外源NO对铜镉胁迫下番茄缓解机制的研究

摘要

一氧化氮（Nitric oxide，NO）作为一种重要的信号分子，参与植物对非生物胁迫的调节，参与植物生长发育和对外界胁迫反应等多种生理过程。本文采用营养液培养，研究外源NO对Cu-Cd复合胁迫下番茄(Lycopersicon esculentum Mill.)抗氧化酶系统、GSH-PCs代谢途径、金属硫蛋白和番茄根系代谢组的影响。
　　本研究主要内容包括：⑴不同Cu、Cd胁迫处理下，番茄根系活力和叶片硝酸还原酶（NR）活性显著降低，Cu、Cd含量显著增加，而外源NO能显著逆转NR活性的降低。外施NO显著降低Cu+Cd复合胁迫下番茄对Cu的吸收和转运，而对Cd向地上部运输影响不显著。番茄抗氧化酶系统对Cu、Cd单一与Cu-Cd复合胁迫的反应不同。Cd单一胁迫下，相比于CK，过氧化氢酶（CAT）活性显著上升。Cu+Cd复合胁迫下，与CK相比，过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）、抗化血酸过氧化物酶（APX）活性均有所降低。Cu+Cd复合胁迫下外施NO能显著提高番茄POD、SOD、APX及根系CAT活性。可见，铜、镉胁迫下番茄对外源NO的响应机制存在差异。加入外源NO可通过提高根系活力和NR活性增加植物体对重金属毒害的抗性，并提高部分抗氧化酶活性对植物体内活性氧（ROS）的清除作用。不同Cu、Cd处理下与 CK相比，根系分泌物中有机酸总量变化依次为CK>Cu>Cu+Cd>Cd。复合胁迫下添加外源NO有机酸总量显著高于CK和Cu+Cd处理。与单一胁迫在添加外源NO后有机酸总量的增幅相比，外源NO对复合胁迫下有机酸总量增幅效应最大。Cd和Cu+Cd复合胁迫下氨基酸含量比CK显著提高，有利于根系缓解Cu、Cd胁迫作用，外源NO的添加降低了其处理下氨基酸含量，使其含量趋于CK水平。⑵与CK相比，单一Cu处理和复合处理均可增加番茄根系亚细胞组分Cu含量；Cd处理下则显著增加了根系亚细胞组分Cd含量。外源NO可改变复合处理下Cu、Cd在胞内各组分的运输方向，促进Cu和Cd向液泡内运输及积累，降低细胞质内毒害离子的浓度；Cu胁迫可显著降低番茄体内GSH含量，同时，GSH/GSSG比Cd胁迫下根系和叶片分别降低39.8％和81.5%，添加外源NO可使这种抑制作用得到有效缓解，Cu单一胁迫和复合胁迫下GSH\GSSG比值均增加，有利于维持番茄细胞内相对稳定的氧化还原平衡；CK相比，Cu+Cd复合胁迫处理下番茄GSH含量下降，同时γ-谷氨酰半胱氨酸（γ-ECS）和GS活性被显著激活，GSH合成与GSH积累不呈正相关，但PCs含量升高，推断复合胁迫下番茄可能通过GSH-PCs代谢通量的增加缓解胁迫；Cu+Cd复合处理下，根系PCs含量比单一胁迫处理显著升高，抵消了叶片中Cu、Cd胁迫下部分PCs合成降低效应，刺激番茄PCs由根系向地上部运输。外源NO可提高Cu、Cd单一胁迫处理下MT含量，显著降低复合胁迫下叶片MT含量，提高根系PCs含量。从整个植株来看，叶片MT含量明显比根系高，推测复合胁迫下外源NO可能启动了叶片对胁迫的应答机制，在缓解胁迫中起主导作用。⑶通过GC-MS技术对不同铜镉胁迫下番茄根系代谢产物进行研究和分析。所研究代谢产物主要有氨基酸、核苷酸和碳水化合物，其中，氨基酸所占比率最高。单一Cu、Cd处理下丝氨酸、丙氨酸、柠檬酸、苹果酸、乳酸、富马酸、琥珀酸含量显著减少。复合胁迫下，半乳糖、异麦芽糖、6-磷酸果糖等糖类显著增加。可见，单一胁迫与复合胁迫对番茄根系糖酵解和TCA循环产生不同影响。外源NO显著提高了Cd和Cu+Cd处理下乙醇酸、3-磷酸甘油醛脱氢酶、谷氨酰胺、天冬酰胺这类与产能紧密相关的代谢产物的含量，有利于促进番茄根系对Cu、Cd胁迫所诱导的毒害作用进行修复。