外源褪黑素对锑胁迫下水稻幼苗生长和抗氧化系统的影响_储玉檀.pdf

Eco-EnvironmentalKnowledge Web环 境 科 学Environmental Science第44卷第4期 2023年4月Vol44，No4 Apr，2023外源褪黑素对锑胁迫下水稻幼苗生长和抗氧化系统的影响储玉檀，李颜，黄益宗*，保琼莉，孙红羽，黄永春(农业农村部环境保护科研监测所，天津300191)摘要:为了探讨外源添加褪黑素(MT)对锑(Sb)胁迫下水稻幼苗影响，以华润2 号水稻幼苗为研究对象进行水培实验，采用荧光探针定位技术对水稻幼苗根尖的活性氧(OS)进行荧光定位，并对水稻幼苗根部根系活力、丙二醛(MDA)含量、OS(H2O2、O2)含量、抗氧化酶(SOD、POD、CAT、APX)活性和抗氧化剂(GSH、GSSG、AsA、DHA)含量进行分析 结果表明，外源添加 MT 能缓解 Sb 胁迫对水稻幼苗生长的不利影响，提高水稻幼苗的生物量;与单独 Sb 处理相比，添加 100 mol L1的MT 使水稻根系活力和总根长分别提高44.1%和34.7%，MDA、H2O2和O2含量分别降低 37.0%、32.7%和 40.5%此外，MT 处理不仅使 POD 和 CAT 活性分别提高54.1%和21.8%，还能调节 AsA-GSH 循环 由此可见，外源添加100 mol L1MT 可以促进水稻幼苗生长，提高水稻幼苗抗氧化能力，缓解 Sb 胁迫对水稻的脂质过氧化损害，从而提高水稻幼苗在 Sb 胁迫下的抗逆性关键词:锑胁迫;水稻;褪黑素(MT);抗氧化系统;AsA-GSH 循环中图分类号:X171.5文献标识码:A文章编号:0250-3301(2023)04-2356-09DOI:1013227/j hjkx202205297收稿日期:2022-05-27;修订日期:2022-07-05基金项目:国 家 重 点 研 发 计 划 项 目(2020YFC1808702，2017YFD0801500)作者简介:储玉檀(1997 )，女，硕士研究生，主要研究方向为重金属生态毒理和修复，E-mail:chuyutan126 com*通信作者，E-mail:yizonghuang126 comEffects of Exogenous Melatonin Treatment on the Growth and Antioxidant System ofice Seedlings Under Antimony StressCHU Yu-tan，LI Yan，HUANG Yi-zong*，BAO Qiong-li，SUN Hong-yu，HUANG Yong-chun(Agro-Environmental Protection Institute，Ministry of Agriculture and ural Affairs，Tianjin 300191，China)Abstract:To investigate the effect of exogenous application of melatonin(MT)on rice seedlings under antimony(Sb)stress，hydroponic experiments were carried out withrice seedlings(Huarun No.2)The fluorescent probe localization technology was used to locate the reactive oxygen species(OS)in the root tips of rice seedlings，and theroot viability，malondialdehyde(MDA)content，OS(H2O2and O2)content，antioxidant enzyme(SOD，POD，CAT，and APX)activities，and antioxidant(GSH，GSSG，AsA，and DHA)contents in the roots of rice seedlings were analyzed The results showed that exogenous addition of MT could alleviate the adverse effects of Sb stresson the growth and increase the biomass of rice seedlings Compared with the Sb treatment，the application of 100 mol L1MT increased rice root viability and total rootlength by 44.1%and 34.7%and reduced the content of MDA，H2O2，and O2 by 30.0%，32.7%，and 40.5%，respectively Further，the MT treatment increased theactivities of POD and CAT by 54.1%and 21.8%，respectively，and also regulated the AsA-GSH cycle This research indicated that exogenous application of 100 mol L1MT can promote the growth and antioxidant ability of rice seedlings and alleviate the damage of lipid peroxidation by Sb stress，thus improving the resistance of rice seedlingsunder Sb stressKey words:antimony stress;rice;melatonin(MT);antioxidant system;AsA-GSH cycle锑(Sb)是一种全球性污染物，是一种具有潜在毒性和致癌性的金属元素，被欧盟和美国列为优先污染物1 由于采矿、燃煤和阻燃剂、催化剂和玻璃脱色剂等含 Sb 产品的广泛使用2，导致土壤和水中 Sb 污染日益严重，对动植物造成伤害，而且 Sb还可以通过食物链进入人体，导致癌症、心血管疾病、肝脏疾病和呼吸系统疾病发生3 Sb 的环境污染和生态毒性问题引起人们的关注 在环境中，Sb主要以三价 Sb()和五价 Sb()的形式存在，而土壤中 Sb 的价态主要是 Sb()4 过量的Sb 对植物的毒害作用主要表现为影响植物的生长发育、产生氧化胁迫和影响必需营养元素的吸收5 因此，亟需采取安全有效的策略以减轻 Sb 污染对农作物生长的毒害目前，其他重金属或类金属对植物的毒害作用已经得到了广泛的研究，但是对 Sb 在植物中的毒性研究较少 不同价态的 Sb 在植物体内吸收转运机制不同，植物对 Sb()的吸收途径可能是水通道蛋白，与砷(As)相似，但 Sb()则最有可能是通过质外体途径进入植物体内3 有研究表明 Sb 会降低植物光合色素含量和光合作用效率，影响植物光合作用6，7 而且过量的 Sb 会诱导植物产生活性氧(OS)，引起植物体内氧化胁迫的产生8 因此，应当采取措施提高植物在 Sb 胁迫下的耐受性 植物激素不仅可以调节植物生长发育，还能提高植物抗性以适应重金属胁迫 尽管已明确几种植物激素可以缓解 Sb 胁迫下植物的不利影响，但该领域仍然需要深入的研究4 期储玉檀等:外源褪黑素对锑胁迫下水稻幼苗生长和抗氧化系统的影响褪黑素(MT)是一种吲哚类化合物，具有抗氧化性，可以通过改善氧化还原稳态、渗透平衡以及初级和次级代谢来促进植物对重金属胁迫的耐受性9 近年来，褪黑素在高等植物中的功能被发现，主要是作为逆境反应的调节因子10 适量添加 MT可以缓解重金属对植物的胁迫，在抗氧化系统中，OS 和 MT 存在很强的联系11，例如 MT 可以有效缓解 As12、Cd13 和 Ni14 等重金属胁迫对水稻种子萌发和幼苗的不利影响，还可以缓解 Cd 对油菜的过氧化胁迫15 然而，关于 MT 对 Sb 胁迫下水稻幼苗的作用效果还鲜见报道因此，本文通过研究 MT 对水稻幼苗的生长状况、根系活力和抗氧化防御系统的潜在影响，有助于理解 MT 对水稻 Sb 毒害的缓解机制，以期为有效防治水稻 Sb 污染提供更多选择1材料与方法1.1实验材料供试水稻品种为华润 2 号，购于湖南亚华种子有限公司三水锑酸钠，分子式为 NaSbO3 3H2O，分析纯;MT，分子式为 C13H16N2O2，优级纯，购于阿达玛斯试剂有限公司1.2实验设计选取饱满的水稻种子，用 5%过氧化氢(H2O2)溶液浸泡消毒 15min 后再用去离子水冲洗干净 将消毒洗净的种子均匀播撒于育苗盘，放入 28恒温培养箱催芽培养 挑选露白一致的种子移栽到黑色育苗盒(10.5 cm 15.5 cm 17.0 cm，长 宽 高)中，在人工气候室中生长 待水稻幼苗根长约 1cm时进行处理 在预实验中，设置 0、50、100、200、300 和 500 mol L1共 6 个不同浓度的 Sb 浓度处理，筛选出与空白处理相比对水稻幼苗的生物量产生显著影响的300 mol L1作为后续 Sb 处理浓度，参考课题组的前期实验16，MT 的浓度设置为 100mol L1，本实验设计 4 个处理:不添加 Sb 和 MT(CK)、100 mol L1MT(MT)、300 mol L1Sb(Sb)和100 mol L1MT+300 mol L1Sb(MT+Sb)每个处理 3 次重复，培养期间每 3 d 换一次营养液1.3测量指标1.3.1水稻幼苗生物量的测定将处理 7d 后的水稻幼苗取出，将幼苗分为地上部分和地下部分，用蒸馏水洗净擦干，用刻度尺测量并记录株高和根长，用分析天平称取鲜重，在 80烘箱中烘干至恒重，称取干重1.3.2水稻幼苗根系生长指标测定将处理后的水稻幼苗取出洗净，使用根系扫描仪(Epson Expression 10000XL，日本)扫描水稻根系，用 WinHIZO 根系分析软件(egent InstrumentsInc，加拿大)分析根参数(根表面积、根体积、根尖数和根分叉数)，每个处理测量 6 棵1.3.3根系活力的测定根系活力是通过三苯基四氮唑(TTC)还原法测定17，将 0.5 g 水稻幼苗根部切成小块，加入 5 mL0.4%TTC 和5 mL 磷酸盐缓冲液(pH 7.0)，37孵育 3 h，然后样品在乙酸乙酯中萃取 15 min，用分光光度测定其在 485 nm 处的特征吸收峰1.3.4OS 含量的测定及显微观察H2O2与硫酸钛反应生成的过氧化物-钛复合物黄色沉淀被浓硫酸溶解，并用分光光度计测定其在415 nm 处的特征吸收峰，超氧阴离子(O2)利用羟胺氧化法生成粉红色偶氮染料，并用分光光度计测定其在 540 nm 处的特征吸收峰18 分别采用特异性荧光探针 H2DCFDA19(2，7-二氯二氢荧光素二乙酸酯，MedChemExpress，美国)和 DHE18(超氧化物阴离子荧光探针，碧云天生物技术有限公司，中国)对约1 cm 的根尖进行染色，标记水稻根尖细胞中H2O2和O2的分布情况，并用倒置荧光显微镜(DYF-880，点应，中国)观察拍照1.3.5MDA 含量测定及细胞活力显微观察MDA 在高温和酸性条件下与硫代巴比妥酸(TBA)反应生成红褐色产物，并用分光光度计测定其在 535 nm 处的特征吸收峰20 采用荧光染料 FAD(二醋酸荧光素，阿拉丁试剂有限公司，中国)和 PI(碘化丙啶，阿拉丁试剂有限公司，中国)对约 1 cm 的根尖进行染色检测细胞活力21，并用倒置荧光显微镜观察拍照1.3.6酶活性的测定采用酶活性试剂盒(苏州格瑞斯生物技术有限公司，中国)对超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)的活性进行测定1.3.7抗坏血酸和谷胱甘肽的测定采用抗坏血酸(AsA)和还原性坏血酸(DHA)试剂盒(苏州格瑞斯生物技术有限公司，中国)，谷胱甘肽(GSH)和还原性谷胱甘肽(GSSG)检测试剂盒(北京索莱宝科技有限公司，中国)对 AsA、DHA、GSH 和 GSSG 含量进行测定1.4数据处理采用 SPSS 21.0 和 OrginPro 9.0 进行数据分析与绘图 方差分析和多重比较采用单因素(ANOVA)7532环境科学44 卷和 Duncan 检验 表中数据均用平均值 标准差的形式表示2结果与分析2.1不同浓度 Sb 对水稻幼苗生长的影响过量 Sb 胁迫对水稻幼苗根系生长影响显著 表1 为研究不同浓度 Sb 对水稻幼苗生长状况的影响，结果表明，不同浓度 Sb 处理对水稻幼苗生长状况有显著差异，随着 Sb 浓度的增加，Sb 处理对水稻幼苗茎长、根长、干重和鲜重的抑制作用也明显增强与 CK 相比，500 mol L1Sb 胁迫处理浓度过高严重抑制水稻的生长，而 300 mol L1Sb 胁迫下水稻幼苗茎长和根长分别减少了 47.0%和 44.9%，而水稻幼苗茎鲜重、根鲜重、茎干重和根干重这 4 个指标的降幅均超过 35%，因此选择该浓度作为下阶段实验 Sb 胁迫浓度表 1不同浓度 Sb 对水稻幼苗芽长、根长、鲜重和干重的影响1)Table 1Effect of different concentrations of Sb on shoot length，root length，fresh weight，and dry weight of rice seedlingsSb 浓度/mol L1茎长/cm根长/cm茎鲜重/mg 株1根鲜重/mg 株1茎干重/mg 株1根干重/mg 株10579 041a15 38 1 14a1951 124a1832 123a374 024a2 11 014ab50521 037b12 29 1 41b2165 155a1668 025ab391 053a2 22 006a100461 040c11 80 1 3bc1554 054b1443 124c331 017ab1 85 027b200356 033d11 06 0 82c1324 154bc15 31 112bc273 002bc1 81 031b300307 035e8 48 0 35d1160 101c1151 114d240 030c1 37 010c500174 018f1 41 0 26e479 032d322 015e161 005c0 31 005d1)同列不同小写字母表示处理间差异显著(P 0.05)，下同2.2MT 对 Sb 胁迫下水稻幼苗生物量的影响不同小写字母表明 4 种处理之间的差异显著(P 0.05)图 1MT 对 Sb 胁迫下水稻幼苗鲜重和干重的影响Fig 1Effect of MT on fresh and dry weightsof rice seedlings under Sb stress图 1 为 MT 处理对 Sb 胁迫下水稻生物量状况的影响 从中可知，与 CK 相比，MT 处理降低水稻幼苗地下部的生物量，对地上部的生物量无显著影响，而 Sb 处理的幼苗在鲜重和干重方面均表现出生长抑制现象 MT 处理显著提高了水稻幼苗 Sb 胁迫下的生物量 在 Sb 胁迫下，添加 MT 使水稻地下部和地上部的鲜重分别增加了 21.6%和 23.9%，使水稻地下部和 地 上 部 的 干 重 分 别 增 加 了 32.1%和30.6%标尺=1 cm图 2MT 对 Sb 胁迫下水稻幼苗根系生长的影响Fig 2Effect of MT on root growth of rice seedlings under Sb stress2.3MT 对 Sb 胁迫下水稻幼苗根系生长状况的影响水稻可以通过改变根的生长模式和形态来响应 Sb 胁迫，Sb 处理对水稻幼苗的生长有明显抑制作用 CK 和 MT 处理中水稻根系生长健康，主根和侧根发育正常，而 Sb 胁迫下的水稻幼苗根伸长则受到显著影响，而且抑制了侧根的发育，而外源添加 MT 却促进了水稻主根和侧根的生长(图 2)通过测定 MT 对 Sb 胁迫下水稻幼苗根系生长参数的影响(表 2)，结果表明，与 CK 相比，MT 处理对水稻幼苗的部分根系生长参数影响不大，但 Sb 胁迫下水稻幼苗总根长、根表面积、根体积、根尖数、85324 期储玉檀等:外源褪黑素对锑胁迫下水稻幼苗生长和抗氧化系统的影响根枝数和根分叉数分别减少了 62.2%、56.3%、19.1%、78.2%、57.8%和16.5%，而外源添加 MT较 Sb 胁迫处理使水稻总根长、根表面积、根体积、根尖数、根枝数和根分叉数分别显著增加了34.7%、44.0%、29.3%、34.7%、42.4%和23.0%表 2MT 对 Sb 胁迫下水稻幼苗根系生长参数的影响Table 2Effect of MT on root growth parameters of rice seedlings under Sb stress处理总根长/cm 株1根表面积/cm 株1根体积/mm3 株1根尖数/个 株1根枝数/个 株1根分叉数/个 株1CK61 82 3 32a6 15 0 33a1944 189ab554 21 3819a223 88 17 45a3181 523aMT50 42 3 56b5 71 0 36a1850 173bc337 75 785b189 15 24 13b2469 309bSb23 40 2 12d2 69 0 08c1573 242c12100 971d94 50 933d2656 185cMT+Sb3581 3 93c4 80 034b2225 1 26a18517 1066c164 00 18 51c3450 444ab2.4MT 对水稻根系活力的影响不同小写字母表明 4 种处理之间的差异显著(P 0.05)图 5MT 对 Sb 胁迫下水稻幼苗根细胞中 OS 含量的影响Fig 5Effect of MT on OS content in root cells of rice seedlings under Sb stress添加 MT 对 Sb 胁迫下水稻根系活力的影响如图 3 所示 从中可知，外源添加 MT 能显著提高水稻根系活力，Sb 胁迫显著降低水稻幼苗根系活力 Sb胁迫后，水稻根系活力比 CK 降低了 48.7%，而外源添加 MT 使 Sb 胁迫下的水稻幼苗根系活力提高44.1%2.5MT 对水稻幼苗根系细胞氧化损伤的影响为了明确 MT 对 Sb 胁迫下水稻根细胞氧化损不同小写字母表明 4 种处理之间的显著差异(P 0.05)图 3MT 对 Sb 胁迫下水稻幼苗根系活力的影响Fig 3Effect of MT on root vigor of rice seedlings under Sb stress伤的缓解作用，测定了O2含量、H2O2含量、MDA含量和细胞活力 用特异性荧光探针 H2DCFDA 和DEH 对水稻根细胞中的O2和H2O2进行定位，结果表明，CK 和 MT 处理的水稻根细胞荧光强度较弱，而 Sb 胁迫下的水稻根细胞表现出强烈的红色荧光和绿色荧光，MT 的处理明显降低了 Sb 胁迫下根细胞的荧光强度(图 4)水稻根细胞中H2O2和O2的含量测定结果同荧光定位结果一致(图5)与CK 相比，MT 处理显著提高了水稻幼苗H2O2含量，但对O2图 4不同 MT 和 Sb 处理下水稻幼苗根细胞中 OS 的荧光染色Fig 4Fluorescence staining of OS in root cells of riceseedlings under different MT and Sb treatments9532环境科学44 卷含量无显著影响 Sb 处理的水稻根细胞中H2O2和O2含量分别是 CK 处理的 2.5 倍和 6.3 倍，但是与 Sb 处理相比，MT+Sb 处理的根细胞中的H2O2和O2含量分别降低了 40.5%和 32.7%(图 5)MDA 含量是评价细胞膜脂过氧化的常用指标，可指示水稻根细胞中膜脂过氧化损伤程度 与 CK相比，MT 处理对水稻根系 MDA 含量无显著影响，而在 Sb 胁迫下，水稻根系中 MDA 含量是 CK 处理的 1.5 倍，MT 处理使水稻根系中 MDA 含量降低了37.0%(图 6)此外，从 FDA-PI 双染的结果观察到CK 和 MT 处理的水稻根系表现出清晰的绿色荧光，表明水稻根细胞活力强盛;Sb 处理显著增强了水稻根中红色荧光的强度，表明有部分死细胞的产生，细胞活力下降;和 Sb 处理相比，MT+Sb 处理降低了根细胞中的红色荧光强度，提高了水稻根细胞的活力(图 7)结果表明，MT 有助于缓解 Sb 诱导产生的水稻根系细胞氧化损伤，提高细胞活力，缓解 Sb毒害不同小写字母表明 4 种处理之间的差异显著(P 0.05)图 6MT 对 Sb 胁迫下水稻幼苗根细胞中 MDA 含量的影响Fig 6Effect of MT on MDA content in root cellsof rice seedlings under Sb stress2.6MT 对水稻幼苗根系抗氧化防御系统的影响图 8 为 MT 对水稻 Sb 胁迫下根系 SOD 活性、CAT 活性、POD 含量和 APX 活性的影响 与 CK 处理相比，MT 处理可显著提高水稻幼苗根系 CAT 和APX 活性，而对 POD 和 SOD 活性无显著影响，单独Sb 处理的根中 SOD、POD 和 APX 活性显著降低，分别降低了 76.5%、62.6%和 42.8%，而 CAT 活性显著提高了 61.0%外源添加 MT，可以提高 Sb 胁迫下水稻根细胞中抗氧化酶的活性 与 Sb 处理相比，MT+Sb 处理使水稻根中 POD 和 CAT 活性提高了54.1%和 21.8%，而 MT+Sb 处理对 SOD 和 APX 活性影响不显著 以上数据表明，MT 可以一定程度上缓解 Sb 胁迫下的水稻幼苗氧化损伤，这与水稻幼苗图 7不同 MT 和 Sb 处理下水稻幼苗根细胞中的FDA-PI 双染荧光Fig 7Fluorescence of FDA-PI double staining in root cellsof rice seedlings under different MT and Sb treatments体内抗氧化系统活性密切相关图 9 为 MT 对 Sb 胁迫下水稻幼苗根系 GSH 含量、GSSG 含量、AsA 含量和 DHA 含量以及 AsA/DHA 和 GSH/GSSG 的影响 GSH 和 AsA 是植物细胞中最重要的抗氧化剂，其氧化还原状态对氧化稳态更为关键 与 CK 处理相比，MT 处理使水稻幼苗根系中 GSH 含量和 GSH/GSSG 均显著增加，对GSSG 含量无显著影响，单独 Sb 处理的水稻幼苗根系中 GSH 含量和 GSH 氧化还原比 GSH/GSSG 均显著增加，分别比 CK 处理增加了 3.11 倍和 5.03 倍，而 GSSG 含量降低了 30.6%与 Sb 处理相比，MT+Sb 处理的水稻幼苗根系中 GSH 含量和 GSH/GSSG分别降低了 15.3%和 29.2%，而对水稻根系 GSSG含量无显著影响 与 CK 处理相比，MT 处理使水稻幼苗根系中 AsA 含量和 DHA 含量均显著增加，对AsA/DHA 无显著影响，单独 Sb 处理的根中 AsA 含量和 DHA 含量均显著提高，分别提高了 28.8%和76.0%，而 AsA/DHA 相 对 于 CK 处 理 降 低 了39.4%与 Sb 处理相比，MT+Sb 处理的根中 AsA含量降低了 38.2%，而对 DHA 和 AsA/DHA 无显著影响3讨论近年来，MT 在植物非生物胁迫方面的应用越来越多引起人们的关注 作为一种调节因子，MT 不仅可以调节植物的生长发育，还可以缓解温度、干旱、盐碱和重金属等环境胁迫 有研究表明 MT 可以促进茄子体内可溶性蛋白的含量和渗透调节物质06324 期储玉檀等:外源褪黑素对锑胁迫下水稻幼苗生长和抗氧化系统的影响不同小写字母表明 4 种处理之间的差异显著(P 0.05)，下同图 8MT 对 Sb 胁迫下水稻根系 SOD、CAT、POD 和 APX 活性的影响Fig 8Effect of MT on SOD，CAT，POD，and APX activity of rice roots under Sb stress的积累，有助于植物适应低温胁迫环境22 干旱胁迫下，外源添加 MT 通过提高总抗氧化能力减轻小麦植株的氧化伤害23 外源添加 MT 可以维持细胞膜的性质和完整性，降低电解质渗透率，有助于甜瓜和甜菜适应盐胁迫17，24 关于 MT 对重金属胁迫的影响方面，有研究发现外源 MT 通过上调花色苷生物合成基因的表达和关键酶的活性来提高茶树在As 胁迫下花色苷含量，从而提高的茶树对 As 胁迫的耐受性25;MT 还可以通过氨基酸代谢和谷胱甘肽代谢提高蘑菇的抗氧化性，改善 Cd 诱导的氧化应激26;另外，MT 可以通过触发非酶和酶的抗氧化系统改善氧化还原动态平衡，提高小麦根对镉的解毒能力27;MT 通过增加光合作用和改善根系参数缓解 Ni 诱导的生长缓慢28 然而关于 MT 如何缓解水稻幼苗 Sb 胁迫的研究还很少Sb 的过量积累对植物有害，不仅会抑制植物的生长，还会对植物的抗氧化系统和光系统中的电子传递和光合产物流动方向造成影响，阻碍植物对铁、锰和镁等矿质元素的吸收，抑制植株的生长29 31 有研究发现，硅可以改善芦苇根系木质化、促进植物生长和通过光合作用缓解 Sb 的毒性32，而外源添加植物激素可以减轻植物 Sb 毒害，例如外源水杨酸(SA)能有效缓解 Sb 胁迫的抑制效应，促进水稻植株生长33，叶面喷施 2，4-表油菜素内酯(EBL)能提高拟南芥体内酶类和非酶类抗氧化剂的功能，进而增加拟南芥对 Sb 胁迫的耐受性34 本研究中，Sb胁迫下水稻幼苗的鲜重和干重均降低，水稻生长发育受到明显抑制，这与已有的研究结果相一致35 植物可以通过改变根的生长模式和形态来响应重金属胁迫32，水稻幼苗总根长、根表面积、根体积、根尖数、根枝数和根分叉数等根系参数可以直接反映植物根系生长状况 在研究 MT 处理对水稻幼苗Sb 胁迫的影响时，发现 MT 对水稻幼苗根系生长的影响明显，Sb 胁迫对水稻幼苗根系生长参数有负面影响，而 MT 处理可以显著提高水稻的各个根系参数(表 2)根系活力可以反映植物根的氧化、还原和合成能力，间接衡量根的代谢功能36 本研究中受到 Sb 胁迫的水稻幼苗根系活力显著降低，MT 可以显著提高水稻幼苗的根系活力(图 3)，对水稻根系的生长功能产生了积极影响在正常情况下，水稻细胞内过量的 OS 可以被抗氧化防御机制去除37，但是高浓度 Sb 胁迫下，OS 产生与清除之间的平衡被干扰，水稻幼苗细胞的 OS 剧增，破坏细胞结构 已经证实 Sb 胁迫会对其他植物造成氧化损伤，例如 Sb 的过度积累，诱导小麦植株膜脂过氧化38 MDA 是评价植物膜脂过氧化的重要指标 本研究中，Sb 胁迫导致水稻根细胞内 OS 和 MDA 大量积累(图 5 和图 6)，说明 Sb毒害会导致水稻氧化胁迫，伤害植物的细胞膜，而MT 处理显著降低 OS 和 MDA 的含量，并提高水稻1632环境科学44 卷图 9MT 对 Sb 胁迫下水稻幼苗根系 GSH、GSSG、AsA 和 DHA 含量和 AsA/DHA 和 GSH/GSS 的影响Fig 9Effect of MT on GSH，GSSG，AsA，and DHA content，and AsA/DHA and GSH/GSSG values in rice seedling roots under Sb stress根系在 Sb 毒害下的细胞活力 植物通过 SOD、CAT、POD 和 APX 等抗氧化酶的协同作用来清除体内积累的 OS39 有研究发现镉处理下水稻幼苗根系中 SOD、CAT 和 APX 活性都显著提高，POD 活性降低40，而本研究中 Sb 处理下，水稻幼苗根系中CAT 的活性显著提高，但 POD、SOD 和 APX 活性显著降低，MT+Sb 处理可以提高 CAT 和 POD 的活性，对 SOD 和 APX 活性无显著影响 这些结果表明MT 可以特异性上调 Sb 胁迫下水稻幼苗根系抗氧化酶 CAT 和 POD 的活性，说明 MT 起到抗氧化剂作用，不仅可以刺激抗氧化系统降低水稻在 Sb 胁迫下OS 水平，还可以提高 Sb 胁迫下抗氧化酶的活性和抗氧化潜力 MT 参与酶促反应，与水稻幼苗体内抗氧化系统密切相关，然而，水稻在不同重金属胁迫抗氧化酶活性变化有差异的原因还有待进一步研究AsA-GSH 循环参与了胁迫条件下产生的 OS的清除和控制，是植物清除 OS 的重要组成部分，可以平衡 OS 的合成和清除并防止细胞损伤41 抗坏血酸(AsA)和谷胱甘肽(GSH)作为最主要的非酶抗氧化剂可以提高植物的氧化能力，降低非生物胁迫诱导的氧化胁迫42，GSH 可以通过与金属或者类金属螯合作用，使细胞内维持较低的重金属水平，以清除 OS 和缓解氧化应激 AsA 和 GSH 与细胞氧化还原平衡有关，而 AsA/DHA 和 GSH/GSSG 可能作为调节抗氧化机制的信号，已有多项研究发现植物体内 AsA-GSH 循环效率可以在应激条件下得到提高43 本研究中，Sb 胁迫导致水稻幼苗根中AsA 和 DHA 的含量增加，而 AsA/DHA 下降;而 Sb胁迫时水稻根细胞中 GSH 含量和 GSH/GSSG 明显增加，GSSG 含量减少，这说明水稻可以通过提高AsA 和 GSH 水平维持良好的氧化还原状态，缓解 Sb诱导的损伤 Sb 对水稻根系中 AsA 和 GSH 水平的影响一定程度上与 Sb 对番茄植株的毒性反应一26324 期储玉檀等:外源褪黑素对锑胁迫下水稻幼苗生长和抗氧化系统的影响致36，GSH 是一种低分子硫醇，是植物抗氧化防御系统中最关键的代谢产物44，GSH 在内的硫醇基团与 Sb 形成络合物的解毒作用可能是抗氧化剂成分不平衡的原因之一 与单独 Sb 处理相比，MT+Sb处理降低了水稻幼苗根细胞中 AsA 和 GSH 的含量，这说明外源添加 MT 可能通过刺激 Sb 胁迫下植物螯合素(PCs)的生成并将其隔离在液泡中，改变细胞氧化还原平衡45，从而增加了 PCs 生物合成主要底物 GSH 含量的消耗，而以 GSH 为电子供体的脱氢抗坏血酸还原酶(DHA)促进 DHA 还原为AsA43 另外，AsA-GSH 循环中的酶(如 APX 和DHA 等)也容易因受到氧化损伤改变活性，从而破坏氧化防御，这与植物种类和发育阶段有关，不同的防御机制可能由不同 Sb 浓度决定42，然而这一过程的具体机制还需进一步研究4结论(1)外源添加 MT 可以提高 Sb 胁迫下水稻幼苗的生物量，有效缓解 Sb 胁迫对水稻幼苗产生的生长抑制;显著提高水稻幼苗根系活力和根系生长参数，促进水稻的生长(2)外源添加 MT 显著提高 Sb 胁迫下水稻幼苗根系细胞中 POD 和 CAT 的活性，抑制 OS 和 MDA的产生，减轻 Sb 诱导的氧化损伤;通过调节 AsA-GSH 循环提高水稻抗氧化潜力，缓解 Sb 对水稻的毒害作用参考文献:1Long X J，Wang X，Guo X J，et alA review of removaltechnology for antimony in aqueous solutionJJournal ofEnvironmental Sciences，2020，90:189-2042He M C，Wang X Q，Wu F C，et al Antimony pollution inChinaJ Science of the Total Environment，2012，421-422:41-503Feng W，Wei C Y，Tu S X，et alThe uptake anddetoxification of antimony by plants:a review J Environmentaland Experimental Botany，2013，96:28-344Filella M，WilliamsPA，BelzileNAntimonyintheenvironment:knownsandunknowns JEnvironmentalChemistry，2009，6(2):95-1055冯人伟，韦朝阳，涂书新 植物对锑的吸收和代谢及其毒性的研究进展 J 植物学报，2012，47(3):302-308Feng W，Wei C Y，Tu S X esearch advances in uptake，metabolism and toxicity of antimony in plantsJ ChineseBulletin of 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