半叶素(NATCA)调控玉米耐铜镉复合胁迫的生理生态机制

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铜(Cu)、镉(Cd)是比较常见的两个环境污染物,同时出现而造成铜镉复合胁迫。玉米是世界上种植最广泛的作物之一。铜镉复合胁迫会对玉米生长发育造成极大危害。NATCA可增强玉米抵抗非生物逆境的能力。基于前期的预备品种筛选及浓度筛选,本试验选用玉米品种九园15(耐Cu Cd胁迫)和龙辅玉6(不耐Cu Cd胁迫)为试验材料,80mg·L-1Cu SO4+100 mg·L-1Cd Cl2作为铜镉复合胁迫,结合20 mg·L-1外源NATCA的施用,设置萌发实验和水培实验,探究NATCA对铜镉复合胁迫下玉米种子萌发、植株生长、根系特征、光合特性、活性氧代谢、As A-GSH循环和内源激素含量的影响。主要结果如下:(1)铜镉复合胁迫抑制玉米种子萌发,玉米种子的发芽势、发芽率和发芽指数显著下降。施加外源NATCA后种子的发芽势、发芽率、发芽指数和耐铜镉指数显著升高,相对受害率显著降低,提高了铜镉复合胁迫下玉米种子的活性及耐性。且对不耐铜镉胁迫的龙辅玉6作用更为明显。(2)铜镉复合胁迫使玉米幼苗生长受到抑制,植株矮小,叶片发黄萎蔫,根部发黄。干鲜重显著降低,玉米幼苗积累干物质能力下降,植物含水量下降,自然饱和亏升高,植物体内严重缺水。施加外源NATCA后株高增加,叶片失绿面积减小,根系生长情况得到好转,须根数量和根长增加,干鲜重增加,促进干物质积累,玉米幼苗的水分代谢能力增强。(3)铜镉复合胁迫显著抑制了根系形态的发育,根长、根表面积、平均直径、根体积和总根尖数都显著降低,根部吸收能力下降。施加外源NATCA,根部的形态特征参数得到改善,增加根系对铜镉复合胁迫的耐性,提升铜镉复合胁迫下根系的活力。(4)玉米幼苗在铜镉复合胁迫下,光合作用关键酶RUBPCase和PEPCase的活性下降,抑制CO2固定。施用外源NATCA后,RUBPCase和PEPCase的活性增加,提高了CO2固定的效率,加快光能向化学能的转变,提高光合效率。(5)铜镉复合胁迫后玉米幼苗受到活性氧危害,O2·-和H2O2含量升高,电解质泄漏率升高。施加外源NATCA后,O2·-和H2O2含量降低,细胞受到活性氧自由基的伤害减小,NATCA能够促进活性氧的清除,保护脂膜结构,使细胞内处于较稳定状态。(6)铜镉复合胁迫降低玉米幼苗对活性氧的清除能力。As A-GSH循环抗氧化酶MDHAR和DHAR活性下降,APX和GR活性上升,非酶抗氧化剂As A和GSH含量下降。施加外源NATCA,玉米幼苗抗氧化酶活性上升,非酶抗氧化剂含量增加,提高As A-GSH循环对活性氧的清除能力,降低铜镉复合胁迫对玉米幼苗的伤害,维持细胞内活性氧平衡。(7)铜镉复合胁迫改变玉米幼苗叶片内源激素的含量,打破玉米幼苗叶片的内源激素平衡。铜镉复合胁迫使生长促进激素IAA、GA和ZR含量下降,应激反应激素ABA含量升高,随着内源激素含量的改变,内源激素平衡紊乱。施加外源NATCA后,IAA、GA和ZR含量增加,ABA含量下降,玉米幼苗叶片中内源激素趋于平衡。NATCA通过调节内源激素促进幼苗生长,协调玉米在铜镉胁迫下的生理活动,提高幼苗耐铜镉复合胁迫的能力。
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