PEG胁迫下高羊茅幼苗几个生理生化指标的变化

1 材料与方法

1.1材料

试验所用的高羊茅品种由北京中种草业有限公司和北京克劳沃种业有限公司提供，品种分别是‘拂浪’(Fine lawn)、‘千年盛世’(Millennium)、‘雅典娜’(Athena)和‘贝壳’(Shell)。

1.2试验方法

选取饱满且大小一致的高羊茅种子消毒后，均匀播种在装有3/4体积细河沙的0.5 L塑料碗中，每个品种设3个重复。塑料碗底部用解剖针扎2排小孔，且所用河沙预先要用自来水冲洗干净。播种后将种子置室温为23～25 ℃的培养室内，每天光照时间11 h，出芽前每天上午浇水1次，以碗底部有渗水为标准。出芽后，每碗留苗18～20株，每5 d施1次Hoagland营养液，其间用自来水代替。当幼苗生长21 d后，对每个高羊茅品种的2个重复作干旱处理，即用浓度为15%(W/V)的PEG-6000溶液代替自来水培养植株，第3个重复作为对照处理，即仍用自来水培养植株。在PEG胁迫处理4 d后，剪取10株幼苗的地上部分(包括茎和叶片)用于测定各项生理生化指标。试验所有数据均采用各指标的平均值。各指标的测定参照邹琦[11]的方法进行，即采用苯酚法测定可溶性糖含量；采用考马斯亮蓝法测定蛋白质含量；采用磺基水杨酸法测定游离脯氨酸含量；采用硫代巴比妥酸法测定丙二醛(MDA)含量；采用氮蓝四唑光化还原法测定超氧化物歧化酶(SOD)活性；采用愈创木酚法测定过氧化物酶(POD)活性；采用高锰酸钾滴定法测定过氧化氢酶(CAT)活性。

2 结果与分析

2.1PEG胁迫下幼苗体内可溶性糖和蛋白质含量的变化

可溶性糖是调节细胞渗透势的主要物质之一，它可提高植物的细胞液浓度，增加渗透势，提高植物的吸水能力进而提高植物对干旱的适应性。从图1(a)可以看出，在对照植株中，4个品种植株中的可溶性糖含量基本一致。PEG胁迫后，‘拂浪’植株中可溶性糖的含量上升，与对照植株(即未用PEG胁迫处理的同一品种植株)相比增加了21.0%；而‘千年盛世’、‘雅典娜’和‘贝壳’植株中可溶性糖的含量与对照相比均下降，分别下降了10.6%、45.4%和7.5%。可见，在PEG胁迫下，不同高羊茅品种幼苗体内可溶性糖含量的变化差异较大。‘拂浪’幼苗中可溶性糖含量增加，这可能有利于提高其细胞液浓度而增强它对干旱胁迫的适应性。

从图1(b)可知，在未胁迫处理下，4个高羊茅品种幼苗中的蛋白质含量存在差异。PEG胁迫处理后，与对照植株相比较，‘雅典娜’和‘贝壳’植株中蛋白质的含量分别增加了35.0%和19.5%；‘拂浪’植株在对照和胁迫处理中可溶性蛋白质含量基本不变；但‘千年盛世’植株在胁迫处理后蛋白质含量下降了14.1%。可见，在PEG胁迫后，不同高羊茅品种幼苗体内的蛋白质含量变化很大。

图1 PEG胁迫下高羊茅品种幼苗中可溶性糖和蛋白质含量的变化

2.2PEG胁迫下幼苗体内游离脯氨酸含量的变化

由图2可知，在未胁迫处理中，4个高羊茅品种的植株中游离脯氨酸含量均较低，分布在3.5～5.7 μg/g之间。当PEG胁迫处理4 d后，4个品种的植株中游离脯氨酸含量明显增加。其中，‘拂浪’和‘千年盛世’植株中的游离脯氨酸含量比对照增加了2.5倍和3.4倍；而‘雅典娜’和‘贝壳’也分别增加了1.7倍和0.6倍。此结果表明，PEG胁迫处理对高羊茅幼苗的细胞膜系统造成了伤害，导致其体内会积累较多的游离脯氨酸，但不同品种的幼苗中积累的脯氨酸含量不同。

2.3PEG胁迫下幼苗体内MDA含量的变化

由图3可知，在未胁迫处理下，4个高羊茅品种的植株中MDA含量变化较小，分布在5.2～56.9 μmol/g鲜重之间。当PEG胁迫处理4 d后，4个品种的植株中MDA含量均上升。其中，与对照植株相比，'拂浪'植株中MDA含量上升幅度最大，增加了90.4%；‘千年盛世’、‘雅典娜’和‘贝壳’植株中也分别增加了35.2%，20.3%和26.2%。这些数据分析表明，PEG胁迫处理后，高羊茅植株中MDA含量的变化规律与游离脯氨酸一致，即胁迫处理可能对幼苗体内的器官或组织产生一定的伤害，导致植株中积累这些物质，但不同品种中积累的量有差别。

图2 PEG胁迫下高羊茅品种的幼苗中游离脯氨酸含量的变化图3 PEG胁迫下高羊茅品种的幼苗中丙二醛(MDA)含量的变化

2.4PEG胁迫下幼苗体内SOD，POD和CAT酶活性的变化

从图4(a)可知，在对照中，‘雅典娜’和‘贝壳’植株中SOD酶活性维持在较高水平，分别为139.7 U/g鲜重和155.5 U/g鲜重；而‘拂浪’和‘千年盛世’植株中SOD酶活性较低，分别为74.3 U/g鲜重和81.0 U/g鲜重。在PEG胁迫处理4 d后，‘拂浪’和‘千年盛世’植株中的SOD酶活性上升，分别比对照增加了64.6%和31.0%；而‘贝壳’植株中SOD酶活性非常低，仅为对照植株的9.9%；‘雅典娜’植株中的SOD酶活性为对照植株的61.0%。以上结果表明，PEG胁迫后，‘拂浪’和‘千年盛世’植株体内的SOD酶活性增强，这可能可以加速活性氧自由基的清除，提高其抗氧化水平。

图4 PEG胁迫下高羊茅品种的幼苗中SOD、POD和CAT酶活性的变化

从图4(b)可以看出，在PEG胁迫处理4 d后，高羊茅品种‘拂浪’植株中POD酶活性上升，比对照植株增加了36.1%。其它3个品种的植株中POD酶活性比对照植株均有所增加，但增加量较小。在未胁迫处理植株中，4个高羊茅品种的植株中CAT酶活性基本相同。经PEG胁迫处理4 d后，它们的CAT酶活性均上升。其中，‘拂浪’植株中CAT酶活性上升幅度最大，比对照上升了96.1%；‘千年盛世’、‘雅典娜’和‘贝壳’比对照植株分别上升了41.4%、29.9%和31.4%(图4(c))。由此可见，PEG胁迫处理后会导致高羊茅品种植株体内CAT酶活性上升。

3 讨论

在逆境胁迫下，植物体内会通过合成或降解更多的可溶性糖和蛋白质来提高细胞内溶质浓度，进而增加细胞的渗透势并提高植物对逆境的适应性。但这种代谢平衡在不同的植物体内持续的时间是有差异[12，13]。本研究结果表明，在PEG胁迫处理4 d后，不同高羊茅品种的幼苗体内可溶性糖和蛋白质含量的变化差异较大。其中，‘千年盛世’植株中可溶性糖和可溶性蛋白质含量在胁迫处理后均下降；‘雅典娜’植株中可溶性糖含量下降，蛋白质含量上升；而‘拂浪’植株中可溶性糖含量上升，蛋白质含量变化较小。这种变化规律表明，不同高羊茅品种的幼苗中可溶性糖和蛋白质对PEG胁迫4 d后的响应差异很大，不易比较它们的应对这种逆境性能的差异。若需要采用这2个指标来衡量高羊茅品种的抗旱性差异，可能还需进一步比较该指标在不同的胁迫处理时间后的变化规律。

逆境胁迫如干旱或高盐等对植物细胞的重要影响之一就是降低细胞膜的完整性，进而影响膜的通透性和可溶性物质的含量，通常用MDA含量的变化来衡量细胞膜的完整性。同样，植物体内的游离脯氨酸也作为一种重要的渗透调节物质，可以有效地降低细胞渗透势，维持膨压，保证体内生理生化过程的正常运行。已有研究表明，在高温或干旱条件下，植株体内往往会积累高水平的MDA和脯氨酸含量[14，15]。在本研究中，4个高羊茅品种的幼苗在PEG胁迫处理4 d下，它们体内的MDA和游离脯氨酸含量均增加(图2和图3)。可见，胁迫处理对幼苗体内的细胞结构产生了一定的破坏作用。这一结果也与其它植物中同类研究结果类似，进而也表明植物体内游离脯氨酸或MDA含量的变化可以作为植物抗旱性的重要检测指标之一[16]。

逆境胁迫也可以诱导植物体内产生氧化胁迫，产生的非脂性超氧物自由基(O2-、OH)对细胞产生毒害作用。植物体内的SOD处于抵御这种伤害的“第一道防线”，它可以将活性氧歧化成H2O2[17]。高羊茅品种‘拂浪’和‘千年盛世’在PEG胁迫4 d后，幼苗体内的SOD酶活性上升，而‘贝壳’和‘雅典娜’幼苗体内的SOD酶活性下降(图4(a))。这可能也表明‘拂浪’和‘千年盛世’具有更强的应对干旱胁迫的能力。但当H2O2的累积过量时会加剧膜脂过氧化作用，造成植株整体膜损伤，这时体内的POD和CAT可以作为细胞内有害物质H2O2的清除剂。在本研究的4个高羊茅品种中，它们体内的POD和CAT在PEG处理4 d后活性均增强(图4(b)和4(c))。但同时也有研究表明，在逆境胁迫下植物体内SOD，POD或CAT等酶活性会上升，但随着胁迫持续的时间不同，不同植物体内的这些酶的活性变化有差异，这也恰好表明不同植物对逆境的适应能力的差异[12，13，16]。

[1]邱永福，田志宏.湖北江汉平原冷季型草坪草的抗性研究[J].草业科学，2005，22(9)：77～80.

[2]韩烈保，杨碚，邓菊芬.草坪草种及其品种[M].北京：中国林业出版社，1999.186～187.

[3]邱永福，田志宏.湖北江汉平原冷地型草坪草的坪用特性研究[J].草业科学，2006，123(12)：98～102.

[4]余高镜，王耀立，郭玉春，等.外引高羊茅草种的生物学特性研究[J].草原与草坪，2003，(5)：42～45.

[5]Jiang Y W, Huang B R. Protein alterations in tall fescue in response to drought stress and abscisic acid [J]. Crop Sci, 2002, 42: 202～207.

[6]王晓荣，周禾.高羊茅不同品种生长初期抗旱性的比较研究[J].四川草原，2001，(4)：25～29.

[7]田志宏，邱永福，严寒，等.用RAPD标记分析高羊茅的遗传多样性[J].草业学报，2007，16(1)：58～63.

[8]王小利，刘晓霞，杨义成，等.高羊茅光周期调控基因CONSTANS的克隆与分析[J].分子植物育种，2010，8(1)：45～52.

[9]黄锦文，骆娟，陈冬梅，等.低温胁迫下高羊茅抑制消减文库的构建与分析[J].中国生态农业学报，2009，17(6)：1162～1167.

[10]马智宏，李征.冷季型草坪草耐旱及耐寒性比较[J].草地学报，2002，(4)：318～321.

[11]邹琦.植物生理学实验指导[M].北京：中国农业出版社，2000.110～112，129～130，161～174.

[12]程玲，邱永福，田志宏.不同温度对马蹄金生理生化特性的影响[J].四川草原，2004，(10)：23～26.