全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2015, 51 (10): 1669~1677　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2015.1023 1669
收稿 2015-08-04　　修定 2015-09-28
资助 国家自然科学基金(31160053)。
* 通讯作者(E-mail: fenqinzh@hxu.edu.cn; Tel: 0936-8280648)。
水杨酸浸种对镉诱导两种豆科植物根活性氧产生的缓解及其机理
张喜峰1, 张红晓2, 关天霞1, 曾秀存1, 张芬琴1,*
1河西学院农业与生物技术学院, 甘肃张掖734000; 2河南科技大学农学院, 河南洛阳471003
摘要: 研究了水杨酸(SA)浸种对镉(Cd)耐性不同的两种豆科植物——绿豆和箭舌豌豆种子萌发及其幼苗生长的影响，以及
Cd胁迫下SA浸种对两种豆科植物幼苗根内活性氧产生的缓解效应及其机理。结果表明: (1)与各自的对照相比, 100
µmol·L-1 SA浸种对两种豆科植物种子发芽率无明显影响, 但使绿豆和箭舌豌豆幼苗根长分别增加了54.63%和32.94%; 当
SA浓度达1 000 µmol·L-1时, 绿豆和箭舌豌豆种子的发芽率分别下降了5.33%和3.33%, 根长分别下降了16.64%和27.76%; (2)
50 µmol·L-1 Cd处理明显增强了两种豆科植物根内过氧化氢(H2O2)和超氧阴离子(O2¯· )的产生, 抑制了根的伸长; 而Cd处理前
的100 µmol·L-1 SA浸种使H2O2和O2¯·产生显著降低, Cd抑制根伸长生长的作用明显减轻。同时, SA浸种也明显增强了Cd胁
迫下两种豆科植物根内超氧化物歧化酶(SOD)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性、降低了过氧化氢酶(CAT)的活性。结果
说明: SA可缓解Cd诱导的活性氧产生, 这种缓解效应可能与其上调SOD和APX活性有关。
关键词: 水杨酸; 浸种; 缓解; 活性氧; 豆科植物
Alleviating Effect and Mechanism of Seed Soaking with Salicylic Acid on
Reactive Oxygen Species Production Induced by Cadmium in the Roots of Two
Legume Species
ZHANG Xi-Feng1, ZHANG Hong-Xiao2, GUAN Tian-Xia1, ZENG Xiu-Cun1, ZHANG Fen-Qin1,*
1College of Agriculture and Biotechnology, Hexi University, Zhangye, Gansu 734000, China; 2College of Agriculture, Henan
University of Science and Technology, Luoyang, Henan 471003, China
Abstract: Our study was carried out to explore the effect of seed soaking with salicylic acid (SA) on the seed
germination and seedling growth of two legume species with different cadmium (Cd) tolerance, viz. mung bean
and common vetch. The alleviating effect of seed soaking with SA on the reactive oxygen species production
induced by Cd in the roots of two legume species, and its mechanism was also investigated. Our results show
that: (1) compared with its control, the seed germination of two legume species was not significantly affected
by soaking with 100 µmol·L-1 SA, but the root length of mung bean was significantly affected, increasing by
54.63% and of common vetch by 32.94%. The seed germination of mung bean and common vetch soaked with
1 000 µmol·L-1 SA decreased by 5.33% and 3.33%, respectively, and the root length of mung bean and common
vetch decreased by 16.64% and 27.76%, respectively. (2) The production of hydrogen peroxide (H2O2) and super-
oxide anion (O2¯· ) in roots of mung bean and vetch were significantly increased by the 50 µmol·L
-1 Cd treatment,
but roots elongation was inhibited. By seeds soaking with 100 µmol·L-1 SA before Cd induction, the production
of H2O2 and O2¯· decreased. In addition, after soaking with SA, the activities of superoxide dismutase (SOD) and
ascorbate peroxidase (APX) were increased but the activity of catalase (CAT) decreased, in roots of both
species. These results indicate that SA could alleviate the reactive oxygen species production induced by Cd,
and this alleviation is likely associated with up-regulation of SOD and APX activities by SA.
Key words: salicylic acid; seed soaking; alleviation; reactive oxygen species; legume species
镉(cadmium, Cd)是毒性较大的重金属, 具有
较好的水溶性, 可被植物的根吸收和积累(Wang等
2008)。进入植物体内的Cd通过诱导产生活性氧
如O2¯· 和H2O2导致植物遭受氧化胁迫(Garnier等
2006), Cd也可通过食物链进入人体(Benitez等2010)。
随着Cd在电镀、冶金工业和军事等领域的日
益广泛应用以及含Cd化肥、农药和农膜等农资越
来越多地投入农业生产, 大气、水体和土壤都受
植物生理学报1670
到了越来越严重的污染, 这些污染已经成为许多
国家的环境和社会问题(Fairbrother等2007; Rogan
等2009; Swaddiwudhipong等2010)。为此, Cd污染
治理越来越受到人们的关注, 耐Cd植物筛选、植
物Cd耐性机理以及提高植物Cd耐性机制研究也逐
渐成为国内外的热点。
研究发现, 豆科植物中的一些种类在矿业废弃
地植被恢复中具有一定的作用(张志权等2002)。箭
舌豌豆(Vicia sativa)又名救荒野豌豆、大巢菜等,
是豆科野豌豆属一年生闭花授粉植物(董德珂等
2015)。我们以前的研究发现, 在常见的10种人类
食用或动物饲用豆科植物中, 绿豆‘Roxh.VC-3762’
对Cd比较敏感, 箭舌豌豆‘西牧333/A’具有一定的
Cd耐性(张芬琴2009), 并发现Cd胁迫使这两种植物
遭受不同程度的氧化伤害(Zhang等2009, 2011)。另
外, 他人研究证实, 小分子的酚类物质水杨酸(sali-
cylic acid, SA)可以通过激活植物抗性相关代谢以
缓解环境胁迫对植物造成的伤害(Dražić和Mihai-
lovic 2005; 水德聚等2012; Parashar等2014; Belkadhi
等2015)。为此, 本研究以Cd耐性不同的绿豆‘Roxh.
VC-3762’和箭舌豌豆‘西牧333/A’两种豆科植物为
材料, 研究SA浸种处理对Cd诱导这两种植物根活
性氧产生的缓解效应及其机理, 旨在为提高植物Cd
耐性和Cd污染治理提供有用的理论依据, 为SA的
生理作用及其作用机理积累科学资料。
材料与方法
1 试验材料
供试材料为绿豆 [Vigna rad ia ta (L inn . )
Wilczek.] Cd敏感品种‘Roxh.VC-3762’和箭舌豌豆
(Vicia sativa L.) Cd耐性品种‘西牧333/A’ (张芬琴等
2009)。
2 试验设计
试验1: 分别挑选大小一致且饱满的绿豆和箭
舌豌豆种子若干, 用0.1% (m/V)的HgCl2进行5 min
的表面消毒, 之后用去离子水充分冲洗; 洗后, 于
25 ℃下分别用0~1 000 µmol·L-1 共6个浓度的SA浸
种16 h。此后, 将种子置于黑暗、25 ℃的条件下发
芽; 待其出芽后(以露白为准)计算发芽率。每处理
设3次重复, 每重复含50粒种子。发芽6 d后, 测量
幼苗的根长。发芽期间, 每天用各自的浸种液冲
洗种子以维持一定的处理浓度与湿度。
试验2: 分别挑选大小一致且饱满的种子若干,
用0.1% (m/V)的HgCl2进行5 min的表面消毒, 之后
用去离子水充分冲洗; 洗后, 于25 ℃的温度用0和
100 µmol·L-1 SA浸种16 h。挑选发芽一致的种子
播于装有石英砂的塑料网篮中, 网篮置于盛有营
养液 [组成为 : 0 .51 mmol·L -1 NH 4NO 3、0.03
mmol·L-1 (NH4)2SO4、0.097 mmol·L
-1 K2HPO4、
0.088 mmol·L-1 K2SO4、0.38 mmol·L
-1 KNO3、1.30
mmol·L-1 Ca(NO3)2、0.27 mmol·L
-1 Mg(NO3)2、
6.6×10-3 mmol·L-1 H3BO4、5.1×10
-3 mmol·L-1
MnCl2、0.53×10
-3 mmol·L-1 ZnSO4、0.25×10
-3
mmol·L-1 CuSO4、0.11×10
-3 mmol·L-1 Na2MoO4和
45×10-3 mmol·L-1 Fe(II)-EDTA]的培养钵中培养。
培养至地上部高约3 cm时, 选长势良好且一致的幼
苗移栽到含1 L上述营养液的培养钵中继续培养至
长约10 cm。之后, 用含有50 µmol·L-1 CdCl2的培养
液培养6 d后采收, 测定有关指标。每处理设3个重
复, 每重复中含有15株幼苗。在处理期间, 每日早
晚为幼苗通气1次、每隔2 d更换1次营养液(用
NaOH或HCl调pH为5.2~5.5)。
3 测定方法
采用常规法, 用学生直尺测主根长; 以发芽种
子数/测试种子总数×100%计算发芽率; SOD活性
测定参照Giannopolitis和Ries (1977)之法, SOD活
性电泳采用PAGE方法, 活性显色采用Beauchamp
和Fridovich (1971)之法; APX活性测定参照Nakano
和Asada (1981)之法, APX活性电泳采用PAGE方
法, 参照Rao等(1996)之法显色; CAT活性测定参照
Rao等(1996)之法, CAT活性电泳采用PAGE方法,
参照Klotz和Hutcheson (1992)之法; O2¯·产生速率的
测定参照王爱国和罗广华(1990)之法; H2O2含量测
定参照Jiang和Zhang等(2001)之法。
4 数据处理
原始数据采用Excel数据分析制图, 统计分析
采用DPS软件进行差异显著性分析。
实验结果
1 不同浓度SA浸种对两种豆科植物种子萌发及其
幼苗根伸长生长的影响
由表1可见, 在SA浸种浓度为0~1 000 µmol·L-1
张喜峰等: 水杨酸浸种对镉诱导两种豆科植物根活性氧产生的缓解及其机理 1671
范围内, 较低浓度的SA浸种不影响两种植物种子
的发芽率, 较高浓度的SA浸种使其发芽率降低, 但
在两种植物之间存在一定的差异。
当SA浸种浓度达500 µmol·L-1时, 绿豆种子的
发芽率显著降低(P<0.05), 箭舌豌豆种子发芽率与
其对照相比无显著差异(P>0.05)。与SA浸种影响
两种植物种子萌发情况相似, 较低浓度SA浸种促
进了其幼苗根的伸长生长, 较高浓度的SA浸种对
其伸长生长则有抑制作用。由表1可见, 在50~100
µmol·L-1的浓度范围内, 随着SA浸种浓度的增大,
两种植物幼苗根的伸长生长呈上升趋势。当浓度
达100 µmol·L-1时, 绿豆和箭舌豌豆幼苗的根长分
别增加了54.63%和32.94%, 差异显著(P<0.05); 当
等于或大于200 µmol·L-1时, 两种植物幼苗根的伸
长生长呈下降趋势; 当浓度达1 000 µmol·L-1时, 绿
豆和箭舌豌豆幼苗的根长分别下降了16.64%和
27.76%, 差异显著(P<0.05)。
相比之下, 绿豆种子发芽率和幼苗根的伸长
生长对SA浸种处理较敏感。
2 100 µmol·L-1 SA浸种对Cd胁迫下两种豆科植物
根系受害症状的缓解及伸长生长的影响
如表2所示, 50和100 µmol·L-1 Cd胁迫下, 绿豆
根长分别为对照的72.31%和43.68%, 但100 µmol·L-1
SA浸种+50 µmol·L-1 Cd处理和100 µmol·L-1 SA浸种+
100 µmol·L-1 Cd处理使其分别达到对照的90.02%和
57.05%, 分别提高了17.71%和13.37%。与此相似,
50和100 µmol·L-1 Cd胁迫下, 箭舌豌豆的根长分别
为对照的85.58%和61.31%, 但100 µmol·L-1 SA浸种
+50 µmol·L-1 Cd处理和100 µmol·L-1 SA浸种+100
µmol·L-1 Cd处理使其分别达对照的95.41%和
70.25%, 分别提高了9.83%和8.94%。
试验还发现, 50 µmol·L-1 Cd处理后, 绿豆根系
(图1-A)于约3 d、箭舌豌豆根系(图1-B)于约6 d时
先后变成褐色, 这种症状因100 µmol·L-1 SA浸种处
理而减轻。
100 µmol·L-1 Cd处理约3 d时, 两种植物根系
表面均出现褐变现象(根表呈现黄褐色), 并随时间
的推移而加深。
表1 SA浸种对绿豆和箭舌豌豆种子萌发及其幼苗根伸长生长的影响
Table 1 Effect of seed soaking with different concentrations of SA on seed germination and seedling root lengths of mung bean
and common vetch
SA浓度/µmol·L-1
发芽率/% 根长/cm
绿豆 箭舌豌豆 绿豆 箭舌豌豆
0 (对照) 100a (100%) 100a (100%) 7.45±0.25e (100%) 4.25±0.13d (100%)
50 100a (100%) 100a (100%) 7.87±0.20d (105.64%) 4.47±0.30c (105.18%)
100 100a (100%) 100a (100%) 11.52±0.17a (154.63%) 5.65±0.28a (132.94%)
200 100a (100%) 100a (100%) 9.17±0.39b (123.09%) 4.96±0.20b (116.71%)
500 96.67±2.42b (96.67%) 100a (100%) 8.27±0.13c (111.00%) 4.15±0.12e (97.65%)
1 000 94.67±2.73b (94.67%) 96.67±3.01b (96.67%) 6.21±0.02f (83.36%) 3.07±0.13f (72.24%)
表中数据是3次重复的平均值±标准偏差; 括号内为各处理与对照相比的差异百分数; 同列中不同小写字母表示在P<0.05 水平上有显
著差异。表2同。
表2 100 µmol·L-1 SA浸种对Cd抑制两种豆科植物幼苗根伸长生长的影响
Table 2 Effect of seed soaking with 100 µmol·L-1 SA on seedling root lengths of mung bean and common vetch
处理 根长/cm
绿豆 箭舌豌豆
0 µmol·L-1 SA+0 µmol·L-1 Cd (对照) 6.03±0.23b (100%) 5.48±0.19b (100%)
100 µmol·L-1 SA 7.10±0.58a (115.04%) 5.97±0.15a (108.94%)
50 µmol·L-1 Cd 4.36±0.21d (72.31%) 4.69±0.45d (85.58%)
100 µmol·L-1 SA+50 µmol·L-1 Cd 5.43±0.18c (90.02%) 5.23±0.11c (95.41%)
100 µmol·L-1 Cd 2.63±0.19f (43.68%) 3.36±0.30f (61.31%)
100 µmol·L-1 SA+100 µmol·L-1 Cd 3.44±0.20e (57.05%) 3.85±0.11e (70.25%)
植物生理学报1672
相比之下 , 100 µmol·L-1 SA 浸种对绿豆在 50
µmol·L-1 Cd 胁迫下的缓解效应最为明显。
3 100 µmol·L-1 SA浸种对Cd胁迫下两种豆科植物
根内O2¯·产生的影响
根据活性氧O2¯·与氮蓝四唑(nitroblue tetrazoli-
um, NBT)反应生成蓝色物质的量与O2¯·的多少成正
比的原理, 将不同处理后的两种植物幼苗根用一
定浓度的NBT液浸泡处理后的结果如图2-A、B所
示。与各自对照相比, 单独100 µmol·L-1 SA浸种处
理对绿豆和箭舌豌豆根的颜色变化无明显影响,
单独50 µmol·L-1 Cd处理使两种植物幼苗根呈不同
程度的深蓝色, 且绿豆根的蓝色更深, 说明其根组
织内O2¯·产生速率更大, 而Cd处理前的100 µmol·L
-1
SA浸种处理可使二者的蓝色变浅。
由图2-C可见, 与各自的对照相比, 单独的100
µmol·L-1 SA浸种处理对绿豆和箭舌豌豆根组织内
O2¯· 的产生速率无显著影响(P>0.05), 单独的50
µmol·L-1Cd 处理则使其显著增加(P<0.05), 而Cd处
图1 100 µmol·L-1 SA浸种对Cd胁迫下绿豆(A)和箭舌豌豆(B)幼苗根表褐变的影响
Fig.1 Effect of seed socking with 100 µmol·L-1 SA on the brown stain on roots of mung bean (A)
and common vetch (B) under Cd stress
图中0 SA+0 Cd、100 SA、50 Cd和100 SA +50 Cd分别代表 0 µmol·L-1 SA+0 µmol·L-1 Cd (对照)、100 µmol·L-1 SA、50 µmol·L-1 Cd和
100 µmol·L-1 SA +50 µmol·L-1 Cd处理。下图同。
图2 100 µmol·L-1 SA浸种对Cd胁迫下绿豆和箭舌豌豆根内O2¯·组织化学染色定位及其产生速率的影响
Fig.2 Effect of seed socking with 100 µmol·L-1 SA on O2¯· localization in situ and production rate in the roots of mung bean and
common vetch under Cd stress
A: 绿豆, B: 箭舌豌豆。同一植物各柱形上不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下图同。
张喜峰等: 水杨酸浸种对镉诱导两种豆科植物根活性氧产生的缓解及其机理 1673
理前的100 µmol·L-1 SA浸种处理对Cd处理效应具
有显著的缓解作用(P<0.05)。
两种相比, SA浸种对Cd诱导产生O2¯·的缓解作
用在绿豆根组织内的表现更为明显。
4 100 µmol·L-1 SA浸种对Cd胁迫下两种豆科植物
根组织内H2O2积累的影响
根据活性氧H2O2与二甲基联苯胺(3,3-diami-
nobenzidine, DAB)反应生成棕红色物质的量与
H2O2的多少成正比的原理, 将不同处理后的两种
植物幼苗根用一定浓度的DAB液浸泡处理后的结
果如图3-A、B所示, 与各自对照相比, 单独100
µmol·L-1 SA浸种处理对绿豆和箭舌豌豆根的颜色
变化无明显影响, 单独50 µmol·L-1 Cd处理使两种
植物幼苗根呈不同程度的棕红色, 且绿豆根的颜
色更深, 说明其根组织内积累较多的H2O2, 而Cd处
理前的100 µmol·L-1 SA浸种处理可使二者的颜色
变浅。由图3-C可见, 与各自的对照相比, 单独的
100 µmol·L-1 SA浸种处理对绿豆和箭舌豌豆根组
织内H2O2积累无显著影响(P>0.05), 单独的50
µmol·L-1Cd 处理则使其显著增加(P<0.05), 而Cd处
理前的100 µmol·L-1 SA浸种处理对Cd处理效应具
有显著的缓解作用(P<0.05)。两种相比, SA浸种对
Cd胁迫伤害效应的缓解作用同样在绿豆根组织内
的表现更为明显。
5 100 µmol·L-1 SA浸种对Cd胁迫下两种豆科植物
根组织的SOD活性及同工酶谱的影响
100 µmol·L-1 SA浸种处理对绿豆和箭舌豌豆
根组织内的SOD活性及其同工酶谱的影响如图4
所示。单独100 µmol·L-1 SA处理没有使绿豆和箭
舌豌豆根组织内SOD活性发生显著变化(P>0.05),
也没改变其同工酶谱, 而单独50 µmol·L-1 Cd处理
及Cd处理前加100 µmol·L-1 SA浸种处理均显著提
高了其根组织内SOD的活性(P<0.05), 并使其同工
酶带增宽(图4-A第3、4条带)或带数增加(图4-B第
3、4条带中箭头所示)。与各自对照相比, 单独50
µmol·L-1 Cd处理分别使绿豆和箭舌豌豆根组织内
SOD活性增加112%和123%, 而SA浸种加Cd处理
分别使其增加175%和151%。两种相比, Cd处理前
加SA浸种处理使绿豆根组织内SOD活性增加
更多。
6 100 µmol·L-1 SA浸种对Cd胁迫下两种豆科植物
根组织内的CAT活性及同工酶谱的影响
100 µmol·L-1 SA浸种处理对绿豆和箭舌豌豆
根组织的CAT活性及其同工酶谱的影响如图5所
图3 100 µmol·L-1 SA浸种对Cd胁迫下绿豆和箭舌豌豆根内H2O2组织化学染色定位及其含量的影响
Fig. 3 Effect of seed socking with 100 µmol·L-1 SA on H2O2
localization in situ and coutent in the roots of mung bean
and common vetch under Cd stress
植物生理学报1674
示。单独100 µmol·L-1 SA处理使绿豆和箭舌豌豆
根组织内CAT活性分别下降了17.23%和14.12%,
与各自对照相比差异显著(P<0.05), 但没有明显改
变其同工酶活性谱带(图5-A第1、2条带); 单独50
µmol·L-1 Cd处理显著(P<0.05)提高了两者根组织
内的CAT活性。与各自对照相比 , 分别提高了
46.42%和95.06%, 并使两种的同工酶活性带明显
增宽(图5-A和B第3条带); 与此相反, 50 µmol·L-1
Cd 处理前加100 µmol·L-1 SA浸种处理分别使绿豆
和箭舌豌豆根组织CAT活性下降了16 .34%和
11.22%, 其同工酶的活性谱带也有所变窄(图5-A和
B第4条带), 但酶活性仍然分别高出各自对照的
23.33%和73.20%, 同工酶活性谱带也宽于各自对
照的。两种相比, Cd单独处理使箭舌豌豆根组织
内的CAT活性增加更多; 而Cd处理前的SA浸种处
理使绿豆根组织内CAT活性下降更多。
7 100 µmol·L-1 SA浸种对Cd胁迫下两种植物根组
织内APX的影响
100 µmol·L-1 SA浸种处理和单独的Cd处理以
及Cd处理前加SA浸种处理均提高了绿豆和箭舌豌
豆根的APX活性, 使其同工酶的活性谱带相应地
增宽(图6-A和B第2、3和4条带), 尤其是Cd处理前
的SA浸种处理效果较为突出。与对照相比, Cd处
理前的SA浸种处理分别使绿豆和箭舌豌豆根组织
的APX活性升高了73.01%和86.65%。但是, 与单
独的50 µmol·L-1 Cd处理相比, Cd处理前的100
µmol·L-1 SA浸种处理分别使绿豆和箭舌豌豆根的
APX活性升高了44.87%和36.00%。由此说明, Cd
处理前的SA浸种处理效应在绿豆根组织内表现更
突出。
讨　　论
SA是植物体内的一种重要的信号分子, 可能
在提高植物对生物和非生物胁迫的耐性方面很有
前途(Horváth等2007)。外源SA的供应不仅影响植
物组织内一些酶的活性(Ahmad 等2011)、植物对
离子的吸收与转运(Shi和Zhu 2008)、种子萌发
(Agami 2013)和光合作用(Liu等2014)等生理活动,
而且还可缓解臭氧(Pasqualini等2002)、盐分(Khan
等2014)和重金属(Zhang等2011; Belkadhi等2015)
的伤害作用。
本研究发现, 在一定的浓度范围内, 较低浓度
的SA浸种不影响供试植物绿豆和箭舌豌豆种子的
发芽率, 但较高浓度使其种子发芽率降低; 较低浓
图4 100 µmol·L-1 SA浸种对Cd胁迫下绿豆和箭舌豌豆根内
SOD活性及其同工酶谱的影响
Fig.4 Effect of seed soaking with 100 µmol·L-1 SA on SOD
activities and isoforms in the roots of mung bean and common
vetch under Cd stress
1、2、3和4分别代表0 µmol·L-1 SA+0 µmol·L-1 Cd (对照)、
100 µmol·L-1 SA、50 µmol·L-1 Cd和100 µmol·L-1 SA +50 µmol·L-1
Cd处理。下图同。
图5 100 µmol·L-1 SA浸种对Cd胁迫下绿豆和箭舌豌豆根组
织内CAT活性及其同工酶谱的影响
Fig.5 Effect of seed soaking with 100 µmol·L-1 SA on CAT
activities and isoforms in the roots of mung bean and common
vetch under Cd stress
张喜峰等: 水杨酸浸种对镉诱导两种豆科植物根活性氧产生的缓解及其机理 1675
度的SA浸种对绿豆和箭舌豌豆的根伸长生长有促
进作用, 而浓度较高时有抑制作用(表1和2), 这与
Luo等(2001)所得的结果是一致的。
Metwally等(2003)的研究发现, 0.5 mmol·L-1的
SA浸种预处理有效地防止了大麦幼苗生长期间Cd
的毒害。与此相似, 本研究中, 100 µmol·L-1 SA浸
种处理明显缓解了Cd对两种供试植物幼苗根伸长
生长的抑制作用(表1、2)。
在我们的试验中, 单独100 µmol·L-1 SA浸种处
理没有引起绿豆和箭舌豌豆根组织中O2¯·的显著积
累(P>0.05, 图2), 而单独的50 µmol·L-1 Cd处理则使
两者根组织内的O2¯·显著增加(P<0.05), 由此推测Cd
处理抑制根的伸长生长与其诱导O2¯·的产生有关,
而Cd处理前的SA浸种处理使两种植物的根伸长生
长有所增加可能是SA浸种处理抑制了O2¯·的产生
(图2)。我们过去的研究发现, Cd诱导绿豆和箭舌
豌豆叶内产生O2¯·与Cd激活质膜结合酶NADPH氧
化酶有关(Zhang等, 2009), Cd处理后两者根内产生
O2¯·是否与Cd激活根细胞质膜上的NADPH氧化酶
有关以及SA浸种处理使Cd诱导产生的O2¯·降低是
否与SA降低膜上的NADPH氧化酶活性有关尚需
进一步的研究。
与两种植物根中积累O2¯·的情况相似, 单独的
SA浸种处理对其根组织中H 2O 2的积累无显著
(P>0.05)影响, 而单独的Cd处理则使其显著增加
(P<0.05), Cd处理前的SA浸种处理使其显著降低
(P<0.05, 图3)。在植物体内, H2O2的来源之一是
O2¯·的歧化, 因此推测本研究中H2O2增加和降低与
O2¯·增加和降低有关, 且与Cd处理和SA浸种预处理
有关。
植物在适应环境过程中已进化获得了一个较
为复杂的抗氧化体系以抵抗O2¯·和H2O2等活性氧的
伤害, 这个体系包括酶类如SOD、CAT和PODs以
及参与ASC-GSH循环的酶和抗氧化剂类如ASC、
GSH、类胡萝卜素以及α-生育酚等(Drążkiewicz等
2007)。Gratäo等(2005)认为, 通常情况下, 重金属
通过诱导活性氧的增加而引起氧化胁迫, SOD、
CAT、PODs、APX和GR以及ASC和GSH在防止
重金属氧化伤害方面发挥着重要的作用。由于处
理浓度、时间以及材料的不同, 使Cd表现出了既
可激发(Skórzyńska-Polit等2003)又可抑制(Gallego
等1996)抗氧化酶活性的作用。
SOD是细胞内存在极为广泛的清除O2¯·的酶,
它将O2¯·歧化为O2和H2O2, 后者再被CAT、POD
(Skórzyńska-Polit等2003)以及APX (Hegedüs等
2001)等清除。许多试验证明, Cd胁迫下H2O2含量
的升高是S O D活性升高的结果 ( C h o等2 0 0 5 ;
Drążkiewicz等2007)。本研究通过活性电泳及定量
分析均发现, 50 µmol·L-1 Cd处理诱导了绿豆和箭
舌豌豆根内SOD活性的增加, 这与汪洪等(2008)和
Dinakar等(2008)的结果一致。由于Cd处理促使了
SOD活性的升高, 所以无论是绿豆还是箭舌豌豆,
其根组织内的H2O2均高于各自的对照(图3)。Cd处
理后, 绿豆和箭舌豌豆根内SOD活性的增加有利
于将各自细胞内产生的O2¯· (图2)歧化为O2和H2O2
以降低O2¯·的氧化伤害。前人的研究发现, SA浸种
可增强Cd胁迫下水稻、玉米和小麦根及玉米叶的
SOD活性(Choudhury和Panda 2004; Guo等2007;
Krantev等2008)。本研究也发现, 50 µmol·L-1 Cd处
理前的100 µmol·L-1 SA浸种处理使绿豆和箭舌豌
豆根组织内的SOD活性均高于单独50 µmol·L-1 Cd
处理的(图4), 推测这与SA浸种处理可降低O2¯·产生
速率有关。
各种金属胁迫下许多植物体内积累或产生
图6 100 µmol·L-1 SA浸种对Cd胁迫下绿豆和箭舌豌豆根组
织内APX活性及其同工酶谱的影响
Fig.6 Effect of seed soaking with 100 µmol·L-1 SA on APX
activities and isoforms in the roots of mung bean and
common vetch under Cd stress
植物生理学报1676
H2O2时均会引起其体内的H2O2清除酶CAT、APX
和(或) POD等变化(Zhang等2007; Muñoz等2008)。
本研究显示, 50 µmol·L-1 Cd处理后, 绿豆和箭舌豌
豆根组织内的CAT活性增加(图5), 这个增加有利
于清除Cd诱导产生的H2O2, 但是Cd处理前的SA浸
种使CAT活性明显降低。早期研究认为SA使CAT
活性降低是因为其结合于CAT的结果(Chamnong-
pol等1998)。SA浸种或预处理使CAT活性降低的
结果也见于Chen等(2007)和Mahdavian等(2008)的
研究。本研究说明, SA浸种使两种豆科植物根内
的CAT没有参与H2O2的清除。
本研究显示, 与CAT不同, 单独的SA浸种处理
提高了APX的活性。在过去的研究中人们认为SA
是APX的抑制剂, 但在花生幼苗的研究中, 发现SA
却不是APX较好的抑制剂(Vasyukova等2007)。Cd
处理诱导的APX活性升高在其他植物的研究中也
得到了证实(Cho等2005)。Krantev等(2008)观察到,
Cd处理前的SA浸种处理也提高了玉米叶的APX活
性。本研究的酶活性测定和活性电泳鉴定两方面
所得结果(图6)与Krantev等的结果一致。
综上所述, Cd抑制绿豆和箭舌豌豆根伸长生
长与其导致根组织内产生O2¯·和H2O2有关, 而适宜
浓度的SA浸种可缓解Cd的抑制效应与SA能降低
O2¯·和H2O2的产生与积累有关, 这种缓解作用是通
过SA提高清除O2¯·的SOD和清除H2O2的APX酶活
性来实现的, 而有关SA是在转录水平上还是在翻
译水平上对其进行了调节还有待进一步研究。
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