全 文 ：外源 NO介导 Cu胁迫下番茄 GSH鄄PCs合成途径*
王摇 建摇 于世欣摇 张摇 敏摇 崔秀敏**
(土肥资源高效利用国家工程实验室 /山东农业大学资源与环境学院, 山东泰安 271018)
摘摇 要摇 一氧化氮(NO)作为生物活性分子,广泛参与各种生物和非生物胁迫.采用营养液培
养,研究了 Cu胁迫下外源 NO介导的番茄还原型谷胱甘肽鄄植物螯合肽(GSH鄄PCs)合成途径
中相关酶活性及代谢产物的变化.结果表明: 与对照(CK)相比,Cu胁迫可以显著激活番茄体
内 酌鄄谷氨酰半胱氨酸合成酶(酌鄄ECS)、谷胱甘肽合成酶(GS)活性,根系 GSH、PCs含量急剧升
高,且随着处理时间的延长,酌鄄ECS、GS 活性和 GSH、PCs含量呈持续上升趋势;添加外源硝普
钠(SNP, NO供体)可以进一步提高 Cu胁迫下番茄根系 酌鄄ECS、GS 活性,促进 GSH、PCs的合
成,增强清除过氧化物的能力,并螯合过多的 Cu2+,降低其生物毒性.叶片中的 GSH鄄PCs 代谢
变化在一定程度上滞后于根系.外源丁硫氨酸鄄亚砜亚胺(BSO,GSH合成抑制剂)显著抑制根
系 酌鄄ECS活性,添加 SNP可以显著逆转根系中 BSO对 GSH和 PCs合成的抑制,对叶片中 PCs
合成的影响较小. Cu胁迫下,外源 NO可能启动了某些信号机制,并通过激活或增强 GSH鄄PCs
合成途径中的酶促和非酶促系统,降低过多的 Cu2+的生物毒性和氧化伤害.
关键词摇 番茄摇 一氧化氮摇 Cu胁迫摇 PCs摇 GSH
文章编号摇 1001-9332(2014)09-2629-08摇 中图分类号摇 S152. 7摇 文献标识码摇 A
Exogenous NO mediated GSH鄄PCs synthesis pathway in tomato under copper stress. WANG
Jian, YU Shi鄄xin, ZHANG Min, CUI Xiu鄄min (National Engineering Laboratory for Efficient Utiliza鄄
tion of Soil and Fertilizer Resources / College of Resources and Environment, Shandong Agricultural Uni鄄
versity, Tai爷an 271018, Shandong, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014, 25(9): 2629-2636.
Abstract: Nitric oxide (NO), as a biologically active molecule, widely involved in the biotic and
abiotic stresses. By using solution culture, this paper reported the dynamic changes in enzyme
activity and metabolites related to GSH鄄PCs synthesis way mediated by exogenous NO in tomato
(Lycopersicon esculentum). The results showed that exogenous NO could affect the metabolic path鄄
way of GSH鄄PCs in tomato seedlings under copper stress. Compared with CK, the activity of 酌鄄ECS
and GS was significantly activated, consequently resulting in a sharp rise in GSH and PCs contents
in tomato root. Moreover, 酌鄄ECS and GS activity, GSH and PCs contents constantly rise with the
extension of processing time under copper stress. Adding exogenous SNP could further improve 酌鄄
ECS and GS activity in tomato, and promote the production of GSH and PCs, which contributed to
enhancing the ability of removing superoxide and chelating excess Cu2+ to reduce its biological toxi鄄
city. To a certain extent, GSH鄄PCs metabolic changes in leaf lagged behind that in roots.
Exogenous BSO could significantly inhibit 酌鄄ECS activity, and applying SNP could significantly re鄄
verse the inhibition on GSH and PCs synthesis by BSO. BSO had little effects on PCs content in
leaf. Under copper stress, exogenous NO may initiate a signal mechanism and reduce the biotoxicity
and oxidative damage caused by excessive Cu2+ by activating or enhancing the enzymatic and non鄄
enzymatic systems in the GSH鄄PCs synthesis path.
Key words: tomato; nitric oxide; copper stress; PCs; GSH.
*国家自然科学基金项目(31201619)资助.
**通讯作者. E鄄mail: xiumincui@ sadu. edu. cn
2013鄄11鄄22 收稿,2014鄄06鄄10 接受.
摇 摇 植物螯合肽(PCs)是一种可以络合重金属的小
分子肽,由半胱氨酸、谷氨酸和甘氨酸组成. 植物体
中的 PCs是一类特殊的巯基蛋白(富含鄄SH). 它不
是结构基因的直接产物,而是以谷氨酸、半胱氨酸为
底物合成的酶促产物[1-2] . 重金属离子进入植物体
后,PCs通过半胱氨酸上的巯基络合重金属,形成低
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 9 月摇 第 25 卷摇 第 9 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Sep. 2014, 25(9): 2629-2636
分子量复合物,进入液泡,再与一分子 PCs结合降低
金属离子活度,形成对植物组织毒性较小的高分子
复合物,减轻重金属毒害[3-4] .
Cu是植物生长发育必需的微量元素,作为酶的
活化剂或辅基,广泛参与光合、呼吸、信号转导等各
种重要的生理生化活动[5] . 同时,作为重金属元素,
当植物体中的 Cu 超过植物的需求时便会出现 Cu
中毒,引起植物体内超氧阴离子自由基、H2O2、过氧
化物等活性氧 ( ROS)积累,进而破坏细胞成分
(DNA、蛋白质、膜脂质) [6-7] .
NO 是存在于植物体内重要的小分子信号物
质,广泛参与植物各种生理生化过程[8-9] .重金属胁
迫下,NO可以有效地清除胁迫条件下生成的活性
氧,缓解过多的重金属离子对植物造成的伤
害[10-12] . Cu胁迫下,外源 NO可以缓解 Cu胁迫对生
长的抑制,促进植物吸收或者积累过多的 Cu,而植
物体吸收的过多的 Cu 被某些机制降低了毒
性[13-14] .
本文以常规栽培番茄为试验材料,采用营养液
培养,研究 Cu 胁迫条件下外源 NO 对番茄幼苗 酌鄄
ECS活性、GS活性及代谢产物的影响,以探讨外源
NO介导的 GSH鄄PCs 合成途径. 与重金属超积累植
物相比,番茄生物量大,生长迅速,研究外源物质诱
导其耐 Cu机制,可以为 Cu污染地区进行生物修复
和农业生产提供一条新思路.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 供试材料
供试番茄(Solanum lycopersicum)为“改良毛粉
802F1冶. Hoagland 改良营养液组成: Ca (NO3 ) 2 ·
4H2O、KNO3、NH4NO3、KH2 PO4、MgSO4、微量元素,
以上试剂均为分析纯,用蒸馏水配制. NO 和 Cu2+的
供体及适宜浓度已由预备试验确定: CuCl2提供
Cu2+,SNP(硝普钠[Na2Fe(CN) 5]NO,购自 Sigma 公
司)提供 NO,先用蒸馏水配成 200 滋mol·L-1的母
液,4 益避光保存,用时按所需浓度稀释. 牛血红蛋
白 Hb(购自 Sigma 公司)为 NO 的清除剂,丁硫氨
酸鄄亚砜亚胺 BSO(购自 Sigma 公司)为 GSH 的合成
抑制剂.
1郾 2摇 试验设计
试验于 2012 年 10 月在山东农业大学温室内进
行.种子经 55 益温汤浸种消毒 15 min,然后在润湿
的吸水纸上 28 益催芽.待种子露白后,播于洗净的
细砂中,出苗后用 1 / 4 Hoagland营养液浇灌.当幼苗
具有 3 ~ 4 片真叶时,挑选生长一致的植株洗净根部
细砂后,移栽于 5 L 塑料盆中,用厚度为 3 cm 的泡
沫塑料板做成圆形盖子,覆盖在塑料盆顶部.每盆栽
5 株,用 1 / 2 Hoagland营养液进行栽培,预培养 1 周
后换成完全营养液.此后每 3 d更换 1 次营养液.营
养液栽培期间用电动气泵 24 h连续通气.
当植株长有 5 ~ 6 片真叶时,对番茄幼苗进行胁
迫处理.试验设置 6 个处理:1)对照,Hoagland 完全
营养液(CK);2) 50 滋mol·L-1 CuCl2(Cu);3) 50
滋mol·L-1 CuCl2+100 滋mol·L-1SNP(Cu+S);4) 50
滋mol·L-1 CuCl2+100 滋mol·L-1 SNP+0. 1% Hb(Cu+
S+H);5) 50 滋mol·L-1 CuCl2 +100 滋mol·L-1 BSO
(Cu+B);6) 50 滋mol·L-1 CuCl2 +100 滋mol·L-1
BSO+100 滋mol·L-1SNP(Cu+S+B). 3 次重复,温室
内随机排列.处理期间每隔 3 d 更换营养液,用低浓
度 KOH 或 HCl 调节 pH 至(5 依0. 2). 温室内光照
(光照强度为 320 滋mol·m-2·s-1)约 12 h,白天最
高温度 32 益,夜间最低温度 15 益 . 于处理后的 1、
3、6、24、48 h分别收获植株根系及叶片.部分新鲜样
品用于测定酶活性,部分样品液氮速冻,-80 益贮存
备用.
1郾 3摇 测定项目及方法
PCs测定采用差减法[15],测定植物组织内 PCs
的诱导合成量,即 PCs-SH =非蛋白质态巯基总量
(TNP鄄SH)-总谷胱甘肽含量(GSH+GSSG). 非蛋白
质态巯基总量(TNP鄄SH)的测定采用比色法[16];还
原型谷胱甘肽(GSH)和氧化型谷胱甘肽(GSSG)的
测定参照郝建军等[17]的方法;酌鄄ECS 活性采用试剂
盒(购自南京建成)测定;GS 活性采用试剂盒(购自
江莱生物)测定;Cu 含量测定采用 HNO3 鄄HClO4消
煮[18],原子吸收分光光度计(AA370MC)测定.
1郾 4摇 数据处理
采用 Microsoft Excel软件对数据进行处理及绘
图,采用 DPS 统计软件的 Duncan 法对平均数进行
多重比较.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 外源 NO 对 Cu 胁迫下番茄幼苗 Cu 含量的
影响
由图 1 可以看出,与对照(CK)相比,Cu 胁迫使
番茄幼苗根系和叶片 Cu 含量均显著升高,根系变
化幅度高于叶片,且随着处理时间的延长呈持续上
升趋势,至处理结束时,根系和叶片Cu含量分别比
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图 1摇 外源 NO对 Cu胁迫下番茄幼苗根系和叶片 Cu含量的
影响
Fig. 1 摇 Effects of exogenous NO on Cu contents in roots and
leaves of tomato seedlings under copper stress.
a)根系 Root; b)叶片 Leaf. CK: 对照 Control; Cu: 50 滋mol·L-1
CuCl2; Cu+S: 50 滋mol·L-1 CuCl2 +100 滋mol·L-1 SNP; Cu+S+H:
50 滋mol·L-1 CuCl2 +100 滋mol·L-1 SNP+0. 1% Hb; Cu+B: 50
滋mol·L-1 CuCl2 + 100 滋mol·L-1 BSO; Cu + S + B: 50 滋mol·L-1
CuCl2 +100 滋mol·L-1 BSO+100 滋mol·L-1 SNP. 下同 The same be鄄
low.
CK增加 89. 2%和 63. 0% . 与单纯 Cu 处理相比,添
加外源 SNP 处理的根系 Cu 含量继续增加,添加外
源 0. 1% Hb显著降低根系 Cu含量,减弱 SNP对 Cu
离子吸收的促进作用;添加外源 BSO 降低番茄根系
Cu 含量,至处理结束时,根系 Cu 含量降低了
46郾 3% . 与 Cu+B 处理相比,外源 SNP 减弱了 BSO
的抑制效果,增加了根系中的 Cu含量.
叶片 Cu变化与根系不同.与 Cu处理相比,施加
外源 SNP 显著降低 Cu 胁迫下叶片 Cu 含量,添加
0郾 1% Hb可以部分抵消 Cu 的降低趋势.与 Cu 处理
相比,添加外源 BSO 可增加叶片 Cu 含量,至处理结
束时,叶片中 Cu 含量增加 45. 8% .与 Cu+B 处理相
比,添加外源 SNP叶片中 Cu含量降低 26. 7% .因此,
添加外源 SNP可提高 Cu 胁迫条件下根部 Cu 含量,
降低叶片 Cu含量,而外源 BSO可降低根系 Cu含量,
增加叶片 Cu含量,0. 1% Hb可降低 SNP效果.
2郾 2摇 外源 NO 对 Cu 胁迫下番茄幼苗植物螯合肽
(PCs)的影响
与 CK相比,Cu 处理使番茄根系和叶片 PCs 含
量升高,且随处理时间的延长 PCs 含量呈持续上升
趋势(图 2).与 Cu处理相比,外施 SNP 提高了番茄
根系和叶片 PCs含量,且随着处理时间的延长,PCs
含量逐渐上升;添加外源 BSO 降低根系和叶片 PCs
含量,随着处理时间的延长 PCs 含量逐渐下降. 与
Cu+B 处理相比,添加外源 SNP 使根系中 PCs 含量
随处理时间的延长而增加,但趋势缓慢,处理 6 h
后,SNP对 PCs合成的诱导效果减弱,PCs 含量开始
下降.
叶片中添加外源 SNP 后,PCs 含量随着处理时
间的延长呈下降趋势,24 h 后 PCs 含量趋于稳定.
由此可以看出,Cu 胁迫下添加外源 SNP 可以提高
番茄根系和叶片 PCs 含量,外施 0. 1% Hb 可减弱
SNP对 PCs含量的增加趋势.与 Cu 处理相比,无论
添加 SNP 与否,添加外源 BSO 均降低根系和叶片
PCs含量,但 SNP 仍对 Cu 胁迫下 GSH鄄PCs 的转换
具有一定调节作用.
2郾 3摇 外源 NO对 Cu胁迫下番茄幼苗 GSH的影响
由图 2 可见,根系中,Cu 处理下 GSH 含量一直
显著高于 CK,随着处理时间的延长,GSH 呈逐渐上
升趋势,处理后 48 h其含量比 CK 提高 46% .与 Cu
处理相比,Cu+S 处理期间根系 GSH 含量呈上升趋
势,且上升速度较快,处理 3 h 后,Cu+S 处理 GSH
含量高于 Cu 处理,外源 Hb 可减弱 SNP 的诱导效
果;添加外源 BSO 显著降低了根系和叶片 GSH 含
量,且随处理时间延长 GSH 含量呈下降趋势,处理
48 h后其含量分别下降 78%和 31% .与 Cu+B 处理
相比,Cu+B+S处理提高了根系 GSH含量,处理 24 h
后 GSH含量不再增加.
叶片中 GSH 变化趋势与根系不同. Cu 胁迫下
各处理均低于 CK,且随着处理时间的延长呈下降趋
势.处理 48 h后 Cu处理 GSH含量比 CK下降 56% .
与 Cu处理相比,添加外源 SNP增加了叶片 GSH,Hb
可显著减弱 SNP的诱导效果;而添加外源 BSO降低
了叶片 GSH含量,而在此基础上添加 SNP(Cu+B+S
处理)能提高番茄叶片 GSH 含量,且随处理时间的
延长叶片 GSH 含量呈下降趋势,处理后 48 h 其含
量下降 24% .由此可以看出,Cu 胁迫条件下,添加
外源 SNP 可显著增加 Cu 胁迫下番茄根系和叶片
GSH含量,根系和叶片 GSH 变化趋势不同,前者持
续上升,后者持续下降. 外源 BSO 可显著抑制 GSH
的合成.
2郾 4摇 外源 NO对 Cu胁迫下番茄幼苗 GSSG的影响
与 CK 相比,随着处理时间的延长,加 Cu 处理
番茄幼苗根系 GSSG含量呈上升趋势,GSSG含量均
13629 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王摇 建等: 外源 NO介导 Cu胁迫下番茄 GSH鄄PCs合成途径摇 摇 摇 摇 摇 摇
图 2摇 外源 NO对 Cu胁迫下番茄幼苗根系和叶片中植物螯合肽(PCs)、谷胱甘肽(GSH)和氧化型谷胱甘肽(GSSG)含量及
GSH / GSSG的影响
Fig. 2摇 Effects of exogenous NO on the contents of phytochelatins, GSH, GSSG in roots and leaves of tomato seedlings under copper
stress.
高于对照. 与 Cu 处理相比,添加外源 SNP 的 Cu+S
处理促进了番茄根系 GSSG的产生,而 0. 1% Hb 可
减弱 SNP对 GSSG的促进效果;而添加外源 BSO 的
Cu+B处理可降低根系 GSSG含量,而 Cu+B+S 处理
则显著提高番茄幼苗根系 GSSG 含量,处理 48 h 时
根系 GSSG含量提高 11% .
与 CK相比,加 Cu处理(除 Cu+B、Cu+B+S 外)
番茄叶片 GSSG含量呈上升趋势,且 GSSG含量均高
于 CK.与 Cu 处理相比,添加外源 SNP 提高了叶片
GSSG含量,外源 0. 1% Hb 可减弱 SNP 促进 GSSG
产生的效果,而添加外源 BSO 降低了叶片 GSSG 含
量,其含量低于 CK,且呈持续下降趋势.与 Cu+B 处
理相比,Cu+B+S处理能提高番茄幼苗叶片 GSSG含
量,处理 48 h后 GSSG含量几乎恢复到 CK水平(图
2).因此,在 Cu 胁迫条件下,BSO 可降低番茄根系
和叶片 GSSG 含量,添加外源 SNP 可显著缓解或逆
转这种降低趋势.
2郾 5摇 外源 NO对 Cu胁迫下番茄幼苗 GSH / GSSG的
影响
与 CK相比,Cu处理期间根系 GSH / GSSG 呈上
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升趋势,处理后 6 h 内 GSH / GSSG 均低于 CK,处理
6 h 后至处理结束 GSH / GSSG 高于 CK,添加外源
SNP 可以提高 Cu 胁迫条件下番茄根系中 GSH /
GSSG,且根系中 GSH / GSSG在处理期间呈上升趋势
(图 2).与 Cu+S 处理相比,添加 0. 1% Hb 降低了
GSH / GSSG,但 GSH / GSSG 在整个处理期间的变化
幅度不大.与 Cu处理相比,添加外源 BSO降低了根
系中 GSH / GSSG,且整个处理期间呈下降趋势. 与
Cu+B处理相比,添加外源 SNP可提高根系中 GSH /
GSSG.
所有加 Cu处理的番茄叶片 GSH / GSSG 均低于
CK,且随胁迫时间延长呈持续下降趋势.与 Cu 处理
相比,添加外源 SNP 可以提高 Cu 胁迫条件下番茄
叶片 GSH / GSSG,而 0. 1% Hb可减缓 GSH / GSSG升
高的趋势.与 Cu处理相比,添加外源 BSO 6 h 后叶
片 GSH / GSSG达到峰值,之后一直处于下降趋势.
Cu胁迫下,添加 BSO对 GSH / GSSG 的影响不大,但
此基础上外施 SNP却使叶片 GSH / GSSG 显著增加.
因此,Cu胁迫条件下,外源添加 SNP 可提高番茄根
系和叶片 GSH / GSSG,外源 0. 1% Hb可减弱 SNP对
GSH / GSSG的提升效果.
2郾 6摇 外源 NO对 Cu 胁迫下番茄幼苗 酌鄄ECS 和 GS
活性的影响
与 CK相比,Cu 处理使 酌鄄ECS 活性升高,且处
理期间番茄根系和叶片 酌鄄ECS 活性均呈上升趋势.
与 Cu处理相比,Cu+S 处理根系和叶片 酌鄄ECS 活性
均显著提高,处理 6 h后根系 酌鄄ECS活性急剧升高,
叶片 酌鄄ECS活性持续缓慢上升,至处理结束时,根
系和叶片 酌鄄ECS活性分别提高 44. 4%和 13. 6% (图
3).添加外源 0. 1% Hb 减弱了 SNP 对根系和叶片
酌鄄ECS活性的诱导效果. Cu 胁迫条件下,添加 BSO
极显著降低了番茄根系和叶片 酌鄄ECS 活性,随着处
理时间的延长 酌鄄ECS 活性呈下降趋势,至处理结束
时,根系和叶片 酌鄄ECS 活性比 Cu 处理分别降低
83郾 0%和 31. 6% .添加外源 SNP 可以缓解 Cu 胁迫
下 BSO对 酌鄄ECS活性的抑制作用,添加 SNP 48 h后
根系和叶片 酌鄄ECS活性分别恢复 50%和 66. 6% .因
此,Cu 胁迫使番茄根系和叶片 酌鄄ECS 活性增加,
SNP可显著促进这种趋势;BSO 抑制 酌鄄ECS 活性,
外源 SNP可缓解 Cu胁迫条件下 BSO对 酌鄄ECS活性
的抑制.
Cu处理期间,根系 GS 活性呈先升后降再上升
的趋势,至处理结束时,根系 GS 活性比 CK 提高
22. 5% .与 Cu 处理相比,外源 SNP 可提高根系 GS
活性,且处理期间 GS 活性呈上升趋势,至处理结束
时,GS活性比 Cu处理提高 46. 6% ,添加外源 0. 1%
Hb可减弱 SNP 的诱导效果;而 Cu+B 处理根系 GS
活性无显著变化,说明 BSO对 GS活性的影响不大.
与 Cu+B 处理相比,添加外源 SNP 可提高根系 GS
活性,且在处理期间 GS 活性一直呈上升趋势,处理
结束时 GS活性比 Cu+B处理提高 25% .
叶片中,Cu处理期间 GS活性始终呈上升趋势,
图 3摇 外源 NO对 Cu胁迫下番茄幼苗根系和叶片中 酌鄄ECS和 GS活性的影响
Fig. 3摇 Effects of exogenous NO on the activity of 酌鄄ECS and GS in roots and leaves of tomato seedlings under copper stress.
33629 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王摇 建等: 外源 NO介导 Cu胁迫下番茄 GSH鄄PCs合成途径摇 摇 摇 摇 摇 摇
至处理结束时 GS活性比 CK提高 27. 6% .与 Cu 处
理相比,添加外源 SNP使 GS活性急剧上升,外源添
加 0. 1% Hb减弱了 SNP对 GS的诱导效果;而添加
外源 BSO对 GS活性无显著影响,在此基础上添加
外源 SNP,3 h 内 GS 活性呈下降趋势,3 h 后 GS 活
性急转为上升趋势.
3摇 讨摇 摇 论
有研究表明,外源 NO可以显著缓解番茄 Cu 胁
迫[14],虽然 NO可促进 Cu胁迫下 Cu在根系的吸收
或积累[19],但植株并未表现胁迫加剧,而是几乎恢
复到 CK水平.本文胁迫处理后 Cu2+的动态变化及
番茄长势检测结果证明了这一点.
李晓云等[20]发现,Cu胁迫下外源 NO介导了谷
胱甘肽鄄抗坏血酸(GSH鄄ASA)途径,以增强番茄的
抗氧化胁迫能力. 谷胱甘肽( glutataione,GSH)不仅
是植物体内重要的活性氧清除剂,还可以保护植物
免受环境胁迫、氧化胁迫、重金属毒害[21] .谷胱甘肽
包括还原型(GSH)和氧化型(GSSG)两种形式中,
还原型 GSH可以提供电子,GSSG 必需在被还原为
GSH时才能起到清除 H2O2的作用.正常生长的植物
体内 GSH / GSSG处于平衡状态;当植物受到逆境胁
迫时, 胁迫产 生 的 氧 自 由 基 将 GSH 氧 化 成
GSSG[22],GSH / GSSG 变化可为清除活性氧和氢过
氧化物、脂质过氧化物等代谢产物提供电子,维持细
胞内氧化还原平衡,缓解氧化胁迫对植物体的伤
害[23] .本试验中,Cu胁迫下添加外源 SNP可增加番
茄根系和叶片 GSH 含量,调节 GSH / GSSG,减缓 Cu
胁迫下产生的氧自由基对番茄造成的伤害. 根系
GSH含量变化与李晓云等[20]的结果不一致,可能与
胁迫处理时间(本文是动态连续取样)有关.
植物体内合成的 GSH 除用于清除植物体内氧
自由基外,还参与植物螯合肽(PCs)的合成.植物体
遭受重金属胁迫时,细胞内的谷胱甘肽、植物螯合
肽、金属硫蛋白等含巯基的配体可将根细胞内金属
离子螯合沉淀与钝化,形成低分子量复合物,进入液
泡,再与一分子 PCs结合,形成对生物毒性较低的高
分子量复合物(图 4),将 Cu 保留于根部,减少其向
地上部的运输,以降低过量 Cu 对光合作用及其他
生理生化进程的干扰[24] . 番茄植株受到土壤中 Cu
胁迫时,直接接触土壤的根系首先会对胁迫作出反
应[25],增加根系中 GSH合成,进而合成更多 PCs 络
合根系中过多的 Cu 离子,降低离子活度,减少 Cu
离子向地上部运输 . 植株在未遭受外界生物或非
图 4摇 植物 PCs的合成途径与 Cu2+解毒
Fig. 4摇 PCs pathways and Cu2+ detoxication in plant.
酌鄄ECS: 谷氨酰半胱氨酸合成酶 酌鄄glutamyl systeine synthetase; GS:
谷胱甘肽合成酶 Glutathione synthetase; GR: 谷胱甘肽还原酶 Gluta鄄
thione reductase; ROS:活性氧 Reactive oxygen species; LMW PCs鄄Cu:
低分子量 Cu复合物 Low molecular mass Cu complexes; HMW PCs鄄Cu:
高分子量 Cu复合物 High molecular mass Cu complexes.
生物威胁时,体内 GSH含量低,但地上部 GSH 含量
高于地下部.当植株遭受外界生物或非生物胁迫时,
植物体内 GSH含量迅速上升,为清除植物体内活性
氧及过氧化物提供保证,同时为植物体内 PCs 合成
提供更多的底物[26] .本试验中,与 Cu 处理相比,Cu
+S处理的番茄根系 GSH 和 PCs 均显著上升,二者
变化趋势呈显著正相关(R = 0. 9778**),且 PCs 浓
度始终高于 GSH,说明 Cu胁迫下 NO促进 GSH鄄PCs
代谢向着有利于 PCs 的方向发展,以形成较多的
PCs鄄Cu络合物,降低 Cu2+的生物毒性. 叶片中 GSH
与 PCs 的变化呈负相关(R = -0. 995),一方面可能
是 Cu 胁迫下添加外源 SNP 加速了 GSH 向地下部
运输[27];另一方面也可能是由于叶片代谢 GSH鄄PCs
的能力较强,生成的 PCs鄄Cu络合物以较快的速度进
入液泡,从而保证了原生质内适宜的 Cu2+参与正常
的代谢活动[28-29] .
摇 摇 PCs 在抵抗重金属胁迫中具有双重作用:既可
螯合重金属离子,又是一种重要的抗氧化剂,PCs 清
除 H2O2的能力比 GSH 和 AsA 高 4 ~ 5 倍[2] . Cu 胁
迫下,外源 SNP释放的 NO 可促使 GSH鄄PCs 代谢途
径向着 PCS方向发展,可能更有利于番茄解除或降
低过多 Cu的伤害.本研究 Cu、Cu+S、Cu+S+Hb处理
根系和叶片 Cu 离子含量与 PCs 变化趋势一致,无
论是根系还是叶片,均以 Cu+S+Hb处理的番茄相关
系数最高,分别为 0. 9999 和 0. 9950,说明 PCs 尤其
在 Cu胁迫条件下发挥着重要作用. 然而,Sch覿fer
等[30]试验中发现,PCs 在植物受到 Cu 胁迫时并非
是主要机制,用 Cu2+处理耐 Cu 性的麦瓶草时,敏感
品种和抗性品种植物 GSH含量均下降,相对于抗性
品种,敏感品种体内可合成更多的 PCs.这可能是因
为不同属植物体内 GR活性不同.
酌鄄ECS、GS是谷胱甘肽合成过程中必需的酶,
植物体内谷氨酸和半胱氨酸经 酌鄄ECS 催化形成 酌鄄
谷氨酰半胱氨酸,催化形成的 酌鄄谷氨酰半胱氨酸再
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经 GS 催化最终形成 GSH. 本试验中,Cu 胁迫使番
茄根系和叶片 酌鄄ECS、GS 均保持较高的活性. 这可
能是由于 Cu 过量条件下,植物需要持续合成大量
GSH,以消除体内因胁迫产生的过氧化物及络合金
属离子,降低离子活度[31] . Cu 胁迫条件下,添加外
源 SNP能进一步提高番茄根系和叶片 酌鄄ECS、GS 活
性,促进番茄根系和叶片合成 GSH.这可能与 Cu 胁
迫条件下外源 SNP释放的 NO上调 酌鄄ECS、GS 基因
的表达有关[32] . GSH是 PCs 的合成前体,GSH 含量
增加促进了番茄体内 PCs 合成. 这就解释了外源添
加 SNP可以提高番茄根系和叶片中 GSH、PCs 含量
的原因(图 2 和图 3),添加 0. 1% Hb(NO 清除剂)
可以消除或减弱 SNP 对 GSH 含量的增效. BSO 是
酌鄄ECS活性抑制剂,本试验中 Cu 胁迫下添加 BSO
使番茄根系和叶片 酌鄄ECS 活性明显被抑制,PCs 含
量显著降低[22,33-34],而 GS活性仅在处理 6 h后的叶
片中显著降低,说明 Cu 胁迫条件下叶片 PCs 的合
成明显滞后于根系,导致叶片 PCs 含量最终极显著
低于 Cu 处理,添加 SNP 对叶片 PCs 无显著改善效
果(图 2B).与 Cu+B 处理相比,Cu+B+S 处理根系
GSH、PCs含量均大幅增加. 这可能是 SNP 释放的
NO 首先启动根系中某些信号网络[35],部分缓解
BSO对 酌鄄ECS 的抑制. 李晓云等[20]研究发现,250
滋mol·L-1 BSO浓度下,添加外源 SNP 可以提高 Cu
胁迫下番茄根系谷胱甘肽还原酶(GR)活性,促进氧
化态的 GSSG向还原态的 GSH 转换,进而增加 PCs
的合成.这可能是 Cu 胁迫下 GSH鄄PCs 代谢对外源
NO信号的一种积极响应途径.
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作者简介摇 王摇 建,男,1987 年生,硕士研究生.主要从事植
物营养机理与调控研究. E鄄mail: wj308119@ sina. com
责任编辑摇 张凤丽
6362 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷