EES南农沈文飚:NMT发现用富氢水促植物在盐、重金属胁迫下重建离子稳态 为富氢水提高植物非生物胁迫耐性提供证据
转自中关村旭月非损伤微测技术产业联盟
基本信息
主题:NMT发现用富氢水促植物在盐、重金属胁迫下重建离子稳态 为富氢水提高植物非生物胁迫耐性提供证据
期刊:Ecotoxicology and Environmental Safety
影响因子:6.291
研究使用平台:NMT重金属创新平台
标题:Hydrogen-rich water prepared by ammonia borane can enhance rapeseed (Brassica napus L.)seedlings tolerance against salinity, drought or cadmium
作者:南京农业大学沈文飚、Gan Zhao
检测离子/分子指标
Cd2+、Na+、H+、K+
检测样品
欧洲油菜根(距根尖500 μm根表上的点)
中文摘要
氢农业最近被认为是低碳社会的一种新兴和有前景的方法。由于传统的电解法生产的富氢水(HRW)中氢气(H2)的保留时间较短,限制了它的应用,寻求一种更合适的方法来生产并在HRW中长时间保持H2水平,仍然是科学界的一个挑战。为了解决上述问题,本研究认为用氨硼烷(NH3⋅BH3)制备的HRW中的H2可以满足上述要求。以世界上最重要的植物油生产作物—油菜幼苗为材料,进一步评价了NH3·BH3制备的HRW的生物学效应。在本试验条件下,2 mg/L的NH3·BH3制备的HRW可使水培3天幼苗对150 mM氯化钠(NaCl)、20%聚乙二醇(PEG;w/v)和100 μM CdCl2胁迫的耐受性增强,并可增强上述胁迫下内源一氧化氮(NO)的积累。通过减少细胞死亡和重建氧化还原平衡,证实了对幼苗生长迟缓的缓解。相应地观察到离子稳态重建、脯氨酸含量增加和Cd积累减少。以上反应对其清除剂cPTIO(100 μM)去除内源NO较为敏感,反映了NH3·BH3制备的HRW对NO在植物生理调控中发挥作用的需求。施加1 mM的钨酸盐,一种硝酸还原酶(NR;一种重要的NO合成酶)的抑制剂,显示出类似的表型阻断反应,表明NR可能是参与上述H2作用的NO的主要来源。这些结果表明,由NH3⋅BH3制备的HRW可以提高油菜籽幼苗对非生物胁迫的耐受性,从而为H2在农业生产中的应用打开了一扇新的窗口。
离子/分子流实验处理方法
①对照、2 mg L-1 NH3·BH3、2 mg L-1 NH3·BH3+100 μM cPTIO在150 mM NaCl下处理3天
②100 μM CdCl2、100 μM CdCl2+2 mg L-1 NH3·BH3、100 μM CdCl2+2 mg L-1 NH3·BH3+100 μM cPTIO处理3天
离子/分子流实验结果
为了探究盐胁迫条件下,NH3·BH3制备的HRW对油菜幼苗的影响,在NaCl、2 mg L-1 NH3·BH3制备的HRW或2 mg L-1 NH3·BH3制备的HRW+100 μM cPTIO(NO清除剂)处理3天后,研究使用非损伤微测技术(NMT)检测了油菜幼苗根部Na+、H+和K+稳态流速。在无NaCl胁迫条件下(白色背景),所有处理的净Na+、H+和K+流速均无显著变化。然而,在NaCl胁迫条件下(绿色背景),NH3·BH3处理的幼苗根系检测到增强的Na+外排和H+内流,以及较低水平的净K+外排,并且这些趋势被cPTIO处理抑制(图1)。
图1.NaCl、2 mg L-1 NH3·BH3制备的HRW或2 mg L-1 NH3·BH3制备的HRW+100 μM cPTIO处理3天后对油菜幼苗根部Na+、H+和K+稳态流速的影响。正值代表离子外排,负值表示离子吸收。
此外,为了探究重金属胁迫条件下,NH3·BH3制备的HRW对油菜幼苗的影响,在CdCl2、CdCl2+2 mg L-1NH3·BH3制备的HRW或CdCl2+2 mg L-1 NH3·BH3制备的HRW+100 μM cPTIO对油菜幼苗根部Cd2+处理3天后,研究使用NMT检测了油菜幼苗根部Cd2+稳态流速。结果表明,在CdCl2胁迫条件下,NH3·BH3处理导致根系Cd2+内流减弱,然而cPTIO阻止了该过程(图2)。
图2.CdCl2、CdCl2+2 mg L-1NH3·BH3制备的HRW或CdCl2+2 mg L-1 NH3·BH3制备的HRW+100 μM cPTIO 处理3天后对油菜幼苗根部Cd2+稳态流速的影响。正值代表离子外排,负值表示离子吸收。
其他实验结果
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1 mg L-1 NH3·BH3产生的HRW的H2含量直到48小时才慢慢消失,而2 mg L-1和5 mg L-1 NH3·BH3溶液中H2含量稳定地保持较高水平,直到72小时。此外,NH3·BH3的添加略微提高了溶液pH值。 -
1 mg L-1和2 mg L-1 NH3·BH3不同程度地缓解了盐胁迫、干旱胁迫和重金属胁迫引起的幼苗生长抑制。综上,后续以1 mg L-1 NH3·BH3开展后续实验。 -
使用NO特异性荧光探针DAF-FMDA检测根组织中内源性NO水平的响应。NH3·BH3增强了由NaCl、PEG或Cd胁迫诱导的NO积累;同时,NO清除剂cPTIO抑制了NH3·BH3对幼苗生长的缓解作用。此外,在胁迫下,NH3·BH3增强的NR活性伴随着NO产生的增加,但对钨酸盐(NR的抑制剂)敏感。同时,钨酸盐抑制了NH3·BH3对幼苗生长的缓解作用,这些结果暗示着NO可能是NH3·BH3缓解幼苗生长抑制作用的关键信号。 -
为了进一步证明NO的作用,研究使用碘化丙啶(PI)荧光方法检测根组织中的细胞死亡。结果表明,NaCl、PEG或Cd胁迫可明显诱导油菜幼苗根部细胞死亡,NH3·BH3缓解了胁迫引发的细胞死亡程度,而同时添加cPTIO可以消除这种现象。 -
受胁迫的幼苗根部H2O2和O2−含量均显著增加,而NH3·BH3缓解了植株的氧化胁迫,然而外源添加cPTIO清除了该现象。同时,抗坏血酸过氧化物酶(APX)、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)等代表性抗氧化酶的证据表明,NH3·BH3产生的HRW可增强或减缓应激诱导或抑制的抗氧化酶活性,并通过添加外源cPTIO进一步抑制该现象。 -
NaCl胁迫处理后,油菜幼苗根部Na含量增加,K含量降低,因此Na/K比率增加。NH3·BH3处理后,幼苗Na含量降低和K含量增加,从而Na/K比率降低。这种缓解趋势可以被外源 cPTIO添加抑制。此外,研究还分析了Na+ 转运蛋白(BnSOS1和BnNHX1)和K+转运蛋白(BnKT1)的表达水平,NaCl诱导的BnSOS1、BnNHX1和BnKT1表达水平被NH3·BH3增强,但被 cPTIO削弱。 -
PEG胁迫处理后,油菜幼苗脯氨酸含量显著增加,NH3·BH3处理增强了这一过程,但被cPTIO处理逆转。Δ1-吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)和脯氨酸脱氢酶(ProDH)活性的变化也支持了这一结果。 -
Cd胁迫条件下,NH3·BH3处理显著降低了油菜根部Cd的积累,而cPTIO可以逆转这种现象。
测试液
0.1 mM KCl, 0.5 mM NaCl, 0.1 mM CaCl2, pH6.0
0.1 mM CdCl2, 0.1 mM CaCl2, pH6.0
结论
研究提出由NH3·BH3产生的HRW可能在农业生产中具有巨大前景,尤其是在非生物胁迫条件下。NH3·BH3制备的HRW中的H2比传统电解生产的HRW保持更长的时间。并且在NaCl、干旱和Cd胁迫条件下的油菜幼苗中,使用一次NH3·BH3的缓解效果与每24 h更换一次50% HRW的效果类似。进一步的结果强调了NO在NH3·BH3控制植物应对以上胁迫耐受性的核心作用。相关机制包括减少细胞死亡、重建氧化还原和离子稳态、增加脯氨酸含量以及减少Cd吸收和积累。
NMT仪器信息
原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0147651321007521?via%3Dihub
供稿:赵雪琦
编辑:刘兆义
关键词:氨硼烷;欧洲油菜;一氧化氮;盐度;干旱;镉;植物类