鎘（Cd）是有毒的重金屬之一，主要由于自然和多種人為活動而成為主要的污染物。Cd容易被高等植物積累，從而嚴重抑制植物的光合作用、呼吸和氮代謝。隨著時間延長，就會觀察到鎘毒性的明顯癥狀，包括植物生長抑制，萎黃，壞死或程序性細胞死亡（PCD），甚至細胞死亡。如果任由Cd在農(nóng)作物中積累，則有毒的Cd會通過食物鏈對人類健康構(gòu)成嚴重威脅。Cd毒性與植物氧化應(yīng)激之間的緊密聯(lián)系表明，Cd毒性至少部分是由刺激活性氧（ROS）的產(chǎn)生而引起的，ROS可以改變抗氧化防御并引發(fā)氧化應(yīng)激。抗氧化劑網(wǎng)絡(luò)由酶系統(tǒng)和非酶成分組成。酶系統(tǒng)包括超氧化物歧化酶（SOD），愈創(chuàng)木酚過氧化物酶（POD），過氧化氫酶（CAT），抗壞血酸過氧化物酶（APX）和谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）等，主要參與維持植物細胞中細胞氧化還原穩(wěn)態(tài)。同樣，在鎘脅迫下植物細胞中激活的各種解毒過程中，植物螯合素絡(luò)合鎘和液泡中的分隔等都起著非常重要的作用。最重要的是，谷胱甘肽（GSH）的維護在上述過程中起著核心作用，因此對于植物對重金屬的耐受性很重要。例如，使用鎘處理的苜蓿植物的熒光探針對細胞進行成像，證實過氧化物的積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）的消耗會導(dǎo)致氧化還原失衡，甚至導(dǎo)致細胞壞死。
 

最近的研究表明，氫氣（H2）是至關(guān)重要的生理物質(zhì)調(diào)節(jié)分子，具有抗氧化、抗炎和抗凋亡保護作用，對動物細胞和器官都具有保護作用。盡管尚不完全了解H2的主要分子靶標，但H2作用的主要機理可能與優(yōu)先清除羥基和過氧亞硝酸根自由基，從而減少對兩種自由基對膜脂以及DNA的氧化損傷。細菌，綠藻和高等植物對H2的代謝也已有多年報道。隨后的文獻表明，這種氣體可以影響種子發(fā)芽，并改善農(nóng)作物的生長性能。最近，人們對H2對植物生理的影響，特別是在脅迫條件下的影響，重新引起了興趣。研究結(jié)果表明，H2可以作為重要的氣體分子，在水稻，擬南芥和苜蓿植物的鹽分和百草枯暴露反應(yīng)中減少各種脅迫對農(nóng)作物的損傷。

 

基于此，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院沈文颷團隊通過使用富氫水（HRW）預(yù)處理來表征H2在緩解苜蓿植物中Cd毒性方面的生理作用和分子機制。此研究結(jié)果表明，以10％飽和度添加HRW可以顯著降低Cd引起的硫代巴比妥酸反應(yīng)性物質(zhì)（TBARS）的含量，并抑制Cd毒性癥狀的出現(xiàn)，包括改善根伸長和幼苗生長。這些反應(yīng)與代表性抗氧化劑酶或其相應(yīng)轉(zhuǎn)錄物或同工酶活性的顯著增加有關(guān)。通過體內(nèi)活性氧（ROS）成像，脂質(zhì)過氧化的檢測和質(zhì)膜完整性檢測可進一步證明HRW能夠顯著提高植物對Cd的耐受性，這與還原/氧化（同型）谷胱甘肽（（h）GSH）比例的顯著提高相一致。此外，經(jīng)HRW預(yù)處理的植物積累的Cd較少。這項研究表明，使用HRW可能是Cd解毒的有效方法，可以在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中進行探索。

 

圖形數(shù)據(jù)
 

1、富氫水（HRW）預(yù)處理對鮮重的影響
 

HRW改善根系生長并抑制Cd吸收。
 

HRW可降低Cd誘導(dǎo)的ROS生成和氧化應(yīng)激。
 

HRW激活暴露于Cd的根中的抗氧化酶活性。
 

抗氧化酶基因的轉(zhuǎn)錄水平。
 

重新建立谷胱甘肽穩(wěn)態(tài)。