镉胁迫下乙烯前体及抑制剂对绿豆形态与生化调控的解析：探寻植物抗逆新机制

为探究镉（Cd）胁迫下乙烯（ET）对绿豆的影响，研究人员用 ET 前体 ACC 和抑制剂处理绿豆种子，观察其生长和生化变化。结果显示，不同基因型绿豆对处理响应不同。该研究为提高植物耐镉性提供理论依据。

　　在农业生产中，土壤重金属污染问题日益严峻，其中镉（Cd）污染对植物生长发育造成极大威胁。镉不仅会影响植物的外观形态，导致植株矮小、叶片发黄，还会干扰植物正常的生理生化过程，像阻碍光合作用、破坏细胞膜结构，最终致使农作物减产，甚至影响农产品质量安全，危害人类健康。乙烯（ET）作为一种重要的植物激素，在植物应对逆境胁迫时发挥着关键作用。然而，目前对于镉胁迫下乙烯如何影响植物，尤其是不同耐镉性植物对乙烯的响应差异，相关研究尚不清晰。为了深入了解这一现象背后的机制，来自巴基斯坦政府学院大学费萨拉巴德分校、中国医科大学、美国加州大学圣克鲁兹分校等机构的研究人员开展了一项关于 “镉胁迫下乙烯前体及抑制剂对绿豆形态与生化调控的解析” 的研究，其研究成果发表在《Scientific Reports》上。

研究人员采用了一系列技术方法来开展研究。首先，选取了镉耐受型（NM - 98）和敏感型（NM - 28）两种绿豆基因型种子。将种子用 50 μM ACC（乙烯前体 1 - 氨基环丙烷 - 1 - 羧酸）和乙烯抑制剂（1 mM AVG / 氨基乙氧基乙烯基甘氨酸、0.5 mM PZA / 吡嗪酰胺或 0.25 mM AgNO₃/ 硝酸银）进行预处理，随后播种在含 0 或 50 μM CdCl₂的土壤中。待种子发芽后，再次分别对植株进行相应的叶面喷施处理。实验结束后，通过测量植株的根长、茎长、鲜重和干重等指标评估生长状况；采用特定的化学分析方法测定总叶绿素、总酚、总可溶性蛋白、过氧化氢（H₂O₂）、丙二醛（MDA）含量以及抗氧化酶（如过氧化氢酶 CAT、过氧化物酶 POD）活性；运用原子吸收分光光度计测定根中 K⁺、Ca^{2 +}、Mg^{2 +}和 Cd^{2 +}等元素离子的含量。

形态分析

在镉胁迫下，绿豆品种 NM - 28 的根长、茎长、根鲜重、根干重、茎鲜重和茎干重等生长指标均受到显著抑制。例如，与非胁迫植株相比，50 μM Cd 处理下 NM - 28 的根长减少了 17%。而施加 ACC 后，NM - 28 在镉胁迫下的根长显著增加 20% ，且 ACC 处理对 NM - 98 根长的促进作用在镉胁迫下比 NM - 28 更显著，增加了 19%。此外，施加乙烯抑制剂 AVG、PZA 和 AgNO₃后，NM - 28 的根长分别下降 27%、45% 和 28%，但在 NM - 98 中却分别增加了 13%、9% 和 14%。在其他生长指标上，不同处理对两种基因型绿豆的影响也呈现出明显差异。

植物生化属性

1. 总叶绿素含量：镉胁迫下，ACC 处理使 NM - 28 的总叶绿素含量显著上升 12% ，但在 NM - 98 中却下降了 10%。而乙烯抑制剂处理后，NM - 98 的总叶绿素含量相比 NM - 28 分别增加了 38%、19% 和 23%。
2. 总酚和总可溶性蛋白：镉胁迫下，未施加 ACC 时，NM - 28 的总酚含量显著下降 34% ，施加 ACC 后则显著增加 48%。乙烯抑制剂处理使 NM - 98 的总酚含量增加，在 NM - 28 中却显著下降。对于总可溶性蛋白，镉胁迫导致 NM - 28 减少 16% ，在 NM - 98 中却增加 15%。施加 ACC 使 NM - 28 的总可溶性蛋白增加 13% ，乙烯抑制剂处理则使 NM - 28 减少，在 NM - 98 中显著增加。
3. 过氧化氢和丙二醛：镉胁迫下，NM - 98 的 H₂O₂含量显著上升 22% ，NM - 28 则下降 37%。ACC 处理使 NM - 98 的 H₂O₂含量进一步升高 26% ，在 NM - 28 中却降低 16%。乙烯抑制剂处理使 NM - 28 的 H₂O₂含量上升，在 NM - 98 中变化情况不同。MDA 含量方面，镉胁迫使 NM - 28 增加，在 NM - 98 中下降。ACC 处理使 NM - 28 的 MDA 含量降低 12% ，在 NM - 98 中增加 13%。乙烯抑制剂处理使 NM - 98 的 MDA 含量降低，在 NM - 28 中增加。
4. 抗氧化酶活性：镉胁迫下，NM - 28 的 CAT 活性下降 8% ，ACC 处理使其显著上升 22%。乙烯抑制剂处理使 NM - 98 的 CAT 活性增加，在 NM - 28 中降低。POD 活性方面，镉胁迫对 NM - 28 的影响更大，NM - 98 的 POD 活性比 NM - 28 高 8%。ACC 处理使 NM - 28 的 POD 活性显著增加 18% ，乙烯抑制剂处理使 NM - 98 的 POD 活性增加，在 NM - 28 中降低。

植物元素离子吸收模式

研究发现，NM - 98 在有无镉胁迫下对镉的吸收量相近，而 NM - 28 在镉胁迫下根中镉吸收量比对照高 26%。施加 ACC 后，镉胁迫下 NM - 28 根中镉吸收量比 NM - 98 少 41%。乙烯抑制剂处理使 NM - 98 根中镉吸收量显著下降，在 NM - 28 中却上升。在其他营养离子吸收方面，镉胁迫下，NM - 28 根中 K⁺吸收显著减少，Ca^{2 +}吸收下降，Mg^{2 +}吸收减少；而 NM - 98 中 K⁺吸收变化不大，Ca^{2 +}吸收增加，Mg^{2 +}吸收显著增加。施加 ACC 和乙烯抑制剂对两种基因型绿豆的营养离子吸收影响各异。

研究结论表明，不同绿豆基因型对乙烯前体 ACC 和抑制剂的响应差异与它们的镉耐受水平密切相关。在镉耐受型的 NM - 98 中，外源 ACC 可能显著提高了内源乙烯水平，破坏了抗氧化系统平衡，从而抑制了植株生长；而乙烯抑制剂能够维持乙烯水平，减轻氧化应激，促进植株生长。对于镉敏感型的 NM - 28，外源 ACC 通过调节抗氧化防御机制，维持内源乙烯浓度，进而促进植株在镉胁迫土壤中的生长。在众多乙烯抑制剂中，AgNO₃对两种基因型绿豆的影响更为显著，这表明乙烯感知对于维持细胞代谢平衡、促进植物生长发育至关重要。

该研究为深入理解镉胁迫下乙烯对植物的调控机制提供了重要依据，有助于开发更有效的农业措施来提高植物对镉污染土壤的耐受性，保障农作物产量和质量，在农业生产和环境保护领域具有重要的理论指导意义和潜在应用价值。