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[CX2]NaCl胁迫对萌发期甜高粱和春小麦生理生化特性的影响

2017-02-15刘海波魏玉清周维松邹程

江苏农业科学 2016年8期
关键词:抗氧化酶同工酶春小麦

刘海波+魏玉清+周维松++邹程

摘要:以甜高粱品种M81-E和春小麦品种宁春42号为试验材料,研究水培条件下5种不同浓度NaCl胁迫(0、50、100、150、200 mmol/L)对萌发期甜高粱和春小麦抗氧化酶SOD、POD、CAT、MDA、APX活性,研究有机渗透调节物质可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸含量变化的影响。研究结果:(1)NaCl胁迫下甜高粱和春小麦脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白质含量均随盐浓度升高而增加;(2)MDA含量与盐浓度和处理时间呈正相关,抗氧化酶活性随盐浓度升高呈先增加后降低的趋势,表现为低盐浓度促进、高盐浓度产生抑制作用;(3)萌发早期甜高粱同工酶P5条带消失、S3条带出现,春小麦同工酶P6、S4、S5条带出现、C1条带消失;(4)甜高粱与春小麦相比,在低盐(≤50 mmol/L)胁迫下甜高粱MDA、脯氨酸、可溶性糖含量与对照差异不显著,抗氧化酶活性显著高于对照。结果表明,NaCl胁迫下甜高粱、春小麦均能通过调整自身有机渗透调节物质、保护酶活性来保证细胞膜的完整性,维持细胞正常代谢,其中甜高粱表现出较强的耐盐性;同时在盐胁迫早期,甜高粱主要通过调控POD、SOD基因表达来提高其耐盐性,而春小麦主要通过POD、SOD、CAT基因表达来调控。

关键词:甜高粱;春小麦;丙二醛;渗透调节物质;抗氧化酶;同工酶

中图分类号: S514.01;S512.1+20.1文献标志码:

土壤盐渍化严重影响农业生产和生态环境,成为阻碍农牧业快速发展的因素之一。盐渍化土壤目前广泛分布于全世界100多个国家和地区,中国是世界盐碱地大国,各类盐渍土面积约3.46×107 hm2,耕地盐碱化面积7.6×106 hm2,约占总耕地面积的1/5。随着干旱频繁发生、化肥使用和灌溉农业的发展,次生盐碱地面积还在逐年扩大[1]。随着我国工业化进程不断发展,耕地资源日渐匮乏。盐渍化土地作为潜在土地资源受到各国科学家的重视。甜高粱作为新兴的糖料、饲料和绿色能源作物,具有抗旱、耐涝、耐盐的优良特性[2],因此盐碱地种植甜高粱得到大力推广,为此研究甜高粱抗盐性机制显的十分重要。盐胁迫降低土壤溶液水势,对植物造成渗透胁迫,可引发膜质过氧化作用,其中脂质氧化终产物丙二醛(MDA)在体外影响线粒体呼吸链复合物及线粒体内关键酶活性,MDA是膜脂过氧化最重要的产物之一,可通过MDA了解膜脂过氧化的程度,以间接测定膜系统受损程度以及植物的抗逆性;植物体为克服吸水困难,可通过调节渗透物质如蛋白质、可溶性糖、脯氨酸等调节细胞的渗透势,维持细胞膜和细胞结构的稳定;同时盐胁迫对植物有明显的毒害与胁变作用,使植物体内活性氧自由基大量积累,破坏膜结构,引起蛋白质和核酸等生物大分子变性,也能引起DNA结构的定位损伤[3]。在长期进化过程中,为了适应逆境胁迫,植物体形成了主要包括过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)等重要保护酶的酶促防御体系,它们能有效清除活性氧自由基,对于保护植物免遭逆境伤害有重要作用[4-5]。同工酶是指催化功能相同而結构及理化性质不同的一组特异性蛋白质,其酶谱差异主要由基因决定[6-7]。同工酶是基因表达的直接产物,具有较高的稳定性,可以直观地反映出品种间的基因差异,同工酶酶谱资料可作为物种鉴定以及研究植物分类、进化、遗传与变异的重要指标[8-9]。同工酶不仅与个体发育有关,也与对不同环境条件的适应抵抗能力有关。相关研究表明,植物在遭受逆境胁迫时,体内一些酶的同工酶会发生变化[10]。

本试验以甜高粱、春小麦为材料,对其萌发期盐胁迫下丙二醛含量,有机渗透调节物质可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸含量,抗氧化酶SOD、POD、CAT、APX活性,抗氧化酶同工酶进行了比较研究,希望通过与春小麦的比较研究,盐胁迫下甜高粱植株独特的渗透调节物质变化规律和抗氧化酶系统的响应机制,为探索甜高粱耐盐的生理生化机制提供理论依据。

1材料与方法

1.1材料

选用耐盐性甜高粱M81-E,辽宁省农业科学院高粱研究中心提供;春小麦宁春42号,北方民族大学生物科学与工程学院提供。

1.2方法

1.2.1种子预处理选择籽粒圆润饱满、成熟无病害、大小一致的甜高粱和春小麦种子,蒸馏水清洗数次,用10%的次氯酸钠溶液消毒20 min,蒸馏水冲洗5次,25 ℃蒸馏水中黑暗浸种吸胀4 h。

1.2.2种子培养用蒸馏水将NaCl分别配制成4种不同盐浓度溶液,分别为T1(50 mmol/L)、T2(100 mmol/L)、T3(150 mmol/L)、T4(200 mmol/L),以蒸馏水为对照。将吸胀后的种子置于放有2层滤纸直径为12 cm的玻璃培养皿中。每个培养皿放置30粒种子,分别加入蒸馏水及4种不同浓度NaCl溶液10 mL,重复3次,置于人工气候箱中培养催芽,昼—夜温度为28 ℃—25 ℃,湿度60%,及时补充溶液。

1.3测定方法

1.3.1酶液的制取称取0.5 g鲜叶,冰浴条件下加 0.1 mol/L Tris-HCl缓冲液(pH值8.0,每100 mL内含半胱氨酸0.073 g、维生素C 0.105 g、EDTA-Na2 0.075 g、甘油 10 mL、1 mol/L HCl 5.84 mL)2 mL,研磨至匀浆,然后在低温冷冻离心机中4 ℃、13 000 r/min 离心20 min,上清液即为酶提取液。

1.3.2生理指标测定分别于萌发后3、5、7 d取胚芽进行各项指标的测定,重复3次。丙二醛含量测定采用硫代巴比妥酸(TBA)比色法;脯氨酸含量测定采用酸性茚三酮法;可溶性糖含量测定采用蒽酮法;超氧化物歧化酶活性测定采用氮蓝四唑(NBT)光还原法,以抑制NBT光还原的50%作为一个酶活单位(U);过氧化物酶活性测定采用愈创木酚显色法,以每分钟内D470 nm变化为1个过氧化物酶活力单位(U);过氧化氢酶活性测定采用紫外吸收比色法,以每分钟内D240 nm变化0.01为1个酶活力单位(U);抗坏血酸过氧化物酶活性测定参考孙云的方法[11],以每分钟氧化1 μmol AsA的酶量作为1个酶活性单位(U);可溶性蛋白含量测定采用考马斯亮蓝法。

1.3.3同工酶分析对萌发后3 d的甜高粱、春小麦胚芽采用垂直平板聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)进行同工酶分析,分离胶浓度CAT为7.5%,POD、SOD、APX为10%,浓缩胶浓度为3%。 SOD同工酶染色采用四氮哇蓝(NBT)法[12]染色;POD同工酶染色采用联苯胺法[12]染色;CAT同工酶染色采用淀粉法[13]染色;APX同工酶染色参考邵巍等的方法[14-15]。

1.4数据统计

凝胶板染色后立即照相,根据胶板计算迁移率,迁移率=固定染色后凝胶中酶蛋白區带的迁移距离/固定染色中指示剂的迁移距离,然后根据记录进行分析。

数据采用3个重复的“平均值±标准误差”,采用SPSS 20.0进行数据分析,用Photoshop CS 2.0、GraphPad Prism 5.0 和 Microsoft Excel 2003进行数据处理与作图。

2结果与分析

2.1NaCl胁迫对甜高粱、春小麦萌发期渗透调节物质含量的影响

2.1.1脯氨酸含量NaCl胁迫下甜高粱脯氨酸含量高于春小麦(图1-A),说明萌发期甜高粱的耐盐性强于春小麦。甜高粱脯氨酸含量随盐浓度升高呈增加的趋势,低盐浓度(50 mmol/L)胁迫下处理组与对照差异不显著,中度、重度盐(≥100 mmol/L)胁迫下处理组与对照间差异显著;春小麦脯氨酸含量与甜高粱呈现不同的变化趋势,春小麦在低盐(50 mmol/L)胁迫下,脯氨酸含量高出对照108.93%~77627%,与对照差异显著,表明低浓度盐胁迫下甜高粱未受到伤害。

2.1.2可溶性糖含量NaCl胁迫下甜高粱、春小麦可溶性糖含量随盐浓度升高呈增加的趋势(图1-B),甜高粱在低盐(50 mmol/L)胁迫下处理组与对照差异不显著,中度、重度盐(≥100 mmol/L)胁迫下,处理组与对照间差异显著。春小麦低盐(50 mmol/L)胁迫下,在胁迫前期处理后3 d处理组与对照差异不显著,随处理时间延长,胁迫后期处理后5~7 d处理组与对照差异显著,表明低浓度盐胁迫下甜高粱未受到伤害。

2.1.3可溶性蛋白质含量NaCl胁迫下甜高粱、春小麦可溶性蛋白质含量随着处理时间的延长而逐渐降低(图1-C),在胁迫后期处理后7 d,蛋白质含量迅速下降,说明植株的正常代谢功能失调。与春小麦相比,甜高粱可溶性蛋白含量下降幅度较低,说明甜高粱可溶性蛋白的盐敏感性较低。甜高粱和春小麦可溶性蛋白含量随盐浓度增加而逐渐升高,表明盐胁迫显著增加可溶性蛋白含量。

2.2NaCl胁迫对萌发期甜高粱、春小麦MDA含量的影响

NaCl胁迫下甜高粱、春小麦MDA含量均随盐浓度升高呈增加的趋势(图1-D)。低盐浓度(50 mmol/L)胁迫下处理组与对照差异不显著,而春小麦MDA含量显著高于对照,说明轻度盐胁迫下,甜高粱耐盐性强于春小麦。在中度、重度盐盐浓度(≥100 mmol/L)胁迫下,随着胁迫时间的延长,甜高粱和春小麦MDA含量与对照均差异显著,说明随着盐浓度增加和胁迫时间的延长,甜高粱和春小麦膜透性受损严重,膜质过氧化加剧,抗逆性下降。

2.3NaCl胁迫对甜高粱、春小麦萌发期抗氧化酶活性的影响

2.3.1POD活性NaCl胁迫下甜高粱和春小麦POD活性随盐浓度升高呈先增加后降低的趋势(图2-A),甜高粱低盐浓度(50 mmol/L)胁迫下POD活性高出对照39.8%~161.0%,与对照差异显著;春小麦低盐浓度(50 mmol/L)胁迫与对照差异不显著;在中度、重度盐浓度(≥100 mmol/L)胁迫下,随着胁迫时间的延长,甜高粱、春小麦处理组显著低于对照,表明低盐胁迫能显著增加POD活性,高盐浓度胁迫抑制POD活性,且甜高粱比春小麦响应快。

2.3.2SOD活性NaCl处理下甜高粱、春小麦SOD活性随盐浓度升高而增加(图2-B),甜高粱低盐浓度(50 mmol/L)胁迫下CAT活性高出对照73.36%~171.12%,与对照差异显著;春小麦低盐浓度(50 mmol/L) 胁迫下与对照差异不显著,表明盐胁迫能显著增加SOD活性,甜高粱比春小麦响应较快。

2.3.3CAT活性NaCl处理下甜高粱、春小麦CAT活性随盐浓度增加呈先增加后降低的趋势(图2-C),甜高粱低盐浓度(50 mmol/L)胁迫下CAT活性高出对照84.67%~14103%,与对照差异显著,春小麦低盐浓度(50 mmol/L)胁迫下高出对照13.72%~80.85%,与对照差异显著;在中度、重度盐(≥100 mmol/L)胁迫下,随着胁迫时间的延长,甜高粱、春小麦处理组显著低于对照,说明低浓度盐胁迫显著增加CAT活性,中度、重度盐胁迫抑制CAT活性。

2.3.4APX活性NaCl处理下甜高粱、春小麦APX活性随盐浓度升高呈先增加后降低的趋势(图2-D),甜高粱低盐浓度[JP3](50 mmol/L)胁迫下APX活性高出对照27.56%~21305%,

与对照差异显著;春小麦低盐浓度(50 mmol/L)胁迫下,在胁迫初期处理后3~5 d高出对照135.76%~14333%,与对照差异显著,胁迫后期处理7 d与对照差异不显著;在中度、重度盐浓度(≥100 mmol/L)胁迫下,随着胁迫时间的延长,甜高粱、春小麦于胁迫后期处理 7 d 处理组显著低于对照;表明低浓度盐胁迫显著增加APX活性,中度、重度盐胁迫抑制APX活性。

2.4[JP3]NaCl胁迫对甜高粱、春小麦萌发期抗氧化酶同工酶的影响

对甜高粱、春小麦萌发第3天进行抗氧化同工酶测定,测定结果见图3。在POD同工酶方面,甜高粱处理组P6、P7、P8、P9条带与对照组比较色度加深,P5条带色度随处理浓度增加而变浅并逐渐消失;春小麦处理组P2、P3、P6条带色度与对照组比较加深,并出现新条带P9。在SOD同工酶方面,甜高粱处理组S2、S4条带与对照组比较色度明显加深,并出现新条带S3;春小麦处理组S3条带色度与对照组比较变深,并出现新的条带S4、S5。在 CAT同工酶方面,甜高粱C1、C2条带在(50 mmol/L)处理下色度最深、宽度最大;春小麦C1条带在200 mmol/L处理下较对照颜色浅,C2条带随处理浓度增加逐渐消失。在APX同工酶方面,甜高粱A1条带在 100 mmol/L 处理下色度最深,其他条带与对照组比较变化不明显;春小麦A1、A3条带颜色随盐浓度增加呈先加深后变浅趋势,在 100 mmol/L 处理下达最深。

3讨论与结论

3.1NaCl胁迫下甜高粱、春小麦有机渗透调节物质含量变化特征

脯氨酸是植物体内重要的渗透调节物质,具有维持细胞的渗透势、防止细胞脱水、稳定并保护生物大分子的结构等功能,脯氨酸含量的增加是植物适应盐渍环境的特征之一[16]。本试验结果表明,甜高粱、春小麦在NaCl胁迫下通过增加脯氨酸的含量来保持一定的含水量和膨压,维持细胞的正常生理功能,且积累量与胁迫时间和胁迫程度有关,说明甜高粱、春小麦都能有效积累脯氨酸提高抗盐能力;在低盐浓度 (≤50 mmol/L) 胁迫下甜高粱脯氨酸含量与对照无显著变化,表明正常生理未受到显著影响,而春小麦已受到伤害,表明甜高粱耐盐性强于春小麦。

可溶性糖是合成其他有机溶质的碳架和能量来源,同时对细胞膜、原生质胶体起稳定作用,对酶类起保护作用[17]。可溶性糖主要在胁迫的中后期才开始积累,与其他渗透调节物质相比表现出一定的滞后性,但糖的物理化学性质决定了它的渗透调节能力高于其他渗透调节物质[18]。本试验结果表明,甜高粱、春小麦在NaCl胁迫下可溶性糖含量升高,且在胁迫后期,处理后7 d不同处理组可溶性糖含量大量增加,表明长时间盐分胁迫状态下,可溶性糖在渗透调节中起主要作用;同时在低盐浓度(≤50 mmol/L)胁迫下甜高粱脯氨酸含量与对照无显著变化,表明甜高粱在低盐浓度胁迫下正常生理未受到显著影响。

可溶性蛋白含量的提高可帮助植物细胞保持较低的渗透势来抵抗水分胁迫导致的伤害,可溶性蛋白含量的多少是衡量植物总代谢水平的重要指标之一[19-20]。本试验结果与戴凌燕的研究结果[3]相一致,甜高粱、春小麦的可溶性蛋白含量随着盐胁迫程度的加剧呈增加的趋势。说明在盐胁迫初期植物体内的可溶性蛋白增加以增强渗透调节能力,而在盐胁迫后期,处理后7 d胁迫已超过其忍耐的阈值,其体内蛋白酶活性增加,水解加快,盐胁迫使RNA转录和翻译受到抑制,因而蛋白质含量降低。

3.2NaCl胁迫下甜高粱、春小麦丙二醛含量和保护酶系统变化特征

盐害不仅破坏植物细胞代谢,而且导致体内生理功能发生改变,自由基增加引发膜质过氧化作用,而膜质过氧化作用的最终产物之一就是MDA,其含量多少可作为细胞膜质损伤程度的参数和筛选植物抗逆品种的一个工具[21-22]。相关研究表明,盐胁迫下植物细胞膜透性增加,耐盐性较强的植物细胞膜稳定性强,膜透性增加较少,所受伤害较低,而耐盐性弱的植物则相反[23]。盐胁迫下本试验中甜高粱、春小麦MDA含量变化与姜慧等在甜高粱上的研究结论[24-26]相一致,表现为随盐胁迫程度增加而增加,說明盐胁迫使细胞膜受到损伤,损伤程度与盐处理浓度呈正相关;且在低盐浓度 (≤50 mmol/L) 胁迫下甜高粱MDA与对照差异不显著,表明甜高粱细胞膜质未受到损伤,耐盐性强于春小麦。

抗氧化酶是植物在逆境条件下防御自由基氧化损伤最重要的酶促系统[27]。SOD、CAT、POD、APX等是植物内源的活性氧清除剂,在逆境胁迫下只有保持较高的酶活性才能有效地清除活性氧,减少其对膜结构和功能的破坏。当植物受盐胁迫后,叶片中生成大量活性氧,SOD、CAT、POD、APX等抗氧化酶活性发生改变,在一定盐浓度胁迫下POD活性的增加伴随着CAT、SOD、APX增加或减少,表明抗氧化酶系统是相互协调的[28]。本试验结果表明,甜高粱、春小麦SOD、CAT、POD、APX活性随盐浓度升高呈先增加后降低的趋势,这与王秀玲等在甜高粱的研究结果[25]相一致。同时研究发现,在盐处理后期,甜高粱、春小麦中SOD、CAT、POD、APX对盐分胁迫的响应不尽相同,在中度、重度盐浓度(≥100 mmol/L)胁迫下CAT、POD、APX活性低于CK,而SOD活性高于CK,表明中度、重度盐胁迫下甜高粱、春小麦细胞膜虽然受到一定损伤,但未超过SOD活性的忍耐限度,仍具有较高的活性来清除氧自由基。在低盐浓度(≤50 mmol/L)胁迫下SOD、CAT、POD、APX活性均高于CK,说明甜高粱、春小麦在盐胁迫下具有较好的清除活性氧能力,轻度盐胁迫下主要靠4种抗氧化酶协同作用来清除自由基,共同抵御盐害,在中度、高度盐胁迫下主要靠SOD清除氧自由基。

3.3[JP3]NaCl胁迫下甜高粱、春小麦抗氧化酶基因表达的变化特征

同工酶作为基因表达的直接产物,具有很高的稳定性,是植物体内最活跃的酶之一,其合成和活性始终受到遗传基因的控制和调节。逆境引起基因变异而使酶活性及其结构发生改变,从而导致同工酶酶谱的变化[29]。本试验结果,盐胁迫下甜高粱、春小麦抗氧化酶同工酶的表达不尽相同,甜高粱同工酶P5条带消失、S3条带出现,表明甜高粱抗盐害主要受POD、SOD基因表达进行调控;春小麦同工酶P6、S4、S5条带出现、C1条带消失,表明其抗盐害主要受POD、CAT、SOD基因表达进行调控;说明盐胁迫使原来的一些同工酶合成被阻抑或降解,同时可能活化了某些基因或增加了某些基因的表达,甚至诱导某些基因产生新的谱带,预示着甜高粱、春小麦的抗盐害受抗氧化酶基因表达调控,盐胁迫浓度是抗盐害基因启动和增强的诱发因子。

综上所述,甜高粱、春小麦萌发期生理生化特性与盐胁迫关系密切,都能通过调整自身有机渗透调节物质来保证植物正常所需水分;提高保护酶活性,从而有效防止活性氧对植株造成的伤害来保证正常细胞代谢;同时甜高粱幼苗在低盐浓度胁迫下未受到伤害,对盐胁迫不敏感,其耐盐性强于春小麦。盐胁迫早期,甜高粱主要通过调控POD、SOD基因表达来提高其抗盐性,而春小麦主要通过调控POD、SOD、CAT基因表达。

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