鹽脅迫下黃豆亞屬植物游離脯氨酸積累響應的差異分析

徐 明，徐靖宇，楊冬爽，張 婧，金曉飛，石連旋

（1.東北師范大學生命科學學院，吉林長春130024；2.吉林省農作物新品種引育中心，吉林長春130062）

鹽脅迫下黃豆亞屬植物游離脯氨酸積累響應的差異分析

徐 明1，徐靖宇1，楊冬爽1，張 婧1，金曉飛2，石連旋1

（1.東北師范大學生命科學學院，吉林長春130024；2.吉林省農作物新品種引育中心，吉林長春130062）

以中國同一緯度的不同黃豆亞屬植物為試驗材料，通過分析栽培大豆、半野生大豆、耐鹽型野生大豆、鹽敏感型野生大豆在鹽脅迫下的生長及游離脯氨酸代謝的響應過程，研究了黃豆亞屬植物生理代謝的演化趨勢及進化規律.結果表明：耐鹽型野生大豆游離脯氨酸含量的增加主要取決于鳥氨酸合成途徑的增強；栽培大豆游離脯氨酸含量的變化與谷氨酸合成途徑的增強及其降解途徑的顯著增加有關；半野生大豆游離脯氨酸含量的變化與鳥氨酸、谷氨酸合成途徑的增強以及降解途徑的降低均密切相關.黃豆亞屬植物適應環境選擇的壓力以及人工選育的需要，體內游離脯氨酸代謝途徑發生了顯著的變化.

大豆；進化；鹽脅迫；酶活性；游離脯氨酸

栽培大豆（Glycine max（linn.）Merr.）是世界上主要的農作物，也是重要的經濟作物之一.其同一屬還包括有半野生大豆（Glycine gracilis Skv.）和野生大豆（Glucine sojaSieb.et Zucc.），這3個物種具有明顯的親緣關系［1－2］.野生大豆在適應生長環境過程中也產生了不同的生態類型，如在高鹽環境下生長的野生大豆抗鹽性顯著增強，形成了抗鹽型野生大豆［3］.將同一緯度不同黃豆亞屬植物一起進行比較研究，有助于對大豆屬植物進化歷程的理解.

游離脯氨酸是植物體內重要的滲透調節物質，其在植物體內有兩種合成途徑，關鍵的限速酶分別是Δ1-吡咯啉-5-羧酸合成酶（P5CS）和鳥氨酸轉氨酶（δ-OAT）.脯氨酸在植物體內降解途徑的限速酶為脯氨酸脫氫酶（ProDH）［4－6］.脯氨酸代謝過程和含量與植物對逆境脅迫的適應有著密切的關系，它的積累量與逆境水平、抗性密切關聯［7］.

大豆屬植物進化的研究，不僅僅是基礎生物學的問題，在大豆種質資源利用方面也具有重要的意義.對現存生態群體從形態學、細胞學、生理生化、分子生物學等方面進行系統的比較實驗生物學研究，是目前大豆起源進化研究的根本方法［8］.本研究以中國同一緯度的不同黃豆亞屬植物為試驗材料，人工模擬鹽脅迫處理大豆幼苗，測定了其生長參數、葉片游離脯氨酸含量以及脯氨酸代謝過程中關鍵酶的活性，分析了鹽脅迫下不同黃豆亞屬植物生長及脯氨酸代謝的響應過程，以從生理代謝的角度揭示豆科黃豆亞屬植物的進化規律和演化趨勢，為大豆種質資源的利用以及大豆新品種的選育提供參考.

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料：栽培大豆（M）、半野生大豆（S）、鹽敏感型（W1）和耐鹽型（W2）野生大豆種子，吉林省農作物新品種引育中心提供.其中栽培大豆品種為吉農24，耐鹽型野生大豆保存號為Tongyu06311，鹽敏感型野生大豆保存號為Huinan06116.

1.2 試驗設計

將供試材料采用沙培方式進行培養，花盆直徑為19cm.出苗后每盆定苗5株，并于每天清晨用2倍Hoagland營養液澆灌一次，待幼苗生長到3出復葉時期開始進行鹽脅迫處理.脅迫處理溶液采用NaCl和Na2SO4（n（NaCl）∶n（Na2SO4）＝1）及1倍Hoagland營養液配制，其中Na＋濃度為45mmol／L；對照組用1倍Hoagland營養液澆灌.每一處理5盆重復.脅迫處理3周后采集植物葉片，進行相關參數的測量.收集試驗材料地上部分和地下部分，測定株高和根長；測定后將植物材料120℃殺青，80℃烘干至恒重，分別對地上部分和地下部分進行稱重.

1.3 游離脯氨酸含量及其代謝關鍵酶活性的測定

游離脯氨酸含量測定采用磺基水楊酸法-酸性茚三酮方法［9］；Δ1-吡咯啉-5-羧酸合成酶（P5CS）活性的測定采用Hayzer的方法［10］，酶活性單位定義為單位時間內生成1μmolγ-谷氨酞胺所需要的酶量，以U／（g·min）（鮮重）表示；鳥氨酸轉氨酶（δ-OAT）活性的測定采用余光輝等的方法［11］，以單位時間內生成1mmolΔ-吡咯啉-5-羧酸（P5C）的量為一個δ-OAT活性單位；脯氨酸脫氫酶（ProDH）活性的測定采用趙福庚等的方法［12］，以D（600）／（g·min）（鮮重）為一個酶活力單位.采用UV754N紫外-可見分光光度計進行比色.

1.4 數據處理

采用SPSS Statistics 18.0軟件進行數據統計分析，數據取15次重復的平均值，以（平均值±標準誤差）表示；采用單向方差分析法（ANOVA）進行多重比較（P＜0.05）；采用Sigma Plot 10.0軟件完成圖表的繪制.

2 結果分析

2.1 鹽脅迫下不同黃豆亞屬植物生長的變化

不同黃豆亞屬植物植株干重差異顯著.無鹽脅迫下，植株地上部分干重和根干重均表現為栽培大豆＞半野生大豆＞野生大豆.鹽脅迫下不同黃豆亞屬植物地上、地下部分干重均呈下降的趨勢，半野生大豆下降最高，其次是栽培大豆和野生大豆.鹽脅迫下，不同黃豆亞屬植物脅變反應差異明顯，地上部分干重栽培大豆和鹽敏感型野生大豆、耐鹽型野生大豆的降低幅度分別為21.27%，20.95%，22.15%；半野生大豆的降低幅度較小，比對照組降低了8.19%.根干重栽培大豆、半野生大豆、鹽敏感型野生大豆，分別比對照組降低了26.22%，21.39%，46.15%，耐鹽型野生大豆與對照組相比無顯著差異（見圖1）.

圖1 鹽脅迫下不同黃豆亞屬植物地上部分干重、株高、地下部分干重、根長的變化

鹽脅迫下，4種大豆植株的高度均呈降低的變化趨勢，但降低的幅度顯著不同，栽培大豆、半野生大豆、耐鹽型野生大豆分別比對照組降低了6.94%，5.81%，9.91%，鹽敏感型野生大豆降低的幅度最大，比對照組降低了20.16%.無鹽脅迫時，耐鹽型野生大豆的根最長，其次為栽培大豆和半野生大豆，鹽敏感型野生大豆的根較短；鹽脅迫下，除耐鹽型野生大豆的根長無顯著性變化外，其他均呈下降趨勢，其中栽培大豆、半野生大豆、鹽敏感型野生大豆分別比對照組降低了7.22%，5.56%，7.50%（見圖1）.

2.2 鹽脅迫下不同黃豆亞屬植物游離脯氨酸含量的變化

無鹽脅迫下，不同黃豆亞屬植物葉片游離脯氨酸含量差異顯著（見表1），半野生大豆含量為最高，分別比栽培大豆、鹽敏感型野生大豆、耐鹽型野生大豆高32.14%，23.33%，131.25%.鹽脅迫后，不同黃豆亞屬植物葉片游離脯氨酸含量均呈現升高的趨勢（見表1），半野生大豆含量同樣為最高.但是，游離脯氨酸含量增加幅度顯著不同，其中耐鹽型野生大豆的變化幅度最大，為43.75%；其次為栽培大豆和半野生大豆，分別為16.22%，17.86%，鹽敏感型野生大豆增加趨勢不顯著.

表1 鹽脅迫下不同黃豆亞屬植物葉片游離脯氨酸含量（FW）μg／g

2.3 鹽脅迫下不同黃豆亞屬植物游離脯氨酸代謝關鍵酶活性的變化

鹽脅迫下，不同黃豆亞屬植物葉片P5CS活性差異顯著，半野生大豆葉片的P5CS活性為最高，分別比栽培大豆和鹽敏感型野生大豆高59.38%.同時，只有栽培大豆呈現出降低的趨勢，比對照組降低了18.84%；半野生大豆呈現增加的趨勢，比對照組增加了28.26%；而野生大豆與對照組相比無顯著性變化.無脅迫下，不同黃豆亞屬植物葉片δ-OAT活性并無顯著性差異；鹽脅迫時，δ-OAT活性變化各異，栽培大豆和半野生大豆變化不顯著，均比鹽敏感型野生大豆高27.94%；而鹽敏感型野生大豆比耐鹽型野生大豆低11.54%.當受到鹽脅迫時，不同黃豆亞屬植物的葉片δ-OAT活性變化幅度不同，栽培大豆比對照組增加了14.15%，其他與對照組相比均無顯著性差異.無脅迫時，半野生大豆葉片的ProDH活性最高，分別比栽培大豆和鹽敏感型野生大豆高178.13%，123.43%，鹽敏感型野生大豆比栽培大豆高24.48%，比耐鹽型野生大豆低53.14%.在鹽脅迫下，只有半野生大豆ProDH活性呈降低的趨勢，比對照組降低了39.51%；栽培大豆和鹽敏感型野生大豆葉片ProDH活性呈現增加的趨勢，分別比對照組增加104.17%，61.92%；而耐鹽型野生大豆ProDH活性與對照組相比，無顯著差異（見圖2）.

3 討論與結論

目前關于豆科大豆屬黃豆亞屬中各類型間的分類地位及其遺傳關系一直都存在著很大的爭議［13－15］.鹽脅迫下，植物生物量等生長參數的變化顯示了受鹽脅迫抑制的程度以及抗脅迫能力的高低［16］.本試驗的結果表明，生物量、株高、根長等生長參數的變化均顯示出耐鹽型野生大豆的抗逆性強于鹽敏感型野生大豆；而栽培大豆的抗逆性低于鹽敏感型野生大豆.這與前人的研究結果相一致［17］，同時也為后續游離脯氨酸的分析提供了依據和基礎.

游離脯氨酸是最有效的滲透調節物質之一.游離脯氨酸的積累量與植物適應逆境的能力有著密切的關系［18－19］.從游離脯氨酸含量的測試分析可以看出，耐鹽型野生大豆的游離脯氨酸增加的幅度遠遠大于鹽敏感型野生大豆、半野生大豆和栽培大豆，表現出較強的滲透調節能力.植物體內有兩條脯氨酸合成途徑，谷氨酸途徑是由谷氨酸通過兩步連續還原合成脯氨酸，關鍵酶為Δ1-吡咯啉-5-羧酸合成酶；鳥氨酸途徑是由鳥氨酸通過轉氨基作用后又經還原作用生成脯氨酸，關鍵酶為鳥氨酸轉氨酶；而脯氨酸的降解主要依賴于脯氨酸脫氫酶［7］.本試驗結果證實，鹽脅迫下，耐鹽型野生大豆、半野生大豆和栽培大豆脯氨酸代謝途徑的變化有著明顯的不同.耐鹽型野生大豆游離脯氨酸含量的增加主要取決于鳥氨酸合成途徑的增強；栽培大豆游離脯氨酸含量的變化與谷氨酸合成途徑增強及其降解途徑的顯著增加有關；而半野生大豆游離脯氨酸含量的變化與鳥氨酸和谷氨酸合成途徑的增強以及降解途徑的降低均密切相關.同時，本試驗結果顯示，4種不同黃豆亞屬植物游離脯氨酸的積累主要受鳥氨酸合成途徑與脯氨酸降解途徑控制.

圖2 鹽脅迫下不同黃豆亞屬植物脯氨酸代謝關鍵酶（δ-OAT、P5CS、ProDH）活性的變化

野生大豆、半野生大豆、栽培大豆3種不同黃豆亞屬植物隨著自然環境的選擇以及人工栽培的選育，植物體內游離脯氨酸代謝途徑也隨之發生著變化.耐鹽型野生大豆為了適應鹽漬化環境，脯氨酸合成增加的同時其降解過程未出現類似栽培大豆的增強，因此，游離脯氨酸在體內大量積累，進而適應鹽環境.栽培大豆在合成增加的同時其降解過程也大幅度提高，因此脯氨酸積累量顯著小于耐鹽型野生大豆.半野生大豆脯氨酸代謝過程與3種關鍵酶均密切相關，與栽培大豆和野生大豆均不同，可以認為，其屬于黃豆亞屬植物進化過程中的一個中間類型.

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The difference analyses on free proline metabolism of plant soybeans subgenus under salt stress

XU Ming1，XU Jing－yu1，YANG Dong-shuang1，ZHANG Jing1，JIN Xiao-fei2，SHI Lian-xuan1
（1.School of Life Sciences，Northeast Normal University，Changchun 130024，China；2.Jilin Center of Germplasm Introduction and Breeding of Crops，Changchun 130062，China）

In order to explore the different physiological metabolism evolution trend and evolution between cultivated soybean，semi-wild soybean，salt tolerance wild soybean，salt sensitive wild soybean，the response of growth and metabolism process of proline under salt stress were investigated.The results showed that，the increasing proline content of salt tolerance wild soybean depended on the enhancing of ornithine pathway；the change of proline content in cultivated soybean depended on the enhancing of both glutamate pathway and degradation；and that of semi-wild soybean depends on all three pathways.Significant changes had happened in proline metabolism pathway of sojain order to adapt to the environment selection pressure and the requirement for artificial breeding.

soybean；evolution；salt stress；enzyme activity；free proline

Q 945.79 ［學科代碼］ 180·5140

A

（責任編輯：方 林）

1000-1832（2015）03-0122-05

10.16163／j.cnki.22-1123／n.2015.03.025

2014-11-15

國家自然科學基金資助項目（31270366）.

徐明（1990—），女，碩士研究生；通訊作者：石連旋（1972—），男，博士，副教授，主要從事大豆生理生態學研究.