王亞麗，儀慧蘭，韓彥莎

（山西大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，太原 030006）

SO2對谷子幼苗根系鎘脅迫的緩解作用

王亞麗，儀慧蘭*，韓彥莎

（山西大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，太原 030006）

以谷子幼苗為材料，采用SO2衍生物（SO2-3∶HSO-3，3∶1，mmol·L-1/mmol·L-1）預(yù)處理方式，研究外源SO2對鎘（Cd）致根系毒性的影響。研究發(fā)現(xiàn)：250、500 μmol·L-1Cd脅迫下，谷子幼苗根生長受到明顯抑制，根組織中活性氧（ROS）大量產(chǎn)生，膜脂過氧化增加；與Cd單獨處理組相比，用500 μmol·L-1SO2衍生物預(yù)處理后，Cd對根系生長的抑制作用減弱，根組織中ROS水平降低，膜脂氧化損傷減輕，谷胱甘肽（GSH）含量提高，過氧化物酶（POD）、谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）和谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶（GST）等酶活性明顯增加。結(jié)果表明：一定濃度的SO2衍生物能夠通過上調(diào)抗氧化酶系統(tǒng)POD和GPX的活性來有效緩解Cd脅迫造成的谷子根系氧化損傷，并很可能通過維持較高的GSH水平和提高GST活性來增強谷子根系的Cd解毒能力。

谷子；二氧化硫；鎘；根系；抗氧化系統(tǒng)

隨著工業(yè)三廢的排放以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中含鎘（Cd）農(nóng)藥、化肥的過量使用，人類賴以生存的土壤、水體受到不同程度的Cd污染。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國Cd污染農(nóng)田面積達2.0×105hm2，嚴重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[1]。Cd毒害可直接或間接引發(fā)植物體活性氧自由基（Reactive oxygen species，ROS）的積累，高水平ROS會破壞葉綠素、核酸和蛋白質(zhì)等生物大分子結(jié)構(gòu)，影響細胞結(jié)構(gòu)和功能，抑制植物生長發(fā)育，甚至導(dǎo)致死亡[2]。近年來，如何解決Cd污染土壤上的耕作問題受到廣泛關(guān)注。在污染條件下，通過施加外源物質(zhì)來緩解或抑制Cd對植物的毒害作用是相對快速和簡便的措施，科研人員致力于尋求適合的外源物質(zhì)來減輕Cd污染對植物生長發(fā)育帶來的影響。

硫是植物生長必需的一種營養(yǎng)元素，大氣中低濃度的二氧化硫（SO2）可作為植物硫營養(yǎng)的來源。環(huán)境中的SO2經(jīng)氣孔進入植物體，在細胞內(nèi)溶于水產(chǎn)生和HSO-3。研究表明，一定濃度的SO2能夠誘導(dǎo)植物抗氧化系統(tǒng)應(yīng)答[3-4]。我們前期研究發(fā)現(xiàn)，30 mg· m-3SO2預(yù)處理后，擬南芥對干旱脅迫的耐受性和對灰霉菌感染的抗性均明顯增強[5-6]。但是，SO2在作物重金屬毒害中的緩解作用少有報道。

谷子（Setaria italica L.）又稱粟，在我國北方干旱半干旱地區(qū)廣泛種植，是山西省傳統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)雜糧作物。本研究以谷子幼苗為實驗材料，采用SO2衍生物（，3∶1，mmol·L-1/mmol·L-1）處理[7]，研究SO2對幼苗根系Cd毒性的緩解作用，為人工降低Cd污染對谷子幼苗的危害提供實驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 植物培養(yǎng)

供試谷子（Setaria italica L.）品種為“長農(nóng)44號”，谷種由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院谷子研究所郭二虎研究員惠贈。

選取籽粒飽滿的谷種，用0.5%的次氯酸鈉浸泡7 min，雙蒸水沖洗后浸種3 h，濕紗布包裹催芽，將露白一致的谷種均勻擺放于無菌紗布上，水培法培養(yǎng)谷子幼苗，光周期為16 h/8 h（晝/夜），溫度（25±2）℃，相對濕度45%～65%。

1.2 實驗分組與處理

根據(jù)預(yù)實驗結(jié)果，選擇對谷子幼根生長有促進作用的SO2衍生物（Na2SO3∶NaHSO3，3∶1，mmol·L-1/mmol· L-1）濃度500 μmol·L-1（濃度以總S含量計算），及對谷子幼根生長有抑制作用的Cd（CdCl2·2.5H2O）濃度250 μmol·L-1和500 μmol·L-1，作為后續(xù)實驗濃度。

選取生長10 d且長勢良好的谷子幼苗分為6組，SO2干預(yù)組用SO2衍生物預(yù)處理1 d后轉(zhuǎn)入Cd溶液中處理3 d，Cd處理組水培1 d后改用Cd溶液處理3 d。具體分組處理如下：

（1）對照組（CK）：水培4 d。

（2）SO2處理組（S500）：500 μmol·L-1SO2衍生物處理1 d+水培3 d。

（3）Cd處理組Ⅰ（Cd250）：水培1 d+250 μmol· L-1Cd處理3 d。

（4）SO2干預(yù)組Ⅰ（Cd250+S500）：500 μmol·L-1SO2衍生物處理1 d+250 μmol·L-1Cd處理3 d。

（5）Cd處理組Ⅱ（Cd500）：水培1 d+500 μmol· L-1Cd處理3 d。

（6）SO2干預(yù)組Ⅱ（Cd500+S500）：500 μmol·L-1SO2衍生物處理1 d+500 μmol·L-1Cd處理3 d。

處理期間的溫度、濕度及光照條件同上。處理結(jié)束后，雙蒸水沖洗，取根部迅速檢測生理生化指標(biāo)。以相同條件下3次生物學(xué)重復(fù)實驗得到的材料來檢測各處理組的相關(guān)指標(biāo)。

1.3 生長指標(biāo)檢測

利用直尺測量每組20株植株的根長，隨后將它們放在烘箱中105℃殺青20 min，70℃烘至恒重，稱其干重。

1.4 生理生化指標(biāo)檢測

取谷子幼根，用羥氨氧化法測定超氧陰離子（O-2·）產(chǎn)生速率，硫酸鈦沉淀法測定過氧化氫（H2O2）含量，硫代巴比妥酸法測定丙二醛（MDA）含量。超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）活性測定參照Li等[3]的方法。谷胱甘肽（GSH）含量測定參照Anderson等[8]的方法。谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）活性測定參照Wendel等[9]的方法。谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶（GST）活性測定參照Habig等[10]CDNB比色法。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

計算各組3個重復(fù)實驗的平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤，采用SPSS 16.0軟件進行方差分析，用Duncan方法對不同處理組的數(shù)據(jù)進行多重比較。圖中不同字母表示組間差異顯著（P＜0.05），相同字母表示組間差異不顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘對谷子幼苗根長的影響及SO2的緩解作用

Cd脅迫后，谷子幼根生長受到明顯抑制，250μmol·L-1Cd和500 μmol·L-1Cd組的根長分別比對照降低了30.4%和39.8%（圖1A）。用500 μmol·L-1SO2衍生物預(yù)處理后，Cd對根的生長抑制得到明顯緩解，幼苗根長顯著大于Cd單獨處理組（圖1A）。250 μmol·L-1Cd對根干重的影響不明顯，而500 μmol·L-1Cd處理組根干重顯著降低（圖1B）；用SO2衍生物預(yù)處理后，500 μmol·L-1Cd組根干重顯著大于Cd單獨處理組（圖1B）。結(jié)果表明，Cd對谷子根系生長具有明顯毒性，一定劑量的SO2預(yù)處理可以緩解Cd對幼根生長的毒性作用。

圖1 外源SO2衍生物對鎘脅迫下谷子幼苗根長和根干重的影響Figure 1 Effects of SO2derivates on length and dry weight of the roots of millet seedlings under Cd stress

2.2 鎘對谷子幼根的氧化脅迫及SO2的緩解作用

圖2 外源SO2衍生物對鎘脅迫下谷子幼根O-2·產(chǎn)生速率、H2O2和MDA含量的影響Figure 2 Effects of SO2derivates on O-2·generation rate and contents of H2O2and MDA in roots of millet seedlings under Cd stress

2.3 鎘對谷子幼根抗氧化酶活性的影響及SO2的緩解作用

Cd處理后，根部POD活性下降，GPX和CAT活性變化不明顯，SOD活性上升（圖3）。用SO2衍生物預(yù)處理后，Cd處理組POD、GPX活性均上升（圖3A至圖3B）；250 μmol·L-1Cd誘發(fā)的SOD活性升高被顯著抑制（圖3C）；Cd250+S500和Cd500+S500組CAT活性較Cd250和Cd500單獨處理組明顯下降（圖3D）。結(jié)果表明，Cd脅迫改變了谷子根細胞中的抗氧化酶活性，影響了細胞的氧化還原代謝過程，外源SO2可增強Cd脅迫下植株根部的POD、GPX活性，有助于清除ROS，緩解Cd造成的氧化脅迫。

2.4 鎘對谷子幼根GSH含量和GST活性的影響及SO2的緩解作用

Cd處理組根中GSH含量提高，GST活性升高。用SO2衍生物預(yù)處理后，250 μmol·L-1Cd組GSH含量顯著增加68.0%，500 μmol·L-1Cd組GST活性顯著升高，增幅為21.8%（圖4）。結(jié)果表明，Cd處理組谷子根部重要抗氧化分子GSH含量和代謝解毒酶GST活性升高，參與對Cd脅迫的應(yīng)答，施用SO2衍生物能提高250 μmol·L-1Cd組GSH水平，增強500μmol·L-1Cd組GST活性，進而提高植株對不同濃度Cd脅迫的適應(yīng)能力。

3 討論

圖3 外源SO2衍生物對鎘脅迫下谷子幼根POD、GPX、SOD及CAT活性的影響Figure 3 Effects of SO2derivates on activities of POD，GPX，SOD and CAT in roots of millet seedlings under Cd stress

圖4 外源SO2衍生物對鎘脅迫下谷子幼根GSH含量和GST活性的影響Figure 4 Effects of SO2derivates on GSH content and the activity of GST in roots of millet seedlings under Cd stress

根系是植物的重要組成部分，是植物生長發(fā)育、新陳代謝的重要營養(yǎng)器官。根系具有固著和支持植物體的作用，能夠吸收土壤中的水分和無機鹽并輸送到地上部供植株生長發(fā)育，還能合成和分泌多種化合物參與植物保護過程。因此，根系的生理狀態(tài)會直接影響植株的正常生長發(fā)育。土壤Cd污染對植物的影響最先發(fā)生在根部，根部所在環(huán)境污染物濃度高，污染物與根部接觸的時間長，致使植物根受害嚴重，影響植株的生長發(fā)育。本文研究Cd對谷子幼根的毒性及SO2衍生物的緩解作用，發(fā)現(xiàn)500 μmol·L-1SO2衍生物預(yù)處理可緩解Cd對幼根生長的抑制（圖1）。

Cd具有很強的毒性，可誘導(dǎo)植物體內(nèi)ROS大量積累，導(dǎo)致細胞氧化損傷。本研究采用的Cd處理能使谷子幼根中大量產(chǎn)生，H2O2水平升高，膜脂過氧化產(chǎn)物MDA含量提高；外源SO2衍生物在緩解Cd對谷子生長抑制的同時，明顯降低了根組織的ROS積累，阻止或減輕了Cd引發(fā)的膜脂氧化損傷（圖2）。這與王云等[11]、Liang等[12]的研究結(jié)果類似，他們也發(fā)現(xiàn)外施硫化合物可減輕Cd對小麥、小白菜等作物造成的氧化損傷。

為進一步分析SO2緩解Cd致谷子根系氧化損傷的機制，我們檢測了根系中抗氧化系統(tǒng)的變化。研究發(fā)現(xiàn)，SO2干預(yù)組根系POD和GPX活性提高，SOD和CAT活性下降（圖3），主要抗氧化酶活性的改變與Cd濃度有關(guān)，但兩個SO2干預(yù)組的MDA水平顯著低于Cd單獨處理組（圖2C），說明SO2處理能降低根組織氧化脅迫，緩解氧化損傷。POD可催化由H2O2參與的各種還原劑的氧化反應(yīng)，起到清除H2O2的作用，GPX利用GSH將脂質(zhì)過氧化物和H2O2還原成相應(yīng)的醇和H2O，由此SO2干預(yù)組POD和GPX升高對降低Cd引發(fā)的氧化脅迫起到了重要作用。SOD主要催化O-2·生成H2O2和O2，CAT催化H2O2生成H2O和O2。雖然SO2干預(yù)組生成速率降低的原因尚不明確，但SO2干預(yù)組SOD活性下降可能與同期酶底物減少（圖2）有一定關(guān)系，還會導(dǎo)致SOD產(chǎn)物H2O2減少，并可能引發(fā)下游H2O2分解酶CAT活性的降低。此外，作為植物細胞中重要的抗氧化酶，SOD和CAT有可能在SO2干預(yù)早期發(fā)揮作用。Zhu等[13]在研究SO2衍生物緩解小麥鋁毒害時發(fā)現(xiàn)，短期脅迫下（12～36 h），SO2衍生物能上調(diào)SOD、CAT和APX等多種抗氧化酶活性，他們也認為外源SO2通過上調(diào)植物體內(nèi)的抗氧化防御系統(tǒng)來提高植物對鋁的耐受性。

抗氧化系統(tǒng)由酶和非酶系統(tǒng)組成，非酶組分包括抗壞血酸、GSH等。研究表明GSH在植物抵抗Cd脅迫的過程中發(fā)揮了重要作用[14]。本研究結(jié)果顯示，SO2衍生物預(yù)處理能顯著增加250 μmol·L-1Cd處理組抗氧化分子GSH水平，大量積累的GSH一方面可通過氧化還原途徑清除ROS（圖5），另一方面參與植物螯合肽（PCs）的合成，合成的PCs與Cd2+結(jié)合，由細胞質(zhì)進入液泡，從而降低對細胞的毒害[15]，減少Cd脅迫引發(fā)的根系氧化損傷（圖5）。GST是植物細胞內(nèi)重要的解毒酶，能催化GSH與重金屬離子結(jié)合從而脫毒，還能結(jié)合胞內(nèi)的代謝廢物和有害物并將其轉(zhuǎn)運至胞外[16]。本研究結(jié)果顯示，SO2衍生物預(yù)處理能提高500 μmol·L-1Cd處理組的GST活性，GST活性升高可促進GSH與Cd結(jié)合，并可加速胞內(nèi)有害物的排出，從而減輕Cd的毒性，降低Cd對谷子生長的抑制。這也表明SO2干預(yù)效應(yīng)受Cd濃度影響。

圖5 SO2緩解谷子根系鎘脅迫機理示意圖Figure 5 The sketch map of SO2alleviation the toxicity of Cd stress in millet seedlings roots

4 結(jié)論

在250、500 μmol·L-1的Cd脅迫下，谷子幼苗根組織中ROS大量積累，膜脂過氧化損傷程度增加，根生長受到抑制。500 μmol·L-1外源SO2衍生物能夠通過以下兩種方式有效緩解Cd對谷子幼苗根系的毒性：（1）通過上調(diào)抗氧化酶系統(tǒng)的POD和GPX活性來清除ROS；（2）通過維持較高的GSH水平和提高GST活性來減少Cd引發(fā)的氧化損傷，并增強Cd解毒能力。目前，關(guān)于SO2衍生物緩解谷子根系鎘毒害的分子機制仍待探究，對于SO2衍生物是否能夠減少谷子地上部分的Cd積累，還需進一步明確。

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Sulfur dioxide alleviates cadmium toxicity in the roots of foxtail millet seedlings

WANG Ya-li,YI Hui-lan*,HAN Yan-sha
（School of Life Science,Shanxi University,Taiyuan 030006,China）

Sulfur is an essential element for plant growth and responses to environmental stress.We show that exogenous SO2derivates（SO2-3∶HSO-3,3∶1,mmol·L-1/mmol·L-1）alleviated cadmium（Cd）toxicity in foxtail millet（Setaria italica L.）seedlings,mainly focusing on seedling roots.The results show that 250 μmol·L-1and 500 μmol·L-1Cd markedly inhibited root growth,increased the production of reactive oxygen species（ROS）,and caused higher levels of lipid peroxidation product malondialdehyde（MDA）in roots of foxtail millet seedling.Compared to Cd treatment alone,pretreatment with 500 μmol·L-1SO2derivates weakened the inhibitory effects of Cd on root length and dry weight, and decreased the ROS and MDA levels in millet roots under Cd stress.Moreover,the activities of peroxidase（POD）,glutathione peroxidase（GPX）and glutathione S-transferase（GST）as well as glutathione（GSH）contents in SO2pretreatment groups were also significantly higher than those in Cd treatment alone.These results indicate that activities of POD,GPX and GST enzymes,and increase of GSH content induced by SO2pretreatment play important roles in plant adaptation to Cd stress.Our results suggest that SO2could alleviate Cd-induced toxicity through activating antioxidant enzymatic and non-enzymatic components,which could enhance the detoxication capacity in plants.

foxtail millet;sulfur dioxide;cadmium;root;antioxidant system

X503.231

A

1672-2043（2017）03-0443-06

10.11654/jaes.2016-1338

王亞麗，儀慧蘭，韓彥莎.SO2對谷子幼苗根系鎘脅迫的緩解作用[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2017,36（3）：443-448.

WANG Ya-li,YI Hui-lan,HAN Yan-sha.Sulfur dioxide alleviates cadmium toxicity in the roots of foxtail millet seedlings[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36（3）：443-448.

2016-10-21

王亞麗（1991—），女，山西長治人，在讀碩士，主要從事植物逆境生理研究。E-mail：810670551@qq.com

*通信作者：儀慧蘭E-mail：yihl@sxu.edu.cn

國家自然科學(xué)基金項目（30870454,30470318,31371868）；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目（20070108007,20121401110007）

Project supported：The National Natural Science Foundation of China（30870454，30470318，31371868）；The Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China（20070108007，20121401110007）