PEG脅迫下高羊茅幼苗幾個生理生化指標的變化

程 玲

(長江大學長江中游濕地農業教育部工程研究中心,湖北荊州434025)

邱永福,劉 兵,田志宏

(長江大學生命科學學院,湖北荊州434025)

高羊茅 (Festuca arundinacea Schreb.)又名葦狀羊茅、高牛尾草,系禾本科羊茅屬,屬多年生冷季型草。它因成坪綠度良好、耐踐踏性強、抗病抗蟲和耐熱性好等性狀而被廣泛應用于各種草坪的建植[1,2]。目前,對高羊茅的研究主要集中在3個方面:一是形態學方面,主要研究高羊茅品種的植株形態結構特征以及種植表現[3,4];二是生理生化方面,主要探討高羊茅在逆境條件下生理生化指標的特征及變化規律[5,6];三是分子生物學方面,主要集中在高羊茅種質資源的評價以及基因定位、克隆和遺傳轉化等方面的研究[7～9]。深入地開展高羊茅在各種逆境條件下生理生化性狀的研究,無疑為提高或拓寬該草種的利用價值提供科學的理論依據。已有的研究比較了不同冷季型草坪草在干旱條件下生理和生化方面的變化。例如,馬智宏等[10]對幾種主要的冷季型草坪草以電解質滲出率、超氧化物歧化酶及葉片含水量等指標進行抗旱性比較,得出的結果與前人研究大致相同。王曉榮等[6]用PEG溶液脅迫處理,將根重、根長/芽長、根長和電導率作為指標來研究高羊茅不同品種的抗旱性差異。但在干旱脅迫下,高羊茅品種植株體內的可溶性糖和蛋白質以及氧化酶類活性等指標的變化規律研究較少。因此,本研究以PEG模擬干旱條件,比較4個高羊茅品種在PEG脅迫處理4 d后幼苗體內可溶性糖和蛋白質以及幾種氧化酶類活性等指標的變化規律,以期為抗旱性高羊茅品種的篩選提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗所用的高羊茅品種由北京中種草業有限公司和北京克勞沃種業有限公司提供,品種分別是 ‘拂浪'(Fine lawn)、‘千年盛世'(Millennium)、‘雅典娜'(Athena)和 ‘貝殼'(Shell)。

1.2 試驗方法

選取飽滿且大小一致的高羊茅種子消毒后,均勻播種在裝有3/4體積細河沙的0.5 L塑料碗中,每個品種設3個重復。塑料碗底部用解剖針扎2排小孔,且所用河沙預先要用自來水沖洗干凈。播種后將種子置室溫為23～25℃的培養室內,每天光照時間11 h,出芽前每天上午澆水1次,以碗底部有滲水為標準。出芽后,每碗留苗18～20株,每5 d施1次Hoagland營養液,其間用自來水代替。當幼苗生長21 d后,對每個高羊茅品種的2個重復作干旱處理,即用濃度為15%(W/V)的PEG-6000溶液代替自來水培養植株,第3個重復作為對照處理,即仍用自來水培養植株。在PEG脅迫處理4 d后,剪取10株幼苗的地上部分 (包括莖和葉片)用于測定各項生理生化指標。試驗所有數據均采用各指標的平均值。各指標的測定參照鄒琦[11]的方法進行,即采用苯酚法測定可溶性糖含量;采用考馬斯亮藍法測定蛋白質含量;采用磺基水楊酸法測定游離脯氨酸含量;采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛 (MDA)含量;采用氮藍四唑光化還原法測定超氧化物歧化酶 (SOD)活性;采用愈創木酚法測定過氧化物酶(POD)活性;采用高錳酸鉀滴定法測定過氧化氫酶 (CAT)活性。

2 結果與分析

2.1 PEG脅迫下幼苗體內可溶性糖和蛋白質含量的變化

可溶性糖是調節細胞滲透勢的主要物質之一,它可提高植物的細胞液濃度,增加滲透勢,提高植物的吸水能力進而提高植物對干旱的適應性。從圖1(a)可以看出,在對照植株中,4個品種植株中的可溶性糖含量基本一致。PEG脅迫后,‘拂浪'植株中可溶性糖的含量上升,與對照植株 (即未用PEG脅迫處理的同一品種植株)相比增加了21.0%;而 ‘千年盛世'、‘雅典娜'和 ‘貝殼'植株中可溶性糖的含量與對照相比均下降,分別下降了10.6%、45.4%和7.5%。可見,在PEG脅迫下,不同高羊茅品種幼苗體內可溶性糖含量的變化差異較大。‘拂浪'幼苗中可溶性糖含量增加,這可能有利于提高其細胞液濃度而增強它對干旱脅迫的適應性。

從圖1(b)可知,在未脅迫處理下,4個高羊茅品種幼苗中的蛋白質含量存在差異。PEG脅迫處理后,與對照植株相比較,‘雅典娜'和 ‘貝殼'植株中蛋白質的含量分別增加了35.0%和19.5%;‘拂浪'植株在對照和脅迫處理中可溶性蛋白質含量基本不變;但 ‘千年盛世'植株在脅迫處理后蛋白質含量下降了14.1%。可見,在PEG脅迫后,不同高羊茅品種幼苗體內的蛋白質含量變化很大。

圖1 PEG脅迫下高羊茅品種幼苗中可溶性糖和蛋白質含量的變化

2.2 PEG脅迫下幼苗體內游離脯氨酸含量的變化

由圖2可知,在未脅迫處理中,4個高羊茅品種的植株中游離脯氨酸含量均較低,分布在3.5～5.7μg/g之間。當PEG脅迫處理4 d后,4個品種的植株中游離脯氨酸含量明顯增加。其中,‘拂浪'和 ‘千年盛世'植株中的游離脯氨酸含量比對照增加了2.5倍和3.4倍;而 ‘雅典娜'和 ‘貝殼'也分別增加了1.7倍和0.6倍。此結果表明,PEG脅迫處理對高羊茅幼苗的細胞膜系統造成了傷害,導致其體內會積累較多的游離脯氨酸,但不同品種的幼苗中積累的脯氨酸含量不同。

2.3 PEG脅迫下幼苗體內MDA含量的變化

由圖3可知,在未脅迫處理下,4個高羊茅品種的植株中MDA含量變化較小,分布在5.2～56.9μmol/g鮮重之間。當PEG脅迫處理4 d后,4個品種的植株中MDA含量均上升。其中,與對照植株相比,＇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 ‘貝殼'植株中也分別增加了35.2%,20.3%和26.2%。這些數據分析表明,PEG脅迫處理后,高羊茅植株中MDA含量的變化規律與游離脯氨酸一致,即脅迫處理可能對幼苗體內的器官或組織產生一定的傷害,導致植株中積累這些物質,但不同品種中積累的量有差別。

圖2 PEG脅迫下高羊茅品種的幼苗中游離脯氨酸含量的變化

圖3 PEG脅迫下高羊茅品種的幼苗中丙二醛 (MDA)含量的變化

2.4 PEG脅迫下幼苗體內SOD,POD和CAT酶活性的變化

從圖4(a)可知,在對照中,‘雅典娜'和 ‘貝殼'植株中SOD酶活性維持在較高水平,分別為139.7 U/g鮮重和155.5 U/g鮮重;而 ‘拂浪'和 ‘千年盛世'植株中SOD酶活性較低,分別為74.3 U/g鮮重和81.0 U/g鮮重。在PEG脅迫處理4 d后,‘拂浪'和 ‘千年盛世'植株中的SOD酶活性上升,分別比對照增加了64.6%和31.0%;而 ‘貝殼'植株中SOD酶活性非常低,僅為對照植株的9.9%;‘雅典娜'植株中的SOD酶活性為對照植株的61.0%。以上結果表明,PEG脅迫后,‘拂浪'和 ‘千年盛世'植株體內的SOD酶活性增強,這可能可以加速活性氧自由基的清除,提高其抗氧化水平。

圖4 PEG脅迫下高羊茅品種的幼苗中SOD、POD和CAT酶活性的變化

從圖4(b)可以看出,在PEG脅迫處理4 d后,高羊茅品種 ‘拂浪'植株中POD酶活性上升,比對照植株增加了36.1%。其它3個品種的植株中POD酶活性比對照植株均有所增加,但增加量較小。在未脅迫處理植株中,4個高羊茅品種的植株中CAT酶活性基本相同。經PEG脅迫處理4 d后,它們的CAT酶活性均上升。其中,‘拂浪'植株中CAT酶活性上升幅度最大,比對照上升了96.1%;‘千年盛世'、‘雅典娜'和 ‘貝殼'比對照植株分別上升了41.4%、29.9%和31.4%(圖4(c))。由此可見,PEG脅迫處理后會導致高羊茅品種植株體內CAT酶活性上升。

3 討論

在逆境脅迫下,植物體內會通過合成或降解更多的可溶性糖和蛋白質來提高細胞內溶質濃度,進而增加細胞的滲透勢并提高植物對逆境的適應性。但這種代謝平衡在不同的植物體內持續的時間是有差異[12,13]。本研究結果表明,在PEG脅迫處理4 d后,不同高羊茅品種的幼苗體內可溶性糖和蛋白質含量的變化差異較大。其中,‘千年盛世'植株中可溶性糖和可溶性蛋白質含量在脅迫處理后均下降;‘雅典娜'植株中可溶性糖含量下降,蛋白質含量上升;而 ‘拂浪'植株中可溶性糖含量上升,蛋白質含量變化較小。這種變化規律表明,不同高羊茅品種的幼苗中可溶性糖和蛋白質對PEG脅迫4 d后的響應差異很大,不易比較它們的應對這種逆境性能的差異。若需要采用這2個指標來衡量高羊茅品種的抗旱性差異,可能還需進一步比較該指標在不同的脅迫處理時間后的變化規律。

逆境脅迫如干旱或高鹽等對植物細胞的重要影響之一就是降低細胞膜的完整性,進而影響膜的通透性和可溶性物質的含量,通常用MDA含量的變化來衡量細胞膜的完整性。同樣,植物體內的游離脯氨酸也作為一種重要的滲透調節物質,可以有效地降低細胞滲透勢,維持膨壓,保證體內生理生化過程的正常運行。已有研究表明,在高溫或干旱條件下,植株體內往往會積累高水平的MDA和脯氨酸含量[14,15]。在本研究中,4個高羊茅品種的幼苗在PEG脅迫處理4 d下,它們體內的MDA和游離脯氨酸含量均增加 (圖2和圖3)。可見,脅迫處理對幼苗體內的細胞結構產生了一定的破壞作用。這一結果也與其它植物中同類研究結果類似,進而也表明植物體內游離脯氨酸或MDA含量的變化可以作為植物抗旱性的重要檢測指標之一[16]。

逆境脅迫也可以誘導植物體內產生氧化脅迫,產生的非脂性超氧物自由基 (O2-、OH)對細胞產生毒害作用。植物體內的SOD處于抵御這種傷害的 “第一道防線”,它可以將活性氧歧化成H 2O2[17]。高羊茅品種 ‘拂浪'和 ‘千年盛世'在PEG脅迫4 d后,幼苗體內的SOD酶活性上升,而 ‘貝殼'和‘雅典娜'幼苗體內的SOD酶活性下降 (圖4(a))。這可能也表明 ‘拂浪'和 ‘千年盛世'具有更強的應對干旱脅迫的能力。但當H2O2的累積過量時會加劇膜脂過氧化作用,造成植株整體膜損傷,這時體內的POD和CAT可以作為細胞內有害物質H2O2的清除劑。在本研究的4個高羊茅品種中,它們體內的POD和CAT在PEG處理4 d后活性均增強 (圖4(b)和4(c))。但同時也有研究表明,在逆境脅迫下植物體內SOD,POD或CAT等酶活性會上升,但隨著脅迫持續的時間不同,不同植物體內的這些酶的活性變化有差異,這也恰好表明不同植物對逆境的適應能力的差異[12,13,16]。

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