Na2CO3脅迫對水稻幼苗光合、熒光及抗氧化酶的影響

李 嬌，卜 寧，辛世剛，羅 爽，李雪梅

（1.沈陽師范大學 化學與生命科學學院，沈陽 110034；2.沈陽師范大學 實驗教學中心，沈陽 110034）

0 引 言

土壤的鹽化和堿化嚴重影響全球93 200萬公頃土地，使亞洲約10 000萬公頃土地生產力降低［1］。預計到2050年，將有超過50%的耕地會變得鹽堿化［2］。水稻屬于不耐鹽的甜土植物［3］，受鹽堿危害的稻田，地表水土的pH值在8.0以上，個別灌溉井水的pH值在9.0左右。水稻種子萌發后對鹽堿極為敏感，芽尖枯黃，遲遲不能冒青，直到死亡。幼苗期自葉尖端逐漸向基部，由下部葉片向新葉逐漸枯黃，根系發育不良，根尖變黑褐色，秧苗全株枯焦死亡［4］。與此同時，鹽堿脅迫也會改變植物一系列的生理生化過程，如干擾植物組織及細胞的離子平衡、降低葉綠素含量等［5－6］，同時也使植物體內活性氧積累，引發膜脂過氧化，導致細胞膜結構損傷［8］；植物會增加游離脯氨酸、可溶性蛋白等滲透調節物質的含量，以降低細胞的滲透勢，提高保水能力［9］。因此，水稻在發芽期和幼苗期的耐鹽堿性是鹽堿稻區水稻早期生長階段不可忽視的抗逆性狀，應引起足夠的重視［10］。本文以水稻為實驗材料，用Na2CO3模擬鹽堿脅迫，探討鹽堿脅迫對水稻幼苗光合熒光及抗氧化能力的影響，揭示水稻對鹽堿環境的適應機理，以期對鹽堿地區水稻的耐鹽堿性遺傳改良提供一些理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料及處理

供試水稻（Oryza sativa L）品種為遼星一號，由沈陽農業大學水稻研究所提供。

選取籽粒飽滿整齊的水稻種子，于28℃恒溫浸種24h后，于30℃催芽24h。取發芽的水稻種子，整齊擺放在含紗網的塑料燒杯上，燒杯內裝滿Hoagland營養液進行水培。于人工氣候箱（晝夜溫度28℃／26℃；光照16h；80%相對濕度；光強3 000lux）中培養6d，生長過程中每天定時定量補充營養液。6d后換用分別含0、5、10、15和20mM Na2CO3的Hoagland營養液進行脅迫處理，各重復處理3次。脅迫處理6d后開始測定各項生理指標。

1.2 測定指標

葉綠素含量采用乙醇丙酮法測定［11］；利用Li－6400便攜式光合儀測定光合參數；利用連續激發式熒光儀（Pocket PEA，Hansatech，英國）測定熒光參數；超氧化物歧化酶（SOD）活性采用NBT光化還原法測定［11］；過氧化物酶（POD）活性采用愈創木酚法測定［11］；過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外分光光度計法測定［12］；電導率采用DDS－11A型電導率儀測定［11］；丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸顯色法測定［11］；根系總吸收面積和活躍吸收面積采用甲烯藍吸附法測定［11］；游離脯氨酸含量采用茚三酮比色法測定［11］。

1.3 數據處理

統計分析采用方差分析（one－way ANOVA），數據以平均值±標準誤（mean±SE）表示。

2 結果與分析

2.1 Na2CO3脅迫對水稻葉綠素含量、凈光合速率及水分利用效率的影響

隨著Na2CO3脅迫濃度的增加，水稻幼苗葉片葉綠素含量逐漸降低，20mM與0～10mM Na2CO3脅迫間表現為顯著差異（圖1）。15mM Na2CO3脅迫已經顯著降低葉片凈光合速率（Pn），水分利用效率（凈光合速率與蒸騰速率的比值）隨脅迫濃度增加略有提高，但未達顯著水平，當Na2CO3濃度增加到20mM時WUE已顯著下降（圖1）。王波等［13］研究表明，在重度鹽堿脅迫下燕麥的 WUE呈現先增加后降低的變化趨勢，與本研究結果基本一致。

圖1 Na2CO3脅迫對水稻葉片葉綠素（ChIa＋b）含量、凈光合速率（Pn）及水分利用效率（WUE）的影響

2.2 Na2CO3脅迫對水稻葉片熒光參數的影響

PSII最大光化學效率（Fv／Fm）在非環境脅迫條件下極少變化，不受物種和生長條件的影響，正常生長條件下該參數為0.8或略高；Fv／Fo表示PSⅡ的潛在活性，正常情況下該參數為4或略高［14］。當水稻幼苗受到5mM Na2CO3脅迫時，Fv／Fo低于4，而Fv／Fm低于0.8，說明此時葉片光合反應中心的活性有所下降，脅迫濃度增加到10mM時，上述兩個參數與對照相比呈顯著降低，并隨脅迫濃度增加而下降（圖2）。

圖2 Na2CO3 脅迫對水稻葉片熒光參數（Fv／Fo、Fv／Fm）的影響

2.3 Na2CO3脅迫對水稻葉片抗氧化酶活性的影響

隨著Na2CO3脅迫濃度的增加，水稻葉片SOD、POD和CAT活性呈先增加后降低的變化趨勢（圖3）。在低濃度Na2CO3脅迫下，SOD和POD活性顯著升高，但隨著脅迫增加，二者活性逐漸下降。在5mM Na2CO3脅迫下POD活性無顯著變化，但濃度增加到10mM時POD活性呈現迅速下降趨勢。有研究表明抗氧化酶活性的提高是一種急性解毒措施，是使細胞免受毒害的調節反應，但其調節能力是臨時的、有限的，當細胞長時間受到脅迫，細胞內的活性物質包括酶類也會受到損傷而使活性下降［15］。符秀梅等［16］也曾報道過SOD和POD活性在一定范圍內與鹽脅迫強度呈正相關，在高鹽脅迫下，SOD和POD活性明顯下降的情況。

圖3 Na2CO3脅迫對水稻葉片抗氧化酶活性的影響

2.4 Na2CO3脅迫對水稻葉片電導率、丙二醛及脯氨酸含量的影響

植物在逆境條件下會產生許多自由基，過多的自由基會引發膜脂的過氧化作用，其產物MDA會嚴重損傷細胞膜系統。因此，MDA含量反映出膜脂過氧化的程度。與此同時，細胞膜的通透性增強，一些滲透物質流出，導致電導率增加。在Na2CO3脅迫下，水稻葉片MDA含量和電導率的變化趨勢基本一致，即隨著Na2CO3濃度的增加而增加，顯著高于對照組（圖4）。這說明Na2CO3脅迫導致細胞膜損傷，且隨著脅迫增加，損傷程度不斷加劇。

在Na2CO3脅迫下植物因大量失水會受到滲透脅迫，植物體內最有效的一種滲透調節物質脯氨酸含量會積累以調節細胞的滲透勢。低濃度Na2CO3脅迫對脯氨酸含量影響不明顯，在15和20mM Na2CO3脅迫下，脯氨酸含量增加顯著（圖4），說明在高濃度Na2CO3脅迫下，植物體內積累的脯氨酸含量更多，受到的傷害更嚴重。張永鋒等［17］報道隨著鹽堿脅迫濃度的增大，苜蓿葉片中脯氨酸含量逐漸升高，與本研究結果基本一致。

圖4 Na2CO3脅迫對水稻葉片電導率、丙二醛及脯氨酸含量的影響

2.5 Na2CO3脅迫對水稻根系吸收面積的影響

根系總吸收面積能反映根系吸收水分和養分的能力，根系活躍吸收面積則能在一定程度上反映根系活力的情況［18］。隨著Na2CO3脅迫濃度的增加而呈降低的變化趨勢（圖5），在5和10mM Na2CO3脅迫下，水稻幼苗根系總吸收面積和根系活躍吸收面積與對照相比無不顯著，在15和20mM Na2CO3脅迫下，二者迅速降低，與對照相比差異顯著。

圖5 Na2CO3脅迫對水稻根系吸收面積的影響

3 討 論

Yang等［19］研究發現隨著鹽堿脅迫增強，光合色素含量以及光合參數急劇下降。本研究也得出相似的結果，即光合色素含量、Pn以及WUE隨脅迫濃度增大逐漸降低。土壤鹽分過多使RuBP羧化酶活性降低，葉綠體趨于分解，光合色素生物合成受阻，氣孔關閉，使光合速率下降［20］。王波等［13］研究表明，在重度鹽堿脅迫下燕麥的WUE增加，是由于燕麥吸水困難，不得不關閉氣孔，降低蒸騰，以維持自身生存對水分的需要，從而使WUE升高。但重度脅迫會顯著降低光合，從而使WUE降低。當植物受到環境脅迫后，Fv／Fm和Fv／Fo會發生明顯變化，是反映脅迫程度的良好指標和探針。Na2CO3脅迫降低Fv／Fm和Fv／Fo，表明脅迫抑制了PSII的活性。Fv／Fm的降低可能是由于PSII供體失活導致的［21］。

植物受到脅迫時活性氧（Reactive oxygen species，ROS）濃度會增加，抗氧化酶類（主要包括SOD、POD和CAT）活性會增加以清除植物體內過多的ROS，緩解傷害，維持植物正常的生長發育［22］。但是，當環境脅迫達到一定程度時，抗氧化酶類來不及清除過多的ROS，過剩的ROS會對抗氧化酶系統造成損傷，導致抗氧化酶活性降低［23］。本研究發現在Na2CO3脅迫下，SOD、POD和CAT活性均隨著Na2CO3濃度的增加而呈先增加后降低的趨勢，說明低濃度的Na2CO3會誘導植物體內抗氧化酶的活性，而高濃度則會抑制抗氧化酶的活性。

過多的ROS還會引發膜脂過氧化作用，同時導致膜透性增大，電導率增加。本研究表明在低濃度Na2CO3脅迫下植物葉片的電導率及丙二醛含量變化不顯著，而高濃度Na2CO3脅迫導致二者顯著增加，說明高濃度的Na2CO3脅迫對植物葉片的傷害增大。該實驗結果與張娜等［24］報道的在環境脅迫下植物葉片的相對電導率及丙二醛含量均隨著脅迫程度的加劇而增加相一致。脯氨酸在脅迫下會大量積累，降低細胞滲透勢，緩解水分流失對植物造成的傷害。韓玉靜等［25］研究發現，鹽堿脅迫下羊草幼苗通過積累大量的脯氨酸降低羊草體內的水勢傷害，提高羊草的吸水能力，提高植株抗鹽堿能力。本研究中高濃度的Na2CO3使水稻葉片內脯氨酸含量迅速積累，調節植物的滲透勢，維持植物體的水分平衡。

根系吸收面積大，活力強，有利于根系吸收水分及營養物質，為植物地上部分的生長提供必需的養料，促進植物地上部分的生長。本研究表明高濃度Na2CO3脅迫減少了根系的吸收面積，這說明水稻幼苗通過降低根系總吸收面積來減少對Na2CO3的吸收。總之，高濃度的Na2CO3對水稻的生長有顯著的抑制作用，而低濃度的影響不明顯。

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