李冬琴,王麗麗,李智鳴,黎華壽,陳桂葵*
(1.嶺南師范學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,廣東 湛江524048;2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南熱帶農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州510642;3.廣州草木蕃環(huán)境科技有限公司,廣州510640)
鎘(Cadmium,Cd)是生物非必需元素,其毒害效應(yīng)已受到人們的廣泛關(guān)注[1-2]。Cd進(jìn)入土壤環(huán)境中容易被植物吸收,可通過食物鏈進(jìn)入人體,不僅造成貧血、高血壓、骨痛病等疾病,而且還具有潛在的致癌作用,嚴(yán)重威脅食品安全、人體健康及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[3-4],是被公認(rèn)的對(duì)人類最具威脅的主要有毒金屬之一。由于Cd的移動(dòng)性強(qiáng)、毒性高、污染面積大而被稱為“五毒之首”[5]。長期以來,植物對(duì)重金屬污染的抗性(耐性)問題一直是污染生態(tài)學(xué)等研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。
水稻(Oryza sativaL.)是我國,尤其是南方地區(qū)主要的糧食作物,且品種繁多[6]。據(jù)研究,水稻品種不同對(duì)Cd 的吸收積累存在很大差異[7]。Cd 脅迫誘導(dǎo)植株體內(nèi)產(chǎn)生活性氧(Reactive oxygen species,ROS),使細(xì)胞受到傷害,導(dǎo)致代謝紊亂,因此破壞植物正常的生理生化功能。為了抵御Cd 的毒害作用,植物進(jìn)化了一系列抗性機(jī)制,如抗氧化酶和抗氧化劑清除活性氧的毒害;抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)(AsA-GSH)系統(tǒng)維持細(xì)胞氧化還原平衡:液泡的區(qū)室化和外排機(jī)制;植物體內(nèi)螯合物與Cd結(jié)合解除Cd的毒害[8-10]。
非蛋白巰基(Non-protein thiols,NPT)化合物主要包括還原型谷胱甘肽(Reduced glutathione,GSH)、植物螯合肽(Phytochelatins,PCs)和半胱氨酸(Cysteine,Cys)等,是植物體內(nèi)的一類多肽。植物體內(nèi)的GSH、PCs、Cys 以及金屬硫蛋白(Metallothionein,MTs)等巰基物質(zhì)可與細(xì)胞內(nèi)游離的Cd離子配位結(jié)合轉(zhuǎn)化成絡(luò)合態(tài)存在于細(xì)胞質(zhì)或運(yùn)輸?shù)揭号葜衃11],從而減輕細(xì)胞質(zhì)受到的Cd 毒害。PCs 在對(duì)Cd 的解毒、防御Cd引起的氧化脅迫和代謝方面具有重要作用。早在1990 年Verkleij 等[12]的報(bào)道中就表明,根系所吸收的Cd 至少有60%是以PC-Cd 復(fù)合物形式存在[12]。在水稻(Oryza sativa)、谷子(Setaria italicaL.)、擬南芥(Arabidopsis thaliana)、小麥(Triticum aestivum)、蓖麻(Ricinus communis)、大豆(Glycine max)等植物中證實(shí)了巰基物質(zhì)在Cd 的螯合、固定等方面起著重要作用[13-18]。PCs是在植物螯合肽合成酶的作用下以GSH為底物合成的多肽。GSH是低分子量的抗氧化劑,對(duì)植物新陳代謝的維持起到很重要的作用[19]。GSH 具有清除自由基、抵抗過氧化損傷、保護(hù)酶和結(jié)構(gòu)蛋白及膜系統(tǒng)的功能[11]。此外,與GSH代謝密切相關(guān)的解毒酶——谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶(Glutathione S-transferase,GST)在Cd 解毒過程中也發(fā)揮了重要作用[20]。GSH 在GST 的作用下可與細(xì)胞內(nèi)的Cd離子絡(luò)合形成復(fù)合物,將有毒物質(zhì)轉(zhuǎn)移到液泡內(nèi)[21-22],以達(dá)到緩解Cd 毒害的作用。范業(yè)賡等[23]發(fā)現(xiàn),甘蔗葉片在Cd 脅迫下GSH 和NPT 含量有上升的趨勢(shì),產(chǎn)生的GSH 和NPT可以有效地清除活性氧及自由基,阻止膜脂過氧化。高可輝[24]的研究表明,水稻幼苗體內(nèi)的GSH含量隨處理時(shí)間的延長而逐漸增加,同樣說明GSH 對(duì)水稻解除Cd 的毒害發(fā)揮重要作用。然而,水稻品種不同在Cd 脅迫下的解毒過程不同,巰基物質(zhì)含量對(duì)水稻Cd 污染較敏感[25]。Cd 脅迫對(duì)Cd 高低積累型水稻非蛋白巰基含量的影響機(jī)制研究不足,不利于指導(dǎo)解決水稻種植過程中遭受Cd脅迫的問題。
本實(shí)驗(yàn)基于前期研究篩選出的高低Cd積累型水稻品種[26],通過營養(yǎng)液沙培的方式,研究高低Cd 積累型水稻品種Cd 含量與非蛋白巰基化合物之間的關(guān)系,以及在Cd 脅迫下NPT(包括GSH 和PCs)和GST活性的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,為揭示不同積累型水稻Cd 解毒的生理機(jī)制提供理論依據(jù),也可為耐Cd 脅迫且低Cd 積累的水稻品種的選用和選育提供有效的生物學(xué)途徑。
本實(shí)驗(yàn)選取的材料為前期實(shí)驗(yàn)篩選出的Cd高積累型水稻品種欣榮優(yōu)2045 和低積累型水稻品種優(yōu)I2009[26]。采用營養(yǎng)液沙培方法,探討Cd 脅迫下不同耐性水稻中NPT、GSH、PC、GST、過氧化氫(H2O2)和硫代巴比妥酸反應(yīng)產(chǎn)物(TBARS)的動(dòng)態(tài)變化。培養(yǎng)基質(zhì)為經(jīng)干熱滅菌的河沙(150 ℃滅菌2 h,滅菌后50 ℃烘干備用)。將滅菌后的河沙裝入雙層嵌套使用的塑料杯(透明塑料杯的體積為700 mL,規(guī)格為9 cm×6.5 cm×10.5 cm),其中里面的塑料杯底部穿孔以方便更換營養(yǎng)液,外層塑料杯四周和底部用黑色遮光袋包住,以免光照對(duì)根系生長造成影響。
挑選飽滿的水稻種子用10%的H2O2消毒10 min,用無菌水清洗干凈,以除去H2O2,再用蒸餾水浸泡48 h,期間每日換水4 次。待種子露白后在溫度為25 ℃,相對(duì)濕度為75%的人工氣候箱暗箱中催芽24 h,挑選發(fā)芽一致的水稻種子均勻播種于裝好河沙的塑料杯中(1 kg·杯-1)。營養(yǎng)液參照國際水稻研究所(IRRI)推薦的水稻常規(guī)營養(yǎng)液配方配制(表1)。將水稻放置于人工氣候箱中進(jìn)行培養(yǎng),條件為:光照時(shí)間為14 h·d-1,光照強(qiáng)度為3000 lx,晝/夜溫度為28 ℃/25 ℃,晝/夜相對(duì)濕度為80%/75%。每2 d更換一次營養(yǎng)液。待幼苗長至四葉一心時(shí),進(jìn)行CdCl2處理。根據(jù)文獻(xiàn)研究設(shè)定Cd2+處理濃度為50 μmol·L-1。樣品分別在處理前(0,對(duì)照)和第1、3、5、7 d收獲。每個(gè)處理重復(fù)3次,每杯種植水稻2株。
1.2.1 植物樣品的前處理
水培實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,小心采集水稻幼苗樣品,用自來水洗凈根系河沙及地上部雜物后用去離子水徹底清洗,然后將幼苗從基部剪開,分為根部和地上部。樣品一部分用于Cd含量的測(cè)定,另一部分存于-80 ℃超低溫冰箱冷藏供各項(xiàng)生理生化指標(biāo)測(cè)定。
表1 水稻常規(guī)營養(yǎng)液配方(mg·L-1)Table 1 Conventional nutrient solution formula for rice(mg·L-1)
1.2.2 植物樣品中Cd含量的測(cè)定
稱取0.1 g 鮮樣,用硝酸和高氯酸的混酸(4∶1)消解后,用石墨爐原子吸收(ZEEnit700P,德國耶拿)測(cè)定樣品中Cd含量。
1.2.3 GSH和GST活性的測(cè)定
GSH 和GST 活性采用南京建成試劑盒推薦方法測(cè)定。蛋白含量測(cè)定用考馬斯亮藍(lán)染色法[27],以結(jié)晶牛血清蛋白(BSA)為標(biāo)準(zhǔn)蛋白。組織中GST活性(U·mg-1prot):規(guī)定每毫克組織蛋白在37 ℃反應(yīng)1 min,扣除非酶促反應(yīng),使反應(yīng)體系中GSH 濃度降低1 μmol·L-1為一個(gè)酶活力單位。
1.2.4 NPT 和PCs 含量的測(cè)定
稱取1.00 g 水稻鮮樣,加4 mL 5%磺基水楊酸(SSA)冰浴研磨,12 000g離心15 min(4 ℃),上清液定容至10 mL。分袋保存。
NPT 物質(zhì)含量測(cè)定采用Rama Devi 等[28]的方法:反應(yīng)體系為1 mL 上清液與1.85 mL 0.2 mol·L-1的Tris-HCl(pH 8.2)和0.15 mL 10 mol·L-1的5,5-雙二硫(2-硝基苯甲酸)(DTNB),反應(yīng)20 min 后用多功能酶標(biāo)儀于412 nm 處測(cè)定吸光值,以不加DTNB 為空白。以GSH為-SH標(biāo)樣,做標(biāo)準(zhǔn)曲線。
PCs含量用差減法計(jì)算[29],即:PCs=NPT-GSH
1.2.5 H2O2和TBARS含量的測(cè)定
稱取1.00 g 鮮樣,加4.8 mL 5%三氯乙酸(TCA)冰浴研磨,12 000g離心15 min(4 ℃),上清液定容至10 mL。分裝保存。
H2O2的測(cè)定參照J(rèn)ana 等[30]的方法:取1 mL 上清液,加0.3 mL 0.1%(m/V)硫酸鈦[溶于20%(V/V)硫酸],410 nm下讀數(shù)(25 ℃)。
TBARS 含量參照Heath 等[31]的測(cè)定方法:取2 mL上清液,加2 mL 0.5%(m/V)TCA 于試管,搖勻后保鮮膜封口,95 ℃水浴30 min,冰浴終止。由532 nm 和600 nm下吸收度的差值計(jì)算TBARS含量。
1.2.6 數(shù)據(jù)分析
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤(Mean±Stand error)表示,采用Microsoft Excel 2010和SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析,并用Duncan′s 檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性分析。
隨Cd 脅迫時(shí)間的延長,兩品種水稻對(duì)Cd 的吸收積累均呈顯著上升趨勢(shì)(圖1)。在處理的第7 d 時(shí),欣榮優(yōu)2045 和優(yōu)I2009 地上部對(duì)Cd 的吸收量均達(dá)到最大值,分別為59.80 mg·kg-1FW 和20.74 mg·kg-1FW,與第1 d 相比,增加了1.92 倍和3.10 倍;欣榮優(yōu)2045 和優(yōu)I2009 的根系對(duì)Cd 的吸收量也在第7 d 時(shí)達(dá)到最大值,分別為252.84 mg·kg-1FW 和126.54 mg·kg-1FW,與第1 d 相比,增加了2.26 倍和1.84 倍。而且各個(gè)處理時(shí)間段,無論是地上部還是根系,欣榮優(yōu)2045對(duì)Cd的吸收積累均顯著高于優(yōu)I2009。
如圖2所示,兩品種水稻的H2O2含量隨處理時(shí)間的延長呈逐漸上升趨勢(shì),第7 d 時(shí),欣榮優(yōu)2045 和優(yōu)I2009 地上部的H2O2含量達(dá)最高值,分別為6.57 μmol·g-1和9.19 μmol·g-1,相較于對(duì)照,分別上升了45%和78%;欣榮優(yōu)2045 和優(yōu)I2009 根系H2O2的含量在第7 d 時(shí)也均達(dá)到最高值,分別為4.89 μmol·g-1和6.28 μmol·g-1,相較于對(duì)照,分別上升了1.14倍和1.32倍。綜上所述,優(yōu)I2009 體內(nèi)H2O2含量上升的幅度大于欣榮優(yōu)2045,說明隨處理時(shí)間的延長,優(yōu)I2009 受Cd的毒害作用更大。
圖1 水稻幼苗積累Cd的動(dòng)態(tài)變化Figure 1 Dynamic changes of Cd accumulation in rice seedling
圖2 Cd脅迫對(duì)H2O2含量的影響Figure 2 Effect of cadmium stress on H2O2content
隨時(shí)間延長,兩品種水稻地上部和根系的TBARS 含量的變化趨勢(shì)與H2O2相似(圖3)。欣榮優(yōu)2045 地上部的TBARS 含量在第1、3、5、7 d 比對(duì)照分別增加了7%、29%、59%和74%,優(yōu)I2009 地上部的TBARS 含量分別上升了12%、56%、72%和120%;欣榮優(yōu)2045 根系TBARS 的含量在第1、3、5、7 d 比對(duì)照分別上升了6%、19%、28%和61%,優(yōu)I2009 根系的TBARS 含量分別上升了22%、32%、53%和64%。綜上所述,優(yōu)I2009體內(nèi)TBARS 含量上升的幅度大于欣榮優(yōu)2045,同樣說明優(yōu)I2009 水稻品種對(duì)Cd 的耐受性相較于欣榮優(yōu)2045更弱。
如圖4 所示,隨Cd 處理時(shí)間的延長,兩品種水稻地上部和根系NPT 的含量呈先升后降的趨勢(shì)。NPT含量在第5 d 時(shí)達(dá)到最大值,與其對(duì)照相比,欣榮優(yōu)2045 和優(yōu)I2009 地上部的NPT 含量分別增加了107%和48%,根系含量增加了1.38 倍和5.13 倍。在第7 d時(shí),兩品種水稻的NPT 含量均顯著下降。在各個(gè)Cd處理時(shí)間段,欣榮優(yōu)2045 的NPT 含量(尤其是根系)均高于優(yōu)I2009。
隨Cd 脅迫時(shí)間的延長,欣榮優(yōu)2045 和優(yōu)I2009體內(nèi)GSH 含量的變化趨勢(shì)差異很大(圖5)。欣榮優(yōu)2045 體內(nèi)的GSH 含量呈逐漸上升趨勢(shì),第7 d 時(shí)達(dá)到最大值,地上部和根系分別為178.43 nmol·g-1和161.97 nmol·g-1,相較于對(duì)照分別增加了2.09 倍和1.06 倍;而優(yōu)I2009 體內(nèi)的GSH 含量則呈先升后降的變化趨勢(shì),第3 d時(shí)達(dá)到最大值,地上部和根系分別為118.35 nmol·g-1和149.23 nmol·g-1,相較于對(duì)照增加了86%和2.33 倍,第7 d 時(shí),地上部和根系含量分別降為79.97 nmol·g-1和64.48 nmol·g-1,相較于第3 d 分別下降了32%和57%。
兩種水稻地上部和根系PCs 含量的變化與NPT含量的變化趨勢(shì)一致(圖6)。欣榮優(yōu)2045和優(yōu)I2009地上部的NPT 含量在第5 d 時(shí)達(dá)到最大值,分別為420.35 nmol·g-1和437.76 nmol·g-1,與其對(duì)照相比增加了97%和47%;而欣榮優(yōu)2045 和優(yōu)I2009 根系的PC 含量分別為720.05 nmol·g-1和508.38 nmol·g-1,與其對(duì)照相比增加了1.51 倍和8.37 倍。在第7 d 時(shí),兩個(gè)水稻品種的PCs含量均顯著下降。
圖3 Cd脅迫對(duì)TBARS含量的影響Figure 3 Effect of cadmium stress on TBARS content
圖4 Cd脅迫對(duì)NPT含量的影響Figure 4 Effect of cadmium stress on NPT content
隨Cd 脅迫時(shí)間的延長,兩品種水稻地上部GST活性都呈先升后降的趨勢(shì)(圖7),第3 d 時(shí)活性均達(dá)到最高,為145.90 U·mg-1(欣榮優(yōu)2045)和146.67 U·mg-1(優(yōu)I2009),比對(duì)照上升了70%(欣榮優(yōu)2045)和129%(優(yōu)I2009),第3 d 后GST 活性顯著下降,到第7 d時(shí),下降了31%(欣榮優(yōu)2045)和51%(優(yōu)I2009)。
兩品種水稻根系GST活性亦呈先升后降的趨勢(shì),其中GST 活性最大的是第3 d 和第5 d,欣榮優(yōu)2045的GST 活性分別為287.33 U·mg-1和282.20 U·mg-1,比對(duì)照增加了95%和91%;優(yōu)I2009 的GST 活性分別為264.01 U·mg-1和266.94 U·mg-1,比對(duì)照增加了1.11倍和1.13 倍。到第7 d 時(shí),兩品種水稻的GST 活性均顯著下降,相較于第5 d,欣榮優(yōu)2045 和優(yōu)I2009 分別下降了36%和50%。
同一條件下,不同品種水稻間和不同器官間Cd的吸收和積累存在差異。這種差異主要是由水稻內(nèi)外部形態(tài)結(jié)構(gòu)的差異、不同品種對(duì)Cd 的生理生化反應(yīng)機(jī)制以及水稻植株對(duì)Cd 吸收轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制的不同所致[32]。本研究中,隨Cd 脅迫時(shí)間的延長,兩品種水稻對(duì)Cd 的吸收積累量為欣榮優(yōu)2045>優(yōu)I 2009,且根部>地上部,這與我們前期的研究一致[26]。
在Cd 脅迫下,植物體內(nèi)產(chǎn)生的大量ROS 導(dǎo)致植物體內(nèi)代謝紊亂。植物細(xì)胞產(chǎn)生的H2O2是ROS 的主要產(chǎn)物,其含量可反映機(jī)體內(nèi)脂質(zhì)過氧化程度和細(xì)胞損傷程度,而TBARS 是植株體內(nèi)脂類過氧化物的最終產(chǎn)物,其含量水平通??捎脕矸从持仓暝馐苎趸{迫的水平。隨Cd 脅迫時(shí)間的延長,兩品種水稻的H2O2和TBARS 含量逐漸上升,而Cd 低積累品種優(yōu)I2009 體內(nèi)的H2O2和TBARS 含量上升的幅度大于欣榮優(yōu)2045(圖2 和圖3),說明優(yōu)I2009 受Cd 的毒害作用比欣榮優(yōu)2045更大。
圖5 Cd脅迫對(duì)GSH含量的影響Figure 5 Effect of cadmium stress on GSH content
圖6 Cd脅迫對(duì)PCs含量的影響Figure 6 Effect of cadmium stress on PCs content
圖7 Cd脅迫對(duì)GST含量的影響Figure 7 Effect of cadmium stress on GST content
為抵御Cd 脅迫,植物體內(nèi)產(chǎn)生的非蛋白巰基物質(zhì)(GSH、PCs、Cys 等)絡(luò)合Cd 是重要的解毒機(jī)制之一[11]。巰基物質(zhì)與Cd 形成的絡(luò)合物減少了細(xì)胞質(zhì)中自由Cd離子的濃度,或?qū)⑵溥\(yùn)輸?shù)揭号葜袇^(qū)隔,形成區(qū)室化作用[21-22,33]。GSH是植物體內(nèi)重要的抗氧化劑和信號(hào)物質(zhì)[11],是在生物體胞內(nèi)代謝過程和遭受氧化脅迫時(shí)產(chǎn)生的H2O2的最有效清除劑之一[34]。本研究中,隨Cd 脅迫時(shí)間的延長,欣榮優(yōu)2045 的GSH 含量逐漸上升,與H2O2活性呈正相關(guān),而優(yōu)I2009 表現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì),說明欣榮優(yōu)2045 在清除活性氧的功能方面表現(xiàn)出更強(qiáng)的解毒能力,而優(yōu)I2009在Cd脅迫前期表現(xiàn)出對(duì)Cd 脅迫的應(yīng)激反應(yīng),但在Cd 脅迫后期可能是因?yàn)檫^多ROS 的生成超出了其清除范圍,因此GSH含量逐漸下降。兩品種水稻隨Cd脅迫時(shí)間的延長,NPT 和PCs 含量呈先上升后下降的趨勢(shì),說明Cd 脅迫后水稻幼苗可通過誘導(dǎo)前期(1~5 d)NPT和PCs 的合成來減輕Cd 對(duì)水稻幼苗的毒害作用,這屬于水稻幼苗應(yīng)對(duì)Cd脅迫的自救機(jī)制。并且欣榮優(yōu)2045的NPT含量高于優(yōu)I2009,說明Cd高積累型品種合成更多的NPT 與Cd 絡(luò)合,解毒能力更強(qiáng)[25]。Cd 脅迫后期,NPT 和PCs 的含量下降,可能的原因是隨Cd脅迫時(shí)間的延長,Cd 引起的過氧化損傷不斷加劇,打破了植物體內(nèi)ROS 產(chǎn)生和清除的動(dòng)態(tài)平衡,使其誘導(dǎo)NPT 和PCs合成的能力下降,說明兩種水稻NPT 和PC的合成能力存在一個(gè)Cd脅迫時(shí)間的閾值。
GST是生物體內(nèi)重要的解毒酶,與GSH代謝密切相關(guān),可保護(hù)細(xì)胞免受Cd的毒害[20]。GST還具有過氧化物酶的功能,能平衡H2O2的產(chǎn)生和清除[35]。本研究中,兩品種水稻隨Cd 脅迫時(shí)間的延長,GST 活性呈先上升后下降的趨勢(shì),因?yàn)樵贑d脅迫下,H2O2等活性氧不斷生成,而在植物防御機(jī)制中起著重要作用的GST活性也隨之升高,以減輕Cd 的毒害作用,但隨Cd 脅迫時(shí)間的延長,GST 活性下降,表明水稻抗氧化系統(tǒng)對(duì)Cd 的耐受性有一定的時(shí)間限值,超過這一時(shí)間限值時(shí),未被清除的活性氧會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生不可逆的損傷,GST 的解毒作用被抑制,致使其酶活性下降。通過比較兩品種水稻的GST 活性(圖7)發(fā)現(xiàn),同一時(shí)間段欣榮優(yōu)2045 高于優(yōu)I2009,說明不同Cd 積累型水稻的GST 活性對(duì)Cd脅迫的應(yīng)答機(jī)制存在一定的基因型差異,這可能與兩品種GST 同功酶的組成、表達(dá)和功能不同有關(guān)[20,36-37]。
隨Cd 脅迫時(shí)間的延長,兩品種水稻的H2O2和TBARS 含量逐漸增加,同時(shí)也不同程度地刺激了兩品種水稻NPT(包括GSH 和PCs)的合成和GST 的生成,且Cd 低積累型品種優(yōu)I2009 遭受的氧化脅迫水平和膜脂過氧化程度大于Cd 高積累型品種欣榮優(yōu)2045。但是,當(dāng)Cd 脅迫超過一定的時(shí)間限值時(shí),兩品種水稻所合成的NPT 和生成的GST 活性均被抑制。此外,Cd 高積累型水稻品種欣榮優(yōu)2045 可以通過合成更多的NPT 與Cd 絡(luò)合來清除活性氧,相較于Cd 低積累型水稻品種,優(yōu)I2009 表現(xiàn)出更強(qiáng)的解毒能力。