外源6-BA对镉胁迫下茄子幼苗生长、光合特性和内源激素含量的影响

杨晓春,朱宗文,张爱冬,吴雪霞,查丁石

(上海市农业科学院园艺研究所,上海市设施园艺技术重点实验室,上海201403)

镉(Cd)是重金属中的有毒金属之一。近年来,由于矿业开采、工业“三废”排放和污水灌溉等人为活动,使得农田土壤中Cd过度累积[1-2];而且我国农田长期不合理施用化肥,导致土壤酸化以及有机质含量降低,引起农田土壤中Cd的活性显著增强,危害农作物的正常生长及产量和品质[3-4]。前人研究表明,Cd胁迫对植物毒害主要表现为:抑制植物生长,影响植物抗氧化系统、光合作用和激素变化等生理代谢过程[5-8]。

6-苄基腺嘌呤(6-BA)是一种较活跃的人工细胞分裂素,可促进植物细胞分裂,打破植物休眠、促进种子萌发和花芽形成,延缓花卉、果实的衰老等植物生长发育过程[9]。6-BA在提高植物抗逆性方面有着积极的作用[10-11]。刘凯歌等[12]研究表明,10 μmol∕L 6-BA有利于高温胁迫下抗氧化酶活性的升高及光能的捕获与转换,可有效缓解高温胁迫伤害,维持甜椒幼苗的正常生长。尚宏芹等[13]研究表明,叶面喷施一定浓度的6-BA能够提高Hg2+胁迫下小麦幼苗叶片的可溶性糖和可溶性蛋白含量,显著提高小麦幼苗叶片的过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)活性及抗坏血酸(AsA)、谷光甘肽(GSH)含量,降低脱氢抗坏血酸(DHA)和氧化型谷胱甘肽(GSSG)含量,提高小麦幼苗叶片的AsA∕DHA和GSH∕GSSG比值,从而缓解Hg2+胁迫对小麦幼苗生长的抑制作用。

植物内源激素是植物体自身代谢产生的痕量信号分子,对于植物的生长发育以及环境应答具有重要意义,目前已知的植物激素主要包括生长素(IAA)、脱落酸(ABA)、赤霉素(GA)和细胞分裂素(CTK)[14-15]。研究表明,不同内源激素均在植物非生物胁迫中起着重要的作用[16],外源IAA可以缓解Cd2+对茄子幼苗生长、光合特性和抗氧化系统的胁迫[17],外源ABA可以通过限制Cd2+进入胡杨细胞,缓解Cd2+毒害[18],6-BA通过诱导提高番茄幼苗抗氧化酶活性来缓解NaCl胁迫对其细胞膜的伤害和对光合的抑制[19]。

本课题组在前期工作中发现,10 μmol∕L 6-BA处理通过促进盐胁迫下茄子幼苗光合作用,提高抗氧化酶活性,降低活性氧(ROS)水平,缓解盐胁迫对茄子幼苗生长的抑制作用,增强植株抗盐胁迫的能力[20]。目前,关于6-BA对Cd胁迫下茄子幼苗生长、光合特性和内源激素含量影响的研究未见报道。茄子(Solanum melongenaL.)是我国重要的蔬菜作物,本试验首先筛选茄子Cd2+胁迫下的适宜浓度,然后在此基础上探讨叶面喷施6-BA对Cd2+胁迫下茄子幼苗生长、叶绿素含量、光合气体参数以及内源激素含量的影响机理,以期寻找缓解蔬菜植物Cd2+胁迫的有效途径,为利用细胞分裂素类物质调控蔬菜作物的抗Cd性能提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试茄子材料为 ‘沪茄08-1’,耐Cd2+中等,由上海市农业科学院园艺研究所提供。6-BA购自Sigma公司,使用前先用95%的乙醇溶解,用蒸馏水配制1 mmol∕L的母液,4℃保存,用时按试验所需浓度进行稀释。Cd供体为氯化镉(CdCl2·2.5H2O,国产分析纯)。

1.2 试验处理

选取均一、饱满的茄子种子,55℃温水浸种后播于直径10 cm、高10 cm的塑料营养钵中,以蛭石作基质,每钵播1粒种子,共100粒种子。真叶展开后每2 d浇1次1∕4浓度日本园试营养液,每株浇50 mL,3片真叶后每株浇80 mL。当幼苗具有3—4片真叶时,选取生长一致的幼苗进行试验处理。

1.2.1 研究不同浓度Cd2+胁迫对茄子幼苗生长的影响,筛选合适的Cd2+浓度(试验Ⅰ)

试验设置 Cd2+浓度 0(CK)、0.01 mmol∕L、0.05 mmol∕L、0.1 mmol∕L、0.2 mmol∕L(含 1∕8 浓度日本园试营养液)5个水平,叶面喷施茄子幼苗,每株50 mL,连续进行5 d,以便茄子幼苗充分吸收Cd2+,测量茄子幼苗电导率和形态学指标,筛选合适的Cd2+浓度。

1.2.2 研究外源6-BA对Cd2+胁迫下茄子幼苗生长、光合作用和激素含量的影响(试验Ⅱ)

根据试验Ⅰ结果,0.05 mmol∕L和0.1 mmol∕L Cd2+为合适的胁迫浓度,既对茄子幼苗产生胁迫作用,又不会造成严重的Cd2+毒害。试验Ⅱ共设置6个处理,以喷施6-BA浓度为0、不进行Cd2+胁迫的处理为对照(CK)、S0(10 μmol∕L 6-BA)、S1(0.05 mmol∕L Cd2+)、S2(0.1 mmol∕L Cd2+)、S3(0.05 mmol∕L Cd2++10 μmol∕L 6-BA)、S4(0.1 mmol∕L Cd2++10 μmol∕L 6-BA),分别于处理 4 d 和 8 d 选取幼苗生长点下第 2片完全展开叶测定气体交换参数和激素含量等指标,8 d后测定生长指标和叶绿素含量,每处理10株,3次重复。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 生长指标测定

利用直尺测量幼苗株高(子叶节至生长点),游标卡尺测量茎粗,去离子水冲洗植株并吸干水分,称量地上部鲜重和根系鲜重。

1.3.2 电导率测定

电导率参照Zhao等[21]的方法测定。将鲜样冲洗干净,再用蒸馏水冲洗2次,用打孔器取样0.3 g,装入大试管,加15 mL蒸馏水,抽气3次,室温摇动24 h,用电导仪测电导率E1,然后封口沸水浴25 min,冷却,平衡10 min后测电导率E2,同时测蒸馏水电导率E0。

相对电导率(%)=(E1-E0)∕(E2-E0)×100%

1.3.3 叶绿素含量

参照Zhu等[22]的方法测定并计算叶绿素a(Chl a)、叶绿素b(Chl b)和叶绿素a+b(Chl a+b)的含量,用 mg∕g(FW)表示。

1.3.4 气体交换参数

利用Li-6400光合仪(美国Li-COR公司生产)测定幼苗叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和胞间 CO2浓度(Ci),测定时光照强度约 800 μmol∕(m2·s),CO2浓度为(400 ±10) μmol∕μmol。

1.3.5 内源激素含量测定

内源激素的提取和测定参照张国斌等[23]的酶联免疫法(ELISA),测定样品中的CTK、IAA、ABA含量。称取1.0 g样品,加入4 mL含100 mg聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的80%甲醇提取液,弱光冰浴研磨,匀浆转入10 mL离心管,置4℃下提取4 h,250 r∕min离心15 min,取上清液,过Sep-PakC18柱纯化2次,滤液定容至1.5 mL。试剂盒购自Sigma公司。

1.4 统计分析

每个指标测定重复3次,取平均值。数据采用Origin软件绘图,使用SPSS统计软件对平均数用Duncan新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同浓度Cd2+处理对茄子幼苗生长的影响

由表1可以看出,不同浓度Cd2+处理对茄子幼苗电导率和生长的影响程度不同。与CK相比,0.01 mmol∕L Cd2+处理电导率无显著变化,0.05—0.2 mmol∕L Cd2+处理使电导率显著升高,分别提高了5.76%、33.83%和64.13%;0.01 mmol∕L Cd2+处理使茄子幼苗地上部鲜重和根系鲜重均显著增加,0.05—0.2 mmol∕L Cd2+处理使茄子地上部和根系鲜重显著降低。因此,在试验I中,选择0.05 mmol∕L和0.1 mmol∕L Cd2+处理作为茄子的临界浓度。

表1 不同浓度Cd2+对茄子幼苗生长的影响Table 1 Effects of different contents of Cd2+on the growth of eggplant seedlings

2.2 外源6-BA对Cd2+胁迫下茄子幼苗生长的影响

由表2可知,与CK相比,S0处理下茄子幼苗株高、茎粗、地上部鲜重和根系鲜重均显著提高,S1和S2处理的上述生长指标均显著降低,S1处理分别降低了3.98%、9.63%、8.12%和9.59%,S2处理分别降低了6.99%、11.93%、13.65%和20.47%,S1处理的株高、地上部鲜重和根系鲜重均显著高于S2处理,S1和S2处理间茎粗无显著差异。S3处理的株高、茎粗、地上部鲜重和根系鲜重均显著高于S1处理,S4处理显著高于S2处理。

表2 外源6-BA对Cd2+胁迫下茄子幼苗生长的影响Table 2 Effects of exogenous 6-BA on the growth of eggplant seedlings under Cd2+stress

2.3 外源6-BA对Cd2+胁迫下茄子幼苗叶绿素含量的影响

由表3可知,S0处理的茄子幼苗Chl a、Chl b和Chl a+b含量与CK相比均无显著增加,S1和S2处理的以上三个指标均显著低于CK,且S2处理显著低于S1处理。S3、S4处理的茄子幼苗Chl a、Chl b和Chl a+b含量与S1、S2相比均显著增加,S3处理显著高于S4处理。

表3 外源6-BA对Cd2+胁迫下茄子幼苗叶绿素含量的影响Table 3 Effects of 6-BA on chlorphyll contents of eggplant seedlings under Cd2+stress mg·g-1FW

2.4 外源6-BA对Cd2+胁迫下茄子幼苗光合气体交换参数的影响

图1A、B和D表明,与CK相比,S0处理4 d、8 d时的茄子幼苗叶片净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)均显著升高,气孔导度(Gs)无显著变化;S1、S2处理的Pn、Gs和Tr均显著降低,S2处理比S1处理的下降幅度大,胁迫8 d比4 d下降幅度大。S3处理的Pn、Gs和Tr胁迫4 d、8 d时均显著高于S1处理,S4处理显著高于S2处理。

图1 外源6-BA对Cd2+胁迫下茄子幼苗叶片光合作用的影响Fig.1 Effects of exogenous 6-BA on photosynthesis of eggplant seedling leaves under Cd2+stress

由图1C可知,S0处理的胞间CO2浓度(Ci)在处理4 d、8 d时与CK相比均无显著变化,S1、S2处理的Ci均显著升高,前者升高幅度均小于后者,处理时间越长,升高幅度越大。S3处理4 d、8 d时的Ci均显著低于S1处理,S4处理低于S2处理。

2.5 外源6-BA对Cd2+胁迫下茄子幼苗叶片和根系内源激素含量的影响

由图2A、B可以看出,与CK相比,S0、S1处理8 d时的叶片CTK含量均显著增加,S2处理4 d和8 d时的叶片和根系CTK含量均显著提高。S3处理8 d时的叶片CTK含量与S1处理相比显著增加,S4处理4 d、8 d时的叶片和根系CTK含量与S2处理相比均显著升高。

图2C、D表明,与CK相比,S0处理8 d时的叶片IAA显著增加,S1和S2处理4 d和8 d时的叶片和根系IAA含量均显著低于S0处理。S3处理4 d和8 d时的叶片和根系IAA含量均显著高于S1处理,S4处理均显著高于S2处理。

由图2E、F可知,S0处理8 d时的叶片ABA与CK相比显著降低,S1、S2处理4 d、8 d时的叶片和根系ABA含量均显著高于S0处理。S3处理4 d和8 d时的叶片和根系ABA含量均显著低于S1处理,S4处理均显著低于S2处理。

从图2可以看出,相同处理下,叶片的激素CTK、IAA和ABA含量均大于根系的。随时间延长,CK、S0处理以上3种激素变化不显著;S1—S4处理CTK、IAA含量均降低、ABA含量增加。随Cd2+胁迫浓度增加,S1—S4处理CTK、IAA含量均降低、ABA含量增加。

图2 外源6-BA对Cd2+胁迫下茄子幼苗叶片(左)和根系(右)激素含量的影响Fig.2 Effects of exogenous 6-BA on the endogenous hormone contents in shoot(left)and root(right)of eggplant seedling under Cd2+stress

2.6 外源6-BA对Cd2+胁迫下茄子幼苗叶片和根系CTK∕ABA、IAA∕ABA比值的影响

由图3A、B可知,与CK相比,S0处理8 d时叶片和根系的CTK∕ABA比值均显著增加,S1、S2处理4 d、8 d时叶片和根系的CTK∕ABA比值均显著降低。S3处理4 d和8 d时叶片和根系的CTK∕ABA比值均显著高于S1处理,S4处理均显著高于S2处理。

由图3C、D可以看出,除S0处理4 d时的叶片IAA∕ABA比值与CK相比无显著变化外,其余S0处理的IAA∕ABA比值均显著升高,S1、S2处理4 d和8 d时的叶片和根系IAA∕ABA比值均显著低于S0处理。与CTK∕ABA比值的变化趋势相同,S3处理4 d和8 d时的叶片和根系IAA∕ABA比值均显著高于S1处理,S4处理均显著高于S2处理。

图3 外源6-BA对Cd2+胁迫下茄子幼苗叶片(左)和根系(右)激素含量比值的影响Fig.3 Effects of exogenous 6-BA on the endogenous hormone content ratio in shoot(left)and root(right)of eggplant seedling under Cd2+stress

3 讨论

前人研究表明,Cd2+胁迫对植物生长有抑制作用,导致生物量积累下降[5,17]。本试验表明,一定浓度Cd2+胁迫下,茄子幼苗株高、茎粗、地上部和根系鲜重的累积量均减少,说明茄子生长受到抑制;外源6-BA有效缓解了Cd2+胁迫对以上生长指标的影响,促进了茄子幼苗生长,这与吴雪霞等[10]研究外源6-BA对茄子Zn2+胁迫的结果一致。

叶绿素是植物进行光合作用的主要色素,逆境胁迫引起叶绿素的破坏与降解,导致光合作用效率降低,影响作物的产量和质量。Ahmad等[7]、Ci等[24]研究发现Cd2+胁迫下叶绿素含量降低,光合作用受到抑制。本研究表明,茄子幼苗叶片Chl a、Chl b和Chl a+b含量在Cd2+胁迫下均显著下降,外源6-BA使Cd2+胁迫下叶绿素含量提高,减缓了对叶绿素结构的破坏,可能是6-BA激活了叶绿素生物合成途径中叶绿素前体δ-氨基乙酰丙酸(ALA)的合成[23]。本试验还发现Cd2+胁迫4 d、8 d时,茄子幼苗Pn、Gs和Tr均较CK显著降低,Ci显著增加,说明Cd2+胁迫下Pn的下降是非气孔因素造成的。Cd2+胁迫下施用6-BA后,Pn、Gs和Tr较单纯Cd2+处理均显著增加,Ci降低,说明6-BA是通过非气孔限制因素促进光系统Ⅱ在Cd2+胁迫下对CO2的吸收和利用,来提高光合作用。张国斌等[23]报道6-BA处理提高了低温弱光胁迫下辣椒叶片的Chl a、Chl b和Chl a+b含量,同时从气孔因素和非气孔因素促进了低温弱光胁迫下辣椒幼苗的光合能力。张良英等[25]报道6-BA处理提高了UV-B辐射下油桃叶片的叶绿素含量,促进了光合作用。

生长素(IAA)是植物体内重要的生长素类物质,能促进植物生长和延缓衰老,由于幼苗吸收的镉主要分布在根部,向地上部转移较少,因此根系对镉的积累使IAA的抑制作用大于地上部分[26]。本试验表明,S1、S2处理4 d和8 d时的叶片和根系IAA含量均显著低于S0处理,叶片的IAA含量大于根系的,与前人结果一致[26]。陶静等[27]在白桦组织培养、高红兵等[19]在酸樱桃组培苗分别研究发现,外源6-BA促进了内源IAA的合成,本试验也验证了这一结论。S3处理4 d和8 d时的叶片和根系IAA含量均显著高于S1处理,S4处理均显著高于S2处理,随着处理时间的延长,外源6-BA处理8 d时的大于处理4 d的。

CTK主要作用是促进细胞分裂和扩大、促进侧芽发育、抑制衰老等,ABA主要作用是抑制植物生长、促进种子休眠和引起气孔关闭性等,两者通常被用来作为评价植物抗逆性的重要指标[28]。前人研究表明,Cd2+胁迫显著增加了大豆[5]、水稻[14]的ABA含量。本研究发现,Cd2+胁迫(S1、S2处理)导致茄子幼苗叶片ABA含量上升,CTK含量下降,可能是茄子幼苗对Cd2+胁迫的一种适应性反应。外源6-BA处理使Cd2+胁迫下茄子幼苗叶片的ABA含量降低,CTK含量升高。这与6-BA在处理酸樱桃[19]、甜椒[23]幼苗时CTK含量提高、ABA含量降低的研究结果相一致。

植物的生长发育不仅与多种内源激素含量的变化有关,而且激素之间的平衡也很重要。游来勇等[14]研究表明,当Cd处理质量浓度为1.0—3.0 mg∕L时,水稻IAA和GA3含量显著降低,而ABA含量显著增加。随Cd质量浓度的升高(0—3 mg∕L),水稻IAA∕ABA比值先升后降,而GA3∕ABA比值逐渐降低。Cd胁迫改变了水稻内源激素水平,打破了平衡,进而影响了水稻的正常生长。本试验表明,Cd2+胁迫下,茄子幼苗内源激素IAA∕ABA、CTK∕ABA的比值呈现相似的趋势,即随着Cd2+胁迫浓度的增加和时间延长,呈下降趋势。Cd2+胁迫改变了茄子体内激素平衡,生长受到抑制。外源6-BA缓解了Cd2+胁迫下IAA∕ABA、CTK∕ABA比值的降低,与刘运正等[29]报道6-BA处理黄瓜雌花后,幼果中ABA∕IAA和ABA∕ZR比值增大结果一致。

[1]JIAO W T,CHEN W P,CHANG A C,et al.Environmental risks of trace elements associated with long-term phosphate fertilizers applications:A review[J].Environ Pollut,2012,168(1):44-53.

[2]UENO D,KOYAMA E,YAMAJI N,et al.Physiological,genetic,and molecular characterization of a high-Cd-accumulating rice cultivar,Jarjan[J].J Exp Bot,2011,62(7):2265-2272.

[3]ARDESTANI M M,VAN GESTEL C A.Using a toxicokinetics approach to explain the effect of soil pH on cadmium bioavailability toFolsomia candida[J].Environ Pollut,2013,180(3):122-130.

[4]ZHOU J,XIA F,LIU X M,et al.Effects of nitrogen fertilizer on the acidification of two typical acid soils in South China[J].J Soil Sediment,2014,14(2):415-282.

[5]CHACA M V P,VIGLIOCCO A,REINOSO H,et al.Effects of cadmium stress on growth,anatomy and hormone contents inGlycine max(L.)Merr[J].Acta Physiol Plant,2014,36(10):2815-2826.

[6]DUBEY S,SHIR M,MISRA P,et al.Heavy metals induce oxidative stress and genome-wide modulation in transcriptome of rice root[J].Funct Integr Genomics,2014,14(2):401-417.

[7]AHMAD I,NAEEM M,KHAN N A,et al.Effects of cadmium stress upon activities of antioxidative enzymes,photosynthetic rate,and production of phytochelatins in leaves and chloroplasts of wheat cultivars differing in yield potential[J].Photosynthetica,2009,47(1):146-151.

[8]MENG H B,HUA S J,SHAMSI I H,et al.Cadmium-induced stress on the seed germination and seedling growth ofBrassica napusL.and its alleviation through exogenous plant growth regulators[J].Plant Growth Regul,2009,58(1):47-59.

[9]PAN B Z,XU Z F.Benzyladenine treatment significantly increases the seed yield of the biofuel plantJatropha curcas[J].J Plant Growth Regul,2011,30:166-174.

[10]GEMROTOVA M,KULKAMI M G,STIRK W A,et al.Seedlings of medicinal plants treated with either a cytokinin antagonist(PI-55)or an inhibitor of cytokinin degradation(INCYDE)are protected against the negative effects of cadmium[J].Plant Growth Regul,2013,71(2):137-145.

[11]WU X X,HE J,DING H D,et al.Modulation of zinc-induced oxidative damage inSolanum melongenaby-benzylaminopurine involves ascorbateglutathione cycle metabolism[J].Environ Exp Bot,2015,116:1-11.

[12]刘凯歌,朱月林,郝婷,等.叶面喷施6-BA对高温胁迫下甜椒幼苗生长和叶片生理生化指标的影响[J].西北植物学报,2014,34(12):2508-2514.

[13]尚宏芹,刘兴坦.6-BA对Hg2+胁迫下小麦幼苗渗透调节物质及抗氧化特性的影响[J].麦类作物学报,2015,35(2):224-230.

[14]游来勇,王昌全,罗娟,等.Cd胁迫对水稻生长及内源激素含量的影响[J].生态环境学报,2015,24(5):860-865.

[15]SAKAMOTO T.Phytohormones and rice crop yield:strategies and opportunities for genetic improvement[J].Transgenic Res,2006,15(4):399-404.

[16]PELEG Z,BLUMWALD E.Hormone balance and abiotic stress tolerance in crop plants[J].Curr OpinPlantBiol,2011,14(3):290-295.

[17]SINGH S,PRASAD S M.IAA alleviates Cd toxicity on growth,photosynthesis and oxidative damages in eggplant seedlings[J].Plant Growth Regul,2015,77(1):87-98.

[18]HAN Y S,WANG S J,ZHAO N,et al.Exogenous abscisic acid alleviates cadmium toxicity by restricting Cd2+influx inPopulus euphraticacells[J].J Plant Growth Regul,2016,35(3):827-837.

[19]罗黄颖,高洪波,高志奎,等.CPPU和6-BA对盐胁迫下番茄活性氧代谢及叶绿素荧光的影响[J].西北植物学报,2010,30(9):1852-1858.

[20]WU X X,HE J,CHEN J L,et al.Alleviation of exogenous 6-benzyladenine on two genotypes of eggplant(Solanum melongenaMill.)growth under salt stress[J].Protoplasma,2014,251:169-176.

[21]ZHAO L Q,ZHANG F,GUO J K,et al.Nitric oxide functions as a signal in salt resistance in the calluses from two ecotypes of reed[J].Plant Physiol,2004,134(2):849-857.

[22]ZHU X C,SONG F B,XU H W.Arbuscular mycorrhizae improves low temperature stress in maize via alterations in host water status and photosynthesis[J].Plant Soil,2010,331:129-137.

[23]张国斌,杨芳芳,郁继华.6-BA预处理对低温弱光胁迫下辣椒幼苗光合特性和内源激素含量的影响[J].草业学报,2013,22(3):177-183.

[24]CI D W,JIANG D,WOLLENWEBER B,et al.Cadmium stress in wheat seedlings:growth,cadmium accumulation and photosynthesis[J].Acta Physiol Plant,2010,32(2):365-373.

[25]张良英,牛歆雨,刘林.UV-B增强下6-BA、GA3对油桃光合和抗氧化酶活性的影响[J].果树学报,2012,29(5):820-824.

[26]黄运湘,廖柏寒,肖浪涛,等.镉处理对大豆幼苗生长及激素含量的影响[J].环境科学,2006,27(7):1398-1401.

[27]陶静,詹亚光,由香玲,等.白桦组培再生系统的研究(Ⅲ):组培过程中内源激素的变化[J].东北林业大学学报,1998,26(6):6-9.

[28]KRAVTSOV A K,ZUBO Y O,YAMBURENKO M V,et al.Cytokinin and abscisic acid control plastid gene transcription during barley seedling de-etiolation[J].Plant Growth Regul,2011,64(2):173-183.

[29]刘运正,于洋,张平,等.6-苄基腺嘌呤对黄瓜幼果生长及其激素含量的影响[J].北方园艺,2006(6):13-15.