外源水楊酸調節小麥對二氧化氮脅迫應答的初步研究

劉 陽, 馬群飛, 劉金洋, 朱 穎, 郝 林

(沈陽師范大學 生命科學學院, 沈陽 110034)

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外源水楊酸調節小麥對二氧化氮脅迫應答的初步研究

劉 陽, 馬群飛, 劉金洋, 朱 穎, 郝 林

(沈陽師范大學 生命科學學院, 沈陽 110034)

二氧化氮是一種主要的空氣污染物,通過氣孔進入植物葉片后快速轉化為硝酸鹽和亞硝酸鹽,引發作物減產或品質下降。研究了外施水楊酸對小麥幼苗應答二氧化氮脅迫的調節作用,目的是減輕NO2對植物的傷害。供試水楊酸濃度為0.5 mM·L-1,NO2濃度為20 μl·L-1。NO2的暴露方法為:將10天齡的小麥幼苗置入密閉的玻璃熏氣箱中,NO2氣體由鋼瓶輸出,于玻璃瓶中與炭濾空氣混合,通入熏氣箱中。采用動式熏氣,NO2濃度由煙氣分析儀在線監測。每天熏氣3 h,連續4 d。對照植株只通入炭濾空氣。結果表明,該濃度NO2造成植物急性傷害,如生長速率顯著降低、葉片變黃、葉尖死亡;電解質滲透率與丙二醛含量則顯著升高。外施水楊酸有效減緩了NO2暴露引發的上述傷害癥狀。其作用機理至少與水楊酸處理提高葉片的可溶性糖、游離脯氨酸以及超氧化物歧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶活性有關。

二氧化氮; 小麥; 水楊酸

0 引 言

在某些地區或特殊環境下空氣中二氧化氮(NO2)濃度已對植物的生長和發育造成傷害。由于NO2進入植物體內快速轉化并積累硝酸鹽,引發一系列生理生化代謝紊亂、過量產生活性氧和活性氮等,因此造成農作物減產、糧食或葉菜類蔬菜品質下降[1-2]。基于此,提高植物(作物)對NO2暴露的耐受性或加快體內硝酸鹽的代謝對提高產量或改善品質是十分重要的,但前提條件是要充分認識植物對NO2的耐受性機理。近年來,不斷增加的證據顯示,水楊酸在植物對逆境脅迫應答中起重要的調節作用,多數研究表明外施水楊酸可提高植物對逆境的耐受性,如干旱、鹽脅迫、低溫、重金屬、臭氧等,并表現出多效的作用機理[3]。然而,有關水楊酸參與植物對NO2暴露的調節作用鮮見報道。前期研究表明,內源水楊酸高積累的擬南芥突變體植株顯著提高對NO2暴露的耐受性[4],而外施水楊酸可明顯減緩NO2暴露對小白菜的傷害,并降低體內硝酸鹽的積累[5]。而在禾本科作物對NO2暴露應答的研究中,還未見水楊酸調節作用的報道。鑒于此,在本研究中分析了外源水楊酸對小麥幼苗應答NO2脅迫的調節作用。初步結果表明,葉面噴施一定濃度的水楊酸可有效減緩NO2暴露對植株的傷害,其作用機理至少與可溶性物質含量以及抗氧化酶活性提高有關。

1 材料與方法

1.1 植物材料與處理

供試植物春小麥“8160”(Triticum aestivum)由沈陽市三臺子種子公司提供。種子經75%乙醇表面消毒,去離子水洗滌3次,播種于土表下0.5 cm處的塑料花盆中。培養基質為市售草炭土,培養條件為光照14 h,黑暗10 h,溫度為光下25 ℃,黑暗20 ℃,相對濕度為75%。發芽3 d后選擇生長整齊一致的幼苗定苗,再生長7 d后用于NO2熏蒸。水楊酸預處理在NO2熏蒸前1 d進行,具體方法為將幼苗的地上部分完全浸入至0.5 mM L-1的SA(Sigma產品)溶液(pH7.0)中,約2 min后取出,平放約1 h后直立。NO2熏蒸方法:將幼苗轉移至自制的熏氣箱(0.8 m× 0.8 m×0.8 m),NO2氣體由鋼瓶輸出(原始濃度為2%),先通入至1 L的玻璃瓶中,同時通入炭濾空氣稀釋,通過流量計調節其通入量,以達到所需的NO2供試濃度20 μl·L-1。采用動式熏氣,NO2濃度由煙氣分析儀(SWG 300-1; MRU, Heilbronn, Germany)在線監測。在光照下每天熏氣3 h,連續4 d。除文中特別說明外,熏氣結束后立即收集樣品,置于液氮中備用。

1.2 方法

1.2.1 植物生長的測定

取植株地上部分,濾紙吸干表面水分,稱重,即為鮮重。將樣品置于培養皿中,于80 ℃恒溫箱烘干48 h,稱重,即為干重。

1.2.2 生化指標檢測

丙二醛含量和電解質滲透率的檢測根據前文的描述進行[5];可溶性糖含量的測定采用蒽酮比色法[6],以已知濃度的葡萄糖溶液制作標準曲線;脯氨酸含量的測定采用Bates等的方法[7];抗氧化酶的提取方法見前文描述[5];超氧化物歧化酶(SOD;EC1.15.1.1)活性的檢測按Beyer和Fridovich的方法[8]進行;過氧化物酶(POD;EC1.11.1.7)活性的測定根據Hemeda和Klein的方法[9]進行;過氧化氫酶(CAT;EC 1.11.1.6)活性的分析按Aebi的方法[10]進行。

1.2.3 統計學分析

文中每一個數據至少是3次獨立實驗的平均值,表示為平均值±標準差,顯著性差異由SAS軟件(SAS Institute, Cary, NC,USA)分析,P<0.05。

2 結果與討論

2.1 對植物生長的影響

圖1 NO2暴露及水楊酸預處理對植株表型的影響

本實驗采用的NO2濃度(20 μl·L-1)引發小麥幼苗急性傷害,如葉片變黃、葉尖死亡(圖1)。盡管NO2暴露僅在4 d內完成,但已造成了明顯的植株生長遲緩,如葉片鮮重(FW)和干重(DW)顯著低于對照(圖2、圖3)。然而,葉面SA預處理有效地減緩了NO2暴露引發的植株傷害(如圖1),植物的生長抑制明顯減緩,其干重甚至達到了對照水平(圖3)。在本實驗條件下,葉面SA處理對對照條件下(即只通入炭濾空氣)植株的表型以及生長沒有影響(圖1～圖3)。

圖2 NO2暴露及水楊酸預處理 對植株地上鮮重的影響

圖3 NO2暴露及水楊酸預處理 對植株地上干重的影響

圖中數據為平均值±標準差,n=6,小寫字母(如a、b等)表示具有顯著性差異,下同。

當土壤缺氮時,空氣中的NO2可作為植物的氮源促進其生長[2]。然而,當濃度過高時,如達到μl·L-1級則會對植物造成傷害。盡管正常環境條件下空氣中的NO2濃度在μl·L-1級范圍,但在某些特殊環境,如溫室中,由于大量使用含氮化肥,在土壤微生物的作用下,釋放出大量NO2氣體,使其濃度達到數十μl·L-1級[2]。因此,本研究采用的NO2濃度有其實際意義。

2.2 對細胞膜完整性的影響

NO2暴露造成丙二醛含量和電解質滲透率顯著升高,SA預處理起到了顯著的保護性作用(圖4、圖5)。丙二醛是細胞膜脂質過氧化產物,當植物受到逆境脅迫時過量產生,該參數已成為評價逆境脅迫引發氧化傷害的重要指標。電解質滲透率是衡量細胞膜完整性的另一重要指標,當植物受到氧化脅迫傷害時,膜系統遭到破壞,引發胞內小分子物質外滲。

圖4 NO2暴露及水楊酸預處理對 植株丙二醛含量的影響

圖5 NO2暴露及水楊酸預處理對 植株電解質滲透率的影響

2.3 對可溶性糖和脯氨酸含量的影響

NO2暴露顯著提高了小麥幼苗葉片的可溶性糖和游離脯氨酸含量,SA預處理進一步提高了二者的數值(圖6、圖7)。本研究也表明,SA預處理提高了正常條件下植株的可溶性糖和脯氨酸含量。在植物生長與代謝過程中,可溶性糖不僅被用作碳源和能源,還是重要的滲透調節物質以及信號轉導物質[11]。大量的研究表明,植物受到各種逆境脅迫時體內積累可溶性糖,以此增強抗逆性[11]。在植物細胞中,游離脯氨酸具有生理作用多效性,如調節滲透平衡、維持蛋白質的穩定性、清除自由基等。許多研究表明,植物受到脅迫時體內合成并積累脯氨酸[12]。

圖6 NO2暴露及水楊酸預處理對 植株可溶性糖含量的影響

圖7 NO2暴露及水楊酸預處理對 植株脯氨酸含量的影響

2.4 對抗氧化酶活性的影響

NO2暴露降低了超氧化物歧化酶(SOD)活性(圖8),但提高了過氧化物酶(POD)(圖9)和過氧化氫酶(CAT)(圖10)活性。SA預處理完全消除了NO2暴露引發的SOD活性降低,并且進一步大幅度地提高了POD和CAT活性。

抗氧化酶是生物有機體清除活性氧自由基的主要物質,因此也被普遍認為是植物抵抗逆境脅迫的重要機制。不斷增加的證據表明,SA促進植物對逆境脅迫的耐受性與細胞內還原條件或氧化還原動態平衡的維持密切相關,其中重要的機理是維持細胞內活性氧的產生與清除之間的平衡[13]。在本研究中,SA預處理不僅對NO2脅迫下植株的SOD、POD和CAT活性有保護性影響,

也對正常生長條件下

圖8 NO2暴露及水楊酸預處理對 植株超氧化物歧化酶活性的影響

圖9 NO2暴露及水楊酸預處理對 植株過氧化物酶活性的影響

圖10 NO2暴露及水楊酸預處理對 植株過氧化氫酶活性的影響

植株的SOD和POD活性有顯著的促進(圖8和9圖),這預示著SA預處理提高植物對NO2暴露的耐受性機理至少與抗氧化酶活性介導的活性氧清除有關。這一結論與以擬南芥SA相關突變體的研究結果相一致[4]。事實上,已有大量的研究表明,在植物對非生物逆境脅迫應答中,外源SA可激活抗氧化酶活性,如重金屬[14]、NaCl[15]等,這預示著抗氧化酶參與的植物對逆境脅迫的耐受性是SA生物學作用的普遍性機理。

3 結 論

本研究表明,20 μl·L-1的NO2熏氣造成小麥幼苗急性傷害,表現為生長速率顯著降低、葉片變黃、葉尖死亡,電解質滲透率與丙二醛含量則顯著升高。外施水楊酸有效減緩了NO2暴露引發的上述傷害癥狀。其作用機理至少與水楊酸處理提高葉片的可溶性糖、游離脯氨酸以及超氧化物歧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶活性有關。進一步的研究擬從分子水平開展,如相關基因的時空表達特性等。

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Preliminary study on the regulatory role of exogenous salicylic acid in wheat seedling response to NO2stress

LIUYang,MAQunfei,LIUJinyang,ZHUYing,HAOLin

(College of Life Science, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China)

nitrogen dioxide; wheat; salicylic acid

2015-10-09。

國家自然科學基金資助項目(31570446)。

劉 陽(1992-),女,遼寧鐵嶺人,沈陽師范大學碩士研究生; 郝 林(1962-),男,內蒙古集寧人,沈陽師范大學教授,博士。

1673-5862(2016)01-0083-05

Q945.78

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2016.01.019