《Environmental Technology & Innovation》：Integrated application of cold atmospheric plasma and dopamine mitigates cadmium toxicity by enhancing antioxidant defense and restricting cadmium accumulation in fenugreek (
Trigonella foenum-graecum L.)
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摘要
镉（Cd）毒性严重制约植物生长，然而限制镉吸收的有效策略仍然有限。本研究探讨了冷大气等离子体（CAP）种子引发与外源多巴胺（DA）联合施用对增强葫芦巴镉耐受性的效果。因子方差分析显示，CAP与DA在处理关键生理、生化及分子性状方面存在显著的交互效应。与
摘要
镉（Cd）毒性严重制约植物生长，然而限制镉吸收的有效策略仍然有限。本研究探讨了冷大气等离子体（CAP）种子引发与外源多巴胺（DA）联合施用对增强葫芦巴镉耐受性的效果。因子方差分析显示，CAP与DA在处理关键生理、生化及分子性状方面存在显著的交互效应。与镉胁迫植株相比，CAP（6 kV，4 min）与200 μM DA联合处理显著促进了根（123%）和地上部（75%）生长，提高了鲜重与干重生物量、总叶绿素（140%）、相对含水量（23%）、脯氨酸（125%）及类黄酮（106%）含量。联合处理还使抗坏血酸过氧化物酶（APX）、过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）和多酚氧化酶（PPO）活性分别提高123%、121%、47%和36%。这些响应伴随着APX、CAT、SOD和PPO基因表达的上调，反映了抗氧化防御系统在转录和酶学水平上的协同激活。 consequently，过氧化氢积累（40%）、丙二醛含量（44%）、电解质渗漏（42%）及镉积累均显著下降，其中根中镉浓度降低60%，地上部降低55%。联合处理还使生长介质中镉滞留量最高，表明镉吸收受到限制。场发射扫描电子显微镜（FESEM）和能量色散X射线光谱（EDX）证实了等离子体诱导的种子表面理化修饰。综上所述，这些发现表明CAP与DA可强化防御系统、减轻氧化损伤，并与生长介质中更高的镉滞留及植物组织中更低的镉积累相关联，从而提升葫芦巴的镉耐受性。
冷大气等离子体与多巴胺联合缓解葫芦巴镉毒性的作用机制研究解读
**一、研究背景与科学问题**
镉（Cd）是农业土壤中污染范围最广、毒性最强的非必需重金属之一，可通过根系吸收进入植物体并沿食物链传递，对作物生产力、食品安全和人体健康构成严重威胁。随着工业化进程加速、采矿活动增加、磷肥施用以及污水灌溉等人类活动的影响，农业生态系统中的镉积累问题日益突出。即使在较低浓度下，镉也能通过诱发活性氧（ROS）过量产生，干扰植物多项生理代谢过程，导致膜脂过氧化、叶绿素降解、养分失衡、水分关系受损、光合作用受抑以及植株生长严重受抑。为应对镉胁迫，植物会激活由超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）等酶促抗氧化系统，以及酚类化合物、类黄酮、脯氨酸、可溶性糖、谷胱甘肽和抗坏血酸等非酶促抗氧化系统组成的协同防御网络。然而，长期镉暴露往往超出这些保护机制的承载能力，因此亟需开发能够同时减少镉吸收并增强植物耐受性的可持续策略。
近年来，研究者探索了纳米颗粒、生物炭、微生物菌剂和植物生长调节剂等多种缓解镉毒性的方法。其中，冷大气等离子体（CAP）作为一种无化学残留、环境友好的种子引发技术受到日益广泛的关注。CAP能在近常温条件下产生包含活性氧氮物种（RONS）、带电粒子、紫外光子和瞬态电场的复杂混合物，通过改变种子表皮性能（如表面粗糙度、渗透性和润湿性）促进萌发期间的水分吸收和早期代谢激活，同时CAP衍生的RONS可作为信号分子激活Ca2?依赖性通路、抗氧化代谢和胁迫响应基因表达。多巴胺（DA）作为一种天然存在的儿茶酚胺类物质，近年来被证实是参与调控植物生长、氧化还原稳态和非生物胁迫耐受性的多功能生物刺激素。转录组学研究揭示，DA可调控参与镉吸收、转运、解毒和抗氧化代谢相关基因的表达，并通过增强区隔化机制改变镉的亚细胞分布，最终减少镉在地上部的积累。
尽管CAP和DA各自对非生物胁迫的改善作用已有诸多独立报道，但二者联合应用尤其是在镉胁迫条件下的协同效应研究仍十分匮乏。目前尚无研究同时整合生长分析、抗氧化代谢、渗透调节、抗氧化基因表达、FESEM、EDX和镉分配分析来阐明CAP与DA联合处理在葫芦巴中诱导的协同响应机制。特别是，等离子体诱导的种子表面理化修饰是否在增强生理耐受性的同时有助于减少镉吸收，这一问题仍不清楚。
**二、主要技术方法**
本研究采用因子完全随机设计，设置CAP（0、4 kV-2 min、4 kV-4 min、6 kV-2 min、6 kV-4 min）、DA（0和200 μM）和镉胁迫（0和300 μM CdCl?）三个因素。种子材料购自伊朗伊斯法罕Pakan Seed Company。主要技术方法包括：非热大气压等离子体射流（BK9401）处理种子表面；场发射扫描电子显微镜（FESEM）结合能量色散X射线光谱（EDX）分析种子表面形态与元素组成；紫外-可见分光光度法测定光合色素、渗透调节物质和抗氧化酶活性；电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）测定植物组织和残留土壤中的镉含量；实时荧光定量PCR（qRT-PCR）分析抗氧化相关基因表达；以及Pearson相关分析、主成分分析（PCA）和层次聚类分析等多变量统计方法。
**三、研究结果**
**3.1 种子表面结构变化**
FESEM分析显示，未处理种子表面光滑致密，表皮细胞排列均匀并被完整蜡质层覆盖。CAP处理引起种子表面形态的明显改变：4 kV处理导致适度的表面蚀刻，形成微裂隙、不规则结构和小孔；6 kV处理加剧了这些结构变化，4 min处理导致明显的角质层破坏、表面孔隙度增加和种皮外层严重侵蚀。
**3.2 EDX元素分析**
EDX分析表明CAP处理改变了葫芦巴种子表面的元素组成。6 kV-4 min处理使碳（C）、氯（Cl）和钾（K）的相对丰度增加，同时降低铝（Al）、硫（S）、钙（Ca）、铁（Fe）、镁（Mg）和硅（Si）含量。所有CAP处理均一致降低了Al和Si的相对丰度，表明CAP主要改变种皮外层的理化特性而非种子总元素组成。
**3.3 形态学性状**
镉胁迫显著抑制葫芦巴生长，使株高、根长、地上部鲜重、根鲜重、地上部干重和根干重分别降低50%、62%、68%、76%、68%和77%。CAP和DA单独施用均可改善镉胁迫下的植株生长，但二者联合处理效果最为显著。在镉胁迫下，CAP（6 kV，4 min）与200 μM DA联合处理使株高从8.00 cm增至14.0 cm（提高75%），根长从7.00 cm增至15.63 cm（提高123%），地上部鲜重从0.96 g增至2.43 g（提高151%），根鲜重从0.48 g增至1.62 g（提高235%），地上部干重从0.16 g增至0.4 g（提高148%），根干重从0.07 g增至0.24 g（提高236%）。
**3.4 光合色素与相对含水量**
镉胁迫使叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素、类胡萝卜素含量和相对含水量（RWC）分别降低66%、55%、63%、62%和39%。CAP和DA单独或联合施用均能缓解这些降低。在镉胁迫下，联合处理使叶绿素a从1.90增至4.83 mg g?1 FW（提高155%），叶绿素b从0.89增至1.76 mg g?1 FW（提高97%），总叶绿素从2.79增至6.60 mg g?1 FW（提高140%），类胡萝卜素从1.43增至3.43 mg g?1 FW（提高140%），RWC从45.45%增至55.35%（提高23%）。
**3.5 电解质渗漏、丙二醛与过氧化氢**
镉胁迫导致膜损伤加剧，MDA、H?O?含量和电解质渗漏（EL）分别较对照增加80%、110%和103%。联合处理在镉胁迫下使MDA从18.33降至10.46 μmol g?1 FW（降低44%），H?O?从23.00降至13.80 μmol g?1 FW（降低40%），EL从24.33%降至14%（降低42%），有效维持了膜稳定性。
**3.6 抗氧化酶活性与抗氧化相关基因表达**
镉胁迫显著上调了APX、CAT、SOD和PPO的转录水平（分别提高126%、200%、47%和74%）。在镉胁迫下，CAP（6 kV，4 min）与DA联合处理使APX活性从0.74增至1.65 μmol min?1 mg?1蛋白（提高123%），CAT从0.72增至1.61 μmol min?1 mg?1蛋白（提高121%），SOD从0.51增至0.75 μmol min?1 mg?1蛋白（提高47%），PPO从0.29增至0.40 μmol min?1 mg?1蛋白（提高36%）。同时，脱氢抗坏血酸还原酶（DHAR）和单脱氢抗坏血酸还原酶（MDHAR）活性在联合处理下分别提高260%和170%，表明抗坏血酸-谷胱甘肽（AsA-GSH）循环得到强化。
**3.7 类黄酮、酚类、可溶性糖和脯氨酸含量**
联合处理在镉胁迫下使类黄酮含量从8.96增至16.43 mg g?1 FW（提高106%），脯氨酸从11.10增至25.33 mg g?1 FW（提高125%）。在非胁迫条件下，200 μM DA单独施用使可溶性糖含量从7.93增至17.00 mg g?1 FW（提高114%），总酚含量从15.33增至29.00 mg g?1 FW（提高90%）。
**3.8 植物组织与残留土壤中的镉积累**
镉胁迫植株积累最高镉浓度，地上部达33 mg kg?1 DW，根部达80 mg kg?1 DW。CAP（6 kV，4 min）与DA联合处理使地上部镉浓度从33降至15 mg kg?1 DW（降低55%），根部从80降至32 mg kg?1 DW（降低60%）。残留土壤镉含量呈现相反趋势，联合处理组残留镉含量最高（85.33 mg kg?1 DW），而未经处理的镉胁迫组仅为30 mg kg?1 DW。
**3.9 多变量分析**
PCA解释了89.5%的总变异，其中PC1和PC2分别占64.4%和25.1%的方差。相关性分析将测定变量分为两个功能模块：生长相关模块（光合色素、RWC、株高、根长和生物量性状）和胁迫响应模块（镉积累、氧化胁迫标志物、抗氧化酶及其基因、脯氨酸、可溶性糖、类黄酮和酚类）。层次聚类显示，接受CAP与DA联合处理的植株与非胁迫对照聚类最为接近，表明联合处理部分恢复了镉毒性所扰乱的生理状态。
**四、讨论总结**
CAP处理引起的种子表面结构和理化性质改变是等离子体引发的最早期阶段，通过增加表面粗糙度、提高亲水性和促进萌发期间水分吸收，为幼苗建成和后续胁迫适应奠定了生理基础。DA则通过调控细胞氧化还原稳态、影响镉转运和解毒途径，与CAP形成功能互补。联合处理同时增强抗氧化酶活性及其基因表达，强化AsA-GSH循环，提高渗透调节物质积累，在转录和生化水平上协同激活抗氧化防御系统。联合处理下植物组织中镉积累降低而土壤残留镉增加，提示该处理可能在土壤-根界面限制了镉的获取而非仅在进入植物组织后进行解毒。尽管联合处理在人为设计的重度镉暴露条件下使镉积累降低55%以上，但残余镉浓度仍高于国际食品安全限值，研究结果应视为改善镉耐受性的机制证据而非食品安全确认。
**五、研究结论**
本研究表明，CAP与DA联合应用通过改善植物生长、保持光合性能、强化抗氧化防御、促进渗透调节和减少植物组织中的镉积累，有效增强了葫芦巴的镉耐受性。生理、生化、分子、超微结构和多变量分析的综合证据表明，CAP诱导的种子引发与DA介导的生理调控协同增强了植物对镉胁迫的适应能力。联合处理在人为严苛的实验体系中将镉积累降低了55%以上，但残余镉浓度仍高于国际食品安全限值。由于实验在持续镉施加的受控盆栽条件下进行，结果向田间条件的直接外推仍受限制。未来研究应在实际农业条件下验证CAP与DA联合策略，并进一步阐明调控镉转运和解毒的分子机制。总体而言，CAP与多巴胺的联合应用代表了一种有前景的环境友好型种子引发策略，可用于增强作物对污染农田中镉胁迫的抵抗力和减少镉吸收。
