单长卷,张妍妍,代海芳,贺杰,赵元增

（河南科技学院生命科技学院,河南新乡453003）

冬小麦是我国的主要粮食作物之一,在其生长发育过程中经常受到水分短缺的影响.在我国,每年都有大面积的冬小麦产区因旱灾减产.因此,利用外源物质提高冬小麦的抗旱性,对指导冬小麦抗旱栽培管理具有重要的生产意义.

大量研究表明,干旱胁迫对冬小麦的伤害与其造成的过氧化胁迫具有密切关系.为了对抗逆境造成的过氧化胁迫,植物体具备一套适应逆境的抗氧化系统[1].抗坏血酸和谷胱甘肽是植物抗氧化系统的重要组成部分,在抵御过氧化胁迫中发挥着重要作用[2].植物体内抗坏血酸和谷胱甘肽含量及其氧化还原状态受其合成及循环代谢的调控,故抗坏血酸和谷胱甘肽合成及循环代谢构成了植物抗氧化代谢的重要组成部分.因此,研究外源物质调控干旱下抗坏血酸和谷胱甘肽合成及循环代谢的生理机制,可以为外源物质在冬小麦抗旱栽培管理中的应用提供理论依据.

镧是一种重要的稀土元素,在调控植物生长发育方面具有重要作用.众多证据表明,镧能够提高植物对盐害和干旱等逆境的抗性[3-5].在小麦上,已有研究表明,镧可以增强盐胁迫、金属及干旱逆境下小麦幼苗的抗性[6-8].我们前期的研究也表明,镧可以促进干旱胁迫下冬小麦种子的萌发和生长,提高干旱胁迫下冬小麦幼苗的存活率,可以通过增强抗氧化系统而提高冬小麦幼苗的抗旱性[9].但到目前为止,镧调控干旱下冬小麦抗坏血酸和谷胱甘肽合成及循环代谢的生理机制尚未完全揭示,尚不能全面系统地阐明镧调控冬小麦抗氧化代谢的机制.因此,从抗坏血酸和谷胱甘肽合成及循环代谢的角度研究镧调控冬小麦抗旱性的机制,不但可以系统地揭示镧调控冬小麦抗氧化代谢的生理机制,还可以为镧在冬小麦抗旱生产栽培上的应用提供理论基础.

本研究以百农207幼苗为研究对象,采用溶液培养的方法,研究硝酸镧调控冬小麦抗坏血酸和谷胱甘肽合成与循环代谢的生理机制,以期阐明镧提高冬小麦抗氧化代谢的机制,进而为其作为抗旱剂在冬小麦抗旱生产栽培中的应用提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 材料培养及处理

挑选大小均匀、籽粒饱满的冬小麦百农207种子100粒,用质量分数为0.1%的HgCl2溶液浸泡20 min进行常规消毒,用蒸馏水冲洗并在蒸馏水中浸泡24 h,然后转移至培养皿中,加入适量蒸馏水在培养箱中进行发芽与幼苗培养.培养箱白天和晚上的温度分别设为25℃和15℃,每天光照时间为12 h,光照强度为500μmol/m2s,相对湿度为60%.待幼苗长至一叶一心时,挑选生长情况基本一致的幼苗转入二分之一荷格伦特营养液中进行培养.待幼苗长至两叶一心时,挑选生长情况基本一致的幼苗进行处理.试验共设6种处理,即二分之一荷格伦特营养液处理（对照）、10%PEG处理、10μmol/L La（NO3）3+10%PEG处理、30 μmol/L La（NO3）3+10%PEG 处理、60 μmol/LLa（NO3）3+10%PEG 处理和 100 μmol/LLa（NO3）3+10%PEG处理.在 10 μmol/L La（NO3）3+10%PEG 处理、30 μmol/L La（NO3）3+10%PEG 处理、60 μmol/L La（NO3）3+10%PEG 处理和 100 μmol/L La（NO3）3+10%PEG 处理中,先用不同浓度的 La（NO3）3预处理 12 h,然后转入10%PEG中进行处理.每个处理5株幼苗,均重复3次.处理3 d后,分别测定各处理下冬小麦幼苗叶片的各项生理指标.

1.2 测定方法

APX和GR活性根据Grace和Logan的方法测定[10],MDHAR活性根据Miyake和Asada的方法测定[11],DHAR活性根据Dalton等的方法测定[12],上述4种酶均以吸收值每分钟变化0.01为一个酶活力单位.γ-ECS和GalLDH根据Tabata等的方法测定[13-14],以每分钟氧化1 nmol L-半乳糖内酯为一个GalLDH酶活力单位,以每分钟产生1μmol依赖半胱氨酸的PO43-为一个γ-ECS酶活力单位.AsA和总抗坏血酸含量参照Hodges等的方法测定[15],GSH和总谷胱甘肽含量参照Griffith等的方法测定[16].根据测定的AsA和总抗坏血酸含量计算出DHA含量,进而计算AsA和DHA的比值,即为抗坏血酸的氧化还原状态.根据测定的GSH和总谷胱甘肽含量计算出GSSG含量,进而计算GSH和GSSG的比值,即为谷胱甘肽的氧化还原状态.MDA含量和膜透性参照张志良等的方法测定[17].

1.3 数据处理

采用SAS软件对所得数据进行处理,在α=0.05水平上进行差异显著性分析.

2 结果与分析

2.1 对AsA-GSH循环代谢酶活性的影响

不同浓度硝酸镧对干旱下冬小麦幼苗叶片AsA-GSH循环代谢酶活性的影响结果见表1.

表1 不同浓度硝酸镧对干旱下冬小麦幼苗叶片AsA-GSH循环代谢酶活性的影响Tab.1 Effectsof different concentrationsof La（NO3）3on theactivities of enzymesin AsA-GSH cyclein the leavesof winter wheat seedlingsunder drought stress

由表1可知,与对照相比,干旱显著提高了AsA-GSH循环代谢酶APX、GR、DHAR和MDHAR活性,这说明冬小麦幼苗可以通过增强自身AsA-GSH循环代谢而提高其抗旱性.与干旱处理相比,不同浓度的硝酸镧均可以显著提高冬小麦幼苗叶片AsA-GSH循环代谢酶APX和GR活性；而对DHAR和MDHAR活性而言,10、30和60μmol/L硝酸镧均可以显著提高其活性,但100μmol/L硝酸镧对二者活性无显著影响.这说明,干旱条件下,10、30和60μmol/L硝酸镧均可以通过增强APX、GR、DHAR和MDHAR活性进而提高冬小麦抗旱性,而100μmol/L硝酸镧只能通过增强APX和GR活性提高抗旱性.

2.2 对抗坏血酸和谷胱甘肽合成代谢关键酶活性的影响

不同浓度硝酸镧对干旱下冬小麦幼苗叶片抗坏血酸和谷胱甘肽合成代谢关键酶活性的影响结果见表2.

表2 不同浓度硝酸镧对干旱下冬小麦幼苗叶片抗坏血酸和谷胱甘肽合成代谢关键酶活性的影响Tab.2 Effects of different concentrations of La（NO3）3 on theactivities of key enzymesresponsiblefor the biosynthesis of ascorbate and glutathione in theleavesof winter wheat seedlings under drought stress

由表2可知,与对照相比,干旱显著提高了抗坏血酸合成代谢关键酶GalLDH活性和谷胱甘肽合成代谢关键酶γ-ECS活性,这说明冬小麦幼苗可以通过增强自身抗坏血酸和谷胱甘肽合成代谢能力而提高其抗旱性.与干旱处理相比,不同浓度的硝酸镧均可以显著提高冬小麦幼苗叶片抗坏血酸合成代谢关键酶GalLDH活性和谷胱甘肽合成代谢关键酶γ-ECS活性.这说明,干旱条件下,10、30、60和100μmol/L硝酸镧均可以进一步增强抗坏血酸和谷胱甘肽合成代谢能力.

2.3 对AsA、总抗坏血酸、GSH和总谷胱甘肽含量的影响

不同浓度硝酸镧对干旱下冬小麦幼苗叶片还原型抗坏血酸、总抗坏血酸、还原型谷胱甘肽和总谷胱甘肽含量的影响结果见表3.

表3 不同浓度硝酸镧对干旱下冬小麦幼苗叶片还原型抗坏血酸、总抗坏血酸、还原型谷胱甘肽和总谷胱甘肽含量的影响Tab.3 Effects of different concentrationsof La（NO3）3 on thecontents of AsA,total ascorbate,GSH and total glutathione in the leavesof winter wheat seedlings under drought stress

由表3可知,与对照相比,干旱显著提高了AsA、总抗坏血酸、GSH和总谷胱甘肽含量,说明冬小麦幼苗可以通过增强自身抗氧化物质AsA和GSH含量而提高其抗旱性.与干旱处理相比,不同浓度的硝酸镧均可以显著提高冬小麦幼苗叶片AsA、总抗坏血酸、GSH和总谷胱甘肽含量.这说明,干旱条件下,10、30、60和100μmol/L硝酸镧均可以通过增加抗氧化物质AsA和GSH含量而提高抗旱性.

2.4 对干抗坏血酸和谷胱甘肽氧化还原状态的影响

不同浓度硝酸镧对干旱下冬小麦幼苗叶片抗坏血酸和谷胱甘肽氧化还原状态的影响结果见表4.

表4 不同浓度硝酸镧对干旱下冬小麦幼苗叶片抗坏血酸和谷胱甘肽氧化还原状态的影响Tab.4 Effects of different concentrations of La（NO3）3 on theratiosof AsA/DHA and GSH/GSSGin the leaves of winter wheat seedlings under drought stress

由表4可知,与对照相比,干旱显著降低了AsA/DHA和GSH/GSSG,这说明干旱对冬小麦幼苗造成了过氧化伤害,从而降低了抗坏血酸和谷胱甘肽的氧化还原状态.与干旱处理相比,不同浓度的硝酸镧均可以显著提高冬小麦幼苗叶片AsA/DHA和GSH/GSSG.说明干旱条件下,10、30、60和100μmol/L硝酸镧均可以提高抗坏血酸和谷胱甘肽的氧化还原状态,进而提高冬小麦抗旱性.

2.5 对MDA含量和EL的影响

不同浓度硝酸镧对干旱下冬小麦幼苗叶片MDA和H2O2含量的影响结果见表5.

表5 不同浓度硝酸镧对干旱下冬小麦幼苗叶片MDA和H2O2含量的影响Tab.5 Effectsof different concentrationsof La（NO3）3 on the contentsof MDA and H2O2 in the leavesof winter wheat seedlings under drought stress

由表5可知,与对照相比,干旱显著提高了MDA含量和EL值,这进一步说明干旱对冬小麦幼苗造成了过氧化伤害.与干旱处理相比,不同浓度的硝酸镧均可以显著降低冬小麦幼苗叶片MDA含量和EL值.这说明,干旱条件下,10、30、60和100μmol/L硝酸镧均可以缓解干旱对冬小麦造成的过氧化伤害.

3 结论与讨论

本文研究表明,干旱对冬小麦会造成过氧化伤害,从而导致抗坏血酸和谷胱甘肽氧化还原状态的降低,破坏了冬小麦自身的氧化还原平衡,这与胡程达等[18]的研究结果一致.为了缓解干旱对冬小麦造成的过氧化伤害,外源物质常常作为生产栽培中的一种抗旱剂被用来调控冬小麦的抗氧化能力.

镧是一种重要的稀土元素,已有研究表明镧可以提高冬小麦的抗旱性[19].但到目前为止,镧调控抗氧化物质AsA和GSH的生理机制尚未完全揭示.我们前期的研究表明,氯化镧可以提高干旱下冬小麦抗坏血酸和谷胱甘肽循环代谢酶APX、GR和DHAR活性,进而提高抗氧化物质AsA和GSH含量[9].本研究表明,硝酸镧也可以增强干旱下抗坏血酸和谷胱甘肽循环代谢酶APX、GR和DHAR活性.此外,硝酸镧还可以增强抗坏血酸和谷胱甘肽循环代谢酶MDHAR活性以及合成代谢酶GalLDH和γ-ECS的活性,从而进一步提高抗氧化物质AsA和GSH含量,进而提高抗坏血酸和谷胱甘肽的氧化还原状态,维持干旱下冬小麦自身的氧化还原平衡,增强其抗旱性.