硝酸鹽對小麥幼苗根系早期生長和抗氧化特性的影響

顧澤瑋 單友田 陳小雁 蔡冬梅 陳艷蝶 景紅娟

摘要：以小麥（Triticum aestivum L.）秋樂2122作為供試材料，以不含硝酸鹽的Hoagland溶液為對照，研究不同濃度硝酸鹽對小麥根系發育的影響。利用分光光度計和組化染色法檢測根尖細胞中O2-·和H2O2含量，并測定細胞內相關氧化還原酶活性與還原型谷胱甘肽（GSH）含量。結果表明，硝酸鹽能夠顯著增加小麥根尖細胞中O2-·而不是H2O2含量;高濃度硝酸鹽（60 mmol/L）處理O2-·含量顯著高于低濃度硝酸鹽（10 mmol/L）處理。低濃度硝酸鹽顯著降低SOD酶活性和GSH含量，提高POD、谷胱甘肽還原酶（GR）和GSH-PX酶活性，使根部細胞具有良好的抗氧化能力，促進小麥根系生長。高濃度硝酸鹽抑制小麥幼苗根系生長，是由于降低SOD與GSH-PX酶活性;雖然增加POD和GR酶活性，但是仍無法緩解根部細胞O2-·過量積累而造成的氧化損傷。所以不同濃度硝酸鹽通過調節胞內O2-·含量，實現對小麥根系生長的調控。

關鍵詞：硝酸鹽;活性氧;小麥（Triticum aestivum L.）;GSH;根系

中圖分類號：S512.1? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2018）23-0061-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.23.014? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

硝酸鹽是植物利用的主要氮源，正常情況下土壤中其濃度小于1 mmol/L，但是隨著氮肥的大量使用，其濃度可高達70 mmol/L[1]。小麥（Triticum aestivum L.）作為一種典型的單子葉須根系作物，根多、根深、根壯是其高產的基礎。小麥根系發育不僅受遺傳物質控制，而且生長環境因素也會極大地影響根發育[2]。研究表明，過量硝酸鹽會抑制根系生長發育[3]，而缺氮條件在抑制小麥幼苗生長的同時可以刺激根生長[4]。此外，硝酸鹽還作為信號分子，通過生長素信號通路調節初生根生長與側根起始發育[5]。因此，硝酸鹽對根系生長發育起關鍵作用。

植物吸收的硝酸鹽在內體還原同化生成游離氨，其通過抑制線粒體內呼吸鏈的電子傳遞[5]，誘導生成過量的超氧陰離子（O2-·）[6]，而且O2-·通過超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）酶促歧化生成半衰期更長的過氧化氫（H2O2）[7]。生成的H2O2可在過氧化氫酶（Catalase，CAT）和過氧化物酶（Peroxidase，POD）作用下生成水分子。O2-·與H2O2作為植物體中主要的兩種活性氧（Reactive oxygen species，ROS），低濃度時作為重要信號分子調節根系生長發育[8-11]。還原型谷胱甘肽（Glutathione，GSH）和谷胱甘肽還原酶（Glutathione reductase，GR）通過維持根尖細胞氧化還原平衡，在根尖生長中起關鍵作用[8]。

硝酸鹽通過硝酸轉運體進入植物細胞調控根系生長發育[1，4]。但是，硝酸鹽調控根系發育是否與ROS有關，鮮見報道。因此，研究不同濃度硝酸鹽對O2-·、H2O2含量水平與胞內氧化還原酶活性和谷胱甘肽含量的影響，對闡明硝酸鹽作用于小麥根系生長發育的機理有重要意義，也為農業生產中合理施加硝酸鹽提供理論依據。

1? 材料與方法

1.1? 材料與培養

材料為冬小麥秋樂2122，購自河南秋樂種業科技股份有限公司。選取子粒飽滿，大小均勻，無病蟲害的小麥種子，用0.5%次氯酸鈉消毒15 min，室溫下黑暗萌發24 h，在鋪有2層濾紙的培養皿中用去離子水培養1 d后備用。以不含有硝酸鹽的改良Hoagland溶液為0 mmmol/L對照，含有10、60 mmmol/L硝酸鹽的改良Hoagland溶液為處理繼續培養6 d，用于形態和生理指標測定。Hoagland溶液改良配方見表1，在0 mmol/L溶液中為維持滲透和電荷平衡，用Cl-代替處理液的硝酸鹽。培養條件為25～20 ℃，光照度4 000～4 500 lx，14 h光照/10 h黑暗。

1.2? 測定指標與方法

測定上述培養6 d小麥幼苗的苗長、根長和根數。根部O2-·含量測定采用羥胺氧化法[11]，H2O2含量測定采用鉬酸銨法[12]，根尖細胞O2-·與H2O2原位檢測分別采用氮藍四唑（NBT）[13]與3-3′-二氨基聯苯胺（DAB）[14]染色法。SOD活性采用NBT光還原法測定，CAT活性采用紫外吸收法測定[15]，POD活性采用愈創木酚法[15]測定。GSH和氧化型谷胱甘肽（GSSG）含量采用A061-1試劑盒測定，GR活力采用A062試劑盒測定，谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-PX）活力采用A005試劑盒測定。上述指標測定均設3組平行，重復3次。

1.3? 數據處理

利用Photoshop軟件進行圖片編輯;利用Origin 8.0軟件進行數據計算、統計分析及繪圖;采用t檢驗分析數據的差異顯著性。

2? 結果與分析

2.1? 不同濃度硝酸鹽對小麥苗期生長的影響

利用一系列濃度的硝酸鹽連續處理小麥幼苗6 d，檢測小麥幼苗根長、苗長等形態指標。根據前期試驗結果，分別選取10、60 mmol/L硝酸鹽進行后續試驗。由表2可知，10 mmol/L硝酸鹽顯著促進小麥幼苗根的生長，其根系長度比對照增加了21%。60 mmol/L硝酸鹽對小麥幼苗根的生長有抑制作用，其根長與對照相比降低了8.1%，且苗長也降低了7.9%。但是硝酸鹽對根的數量沒有顯著影響。因此，10 mmol/L硝酸鹽顯著促進小麥幼苗根系生長，而60 mmol/L硝酸鹽則抑制根系生長。

2.2? 不同濃度硝酸鹽對小麥幼苗O2-·與H2O2含量的影響

適量的ROS作為信號分子，在植物根系的生長發育過程中起關鍵作用[8-11]。為了探討不同濃度硝酸鹽促進和抑制小麥根系發育的機理，檢測了小麥根尖細胞中O2-·和H2O2含量。由圖1A可知，O2-·主要位于小麥根尖分生區和伸長區，10、60 mmol/L硝酸鹽處理顯著增加O2-·含量。圖1B結果表明，H2O2含量均勻分布在根尖的各個區域，而硝酸鹽處理能夠增加小麥根尖分生區細胞H2O2含量。圖1C的結果表明，10、60 mmol/L硝酸鹽處理的O2-·含量分別比對照提高13.5%和101.7%，即60 mmol/L硝酸鹽處理的小麥根尖細胞中O2-·含量比10 mmol/L硝酸鹽高。圖1B和圖1D結果均表明，硝酸鹽處理對小麥根尖細胞H2O2含量影響不顯著。因此，硝酸鹽處理能夠顯著增加小麥根尖細胞中O2-·含量，而對H2O2含量影響不大。

2.3? 不同濃度硝酸鹽對小麥幼苗根系氧化還原酶系活性及GSH含量的影響

為了探討小麥根尖細胞中O2-·含量升高的原因，進一步檢測了一系列與ROS代謝相關酶的活性。如圖2A所示，與對照相比，10 mmol/L硝酸鹽顯著降低SOD活性，降低了21.0%。相反，硝酸鹽處理能夠顯著提高POD活性，10、60 mmol/L硝酸鹽處理分別提高POD活性11.8%和147.5%（圖2B）。由圖2C可知，硝酸鹽處理對分解H2O2的酶CAT活性影響不大。因此，硝酸鹽能夠顯著提高POD活性，而只有低濃度硝酸鹽能夠降低SOD酶活性。

谷胱甘肽（GSH）是細胞內重要的氧化還原物質，在維持細胞內氧化還原平衡即內穩態過程中起關鍵作用[8]。10 mmol/L硝酸鹽處理顯著降低小麥根尖細胞中GSH含量，而60 mmol/L硝酸鹽則顯著增加GSH含量，其含量分別為對照的82.2%和131.7%（圖3A）。而GSH的氧化形式GSSG在不同濃度硝酸鹽處理條件下無顯著差異（圖3B）。GR是還原性GSH再生的一種關鍵酶，10 mmol/L硝酸鹽和60 mmol/L硝酸鹽處理GR活性分別是對照的11.1倍和15.8倍（圖3C）。GSH-PX是一種通過氧化GSH降解H2O2的酶，從圖3D中可知，10 mmol/L硝酸鹽提高GSH-PX酶活性11.2%，而60 mmol/L硝酸鹽降低GSH-PX酶活性23.6%。

3? 小結與討論

研究發現，低濃度硝酸鹽（10 mmol/L）能夠促進小麥根系伸長生長，而高濃度硝酸鹽（60 mmol/L）反而會抑制小麥根系生長，再次證明了硝酸鹽對根系生長發育的雙重作用[3，4]。低濃度硝酸鹽能夠誘導根部O2-·濃度升高，而一定濃度ROS能夠促進細胞壁松弛，有利于細胞伸長生長[14]。高濃度硝酸鹽誘導小麥產生大量O2-·，使得細胞內氧化還原動態平衡改變，同時也會引起細胞內物質與結構損傷，最終表現為抑制小麥幼苗生長。

細胞內參與ROS代謝的酶類主要是SOD、POD和CAT[15]。硝酸鹽能夠顯著提高POD活性，卻對CAT活性影響不顯著，而只有低濃度硝酸鹽降低SOD酶活性。SOD可以將O2-·轉化為H2O2[7]，其活性降低是硝酸鹽誘導O2-·升高的原因之一。硝酸鹽誘導O2-·升高勢必造成細胞內過氧化物濃度升高，而POD活性升高能夠及時消除由于O2-·升高對細胞造成的損傷;同時，POD也是催化H2O2分解的酶，其活性升高也是細胞H2O2含量不變的原因。因此，硝酸鹽誘導生成的H2O2主要依賴于POD降解而非CAT。這可能與CAT活性并非僅僅受到底物與產物影響，還受到NADPH氧化酶活性及轉錄水平調控有關[7]。所以，植物體可能更傾向于維持低H2O2含量狀態，以此來保持細胞對H2O2這種信號分子類似于Ca2+的敏感性[16]，使得生長能夠對環境的變化快速作出應答。

除了上述參與ROS代謝的抗氧化酶以外，GSH也是調控細胞內氧化還原平衡的重要物質[8]。高濃度硝酸鹽可以誘導根部細胞內GSH升高，而低濃度硝酸鹽則降低GSH含量，但其氧化型GSSG的含量與對照無差異。因此，高濃度硝酸鹽通過上調GSH來維持氧化還原動態平衡，而低濃度硝酸鹽則不需要，反而降低了GSH含量。因此，高濃度硝酸鹽為了維持較高的GSH含量，通過提高GR活性來實現。進一步證明了GR和GSH通過調節細胞氧化還原平衡，從而調節根的生長[8]。但是，隨著細胞內O2-·持續升高，高濃度硝酸鹽GSH-PX活性降低，而低濃度硝酸鹽GSH-PX活性較高。另外，高濃度硝酸鹽增加POD活性，說明除了GSH-PX以外，其他POD是清除升高ROS的主力軍。

綜上所述，高濃度硝酸鹽處理下O2-·大量積累，由于已經超出了細胞內氧化還原體系所能調節的能力，最終表現為抑制生長;而低濃度硝酸鹽O2-·適量積累，則是作為信號分子促進了根伸長生長[17，18]。

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