-hua2
（1.Schoo1 of Environment，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；2.Agro-Environmenta1 Protection Institute，Ministry of A-gricu1ture，Tianjin 300191，China）

Abstract：Here the effects of exogenous me1atonin（MT）on seed germination and Physio1ogica1 indexes of rice under Cd stresses were investigated. Additions of exogenous MT had a Positive effect on seed germination and root growth of rice under Cd stresses. At 100 μmo1·L-1of Cd concentration，addition of 10 μmo1·L-1MT increased tota1 root 1ength of rice by 103.2%，and aPP1ying 100 μmo1·L-1exogenous MT Promoted rice root activity and tota1 root 1ength by 15.2%and 133.7%，resPective1y，as comPared with the contro1. At 100 μmo1 Cd·L-1，additions of 10～1000 μmo1·L-1exogenous MT significant1y decreased MDA by 8.2%～16.0%，but increased activities of POD，SOD，and CAT by 21.3%～45.5%，24.2%～32.2%and 77.8%～145.8%，resPective1y，in comParison with the contro1 treatment. These resu1ts suggest that aPP1ication of exogenous me1atonin cou1d effective1y a11eviate the toxic effects of Cd on rice.

Keywords：rice；seed germination；Cd；me1atonin；antioxidant system

中圖分類號(hào)：X503.231

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-2043（2016）06-1034-08 doi∶10.11654/jaes.2016.06.003

收稿日期：2015-11-10

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAD05B02）；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所）項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介：劉仕翔（1992—），男，湖北黃岡人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橥寥乐亟饘傥廴拘迯?fù)。E-mai1：1iushixiang_cug@163.com

*通信作者：黃益宗E-mai1：yizonghuang@126.com