外源NO对铝胁迫下萝卜种子萌发及幼苗生理特性的影响

雷 阳， 刘 钊， 王生武， 白 扬， 魏 晔

(1.山西农业大学园艺学院， 太原 030031；2.山西省科技情报与战略研究中心， 太原 030012)

铝是植物体内的非必需元素，虽然土壤中存在大量的铝元素，但主要以难溶的三氧化二铝、铝的硅酸盐等形式存在，并不会对植物造成生理胁迫。但随着我国城市化和工业化的进行，酸雨、酸性的工业废水、废渣携带着大量氢离子进入土壤中，以阳离子交换的形式将稳定的铝元素替换为植物体易于吸收的Al3+。同时很多农药和化肥都呈酸性，无节制的施用也导致了农田土壤中铝含量急剧增加。耕地中铝元素的不断增加, 已经成为影响我国农作物生产及食品安全的重要隐患。却志群[1]研究发现，萝卜在铝胁迫下种子萌发受到严重影响，进而抑制了幼苗根和叶的生长; 叶义全等[2]研究表明，铝胁迫会降低杉木幼苗的光和色素含量从而影响光合作用；刘强等[3]研究发现，铝离子可使烟草细胞内产生大量O2·-和H2O2等活性氧，从而损伤植物胞质膜，产生铝胁迫反应。

一氧化氮(NO)是植物体内重要的信号分子，能够调控植物体内多途径、多基因表达。目前已经证实的通路包括NO合成酶途径、硝酸还原酶、亚硝酸还原酶途径，并广泛参与到其他信号通路中[4]。研究表明，适宜浓度的外源NO可以有效提高植物种子的发芽率、发芽势、幼苗根长和茎长，增加植物体内光合色素的含量，增强植物的光合作用[5-6]。在铝胁迫下，NO可以通过提高抗氧化酶的活性来减弱铝离子胁迫对植物体产生的负作用[7-8]；同时通过激活光合色素表达途径，增加叶绿素、类胡萝卜素含量从而增强植物光合作用，抵消铝胁迫的影响[9-10]。近年来，铝污染的情况越来越严重，因此，本研究开展了外源 NO缓解萝卜幼苗铝胁迫的效应试验，通过测定萝卜种子萌发及叶片生理变化等指标，研究可缓解萝卜铝胁迫的最适硝普钠(SNP)浓度，以期为铝污染防治和土壤修复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试萝卜品种为春红1号，由山西省农业科学院蔬菜研究所萝卜团队提供。铝离子供体为Al(NO3)3，购自山西森跃商贸有限公司。NO供体为Na2[Fe(CN)5NO]·2 H2O(SNP)，购自山西森跃商贸有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1种子萌发试验

选取均匀无病害的春红1号萝卜种子，用灭菌水在室温下浸泡6～8 h，然后用75%乙醇冲洗30 s，15% 的NaClO冲洗20 min，灭菌水洗涤3次，放入真空干燥箱40 ℃烘干1 h。试验分成对照组(ck)(处理液为灭菌水)和6个处理组，处理组中均添加0.5 mmol·L-1(187.57 mg·kg-1)的Al(NO3)3，pH值控制在5.4，并分别添加浓度为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，将6个处理分别命名为SNP-0、SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200。将萝卜种子置于直径为9 cm培养皿中的滤纸上，滤纸上浸满不同浓度的处理液，每个处理3次重复，每个重复200粒种子。萝卜种子于25 ℃培养箱中培养，避光催芽3 d，进而光照12 h/黑暗12 h、相对湿度70%。此后每天以灭菌水补充蒸发掉的液体。培养10 d后测定萝卜幼苗茎长、根长、叶长和叶宽等形态指标。

1.2.2种子萌发指标的测定

培养5 d后测定发芽势：

发芽势(%)=(发芽种子粒数/200)×100%。

1.2.3形态指标的测量

培养10 d后测定春红1号萝卜幼苗茎长、根长、叶长和叶宽等形态指标。

1.2.4幼苗生理指标的测定

培养12 d后测定春红1号萝卜幼苗的各项生理指标。

叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量的测定:避光条件下在丙酮中破碎春红1号萝卜幼苗叶片，然后分别在470 nm、649 nm和665 nm波长下测定吸光度值。

SOD活性采用张慧杰等[11]的方法测定;POD活性采用尹桂彬等[12]的方法测定;CAT活性采用刘亚光等[13]的方法测定；APX活性采用张倩等[14]的方法测定。根尖O2·-和H2O2含量均采用Zhou等[15]的方法，取根尖1 cm测定。

1.3 数据处理

采用Microsoft Office Excel 2016软件整理数据和作图;SPSS 19.0软件分析数据，Duncan法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 外源NO对铝胁迫下萝卜种子发芽势的影响

由图1可知，添加了铝离子SNP-0较未添加铝离子的ck处理，发芽势降低了22.58%，说明铝离子对萝卜种子的萌发起到了抑制作用。SNP-50、SNP-100两个处理显著提高了萝卜种子发芽势，较ck增加15.86%和27.42%，较同为铝胁迫下的SNP-0分别增加了49.65%和64.58%。说明适量的SNP不仅可以抵消铝离子对萝卜种子的毒害，还可以有效提高萝卜种子的发芽势。当SNP浓度在200 μmol·L-1时，萝卜种子的发芽势比同样添加铝离子但未添加SNP的SNP-0处理低12.15%。

2.2 外源NO对铝胁迫下萝卜幼苗形态指标的影响

由图2可知，6个添加了铝离子的处理在10 d的根长和茎长均显著短于未添加铝离子的ck处理，说明铝胁迫对萝卜的根长和茎长有较强的抑制作用。在铝胁迫的6个处理中，SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150等4个处理的根长和茎长均大于未添加SNP的SNP-0，根长增幅分别为26.07%、68.24%、114.94%和1.88%；茎长增幅为24.49%、61.66%、103.94%和18.74%。说明 SNP可有效缓解铝离子胁迫对萝卜根长和茎长的影响。其中SNP-100处理的根长和茎长最长，分别为11.84 cm和6.09 cm。SNP-200处理的萝卜根长和茎长小于SNP-0，降幅分别为13.27%和10.54%，说明较高的SNP浓度反而会降低其缓解铝胁迫的作用。

由图3可知， 6个添加了铝离子的处理的叶长较ck处理均有下降，可见铝胁迫对萝卜的叶长有一定的抑制作用。SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150和SNP-200的叶长均大于未添加SNP的处理SNP-0，增幅分别为15.79%、35.09%、56.73%、19.30%和4.68%。说明添加SNP可缓解铝离子胁迫对萝卜叶长的影响。其中SNP-100处理的叶长最长，为0.89 cm。同样，6个添加了铝离子的处理的叶宽较ck处理均有下降，说明在铝胁迫下，萝卜的叶宽会有一定程度的降低。处理SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200的叶宽均大于未添加SNP的处理SNP-0，增幅分别为8.11%、18.06%、36.49%、9.01%、4.50%，说明SNP可有效缓解铝胁迫对萝卜叶宽的影响。

2.3 外源NO对铝胁迫下萝卜幼苗叶片光合色素含量的影响

由图4可知，处于铝胁迫下的6个处理在叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量上均显著少于未添加铝离子的ck处理。说明铝胁迫对萝卜叶片的光合色素含量有较强的抑制作用。在相同浓度的铝离子胁迫下，施加SNP的浓度为100 μmol·L-1时，萝卜幼苗叶片的叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量有显著提高。其中叶绿素a含量较未添加SNP 处理SNP-0增加55.18%，叶绿素b含量升高了48.31%，类胡萝卜素含量升高了88.06%。SNP-150和SNP-200两个处理的萝卜幼苗叶片各色素含量显著下降，说明这两个浓度的SNP对萝卜的光合作用产生了抑制作用。

2.4 外源NO对铝胁迫下萝卜幼苗叶片抗氧化酶活性的影响

由图5可知，SNP-0、SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200这6个处理的SOD活性均不同程度的低于ck处理，降幅分别为38.24%、29.40%、19.93%、5.77%、38.83%和47.29%，说明铝离子对萝卜体内的SOD活性有较强的抑制作用。且在铝胁迫下，不同浓度的SNP对萝卜叶片中的SOD含量有显著的影响。其中SNP-25、SNP-50、SNP-100较SNP-0的SOD活性均有提高，增幅为14.30%、29.63%、52.56%。SNP-200 处理的SOD活性相比SNP-0有较大的下降，降幅为14.66%，说明较高浓度的SNP会造成SOD活性的降低。

由图6可知，SNP-0、SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200这6个处理的CAT活性均不同程度的低于ck处理，降幅分别为51.24%、43.58%、27.29%、8.41%、35.81%、50.27%。且在铝胁迫下，不同浓度的SNP对萝卜叶片中的CAT含量有显著的影响。SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150和SNP-200等5个处理的CAT含量较SNP-0均有不同程度的增加，增幅为15.84%、49.28%、88.04%和31.78%和2.10%。

由图7可知，SNP-0、SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200这6个处理的POD活性均不同程度的低于ck处理，降幅分别为47.54%、40.00%、31.74%、23.19%、39.42%和48.41%，且在铝胁迫下，不同浓度的SNP对萝卜叶片中的POD含量有显著的影响。SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150这4个处理的POD含量较SNP-0均有增加，增幅分别为14.05%、29.75%、46.01%、15.15%。

由图8可知，铝胁迫下，处理SNP-0相对于ck有显著下降，降幅为42.01%，说明铝胁迫对萝卜叶片中APX活性有明显的抑制作用。处于铝胁迫下的处理SNP-100的APX活性显著高于ck处理，增幅为40.52%，SNP-50相比于ck略有上升，增幅为6.01%。说明适量的SNP不仅可以抵消铝胁迫下对萝卜叶片中APX活性的影响，还可以大幅提升APX活性。

由图9可知，SNP-0、SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200这6个处理的叶片O2·-产生速率均不同程度的高于ck处理，增幅分别为90.37%、74.35%、57.76%、35.49%、66.97%和89.23%。且在铝胁迫下，不同浓度的SNP对萝卜根部中的O2·-产生速率也有显著的影响。SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150和SNP-200这5个处理的O2·-产生速率较SNP-0均有不同程度的增加，增幅分别为8.42%、17.14%、28.83%、12.30%和0.60%。

由图10可知，SNP-0、SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200这6个处理的叶片H2O2含量均不同程度的高于ck处理，增幅分别为60.82%、46.85%、32.88%、13.92%、40.42%和50.62%，且在铝胁迫下，不同浓度的SNP对萝卜根部中的H2O2含量也有显著的影响。SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150和SNP-200这5个处理的H2O2含量较SNP-0均有不同程度的降低，降幅分别为8.69%、17.38%、29.16%、12.69%和6.34%。

3 讨 论

铝是植物体内的非必要元素，会对植物体的正常生长起到抑制作用，降低植物的产量和品质[16]。铝离子会损害植物的根系，降低主根的生长长度和侧根的数量，甚至会造成根部的畸形坏死[17]。同时铝离子也会破坏植物的光合系统，降低叶绿素和类胡萝卜素的含量，抑制植物体的光合作用[18]。NO是广泛存在于植物体内的重要的信号分子[19]，张旭强等[6]研究表明，添加适量的外源NO可以有效提高植物种子的发芽率、发芽势、幼苗根长和茎长。吴佩等[20]研究表明，适量的外源NO可增加植物体内叶绿素的含量，增加叶绿素相关基因的表达量，从而增强植物的光合作用。

本研究结果表明，较高浓度的铝胁迫对萝卜种子的发芽势、幼苗根长、茎长、叶长、叶宽产生明显的抑制作用。而适当浓度的外源NO可以有效促进萝卜种子萌发，减弱铝胁迫下对萝卜幼苗根长、茎长、叶长、叶宽产生的副作用。这与侯文娟等[21]、孙成亮[22]、张泽勇等[23]的研究结果相一致。本研究发现，较高浓度铝离子会严重损害萝卜的光合系统，而添加100 μmol·L-1SNP可以有效缓解铝胁迫，提高植物光合色素的含量，改善其萝卜叶片的光合作用。一方面可能是因为信号分子NO提高类囊体膜蛋白的稳定性，从而降低了铝胁迫对类囊体膜的破坏作用，另一方面可能是由于NO激活了萝卜叶片中的叶绿素表达基因，从而提高了光合色素的含量[19]。本研究表明，在铝胁迫下萝卜幼苗叶片中的POD、SOD、CAT和APX活性显著下降，根尖的O2·-产生速率和H2O2含量显著上升，这可能是高浓度的铝离子会占据或替换保护酶和抗氧化物酶的活性中心，从而降低酶活性，无法行使正常功能。而通过加入100 μmol·L-1SNP可有效提高萝卜幼苗叶片中的保护酶和抗氧化物酶活性，降低活性氧含量。这与王芳妹[24]、陈萌[25]、刘强等[26]的研究结果相一致。

本研究以在高浓度铝胁迫下的春红1号为材料，探究了不同浓度SNP对萝卜幼苗各项生理指标的影响。研究结果表明，适宜浓度的外源NO可以促进萝卜种子萌发，增加叶片中光合色素含量，提高POD、SOD、CAT和APX活性，降低根尖的O2·-产生速率和H2O2含量，从而有效缓解铝胁迫对萝卜造成的伤害。