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

• 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。

 

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。

 

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

 

文章原文：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0147651321007521?via%3Dihub

 

标签: Cd2+, H+, K+, Na+, 一氧化氮, 干旱, 植物类, 欧洲油菜, 氨硼烷, 盐度, 镉