外源NO对铅胁迫下萝卜种子萌发及幼苗生理特性的影响

2021-05-11刘钊雷阳王生武吴越莉张旭

安徽农业科学 2021年8期

刘钊雷阳王生武吴越莉张旭

摘要为探究外源NO对萝卜铅胁迫的缓解作用，以高浓度铅胁迫（0.6 mmol/L）下的萝卜品种春红1号为试验材料，以SNP为NO供体材料，研究不同浓度SNP（0、25、50、100、150、200 μmol/L）对铅胁迫下萝卜种子萌发及幼苗生理特性的影响。结果表明，高浓度的铅离子对萝卜生长有严重抑制作用，施加100 μmol/L SNP 能够促进萝卜种子发芽，增加萝卜幼苗光合色素含量，提高过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性。说明适宜浓度的NO可有效缓解铅胁迫对萝卜种子和幼苗的毒害。

关键词铅胁迫;一氧化氮;萝卜;种子萌发;生理特性

中圖分类号 S631.1文献标识码 A文章编号 0517-6611（2021）08-0057-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.08.015

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effects of Exogenous NO on Seed Germination and Seedling Physiological Characteristics of Radish under Pb Stress

LIU Zhao，LEI Yang，WANG Sheng-wuet al

（College of Horticulture， Shanxi Agriculture University， Taiyuan，Shanxi 030031）

Abstract In order to explore the relieving effect of exogenous NO on Pb stress in radish， the radish variety Chunhong No.1 under severe Pb stress （0.6 mmol/L） was used as experimental material， and different concentrations of SNP（0， 25， 50， 100， 150， 200 μmol/L） were used as NO donors. The results showed that high concentration of Pb ions had a serious inhibitory effect on radish growth. Applying 100 μmol/L SNP could promote radish seed germination， increase photosynthetic pigment content and increase the activities of peroxidase （POD）， superoxide dismutase （SOD）， catalase （CAT） and ascorbate peroxidase （APX）. The results indicated that the appropriate concentration of NO could effectively alleviate the toxicity of Pb stress to radish seeds and seedlings.

Key words Pb stress;NO;Radish;Seed Germination;Physiological characteristics

铅是植物体内的非必需元素，具有易吸收、快转移、难降解、毒性大的特点。随着我国城市化和工业化的进行，工业废水、废渣携带着大量铅离子渗透入土壤中。同时纯度不高的农药和化肥中都有铅离子的残留，无节制地施用均导致农田土壤中铅含量急剧增加。据统计，我国受铅元素等重金属污染的农业用地近2 000万hm2，约占全国农业用地总面积的 20%。耕地中铅元素的不断增加，已成为影响我国农作物生产及食品安全的重要隐患。陈茂铨等[1]研究发现萝卜在铅胁迫下，种子萌发受到严重影响，进而抑制了幼苗根和叶的生长;黄轩等[2]研究表明，铅胁迫会降低中华常青藤的光合色素含量，影响光合作用;张博宇等[3]研究发现，铅离子可使黄花风铃木细胞内产生大量氧的自由基从而损伤植物胞质膜，产生铅胁迫反应。

一氧化氮（NO）是植物体内重要的信号分子，能够调控植物体内多途径、多基因表达。目前已经证实的通路包括NO合成酶途径、硝酸还原酶、亚硝酸还原酶途径，并广泛参与到其他信号通路中[4]。研究表明，适宜浓度的外源NO可以有效提高植物种子的发芽率、发芽势、幼苗根长和茎长，增加植物体内光合色素的含量，增强植物的光合作用[5-6]。在铅胁迫下，NO可以通过提高抗氧化酶的活性来减弱铅离子胁迫对植物体产生的负作用[7];同时通过激活光合色素表达途径，增加叶绿素、类胡萝卜素含量从而增强植物光合作用，抵消铅胁迫的影响。近年来，随着铅污染越来越严重，科研

工作者做了大量关于缓解植物铅胁迫的研究。然而，关于外源NO对铅胁迫下萝卜生理影响的研究鲜见报道。鉴于此，笔者开展了外源 NO缓解萝卜幼苗铅胁迫的效应试验，通过测定萝卜种子萌发及叶片生理变化等指标，研究可缓解萝卜铅胁迫的最适硝普钠（SNP）浓度，以期为铅污染防治和土壤修复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试萝卜品种为春红1号，由山西省农业科学院蔬菜研究所萝卜团队提供。铅离子供体为Pb（NO3）2，购自山西森跃商贸有限公司。NO供体为Na2[Fe（CN）5NO]·2H2O（硝普钠，SNP），购自山西森跃商贸有限公司。

1.2 试验方法

选取均匀无病害的春红1号萝卜种子，用灭菌水在室温下浸泡6～8 h。用75%乙醇冲洗30 s，15%的NaClO冲洗20 min，灭菌水洗涤3次，放入真空干燥箱40 ℃烘干1 h。试验分成CK对照组（处理液为灭菌水）和6个处理组，处理组中均添加0.6 mmol/L（198.72 mg/kg）的Pb（NO3）2，pH控制在5.4，并分别添加浓度为0 μmol/L、25 μmol/L（7.45 mg/kg）、50 μmol/L（14.90 mg/kg）、100 μmol/L（29.80 mg/kg）、150 μmol/L（44.70 mg/kg）、200 μmol/L（59.60 mg/kg）SNP溶液，将6个处理分别命名为SNP-0、SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200。将萝卜种子置于9 cm培养皿中的滤纸上，滤纸上浸满不同浓度的处理液，每个处理3次重复，每个重复200粒种子。萝卜种子于25 ℃培养箱中培养，避光催芽3 d，进而光照/黑暗12 h/12 h、相对湿度70%。此后每天以灭菌水补充蒸发掉的液体。培养10 d后测定萝卜幼苗茎长、根长、叶长和叶宽等形态指标。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 种子萌发指标。

培养5 d后测定发芽势，计算公式：

发芽势=发芽种子粒数/200×100%

1.3.2 形态指标。

培养10 d后测定春红1号萝卜幼苗茎长、根长、叶长和叶宽等形态指标。

1.3.3 幼苗生理指标。

培养12 d后测定春红1号萝卜幼苗的各项生理指标。

叶绿素a、b和类胡萝卜素含量的测定：避光条件下在丙酮中破碎春红1号萝卜幼苗叶片，分别在470、649和665 nm波长下测定吸光度。

SOD活性采用张慧杰等[8]的方法测定;POD活性采用尹桂彬等[9]的方法测定;CAT活性采用刘光亚等[10]的方法测定;APX活性采用张倩等[11]的方法测定。

1.4 数据处理

采用Microsoft Office Excel 2016整理数据和作图;SPSS 19.0分析数据，Duncan法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 外源NO对铅胁迫下萝卜种子发芽势的影响

由图1可知，添加铅离子SNP-0较未添加铅离子的CK处理，发芽势降低了24.73%，说明铅离子对萝卜种子的萌发起到了抑制作用。SNP-50、SNP-100这2个处理显著提高了萝卜种子发芽势，较CK增加17.74%和29.84%，较同为铅胁迫下的SNP-0分别增加了56.42%和72.49%。说明适量的SNP不仅可以抵消铅离子对萝卜种子的毒害，还可以有效提高萝卜种子的发芽势。SNP-150、SNP-200这2个处理较未添加铅离子的CK处理，发芽势均明显下降，降幅分别为7.26%和31.72%。说明适用的SNP浓度在150和200 μmol/L时，SNP无法抵消铅离子对萝卜种子的毒害。而且当SNP浓度在200 μmol/L时，萝卜种子的发芽势低于同样添加铅离子但未添加SNP的SNP-0处理。说明在SNP浓度在200 μmol/L时，SNP非但无法抵消铅离子对萝卜种子的胁迫，还造成了更多的抑制作用。

2.2 外源NO对铅胁迫下萝卜幼苗形态指标的影响

由图2可知，6个添加铅离子的处理SNP-0、SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200在10 d的根长均显著短于未添加铅离子的CK处理，较CK降幅分别为68.69%、60.91%、48.15%、34.77%、68.12%和73.23%。说明铅胁迫对萝卜根长有较强的抑制作用。在铅胁迫的6个处理中，添加SNP的SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150 4个处理的根长均大于未添加SNP的SNP-0，增幅分别为24.92%、65.70%、108.47%和1.88%。说明 SNP可有效缓解铅离子胁迫对萝卜根长的影响。其中SNP浓度为100 μmol/L的处理SNP-100的根长最长，为11.49 cm。SNP-200处理的萝卜根长小于SNP-0，降幅为14.46%，说明较高的SNP浓度反而会降低其缓解铅胁迫的作用。

由图3可知，SNP-0、SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200处理的茎长均显著短于不存在鉛胁迫的CK处理，降幅分别为59.96%、48.39%、32.98%、15.45%、50.77%和62.91%。可见铅胁迫对萝卜茎长有显著的抑制作用。添加SNP的4个处理SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150的茎长均大于未添加SNP的处理SNP-0，增幅为29.03%、67.55%、111.37%和23.07%，说明 SNP可有效缓解铅离子胁迫对萝卜茎长的影响。其中SNP浓度为100 μmol/L的处理SNP-100的茎长最长，为6.38 cm。与根长一样，SNP-200处理的萝卜茎长小于SNP-0，降幅为7.28%，说明较高的SNP浓度反而会抑制萝卜茎的生长

由图4可知，SNP-0、SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200处理的叶长较CK处理均有下降，降幅分别为47.22%、37.3%、33.02%、20.06%、37.65%、47.84%，可见铅胁迫对萝卜叶长有一定的抑制作用。SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150的叶长均大于未添加SNP的处理SNP-0，增幅分别为18.71%、26.90%、51.46%、18.13%。说明添加SNP可缓解铅离子胁迫对萝卜叶长的影响。其中SNP浓度为100 μmol/L的处理SNP-100的叶长最长，为0.87 cm。

由图5可知，SNP-0、SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200处理的叶宽较CK处理均有下降，降幅分别为37.82%、32.77%、25.46%、17.09%、35.01%、36.13%，说明在铅胁迫下，萝卜叶宽会有一定程度的降低。SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200的叶宽均大于未添加SNP的处理SNP-0，增幅分别为8.11%、19.86%、33.33%、4.50%、2.70%，说明SNP可有效缓解铅胁迫对萝卜叶宽的影响。

2.3 外源NO对铅胁迫下萝卜幼苗叶片光合色素含量的影响

由图6可知，铅胁迫下的6个处理SNP-0、SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200在叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量上均显著少于未添加铅离子的CK处理。说明铅胁迫对萝卜叶片的光合色素含量有较强的抑制作用。在相同浓度的铅离子胁迫下，施SNP的浓度为100 μmol/L时，萝卜幼苗叶片的叶绿素a、b和类胡萝卜素含量有显著提高。其中叶绿素a含量较未添加SNP 处理SNP-0增加53.61%，叶绿素b含量升高了47.22%，类胡萝卜素含量升高了88.01%。SNP-150和SNP-200这2个处理的萝卜幼苗叶片各色素含量显著下降，说明这2个浓度的SNP对萝卜的光合作用产生了抑制作用。

2.4 外源NO对铅胁迫下萝卜幼苗叶片抗氧化酶活性的影响

由图7可知，SNP-0、SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200这6个处理的SOD活性均不同程度低于未处于铅胁迫的CK处理，降幅分别为38.24%、29.40%、19.93%、5.77%、38.83%和47.29%，说明铅离子对萝卜体内的SOD活性有较强的抑制作用。且在铅胁迫下，不同浓度的SNP对萝卜叶片中的SOD含量有显著影响。其中SNP-25、SNP-50、SNP-100较SNP-0的SOD活性均有提高，增幅为14.30%、29.63%、52.56%。SNP-100处理的SOD活性最高，是CK处理的94.23%，基本抵消了铅离子对萝卜叶片中SOD活性的影响。

由图8可知，SNP-0、SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200这6个处理的CAT活性均不同程度地低于未处于铅胁迫的CK处理，降幅分别为51.24%、43.58%、27.29%、11.65%、35.81%、53.51%。且在铅胁迫下，不同浓度的SNP对萝卜叶片中的CAT含量有显著影响。SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150这4个处理的CAT含量较SNP-0均显著增加，增幅为15.45%、48.79%、80.79%和31.35%。SNP-200相较SNP-0有所下降，降低了4.86%。

由图9可知，SNP-0、SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200这6个处理的POD活性均不同程度地低于未处于铅胁迫的CK处理，降幅为47.71%、40.79%、31.36%、20.90%、37.99%和49.48%。且在铅胁迫下，不同浓度的SNP对萝卜叶片中的POD含量有显著影响。SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150这4个处理的POD含量较SNP-0均有增加，增幅为13.27%、31.30%、51.31%、18.62%。SNP-200相较SNP-0有所下降，降低了3.35%。

由图10可知，铅胁迫下，处理SNP-0相对于CK有显著下降，降幅为41.72%，说明铅胁迫对萝卜叶片中APX活性有明显的抑制作用。铅胁迫下处理SNP-100的APX活性显著高于未添加铅离子的CK，增幅为43.42%。说明100 μmol/L的SNP不仅可以抵消铅胁迫对萝卜叶片中APX活性的影响，还可以大幅提升APX活性。SNP-25、SNP-50、SNP-150、SNP-200这4个处理的APX活性，相较于CK下降不明显，降幅分别为16.92%、3.08%、10.73%和27.88%。说明这些浓度下的SNP可以在一定程度上缓解铅胁迫对幼苗的影响。

3 讨论

铅是植物体内的非必要元素，会对植物体的正常生长起到抑制作用，降低植物的产量和品质[12]。二价铅离子可以损害植物的根系，降低主根的生长长度和侧根数量，甚至会造成根部的畸形坏死[13]。同时铅离子也会破坏植物的光合系统，降低叶绿素类胡萝卜素的含量，抑制植物体的光合作用[14]。NO是广泛存在于植物体内的重要信号分子[15]，张旭强等[6]研究表明，添加适量的外源NO可以有效提高植物种子的发芽率、发芽势、幼苗根长和茎长。李莉等[5]在辣椒上和吴佩等[16]在黄瓜上的研究表明，适量的外源NO可增加植物体内叶绿素含量，增加叶绿素相关基因的表达量，从而增强植物的光合作用。

该研究结果表明，较高浓度的铅胁迫对萝卜种子的发芽势、幼苗根長、茎长、叶长、叶宽产生明显的抑制作用。而适当浓度的外源NO可以有效促进萝卜种子萌发，减弱铅胁迫对萝卜幼苗根长、茎长、叶长、叶宽产生的副作用。这与向华等[17]在外源NO对苜蓿、魏学玲等[18]在小麦上、肖小君等在[7]在黄瓜上的研究结果一致。该研究发现，较高浓度铅离子会严重损害萝卜的光合系统，而添加100 μmol/L SNP可以有效缓解铅胁迫，提高植物光合色素的含量，改善萝卜叶片的光合作用。一方面可能是因为信号分子NO提高类囊体膜蛋白的稳定性，从而降低铅胁迫对类囊体膜的破坏作用，另一方面可能是由于NO激活了萝卜叶片中的叶绿素表达基因，从而提高了光合色素的含量[15]。研究表明[3，19-20]，铅胁迫会导致植物体内积累大量氧的自由基，造成植物细胞膜过氧化，从而引起一系列的生理紊乱。在较低浓度的铅胁迫环境下，植物通过提高自身POD、SOD、CAT等保护酶活性和APX等抗氧化物酶活性，来维持体内氧的自由基产生和消耗的动态平衡。但高浓度的铅离子会占据或替换保护酶和抗氧化物酶的活性中心，从而降低酶活性，无法行使正常功能，进而影响种子萌发、幼苗生长和光合作用[20-21]。该研究表明，在铅胁迫下萝卜幼苗叶片中的POD、SOD、CAT和APX活性显著下降，而加入100 μmol/L SNP可有效提高萝卜幼苗叶片中的保护酶和抗氧化物酶活性。这与鲜靖苹等[22]和王勇等[23]在草地早熟禾上、马晓丽等[24]和巴青松等[25]在小麦上、张茜等[26]在棉花上的研究结果一致。

该研究以高浓度铅胁迫下的春红1号为材料，探究了不同浓度SNP对萝卜幼苗各项生理指标的影响。结果表明，适宜浓度的外源NO可以促进萝卜种子萌发，增加叶片中光合色素含量，提高POD、SOD、CAT和APX活性，从而有效缓解铅胁迫对萝卜造成的伤害。

参考文献

[1]陈茂铨，应俊辉，王东明，等.铅胁迫对萝卜种子萌发、幼苗生长及生理特性的影响[J].江苏农业科学，2010，38（2）：172-174.

[2]黄轩，李琬婷，黄晓霞，等.铅胁迫对中华常春藤叶绿素含量及荧光特性的影响[J].分子植物育种，2019，17（16）：5469-5475.

[3]张博宇，滕维超.铅胁迫对黄花风铃木幼苗生长和生理指标的影响[J].东北林业大学学报，2020，48（7）：7-10，16.

[4]石珍珍，达梦婷，庞海龙，等.胞外三磷酸腺苷通过一氧化氮调节镉诱导的氧化压力和细胞死亡[J].植物科学学报，2020，38（2）：269-277.

[5]李莉，田士林，姜俊，等.一氧化氮对弱光胁迫下苗期及坐果初期辣椒生长和抗性相关指标的影响[J].浙江农业学报，2019，31（12）：2036-2042.

[6]张旭强，赵敏，陈璐，等.干旱胁迫下拟南芥磷脂酶Dδ与一氧化氮在种子萌发中的信号关系[J].植物研究，2018，38（4）：526-534.

[7]肖小君，黄作喜，陈文年，等.外源NO对铅胁迫下水果黄瓜种子萌发和幼苗生理特性的影响[J].华北农学报，2015，30（3）：123-128.

[8]张慧杰，纪海鹏，张晓军，等.臭氧处理对采后西兰花贮藏品质的影响[J].食品研究与开发，2019，40（23）：9-14.

[9]尹桂彬，李月华，窦德泉，等.干旱胁迫对西府海棠和贴梗海棠生理特性的影响[J].安徽农业科学，2010，38（10）：5202-5203，5309.

[10]刘光亚，张艳军，孙学振，等.一氧化氮对植物淹水伤害的缓解作用及其機制[J].分子植物育种，2019，17（22）：7579-7587.