碱胁迫对黑麦草幼苗根系活性氧代谢和渗透溶质积累的影响

碱胁迫对黑麦草幼苗根系活性氧代谢和渗透溶质积累的影响

刘建新 王 鑫 王瑞娟 李东波

(陇东学院生命科学与技术学院/甘肃省高校陇东生物资源保护与利用省级重点实验室,庆阳 745000)

摘 要 为了探讨牧草对碱胁迫的耐受程度,采用营养液砂培方法,研究了不同浓度NaHCO3(0、50、100、150和200mmol#L-1)胁迫对黑麦草幼苗根系生长、活性氧代谢和渗透溶质积累的影响。结果表明:NaHCO3胁迫显著抑制黑麦草幼苗根系的生长,其抑制程度随胁迫浓度提高而增强,黑麦草可耐受的最高NaHCO3浓度约为150mmol#L-1。随着NaHCO3胁迫浓度的增加,黑麦草根中超氧阴离子(O2#)、过氧化氢(H2O2)和丙二醛(MDA)含量明显上升,超氧化物歧化酶(SOD)活性和谷胱甘肽(GSH)含量显著下降,过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性及抗坏血酸(ASA)含量先升后降。黑麦草根中Na+含量随NaHCO3浓度增大而增加,K+含量和K+/Na+比降低,可溶性糖含量先升后降,脯氨酸含量则先降后升,游离氨基酸含量呈先升后降再升高变化。表明碱胁迫导致的活性氧代谢失调和Na+、K+失衡及积累有机溶质进行渗透调节时更多能量的消耗可能是黑麦草根系生长受抑的重要因素。

关键词 碱胁迫;黑麦草;活性氧代谢;渗透溶质

中图分类号:S543+.6 文献标识码:A 文章编号:1673-5102(2011)06-0674-06

EffectsofAlkalineStressontheMetabolismofReactiveOxygenSpeciesand

OsmoticaAccumulationinRyegrassSeedlingRoots

LIUJian2Xin WANGXin WANGRui2Juan LIDong2Bo

(CollegeofLifeScienceandTechnology,LongdongUniversity/UniversityProvincialKeyLaboratoryforProtectionandUtilizationofLongdongBio2resourcesinGansuProvince,Qingyang 745000)

Abstract Toexplorethetolerantextentofryegrassseedlingstoalkalinestress,ryegrassseedlingswereexposed

-1

toHoagland.snutrientsolutionwithNaHCO3added(0,50,100,150,200mmol#L),andtheeffectsofNaHCO3stressonthegrowthofroots,metabolismofreactiveoxygenspecies(ROS)andosmoticaaccumulationinrootswerestudiedbyasandycultureingreenhouse.Theresultsshowed:Alkalinestresshadsignificantlyin2hibitoryeffectsontherootsgrowthofryegrassseedlings,theinhibitionwasaggravatedwiththeincreasingof

-1

NaHCO3concentration,themaximumconcentrationforryegrassinresistancetoalkalinestresswas150mmol#L.WithincreasingNaHCO3stress,thecontentsofO2#,H2O2andMDAintheseedlingrootsincreaseddramatical2ly,superoxidedismutase(SOD)activityreducedandglutathione(GSH)contentsdecreasedsignificantly,theactivitiesofcatalase(CAT),peroxidase(POD),andascorbateperoxidase(APX)aswellasascorbicacid

+

(AsA)contentfirstincreasedandthendecreased.TherootNacontentincreasedsignificantlywithincreasing

+++

NaHCO3concentration,whilerootKcontentandK/Naratiowereinadverse,solublesugarcontentfirstin2creasedandthendecreased,prolinecontentfirstdecreasedandthenincreased,freeaminoacidcontentfirstin2creased,thendecreasedandincreasedagain.Alltheaboveresultsindicatedthatalkalinestresscausedtheim2

++

balanceofROSmetabolismandthedisturbanceofNaandKhomeostasisintherootsofryegrassseedlings,andconsumedmoreenergyforosmoticadjustmentbyaccumulatingorganicsolutes,whichmightpartlyleadtoitsgrowthinhibitionunderalkalinestress.

Keywords alkalinestress;ryegrass;metabolismofreactiveoxygenspecies;osmotica

基金项目:甘肃省庆阳市科技支撑计划项目(GK09821234)

第一作者简介:刘建新(1964)),男,教授,主要从事植物逆境生理与细胞信号转导研究。收稿日期:2011-03-12

6期刘建新等:碱胁迫对黑麦草幼苗根系活性氧代谢和渗透溶质积累的影响675

土壤盐碱化已成为世界性环境问题和农牧业发展的重要限制因素。在全球约1.5@10hm土地中有23%的盐土和37%的苏打土

[1]

9

2

Oupec的种子(购自百绿集团北京代理处)消毒、洗净后,播种于装有珍珠岩的塑料盆内(20cm@20cm),浇足水后置培养室培养。培养室昼/夜温度为(28?3)e/(21?2)e,每天光照约12h,平均

-2-1

光强约620Lmol#m#s,相对湿度60%~75%。出苗后每隔2d浇1次1/2Hoagland营养液,常规管理。待幼苗二叶一心时,每盆选留150株生长一致的健壮幼苗。三叶一心时,分别用含有0(ck)、50、100、150、200mmol#LNaHCO3的Ho2agland溶液进行处理,重复4次。NaHCO3处理液每天递增50mmol#L,各处理于同一天达到设定浓度,然后每天以设定浓度的处理液浇灌,浇灌量为珍珠岩持水量的2倍以洗掉积盐,保持各处理浓度的恒定。处理7d后取幼苗根系样品,用液氮速冻后-80e超低温冰箱保存,用于测定有关生理指标。

1.2 测定指标与方法

1.2.1 根系生物量测定和生长分析

每处理取30株幼苗称量根系鲜质量后,105e杀青15min,70e烘干至恒重,称量干质量。用LA1600(+)扫描仪扫描根系图像,用WinRHIZO图像分析软件分析根长、根表面积、根体积和根直径。

1.2.2 生理指标测定

采用硫代巴比妥酸法测定丙二醛(MDA)含量

[12]

-1

-1

。盐土和苏

打土分布于100多个国家,约占可耕地面积的

[2]

10%。由于土壤碱化往往与盐化相伴发生,所以,通常将土壤中盐分的增加笼统地称为/土壤盐碱化0。盐碱土中可溶性盐分的阳离子主要有++2+2+-2-Na、K、Ca、Mg等,阴离子主要是Cl、SO4、HCO3、CO3等

-2-[3]

。为研究方便,通常将NaCl和

Na2SO4等中性盐胁迫称为盐胁迫,而将NaHCO3和Na2CO3等碱性盐胁迫称为碱胁迫。与盐胁迫相比,碱胁迫不仅引起植物离子胁迫,还引起高pH胁迫,因而生态破坏力更大。因此,研究植物对碱胁迫的响应机制对改良利用盐碱土资源具有重要意义。然而,近年来有关植物耐盐性的研究多集中在NaCl胁迫,而对NaHCO3、Na2CO3胁迫涉及相对较少。研究表明,碱胁迫下枸杞幼苗可溶性蛋白质和可溶性糖含量降低,质膜透性增加的增幅大于NaCl胁迫

[8]

[6]

[5]

[4]

;

NaHCO3胁迫下黄瓜叶片脯氨酸和可溶性糖含量

;碱胁迫对盐地碱蓬

[7]

和

玉米活性氧清除系统和离子均衡的破坏远大于盐胁迫;小冰麦在碱胁迫下积累有机酸是保持体内离子平衡和pH稳定的关键因素

[3]

[9]

。研究已证

明,碱胁迫与盐胁迫实质上是两种既相关但又有本质区别的不同性质的胁迫。根系是植物遭受盐碱胁迫时首先并直接产生伤害的器官。根系环境较高的pH不仅改变矿质离子的赋存状态

[10]

;O2#产生速率参照王爱国和罗广华

[14]

[13]

的方

,

法测定;H2O2含量按林植芳等

[12]

的方法测定;可

还会影响根系的生理功能,甚至导致根系结构的

[4]

破坏。

黑麦草是目前我国栽培面积最大的禾本科优质牧草,但盐碱胁迫仍是限制其生长发育的主要逆境因子,尤其对耐盐性较低的苗期伤害更大。以往对黑麦草耐盐性的研究大都集中在耐盐品种的筛选和对NaCl胁迫伤害的机制探讨上,对其耐碱性的研究目前还不多见。我国西部许多黑麦草种植区的土壤中NaHCO3的含量远高于Na2CO3。因此,本试验研究了多年生黑麦草幼苗根系生长、活性氧代谢和渗透溶质积累对NaHCO3胁迫的响应,旨在了解黑麦草对碱胁迫的耐受程度及其生理机制,为黑麦草的高产栽培提供理论依据。

[11]

溶性蛋白质和可溶性糖含量分别用考马斯亮蓝法和蒽酮法测定;脯氨酸含量用酸性水合茚三酮

[12]

法测定;超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性及抗坏血酸(AsA)、谷胱甘肽(GSH)含量按陈建勋和王晓峰

[15][16]

的方法测定。Na、K

++

含量按王宝山和赵可夫的方法浸提,火焰光度计测定。各指标测定重复3次。1.3 数据统计分析

采用SPSS18.0软件方差分析,SSR法检验差异显著性(p<0.05)。

2 结果与分析

2.1 碱胁迫对黑麦草幼苗根系生长的影响从表1可见,碱胁迫显著抑制黑麦草根系的生长,且随着NaHCO3浓度的增加,抑制程度增强。与对照相比,不同浓度NaHCO3胁迫下黑麦草单株1 材料与方法

1.1 材料培养和试验处理

将多年生黑麦草(LoliumperenneL.)品种676 植 物 研 究 31卷

根系鲜质量、干质量、总长、总表面积和总体积分别下降了10.4%~60.9%、8.5%~54.9%、6.3%~52.8%、8.1%~56.9%和6.5%~44.4%,但平均根径却有所增加,其中100~200mmol#LNaH2CO3处理的平均根径显著高于对照。另外,从表观

-1

上看,150和200mmol#L

-1

NaHCO3胁迫下黑麦

草根系受害明显,表现为新根生长受抑,老根变褐、变黑以至死亡,胁迫7d后死亡率分别达到48.3%和56.8%。由此可知,黑麦草可耐受的最高NaH2CO3浓度约为150mmol#L。

-1

表1 NaHCO3胁迫对黑麦草单株幼苗根系生长的影响

Table1 EffectsofNaHCO3stressonthegrowthofryegrassseedlingroots

NaHCO3浓度NaHCO3concentration(mmol#L-1)

ck50100150200

鲜质量Freshmass(mg#plant-1)0.386?0.012a0.346?0.008ab0.292?0.005b0.221?0.010c0.151?0.006d

干质量Drymass(mg#plant-1)0.071?0.004a0.065?0.008ab0.056?0.007b0.044?0.005c0.032?0.005d

总长Totallength(cm)91.75?4.21a85.93?3.28a71.42?4.62b56.03?2.58c43.28?3.84d

总表面积Totalarea(cm2)43.78?0.79a40.24?0.56ab35.92?1.14b27.44?0.83c18.85?1.01d

总体积Totalvolume(dm3)1.24?0.04a1.16?0.05a1.02?0.05b0.85?0.03c0.69?0.04d

平均根径Averagediameter

(mm)0.531?0.005b0.536?0.003b0.642?0.006a0.651?0.004a0.634?0.004a

注:同列不同字母表示差异显著(p<0.05)

Note:Differentlettersinthesamecolumnmeantsignificantdifferenceatp<0.05.

2.2 碱胁迫对黑麦草幼苗根系MDA、O2#和H2O2含量的影响

O2#和H2O2是引发膜脂过氧化重要的活性氧。MDA是膜脂过氧化的产物,其含量与细胞膜系统的伤害程度密切相关。图1显示,随着NaH2CO3处理浓度的增加,黑麦草幼苗根系MDA和H2O2含量及O2#产生速率明显增加,当处理浓度达到100mmol#L及其以上浓度时与对照的差异显著,表明碱胁迫导致黑麦草根中活性氧积累并

-1

引发膜脂过氧化。

2.3 碱胁迫对黑麦草幼苗根系抗氧化系统的影响

图2显示,与对照相比,碱胁迫下黑麦草幼苗根系SOD活性和GSH含量明显下降。CAT、POD、APX活性和AsA含量随碱胁迫强度增大呈先升后降变化,50~150mmol#L

-1

-1

NaHCO3处理时CAT、

POD和APX活性和AsA含量高于对照,当NaHCO3浓度为200mmol#L时CAT、POD活性和AsA含量显著低于对照,APX活性与对照无明显差异。

图1 NaHCO3胁迫对黑麦草幼苗根系MDA、H2O2含量和O2#产生速率的影响 图中不同字母表示处理间差异显著(p<0.

05),下同。

Fig.1 EffectsofNaHCO3stressonthecontentsofMDA,H2O2andO2#productionrateinryegrassseedlingroots Bars

withdifferentlettersmeantsignificantdifferenceamongtreatmentsat0.05level.Thesameasbelow.

2.4 碱胁迫对黑麦草幼苗根系可溶性糖、脯氨酸和游离氨基酸含量的影响

-1

图3所示,与对照相比,50mmol#LNaHCO3

胁迫下,黑麦草根中可溶性糖含量明显增加;随着NaHCO3胁迫浓度的增加其含量迅速降低,但100和150mmol#L浓度时仍高于对照,200mmol#L

-1

-1

6期刘建新等:碱胁迫对黑麦草幼苗根系活性氧代谢和渗透溶质积累的影响

+

+

677

+

NaHCO3时已低于对照。脯氨酸含量在50和100mmol#L

-1

2.5 碱胁迫对黑麦草根中Na、K含量及K/Na比的影响

由图4可见,随着NaHCO3胁迫浓度的增大,黑麦草幼苗根中Na含量不断提高,K含量逐渐

++-1

下降,导致K/Na比迅速降低。在200mmol#LNaHCO3时的Na含量增至对照的1.14倍,K含量和K/Na比分别降至对照的61.0%和5317%,差异达显著水平。

+

+

+

+

+

+

+

NaHCO3时低于对照,150mmol#L

-1

-1-1

-1

浓度时显著升高,200mmol#L时又降至对照水

NaHCO3胁迫

平。游离氨基酸含量在50mmol#L低于对照,在200mmol#L于对照。

-1

下较对照显著提高,100和150mmol#L浓度时明显

NaHCO3时又显著高

678 植 物 研 究 31卷

图4 NaHCO3胁迫对黑麦草根中Na+、K+含量和K+/Na+比的影响

Fig.4 EffectsofNaHCO3stressonthecontentsofNa+,K+andtheK+/Na+ratioinryegrassseedlingroots

3 讨论

3.1 碱胁迫对黑麦草根系活性氧代谢的影响活性氧是需氧生物在代谢过程中产生的中间

物。正常情况下,植物依靠抗氧化系统使活性氧的产生和清除保持一种动态的平衡,不会对细胞造成伤害。当碱胁迫时,活性氧会大幅增加。但体内抗氧化系统的变化常因处理方式、植物种类等的不同差异很大,甚至出现相反的趋势

[6,17]

[5]

行渗透调节是植物抵御盐碱胁迫的重要机

[5~10]制。盐碱胁迫下植物通常会大量积累Na

+[3,8]

,并且将Na区隔化到液泡中使细胞质免

+

受伤害。在细胞质中常会积累可溶性糖、脯氨酸、多元醇等一些低分子量的细胞相容性物质来维持渗透平衡

+

[18~19]

[18]

。另外,植物在积累Na的同时

[6,8]

+

+

会抑制K的吸收。因此,维持较高的K/+

Na比,也是衡量植物耐盐碱的重要指标。本试验中,随着NaHCO3胁迫强度的增加,黑麦草根系在积累Na的同时K的吸收受到抑制,从而使K/++

Na比降低。因为K对很多酶功能的发挥具有重要作用,细胞内过低的K/Na比将会直接导致植株代谢的紊乱,从而影响植株的生长发育

[20]

+

+

+

+

+

。本试验

中,黑麦草在NaHCO3胁迫下,根系SOD活性和GSH含量显著降低(图2),说明它们对碱胁迫较为敏感。这与张丽平等

[6]

的结果不尽一致,可能与

-1

材料和处理浓度不同有关。在50mmol#LNaH2CO3胁迫下,虽然SOD活性和GSH含量明显降低,但CAT、POD活性和AsA含量的显著提高及维持不变的APX活性有效维持了活性氧代谢的平衡(图2),并未引起膜脂的过氧化(图1);100和150mmol#LNaHCO3胁迫时,尽管CAT、APX活性和AsA含量显著高于对照及POD活性维持在对照水平,但未能阻止O2#和H2O2的积累,导致膜脂过氧化加剧,MDA含量增加。这与刘强等

[17]

-1

。黑

麦草根系总长、总表面积和总体积及鲜、干质量随NaHCO3浓度增加而下降(表1)即证明了这一点。可溶性糖、脯氨酸和游离氨基酸等是植物细胞重要的有机渗透溶质,其积累量与渗透胁迫的强度密切

[3]

相关。碱胁迫下枸杞叶片和根系可溶性糖含量显著降低,在渗透调节中未能发挥有效的调节作用

[5]

。小冰麦茎叶中脯氨酸、甜菜碱和有机酸含

[3]

在南蛇藤

上的研究结果类似。说明碱胁迫造成了黑麦草根

中活性氧代谢的紊乱。当NaHCO3浓度为200mmol#L

-1

量随碱胁迫强度增大而提高。本试验表明,黑麦

-1

草根中可溶性糖和游离氨基酸含量在50mmol#LNaHCO3胁迫下较对照显著提高(图3),说明此胁迫强度时两者在细胞渗透调节中起重要作用。此后,随着碱胁迫强度的进一步增大,两者含量迅速下降,但可溶性糖含量在100和150mmol#L

-1

时,黑麦草根中抗氧化系统活性明显降

低(图2),造成活性氧大量积累和MDA含量进一步增加(图1)。可见,碱胁迫引起活性氧代谢的失调,从而造成膜系统的伤害,这可能是黑麦草根系生长受抑的重要原因之一。

3.2 碱胁迫对黑麦草根系离子均衡和渗透溶质积累的影响

维持体内离子的相对均衡和积累渗透溶质进NaHCO3时仍显著高于对照,游离氨基酸含量已明显低于对照(图3),表明此胁迫强度下可溶性糖可能发挥着更为重要的渗透调节功能。200mmol#L

-1

NaHCO3胁迫下,可溶性糖维持在对照水平,而游离氨基酸却较对照显著增加,这可能是高碱胁迫导6期刘建新等:碱胁迫对黑麦草幼苗根系活性氧代谢和渗透溶质积累的影响

[5]

679

致蛋白质降解加强渗透调节的表现

-1

。脯氨酸含

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量只有在150mmol#LNaHCO3下较对照明显提高,其它碱胁迫强度下均低于对照或与对照无明显差异(图3),并且与可溶性糖和游离氨基酸相比其

含量较小。因此,可以认为脯氨酸在碱胁迫下黑麦草根系渗透调节中的作用不大。可见,黑麦草根系在不同强度碱胁迫下主要的渗透溶质有所不同。然而,合成有机溶质进行渗透调节需要消耗更多的能量,这可能也是导致碱胁迫下黑麦草根系生物量下降的又一重要因素。

综上所述,黑麦草在NaHCO3胁迫下,根系的生长明显受到抑制,其原因可能是多方面的,但与碱胁迫引起的活性氧清除能力下降引发膜脂过氧化、Na、K均衡遭到破坏和积累有机溶质进行渗透调节需要更多能耗等可能有密切关系,但具体机制尚需进一步研究。

+

+

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