外源褪黑素对锑胁迫下水稻幼苗生长和抗氧化系统的影响_储玉檀.pdf

Eco-EnvironmentalKnowledge Web环 境 科 学Environmental Science第44卷第4期 2023年4月Vol44，No4 Apr，2023外源褪黑素对锑胁迫下水稻幼苗生长和抗氧化系统的影响储玉檀，李颜，黄益宗*，保琼莉，孙红羽，黄永春(农业农村部环境保护科研监测所，天津300191)摘要:为了探讨外源添加褪黑素(MT)对锑(Sb)胁迫下水稻幼苗影响，以华润2 号水稻幼苗为研究对象进行水培实验，采用荧光探针定位技术对水稻幼苗根尖的活性氧(OS)进行荧光定位，并对水稻幼苗根部根系活力、丙二醛(MDA)含量、OS(H2O2、O2)含量、抗氧化酶(SOD、POD、CAT、APX)活性和抗氧化剂(GSH、GSSG、AsA、DHA)含量进行分析 结果表明，外源添加 MT 能缓解 Sb 胁迫对水稻幼苗生长的不利影响，提高水稻幼苗的生物量;与单独 Sb 处理相比，添加 100 mol L1的MT 使水稻根系活力和总根长分别提高44.1%和34.7%，MDA、H2O2和O2含量分别降低 37.0%、32.7%和 40.5%此外，MT 处理不仅使 POD 和 CAT 活性分别提高54.1%和21.8%，还能调节 AsA-GSH 循环 由此可见，外源添加100 mol L1MT 可以促进水稻幼苗生长，提高水稻幼苗抗氧化能力，缓解 Sb 胁迫对水稻的脂质过氧化损害，从而提高水稻幼苗在 Sb 胁迫下的抗逆性关键词:锑胁迫;水稻;褪黑素(MT);抗氧化系统;AsA-GSH 循环中图分类号:X171.5文献标识码:A文章编号:0250-3301(2023)04-2356-09DOI:1013227/j hjkx202205297收稿日期:2022-05-27;修订日期:2022-07-05基金项目:国 家 重 点 研 发 计 划 项 目(2020YFC1808702，2017YFD0801500)作者简介:储玉檀(1997 )，女，硕士研究生，主要研究方向为重金属生态毒理和修复，E-mail:chuyutan126 com*通信作者，E-mail:yizonghuang126 comEffects of Exogenous Melatonin Treatment on the Growth and Antioxidant System ofice Seedlings Under Antimony StressCHU Yu-tan，LI Yan，HUANG Yi-zong*，BAO Qiong-li，SUN Hong-yu，HUANG Yong-chun(Agro-Environmental Protection Institute，Ministry of Agriculture and ural Affairs，Tianjin 300191，China)Abstract:To investigate the effect of exogenous application of melatonin(MT)on rice seedlings under antimony(Sb)stress，hydroponic experiments were carried out withrice seedlings(Huarun No.2)The fluorescent probe localization technology was used to locate the reactive oxygen species(OS)in the root tips of rice seedlings，and theroot viability，malondialdehyde(MDA)content，OS(H2O2and O2)content，antioxidant enzyme(SOD，POD，CAT，and APX)activities，and antioxidant(GSH，GSSG，AsA，and DHA)contents in the roots of rice seedlings were analyzed The results showed that exogenous addition of MT could alleviate the adverse effects of Sb stresson the growth and increase the biomass of rice seedlings Compared with the Sb treatment，the application of 100 mol L1MT increased rice root viability and total rootlength by 44.1%and 34.7%and reduced the content of MDA，H2O2，and O2 by 30.0%，32.7%，and 40.5%，respectively Further，the MT treatment increased theactivities of POD and CAT by 54.1%and 21.8%，respectively，and also regulated the AsA-GSH cycle This research indicated that exogenous application of 100 mol L1MT can promote the growth and antioxidant ability of rice seedlings and alleviate the damage of lipid peroxidation by Sb stress，thus improving the resistance of rice seedlingsunder Sb stressKey words:antimony stress;rice;melatonin(MT);antioxidant system;AsA-GSH cycle锑(Sb)是一种全球性污染物，是一种具有潜在毒性和致癌性的金属元素，被欧盟和美国列为优先污染物1 由于采矿、燃煤和阻燃剂、催化剂和玻璃脱色剂等含 Sb 产品的广泛使用2，导致土壤和水中 Sb 污染日益严重，对动植物造成伤害，而且 Sb还可以通过食物链进入人体，导致癌症、心血管疾病、肝脏疾病和呼吸系统疾病发生3 Sb 的环境污染和生态毒性问题引起人们的关注 在环境中，Sb主要以三价 Sb()和五价 Sb()的形式存在，而土壤中 Sb 的价态主要是 Sb()4 过量的Sb 对植物的毒害作用主要表现为影响植物的生长发育、产生氧化胁迫和影响必需营养元素的吸收5 因此，亟需采取安全有效的策略以减轻 Sb 污染对农作物生长的毒害目前，其他重金属或类金属对植物的毒害作用已经得到了广泛的研究，但是对 Sb 在植物中的毒性研究较少 不同价态的 Sb 在植物体内吸收转运机制不同，植物对 Sb()的吸收途径可能是水通道蛋白，与砷(As)相似，但 Sb()则最有可能是通过质外体途径进入植物体内3 有研究表明 Sb 会降低植物光合色素含量和光合作用效率，影响植物光合作用6，7 而且过量的 Sb 会诱导植物产生活性氧(OS)，引起植物体内氧化胁迫的产生8 因此，应当采取措施提高植物在 Sb 胁迫下的耐受性 植物激素不仅可以调节植物生长发育，还能提高植物抗性以适应重金属胁迫 尽管已明确几种植物激素可以缓解 Sb 胁迫下植物的不利影响，但该领域仍然需要深入的研究4 期储玉檀等:外源褪黑素对锑胁迫下水稻幼苗生长和抗氧化系统的影响褪黑素(MT)是一种吲哚类化合物，具有抗氧化性，可以通过改善氧化还原稳态、渗透平衡以及初级和次级代谢来促进植物对重金属胁迫的耐受性9 近年来，褪黑素在高等植物中的功能被发现，主要是作为逆境反应的调节因子10 适量添加 MT可以缓解重金属对植物的胁迫，在抗氧化系统中，OS 和 MT 存在很强的联系11，例如 MT 可以有效缓解 As12、Cd13 和 Ni14 等重金属胁迫对水稻种子萌发和幼苗的不利影响，还可以缓解 Cd 对油菜的过氧化胁迫15 然而，关于 MT 对 Sb 胁迫下水稻幼苗的作用效果还鲜见报道因此，本文通过研究 MT 对水稻幼苗的生长状况、根系活力和抗氧化防御系统的潜在影响，有助于理解 MT 对水稻 Sb 毒害的缓解机制，以期为有效防治水稻 Sb 污染提供更多选择1材料与方法1.1实验材料供试水稻品种为华润 2 号，购于湖南亚华种子有限公司三水锑酸钠，分子式为 NaSbO3 3H2O，分析纯;MT，分子式为 C13H16N2O2，优级纯，购于阿达玛斯试剂有限公司1.2实验设计选取饱满的水稻种子，用 5%过氧化氢(H2O2)溶液浸泡消毒 15min 后再用去离子水冲洗干净 将消毒洗净的种子均匀播撒于育苗盘，放入 28恒温培养箱催芽培养 挑选露白一致的种子移栽到黑色育苗盒(10.5 cm 15.5 cm 17.0 cm，长 宽 高)中，在人工气候室中生长 待水稻幼苗根长约 1cm时进行处理 在预实验中，设置 0、50、100、200、300 和 500 mol L1共 6 个不同浓度的 Sb 浓度处理，筛选出与空白处理相比对水稻幼苗的生物量产生显著影响的300 mol L1作为后续 Sb 处理浓度，参考课题组的前期实验16，MT 的浓度设置为 100mol L1，本实验设计 4 个处理:不添加 Sb 和 MT(CK)、100 mol L1MT(MT)、300 mol L1Sb(Sb)和100 mol L1MT+300 mol L1Sb(MT+Sb)每个处理 3 次重复，培养期间每 3 d 换一次营养液1.3测量指标1.3.1水稻幼苗生物量的测定将处理 7d 后的水稻幼苗取出，将幼苗分为地上部分和地下部分，用蒸馏水洗净擦干，用刻度尺测量并记录株高和根长，用分析天平称取鲜重，在 80烘箱中烘干至恒重，称取干重1.3.2水稻幼苗根系生长指标测定将处理后的水稻幼苗取出洗净，使用根系扫描仪(Epson Expression 10000XL，日本)扫描水稻根系，用 WinHIZO 根系分析软件(egent InstrumentsInc，加拿大)分析根参数(根表面积、根体积、根尖数和根分叉数)，每个处理测量 6 棵1.3.3根系活力的测定根系活力是通过三苯基四氮唑(TTC)还原法测定17，将 0.5 g 水稻幼苗根部切成小块，加入 5 mL0.4%TTC 和5 mL 磷酸盐缓冲液(pH 7.0)，37孵育 3 h，然后样品在乙酸乙酯中萃取 15 min，用分光光度测定其在 485 nm 处的特征吸收峰1.3.4OS 含量的测定及显微观察H2O2与硫酸钛反应生成的过氧化物-钛复合物黄色沉淀被浓硫酸溶解，并用分光光度计测定其在415 nm 处的特征吸收峰，超氧阴离子(O2)利用羟胺氧化法生成粉红色偶氮染料，并用分光光度计测定其在 540 nm 处的特征吸收峰18 分别采用特异性荧光探针 H2DCFDA19(2，7-二氯二氢荧光素二乙酸酯，MedChemExpress，美国)和 DHE18(超氧化物阴离子荧光探针，碧云天生物技术有限公司，中国)对约1 cm 的根尖进行染色，标记水稻根尖细胞中H2O2和O2的分布情况，并用倒置荧光显微镜(DYF-880，点应，中国)观察拍照1.3.5MDA 含量测定及细胞活力显微观察MDA 在高温和酸性条件下与硫代巴比妥酸(TBA)反应生成红褐色产物，并用分光光度计测定其在 535 nm 处的特征吸收峰20 采用荧光染料 FAD(二醋酸荧光素，阿拉丁试剂有限公司，中国)和 PI(碘化丙啶，阿拉丁试剂有限公司，中国)对约 1 cm 的根尖进行染色检测细胞活力21，并用倒置荧光显微镜观察拍照1.3.6酶活性的测定采用酶活性试剂盒(苏州格瑞斯生物技术有限公司，中国)对超