外源半胱氨酸缓解裸燕麦镧胁迫的生理机制

doi:10.11686/cyxb2020428

摘要/Abstract

摘要：

稀土元素镧（La）作为一种重金属在高浓度时对作物产生胁迫伤害。为探究外源半胱氨酸（Cys）对裸燕麦La胁迫的缓解作用及其生理机制，采用盆栽土培试验，研究了抽穗期喷施Cys （0、0.5、1.0、2.5、5.0 mmol·L^-1）对400 mg·kg^-1La胁迫下裸燕麦叶片活性氧代谢、渗透调节及农艺产量性状和La吸收积累的影响。结果表明：1）喷施0.5~2.5 mmol·L^-1Cys显著缓解了La胁迫下裸燕麦叶片超氧阴离子含量的上升；喷施0.5~5.0 mmol·L^-1Cys降低了La胁迫下裸燕麦叶片过氧化氢和丙二醛含量，提高了裸燕麦地上部生物量、穗粒数、穗粒重和籽粒产量，对株高和千粒重的影响不显著。2）喷施0.5~5.0 mmol·L^-1Cys显著降低La胁迫下裸燕麦叶片超氧化物歧化酶和过氧化物酶活性及抗坏血酸和类胡萝卜素含量，提高抗坏血酸过氧化物酶活性及谷胱甘肽和植物络合素含量；喷施0.5和1.0 mmol·L^-1Cys显著提高过氧化氢酶（CAT）活性，喷施2.5和5.0 mmol·L^-1Cys的CAT活性显著下降。3）喷施0.5~5.0 mmol·L^-1Cys可显著缓解La胁迫下裸燕麦叶片可溶性蛋白质和可溶性糖含量的下降，提高脯氨酸含量，以2.5 mmol·L^-1Cys为最好。4）随着Cys喷施浓度的增加，La胁迫下裸燕麦根、茎和叶对La的富集能力和La吸收积累量显著提高，分别提高4.5%~41.3%和4.4%~41.2%，但对La在裸燕麦不同部位的转运无显著影响。因此，外源Cys虽提高裸燕麦对La的吸收富集，但通过调控活性氧清除系统和促进渗透调节物质积累能够减轻La胁迫造成的氧化伤害和对农艺产量性状的抑制，从而增强裸燕麦耐受La胁迫的能力。

关键词: 半胱氨酸, 裸燕麦, 镧胁迫, 生理机制

Abstract:

The rare earth element lanthanum （La） as a heavy metal can cause stress damage to crops at high concentrations. In order to explore the mitigative effect of exogenous cysteine （Cys） on La stress in naked oats （Avena nuda） and its physiological mechanism， the effects of spraying Cys （0.0， 0.5， 1.0， 2.5， 5.0 mmol·L^-1） at heading stage on the metabolism of reactive oxygen species （ROS） and osmotic regulation in leaves of naked oats under 400 mg·kg^-1La stress， were studied in a pot experiment. Measurements made included agronomic yield traits and the absorption and accumulation of La at crop maturity. It was found that the increase in superoxide anion content in naked oat leaves under La stress was alleviated by spraying 0.5-2.5 mmol·L^-1 Cys. Spraying 0.5-5.0 mmol·L^-1 Cys significantly alleviated increase in hydrogen peroxide and malonaldehyde contents in leaves of naked oat under La stress， and improved the shoot biomass， grains per spike， grain weight per spike， and grain yield of naked oats， but had no significant effect on plant height and 1000-grain weight. Spraying 0.5-5.0 mmol·L^-1 Cys significantly reduced the activities of superoxide dismutase and peroxidase， and ascorbic acid and carotenoid contents， and increased ascorbic acid peroxidase activities， glutathione and phytochelatin contents in leaves of naked oats under La stress. Spraying 0.5 and 1.0 mmol·L^-1 Cys significantly increased catalase （CAT） activity， while spraying 2.5 and 5.0 mmol·L^-1 Cys significantly decreased CAT activity. Spraying 0.5-5.0 mmol·L^-1 Cys significantly alleviated the decrease of soluble protein and soluble sugar contents in naked oat leaves under La stress， and further improved the proline content. Spraying 2.5 mmol·L^-1 Cys had the best effect. With increase in the spraying concentration of Cys， the enrichment capacity and absorption and accumulation of La in root， stem and leaf of naked oat under La stress were significantly increased， by 4.5%-41.3% and 4.4%-41.2%， respectively， but there was no significant effect on the transport of La to different parts of the naked oat plant. The above results showed that although exogenous Cys increased the absorption and enrichment of La in naked oats， the oxidative damage to cells and inhibition of agronomic yield traits caused by La stress was alleviated by regulation of the ROS scavenging system and promotion of the accumulation of osmoregulatory substances， thus enhancing the tolerance of naked oats to La stress.

Key words: cysteine, naked oat, La stress, physiological mechanism

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图/表 7

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La含量 La content （mg·kg^-1）	株高 Plant height （cm）	地上部生物量 Shoot biomass （g·pot^-1）	穗粒数 Grains per spike （grains·spike^-1）	穗粒重 Grain weight per spike （g·spike^-1）	千粒重 1000-grain weight （g）	籽粒产量 Grain yield （g·pot^-1）
CK	81.6±3.2a	187.5±25.3a	30.2±3.2a	0.52±0.05a	17.81±0.80a	28.36±4.83ab
25	82.3±1.5a	193.4±17.2a	31.9±4.5a	0.50±0.09a	17.64±0.63a	32.94±3.52a
50	80.2±2.4ab	185.6±21.9a	28.9±2.6a	0.49±0.04a	17.26±0.65a	26.22±3.78ab
100	80.1±3.0ab	178.5±15.6a	28.4±3.3a	0.46±0.04a	17.24±0.76a	22.79±2.96bc
200	78.4±5.1bc	167.3±20.8a	27.3±4.0a	0.34±0.06b	17.58±0.68a	21.16±3.05bc
300	75.3±2.9cd	124.8±14.9b	21.2±3.5b	0.28±0.07bc	17.45±0.94a	17.54±2.97cd
400	71.9±3.6d	113.3±16.2b	18.4±5.5bc	0.24±0.08bc	17.61±0.88a	15.44±2.58cd
500	62.5±2.6e	104.6±18.5b	15.1±3.7c	0.21±0.03c	17.02±0.73a	11.25±3.04d

La含量 La content （mg·kg^-1）	株高 Plant height （cm）	地上部生物量 Shoot biomass （g·pot^-1）	穗粒数 Grains per spike （grains·spike^-1）	穗粒重 Grain weight per spike （g·spike^-1）	千粒重 1000-grain weight （g）	籽粒产量 Grain yield （g·pot^-1）
CK	81.6±3.2a	187.5±25.3a	30.2±3.2a	0.52±0.05a	17.81±0.80a	28.36±4.83ab
25	82.3±1.5a	193.4±17.2a	31.9±4.5a	0.50±0.09a	17.64±0.63a	32.94±3.52a
50	80.2±2.4ab	185.6±21.9a	28.9±2.6a	0.49±0.04a	17.26±0.65a	26.22±3.78ab
100	80.1±3.0ab	178.5±15.6a	28.4±3.3a	0.46±0.04a	17.24±0.76a	22.79±2.96bc
200	78.4±5.1bc	167.3±20.8a	27.3±4.0a	0.34±0.06b	17.58±0.68a	21.16±3.05bc
300	75.3±2.9cd	124.8±14.9b	21.2±3.5b	0.28±0.07bc	17.45±0.94a	17.54±2.97cd
400	71.9±3.6d	113.3±16.2b	18.4±5.5bc	0.24±0.08bc	17.61±0.88a	15.44±2.58cd
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处理 Treatment	O₂^·-含量O₂^·- content （nmol·g^-1 FW）		H₂O₂含量H₂O₂content （mg·g^-1 FW）		MDA 含量MDA content （μmol·g^-1 FW）
处理 Treatment	7 d	14 d	7 d	14 d	7 d	14 d
CK	18.19±4.45d	21.47±3.19e	6.64±0.57bc	8.59±1.83d	0.858±0.109c	1.936±0.085d
La	60.25±8.69ab	89.07±7.25a	10.18±0.43a	23.97±3.56a	1.222±0.187a	6.308±0.274a
La+0.5Cys	27.19±1.81c	44.52±5.90c	7.08±0.83b	16.99±2.37bc	1.053±0.121ab	4.149±0.352b
La+1.0Cys	18.92±4.01d	31.08±4.55d	6.08±0.89c	15.12±1.12c	0.911±0.207bc	2.958±0.354c
La+2.5Cys	54.04±5.93b	71.27±5.19b	7.45±0.60b	18.27±0.60b	0.790±0.086cd	3.422±0.143bc
La+5.0Cys	67.90±9.51a	95.72±6.38a	7.10±0.35b	21.54±1.94ab	0.637±0.093d	3.816±0.167b

处理 Treatment	O₂^·-含量O₂^·- content （nmol·g^-1 FW）		H₂O₂含量H₂O₂content （mg·g^-1 FW）		MDA 含量MDA content （μmol·g^-1 FW）
处理 Treatment	7 d	14 d	7 d	14 d	7 d	14 d
CK	18.19±4.45d	21.47±3.19e	6.64±0.57bc	8.59±1.83d	0.858±0.109c	1.936±0.085d
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La+0.5Cys	27.19±1.81c	44.52±5.90c	7.08±0.83b	16.99±2.37bc	1.053±0.121ab	4.149±0.352b
La+1.0Cys	18.92±4.01d	31.08±4.55d	6.08±0.89c	15.12±1.12c	0.911±0.207bc	2.958±0.354c
La+2.5Cys	54.04±5.93b	71.27±5.19b	7.45±0.60b	18.27±0.60b	0.790±0.086cd	3.422±0.143bc
La+5.0Cys	67.90±9.51a	95.72±6.38a	7.10±0.35b	21.54±1.94ab	0.637±0.093d	3.816±0.167b

处理 Treatment	可溶性蛋白质含量Soluble protein content		可溶性糖含量Soluble sugar content		脯氨酸含量Proline content
处理 Treatment	7 d	14 d	7 d	14 d	7 d	14 d
CK	3.22±0.24b	3.27±0.18b	3.15±0.22b	3.17±0.14b	33.35±3.48d	35.97±3.37e
La	3.24±0.09b	2.47±0.15c	2.13±0.03d	2.45±0.17c	46.44±3.49c	63.96±5.43d
La+0.5Cys	3.44±0.21ab	3.23±0.17b	2.42±0.09d	2.46±0.16c	46.87±0.34c	74.63±3.05c
La+1.0Cys	3.50±0.07a	3.67±0.21a	2.74±0.20bc	3.22±0.24b	54.78±1.94b	81.01±3.87b
La+2.5Cys	3.55±0.15a	3.75±0.14a	3.62±0.35a	3.67±0.10a	65.02±1.40a	92.41±4.06a
La+5.0Cys	3.44±0.15ab	3.69±0.19a	2.90±0.31b	3.26±0.14b	53.56±2.72b	87.61±1.56a