科研进展丨系列研究揭示外源褪黑素减缓水稻重金属胁迫及机制

近日，农业农村部环境保护科研监测所重金属生态毒理与污染修复创新团队在外源褪黑素减轻水稻重金属胁迫及机制研究方面取得系列进展。研究成果发表在《环境管理（Journal of Environmental Management）》《化学圈（Chermosphere）》及《抗氧化剂（Antioxidant）》等期刊上。

Cd、As等是常见的环境污染物，是具有毒性和致癌性的有害金属元素。Cd、As等重金属胁迫会严重干扰植物的正常生长，并通过食物链传递，对人们健康产生威胁。因此，迫切需要一些环境安全、高效的策略来减轻Cd、As等重金属的生物毒性及其在植物组织中的积累。褪黑素（MT）是一种多效分子，具有较强的抗氧化特性，在调节植物生长和器官发育，缓解重金属胁迫方面发挥着重要作用。

围绕重金属镉（Cd）、砷（As）、锑（Sb）胁迫下外源褪黑素对水稻吸收及转运重金属、水稻抗氧化系统，细胞壁阻控特性及相关基因表达等方面开展了系列研究。研究发现：（1）外源MT通过促进根系细胞壁络合溶果胶和碱溶果胶对As的阻控，显著降低水稻根系细胞中的As，进而降低了根系对As的吸收以及向地上部的转运。FTIR分析发现MT促进了根系细胞壁官能团的产生，表明MT促进了As在细胞壁上的固定。同时，MT显著提高了根系细胞中的抗氧化酶（SOD、POD及CAT）活性，提高了谷胱甘肽（GSH）水平，清除过量的过氧化氢（H2O2），降低丙二醛（MDA）含量，维持了水稻根系细胞的正常形态。（2）外源MT明显缓解了Sb胁迫对水稻幼苗生长的抑制，使幼苗生物量、根系参数及根系活力提高15%~55%；显著降低幼苗Sb含量，降幅达到20%~40%；根系亚细胞Sb含量降低12.3%~54.2%。其作用机制为MT通过降低根系ROS、RNS及MDA含量、提高水稻抗氧化酶活性，从而减轻氧化胁迫和细胞膜损伤；并通过调节AsA-GSH循环来逆转Sb诱导的植物毒害。因此，MT具有维持氧化还原动态平衡和降低Sb对水稻细胞毒害的潜力，进而缓解Sb胁迫对水稻生长的抑制。（3）外源MT与硅肥（Si）联合处理比单独使用MT或Si肥在降低水稻对Cd、As吸收及转运方面更高效。在水稻分蘖期和开花期进行Si+MT处理，能使稻米降Cd幅度分别达到65%和82%；在分蘖期实施使稻米As含量降幅达到40%以上。Si+MT对水稻抗氧化酶活性的上调以及对MDA的抑制均较单独施用Si肥或MT具有更显著的调控效应；Si+MT显著降低了Cd吸收转运相关基因的表达量（Nramp1/Nramp5、HMA2/HMA3、IRT2/IRT1）；同时，Si+MT显著提高了水稻籽粒中的必需氨基酸和非必需氨基酸含量，表明Cd、As胁迫下，Si+MT通过促进稻米合成更多的氨基酸进一步合成AAs-Cd复合体，从而减轻Cd毒害。因此，外源MT联合Si肥是一项能够同时降低稻米Cd、As污染的有效措施，在重金属污染农田稻米安全生产技术开发方面具有较大潜力。

系列研究揭示了褪黑素通过参与维持水稻细胞氧化还原动态平衡、调节AsA-GSH循环、减轻氧化胁迫和细胞膜损伤、维持细胞的正常形态、降低水稻体内Cd、As等重金属浓度，进而降低其毒性，为减轻水稻重金属毒害及其累积量提供了策略，为重金属污染防治提供了理论参考。

以上研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金及中国农业科学院科技创新工程项目的支持。

原文链接：

（1）https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.137292；

（2）https://www.mdpi.com/2076-3921/12/11/1917；

（3）https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301479721004059.

作者 | 保琼莉

转自：“农业农村部环境保护科研监测所”微信公众号

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