富氢水减轻紫花苜蓿中镉的毒性

镉(Cd)是有毒的重金属之一,主要由于自然和多种人为活动而成为主要的污染物。Cd容易被高等植物积累,从而严重抑制植物的光合作用、呼吸和氮代谢。随着时间延长,就会观察到镉毒性的明显症状,包括植物生长抑制,萎黄,坏死或程序性细胞死亡(PCD),甚至细胞死亡。如果任由Cd在农作物中积累,则有毒的Cd会通过食物链对人类健康构成严重威胁。Cd毒性与植物氧化应激之间的紧密联系表明,Cd毒性至少部分是由刺激活性氧(ROS)的产生而引起的,ROS可以改变抗氧化防御并引发氧化应激。抗氧化剂网络由酶系统和非酶成分组成。酶系统包括超氧化物歧化酶(SOD),愈创木酚过氧化物酶(POD),过氧化氢酶(CAT),抗坏血酸过氧化物酶(APX)和谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)等,主要参与维持植物细胞中细胞氧化还原稳态。同样,在镉胁迫下植物细胞中激活的各种解毒过程中,植物螯合素络合镉和液泡中的分隔等都起着非常重要的作用。最重要的是,谷胱甘肽(GSH)的维护在上述过程中起着核心作用,因此对于植物对重金属的耐受性很重要。例如,使用镉处理的苜蓿植物的荧光探针对细胞进行成像,证实过氧化物的积累以及谷胱甘肽和高谷胱甘肽(hGSH;谷胱甘肽的甘氨酸被丙氨酸取代)的消耗会导致氧化还原失衡,甚至导致细胞坏死。

最近的研究表明,氢气(H2)是至关重要的生理物质调节分子,具有抗氧化、抗炎和抗凋亡保护作用,对动物细胞和器官都具有保护作用。尽管尚不完全了解H2的主要分子靶标,但H2作用的主要机理可能与优先清除羟基和过氧亚硝酸根自由基,从而减少对两种自由基对膜脂以及DNA的氧化损伤。细菌,绿藻和高等植物对H2的代谢也已有多年报道。随后的文献表明,这种气体可以影响种子发芽,并改善农作物的生长性能。最近,人们对H2对植物生理的影响,特别是在胁迫条件下的影响,重新引起了兴趣。研究结果表明,H2可以作为重要的气体分子,在水稻,拟南芥和苜蓿植物的盐分和百草枯暴露反应中减少各种胁迫对农作物的损伤。

基于此,南京农业大学生命科学学院沈文颷团队通过使用富氢水(HRW)预处理来表征H2在缓解苜蓿植物中Cd毒性方面的生理作用和分子机制。此研究结果表明,以10%饱和度添加HRW可以显着降低Cd引起的硫代巴比妥酸反应性物质(TBARS)的含量,并抑制Cd毒性症状的出现,包括改善根伸长和幼苗生长。这些反应与代表性抗氧化剂酶或其相应转录物或同工酶活性的显着增加有关。通过体内活性氧(ROS)成像,脂质过氧化的检测和质膜完整性检测可进一步证明HRW能够显着提高植物对Cd的耐受性,这与还原/氧化(同型)谷胱甘肽((h)GSH)比例的显着提高相一致。此外,经HRW预处理的植物积累的Cd较少。这项研究表明,使用HRW可能是Cd解毒的有效方法,可以在农业生产系统中进行探索。

图形数据

1、富氢水(HRW)预处理对鲜重的影响

富氢水(HRW)预处理对鲜重的影响

HRW改善根系生长并抑制Cd吸收。

HRW改善根系生长并抑制Cd吸收

HRW可降低Cd诱导的ROS生成和氧化应激。

HRW可降低Cd诱导的ROS生成和氧化应激

HRW激活暴露于Cd的根中的抗氧化酶活性。

HRW激活暴露于Cd的根中的抗氧化酶活性

抗氧化酶基因的转录水平。

抗氧化酶基因的转录水平

重新建立谷胱甘肽稳态。

重新建立谷胱甘肽稳态

文章来源:Alleviation of cadmium toxicity in Medicago sativa by hydrogen-richwater

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