外源水杨酸对干旱和镉胁迫下旱柳生理特性及抗逆基因表达的影响

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重金属镉(Cd)是一种土壤最常见的有毒污染物,经植物吸收后抑制生长发育,并会通过食物链积累威胁人类健康。在干旱半干旱地区,干旱是影响植物生长发育最常见的环境胁迫因子,因此生长在此地区的植物通常面临着干旱与Cd污染双重因子的胁迫。旱柳作为我国分部最广、栽培最多的柳种,具有较强的耐旱性及重金属耐受性。水杨酸(SA)是植物生长调节剂又是一种信号分子,在植物的生长生理代谢特别是抗逆过程中发挥着重要作用。为探究干旱、Cd单一或复合胁迫对旱柳的影响及SA对干旱、Cd单一或复合胁迫下对旱柳的影响及其作用机理,本试验以水培旱柳为材料,采用SA预处理,聚乙二醇(PEG)模拟干旱胁迫,探讨了干旱、Cd单一或复合胁迫对旱柳生理特性及其抗逆基因表达的影响以及SA对胁迫环境下旱柳的调控。试验共设置8个处理,包括CK、PEG(5%)、Cd(50μmol·L-1)、PEG+Cd、SA(50μmol·L-1)、PEG+SA、Cd+SA、PEG+Cd+SA,其中含SA的处理在胁迫处理之前进行3天预处理,然后对所有处理按照CK、PEG、Cd、PEG+Cd(PEG、Cd单独或同时存在于营养液中)进行试验处理,在7 d和14 d时分别对旱柳的生长、叶绿素含量、活性氧代谢和脯氨酸代谢的响应变化进行分析。具体研究结果如下:(1)干旱、Cd单一或复合胁迫三种处理7d和14 d均导致了旱柳生长速率减慢,主要表现为旱柳株高增量、根长增量及叶面积增量显著低于对照,叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量显著降低,超氧自由基(O2.-)产生速率、过氧化氢(H2O2)及丙二醛(MDA)含量升高。与CK相比,在三种处理下,旱柳叶片超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)和谷胱甘肽还原酶(GR)活性升高,抗坏血酸(As A)含量有所下降,谷胱甘肽(GSH)含量升高,SOD、CAT、APX和GR的基因表达量显著上调,植物体内脯氨酸(Pro)代谢相关的基因表达水平改变,其中Pro合成代谢中Δ~1-吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)、Δ~1-吡咯啉-5-羧酸还原酶(P5CR)基因表达量显著上调,Pro降解过程Pro脱氢酶(PDH)基因表达量下调,引起植物体内Pro含量升高。从Cd积累来看,Cd、干旱和Cd复合处理均使得旱柳根茎叶中的Cd含量增加,其中以旱柳根中积累的Cd含量最多。(2)从植物生长速率、叶绿素含量、ROS水平、脂过氧化程度、Cd含量来看,干旱和Cd复合胁迫对植物的抑制作用大于干旱、Cd单一胁迫,复合胁迫对植物的伤害更大,主要表现在与干旱、Cd单一胁迫相比,7 d时旱柳的株高增量、叶绿素a、b和总叶绿素含量显著降低,O2.-产生速率和MDA含量显著增加。此外,干旱和Cd复合处理较单一Cd处理显著增加了旱柳根和叶中Cd含量。(3)外源SA的施用缓解了干旱胁迫、Cd胁迫及复合胁迫对旱柳生长的抑制作用,增加了叶绿素含量,降低三种处理下ROS水平和MDA含量,上调了抗氧化系统活性及抗氧化酶相关基因表达水平,并改变了植物体内Pro代谢相关酶的基因表达水平,增加了内源Pro含量。与Cd、干旱和Cd复合胁迫相比,SA还显著降低了旱柳植株地上部的Cd含量,从而降低了Cd对旱柳地上部的毒性作用。综上所述,干旱、Cd单一或复合胁迫均能够使旱柳的生长受到抑制,ROS过量积累,抗氧化系统受到威胁,细胞受损严重,其中以复合胁迫对旱柳的伤害最为严重。干旱、Cd单一或复合胁迫下,外源SA使旱柳幼苗的生长速率得到恢复,增加了叶绿素含量、抗氧化系统活性及抗氧化酶基因表达量,并通过调控Pro代谢相关的基因表达量,使得Pro含量上升,提高了旱柳幼苗对干旱、Cd单一或复合胁迫的耐受性。
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