外源水杨酸调节小麦对二氧化氮胁迫应答的初步研究

2016-03-31马群飞刘金洋

沈阳师范大学学报(自然科学版) 2016年1期

关键词：水杨酸脯氨酸逆境

刘阳, 马群飞, 刘金洋, 朱颖, 郝林

(沈阳师范大学生命科学学院, 沈阳 110034)

外源水杨酸调节小麦对二氧化氮胁迫应答的初步研究

刘阳, 马群飞, 刘金洋, 朱颖, 郝林

(沈阳师范大学生命科学学院, 沈阳 110034)

二氧化氮是一种主要的空气污染物,通过气孔进入植物叶片后快速转化为硝酸盐和亚硝酸盐,引发作物减产或品质下降。研究了外施水杨酸对小麦幼苗应答二氧化氮胁迫的调节作用,目的是减轻NO2对植物的伤害。供试水杨酸浓度为0.5 mM·L-1,NO2浓度为20 μl·L-1。NO2的暴露方法为:将10天龄的小麦幼苗置入密闭的玻璃熏气箱中,NO2气体由钢瓶输出,于玻璃瓶中与炭滤空气混合,通入熏气箱中。采用动式熏气,NO2浓度由烟气分析仪在线监测。每天熏气3 h,连续4 d。对照植株只通入炭滤空气。结果表明,该浓度NO2造成植物急性伤害,如生长速率显著降低、叶片变黄、叶尖死亡;电解质渗透率与丙二醛含量则显著升高。外施水杨酸有效减缓了NO2暴露引发的上述伤害症状。其作用机理至少与水杨酸处理提高叶片的可溶性糖、游离脯氨酸以及超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶活性有关。

二氧化氮; 小麦; 水杨酸

0 引言

在某些地区或特殊环境下空气中二氧化氮(NO2)浓度已对植物的生长和发育造成伤害。由于NO2进入植物体内快速转化并积累硝酸盐,引发一系列生理生化代谢紊乱、过量产生活性氧和活性氮等,因此造成农作物减产、粮食或叶菜类蔬菜品质下降[1-2]。基于此,提高植物(作物)对NO2暴露的耐受性或加快体内硝酸盐的代谢对提高产量或改善品质是十分重要的,但前提条件是要充分认识植物对NO2的耐受性机理。近年来,不断增加的证据显示,水杨酸在植物对逆境胁迫应答中起重要的调节作用,多数研究表明外施水杨酸可提高植物对逆境的耐受性,如干旱、盐胁迫、低温、重金属、臭氧等,并表现出多效的作用机理[3]。然而,有关水杨酸参与植物对NO2暴露的调节作用鲜见报道。前期研究表明,内源水杨酸高积累的拟南芥突变体植株显著提高对NO2暴露的耐受性[4],而外施水杨酸可明显减缓NO2暴露对小白菜的伤害,并降低体内硝酸盐的积累[5]。而在禾本科作物对NO2暴露应答的研究中,还未见水杨酸调节作用的报道。鉴于此,在本研究中分析了外源水杨酸对小麦幼苗应答NO2胁迫的调节作用。初步结果表明,叶面喷施一定浓度的水杨酸可有效减缓NO2暴露对植株的伤害,其作用机理至少与可溶性物质含量以及抗氧化酶活性提高有关。

1 材料与方法

1.1 植物材料与处理

供试植物春小麦“8160”(Triticum aestivum)由沈阳市三台子种子公司提供。种子经75%乙醇表面消毒,去离子水洗涤3次,播种于土表下0.5 cm处的塑料花盆中。培养基质为市售草炭土,培养条件为光照14 h,黑暗10 h,温度为光下25 ℃,黑暗20 ℃,相对湿度为75%。发芽3 d后选择生长整齐一致的幼苗定苗,再生长7 d后用于NO2熏蒸。水杨酸预处理在NO2熏蒸前1 d进行,具体方法为将幼苗的地上部分完全浸入至0.5 mM L-1的SA(Sigma产品)溶液(pH7.0)中,约2 min后取出,平放约1 h后直立。NO2熏蒸方法:将幼苗转移至自制的熏气箱(0.8 m× 0.8 m×0.8 m),NO2气体由钢瓶输出(原始浓度为2%),先通入至1 L的玻璃瓶中,同时通入炭滤空气稀释,通过流量计调节其通入量,以达到所需的NO2供试浓度20 μl·L-1。采用动式熏气,NO2浓度由烟气分析仪(SWG 300-1; MRU, Heilbronn, Germany)在线监测。在光照下每天熏气3 h,连续4 d。除文中特别说明外,熏气结束后立即收集样品,置于液氮中备用。

1.2 方法

1.2.1 植物生长的测定

取植株地上部分,滤纸吸干表面水分,称重,即为鲜重。将样品置于培养皿中,于80 ℃恒温箱烘干48 h,称重,即为干重。

1.2.2 生化指标检测

丙二醛含量和电解质渗透率的检测根据前文的描述进行[5];可溶性糖含量的测定采用蒽酮比色法[6],以已知浓度的葡萄糖溶液制作标准曲线;脯氨酸含量的测定采用Bates等的方法[7];抗氧化酶的提取方法见前文描述[5];超氧化物歧化酶(SOD;EC1.15.1.1)活性的检测按Beyer和Fridovich的方法[8]进行;过氧化物酶(POD;EC1.11.1.7)活性的测定根据Hemeda和Klein的方法[9]进行;过氧化氢酶(CAT;EC 1.11.1.6)活性的分析按Aebi的方法[10]进行。

1.2.3 统计学分析

文中每一个数据至少是3次独立实验的平均值,表示为平均值±标准差,显著性差异由SAS软件(SAS Institute, Cary, NC,USA)分析,P<0.05。

2 结果与讨论

2.1 对植物生长的影响

图1 NO2暴露及水杨酸预处理对植株表型的影响

本实验采用的NO2浓度(20 μl·L-1)引发小麦幼苗急性伤害,如叶片变黄、叶尖死亡(图1)。尽管NO2暴露仅在4 d内完成,但已造成了明显的植株生长迟缓,如叶片鲜重(FW)和干重(DW)显著低于对照(图2、图3)。然而,叶面SA预处理有效地减缓了NO2暴露引发的植株伤害(如图1),植物的生长抑制明显减缓,其干重甚至达到了对照水平(图3)。在本实验条件下,叶面SA处理对对照条件下(即只通入炭滤空气)植株的表型以及生长没有影响(图1～图3)。

图2 NO2暴露及水杨酸预处理对植株地上鲜重的影响

图3 NO2暴露及水杨酸预处理对植株地上干重的影响

图中数据为平均值±标准差,n=6,小写字母(如a、b等)表示具有显著性差异,下同。

当土壤缺氮时,空气中的NO2可作为植物的氮源促进其生长[2]。然而,当浓度过高时,如达到μl·L-1级则会对植物造成伤害。尽管正常环境条件下空气中的NO2浓度在μl·L-1级范围,但在某些特殊环境,如温室中,由于大量使用含氮化肥,在土壤微生物的作用下,释放出大量NO2气体,使其浓度达到数十μl·L-1级[2]。因此,本研究采用的NO2浓度有其实际意义。

2.2 对细胞膜完整性的影响

NO2暴露造成丙二醛含量和电解质渗透率显著升高,SA预处理起到了显著的保护性作用(图4、图5)。丙二醛是细胞膜脂质过氧化产物,当植物受到逆境胁迫时过量产生,该参数已成为评价逆境胁迫引发氧化伤害的重要指标。电解质渗透率是衡量细胞膜完整性的另一重要指标,当植物受到氧化胁迫伤害时,膜系统遭到破坏,引发胞内小分子物质外渗。

图4 NO2暴露及水杨酸预处理对植株丙二醛含量的影响

图5 NO2暴露及水杨酸预处理对植株电解质渗透率的影响

2.3 对可溶性糖和脯氨酸含量的影响

NO2暴露显著提高了小麦幼苗叶片的可溶性糖和游离脯氨酸含量,SA预处理进一步提高了二者的数值(图6、图7)。本研究也表明,SA预处理提高了正常条件下植株的可溶性糖和脯氨酸含量。在植物生长与代谢过程中,可溶性糖不仅被用作碳源和能源,还是重要的渗透调节物质以及信号转导物质[11]。大量的研究表明,植物受到各种逆境胁迫时体内积累可溶性糖,以此增强抗逆性[11]。在植物细胞中,游离脯氨酸具有生理作用多效性,如调节渗透平衡、维持蛋白质的稳定性、清除自由基等。许多研究表明,植物受到胁迫时体内合成并积累脯氨酸[12]。

图6 NO2暴露及水杨酸预处理对植株可溶性糖含量的影响

图7 NO2暴露及水杨酸预处理对植株脯氨酸含量的影响

2.4 对抗氧化酶活性的影响

NO2暴露降低了超氧化物歧化酶(SOD)活性(图8),但提高了过氧化物酶(POD)(图9)和过氧化氢酶(CAT)(图10)活性。SA预处理完全消除了NO2暴露引发的SOD活性降低,并且进一步大幅度地提高了POD和CAT活性。

抗氧化酶是生物有机体清除活性氧自由基的主要物质,因此也被普遍认为是植物抵抗逆境胁迫的重要机制。不断增加的证据表明,SA促进植物对逆境胁迫的耐受性与细胞内还原条件或氧化还原动态平衡的维持密切相关,其中重要的机理是维持细胞内活性氧的产生与清除之间的平衡[13]。在本研究中,SA预处理不仅对NO2胁迫下植株的SOD、POD和CAT活性有保护性影响,

也对正常生长条件下

图8 NO2暴露及水杨酸预处理对植株超氧化物歧化酶活性的影响

图9 NO2暴露及水杨酸预处理对植株过氧化物酶活性的影响

图10 NO2暴露及水杨酸预处理对植株过氧化氢酶活性的影响

植株的SOD和POD活性有显著的促进(图8和9图),这预示着SA预处理提高植物对NO2暴露的耐受性机理至少与抗氧化酶活性介导的活性氧清除有关。这一结论与以拟南芥SA相关突变体的研究结果相一致[4]。事实上,已有大量的研究表明,在植物对非生物逆境胁迫应答中,外源SA可激活抗氧化酶活性,如重金属[14]、NaCl[15]等,这预示着抗氧化酶参与的植物对逆境胁迫的耐受性是SA生物学作用的普遍性机理。

3 结论

本研究表明,20 μl·L-1的NO2熏气造成小麦幼苗急性伤害,表现为生长速率显著降低、叶片变黄、叶尖死亡,电解质渗透率与丙二醛含量则显著升高。外施水杨酸有效减缓了NO2暴露引发的上述伤害症状。其作用机理至少与水杨酸处理提高叶片的可溶性糖、游离脯氨酸以及超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶活性有关。进一步的研究拟从分子水平开展,如相关基因的时空表达特性等。

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Preliminary study on the regulatory role of exogenous salicylic acid in wheat seedling response to NO2stress

LIUYang,MAQunfei,LIUJinyang,ZHUYing,HAOLin

(College of Life Science, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China)