硒对膜荚黄芪镉胁迫的缓解机制解析

doi:10.7525/j.issn.1673-5102.2024.04.009

摘要/Abstract

摘要：

为了揭示硒（Se）对膜荚黄芪（Astragalus membranaceus）镉（Cd）胁迫的缓解机制，以传统药用植物膜荚黄芪为材料，利用水培技术综合研究了离子拮抗作用、抗氧化酶系统、重金属螯合物以及异黄酮在Se缓解Cd胁迫中的作用。结果表明：10 μmol·L^-1 Se显著改善了50 μmol·L^-1 Cd胁迫下膜荚黄芪幼苗生长状况并减轻了植株的活性氧积累水平以及膜脂过氧化水平。Cd处理下Se添加显著降低了膜荚黄芪各部位Cd含量，同时Cd添加也显著降低了各部位Se含量，说明膜荚黄芪在Se与Cd的吸收上具有明显的拮抗作用。抗氧化酶活性测定结果显示，Se添加降低了Cd胁迫下膜荚黄芪各部位过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）、过氧化氢酶（CAT）和谷胱甘肽还原酶（GR）活性，通过相关性分析发现多种抗氧化酶活性与 $O 2 ? -$ 含量具有显著正相关关系，暗示抗氧化酶活性的变化更多的是与植物体内活性氧水平相适应的结果。此外，Se添加也降低了Cd处理下膜荚黄芪各部位非蛋白巯基和金属硫蛋白含量，且两者在各部位的含量与对应Cd含量呈现出良好的正相关，表明重金属螯合物含量是由各部位Cd含量所调节的。与抗氧化酶和金属硫蛋白不同，Se添加显著提高了Cd胁迫下膜荚黄芪幼苗根系中3种异黄酮成分的含量。进一步对异黄酮合成途径关键酶基因CHS、IFS、I3′H、IOMT和UCGT表达水平进行研究，发现Se明显上调了Cd处理下所有酶基因的表达水平。综上，Se通过吸收过程中与Cd的拮抗作用降低了Cd处理下膜荚黄芪幼苗中的Cd含量，降低了植物受胁迫程度，同时通过上调异黄酮等次生代谢物质合成，提高了植物对Cd胁迫的耐性。

关键词: 硒, 镉胁迫, 缓解, 膜荚黄芪, 异黄酮

Abstract:

In order to reveal the mechanism of selenium alleviating the cadmium stress in Astragalus membranaceus， the traditional medicinal plant A. membranaceus was used as materials， and the roles of ion antagonism， antioxidant enzyme system， heavy metal chelates and isoflavones in alleviating the Cd stress by Se were clarified comprehensively using hydroponic cultivation method. The results showed that 10 μmol·L^-1 Se significantly improved the growth of A. membranaceus seedlings under 50 μmol·L^-1 Cd stress， and reduced the accumulation of reactive oxygen species and membrane lipid peroxidation levels. The addition of Se significantly reduced the Cd content in all parts of A. membranaceus under Cd treatment. Meanwhile， the addition of Cd also reduced the Se content， indicating that it has a significant antagonistic effect on the absorption of Se and Cd. Se reduced the activities of POD， SOD， APX， CAT and GR in all parts of A. membranaceus under Cd stress. Correlation analysis showed that various antioxidant enzymes activities were significantly positively correlated with $O 2 ? -$ content， suggesting that the changes of antioxidant enzyme activity were more adapted to the level of reactive oxygen species in the plants. In addition， the addition of Se also reduced the content of non-protein sulfhydryl groups and metallothionein in all parts of A. membranaceus exposed to Cd treatment， and the contents showed a good positive correlation with the Cd content in corresponding part， indicating that the content of heavy metal chelates was regulated by the Cd content in various parts. Unlike antioxidant enzymes and metallothionein， the contents of three isoflavone components were significantly increased by Se addition in the roots of A. membranaceus seedlings under Cd stress. Furthermore， the expression levels of key enzyme genes in the isoflavone synthesis pathway， including CHS， IFS， I3'H， IOMT and UCGT， were significantly upregulated by Se under Cd stress. In summary， Se decreased the content of Cd in A. membranaceus seedlings under Cd treatment by antagonizing Cd during the absorption process， and reduced the degree of plant stress. At the same time， Se improved the tolerance of plant to Cd stress by upregulating the synthesis of secondary metabolites such as isoflavones.

Key words: selenium, cadmium stress, alleviation, Astragalus membranaceus, isoflavone

中图分类号:

Q945.78

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图/表 9

表1

图1

图2

图3

图4

图5

表2

活性氧含量与抗氧化酶活性相关性分析

活性氧

Reactive oxygen species

抗氧化酶活性 Antioxidant enzyme activity

POD

SOD

APX

CAT

$O 2 · -$ 含量

Content of $O 2 · -$

0.882**

0.611*

0.956**

0.257

0.511*

H₂O₂含量

Content of H₂O₂

0.058

-0.326

-0.066

0.475

0.456

表2

图6

图7

参考文献 39

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基因 Gene	正向引物 Forward primer	反向引物 Reverse primer
查尔酮合成酶 CHS（chalcone synthase）	CCTTCTTTGGATGCTAGACAAGACA	CGAAGACCCAAGAGTTTGGTTAGTT
异黄酮甲基转移酶 IOMT（isoflavone-O-methyltransferase）	TTTGAAGGACTTGAATCCATTGT	AAGCTTAGCTGTGGTTCCAGTT
UDP糖基转移酶 UGT（UDP-Glycosyltransferase）	CGACCAGCAATCATGTCTTC	TCGGTTATGTCTACGGTGGTG
异黄酮合成酶 IFS（isoflavone synthase）	CCTTCACCTATTGGACAAACCTCTT	CCTGGTATTAAAGGAAGAAGCCTCA
异黄酮3′-羟化酶 I3′H（isoflavone 3′-hydroxylase）	GGATGTTAAAGAAGCGAAGCAATTT	ATCAAACAATCTCAACAAAGGCAAA

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