外源水杨酸和氯化钙提高湿地植物黄菖蒲耐盐性的机制研究

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湿地植物在人工湿地污水处理过程中起着重要作用,然而盐胁迫会对植物产生抑制进而降低人工湿地的处理性能。因此,现阶段需要寻找简单、经济的方法来提高现有常见湿地植物的耐盐性。已有研究表明,合理施用外源生长调节剂(例如水杨酸、钙离子和脱落酸)可以显著促进植物对寒冷、干旱、高盐度、害虫和疾病的抗性。水杨酸(Salicylic acid,SA)作为一种植物生长调节剂可以通过促进植物的生长提高植物对盐胁迫和重金属等非生物胁迫的耐受性。Ca2+是细胞组成元素,对细胞结构的稳定性有重要作用,有助于提高植物耐盐性。本研究以湿地植物黄菖蒲为研究对象,在盐胁迫(1%NaCl)条件下,利用SA和/或CaCl2对其根系预处理,研究不同浓度外源物质对黄菖蒲生长指标、生理指标以及转录组的影响,筛选出最佳处理浓度(0.1 mM SA+15 mM CaCl2),为提高湿地植物抗盐性、拓展人工湿地在含盐废水处理中的应用提供理论依据。主要研究结果如下:(1)盐胁迫对黄菖蒲产生抑制作用在含1%NaCl的盐胁迫培养液中,随着暴露时间的延长(40天后),盐胁迫对黄菖蒲的生长产生了明显的抑制作用,表现在生长缓慢、光合作用下降、Na+毒害、细胞膜透性增大和丙二醛(Malondialdehyde,MDA)过量积累等方面。(2)外源SA和CaCl2从形态方面和生理方面提高了黄菖蒲的耐盐性不同浓度的外源SA或CaCl2预处理对盐胁迫下黄菖蒲的生长有一定的缓解作用,表现为叶长、叶宽、根长、干重、鲜重等生长指标的提高,其中CaCl2在叶宽和鲜重方面发挥的效果要优于SA。外源SA和CaCl2还提高了盐胁迫下叶绿素的含量,改善了植物的光合作用。此外,两种外源物质在提高K+、脯氨酸(Proline,Pro)含量以及抗氧化酶活性等方面也发挥了重要作用。SA和CaCl2的应用在一定程度上防止了细胞膜透性增大,表现为Na+、MDA含量和相对电导率(Relative conductivity,RC)的降低。其中SA的最适浓度为0.1 mM,CaCl2的最适浓度为15mM。(3)外源SA和/或CaCl2对盐胁迫的缓解作用具有一定的时效性和浓度范围外源SA或CaCl2的投加要把握好浓度,低于(SA≤0.01 mM,CaCl2≤5 mM))或高于(SA≥0.2 mM,CaCl2≥20 mM)均会降低对黄菖蒲耐盐性提高的效果。SA和CaCl2复合处理比单一处理更有效的提高了黄菖蒲的耐盐性,并且复合处理更能延长抗氧化酶活性提高的时间,其中最佳组合为“0.1 mM SA+15 mM CaCl2”。盐胁迫40天时,超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和过氧化物酶三种抗氧化酶的活性分别提高了36.7%、37.8%和73.8%。(4)外源SA和CaCl2在基因水平上提高了黄菖蒲的耐盐性对1%NaCl处理和“0.1 mM SA+15 mM CaCl2”处理的黄菖蒲叶片进行了转录组分析,比较了两种处理后的差异表达基因。RNA-seq分析显示,经SA和CaCl2预处理后,激素信号基因、钾离子转运蛋白基因、氧化应激基因和光合作用基因的表达均上调,说明外源物质的应用在基因水平上揭示了黄菖蒲耐盐性的机理。(5)外源SA和CaCl2的应用提高了人工湿地含盐废水的处理效率实验结果表明,在盐胁迫反应器(WCK2)中,1%NaCl胁迫7天后,黄菖蒲叶片开始失水、萎缩、变黄。经过外源SA和/或CaCl2处理的人工湿地WS3(植物经0.1 mM SA预处理)、WC3(植物经15 mM CaCl2预处理)、WM3(植物经0.1mM SA+15 mM CaCl2预处理)对COD、NH4+-N、NO3--N和TP的去除率分别比WCK2高约15.6%、24.9%、12.4%和5.2%。可见外源SA和CaCl2的应用提高了人工湿地含盐废水的处理效率。
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