外源NO對鋁脅迫下蘿卜種子萌發及幼苗生理特性的影響

雷 陽， 劉 釗， 王生武， 白 揚， 魏 曄

(1.山西農業大學園藝學院， 太原 030031；2.山西省科技情報與戰略研究中心， 太原 030012)

鋁是植物體內的非必需元素，雖然土壤中存在大量的鋁元素，但主要以難溶的三氧化二鋁、鋁的硅酸鹽等形式存在，并不會對植物造成生理脅迫。但隨著我國城市化和工業化的進行，酸雨、酸性的工業廢水、廢渣攜帶著大量氫離子進入土壤中，以陽離子交換的形式將穩定的鋁元素替換為植物體易于吸收的Al3+。同時很多農藥和化肥都呈酸性，無節制的施用也導致了農田土壤中鋁含量急劇增加。耕地中鋁元素的不斷增加, 已經成為影響我國農作物生產及食品安全的重要隱患。卻志群[1]研究發現，蘿卜在鋁脅迫下種子萌發受到嚴重影響，進而抑制了幼苗根和葉的生長; 葉義全等[2]研究表明，鋁脅迫會降低杉木幼苗的光和色素含量從而影響光合作用；劉強等[3]研究發現，鋁離子可使煙草細胞內產生大量O2·-和H2O2等活性氧，從而損傷植物胞質膜，產生鋁脅迫反應。

一氧化氮(NO)是植物體內重要的信號分子，能夠調控植物體內多途徑、多基因表達。目前已經證實的通路包括NO合成酶途徑、硝酸還原酶、亞硝酸還原酶途徑，并廣泛參與到其他信號通路中[4]。研究表明，適宜濃度的外源NO可以有效提高植物種子的發芽率、發芽勢、幼苗根長和莖長，增加植物體內光合色素的含量，增強植物的光合作用[5-6]。在鋁脅迫下，NO可以通過提高抗氧化酶的活性來減弱鋁離子脅迫對植物體產生的負作用[7-8]；同時通過激活光合色素表達途徑，增加葉綠素、類胡蘿卜素含量從而增強植物光合作用，抵消鋁脅迫的影響[9-10]。近年來，鋁污染的情況越來越嚴重，因此，本研究開展了外源 NO緩解蘿卜幼苗鋁脅迫的效應試驗，通過測定蘿卜種子萌發及葉片生理變化等指標，研究可緩解蘿卜鋁脅迫的最適硝普鈉(SNP)濃度，以期為鋁污染防治和土壤修復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試蘿卜品種為春紅1號，由山西省農業科學院蔬菜研究所蘿卜團隊提供。鋁離子供體為Al(NO3)3，購自山西森躍商貿有限公司。NO供體為Na2[Fe(CN)5NO]·2 H2O(SNP)，購自山西森躍商貿有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1種子萌發試驗

選取均勻無病害的春紅1號蘿卜種子，用滅菌水在室溫下浸泡6～8 h，然后用75%乙醇沖洗30 s，15% 的NaClO沖洗20 min，滅菌水洗滌3次，放入真空干燥箱40 ℃烘干1 h。試驗分成對照組(ck)(處理液為滅菌水)和6個處理組，處理組中均添加0.5 mmol·L-1(187.57 mg·kg-1)的Al(NO3)3，pH值控制在5.4，并分別添加濃度為0 μmol·L-1、25 μmol·L-1、50 μmol·L-1、100 μmol·L-1、150 μmol·L-1、200 μmol·L-1SNP溶液，將6個處理分別命名為SNP-0、SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200。將蘿卜種子置于直徑為9 cm培養皿中的濾紙上，濾紙上浸滿不同濃度的處理液，每個處理3次重復，每個重復200粒種子。蘿卜種子于25 ℃培養箱中培養，避光催芽3 d，進而光照12 h/黑暗12 h、相對濕度70%。此后每天以滅菌水補充蒸發掉的液體。培養10 d后測定蘿卜幼苗莖長、根長、葉長和葉寬等形態指標。

1.2.2種子萌發指標的測定

培養5 d后測定發芽勢：

發芽勢(%)=(發芽種子粒數/200)×100%。

1.2.3形態指標的測量

培養10 d后測定春紅1號蘿卜幼苗莖長、根長、葉長和葉寬等形態指標。

1.2.4幼苗生理指標的測定

培養12 d后測定春紅1號蘿卜幼苗的各項生理指標。

葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量的測定:避光條件下在丙酮中破碎春紅1號蘿卜幼苗葉片，然后分別在470 nm、649 nm和665 nm波長下測定吸光度值。

SOD活性采用張慧杰等[11]的方法測定;POD活性采用尹桂彬等[12]的方法測定;CAT活性采用劉亞光等[13]的方法測定；APX活性采用張倩等[14]的方法測定。根尖O2·-和H2O2含量均采用Zhou等[15]的方法，取根尖1 cm測定。

1.3 數據處理

采用Microsoft Office Excel 2016軟件整理數據和作圖;SPSS 19.0軟件分析數據，Duncan法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 外源NO對鋁脅迫下蘿卜種子發芽勢的影響

由圖1可知，添加了鋁離子SNP-0較未添加鋁離子的ck處理，發芽勢降低了22.58%，說明鋁離子對蘿卜種子的萌發起到了抑制作用。SNP-50、SNP-100兩個處理顯著提高了蘿卜種子發芽勢，較ck增加15.86%和27.42%，較同為鋁脅迫下的SNP-0分別增加了49.65%和64.58%。說明適量的SNP不僅可以抵消鋁離子對蘿卜種子的毒害，還可以有效提高蘿卜種子的發芽勢。當SNP濃度在200 μmol·L-1時，蘿卜種子的發芽勢比同樣添加鋁離子但未添加SNP的SNP-0處理低12.15%。

2.2 外源NO對鋁脅迫下蘿卜幼苗形態指標的影響

由圖2可知，6個添加了鋁離子的處理在10 d的根長和莖長均顯著短于未添加鋁離子的ck處理，說明鋁脅迫對蘿卜的根長和莖長有較強的抑制作用。在鋁脅迫的6個處理中，SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150等4個處理的根長和莖長均大于未添加SNP的SNP-0，根長增幅分別為26.07%、68.24%、114.94%和1.88%；莖長增幅為24.49%、61.66%、103.94%和18.74%。說明 SNP可有效緩解鋁離子脅迫對蘿卜根長和莖長的影響。其中SNP-100處理的根長和莖長最長，分別為11.84 cm和6.09 cm。SNP-200處理的蘿卜根長和莖長小于SNP-0，降幅分別為13.27%和10.54%，說明較高的SNP濃度反而會降低其緩解鋁脅迫的作用。

由圖3可知， 6個添加了鋁離子的處理的葉長較ck處理均有下降，可見鋁脅迫對蘿卜的葉長有一定的抑制作用。SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150和SNP-200的葉長均大于未添加SNP的處理SNP-0，增幅分別為15.79%、35.09%、56.73%、19.30%和4.68%。說明添加SNP可緩解鋁離子脅迫對蘿卜葉長的影響。其中SNP-100處理的葉長最長，為0.89 cm。同樣，6個添加了鋁離子的處理的葉寬較ck處理均有下降，說明在鋁脅迫下，蘿卜的葉寬會有一定程度的降低。處理SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200的葉寬均大于未添加SNP的處理SNP-0，增幅分別為8.11%、18.06%、36.49%、9.01%、4.50%，說明SNP可有效緩解鋁脅迫對蘿卜葉寬的影響。

2.3 外源NO對鋁脅迫下蘿卜幼苗葉片光合色素含量的影響

由圖4可知，處于鋁脅迫下的6個處理在葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量上均顯著少于未添加鋁離子的ck處理。說明鋁脅迫對蘿卜葉片的光合色素含量有較強的抑制作用。在相同濃度的鋁離子脅迫下，施加SNP的濃度為100 μmol·L-1時，蘿卜幼苗葉片的葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量有顯著提高。其中葉綠素a含量較未添加SNP 處理SNP-0增加55.18%，葉綠素b含量升高了48.31%，類胡蘿卜素含量升高了88.06%。SNP-150和SNP-200兩個處理的蘿卜幼苗葉片各色素含量顯著下降，說明這兩個濃度的SNP對蘿卜的光合作用產生了抑制作用。

2.4 外源NO對鋁脅迫下蘿卜幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

由圖5可知，SNP-0、SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200這6個處理的SOD活性均不同程度的低于ck處理，降幅分別為38.24%、29.40%、19.93%、5.77%、38.83%和47.29%，說明鋁離子對蘿卜體內的SOD活性有較強的抑制作用。且在鋁脅迫下，不同濃度的SNP對蘿卜葉片中的SOD含量有顯著的影響。其中SNP-25、SNP-50、SNP-100較SNP-0的SOD活性均有提高，增幅為14.30%、29.63%、52.56%。SNP-200 處理的SOD活性相比SNP-0有較大的下降，降幅為14.66%，說明較高濃度的SNP會造成SOD活性的降低。

由圖6可知，SNP-0、SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200這6個處理的CAT活性均不同程度的低于ck處理，降幅分別為51.24%、43.58%、27.29%、8.41%、35.81%、50.27%。且在鋁脅迫下，不同濃度的SNP對蘿卜葉片中的CAT含量有顯著的影響。SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150和SNP-200等5個處理的CAT含量較SNP-0均有不同程度的增加，增幅為15.84%、49.28%、88.04%和31.78%和2.10%。

由圖7可知，SNP-0、SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200這6個處理的POD活性均不同程度的低于ck處理，降幅分別為47.54%、40.00%、31.74%、23.19%、39.42%和48.41%，且在鋁脅迫下，不同濃度的SNP對蘿卜葉片中的POD含量有顯著的影響。SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150這4個處理的POD含量較SNP-0均有增加，增幅分別為14.05%、29.75%、46.01%、15.15%。

由圖8可知，鋁脅迫下，處理SNP-0相對于ck有顯著下降，降幅為42.01%，說明鋁脅迫對蘿卜葉片中APX活性有明顯的抑制作用。處于鋁脅迫下的處理SNP-100的APX活性顯著高于ck處理，增幅為40.52%，SNP-50相比于ck略有上升，增幅為6.01%。說明適量的SNP不僅可以抵消鋁脅迫下對蘿卜葉片中APX活性的影響，還可以大幅提升APX活性。

由圖9可知，SNP-0、SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200這6個處理的葉片O2·-產生速率均不同程度的高于ck處理，增幅分別為90.37%、74.35%、57.76%、35.49%、66.97%和89.23%。且在鋁脅迫下，不同濃度的SNP對蘿卜根部中的O2·-產生速率也有顯著的影響。SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150和SNP-200這5個處理的O2·-產生速率較SNP-0均有不同程度的增加，增幅分別為8.42%、17.14%、28.83%、12.30%和0.60%。

由圖10可知，SNP-0、SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200這6個處理的葉片H2O2含量均不同程度的高于ck處理，增幅分別為60.82%、46.85%、32.88%、13.92%、40.42%和50.62%，且在鋁脅迫下，不同濃度的SNP對蘿卜根部中的H2O2含量也有顯著的影響。SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150和SNP-200這5個處理的H2O2含量較SNP-0均有不同程度的降低，降幅分別為8.69%、17.38%、29.16%、12.69%和6.34%。

3 討 論

鋁是植物體內的非必要元素，會對植物體的正常生長起到抑制作用，降低植物的產量和品質[16]。鋁離子會損害植物的根系，降低主根的生長長度和側根的數量，甚至會造成根部的畸形壞死[17]。同時鋁離子也會破壞植物的光合系統，降低葉綠素和類胡蘿卜素的含量，抑制植物體的光合作用[18]。NO是廣泛存在于植物體內的重要的信號分子[19]，張旭強等[6]研究表明，添加適量的外源NO可以有效提高植物種子的發芽率、發芽勢、幼苗根長和莖長。吳佩等[20]研究表明，適量的外源NO可增加植物體內葉綠素的含量，增加葉綠素相關基因的表達量，從而增強植物的光合作用。

本研究結果表明，較高濃度的鋁脅迫對蘿卜種子的發芽勢、幼苗根長、莖長、葉長、葉寬產生明顯的抑制作用。而適當濃度的外源NO可以有效促進蘿卜種子萌發，減弱鋁脅迫下對蘿卜幼苗根長、莖長、葉長、葉寬產生的副作用。這與侯文娟等[21]、孫成亮[22]、張澤勇等[23]的研究結果相一致。本研究發現，較高濃度鋁離子會嚴重損害蘿卜的光合系統，而添加100 μmol·L-1SNP可以有效緩解鋁脅迫，提高植物光合色素的含量，改善其蘿卜葉片的光合作用。一方面可能是因為信號分子NO提高類囊體膜蛋白的穩定性，從而降低了鋁脅迫對類囊體膜的破壞作用，另一方面可能是由于NO激活了蘿卜葉片中的葉綠素表達基因，從而提高了光合色素的含量[19]。本研究表明，在鋁脅迫下蘿卜幼苗葉片中的POD、SOD、CAT和APX活性顯著下降，根尖的O2·-產生速率和H2O2含量顯著上升，這可能是高濃度的鋁離子會占據或替換保護酶和抗氧化物酶的活性中心，從而降低酶活性，無法行使正常功能。而通過加入100 μmol·L-1SNP可有效提高蘿卜幼苗葉片中的保護酶和抗氧化物酶活性，降低活性氧含量。這與王芳妹[24]、陳萌[25]、劉強等[26]的研究結果相一致。

本研究以在高濃度鋁脅迫下的春紅1號為材料，探究了不同濃度SNP對蘿卜幼苗各項生理指標的影響。研究結果表明，適宜濃度的外源NO可以促進蘿卜種子萌發，增加葉片中光合色素含量，提高POD、SOD、CAT和APX活性，降低根尖的O2·-產生速率和H2O2含量，從而有效緩解鋁脅迫對蘿卜造成的傷害。