趙麗娟,張洪,解靜芳,*,劉瑞卿,#,李萌,劉佩佳,王雅帥
1.山西大學環境與資源學院,太原030006
2.山西省分析科學研究院,太原030006
土壤殘留氯磺隆和鎘聯合脅迫對菠菜代謝產物的影響
趙麗娟1,張洪2,解靜芳1,*,劉瑞卿1,#,李萌1,劉佩佳1,王雅帥1
1.山西大學環境與資源學院,太原030006
2.山西省分析科學研究院,太原030006
通過盆栽試驗,評價土壤長殘效期除草劑氯磺隆與重金屬鎘單一污染及復合污染對后茬作物菠菜生長、代謝產物的影響。基于GC-MS技術對3個不同處理組菠菜的代謝產物進行了辨識和分析。主成分分析結果表明,3個處理組的代謝物含量存在顯著差異。具體表現為:1)與空白對照相比,氯磺隆誘導菠菜多種氨基酸、與能量代謝相關的3種糖類物質、蘋果酸、γ-氨基丁酸、乳酸和腐胺的含量顯著上升(*P<0.05);肌醇顯著下降(*P<0.05);鎘誘導菠菜多種氨基酸、與能量代謝相關的5種糖類物質、參與三羧酸循環的蘋果酸和檸檬酸含量顯著上升(*P<0.05);肌醇和腐胺含量顯著下降(*P<0.05)。2)與單一污染相比較,復合污染誘導菠菜多種氨基酸,多種糖類物質和蘋果酸等含量顯著下降(*P<0.05)。由此可見,復合污染減弱了氯磺隆和鎘單一污染時對氨基酸代謝和能量代謝的上調作用;氯磺隆和鎘之間沒有協同作用,相反對某些特定的代謝物存在拮抗作用。
氯磺隆;鎘;菠菜;代謝物;GC-MS
環境中多種因素都會影響植物的生長和代謝。植物的產量和質量最終來源于植物體內的各種生理生化代謝活動。植物體內的代謝可分為初生代謝和次生代謝。一般來講,初生代謝形成產量,次生代謝形成質量。而植物代謝產物的變化,對植物主要營養成分的功能發揮有重要影響,而不同代謝產物對人體健康又會產生重要影響。現代農業大量使用除草劑導致其在土壤中殘留,同時長期污廢水灌溉又導致了土壤重金屬污染。這樣的污染對作物、蔬菜代謝產物有無影響?影響機制如何?引起了研究者的廣泛關注。
磺酰脲類除草劑由于品種繁多、田間使用量少且除草效果好,銷量僅次于草甘膦。氯磺隆是磺酰脲類除草劑的第一個品種,其在土壤的降解與土壤的性質有著密切關系。由于其在土壤中殘效期長,已于2013年禁止使用,但有研究表明,先前與土壤結合的氯磺隆母體在植物生長過程中可能會被釋放并轉化為可被甲醇提取的殘留物[1-4]。研究表明,在酸性土壤(pH 5.6)中,氯磺隆降解半衰期為13.3 d;而偏堿性土壤(pH 7.5)中,其半衰期達70 d[5]。此外,氯磺隆在堿性土壤中降解到最初施藥量的1% (DT99)需要3~5 y的時間,且此殘留水平會對后茬敏感作物產生潛在危害[6]。氯磺隆對植物的危害表現在抑制根尖細胞的分裂,抑制植物根部亞精胺的積累[7],從而抑制植物的生長,最終導致植物畸形或死亡。因此本文選擇磺酰脲類除草劑代表品種氯磺隆進行研究。
眾所周知,土壤中的鎘主要來源于污水灌溉。在我國大部分地區,污水灌溉可以緩解水資源短缺的問題。太原市是中國污水灌溉的典型城市之一, 1990年太原市污水灌溉面積達3 000公頃[8]。高等植物對鎘(Cd)較為敏感,盡管鎘對植物生長不是必需的,但植物仍然可以通過根系吸收并運輸到整個植株。因此,土壤環境中積累的Cd也會對植物生長造成危害[9]。Cd可以導致植物碳同化下降,產生氧化應激反應,從而抑制葉綠素的合成,減少營養物質的吸收,進而破壞植物光合作用,阻礙植物生長[10-14]。對于一些 Cd敏感的植物如甘藍型油菜(Brassica napus),低濃度(100mg Cd/kg dry soil)也可造成其生長抑制,葉綠素含量下降,植物氣孔關閉,蒸騰速率下降等[14-16]。因此,Cd在植物中的吸收和積累能引起植物一系列的形態、生理生化上的變化。
除草劑的使用和污水灌溉在農業生產中必不可少,但殘留除草劑和重金屬積累都會對后茬作物產生危害。目前還未有關于重金屬是加重還是緩解氯磺隆對植物藥害的報道。本文通過氣質聯用技術,研究了除草劑氯磺隆殘留與重金屬鎘單一和聯合存在時對菠菜代謝物的影響,從而為農產品安全食用、蔬菜種植及土壤污染物的指示提供科學的依據。
1.1 試驗材料和試劑
實驗菠菜種子為日本翠玉大菠(山西侯馬農人種業有限公司)。試驗土壤采自山西省太原市小店區0~20 cm深的土壤。實驗盆缽規格為上部直徑18 cm,高度16 cm,底部有排水孔。盆土重約400 g取其中一部分用于土壤質地的測定。氯磺隆25%可濕性粉劑購自江蘇省激素研究所股份有限公司,農藥登記證號:PD20081325;氯化鎘(AR.)購自南京化學試劑有限公司。
1.2 實驗步驟和方法
根據ISO11269-2(2013)[17]的方法,并做適當的修改,進行種子發芽和幼苗生長實驗。土壤風干后過2 mm篩,消毒,備用。土壤質地為粘壤土,pH值8.08,有機質含量1.21%,陽離子交換量25.4 cmol·kg-1。稱干土重為400 g的實驗土壤,裝入到圓筒形塑料實驗盆缽中。實驗過程中每周定時、定量給每個盆缽添加自來水。幼苗出土后,待長出2片真葉后,每盆定植5株,進行后續觀察和實驗。實驗共進行第40天時,取不同處理菠菜植株用于代謝物測定。試驗共進行了3次,測定結果穩定。
通過預實驗,選擇單一氯磺隆在風干土中的添加劑量為0.5μg·kg-1;單一鎘在風干土中的添加劑量為5.0mg·kg-1。2種污染物選擇的劑量對菠菜植株生長沒有顯著影響。復合污染則為二者共同添加到土壤中。試驗共設空白對照、氯磺隆單一處理、鎘單一處理、氯磺隆和鎘復合處理共4個處理,每個處理設6個重復。然后將精選好的菠菜種子播種在土壤表面,用一定量的細土覆蓋。所有實驗均在溫室中進行,溫度為(25±2)℃。相對濕度保持在40%~60%之間。
1.3 樣品提取及儀器分析條件
稱取液氮研磨的植物粉末30mg于離心管中,加入0.5 mL的甲醇和水(1/1,V/V),超聲提取30 min,10 000 r·min-1離心10 min,取100μL上清液于進樣小瓶中,氮氣吹干。加入50μL鹽酸甲氧胺吡啶溶液(20 g·L-1),37℃反應90 min,再加入50μL N-甲基-N-(三甲基硅烷)三氯乙酰胺(MSTFA)+ 1%三甲基氯硅烷(TMCS),37℃反應30 min。冷卻后,進行GC-MS分析。
美國Thermo Fisher公司DSQ單四極桿氣相色譜質譜儀。J&W DB-5MS毛細管柱(0.32 mm×30 m,0.25μm);進樣口溫度280℃;載氣(He)流速1.0 mL·min-1,不分流。升溫程序:50℃保持1 min,以每分鐘10℃升至100℃,保持1 min;以每分鐘10℃升至200℃,保持1 min,以每分鐘10℃升至280℃,最后以每分鐘10℃升至320℃,保持1 min。溶劑延遲時間為5 min,進樣量1μL。
電子轟擊(EI)離子源;電子能量70 eV;傳輸線溫度280℃;離子源溫度200℃;質量掃描范圍m/z 50~650。
1.4 數據處理
采用自動質譜圖解卷積和鑒定系統軟件The Automatic Mass Spectral Deconvolution and Identification System(AMDIS)對空白組和處理組質譜圖進行濾噪、校正漂移、從緊密相鄰的共洗脫峰中提取出單個峰等一系列處理。質譜圖經AMDIS處理后,根據德國馬普的格列姆數據庫檢索,設置最小匹配值為60%。根據代謝物的保留時間和特征峰,進行積分。結合內標物的峰面積,計算代謝物的相對含量。
2.1 不同處理組菠菜生長狀況
除根長在氯磺隆處理組顯著降低(P<0.05)外,菠菜的株高、株型、顏色在不同處理組均沒有顯著差異。
2.2 不同處理菠菜代謝物的定性分析
總離子色譜圖經預處理后,結合正構烷烴的保留時間,計算不同代謝物的保留指數(retention index, RI)。通過代謝數據庫檢索,結合每種代謝物的保留時間(retention time,tR)、保留指數,分析和確定衍生化后的分子式和分子量。通過保留指數定性分析技術,對不同處理菠菜的代謝產物進行辨識,共鑒定出所有處理共有的39種代謝物,其中包括10種氨基酸、7種糖、14種酸類物質以及其他化合物8種。
2.3 菠菜不同種類代謝物在不同處理組的變化
2.3.1 菠菜中不同種類代謝物主成分分析
對不同處理組菠菜的代謝物進行主成分分析,如圖1所示,第1主成分(PC1)和第2主成分(PC2)可以解釋76%的原變量信息,4種不同處理組的菠菜代謝物在PCA得分圖PC1維上明顯區分,即組內聚集,組間很好地分開。

圖1 不同處理組菠菜的主成分分析PC1/PC2得分圖Fig.1 PC1/PC2 scores ofSpinacia oleraceaL.in different treatments
主成分分析結果表明磷酸酯、蘇氨酸、半乳糖等10種代謝物與第1因子的相關程度高(因子得分系數絕對值大于0.8),脯氨酸、γ-氨基丁酸、蘋果酸等11種代謝物與第2因子的相關程度高(因子得分系數大于0.8)。具體結果見表1。
2.3.2氨基酸含量的變化
植物體內氨基酸是植物蛋白質合成的基本單元,也是植物體內多種與抗逆性相關代謝產物的合成前體[18]。本研究共檢測到丙氨酸族氨基酸3種(丙氨酸、β-丙氨酸和纈氨酸),絲氨酸族氨基酸2種(絲氨酸和甘氨酸),天冬氨酸族氨基酸3種(天冬氨酸、蘇氨酸和異亮氨酸),以及谷氨酸族氨基酸2種(谷氨酸和脯氨酸)。結果見表2。

表1 菠菜代謝物因子得分系數Table 1 Component score coefficient of metabolites ofSpinacia oleraceaL.

表2 不同處理組菠菜氨基酸含量的變化分析(mg·g-1FW)Table 2 Changes of amino acids ofSpinacia oleraceaL.in different treatments(mg·g-1FW)
與對照組相比,土壤中殘留氯磺隆脅迫下,纈氨酸、異亮氨酸、脯氨酸、甘氨酸、蘇氨酸和天冬氨酸含量分別上升了37%、52%、6 796%、99%、178%和38%;丙氨酸、絲氨酸、β-丙氨酸和谷氨酸含量分別下降了42%、29%、40%和73%。
土壤鎘脅迫,丙氨酸、纈氨酸、異亮氨酸、脯氨酸、甘氨酸和天冬氨酸含量上升了44%、35%、54%、12 049%、112%和29%。絲氨酸、蘇氨酸、β-丙氨酸和谷氨酸含量下降了12%、75%、53%和88%。
復合污染時,丙氨酸、纈氨酸、甘氨酸、絲氨酸、蘇氨酸和谷氨酸含量下降了92%、7%、13%、46%、100%和100%。異亮氨酸、脯氨酸、β-丙氨酸和天冬氨酸含量上升了25%、5 400%、124%和56%。
綜合比較,氯磺隆和鎘單一污染均誘導纈氨酸、異亮氨酸、脯氨酸、甘氨酸和天冬氨酸含量顯著(P<0.05)上升;絲氨酸、β-丙氨酸和谷氨酸含量顯著(P<0.05)下降。2個處理不同的是氯磺隆誘導丙氨酸含量顯著下降,蘇氨酸含量顯著上升;鎘誘導丙氨酸含量顯著上升,蘇氨酸含量顯著下降。與單一污染相比較,異亮氨酸和脯氨酸在復合污染處理的上升率均低于單一污染,天冬氨酸與之相反;絲氨酸和谷氨酸在復合污染處理的下降率高于單一污染處理;纈氨酸和甘氨酸在復合污染處理顯著下降,在單一污染處理顯著上升,β-丙氨酸與之相反;丙氨酸在復合污染處理的反應與氯磺隆處理一致,與鎘處理相反;蘇氨酸在復合污染處理的反應與鎘處理一致,與氯磺隆相反,且復合污染處理上升率和下降率高于單一污染。
氯磺隆以及其他磺酰脲了除草劑,其作用靶標是乙酰乳酸合成酶(ALS),也稱乙酰羥基酸合成酶(AHAS),它抑制支鏈氨基酸纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸的生物合成[19-24]。然而,實驗結果表明氯磺隆處理組支鏈氨基酸(纈氨酸和異亮氨酸)含量顯著上升。Zabalza等(2013)[25]發現ALS抑制劑會誘導短期內總氨基酸在植物葉片和根系中含量的積累,本實驗也得到了類似的結果,分析造成這種現象的原因可能是由于蛋白質的分解反應速率大于合成反應速率,從而掩蓋了氯磺隆對支鏈氨基酸合成的抑制作用[21]。鎘脅迫也導致了2種氨基酸含量的顯著上升。然而殘留除草劑和鎘復合污染后,菠菜中纈氨酸含量下降,同時異亮氨酸的上升比率也有所下降。
脯氨酸含量升高是植物抗逆反應的重要標記。許多研究表明,氯磺隆對植物根的生長有抑制作用,且植物受到脅迫后脯氨酸含量顯著升高[26-27]。Xu等[28]研究表明脯氨酸在緩解Cd對龍葵(Solanum nigrum)幼苗的毒性起著至關重要的作用。本研究也得到了相似的結果,菠菜受到氯磺隆、鎘及2種污染物復合脅迫后,脯氨酸含量顯著升高,是對照組的55~121倍。
谷氨酸、甘氨酸和絲氨酸是光呼吸乙醇酸途徑中3種關鍵的氨基酸。氯磺隆和鎘脅迫均導致了谷氨酸和絲氨酸含量顯著下降,甘氨酸含量顯著升高,表明氯磺隆和鎘對甘氨酸的合成沒有影響,但對甘氨酸轉變絲氨酸的過程有抑制作用。復合污染則是甘氨酸、谷氨酸和絲氨酸含量均下降,表明2種物質復合污染時光呼吸受到了抑制,即氨的循環受阻。此外,許多研究還表明絲氨酸是植物對生物或非生物脅迫做出反應的重要標志[29-31]。劉清岱等(2010)[32]報道外源絲氨酸能誘導植物衰老。實驗表明氯磺隆、鎘以及復合污染均未造成菠菜中絲氨酸的積累,從而可以推斷氯磺隆、鎘以及復合污染并未加快菠菜的衰老。

圖2 不同處理組菠菜碳水化合物及其衍生物的含量變化注:*P<0.05、**P<0.01、***P<0.001表示處理組與空白對照組之間差異(t-檢驗,雙尾檢驗)。Fig.2 Changes of carbohydrate and derivative ofSpinacia oleraceaL.in different treatmentsNote:*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001,statistical difference t-test (two-tail)compared with control.
2.3.3不同處理碳水化合物含量變化分析
不同處理、不同類碳水化合物含量變化見圖2a~c。
從圖2a可以看出,鎘對菠菜中D型吡喃葡萄糖、吡喃型葡萄糖、山梨糖、蔗糖和甘露糖的影響較大,與對照相比,均顯著升高。這與先前研究結果一致。有研究表明,當大米受到鎘脅迫時,其莖葉中會積累一定量的碳水化合物并伴隨著凈光合速率的下降[33]。Kieffe等[34](2008)研究結果顯示,各種碳水化合物的積累是鎘抑制植物生長的一個重要因素。
此外,還可以看出,氯磺隆對菠菜中糖類物質的影響較小,只有山梨糖的含量是極顯著(P<0.001)升高。復合污染處理組,糖類物質的含量較鎘處理組顯著下降,表明氯磺隆的加入減弱了鎘對糖類物質的影響。
從圖2b可以看出,半乳糖苷是菠菜中唯一檢測到的半乳糖衍生物,其在氯磺隆處理組無顯著變化,但鎘處理組的含量則是對照組的93倍。復合污染雖較鎘處理有所降低,但仍是對照組的59倍。
圖2c顯示葡萄糖和半乳糖在不同處理中的變化情況。由圖可知,氯磺隆處理組顯著升高,而鎘處理和復合處理則導致了2種物質含量的顯著下降。
綜上結果表明,植物受到不同污染物脅迫時,積累的碳水化合物的種類和量不同。且2種污染物復合時,植物體內的碳水化合物并不是累加和提高的關系,表明2種污染物之間沒有協同作用,相反2種物質在碳水化物的積累上表現為減弱的作用。通常,逆境脅迫下,植物會發生一系列的抗逆反應,如產生活性氧、信號轉導分子、以及與抗性相關的蛋白和代謝物[35]。這些反應都需要大量的能量來維持,因此能量代謝的提升是植物抗逆的一個重要標志。Zabalza(2004)等[20]研究表明植株葉片和根部碳水化合物的積累是植物對乙酰乳酸合成酶(ALS)類除草劑的普遍生理反應。
2.3.4 不同處理有機酸含量的變化
植物組織的一個顯著特征是有機酸總含量較高,這可能是由有機酸在植物體內具有的重要代謝功能所決定的,有機酸除了參加光合作用和呼吸作用,還可以作為代謝活性溶質,調節滲透壓,平衡過多的陽離子,在應對養分缺乏、金屬脅迫以及操縱根-土界面、植物-微生物交互作用等代謝過程中,有機酸也是作為關鍵成分參與其中的[36]。不同處理菠菜有機酸含量變化結果見表3。

表3 不同處理組菠菜中有機酸類代謝物含量變化(mg·g-1FW)Table 3 Changes of organic acid ofSpinacia oleraceaL.in different treatments(mg·g-1FW)
從表2可以看出,與對照組相比,氯磺隆、鎘及復合污染均誘導蘋果酸、2-氨基丁酸、γ-氨基丁酸(GABA)、4-羥基肉桂酸和十六烷酸含量顯著上升,苯甲酸和十八烷酸含量顯著下降。氯磺隆脅迫導致了磷酸和乳酸含量的積累,而鎘和復合污染脅迫則使得這2種代謝物含量顯著下降。乳酸累積在細胞內,會使胞質溶膠酸化,影響酶代謝。γ-氨基丁酸主要是來源于谷氨酸脫羧作用形成,研究發現冷害、缺氧、酸化、干旱等多種脅迫,均能引起植物體內GABA水平升高[37]。本研究也得到了類似的結果,氯磺隆、鎘及復合污染均引起了菠菜體內GABA水平升高。蘋果酸和檸檬酸是植物體內三羧酸循環中2種主要的有機酸,氯磺隆處理誘導蘋果酸含量顯著升高,檸檬酸含量顯著下降;而鎘和復合污染時蘋果酸和檸檬酸含量同時顯著上升,曾有研究表明,麥類植物受到鋁毒害時,蘋果酸和檸檬酸的分泌是主要的抗鋁機制[38]。結果表明,菠菜對鎘毒害的響應與麥類植物對鋁毒害的響應相似。
2.3.5 其他物質含量變化
菠菜中共檢測到其他類物質9種,包括碳二亞胺、丁胺、酪胺、腐胺、磷酸酯、苯酚、肌醇和葉綠醇。其中,與植物抗逆相關的物質主要有腐胺和肌醇。2種物質的變化結果見圖3。

圖3 不同處理組菠菜中腐胺和肌醇的含量變化注:*P<0.05、**P<0.01、***P<0.001表示處理組與空白對照組之間差異(t-檢驗,雙尾檢驗)。Fig.3 Changes of putrescine and inositol ofSpinacia oleraceaL.in different treatmentsNote:*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001,statistical differences t-test(two-tail)compared with control.
腐胺是多胺類化合物的一種,可調節植物的生長和發育,以及提高植物的抵抗力[39]。氯磺隆誘導菠菜中腐胺的積累,這與先前研究的結果一致[40]。然而,鎘處理及復合處理均未造成腐胺在菠菜中積累。
植物細胞中肌醇分子參與多種生理過程,包括形成植酸等儲存物質、調節植物細胞抗逆、促進種子脫水、修飾生長素、參與細胞壁組成等[41]。研究證明,植物細胞中肌醇的原初功能是作為底物合成磷脂酰肌醇以及磷脂酰肌醇磷酸,維持內膜系統的結構完整和運輸功能;而內膜系統的結構完整和運輸功能又直接影響生長素調控的植物胚胎發育過程。氯磺隆、鎘及二者復合污染均導致了肌醇含量顯著下降,進而將會影響內膜系統結果完整和運輸功能,最終影響植物的發育。
綜上所述,氣質聯用結合解卷積技術,共鑒定出菠菜39種代謝產物。
分析氯磺隆和鎘處理代謝物含量變化得出,氯磺隆上調了蘇氨酸、葡萄糖、半乳糖、乳酸、蘋果酸和腐胺的含量;下調了丙氨酸和檸檬酸的含量;對多種碳水化合物無顯著影響。鎘上調了丙氨酸、D-型吡喃葡萄糖、吡喃葡萄糖、山梨糖、蔗糖、甘露糖、半乳糖苷、蘋果酸、檸檬酸含量;下調了蘇氨酸、葡萄糖、半乳糖、腐胺和肌醇含量。
分析復合污染和單一污染代謝物含量變化得出,2種污染物對纈氨酸、異亮氨酸、脯氨酸、甘氨酸、β-丙氨酸、谷氨酸、天冬氨酸、所有碳水化合物物、蘋果酸、檸檬酸等有機酸和腐胺存在拮抗作用;對絲氨酸和十八烷酸存在協同作用。此外,鎘的加入增強了氯磺隆對丙氨酸的作用;氯磺隆的加入增強了鎘對蘇氨酸、磷酸、乳酸和古洛糖酸的作用。
由此可得出,2種污染物對菠菜代謝物的影響存在差異,且兩種污染物復合時對不同代謝物的影響也不同,對多種代謝產物存在拮抗作用。從這個結果,我們可以推斷當菠菜遭受氯磺隆脅迫時,鎘能減弱氯磺隆的毒害作用。
[1]Khan S U.Bound residues in soil and plants[J].Residues Reviews,1982,84:1–25
[2]IAEA.Quantification,nature and bioavailability of bound 14C-pesticide residues in soil,plants and food[R].Vien-na,Austria:International Atomic Energy Agency,1986
[3]Dec J,Bollag J M.Microbial release and degradation of cathecol and chlorophenols bound to synthetic humic acid [J].Soil Science Society of America Journal,1988,52: 1366–1371
[4]Ye Q F,Wu J M,Sun J H.Bioavailability of bound residue derived from 14C-labeled chlorsulfuron in soil and its mechanism of phytotoxicity[J].Journal of Environmental Sciences(China),2004,16:262–267
[5]單正軍.氯磺隆的環境行為及其對作物的影響[J].農藥科學與管理,1998(3):12-14 Shan Z J.Reviews on the environmental behavior of chlorsulfuron and its safety to plants[J].Pesticide Science and Adminstration,1998(3):12-14(in Chinese)
[6]Hollaway K L,Kookana R S,Noy D M,et al.Persistence and leaching of sulfony-lurea herbicides over a 4-year period in the highly alkaline soils of south-eastern Australia [J].Australian Journal of Experimental Agriculture,2006, 46:1069–1076
[7]Giardina M C,Carosi S.Effects of chlorsulfuron on polyamine content in maize seedlings[J].Pesticide Biochemistry and Physiology,1990,36:229–236
[8]栗獻峰.太原市污灌區土壤重金屬分布特征及風險評價[J].山西農業科學,2012,40(7):42-46,74 Li X F.Distribution characteristics and risk evaluation of heavy metals in soil of sewage irrigation area of Taiyuan City[J].Journal of Shanxi Agricultural Sciences,2012,40 (7):42-46,74(in Chinese)
[9]Wagner G J.Accumulation of cadmium in crop plants and its consequences to human health[J].Advances in Agronomy,1993,1(51):173-212
[10]Baszynski T,Krupa Z.Some aspects of heavy metals toxicity towards photosynthetic apparatus-direct and indirect effects on light and dark reactions[J].Acta Physiologiae Plantarum,1995,17:177–190
[11]Das P,Samantaray S,Rout G.Studies on cadmium toxicity in plants:A review[J].Environmental Pollution,1997, 98:29–36
[12]Padmaja K,Prasad D,Prasad A.Inhibition of chlorophyll synthesis inPhaseolus vulgarisL.seedlings by cadmium acetate[J].Photosynthetica,1990,24:399–405
[13]Pietrini F,Iannelli M A,Pasqualini S,et al.Interaction of cadmium with glutathione and photosynthesis in developing leaves and chloroplasts ofPhragmites australis(Cav.) Trin.ex Steudel[J].Plant Physiology,2003,133:829–883
[14]Baryla A,Carrier P,Franck F,et al.Leaf chlorosis in oil seed rape plants(Brassica napus)grown on cadmium-polluted soil:Causes and consequences for photosynthesis and growth[J].Planta,2001,212:696–709
[15]Larsson E H,Bornman J F,Asp H.Influence of UV-B radiation and Cd2+on chlorophyll fluorescence,growth and nutrient content inBrassica napus[J].Journal of Experimental Botany,1998,49:1031–1039
[16]B?ddi B,Oravecz A,Lehoczki E.Effect of cadmium on organization and photoreduction of protochlorphyllide in dark-grown leaves and etioplast inner membrane preparations of wheat[J].Photosynthetica(Czech Republic), 1995,31:411–420
[17]International Organization for Standardization.Soil quality–determination of the effects of pollutants on soil flora. Part 2:Effects of contaminated soil on the emergence and early growth of higher plants.BS EN ISO 11269-2[R]. Geneva,Switzerland:ISO,2012
[18]Xie Y,Hu L X,Du Z M,et al.Effects of cadmium exposure on growth and metabolic profile of bermudagrass [Cynodon dactylon(L.)Pers.][J].PLoS One,2014,9(12): e115279
[19]范志金,錢傳范,于維強,等.氯磺隆和苯磺隆對玉米乙酰乳酸合成酶抑制作用的研究[J].中國農業科學, 2003,36(2):173-178 Fan Z J,Qian C F,Yu W Q,et al.Study on enzymatic inhibition of acetolactate synthase from maize(Zea mays L.)by chlorsulfuron and tribenuron-methyl[J].Scientia Agricultura Snica,2003,36(2):173-178(in Chinese)
[20]Zabalza A,Orcaray L,Gaston S,et al.Carbohydrate accumulation in leaves of plants treated with the herbicide chlorsulfuron or imazethapyr is due to a decrease in sink strength[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2004,52:7601–7606
[21]Zabalza A,Gonzalez E M,Arrese-Igor C,et al.Fermentative metabolism is induced by inhibiting different enzymes of the branched-chain amino acid biosynthesis pathway in pea plants[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2005,53:7486–7493
[22]Zhou Q,Liu W,Zhang Y,et al.Action mechanisms of acetolactate synthase-inhibiting herbicides[J].Pesticide Biochemistry and Physiology,2007,89:89–96
[23]Orcaray L,Igal M,Marino D,et al.The possible role of quinate in the mode of action of glyphosate and acetolactate synthase inhibitors[J].Pest Management Science, 2010,66:262–269
[24]Orcaray L,Igal M,Zabalza A,et al.Role of exogenously supplied ferulic and p-coumaric acids in mimicking the mode of action of acetolactate synthase inhibiting herbicides[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2011,59:10162–10168
[25]Zabalza A,Amaia Z,Gil-Monreal M,et al.Branchedchain amino acid biosynthesis inhibitors:Herbicide efficacy is associated with an induced carbon-nitrogen imbalance[J].Journal of Plant Physiology,2013,170:814-821
[26]Fayeaz K A,Kristen U.The influence of herbicides on the growths and proline content of primary roots and on the ultrastructure of root caps[J].Environmental and Experimental Botany,1996,36:71-81
[27]Deng F.Effects of glyphosate,chlorsulfuron,and methyl jasmonate on growth and alkaloid biosynthesis of jimsonweed(Datura stramoniumL.)[J].Pesticide Biochemistry and Physiology,2005,82:16-26
[28]Xu J,Sun J,Du L,et al.Comparative transcriptome analysis of cadmium responses inSolanum nigrumandSolanum torvum[J].New Phytologist,2012,196:110–124
[29]Ho C L,Saito K.Molecular biology of the plastidic phosphorylated serine biosynthetic pathway inArabidopsis thaliana[J].Amino Acids,2001,20:243–259
[30]Waditee R,Bhuiyan N H,Hirata E,et al.Metabolic engineering for betaine accumulation in microbes and plants [J].Journal of Biological Chemistry,2007,282:34185–34193
[31]Benstein R M,Ludewig K,Wulfert S,et al.Arabidopsis phosphoglycerate dehydrogenase1 of the phosphoserine pathway is essential for development and required for ammonium assimilation and tryptophan biosynthesis[J]. Plant Cell,2013,25:5011–5029
[32]劉清岱,朱曄榮,李洪濤,等.紫萍葉狀體衰老過程中的內肽酶譜變化和外源L-絲氨酸對內肽酶譜的影響[J].植物生理學通訊,2010(3):241-244 Liu Q D,Zhu Y R,Li H T,et al.Changes of endopeptidase isoenzymes inSpirodela polyrrhiza thallusduring sene scence and effect of exogenous L-serine on endopeptidase isoenzymes[J].Plant Physiology Communications, 2010(3):241-244(in Chinese)
[33]Moya J,Ros R,Picazo I.Heavy metal-hormone interactions in rice plants:Effects on growth,net photosynthesis, and carbohydrate distribution[J].Journal of Plant Growth Regulation,1995,14:61–67
[34]Kieffer P,Dommes J,Hoffmann L,et al.Quantitative changes in protein expression of cadmium-exposed poplar plants[J].Proteomics,2008,8:2514–2530
[35]漆小泉,王玉蘭,陳曉亞.主編.植物代謝組學-方法與應用[M].北京:化學工業出版社,2011 Qi X Q,Wang Y L,Chen X Y.eds.Plant Metabolomics: Methods and Applications[M].Beijing:Chemical Industry Press,2011(in Chinese)
[36]汪建飛,沈其榮.有機酸代謝在植物適應養分和鋁毒脅迫中的作用[J].應用生態學報,2006,17(11):2210-2216 Wang J F,Shen Q R.Roles of organic acid metabolism in plant adaptation to nutrient deficiency and a luminum toxicity stress[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2006, 17(11):2210-2216(in Chinese)
[37]施征,史勝青,鐘傳飛,等.γ-氨基丁酸在植物抗逆生理及調控中的作用[J].生命科學研究,2007,11(4):57-61 Shi Z,Shi S Q,Zhong C F,et al.The roles of γ-aminobutyric acid on physiology and regulation under stress in plants[J].Life Science Research,2007,11(4):57-61(in Chinese)
[38]王偉.植物激素及鋁對小麥根尖有機酸代謝與分泌的影響[D].武漢:華中農業大學,2008 Wang W.Effect of plant hormone and aluminum on organic acid metablism and secretion in wheat root tapcies [D].Wuhan:Huazhong Agricultural University,2008(in Chinese)
[39]Song Y-J,Diao Q-N,Qi H-Y.Research progress on relationship between polyamine metabolism and plant stress resistance[J].China Vegetables,2012(1):36-42
[40]Giardina M C,Carosi S.Effects of chlorsulfuron on polyamine content in maize seedlings[J].Pesticide Biochemistry and Physiology,1990,36:229-236
[41]Yu L,Qin G,Zhang J,et al.D-myo-inositol-3-phosphate affects phosphatidylinositol-mediated endomembrane function inArabidopsisand is essential for auxin-regulated embryogenesis[J].The Plant Cell,2011,23:1352-1372
*共同通訊作者(Co-),E-mail:liurq@sxu.edu.cn
Joint Effects of Soil Residual Chlorsulfuron and Cadmium on Metabolites of Spinacia oleracea L.
Zhao Lijuan1,Zhang Hong2,Xie Jingfang1,*,Liu Ruiqing1,#,Li Meng1,Liu Peijia1,Wang Yashuai1
1.College of Environment and Resource,Shanxi University,Taiyuan 030006,China
2.Shanxi Academy of Analytical Science,Taiyuan 030006,China
6 September 2015 accepted 31 December 2015
The single and combined stress effects of the long residual herbicide chlorsulfuron and cadmium were evaluated on the growth and metabolites ofSpinacia oleraceaL.in this study.The metabolites ofSpinacia oleracea L.in different treatment groups were identified and analyzed by GC-MS technique.Combined with the results from the control group,there were individually significant differences in the detection of metabolites from the three treatment groups.1)Chlorsulfuron prompted a large increase(*P<0.05)in the content of multiple-amino acids,the three carbohydrates involved in energy metabolism,malic acid,γ-aminobutyric acid(GABA),lactic acid and putrescine,otherwise,an obvious decrease of inositol(*P<0.05).In the other hand,cadmium caused an increase(*P<0.05)in multiple-amino acids,five energy-metabolism-related carbohydrates,malic acid and citric acid,however a decrease(*P<0.05)of putrescine and inositol.2)Unlike the results of single treatment group of chlorsulfuron or Cd,the detection in combination treatment group showed a decrease(*P<0.05)in multiple-amino acids,multiplecarbohydrates and malic acid and et al.Summarizing the results mentioned above,we concluded that the combined effects by soil residual chlorsulfuron and cadmium could obviously impair the up-effects on the amino acids and energy metabolisms induced by any single one of them;in addition,the combination effects by chlorsulfuron and cadmium also did not demonstrate an synergy but an antagonism on some metabolites.
chlorsulfuron;cadmium;Spinacia oleraceaL.;metabolities;GC-MS
2015-09-06 錄用日期:2015-12-31
1673-5897(2016)1-274-09
X171.5
A
10.7524/AJE.1673-5897.20150906001
趙麗娟,張洪,解靜芳,等.土壤殘留氯磺隆和鎘聯合脅迫對菠菜代謝產物的影響[J].生態毒理學報,2016,11(1):274-282
Zhao L J,Zhang H,Xie J F,et al.Joint Effects of Soil Residual Chlorsulfuron and Cadmium on Metabolites ofSpinacia oleraceaL.[J].Asian Journal of Ecotoxicology,2016,11(1):274-282(in Chinese)
國家自然科學基金(No.30740037);國家公益性行業(農業)科研專項(No.201103024);山西省研究生優秀創新項目(011452901009);山西省自然科學基金(2014011013-2)
趙麗娟(1983—),女,在讀博士,研究方向為環境科學,E-mail:zhao6286145@126.com;
),E-mail:xiejf@sxu.edu.cn
簡介:解靜芳(1961-),女,環境科學博士,教授,主要研究方向為環境毒理化學、環境有機污染化學、環境污染物監測與分析。