镉对水稻叶片生长和养分运输的短期影响外文翻译资料

 2023-05-17 10:18:18

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镉对水稻叶片生长和养分运输的短期影响

摘 要

食用被高浓度镉(Cd)污染的水稻会导致严重的长期健康问题。此外，土壤中的低镉浓度也会降低植物性能，从而导致产量下降。通过研究植物防御镉诱导的氧化应激反应，可以为创造优良的水稻品种奠定基础，优良品种能显示出最佳的抗氧化防御系统来应对镉毒性。在这项研究中，我们发现，在胁迫1天后，镉表现出了对水稻芽生长的抑制以及对叶片生长的影响。镉更多地积累在根部和叶片分生区，导致根和叶的锰稳态紊乱。叶片生长区脂质过氧化物产量增加，表明镉胁迫破坏了氧化平衡。我们发现，增加与谷胱甘肽代谢相关的基因的表达（如谷胱甘肽合成酶2、谷胱甘肽还原酶和植株螯合蛋白合成酶2），而不是编码抗氧化酶的基因，对于对抗水稻叶片内的早期镉毒害具有重要意义。此外，两个呼吸系统表现出氧化酶同源基因的上调以及脱落酸的镉浓度依赖性增加可能导致气孔闭合或细胞壁形态改变，也可能导致可见的叶片生长减少。虽然脱落酸在长期胁迫时也会升高，但生长激素的降低可能会进一步抑制生长，同时，水杨酸的增加可能会在长时间的镉胁迫后刺激抗氧化酶的活性。总之，在镉胁迫下，植物激素与抗氧化反应之间的相互作用会明显的影响植物的生长和适应环境的过程。

关键词 镉；谷胱甘肽；叶片生长；植物激素；活性氧；水稻

1 介绍

由于金属开采和冶炼活动对稻田造成的镉的人为污染成为了主要关注的问题，特别是在以水稻为主要粮食的人群中[1]。最近的一项研究评估了全球成品米中的镉浓度，得出的结论是，除了中国南方地区，孟加拉国的某些地区在水稻的镉污染方面也需要特别注意[2]。此外，由于镉离子可以通过锰(Mn)、锌(Zn)和铁(Fe)等必需元素的转运蛋白进入水稻根系，因此会造成植物内的营养失衡[3,4]。世界一半以上的人口患有营养不良的症状，尤其是缺铁和缺锌[5]。创造低镉积累的水稻品种，生产富含必需元素的粮食作物，是为人类提供优质食品的一个重要目标。在过去的十年里，人们在创造低镉积累水稻品种方面做出了很多努力。通过这些方法，培育出了品种“KanNo.1”，该品种具有一个非功能性天然抗性相关巨噬细胞蛋白5(Nramp5)基因，该基因编码一种负责锰转运的转运蛋白，但也可以转运镉[6]。然而，由于该品种根和芽中的锰浓度较低，所以在肥力较低的水稻土壤上需要施用锰。此外，即使植物叶片组织中的镉浓度只有5-10mu;gCdgminus;1 DW也能导致镉的植物毒性，最终导致产量下降[7]。

从种子的发芽到开花，植物的生长周期依赖于对活性氧(ROS)水平的严格调控[8,9]。然而，众所周知，镉通过间接机制增加ROS的生成来破坏这种严格的平衡[10]。此外，有人认为，镉通过刺激NADPH氧化酶(NOX)直接提高ROS水平，NOX产生超氧自由基（O2-）[11]。因此，活性氧对蛋白质、DNA和脂质等细胞大分子具有潜在的危险[12]。为了控制ROS水平，植物已经进化出了一个广泛的抗氧化系统[10,13]。解毒过程中的第一步是通过超氧化物歧化酶(SOD)转化过氧化氢（H2O2）[14]。过氧化氢有多种去向，它可以通过Fenton和Haber-Weiss反应形成高度活性的羟基自由基，或者可以被几种酶（如过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)和过氧化物酶（POD））降解[14]。CAT不需要还原剂，而APX则需要抗坏血酸(AsA)的还原能力来发挥其功能。反应中的最后一种代谢物含量非常高，在AsA-谷胱甘肽(GSH)循环中起着重要作用[15,16]。GSH除了具有抗氧化功能外，还可以通过其巯基的高亲和力来结合镉，或作为植物螯合素(PC)分子的前体，该分子也可以螯合镉离子并将其隔离到液泡中[16,17]。

一些研究表明，ROS和植物激素之间存在大量的交互作用[18]。NOX蛋白产生的活性氧可受多种激素的调节，如脱落酸(ABA)、茉莉酸(JA)和生长素(AUX)[18,19]。此外，已知H2O2在激素调节过程中作为二级信使，如根毛生长、损伤后的修复和ABA诱导的保护细胞关闭[14,20]。通常ROS和ABA水平的升高也同时使各种应激源作出反应[21]。具体来说，在重金属胁迫方面，提供给水稻培养物的ABA会导致镉毒性升高，并导致幼叶生长受到抑制[22]。此外，ABA被认为可以调节在镉胁迫下的水稻根系中的丝裂原激活蛋白激酶信号转导、细胞周期和AUX分布[23]。在对水稻幼苗的转录组分析中，发现编码AUX响应蛋白的基因在镉胁迫后上调，这表明AUX信号转导与水稻镉的耐受性有关[24]。在玉米根系中，静态中心(QC)的特征是局部生长素最大值和高水平的AsA和GSH的氧化形式[25]。AUX最大值的改变可以激活QC细胞并启动有丝分裂。此外，除了作为抗氧化剂和镉螯合剂外，GSH被认为是拟南芥中将增加的H2O2浓度与JA和水杨酸(SA)反应连接起来的关键因素[26,27]。SA预处理已经被证明可以减轻包括水稻在内的多种植物的镉毒性[28-30]。然而，这类研究是通过对外源性激素的应用，而内源性植物激素水平的变化在很大程度上仍未得到研究[31]。
本研究旨在探讨镉对水稻叶片发育的短期影响，包括养分浓度、氧化胁迫和内源性植物激素。我们选择确定哪些植物反应在对抗早期叶片的镉毒性方面最为重要。因此，特别强调了镉对叶片生长区的影响，这是叶片在一天内生长的基础部分。

2 材料和方法

2.1 植物材料、生长条件和镉胁迫

Oryza sativa L. cv. Nipponbare（GSOR-100）的种子由美国农业部提供。在实验开始之前，用0.1%漂白剂溶液对种子进行表面灭菌，并放在4°C的暗环境下用水浸泡。24小时后，将它们用润湿的滤纸包裹，放在培养皿上，三天后在30℃的完全黑暗中发芽。挑选发芽的种子置于水培培养物中，类似于Smeets及其同事（2008）使用的实验方法[32]。每周两次施加植物木村B营养液[33]。植物在65%相对湿度，16/ 8h光周期和28/23°C昼/夜温度的控制条件下生长。植物接收到的光合活性辐射水平约为170mu;mol mminus;2s-1由飞利浦绿功率 LED 模块应用，由红色、远红色和蓝色单元组成。当第六片叶子出现时，将10/50mu;M CdSO4直接添加到营养液中（补充图A1）。叶片6的叶片伸长率（LER）是叶片出现时尺子测量的长度和一天后再次测量长度的比值。接下来，根据进一步的分析，以两种不同的方式对叶子进行采样。（1）每片叶子的生长量被确定为整个叶片生长区，并取样分析脂质过氧化，总非酶抗氧化能力（TAC）和激素浓度（2）此外，在收获时，叶片生长区进一步分为不同的部分，即分生区（D），过渡区1（T1），伸长区（E），过渡区2（T2），根据Huybrechts等人（2020）[34]进行的采样，成熟区（M）用于测定元素浓度和基因表达分析。不同段的确切尺寸如附图A2所示。此外，还测定了收获时芽和根系的生物量。为了进行激素分析，取第四片叶子出现时用镉处理的水稻植株作为样本。在这种情况下，叶片6的生长区在11天后收获。

2.2 元素分析

对叶片6的根和生长区进行取样，分为不同的部分以及叶片的1cm部分(B)，进行元素分析。样品制备基于Gupta等人(1999) [35]和Cuypers等人(2002) [36]进行的。根部在预冷的10mMPb（NO3）2溶液中洗涤15min，然后用蒸馏水冲洗。将洗净的根和叶子样品置于20℃冰箱中1小时。然后，将样品冻干48h，测定干重。随后，将样品转移到开放式的耐热无菌玻璃管(SCHOTTDURANreg;)中，然后加入1mL69%硝酸（ARISTARreg;用于痕量分析），并放置一夜。第二天，这些管子先在60℃中加热15min，°然后在110℃下加热，直到酸溶液完全蒸发。该步骤重复2次，加入1mL69%硝酸（ARISTARreg;用于痕量分析），加入1mL37%盐酸（用于痕量分析）进行最后消解。在分析之前，所有消解的样品溶解在体积为5mL的2%盐酸(用milliQ H2O稀释)中。采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS，NexION350SPerkinElmer)法测定叶片内镉（Cd）、锰（Mn）、铜(Cu)和锌（Zn）的浓度，基于11点校准曲线（R2=0.99994114Cd，内标In；R2=0.9999055Mn，内标Sc；R2=0.9999763Cu，内标Ge；R2=0.999766Zn，内标Ge）。通过电感耦合等离子体光学发射光谱(ICP-OES，Optima3000PerkinElmer)测定叶片根内元素浓度以及叶段中常量营养素钙(Ca)、硫(S)、钾(K)、磷（P)和镁(Mg)的浓度。仪器细节见补充表A1。通过ICP-MS和ICP-OES测定的标准参考物质(1570a菠菜叶)的回收率见补充表A2。最后，补充表A3给出了这些方法的检测限。

2.3 脂质过氧化和非酶抗氧化能力的测定

为了测定脂质过氧化的程度和TAC，对叶片6的整个叶片生长区进行了采样。将样品在液氮中速冻并储存在-80°C的冰箱中直至进一步分析。将不锈钢珠子添加到样品中，并使用Retsch混合磨机MM 400将叶子磨碎。接下来，将样品混合在80%乙醇（v/v）中，并再次置于-80°C冰箱中，直到下一步实验。

用TBarrs测定法测定硫代巴比妥酸反应物质（TBArs）浓度，代表脂质过氧化。首先，将500mu;L0.5%（w/v）TBA在20%（w/v）三氯乙酸溶液中加入到250mu;L样品中。将样品置于90°C的烘箱中1小时，以2800g离心1分钟并置于冰上。根据Dhindsa等人（1981）的方法，在532nm处测量样品的吸光度，并在透明F-bottom，96孔微孔板（Greiner，Bio-One）中校正样品在600nm处的非特异性吸光度，并根据FLUOstarreg; Omega酶标仪（BMG Labtech）测定[资料编号：[591222]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

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