褪黑素提高拟南芥对纳米氧化锌胁迫的耐受性

摘要

[目的]随着纳米材料的广泛应用及其向环境中的释放，其对动植物生长发育的影响日益显著。褪黑素（N-乙酰-5-甲氧基色胺）在调控植物生理活动中发挥重要作用，但其调节植物对金属纳米颗粒胁迫的生理与分子机制尚不明确。本研究旨在探明外源褪黑素缓解氧化锌纳米颗粒（nZnO）胁迫的生理与分子机制，为深入理解植物对纳米颗粒毒性响应的分子机理提供理论基础。[方法]本研究以模式植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）为材料，采用药理学和分子生物学等方法，探究外源褪黑素（10、50和100μmol/L）缓解nZnO胁迫（20 mg/L）的生理与分子机制。[结果]（1）与对照相比，20 mg/L nZnO处理后，主根生长被抑制了38.7%，而侧根原基数增加了14.5%。外源褪黑素未显著影响主根生长，但显著缓解了nZnO对主根生长的抑制作用。在nZnO胁迫下，补充50μmol/L褪黑素后，侧根原基数增加了38%，表明褪黑素改善了nZnO胁迫下的根系生长。（2）nZnO胁迫显著增加了根尖活性氧水平。补充10、50和100μmol/L褪黑素后，根部H₂O₂含量分别降低了28.6%、46.4%和32.1%。丙二醛（MDA）含量在nZnO胁迫下显著增加，而补充3种浓度褪黑素后，MDA含量分别降低了34.9%、30.2%和39.5%，表明褪黑素显著缓解了nZnO胁迫引起的氧化损伤。RT-qPCR分析结果表明，外源褪黑素显著诱导了抗氧化酶基因CSD2和CAT3的表达。抗氧化酶活性检测结果表明，与单独nZnO处理相比，补充50μmol/L褪黑素显著提高了超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性，分别增加了77.7%和73.0%。（3）褪黑素处理显著提高了叶绿素含量。与单独nZnO处理相比，补充10和50μmol/L褪黑素分别使叶绿素含量增加了97.7%和79.1%。（4）外源褪黑素提高了参与养分和离子吸收相关基因的表达，但抑制了乙烯合成与信号途径相关基因的表达，因而缓解了nZnO胁迫导致的衰老和生长抑制。[结论]褪黑素提高了拟南芥对nZnO胁迫耐受性，结果可为深入探明褪黑素缓解植物纳米颗粒毒害的分子机理提供理论支持。

关键词

褪黑素 / 氧化锌纳米颗粒 / 根系 / 活性氧 / 生长发育