何 冰,陳小勤,辛子兵,陸覃昱,石 橋,顧明華,王學(xué)禮

廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院,南寧 530005

不同生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)對(duì)水稻生長(zhǎng)及鎘積累的影響

何 冰,陳小勤,辛子兵,陸覃昱,石 橋,顧明華*,王學(xué)禮

廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院,南寧 530005

比較脫落酸(ABA)、乙烯利(ETH)、水楊酸(SA)和茉莉酸甲酯(MeJA)4種植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)(PGR)對(duì)水稻生長(zhǎng)及籽粒鎘(Cd)積累的影響差異。試驗(yàn)采用重金屬污染土種植水稻,于分蘗期、灌漿期各進(jìn)行1次PGR葉面噴施處理,分析灌漿期葉片光合指標(biāo),丙二醛(MDA)含量以及收獲期各部位生物量和Cd含量。結(jié)果表明：(1) 低濃度ABA(5mg/L)可維持水稻正常產(chǎn)量；高濃度ABA(15mg/L)則導(dǎo)致產(chǎn)量下降。ETH對(duì)水稻地上部生長(zhǎng)和單株產(chǎn)量有顯著抑制作用,SA和MeJA(0.56mg/L)均可保證地上部正常生長(zhǎng),維持正常產(chǎn)量。(2) 外施4種PGR均抑制灌漿期葉片氣孔開(kāi)放,降低蒸騰速率和光合速率,抑制效果最明顯的是高濃度MeJA(0.56mg/L)。(3) 在供試濃度范圍內(nèi)SA、低濃度ABA(5mg/L)以及高濃度MeJA均可降低灌漿期葉片MDA含量,減少質(zhì)膜過(guò)氧化水平。(4) 4種PGR均可降低水稻籽粒Cd含量,其中低濃度ABA(5mg/L)抑制籽粒Cd積累的效應(yīng)最佳。相關(guān)性分析結(jié)果表明,PGR抑制籽粒積累Cd的效應(yīng)與地上部向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)Cd的調(diào)控機(jī)制有關(guān),與蒸騰速率無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系。(5) 綜上所述,低濃度ABA(5mg/L)處理對(duì)水稻產(chǎn)量無(wú)影響,且籽粒Cd含量降低程度最大。適當(dāng)濃度的PGR可降低水稻籽粒Cd含量,在中低度重金屬污染農(nóng)田生態(tài)修復(fù)實(shí)踐中具有一定的應(yīng)用前景,但必須精確控制PGR的處理時(shí)間和處理濃度,避免出現(xiàn)抑制生長(zhǎng)和降低產(chǎn)量的負(fù)效應(yīng)。

水稻；鎘(Cd)；生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)(PGR)

鎘(Cd)是生物毒性最強(qiáng)的重金屬之一[1]。工業(yè)“三廢”大量排放,礦業(yè)的過(guò)度開(kāi)采以及不合理的農(nóng)業(yè)措施,導(dǎo)致土壤Cd污染日趨嚴(yán)重,大量農(nóng)田存在Cd污染問(wèn)題[2]。作為非必需元素,Cd在作物體內(nèi)過(guò)量積累將導(dǎo)致作物產(chǎn)量和質(zhì)量下降,更為嚴(yán)重的是Cd通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體,對(duì)身體健康造成嚴(yán)重的危害[1, 3]。因此,減少作物對(duì)Cd的吸收和積累,保障農(nóng)產(chǎn)品的安全生產(chǎn)迫在眉睫。

植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)(PGR)是一類(lèi)對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育有調(diào)節(jié)作用的化學(xué)物質(zhì),包括植物內(nèi)源激素和人工合成的生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑。其中脫落酸(ABA)、水楊酸類(lèi)(SAs)、茉莉酸類(lèi)(JAs)以及油菜素甾醇類(lèi)(BRs)等被認(rèn)為在植物抵御干旱、鹽堿、低溫、高溫、重金屬等逆境方面起重要作用[4- 10]。PGR參與植物對(duì)重金屬污染的反應(yīng)[11-13]。有研究表明,PGR可能通過(guò)提高抗氧化劑的活性調(diào)節(jié)氧化還原水平,或者直接作為一種抗氧化劑淬滅活性氧,對(duì)研究植物的重金屬抗性有重要意義[14- 16]。Hsu[17]認(rèn)為在Cd脅迫下水稻通過(guò)增加內(nèi)源ABA,降低了蒸騰效率,使Cd由根系向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)下降。

本文通過(guò)比較脫落酸(ABA)、乙烯利(ETH)、水楊酸(SA)以及茉莉酸甲酯(MeJA)處理后水稻生長(zhǎng)及籽粒積累Cd的差異,初步分析不同PGR影響水稻籽粒Cd積累的效應(yīng)機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)供試土壤采自廣西壯族自治區(qū)某重金屬污染地區(qū)農(nóng)田。土壤基本理化性質(zhì)和重金屬含量為：全氮,1.411 g/kg；全磷,0.3084 g/kg；全鉀,9.861 g/kg；有機(jī)質(zhì),23.30 g/kg；堿解氮,62.48 mg/kg；速效磷,33.50 mg/kg；速效鉀,88.00 mg/kg；土壤pH,6.16；總Cd含量,7.67 mg/kg；有效態(tài)Cd含量,4.00 mg/kg。

將采集的污染土自然風(fēng)干,過(guò)篩(孔徑5 mm),裝入不透光塑料桶(高24 cm,直徑25.5 cm)中,每桶裝土7.5 kg,并施入0.675 g K2O和0.75 g P2O5做基肥,混勻,完全淹水平衡兩周。供試水稻品種為宜香9303。將培育好的水稻秧苗(4葉1心期)移入裝有污染土的塑料盆中,每盆5株。移苗時(shí)每盆追施0.45 g 氮,分蘗期追施0.3375 g 氮(均為尿素提供)。試驗(yàn)共設(shè)9組處理(表1),每組4個(gè)重復(fù)。分別于分蘗期、灌漿期各進(jìn)行1次PGR葉面噴施,平均用量為每盆30 mL,以葉面均勻覆有水珠、葉尖滴水為限。

表1 PGR處理濃度

ABA: 脫落酸; ETH: 乙烯利; SA: 水楊酸; MeJA: 茉莉酸甲酯. ABA, ETH, SA, MeJA means Abscisic acid, Ethylene, Salicylic acid and Methyl Jasmonate,respectively

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.2.1 植株株高和干重

植株收獲前,用卷尺測(cè)定株高,以莖基部到所有葉片向上伸展最高點(diǎn)的長(zhǎng)度表示株高。植株收獲后分為根、地上部(莖和葉)和籽粒,分別用自來(lái)水沖洗干凈,然后用20 mmol/L EDTA-Na2浸泡20 min,最后用去離子水反復(fù)沖洗,吸水紙擦干表面水分。籽粒置于烘箱中35 ℃恒溫烘干,稱(chēng)干重,脫殼,留糙米。根、地上部分別置于烘箱中105 ℃殺青30 min,65 ℃恒溫烘干至恒重,稱(chēng)重。

1.2.2 葉片光合指標(biāo)

試驗(yàn)進(jìn)行于水稻灌漿期噴施PGR處理后第2天,用光合作用測(cè)定儀(LI-6400xt,美國(guó)LI-COR公司)測(cè)定水稻完全展開(kāi)葉的凈光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度和氣孔導(dǎo)度。測(cè)定時(shí)間為9: 00—12: 00。

1.2.3 植物Cd含量

將根部、地上部(莖和葉)和籽粒樣品分別粉碎,過(guò)100目篩,稱(chēng)取0.300g植物樣品裝入微波消解管中,加入8 mL優(yōu)級(jí)純HNO3,于微波消解儀(MARS 6,美國(guó)CEM公司)中消解,采用石墨原子吸收法(PinAAcle 900T,美國(guó)鉑金公司)測(cè)定消解液中的Cd含量。

1.2.4 葉片MDA含量

在灌漿期PGR處理后第2天取水稻第一片完全展開(kāi)葉,每盆的樣品分別剪碎混勻,各稱(chēng)取0.5g新鮮葉片,液氮研磨,加入5 mL 0.05 mol/L磷酸緩沖液(pH 7.8),于10000r/min(0—4℃)離心10 min,取上清液按陳建勛等[17]方法測(cè)定MDA含量。

1.2.5 數(shù)據(jù)分析

文中所有數(shù)據(jù)均為4次重復(fù)的平均值,數(shù)據(jù)的處理采用Excel 2010進(jìn)行統(tǒng)計(jì),使用SPSS進(jìn)行方差分析(ANVON)和多重比較(Duncan)。

2 結(jié)果分析

2.1 供試PGRs對(duì)Cd脅迫下水稻生物量、株高、根冠比的影響

土壤中過(guò)量的Cd抑制作物生長(zhǎng)[21],降低作物產(chǎn)量[22]。不同PGR對(duì)Cd脅迫下水稻生長(zhǎng)的影響并不相同(表2)。ABA與ETH均進(jìn)一步降低了水稻株高和地上部干重,提高了根系干重和根冠比。說(shuō)明在供試濃度范圍內(nèi),ABA和ETH均表現(xiàn)出促進(jìn)根系生長(zhǎng),抑制地上部生長(zhǎng)的效應(yīng)。SA處理后水稻根系和地上部干重增加,根冠比略有提高,但株高隨著處理濃度增加呈下降趨勢(shì)。說(shuō)明在供試濃度范圍內(nèi),SA可促進(jìn)根系和地上部生長(zhǎng),促進(jìn)水稻植株矮壯。MeJA處理后水稻根系和地上部干重變化不大,根冠比略有增加,但株高隨著處理濃度增加呈下降趨勢(shì),說(shuō)明在供試濃度范圍內(nèi),MeJA對(duì)根系生長(zhǎng)無(wú)影響,但可促使水稻植株變矮。

表 2 PGR對(duì)Cd脅迫下水稻生長(zhǎng)的影響

不同字母表示同一激素不同濃度處理組與對(duì)照組相比差異顯著(P<0.05);DW: 干重dry weight

2.2 供試PGRs對(duì)Cd脅迫下水稻單株產(chǎn)量的影響

產(chǎn)量是評(píng)估水稻生長(zhǎng)的重要指標(biāo)。低濃度(5 mg/L)ABA對(duì)水稻單株產(chǎn)量無(wú)影響,而高濃度(15 mg/L)ABA處理的水稻單株產(chǎn)量比對(duì)照下降了19.78%；高濃度(200 mg/L)ETH和低濃度(100 mg/L)ETH均顯著抑制了水稻單株產(chǎn)量,分別比對(duì)照下降了15.49%和20.33%；供試濃度范圍內(nèi)的SA和MeJA處理對(duì)水稻單株產(chǎn)量無(wú)影響(表2)。從相關(guān)性分析上看(表3),水稻產(chǎn)量與地上部干重呈顯著正相關(guān),與根冠比呈顯著負(fù)相關(guān),與根系干重和株高無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系。由此推測(cè),抑制地上部生長(zhǎng)是ABA和ETH導(dǎo)致水稻產(chǎn)量降低的主要原因。而SA和MeJA對(duì)地上部生長(zhǎng)無(wú)影響,在單株產(chǎn)量上也未表現(xiàn)出抑制效應(yīng)。

表3 Cd脅迫下水稻生長(zhǎng)及產(chǎn)量性狀相關(guān)性分析

*,**分別表示在0.05、0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

2.3 供試PGRs對(duì)Cd脅迫下葉片光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度的影響

4種PGR均有降低氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率的作用(表4),其中MeJA降低氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率的幅度最大。高濃度(0.56 mg/L)MeJA處理后水稻葉片氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率分別下降了75.8%和66.9%；高濃度(15 mg/L)ABA處理后水稻葉片氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率分別下降了44.8%和32.2%。從凈光合速率上看,MeJA處理后光合速率的下降幅度最大,其次為ETH,而ABA和SA對(duì)光合作用的影響最小。除MeJA處理后的胞間CO2濃度低于對(duì)照外,其它3種PGR處理并不影響胞間CO2濃度。MeJA處理組的葉片氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率下降的同時(shí)伴隨著胞間CO2濃度的下降,暗示MeJA處理導(dǎo)致氣孔導(dǎo)度降低是引起凈光合速率下降的主要因素；ABA、SA和ETH處理后水稻氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率下降的同時(shí)并未伴隨著胞間CO2濃度的下降,暗示3種PGR引起的凈光合速率下降并不僅僅是由于氣孔關(guān)閉,還可能存在對(duì)光合作用暗反應(yīng)的抑制。

相關(guān)分析表明,水稻籽粒Cd含量與光合速率呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與蒸騰速率無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系(表5)。

表4 PGR處理對(duì)水稻葉片光合作用的影響

表5 Cd脅迫下水稻籽粒Cd含量與葉片光合速率和蒸騰速率相關(guān)性分析

2.4 供試PGRs對(duì)Cd脅迫下葉片MDA含量的影響

MDA是植物體內(nèi)膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物,其含量反映植物遭受逆境傷害的程度[23-24]。從圖1可知,低濃度ABA(5 mg/L)處理后MDA含量低于對(duì)照,但高濃度ABA(15 mg/L)處理無(wú)此效應(yīng)；高濃度和低濃度的ETH處理后水稻葉片MDA含量均與對(duì)照持平；SA和MeJA處理后MDA含量均低于對(duì)照。說(shuō)明供試濃度范圍內(nèi)的SA和MeJA以及低濃度ABA可一定程度地減緩植株受到的Cd傷害；而供試濃度范圍內(nèi)的ETH以及高濃度ABA并未能減少Cd脅迫造成的膜質(zhì)過(guò)氧化損傷。

圖1 不同PGR處理對(duì)Cd脅迫下葉片MDA含量的影響 Fig.1 The effect of different PGRs on MDA concentration in leaves of rice under Cd stress

2.5 供試PGRs對(duì)Cd脅迫下水稻籽粒Cd含量以及Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響

在4種PGR中,僅高濃度(15 mg/L)ABA和高濃度(200 mg/L)ETH處理降低水稻根部Cd含量。與對(duì)照相比,ABA對(duì)水稻地上部Cd含量無(wú)影響,高濃度ETH使水稻地上部Cd含量降低11%,而低濃度SA和MeJA則分別使水稻地上部Cd含量增加18%和23%。籽粒Cd含量是衡量稻米品質(zhì)的重要指標(biāo)。從表6可知,4種PGR處理均可降低水稻籽粒Cd含量,其中ABA的抑制效果最明顯,5 mg/L 和15 mg/L ABA處理?xiàng)l件下籽粒Cd含量分別比對(duì)照降低了37%和21%。100 mg/L ETH、20 mg/L SA和0.56 mg/L MeJA處理后籽粒Cd含量的下降幅度分別為13%、11%和15%。

從表6可知,高濃度ABA、低濃度的ETH、SA以及MeJA均提高了根部向地上部的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù),增加程度最大的是高濃度ABA,增加程度為對(duì)照的55%。除高濃度ETH外,其余各PGR處理的地上部向籽粒的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均比對(duì)照有所降低,其中低濃度ABA下降程度最大,與對(duì)照相比下降33%；低濃度ETH下降程度最小,與對(duì)照相比下降19%。

相關(guān)分析表明,水稻籽粒Cd含量與根部Cd含量及地上部向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)呈顯著正相關(guān)(P<0.01),水稻籽粒Cd含量與地上部Cd含量及根部向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系。

表6 PGR對(duì)水稻Cd含量及Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響

表7 水稻籽粒Cd含量與其他部位Cd含量及轉(zhuǎn)移系數(shù)相關(guān)性分析

3 討論

植物體內(nèi)存在5大類(lèi)激素：生長(zhǎng)素、赤霉素、細(xì)胞分裂素、脫落酸和乙烯。此外,還有一些“新發(fā)現(xiàn)的植物激素類(lèi)物質(zhì)”,如水楊酸(SA)、茉莉酸(MJ)、油菜素內(nèi)酯(BL)、獨(dú)角金內(nèi)酯(SLs)等[25]。脫落酸、水楊酸、茉莉酸和乙烯被認(rèn)為是植物的主要“脅迫激素”,在植物處于低溫脅迫、鹽脅迫、滲透脅迫、干旱脅迫、重金屬脅迫、病害等逆境時(shí),這些物質(zhì)在植物體內(nèi)迅速積累,提高細(xì)胞抗氧化水平,保護(hù)生物膜和蛋白質(zhì),維持一定的光合作用,減少逆境對(duì)植物生長(zhǎng)的影響[26]。近年來(lái),研究發(fā)現(xiàn)外施生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)可促進(jìn)植物的生長(zhǎng),增強(qiáng)抗氧化能力,提高生物量或作物產(chǎn)量,減少重金屬積累[27-29]。這些結(jié)果促進(jìn)了生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑在重金屬污染土壤修復(fù)實(shí)踐中的應(yīng)用。

3.1 供試PGRs對(duì)增強(qiáng)水稻抗性,維持正常生長(zhǎng)的影響

植物激素在植物應(yīng)答逆境脅迫中有至關(guān)重要的作用,非生物脅迫導(dǎo)致內(nèi)源激素增加,誘導(dǎo)植物產(chǎn)生抗性,維持正常生長(zhǎng)。本試驗(yàn)結(jié)果表明,高濃度ABA和ETH導(dǎo)致水稻地上部生長(zhǎng)受抑和單株產(chǎn)量降低；而SA和MeJA未表現(xiàn)出抑制效應(yīng)。研究表明,Cd,Zn 和Al等重金屬或有毒元素脅迫可誘導(dǎo)植物體內(nèi)的ABA水平增加[30-31]。Stroiński[32]推測(cè)ABA 參與根細(xì)胞中Cd 脅迫信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)。乙烯通過(guò)調(diào)節(jié)小麥葉片脯氨酸、谷胱甘肽代謝,從而緩解Cd脅迫引起的脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)[33]。Monteiro[34]認(rèn)為乙烯信號(hào)傳導(dǎo)通路的改變可能與細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激的代謝途徑有關(guān)。Chen[35]等發(fā)現(xiàn)外源MeJA通過(guò)增加秋茄葉片抗壞血酸含量、過(guò)氧化氫酶活性、抗壞血酸過(guò)氧化物酶活性從而降低Cd脅迫造成的脂質(zhì)過(guò)氧化損傷。研究表明,外源SA可通過(guò)增加細(xì)胞膜中的不飽合脂防酸比例[36]、抑制大麥幼苗根系中活性氧的產(chǎn)生[37]或作為抗氧化劑直接參與活性氧的淬滅過(guò)程[38],減少Cd脅迫對(duì)植物的損傷。本試驗(yàn)結(jié)果表明,高濃度ABA(15mg/L)處理的水稻葉片MDA含量高于低濃度ABA(5mg/L)處理,而水稻單株產(chǎn)量低于低濃度ABA處理,說(shuō)明低ABA處理水平有利于水稻抵御Cd的傷害,而高ABA處理水平則不利于增強(qiáng)水稻抗性。100—200 mg/L乙烯處理并不能緩解Cd脅迫引起的葉片膜質(zhì)過(guò)氧化,最終表現(xiàn)為地上部生物量和產(chǎn)量下降。SA和高濃度MeJA處理均表現(xiàn)為葉片MDA含量比對(duì)照降低,說(shuō)明SA和MeJA處理具有減緩質(zhì)膜過(guò)氧化的作用,在Cd脅迫下維持地上部正常生長(zhǎng),最終表現(xiàn)為產(chǎn)量與對(duì)照持平?？傊?在Cd脅迫下,15mg/L ABA和100—200 mg/L ETH未能表現(xiàn)出減緩質(zhì)膜過(guò)氧化和維持生長(zhǎng)的效應(yīng)；而5—20 mg/L SA和0.56 mg/L MeJA處理對(duì)減少膜質(zhì)過(guò)氧化,維持正常產(chǎn)量有積極的作用,說(shuō)明4種PGR在誘導(dǎo)水稻對(duì)Cd的抗性方面具有不同的調(diào)控機(jī)制。必須注意的是,合適的施用濃度是PGR能否發(fā)揮調(diào)節(jié)作用、誘導(dǎo)植物抗性增強(qiáng)的重要影響因素。

3.2 供試PGRs對(duì)水稻籽粒積累Cd的影響

本試驗(yàn)結(jié)果表明, 4種PGR均可在一定程度上減少水稻籽粒對(duì)Cd的積累。低濃度ABA對(duì)水稻籽粒積累Cd的抑制效應(yīng)最強(qiáng)。土壤中的Cd需要經(jīng)過(guò)根系吸收、根系向莖部轉(zhuǎn)運(yùn)、莖部向上運(yùn)輸及莖部木質(zhì)部向韌皮部的橫向轉(zhuǎn)運(yùn)等過(guò)程才能進(jìn)入籽粒[39]。光合作用為植物生理活動(dòng)包括Cd的運(yùn)輸和積累直接或間接地提供能量,蒸騰作用被認(rèn)為是Cd吸收和向上遷移的動(dòng)力來(lái)源[40]。Salt[41]等認(rèn)為ABA引起的氣孔關(guān)閉和蒸騰作用下降是抑制Brassicajuncea從根向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)Cd的可能機(jī)制。Hsu[17]等認(rèn)為Cd 脅迫導(dǎo)致水稻內(nèi)源ABA 增加,而增加的ABA 降低了蒸騰效率使Cd 由根系向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)下降,最終表現(xiàn)為ABA 降低了水稻地上部對(duì)Cd 的積累。錢(qián)海勝[42]等發(fā)現(xiàn)外源ABA處理降低不結(jié)球白菜地上部分Cd含量主要是通過(guò)抑制Cd向地上部的運(yùn)輸,這與ABA降低氣孔導(dǎo)度、抑制蒸騰速率有著密切的關(guān)系。在本試驗(yàn)中,低濃度ABA處理后葉片蒸騰速率與對(duì)照持平,但籽粒Cd含量與對(duì)照相比明顯下降；高濃度ABA處理后葉片蒸騰速率高于低濃度ABA處理組,但籽粒Cd含量低于低濃度ABA處理。Hossain[43]等認(rèn)為MeJA與ABA均可誘導(dǎo)擬南芥氣孔關(guān)閉,而且ABA在MeJA的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中起重要作用。在本試驗(yàn)中,MeJA處理后葉片蒸騰速率下降程度比ABA處理更大,但其籽粒Cd含量高于ABA處理。相關(guān)性分析(表5)結(jié)果表明,籽粒Cd含量與葉片光合速率呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與蒸騰作用無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系,暗示水稻葉片維持一定的光合作用有利于籽粒對(duì)Cd的積累,而蒸騰速率并不是PGR調(diào)控水稻向上運(yùn)輸Cd的主要影響因素。雖然試驗(yàn)結(jié)果無(wú)法排除蒸騰速率在ABA或MeJA抑制籽粒積累Cd等方面的積極作用,但暗示該影響效應(yīng)比較小。

試驗(yàn)結(jié)果表明,水稻籽粒Cd含量與根系Cd含量、地上部向籽粒的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)(P<0.01)(表7)。高濃度ABA與ETH處理降低水稻根部Cd含量,而SA與MeJA無(wú)此效應(yīng)(表6)。從地上部向籽粒的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分析,ABA、SA和MeJA在供試濃度范圍內(nèi)均抑制Cd從地上部向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn),而ETH僅在低濃度(100 mg/L)條件下表現(xiàn)出相似效應(yīng)(表6)。因此,ABA處理使籽粒Cd含量下降可能是由于ABA抑制根系吸收和Cd從莖部向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)的雙重影響的結(jié)果；100 mg/L ETH,20 mg/L SA和0.56 mg/L MeJA處理使籽粒Cd含量降低可能是由于Cd從地上部向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)受到抑制的結(jié)果。水稻莖節(jié)是地上部Cd積累的主要部位,控制水稻體內(nèi)Cd從本質(zhì)部向韌皮部轉(zhuǎn)運(yùn),以及灌漿期Cd向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)[44]。由于在水稻莖節(jié)中網(wǎng)絡(luò)狀分布的維管束并不直接相通,因此木質(zhì)部導(dǎo)管的元素向周?chē)g皮部的運(yùn)輸不是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程,阻礙了元素向葉片和籽粒的遷移。Yu[45]觀察到水稻第一莖節(jié)中金屬硫蛋白基因的轉(zhuǎn)錄水平比劍葉高150倍,受Cd、Pb、Al、Cu等金屬離子誘導(dǎo)表達(dá),這一結(jié)果暗示莖節(jié)是水稻莖部向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬的主要關(guān)隘。在本試驗(yàn)中,水稻籽粒Cd含量與地上部向籽粒的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.690(P<0.01)。與其他3種PGR相比,低濃度ABA處理后地上部向籽粒的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最低,這與“低濃度ABA處理后籽粒Cd含量最低”的結(jié)果相一致。由此推測(cè),PGR抑制籽粒對(duì)Cd的積累主要與Cd在莖節(jié)部位從木質(zhì)部向韌皮部轉(zhuǎn)運(yùn)的過(guò)程有關(guān),但目前相關(guān)的報(bào)道較少。PGR如何直接或間接地調(diào)控水稻地上部向籽粒運(yùn)輸Cd的過(guò)程,需要進(jìn)一步的研究。

綜上所述,供試4種PGR均可在一定程度上減少水稻籽粒對(duì)Cd的積累。低濃度ABA對(duì)水稻籽粒積累Cd的抑制效應(yīng)最強(qiáng),推測(cè)其中機(jī)制與ABA減緩地上部向籽粒運(yùn)輸Cd有關(guān)；低濃度ABA并不降低產(chǎn)量,但高濃度ABA導(dǎo)致水稻減產(chǎn)。供試濃度范圍內(nèi)的ETH處理既減少水稻籽粒中的重金屬含量同時(shí)也明顯降低產(chǎn)量。SA和MeJA雖不影響產(chǎn)量但水稻籽粒中的重金屬含量降低程度低于ABA。由于具有施用簡(jiǎn)單、成本低、環(huán)境友好等特點(diǎn),PGR在中低度重金屬污染農(nóng)田的生態(tài)治理實(shí)踐中應(yīng)具有一席之地。PGR對(duì)時(shí)間和劑量的準(zhǔn)確性要求較高,不同時(shí)間處理、不同劑量水平可能會(huì)導(dǎo)致不同的生理效應(yīng),這是PGR在實(shí)際應(yīng)用中必須注意的問(wèn)題。

[1] 崔玉靜, 趙中秋, 劉文菊, 陳世寶, 朱永官. 鎘在土壤-植物-人體系統(tǒng)中遷移積累及其影響因子. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2003, 23(10): 2133- 2143.

[2] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局. 中東部地區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查報(bào)告. 環(huán)境保護(hù), 2003, (8): 3- 8.

[3] He J Y, Zhu C, Ren Y F, Yan Y P, Jiang D A. Genotypic variation in grain cadmium concentration of lowland rice. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2006, 169(5): 711- 716.

[4] 劉林德, 姚敦義. 植物激素的概念及其新成員. 生物學(xué)通報(bào), 2002, 37(8): 18- 20.

[5] 吳耀榮, 謝旗. ABA與植物脅迫抗性. 植物學(xué)通報(bào), 2006, 23(5): 511- 518.

[6] 劉紅娟, 劉洋, 劉琳. 脫落酸對(duì)植物抗逆性影響的研究進(jìn)展. 生物技術(shù)通報(bào), 2008, (6): 7- 9.

[7] 丁義峰, 劉萍. 水楊酸誘導(dǎo)植物抗逆性研究進(jìn)展. 生物學(xué)教學(xué), 2011, 36(11): 2- 4.

[8] 陳珍, 朱誠(chéng). 水楊酸在植物抗重金屬元素脅迫中的作用. 植物生理學(xué)通訊, 2009, 45(5): 497- 502.

[9] 康云艷, 郭世榮, 段九菊. 新型植物激素與蔬菜作物抗逆性關(guān)系研究進(jìn)展. 中國(guó)蔬菜, 2007, (5): 39- 42.

[10] 蔡昆爭(zhēng), 董桃杏, 徐濤. 茉莉酸類(lèi)物質(zhì)(JAs)的生理特性及其在逆境脅迫中的抗性作用. 生態(tài)環(huán)境, 2006, 15(2): 397- 404.

[11] Fuhrer J. Ethylene biosynthesis and cadmium toxicity in leaf tissue of beans (PhaseolusvulgarisL.). Plant Physiology, 1982, 70(1): 162- 167.

[12] Zawoznik M S, Groppa M D, Tomaro M L, Benavides M P. Endogenous salicylic acid potentiates cadmium-induced oxidative stress inArabidopsisthaliana. Plant Science, 2007, 173(2): 190- 197.

[13] Jin X, Heng X Y, Xia L. Protective effects of proline against cadmium toxicity in micropropagated hyperaccumulator,SolanumnigrumL.. Plant Cell Reports, 2009, 28(2): 325- 333.

[14] 何俊瑜, 任艷芳, 王陽(yáng)陽(yáng), 李兆君. 不同耐性水稻幼苗根系對(duì)鎘脅迫的形態(tài)及生理響應(yīng). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31(2): 522- 528.

[15] 丁佳紅, 薛正蓮, 楊超英. 水楊酸對(duì)銅脅迫下水稻幼苗膜脂過(guò)氧化作用的影響. 黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué), 2013, (1): 14- 18.

[16] Ahmad P, Nabi G, Ashraf M. Cadmium-induced oxidative damage in mustard [Brassicajuncea(L.) Czern. & Coss. ] plants can be alleviated by salicylic acid. South African Journal of Botany, 2011, 77(1): 36- 44.

[17] Hsu Y T, Kao C H. Role of abscisic acid in cadmium tolerance of rice (OryzasativaL.) seedlings. Plant, Cell and Environment, 2003, 26(6): 867- 874.

[18] 文廷剛, 陳昱利, 杜小鳳, 吳傳萬(wàn), 錢(qián)新民, 吳雪芬, 王偉中. 不同植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑對(duì)小麥籽粒灌漿特性及粒重的影響. 麥類(lèi)作物學(xué)報(bào), 2014, 34(1): 84- 90.

[19] Mishra A, Choudhuri M A. Effects of salicylic acid on heavy metal-induced membrane deterioration mediated by lipoxygenase in rice. Biologia Plantarum, 1999, 42(3): 409- 415.

[20] Beltrano J, Ronco M G, Montaldi E R, Carbone A. Senescence of flag leaves and ears of wheat hastened by methyl jasmonate. Journal of Plant Growth Regulation, 1998, 17(1): 53- 57.

[21] Ci D W, Jiang D, Dai T B, Jing Q, Cao W X. Effects of cadmium on plant growth and physiological traits in contrast wheat recombinant inbred lines differing in cadmium tolerance. Chemosphere, 2009, 77(11): 1620- 1625.

[22] Wu F D, Zhang G P, Dominy P, Wu H X, Bachir D M L. Differences in yield components and kernel Cd accumulation in response to Cd toxicity in four barley genotypes. Chemosphere, 2007, 70(1): 83- 92.

[23] 吳靈瓊, 成水平, 楊立華, 吳振斌. Cd2+和Cu2+對(duì)美人蕉的氧化脅迫及抗性機(jī)理研究. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 26(4): 1365- 1369.

[24] 彭艷, 李洋, 楊廣笑, 何光源. 鋁脅迫對(duì)不同小麥SOD、CAT、POD活性和MDA含量的影響. 生物技術(shù), 2006, 16(3): 38- 42.

[25] Bulak P, Walkiewicz A, Brzezińska M. Plant growth regulators-assisted phytoextraction. Biologia Plantarum, 2014, 58(1): 1- 8.

[26] de Vleesschauwer D, Gheysen G, H?fte M. Hormone defense networking in rice: tales from a different world. Trends in Plant Science, 2013, 18(10): 555- 565.

[28] Hadi F, Bano A, Fuller M P. The improved phytoextraction of lead (Pb) and the growth of maize (ZeamaysL.): the role of plant growth regulators (GA3and IAA) and EDTA alone and in combinations. Chemosphere, 2010, 80(4): 457- 462.

[29] Agami R A, Mohamed G F. Exogenous treatment with indole- 3-acetic acid and salicylic acid alleviates cadmium toxicity in wheat seedlings. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2013, 94: 164- 171.

[30] Hollenbach B, Schreiber L, Hartung W, Dietz K J. Cadmium leads to stimulated expression of the lipid transfer protein genes in barley: implications for the involvement of lipid transfer proteins in wax assembly. Planta, 1997, 203(1): 9- 19.

[31] Fediuc E, Herman Lips S, Erdei L. O-acetylserine (thiol) lyase activity inPhragmitesandTyphaplants under cadmium and NaCl stress conditions and the involvement of ABA in the stress response. Journal of Plant Physiology, 2005, 162(8): 865- 872.

[33] Khan M I R, Nazir F, Asgher M, Per T S, Khan N A. Selenium and sulfur influence ethylene formation and alleviate cadmium-induced oxidative stress by improving proline and glutathione production in wheat. Journal of Plant Physiology, 2015, 173: 9- 18.

[34] Monteiro C C, Carvalho R F, Grat?o P L, Carvalho G, Tiago T, Medici L O, Peres L E P, Azevedo R A. Biochemical responses of the ethylene-insensitive Never ripe tomato mutant subjected to cadmium and sodium stresses. Environmental and Experimental Botany, 2011, 71(2): 306- 320.

[35] Chen J, Yan Z Z, Li X Z. Effect of methyl jasmonate on cadmium uptake and antioxidative capacity inKandeliaobovataseedling under cadmium stress. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2014, 104: 349- 356.

[36] Belkadhi A, de Haro A, Obregon S, Cha?bi W, Djebali W. Exogenous salicylic acid protects phospholipids against cadmium stress in flax (LinumusitatissimumL.). Ecotoxicology and Environmental Safety, 2015, 120: 102- 109.

[37] Tamás L, Mistrík I, Alemayehu A, Zelinová V, Bocová B, Huttová J. Salicylic acid alleviates cadmium-induced stress responses through the inhibition of Cd-induced auxin-mediated reactive oxygen species production in barley root tips. Journal of Plant Physiology, 2015, 173: 1- 8.

[38] Popova L P, Maslenkova L T, Yordanova R Y, Ivanova A P, Krantev A P, Szalai G, Janda T. Exogenous treatment with salicylic acid attenuates cadmium toxicity in pea seedlings. Plant Physiology and Biochemistry, 2009, 47(3): 224- 231.

[39] Hart J J, Welch R M, Norvell W A, Sullivan L A, Kochian L V. Characterization of cadmium binding, uptake, and translocation in intact seedlings of bread and durum wheat cultivars. Plant Physiology, 1998, 116(4): 1413- 1420.

[40] Marschner H. Marschner′s Mineral Nutrition of Higher Plants. London: Academic Press, 1986: 674- 674.

[41] Salt D E, Prince R C, Pickering J I, Raskin I. Mechanisms of cadmium mobility and accumulation in Indian mustard. Plant Physiology, 1995, 109(4): 1427- 1433.

[42] 錢(qián)海勝, 陳亞華, 王桂萍, 沈振國(guó). 鎘在不結(jié)球白菜中的積累及外源脫落酸對(duì)鎘積累的影響. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 31(4): 61- 65.

[43] Hossain M A, Munemasa S, Uraji M, Nakamura Y, Mori I C, Murata Y. Involvement of endogenous abscisic Acid in methyl jasmonate-induced stomatal closure in Arabidopsis. Plant Physiology, 2011, 156(1): 430- 438.

[44] Fujimaki S, Suzui N, Ishioka N S, Kawachi N, Ito S, Chino M, Nakamura S. Tracing cadmium from culture to spikelet: noninvasive imaging and quantitative characterization of absorption, transport, and accumulation of cadmium in an intact rice plant. Plant Physiology, 2010, 152(4): 1796- 1806.

[45] Yu L H, Umeda M, Liu J Y, Zhao N M, Uchimiya H. A novel MT gene of rice plants is strongly expressed in the node portion of the stem. Gene, 1998, 206(1): 29- 35.

Effects of four plant growth regulators on growth and cadmium accumulation in rice

HE Bing, CHEN Xiaoqin, XIN Zibing, LU Qinyu, SHI Qiao, GU Minghua*, WANG Xueli

CollegeofAgriculture,GuangxiUniversity,Nanning530005,China

Cadmium (Cd) pollution has become a serious problem following rapid industrial development. The increasing amounts of Cd in farmlands are the result of increased discharge of industrial waste, abuse of chemical fertilizers, and other man-made sources. Cd likely causes damage to crop physiology when its concentration in soil exceeds the maximum tolerable limit, resulting in growth inhibition and grain yield reduction. Continuous intake of Cd causes human health problems. Therefore, reducing Cd concentration in rice grain, a staple food for half of the world′s population, is extremely important and urgent. Plant growth regulators (PGRs) are chemicals—plant endogenous hormones and artificially synthetic growth regulators—that affect and regulate plant growth and/or development at trace levels. Some PGRs play important roles in inducing plant tolerance to drought, salt, low temperature, high temperature, and heavy metals. In this study, the roles of four PGRs, abscisic acid (ABA), ethylene (ETH), salicylic acid (SA), and methyl jasmonate (MeJA), were investigated during stress responses to Cd treatments in rice. Rice seedlings, grown in heavy metal-contaminated soil, were sprayed with the four PGRs on leaves twice, one time each during tillering and filling stages. On the second day after the PGR treatments during the filling stage, the photosynthesis indices and malondialdehyde (MDA) contents of the upper leaves were analyzed. After harvesting, the roots, shoots, and grains were collected to investigate Cd content, biomass, and yield. The results were as follows: (1) The ABA treatment at 5 mg/L maintained normal rice growth and yield, while the ABA treatment at 15 mg/L showed the opposite effects. Treatment with two different levels of ETH significantly decreased the grain yield compared to that of the control. However, SA and MeJA high-level treatments maintained normal yields. (2) The exogenous application of the four PGRs inhibited stomatal opening and reduced the transpiration and photosynthetic rates. Interestingly, the most obvious inhibitory action was observed following the treatment with 0.56 mg/L MeJA. (3) Both the SA treatments, 5 mg/L ABA and 0.56 mg/L MeJA treatments, reduced MDA production and prevented plasma membrane peroxidation of leaves at the tillering stage. (4) Decreases in the Cd concentrations were observed in rice grain treated with the four PGRs at their appropriate levels, and the ABA treatment at 5 mg/L showed the strongest inhibitory effect. The grain Cd content showed positive and highly significant (P<0.01) correlation with the Cd translocation factor from shoot to grain, but it did not show a significant correlation with the transpiration rate. PGRs may inhibit the accumulation of Cd in the grain by regulating Cd transport from shoots to grain. (5) In summary, ABA treatment at 5 mg/L had no effect on grain yield but induced the maximum decline in grain Cd content compared to the treatments with other PGRs. Proper application of PGRs can reduce the Cd content in rice grain and can be used in bioremediation of heavy metal polluted farmland. For a practical application of PGRs, appropriate timing, and accurate concentrations are the critical factors to avoid negative effects of inhibited growth and reduced rice yields.

rice; Cd; plant growth regulator

農(nóng)業(yè)部專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目(2014- 2016)；廣西土壤污染與生態(tài)修復(fù)人才小高地項(xiàng)目；國(guó)家自然科學(xué)基金金資助項(xiàng)目(31560122)

2015- 04- 27;

日期:2016- 03- 03

10.5846/stxb201504270861

*通訊作者Corresponding author.E-mail: gumh@gxu.edu.cn

何冰,陳小勤,辛子兵,陸覃昱,石橋,顧明華,王學(xué)禮.不同生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)對(duì)水稻生長(zhǎng)及鎘積累的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(21):6863- 6871.

He B, Chen X Q, Xin Z B, Lu Q Y, Shi Q, Gu M H, Wang X L.Effects of four plant growth regulators on growth and cadmium accumulation in rice.Acta Ecologica Sinica,2016,36(21):6863- 6871.