水分脅迫對(duì)大巖桐生理生化指標(biāo)的影響

王存綱，郭 麗

(1．鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鶴壁 458030;2．河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 475470)

大巖桐原產(chǎn)南美洲巴西的熱帶雨林，屬于溫室盆栽球根花卉。將試驗(yàn)獲得的大巖桐組培苗利用聚乙二醇 (PEG-6000，以下簡稱 PEG)人工模擬干旱條件，從生理的角度對(duì)其抗旱性進(jìn)行研究，測(cè)定葉綠素、膜透性等生理生化指標(biāo)的變化。

1 材料與方法

1.1 供試材料

重瓣大巖桐品種由西南大學(xué)園藝園林學(xué)院花卉實(shí)驗(yàn)室保存。

1.2 供試材料的培養(yǎng)與處理

將生長均勻的大巖桐不定芽接種于1/2MS固體培養(yǎng)基上，在24～26℃，光照16 h·d－1，光強(qiáng)1 500～2 000 lx條件下培養(yǎng)。

當(dāng)生長均勻的組培苗長出大量根系時(shí)，將其上部的培養(yǎng)基洗凈放入干凈的培養(yǎng)瓶中，分別加入20 mL濃度分別為5%，15%，25%，35%的PEG進(jìn)行根際水分脅迫處理24 h，以去離子水為對(duì)照，重復(fù)3次。

均勻剪取組培苗葉片，用去離子水沖洗干凈，再用干凈吸水紙吸干，混勻稱重，進(jìn)行葉綠素含量(參考高俊鳳［1］方法)、丙二醛 (MDA)含量 (硫代巴比妥酸顯色法［2］)、電導(dǎo)率 (電導(dǎo)儀法［3］，用相對(duì)電導(dǎo)率表示)和過氧化物酶 (POD)活性(愈創(chuàng)木酚比色法［1－3］)測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同PEG濃度處理對(duì)抗旱性的影響

24～26℃組培室培養(yǎng)的大巖桐在40%PEG處理24 h，葉片完全干枯。因此試驗(yàn)設(shè) PEG 5%，15%，25%，35%不同處理濃度。35%處理使受試植株幾乎全部失水死亡，在5%時(shí)部分植株葉片就發(fā)生萎蔫，甚至死亡。這表明大巖桐植株對(duì)干旱非常敏感。

2.2 不同PEG濃度處理對(duì)葉綠素的影響

葉片葉綠素含量與光合作用密切相關(guān)。葉綠素含量的測(cè)定無論是在生理、品種選育及抗性研究等方面都很有必要，其含量多少直接影響葉片的光合能力。

從圖1可知，不同PEG濃度處理下，葉綠素含量隨著PEG濃度的增大而降低，5%PEG處理與對(duì)照差異不顯著，比對(duì)照含量減少了0.86%;25.0%PEG處理比對(duì)照含量少了19.6%，35.0%PEG濃度處理比對(duì)照含量減少了近1/2。這可能是由于在各種逆境脅迫下，植物光合作用呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，同化產(chǎn)物供應(yīng)減少，如干旱、寒冷、高溫等均可使葉綠素含量下降，光合作用酶活性下降，鈍化或氣孔關(guān)閉，造成CO2供應(yīng)不足而使光合速率下降，同化物形成減少，葉綠素含量下降。

圖1 不同濃度PEG對(duì)幼苗葉綠素含量的影響

2.3 不同PEG濃度處理對(duì)MDA的影響

MDA是植物脂質(zhì)過氧化的產(chǎn)物，是檢測(cè)植物膜傷害的一個(gè)重要的指標(biāo)，其含量可以表示脂膜過氧化的程度。

從圖2看出，隨PEG濃度的增大，大巖桐葉片細(xì)胞內(nèi)MDA含量的變化幅度有較大差異。在5%，15%，25%濃度處理后，MDA比對(duì)照分別增加48.6%，108.0%和201.5%，而35%濃度處理后，MDA比對(duì)照增加325.5%。MDA含量的變化在一定程度上反映了大巖桐對(duì)水分脅迫敏感程度的差異。

圖2 不同濃度PEG對(duì)幼苗MDA含量的影響

2.4 不同PEG濃度處理對(duì)相對(duì)電導(dǎo)率的影響

植物細(xì)胞膜對(duì)維持細(xì)胞的微環(huán)境和正常的代謝起著重要的作用。正常情況下，細(xì)胞膜具有選擇透性。當(dāng)植物受到逆境脅迫影響時(shí)，如干旱和鹽脅迫下，細(xì)胞膜遭到破壞，膜透性增大，從而使細(xì)胞內(nèi)的電解質(zhì)外滲，使植物細(xì)胞浸提液的電導(dǎo)率增大。因此，質(zhì)膜透性的變化是植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能完整性的可靠指標(biāo)［4］。

在PEG滲透脅迫下，大巖桐幼苗膜透性隨著PEG濃度的增加而呈上升趨勢(shì) (圖 3)。5%，15%，25%，35%PEG濃度處理后，相對(duì)電導(dǎo)率比對(duì)照分別增加 6.3%，12.5%，146.9%和259.4%。

在5%，15%PEG濃度處理下，與對(duì)照相比差異不是太大，但25%，35%PEG濃度處理下，相對(duì)電導(dǎo)率與對(duì)照相比發(fā)生極顯著變化，出現(xiàn)了急劇升高，說明在PEG滲透脅迫下，大巖桐幼苗細(xì)胞受到了一定的傷害，而且滲透脅迫強(qiáng)度越大，受到的傷害越嚴(yán)重。

圖3 不同濃度PEG對(duì)幼苗相對(duì)電導(dǎo)率的影響

2.5 不同PEG濃度處理對(duì)POD的影響

正常情況下，由于植物體內(nèi)存在著活性氧，清除系統(tǒng)細(xì)胞內(nèi)活性氧含量處于動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)，因此不會(huì)引起對(duì)植物的傷害。植物細(xì)胞中活性氧的清除主要是通過有關(guān)酶和一些抗氧化物質(zhì)。細(xì)胞的保護(hù)酶主要有超氧化物歧化酶 (SOD)、POD、過氧化氫酶 (CAT)等，非酶類的活性氧清除劑包括類胡蘿卜素、Vc、Ve 等［5］。

從圖4可知，不同PEG濃度處理后，POD活性呈先升后降趨勢(shì)。5%濃度處理后，POD活性呈上升趨勢(shì)，明顯高于對(duì)照;15%，25%，35%處理后，POD活性均呈下降趨勢(shì)。15%處理雖POD活性高于對(duì)照，但卻低于5%處理，35%時(shí)POD活性甚至低于對(duì)照。所以輕度脅迫能促進(jìn)POD活性增高，但隨著脅迫強(qiáng)度的增大，酶活性變化呈下降趨勢(shì)，可能使其酶系受到破壞。王啟明等［6］研究表明，隨著干旱脅迫天數(shù)的增加，大豆酶活性變化趨勢(shì)均呈先升后降，達(dá)到峰值后迅速下降，說明抗旱機(jī)制也僅維持到此而已。

圖4 不同濃度PEG對(duì)幼苗POD活性的影響

3 小結(jié)和討論

植物遭受逆境脅迫或在衰老的進(jìn)程中都伴隨細(xì)胞膜系統(tǒng)的逐步破壞。Fridovih提出生物自由基傷害是細(xì)胞系統(tǒng)破壞的主要原因，認(rèn)為植物體內(nèi)大量自由基產(chǎn)生的毒害引發(fā)膜脂過氧化作用，從而造成細(xì)胞膜系統(tǒng)的破壞［7］;細(xì)胞內(nèi)同時(shí)存在清除超氧自由基的保護(hù)系統(tǒng)，如CAT，POD和SOD等。水分脅迫造成的膜系統(tǒng)傷害就是由細(xì)胞內(nèi)活性(O－2)的產(chǎn)生與清除的不平衡引起的。植物處于正常水分狀態(tài)時(shí)，機(jī)體原有的各種氧代謝生理過程處于平衡狀態(tài)，所產(chǎn)生的氧自由基能夠得到及時(shí)的清除;在水分嚴(yán)重虧缺的條件下，植物機(jī)體各種代謝過程發(fā)生紊亂，從各代謝途徑產(chǎn)生的氧自由基增加，機(jī)體由于代謝受阻不能及時(shí)清除而發(fā)生積累。大量積累的氧自由基以強(qiáng)烈的氧化作用誘發(fā)細(xì)胞膜中的不飽和脂肪酸，其產(chǎn)物是具有強(qiáng)氧化性的脂質(zhì)過氧化物的各種小分子的降解物，尤其以MDA含量增高最為顯著。因此，植物的抗旱性與活性氧清除酶類的活性密切相關(guān)。

關(guān)于植物抗旱機(jī)理，自由基引起的傷害學(xué)說［8－9］已受到人們的廣泛重視，植物機(jī)體在正常生理代謝過程中，通過多種途徑產(chǎn)生活性氧(ROS)［10］。ROS是成對(duì)電子，其化學(xué)性質(zhì)極其活潑，幾乎可與植物體內(nèi)全部生物大分子進(jìn)行反應(yīng)，破壞這些大分子的活性構(gòu)象，影響細(xì)胞正常代謝［11］。正常情況下，植物體依賴體內(nèi) ROS清除系統(tǒng)包括SOD、POD、CAT、甘露醇、甘氨酸、抗壞血酸、類胡蘿卜素等維持自由基生成與清除的動(dòng)態(tài)平衡，但在植物的衰老劣變過程中，特別是當(dāng)植物處于干旱、鹽害和環(huán)境污染等逆境下，體內(nèi)ROS生成大于清除，ROS的大量積累與膜脂反應(yīng)造成膜傷害［12－15］。很多試驗(yàn)證實(shí)，輕度水分脅迫后，SOD、POD、CAT 活性有增加趨勢(shì)［16－17］。張振鎰等［18］發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫可提高抗旱玉米葉片細(xì)胞保護(hù)酶SOD、POD的活性，但隨著干旱脅迫時(shí)間延長，玉米葉片細(xì)胞保護(hù)酶活性不同程度地下降。

本試驗(yàn)結(jié)果表明，干旱脅迫明顯地影響大巖桐組培苗葉片活性氧的產(chǎn)生與活性氧清除系統(tǒng) (即細(xì)胞保護(hù)系統(tǒng))之間的動(dòng)態(tài)平衡。隨著干旱脅迫強(qiáng)度增加，POD活性增大，這是大巖桐組培苗適應(yīng)干旱的一種應(yīng)激保護(hù)反應(yīng)。而當(dāng)水分脅迫強(qiáng)度繼續(xù)增大，其活性下降，這是因?yàn)樵诟叨鹊乃痔澣杯h(huán)境下，植物嚴(yán)重脫水，POD受到破壞而導(dǎo)致活性降低，有機(jī)體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生與清除平衡系統(tǒng)遭到破壞。如在35%PEG濃度處理下，POD活性低于對(duì)照。

膜脂過氧化是一個(gè)復(fù)雜的過程，而MDA含量的高低表示了膜脂過氧化作用的程度［19－20］。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在水分脅迫下，O－2和H2O2含量越高，膜脂過氧化的終產(chǎn)物MDA也越高，說明水分脅迫下活性氧的產(chǎn)生和積累是引起MDA含量增加的主要因素。蔣明義等［21］的研究表明，抗旱性強(qiáng)的品種具有較強(qiáng)抗氧化能力，膜脂過氧化程度低;抗旱性弱的品種抗氧化能力較弱，膜脂過氧化程度較高。MDA含量隨水分脅迫濃度增加上升，造成膜傷害，增大細(xì)胞膜的透性，引起細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)外滲。細(xì)胞液外滲液增加，即表現(xiàn)為電導(dǎo)率增大。干旱對(duì)細(xì)胞膜的傷害隨著脅迫程度的提高而加大，且脅迫程度越高，電導(dǎo)率就越大［22］。

光合作用是植物代謝的基礎(chǔ)，而葉綠素是光能吸收和轉(zhuǎn)換的原初物質(zhì)，因此，影響葉綠素代謝的逆境因素都將直接影響植物的生長發(fā)育。植物在遭受水分脅迫時(shí)抗旱性強(qiáng)的品種葉綠素含量比抗旱性弱的品種葉綠素含量高，又進(jìn)一步證明了抗旱性強(qiáng)的品種受傷害程度越小。而在持續(xù)水分脅迫下，由于活性氧的產(chǎn)生和清除平衡被打破，盡管植物體內(nèi)SOD、POD活性上升到較高水平，但 O－2和H2O2仍較快積累，MDA含量持續(xù)升高，膜脂過氧化加劇，進(jìn)而影響光合、呼吸等生理過程，最終影響產(chǎn)量和品質(zhì)。

大巖桐的抗旱性是個(gè)復(fù)雜性狀，其適應(yīng)干旱環(huán)境的機(jī)理尚不十分清楚，不同生育階段對(duì)水分脅迫的響應(yīng)，活性氧積累誘發(fā)植物傷害的最低濃度以及活性氧誘導(dǎo)保護(hù)系統(tǒng)的機(jī)理等還有待深入研究。

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