研究论文 正式出版 版本 4 Vol 9 (4) : 363-371 2018
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NO对Cd2+胁迫下绿豆幼苗DNA及光合作用的影响
Effects of NO on DNA and photosynthesis of mung bean seedlings under Cd2+ stress
: 2018 - 05 - 18
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摘要&关键词
摘要:为了探讨一氧化氮对重金属镉胁迫下绿豆DNA及光合作用的影响,以绿豆幼苗为试验材料,研究了外源一氧化氮(NO)处理对镉(Cd2+)胁迫3天和8天时幼苗叶片和根系DNA含量、DNA链间交联程度以及叶片光合参数的影响。结果显示:Cd胁迫处理下,叶片和根系DNA含量降低,DNA链间交联程度增加;叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、细胞间隙CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)下降,气孔限制值(Ls)升高,叶片光合能力(A0)、表观羧化效率(CE)、表观量子效率(F)降低。与Cd胁迫处理相比,Cd+SPN复合处理,提高了叶片和根系DNA含量,降低了DNA链间交联程度;同时使叶片Pn、Gs、Tr升高、而使Ci和Ls降低, A0、CE、F升高。结果说明,一氧化氮能缓解重金属镉胁迫对绿豆幼苗DNA含量及其结构的影响;镉通过气孔因素和非气孔因素抑制绿豆幼苗光合作用,而一氧化氮主要通过提高幼苗叶片叶肉细胞的光合活性,即非气孔因素缓解镉胁迫对幼苗光合作用的抑制。
关键词:一氧化氮;镉胁迫;绿豆;DNA;光合作用
Abstract & Keywords
Abstract: Background, aim, and scope With the acceleration of the industrialization process, heavy metal pollution has become one of the hot issues in the world. Cd2+ is a more common heavy metal pollutant, so the effect of Cd2+ stress on plants has been widely concerned. Previous studies have shown that Cd2+ stress has toxic effects on many aspects of plant growth and development, including plant DNA and photosynthesis. So, it is important to explore the safe and effective methods to alleviate the toxic effects of Cd2+ pollution on plants, but the researches on these topic are still less. Nitric oxide (NO) acting as a new signaling molecule plays an important role in plant growth and development, defence responses and stress resistance. Previous studies have shown that NO can alleviate the toxic effects of some stresses on plants, such as drought stress, salt stress, hot stress and low temperature stress. However, whether and how NO alleviates the toxic effects of heavy metal stresses on plants are still less known. The aim of this paper is to explore whether and how NO alleviates the toxic effects of Cd2+ stress on plant DNA and photosynthesis. Materials and methods In this study, seedlings of mung bean (Phaseolus raditus L. cv. Qindou-20) were used as plant materials, grown in plant growth chambers under a 14 h photoperiod (300-3500 μmol·m-2·s-1), at a day/night temperature cycle of 25±2℃/20±2℃ and a relative humidity of 75% and incubated in 1/2 Hoagland solution. After 33 h of seedling growth, all the seedlings were divided into four groups and transferred to 1/2 Hoagland solution alone (CK), 1/2 Hoagland solution containing 50 μmol·L-1 NO donor sodium nitroprusside (SNP), 1/2 Hoagland solution containing 5 μmol·L-1 CdCl2 (Cd2+) or 1/2 Hoagland solution containing 50 μmol·L-1 SNP and 5 μmol·L-1 CdCl2 (SNP+Cd2+), respectively. When seedlings were treated for 3 d and 8 d, the net photosynthetic rate (Pn), stomatal conductance (Gs), and intercellular CO2 concentration (Ci) were measured with a portable CIRAS-2 type photosynthesis system (PP Systems) and stomatal limitation (Ls) was calculated with the formula Ls=(Ao-Ai)/Ao×100%, where Ao is the Pn when Ci is equal to the atmospheric CO2 concentration, and Ai is the Pn at the atmospheric CO2 concentration. DNA contents and DNA hyperchromicity were measured with TU-1800s UV spectrophotometer. Results Compared to CK, Cd2+ stress alone reduced DNA content, enhanced the degree of cross-linking between DNA chains in leaves and roots, decreased Pn, Gs and Ci and increased Ls in leaves. Compared to Cd2+ stress alone, the combined treatment of exogenous NO and Cd2+ increased DNA content and decreased the cross-linking between DNA chains in leaves and roots, while Pn and Gs were increased, and Ci and Ls were decreased in leaves. Discussion In consistent with the results of previous studies, our results in this paper also show that Cd2+ stress has the toxic effects on plant DNA and photosynthesis. Furthermore, our results clearly show that exogenous NO can effectively alleviate the toxic effects of Cd2+ stress on plant DNA and photosynthesis. In addition, although previous studies have paid much attention on the inhibitory mechanisms of Cd2+ stress on photosynthesis, it is still unclear which factor between stomatal and nonstomatal limitations plays more important role during different stages of Cd2+ stress-inhibited photosynthesis. Our results in this paper indicate that the stomatal limitation plays a more important role during the early stage of Cd2+ stress-induced inhibition of photosynthesis. Combined with the previous results, we suggest that under Cd2+ stress, the inhibition of photosynthesis in mung bean leaves is the results of both stomatal and nonstomatal limitations, but the stomatal limitation is dominant during early stage, nonstomatal limitation becomes the dominant one during late stage. Moreover, our results also show that exogenous NO alleviates the inhibitory effects of Cd2+ stress on photosynthesis mainly by improving the photosynthetic activity of seedling mesophyll cells. Conclusions (1) Exogenous NO can effectively alleviate the toxic effects of Cd2+ stress on DNA and photosynthesis in mung bean seedlings; (2) Stomatal limitation plays a more important role during the early stage of Cd2+ stress-inhibited photosynthesis; (3) NO alleviates the inhibitory effects of Cd2+ stress on photosynthesis mainly by improving the photosynthetic activity of mesophyll cells. Recommendations and perspectives Although our results show that NO can effectively alleviate the toxic effects of Cd2+ stress on DNA and photosynthesis, the detailed mechanisms underlining these processes are still unclear, which should be studied in the future.
Keywords: NO; Cd2+ stress; mung bean seedlings; DNA; photosynthesis; ; ; ; 
随着工业化进程的加速,重金属污染已成为当今世界关注的热点问题之一。镉(Cd2+)是比较常见的重金属污染物,因此关于Cd2+胁迫对植物生活的影响已受到广泛关注(林单等,2010)。DNA是遗传信息的载体,其含量和正常结构的维持是生物体生命活动的基础。一些研究显示,Cd2+胁迫不仅能影响DNA的合成和降解,导致DNA含量的降低(Tuteja et al, 2001; 郭燕梅等,2008;林单等,2010),而且能引起DNA链的断裂、链内和链间的交联、甲基化水平、构象和多态性等多方面的改变(陈霞等,2001;Atienzar et al, 2002; 刘宛等,2006;马引利和佘小平,2006;李慧等,2010;张芬琴等,2012)。光合作用是植物最基本的物质代谢和能量代谢,是唯一能把太阳能转化为稳定的化学能贮藏在有机物中的过程。大量研究表明,Cd2+胁迫能降低植物光合速率、气孔导度、光合色素含量、光系统的光化学效率、光合电子传递效率、光合磷酸化效率和光合碳同化过程中许多酶的活性,也能导致聚光色素复合体的解聚和叶绿体结构的破坏(Weigel et al, 1985; Ghoshroy and Nadakavukaren, 1990; Padmaja et al, 1990; Sheoran et al, 1990; Malik et al, 1992; 陈国祥等,1999)。尽管前人对Cd2+胁迫影响光合作用的机制进行了大量研究,但对Cd2+胁迫抑制光合作用过程中到底是气孔限制还是叶肉细胞光合活性的变化起了主要作用却并不清楚。同时,探寻安全而有效的防护措施来缓解Cd2+污染对植物的毒害作用,进而提高农作物的产量已显得尤为重要,但目前该方面的研究仍较薄弱。
一氧化氮(NO)是一种新型信号分子,在植物的生长发育、防御反应以及抗逆性等方面都发挥着重要的作用(Fancy et al, 2017)。已有研究表明NO能缓解一些逆境对植物的毒害效应,如:外源 NO提高植物抗旱性(李蕾蕾,2016);增强农作物的抗寒性(马向丽等,2005;牟雪姣和张远兵,2015);减轻盐胁迫下植物叶片的膜脂过氧化(陈明等,2004);延缓植物在盐胁迫和高温胁迫下叶片叶绿素的降解,维持光系统Ⅱ的高活性(Akio et al, 2002)等。然而,目前关于NO对重金属胁迫抑制植物生长发育的影响的研究工作较少,特别是外源NO对重金属Cd2+胁迫下农作物的影响的研究工作更少。
基于以上分析,本研究以生长发育初期的绿豆幼苗为试验对象,使用水培施Cd2+和SNP(外源性NO供体硝普钠)的方法,借助光合测定仪测定和SPSS17.0软件分析手段,研究了一氧化氮对镉胁迫下绿豆幼苗DNA及光合作用的影响,旨在探讨一氧化氮是否能有效缓解重金属胁迫对植物的毒害效应及其作用机制,同时为有效防护重金属污染对农作物的影响,保障农作物的正常新陈代谢和提高产量提供理论依据。
1   材料与方法
1.1   材料培养及处理
绿豆(Phaseolus raditus L. cv. Qindou-20)种子购于陕西省西安市雁塔区种子公司。种子经0.1%HgCl2溶液消毒5 min后立即用流水冲洗干净,再用去离子水冲洗3次,然后于暗中、25℃温箱内预萌发60 h。选择萌发一致的种子培养于盛有去离子水的塑料管中,置于光照培养箱(昼/夜温度25±2℃/20±2℃,相对湿度75%,每日光照14 h,光强为300-350 μmol·m-2·s-1)中培养。
培养33 h后,保持上述条件不变,进行以下四种处理: 对照组(CK):用1/2 Hoagland营养液培养; NO供体硝普钠(SNP)处理组(SNP):用含50 μmol·L-1 SNP的1/2 Hoagland营养液培养; 重金属镉胁迫处理组(Cd):先用1/2 Hoagland营养液培养24 h后,改用含5 μmol·L-1 CdCl2的1/2 Hoagland营养液一直培养;④ 镉胁迫和SNP复合处理组(Cd+SNP):先用含50 μmol·L-1 SNP的1/2 Hoagland营养液培养24 h后,改用含50 μmol·L-1 SNP和5 μmol·L-1 CdCl2的1/2 Hoagland营养液一直培养。
每处理组30株幼苗,每天更换一次处理液,在处理后的第3天(3 d)和第8天(8 d)取幼苗的叶片和根进行相关指标测定。
1.2   DNA的提取
采用CTAB法提取绿豆幼苗叶片DNA和根DNA:分别称取处理3 d和8 d的叶片各0.8 g,处理3 d和8 d的根各1.0 g,加入4oC冷藏的DNA提取液(2 g·L-1 CTAB,1.4 mol·L-1 NaCl,20 mmol·L-1 EDTA,100 mmol·L-1 Tris-HCl和2 mL·L-1巯基乙醇)1.5 mL充分研磨至匀浆,装入2 mL离心管内,60oC水浴中保温40 min,期间不时轻轻摇动。冷却后12000 r/min离心20 min,取上清液加RNA酶10 μL,摇匀于37oC水浴中保温40 min,加等体积氯仿-异戊醇(24:1,v/v)于12000 r/min离心15 min,取上清液再加等体积氯仿-异戊醇(24:1,v/v)再次抽提蛋白质(12000 r/min,15 min)。异丙醇沉淀DNA,70%乙醇洗涤两次。将洗涤后的DNA沉淀于通风柜中风干,溶于80 mL TE缓冲液(10 mmol·L-1 Tris-HCl,1 mmol·L-1 EDTA,pH8.0)中,-20oC保存备用。
1.3   DNA含量测定
分别取上述叶片和根系DNA提取液20 μL,用TE缓冲液稀释至3 mL,在TU-1800S型紫外-可见分光光度计上测定A260和A280,以A260值估算DNA得率,以A260/A280比值判断DNA样品的纯度。DNA含量以μg·g-1 DW表示。
1.4   DNA增色效应测定
分别取两份上述各处理叶片和根系DNA样品各20 μL,溶于3 mL 0.08 mol·L-1 NaCl溶液中,一份在70oC水浴中加热,另一份置于室温(25oC)下。30 min后分别在TU-1800S型紫外-可见分光光度计上测定A260,以[(A260,70℃A260,25℃)/A260,25℃]×100%作为DNA增色效应指标。
1.5   光合指标的测定
净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、细胞间隙CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)均用便携式CIRAS-2型光合测定仪(PP Systems公司制造)测定。每项光合指标的测定均选取绿豆幼苗第一对真叶。测定过程叶室温度25 oC,CO2浓度390 ppm,光强1000 µmol·m-2·s-1。测定时间为每日13:30-16:00。试验重复3次以上。
Pn/f(Ci)响应曲线的Ca浓度梯度依次为:0、25、50、75、100、150、200、300、600、900、1200 μmol·mol-1,Pn/PAR响应曲线的PAR梯度依次为:1200、900、600、300、200、150、100、75、50、25、0 μmol·m-2·s-1
利用SPSS17.0分析软件分别对Pn/Ci和Pn/PAR响应曲线进行拟合,得到表观羧化效率(CE)、表观量子效率()等指标。CE和分别为Pn/Ci和Pn/PAR响应曲线的直线部分的斜率。气孔限制值(Ls)根据Farquhar and Sharkey (1982)的理论由Pn/Ci和Pn/Ca两条响应曲线计算得出。Ls=(Ao-Ai)/Ao×100%,式中Ao为Ci等于大气CO2浓度时幼苗叶片的Pn,Ai为大气CO2浓度下幼苗叶片的Pn
2   试验结果
2.1   NO对Cd2+胁迫下绿豆幼苗DNA的影响
2.1.1   NO对Cd2+胁迫下绿豆幼苗DNA含量的影响


图1   NO对Cd2+胁迫3 d(A和B)和8 d(C和D)绿豆幼苗叶片(A和C)和根系(B和D)DNA含量的影响
注:本文各分图中a,b,c,d表示处理组间的差异显著性,相同字母表示差异不显著(P=0.05)。
Fig.1 Effects of NO on the DNA contents in the leaves (A and C) and roots (B and D) of mung bean seedling under Cd2+ stress for three days (A and B) and eight days (C and D)
Note: a, b, c, d in the diagram of this article show the significant difference between the treatment groups, and the same letter indicates that the difference is not significant ( p = 0.05 )
图1表明,NO供体SNP单独处理对绿豆幼苗叶片和根系的DNA含量基本没有影响;Cd胁迫处理3 d和8 d均极显著的降低了绿豆幼苗叶片和根系的DNA含量(P<0.05);而Cd+SNP复合处理时,叶片和根系的DNA含量降低均得到极显著的抑制(P<0.05),但仍低于对照组叶片和根系的DNA含量。与Cd胁迫处理相比,Cd+SNP处理3 d使绿豆幼苗叶片和根系的DNA含量分别增加了51.48%和31.46%,处理8 d使叶片和根系DNA含量分别增加31.85%和44.62%。这表明NO处理显著减缓了Cd2+胁迫对绿豆幼苗叶片和根系DNA含量的影响。
2.1.2   NO对Cd2+胁迫下绿豆幼苗DNA链间交联的影响


图2   NO对Cd2+胁迫3 d(A和B)和8 d(C和D)绿豆幼苗叶片(A和C)和根系(B和D)DNA增色效应的影响
Fig.2 Effects of NO on the DNA hyperchromicity in the leaves (A and C) and roots (B and D) of mung bean seedling under Cd2+ stress for three days (A and B) and eight days (C and D)
由图2可知,与对照相比,SNP处理对绿豆幼苗叶片和根系的DNA增色效应均无显著影响,Cd胁迫处理3 d和8 d时叶片和根系的DNA增色效应均极显著的降低(P<0.05);Cd+SNP复合处理,极显著的缓解了Cd胁迫处理造成的叶片和根系DNA增色效应的降低(P<0.05)。与Cd胁迫处理相比,Cd+SNP处理3 d使绿豆幼苗叶片和根系DNA增色效应分别增加了52.37%和59.85%,处理8 d使叶片和根系DNA增色效应分别增加214.60%和83.66%。
DNA增色效应反映了DNA链间的交联程度。增色效应越低,说明DNA两条链间交联程度越大。由试验结果可知,Cd2+胁迫引起绿豆幼苗叶片和根系DNA链间交联程度增高;NO对正常生长条件下幼苗DNA链间交联程度无明显影响,但能显著抑制Cd2+胁迫造成的DNA链间交联。
2.2   NO对Cd2+胁迫下绿豆幼苗光合作用的影响
2.2.1   NO对Cd2+胁迫下绿豆幼苗净光合速率(Pn)的影响
图3显示,与对照相比,SNP单独处理3 d对绿豆幼苗叶片Pn无明显影响,处理8 d时有一定的抑制;Cd胁迫处理3 d和8 d均极显著降低了绿豆幼苗叶片PnP<0.05)。与Cd胁迫处理相比, Cd+SNP复合处理绿豆幼苗叶片Pn均极显著升高(P<0.05),复合处理3 d和8 d比Cd胁迫处理Pn分别升高了40.36%和63.03%。说明NO缓解了Cd2+胁迫对绿豆幼苗光合作用的抑制。


图3   NO对Cd2+胁迫3 d(A)和8 d(B)绿豆幼苗Pn的影响
Fig.3 Effects of NO on Pn of mung bean with Cd2+ for three days (A) and eight days (B)
2.2.2   NO对Cd2+胁迫下绿豆幼苗气孔导度(Gs)的影响
光合作用固定的CO2主要是通过气孔进入植物体内,因而气孔的开放和关闭必然影响植物的光合作用。图4表明,与对照相比,SNP单独处理、Cd胁迫处理、Cd+SNP复合处理3 d和8 d的绿豆幼苗叶片Gs均极显著下降(P<0.05),其中以Cd胁迫处理最为严重。但复合处理3 d和8 d的Gs比Cd胁迫处理分别提高了45.19%和66.23%。各处理下气孔导度的变化趋势与光合速率的变化趋势基本相同。


图4   NO对Cd2+胁迫3 d(A)和8 d(B)绿豆幼苗Gs的影响
Fig.4 Effects of NO on Gs of mung bean with Cd2+ for three days (A) and eight days (B)
2.2.3   NO对Cd2+胁迫下绿豆幼苗细胞间隙CO2浓度(Ci)的影响
由图5可知,与对照相比,SNP单独处理、Cd胁迫处理、Cd+SNP复合处理3 d和8 d的绿豆幼苗叶片Ci均极显著下降(P<0.05)。Cd+SNP复合处理的Ci略低于Cd胁迫处理。


图5   NO对Cd2+胁迫3 d(A)和8 d(B)绿豆幼苗Ci的影响
Fig.5 Effects of NO on Ci of mung bean with Cd2+ for three days (A) and eight days (B)
2.2.4   NO对Cd2+胁迫下绿豆幼苗气孔限制值(Ls)的影响
由图6可知,与对照相比,SNP单独处理下绿豆幼苗叶片Ls稍有下降,Cd胁迫处理Ls则显著升高(P<0.05)。Cd+SNP复合处理3 d和8 d的绿豆幼苗叶片Ls比Cd胁迫处理分别降低了42.66%和20.74%,但仍高于对照。


图6   NO对Cd2+胁迫3 d(A)和8 d(B)绿豆幼苗Ls的影响
Fig.6 Effects of NO on Ls of mung bean with Cd2+ for three days (A) and eight days (B)
2.2.5   NO对Cd2+胁迫下绿豆幼苗蒸腾速率(Tr)的影响
图7显示,与对照相比,SNP单独处理3 d对绿豆幼苗叶片Tr无明显影响,处理8 d时有一定程度的抑制,但不显著; Cd胁迫处理均极显著抑制了Tr(P<0.05)。与Cd胁迫处理相比, Cd+SNP复合处理下绿豆幼苗叶片Tr极显著升高(P<0.05),复合处理3 d和8 d时Tr比Cd胁迫处理分别升高了36.98%和52.15%。


图7   NO对Cd2+胁迫3 d(A)和8 d(B)绿豆幼苗Tr的影响
Fig.7 Effects of NO on Tr of mung bean under Cd2+ for three days (A) and eight days (B)
2.2.6   NO对Cd2+胁迫下绿豆幼苗光合能力(A0)的影响


图8   NO对Cd2+胁迫3d(A)和8d(B)绿豆幼苗A0的影响
Fig.8 Effects of NO on A0 of mung bean under Cd2+ for three days (A) and eight days (B)
图8所示,与对照相比,SNP单独处理对绿豆幼苗叶片A0无显著影响,Cd胁迫处理3d和8d时A0极显著降低(P<0.05);Cd+SNP复合处理A0比Cd胁迫处理极显著升高(P<0.05),恢复到对照水平。与Cd胁迫处理相比,Cd+SNP复合处理3d和8d绿豆幼苗叶片A0分别升高了42.51%和31.88%。
2.2.7   NO对Cd2+胁迫下绿豆幼苗表观羧化效率(CE)的影响
图9可见,与对照相比, SNP单独处理对绿豆幼苗叶片CE影响不大,Cd胁迫处理下CE极显著降低(P<0.05),Cd+SNP复合处理CE极显著高于Cd胁迫处理(P<0.01)。Cd+SNP复合处理3d和8d时绿豆幼苗叶片CE比Cd胁迫处理分别升高了20.46%和30.9%。


图9   NO对Cd2+胁迫3d(A)和8d(B)绿豆幼苗CE的影响
Fig.9 Effects of NO on CE of mung bean under Cd2+ for three days (A) and eight days (B)
2.8   NO对Cd2+胁迫下绿豆幼苗表观量子效率()的影响
图10表明,与对照相比,SNP单独处理对绿豆幼苗叶片影响不大,Cd胁迫处理极显著降低(P<0.05)。Cd+SNP复合处理极显著高于Cd胁迫处理(P<0.05),Cd+SNP复合处理3d和8d时绿豆幼苗叶片分别高于Cd胁迫处理60.0%和33.93%。


图1   0 NO对Cd2+胁迫3d(A)和8d(B)绿豆幼苗的影响
Fig.10 Effects of NO on  of mung bean under Cd2+ for three days (A) and eight days (B)
3   讨论及结论
3.1   NO对Cd2+胁迫下绿豆幼苗DNA含量和链间交联的影响
生物的生命活动与DNA表达密不可分,重金属胁迫常导致DNA结构和含量的变化而影响其正常表达,这不仅影响生物遗传的稳定性,而且影响其本身的正常生长发育(Tuteja et al, 2001)。陈霞等(2001)以鲑鱼精子DNA为试验样品,通过紫外测量、圆二色谱及喇曼光谱测量,结果表明Cd2+可与DNA发生作用,并且使DNA构象发生变化。在植物中,前人研究也表明Cd2+不仅影响DNA的代谢,而且导致DNA链断裂、交联和碱基错误配对等结构的变化(刘宛等,2006;郭燕梅等,2008;李慧等,2010;林单等,2010;张芬琴等,2012)。Koch等(1994)指出,DNA增色效应可反映DNA的解链程度,而DNA解链程度与其链长及链间交联程度有关,DNA断裂会使链长变短因而增色效应提高,DNA链间交联则使增色效应下降,因此前人常用DNA增色效应的结果判断DNA是否断裂以及是否发生了链间交联等损伤效应(马引利和佘小平,2006;李慧等,2010)。与前人研究结果相一致,本文试验结果表明,Cd2+胁迫3 d和8 d导致绿豆幼苗叶片和根系DNA含量和DNA增色效应均极显著降低(P<0.01)(图1,2),说明Cd2+导致绿豆幼苗叶片和根系DNA代谢受到抑制,DNA链间交联程度加剧。DNA链间交联抑制转录过程,DNA含量的大幅度降低也影响功能mRNA的形成,因而不管是DNA交联还是DNA含量降低均对植物的正常生长发育是有害的,它们势必导致植物的生理伤害和生长受阻,这与Cd2+胁迫抑制绿豆幼苗的生长的研究结果是一致的(李艳艳等,2012)。
陈明等(2004)发现NO供体SNP能明显减轻NaCl胁迫对小麦幼苗根生长的抑制效应,这与其阻断盐胁迫诱导的根尖细胞DNA的片段化有关。李艳艳等(2012)的研究发现外源NO处理能明显缓解Cd2+胁迫对绿豆幼苗生长的抑制效应,但该缓解效应是否与外源NO处理抑制了Cd2+胁迫下绿豆幼苗DNA含量降低和DNA链间交联的发生有关却并不清楚。本文试验结果显示,NO供体SNP和重金属Cd2+复合处理显著提高了Cd2+胁迫3 d和8 d的绿豆幼苗叶片和根系的DNA含量(图1)和DNA增色效应(图2)(P<0.05),说明NO能缓解重金属Cd2+胁迫对绿豆幼苗DNA结构及其代谢的影响,这可能是NO缓解Cd2+胁迫对植物生长的抑制效应的原因之一。
3.2   NO对Cd2+胁迫下绿豆幼苗光合作用的影响
目前,普遍认为Cd2+胁迫对植物光合作用的毒性主要与其干扰光合链的电子传递和导致光合酶失活等有关(郭燕梅等,2008;李慧等,2010),如:研究显示植物受Cd2+胁迫时,光合作用暗反应过程中许多酶的活性降低(Sheoran et al, 1990; Malik et al, 1992);Cd2+影响光合膜和光系统-Ⅱ的结构等(Weigel, 1985; Ghoshroy and Nadakavukaren, 1990; Padmaja et al, 1990; 陈国祥等,1999);光合作用的顺利进行与光合底物CO2的供应密切相关,而目前关于Cd2+胁迫抑制光合作用是否也与其影响光合底物CO2的供应有关却并不清楚。Farquhar and Sharkey (1982)将限制光合作用的因素归纳为两大类:一是与CO2供应有关的因素,主要包括界面层及气孔对CO2的扩散阻力,其中以气孔阻力影响最大,可简称为气孔因素;二是与光能转化和碳同化有关的叶肉因素,统称为非气孔因素。根据Farquhar and Sharkey (1982)的理论,Gs和Ci降低而Ls增加时,Pn降低的主要原因为气孔因素,而Pn降低伴随着Ci升高时,Pn降低的主要原因一定是非气孔因素(许大全,1997)。本文结果显示,与对照相比,Cd2+胁迫3 d和8 d时绿豆幼苗的Pn、Gs和Ci均显著降低,而Ls却显著升高(P<0.01)(图5-8),说明Cd2+胁迫3 d和8 d时导致绿豆幼苗Pn降低的原因是气孔因素。Tr显著降低(图9)也说明气孔大小的改变导致水分的蒸腾量减少。
A0是Ls为零时的叶肉细胞的光合速率,是衡量叶肉细胞本身光合能力的一个重要指标。CE直接反映叶肉细胞本身对CO2的羧化状况。虽然不是PSⅡ光化学效率的直接指标,但能在一定程度上反映PSⅡ光学效率。本研究同时显示(图10-12),Cd2+胁迫下,绿豆幼苗A0、CE、极显著降低。表明Cd2+胁迫导致绿豆幼苗光合速率降低与叶肉细胞光合活性的降低有关,属非气孔因素。光合作用碳同化过程中羧化酶羧化效率降低造成了叶肉细胞光合活性降低,光合作用光反应能力的减弱是造成幼苗叶肉细胞光合活性降低的另一个原因。
本文试验中Cd2+胁迫处理时间较短,结合前人较长时间的Cd2+胁迫处理或高强度Cd2+胁迫处理对植物叶肉因素影响的测定结果(Ghoshroy and Nadakavukaren, 1990; Padmaja et al, 1990; Sheoran et al, 1990; Malik et al, 1992; 陈国祥等,1999),我们认为Cd2+胁迫抑制光合作用是气孔因素和非气孔因素共同作用的结果。
李蕾蕾等(2016)发现,外源NO处理能够增加干旱胁迫下玉米幼苗叶绿体结构稳定性,减轻PSII反应中心的受损程度,提高光合碳同化过程相关基因的表达及酶活性,进而缓解了干旱对玉米幼苗光合作用的抑制;王松等(2016)研究表明,外源NO通过诱导上调NaCl胁迫下番茄幼苗光合色素含量、PSII的光化学反应活性以及降低光抑制,从而缓解了NaCl胁迫对番茄幼苗生长的抑制;孙德智等(2014)也表明外施SNP能有效抑制NaCl胁迫下番茄幼苗叶片光合色素含量、Pn和Gs的下降以及Ci的升高。可见,外源NO对干旱和盐等逆境条件下植物光合作用的影响已有较多研究,但关于外源NO对重金属Cd2+胁迫下植物光合作用影响的研究却较少。本文结果显示(图5-9),SNP和重金属Cd2+复合处理下,虽然Pn 、Gs 和Tr显著高于Cd2+胁迫处理,但Ci略低于Cd2+胁迫处理,Ls明显低于Cd2+胁迫处理。说明NO通过非气孔因素减弱Cd2+胁迫对绿豆幼苗光合作用的抑制。这与前人表明的NO缓解干旱和盐胁迫等逆境抑制植物光合作用的机制是一致的(孙德智等,2014;李蕾蕾等,2016;王松等,2016)。本研究结果还显示(图10-12),SNP和重金属Cd2+复合处理下,A0 、CE、均极显著高于Cd2+胁迫处理。再次证明,NO通过非气孔因素(提高叶肉细胞光合活性)来消减Cd2+胁迫对绿豆幼苗光合作用的抑制。
综上所述,镉胁迫处理导致了绿豆幼苗DNA代谢及其结构的损伤,并通过气孔因素和非气孔因素抑制了绿豆幼苗叶片的光合作用。而一氧化氮处理能明显缓解镉胁迫对绿豆幼苗DNA代谢及其结构的损伤,并通过提高幼苗叶肉细胞的光合活性(非气孔因素),缓解了镉胁迫对绿豆幼苗光合作用的抑制,进而增强了植物对重金属胁迫的抵抗力。
致谢
陈国祥, 施国新, 何兵, 等. 1999. Hg、Cd对莼菜越冬芽光合膜光化学活性及多肽组分的影响 [J]. 环境科学学报, 19(5): 521-525. [Chen G Y, Shi G X, He B, et al. 1999. Effect of mercury and cadmium on photochemical activity and polypeptide compositions of photosynthetic membranes from winter bud of Brasenia schreberi [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 19(5): 521-525.]
陈明, 沈文飚, 阮海华, 等. 2004. 一氧化氮对盐胁迫下小麦幼苗根生长和氧化损伤的影响 [J]. 植物生理与分子生物学学报, 30(5): 569-576. [Chen M, Shen W B, Ruan H H, et al. 2004. Effects of nitric oxide on root growth and its oxidative damage in wheat seedlings under salt stress [J]. Journal of Plant Physiology and Molecular Biology, 30(5): 569-576.]
陈霞, 杨文胜, 靳健, 等. 2001. Cd2+离子诱导的DNA构象变化[J]. 高等学校化学学报, 22(7): 1228-1229. [Chen X, Yang W S, Jin J, et al. 2001. Cd2+ ions induced conformation change of DNA [J]. Chemical Journal of Chinese Universities, 22(7): 1228-1229.]
郭燕梅, 王昌全, 李冰. 2008. 重金属镉对植物的毒害研究进展[J]. 陕西农业科学, 54(3): 122-125. [Guo Y M, Wang C Q, Li B. 2008. Research progress on the toxic effect of heavy metal cadmium on plants [J]. Journal of Shaanxi Agriculture Sciences, 54(3): 122-125.]
李慧, 丛郁, 王宏伟, 等. 2010. 镉对草莓幼苗根尖氧化系统和基因组 DNA 损伤的影响 [J]. 园艺学报, 37(5): 721-730. [Li H, Cong Y, Wang H W, et al. 2010. Effects of cadmium stress on oxygen enzyme system and genome DNA polymorphism in the root tips of strawberry plants [J]. Acta Horticulturae Sinica, 37(5):721-730.]
李蕾蕾. 2016. 外源NO对干旱条件下玉米幼苗光合特性及抗氧化酶系统的影响[D]. 郑州:河南农业大学. [Li L L. 2016. Effects of exogenous nitric oxide on photosynthetic characteristics and antioxidant enzyme system of maize seedlings under drought stress [D]. Zhengzhou: Henan Normal University.]
李艳艳, 李华, 贺军民. 2012. 外源NO处理对镉胁迫下绿豆幼苗生长的影响 [J]. 陕西农业科学, 58(6): 55-59,76. [Li Y Y, Li H, He J M. 2012. Effects of exogenous NO on growth of mung bean seedlings under cadmium stress [J]. Journal of Shaanxi Agriculture Sciences, 58(6): 55-59, 76.]
林单, 任妲妮, 杨奇贤, 等. 2010. 近10年我国植物对重金属Cd耐性研究文献分析[J]. 农业图书情报学刊, 22(6): 13-17. [Lin D, Ren D N, Yang Q X, et al. 2010. Analysis of bibliography on cadmium tolerance of plants research in recent ten years in china [J]. Journal of Library and Information Sciences in Agriculture, 22(6): 13-17]
刘宛, 郑乐, 李培军, 等. 2006. 镉胁迫对大麦幼苗基因组 DNA 多态性影响 [J]. 农业环境科学学报, 25(1): 19-24. [Liu W, Zheng L, li P J, et al. 2006. Effects of cadmium stress on DNA polymorphism of genome in barley seedlings [J]. Journal of Agro-Environment Science, 2006, 25(1): 19-24.]
马向丽, 魏小红, 龙瑞军, 等. 2005. 外源一氧化氮提高一年生黑麦草抗冷性机制 [J]. 生态学报, 25(6): 1269-1274. [Ma X L, Wei X H, Long R J, et al. 2005. Studies on mechanism of enhancing the chilling resistance of annual ryegrass by exogenous nitric oxide [J]. Acta Ecologica Snica, 25(6): 1269-1274.]
马引利, 佘小平. 2006. 铝、镉对小麦幼苗生长的影响及其 DNA 损伤效应研究[J]. 西北植物学报, 26(4): 729-735. [Ma Y L, She X P. 2006. Effects and DNA damages of Al3+ and Cd2+ in wheat seedlings [J]. Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica, 26(4): 729-735.]
牟雪姣, 张远兵. 2015. NO调节植物低温胁迫抗性机制研究进展[J]. 长江大学学报(自科版), 12(21): 34-38, 46. [Mu X J, Zhang Y B. 2015. Research advances on mechanism of NO regulating resistance to low temperature [J]. Journal of Yangze University (Natural Science Edition), 12(21): 34-38, 46. ]
孙德智, 杨恒山, 彭靖, 等. 2014. 外源SA和NO对NaCl胁迫下番茄幼苗生长、光合及离子分布的影响 [J]. 生态学报, 34(13): 3519-3528. [Sun D Z, Yang H S, Peng J, et al. 2014. Effects of exogenous salicylic acide and nitric oxide on growth, photosynthesis, and ion distribution in tomato seedlings under NaCl stress [J]. Acta Ecologica Sinica, 34(13): 3519-3528.]
王松, 莘冰茹, 周艳, 等. 2016. 外源NO对NaCl胁迫下番茄幼苗生长及光合特性的影响[J]. 石河子大学学报(自然科学版), 34(03): 321-327. [Wang S, Shen B R, Zhou Y, et al. 2016. Effect of exogenous nitric oxide on growth and photosynthetic characteristics in tomato seedling under NaCl stress [J]. Journal of Shihezi University (Natural Science), 34(03): 321-327.]
许大全. 1997. 光合作用气孔限制分析中的一些问题[J]. 植物生理学通讯, 33(4): 241-244. [Xu D Q. 1997. Some problem in stomatal limitation analysis of photosynthesis [J]. Plant Physiology Communications, 33(4): 241-244.]
张芬琴, 张红晓, 沈振国. 2012. Cd 胁迫下不同耐性豆科植物根内活性氧产生与基因组 DNA 多态性变化[J]. 生态学杂志, 31(9): 2330-2336. [Zhang F Q, Zhang H X, Shen Z G. 2012. Reactive oxygen production and genome DNA polymorphism change in root tip tissues of two leguminous species with different tolerance under Cd2+ stress [J]. Chinese Journal of Ecology, 31(9): 2330-2336.]
Akio U, Andre T J, Takashi H, et al. 2002. Effects of hydrogen peroxide and nitric oxide on both salt and heat stress tolerance in rice [J]. Plant Science, 163: 515-523.
Atienzar F A, Venier P, Jha A N. 2002. Evaluation of the random amplified polymorphic DNA ( RAPD) assay for the detection of DNA damage and mutations [J]. Mutation Research, 521:151-163.
Fancy N N, Bahlmann A, Loake G J. 2017. Nitric oxide function in plant abiotic stress [J]. Plant, Cell and Environment, 40: 462-472.
Farquhar G D, Sharkey T D. 1982. Stomatal conductance and photosynthesis [J]. Annual Review of Plant Physiology, 33: 317-345.
Ghoshroy S, Nadakavukaren M J. 1990. Influence of cadmium on the ultrastructure of developing chloroplasts in soybean and corn [J]. Environmental and Experimental Botany, 1990, 30: 187-192.
Koch C J, Giandomenico A R. 1994. The alkaline elution technique for measuring DNA single strand breaks: increased reliability and sensitivity [J]. Analytical Biochemistry, 220(1): 58-65.
Malik D, Sheoran I S, Singh R. 1992. Carbon metabolism in leaves of cadmium treated wheat seedlings [J]. Plant Physiology and Biochemistry, 30: 223-229.
Padmaja K, Parsad D D K, Parsad A R K. 1990. Inhibition of chlorophyⅡ synthesis in Phaseolus vulgaris L. seedlings by cadmium acetate [J]. Photosynthetica, 24: 399-404.
Sheoran I S, Singal H R, Singh R. 1990. Effect of cadmium and nickel on photosynthesis and the enzymes of the photosynthetic carbon reduction cycle in pigeon pea (Cajanus cajan L. ) [J]. Photosynthesis Research, 23: 345-351.
Tuteja N, Singh M B, Misra M K, et al. 2001. Molecular mechanisms of DNA damage and repair: Progress in plants [J]. Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology [J], 36(4): 337-397.
Weigel H J. 1985. Inhibion of photosynthetic reactions of isolated intact chloroplast by cadmium [J]. Plant Physiology, 119: 179-189.
稿件与作者信息
李惠民1,2,罗芬兰1,贺军民1
LI Hui-min1,2, LUO Fenlan1, HE Jun-min1
国家自然科学基金项目(31570397);陕西省自然科学基础研究计划项目(2016JZ008);陕西省科技厅科技计划项目(2017NY-195);商洛职业技术学院2017年度重大课题(2017JXKT07)
National Natural Science Foundation of China (31570397); Natural Science Research Plan of Shaanxi Province of China (2016JZ008); Science and Technology Program of Shaanxi Science and Technology Bureau(2017NY-195; Major Issues of Shangluo Vocational and Technical College in 2017(2017JXKT07)
出版历史
出版时间: 2018年5月18日 (版本4
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地球环境学报
Journal of Earth Environment