一氧化氮提高黃瓜幼苗耐澇性的探究

張健，劉美艷

（江蘇師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院整合植物生物研究所江蘇徐州221116）

一氧化氮提高黃瓜幼苗耐澇性的探究

張健，劉美艷

（江蘇師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院整合植物生物研究所江蘇徐州221116）

為了提高黃瓜幼苗的耐澇性，以100 μmol·L-1硝普鈉（SNP）作為一氧化氮供體，研究了一氧化氮對淹水脅迫下黃瓜幼苗細(xì)胞質(zhì)膜、光合特性和抗氧化酶活性的影響。結(jié)果表明，外源一氧化氮能抑制淹水脅迫期間黃瓜根質(zhì)膜相對透性和丙二醛含量的增加，淹水8 d時，經(jīng)SNP處理的黃瓜根質(zhì)膜相對透性和丙二醛含量與對照分別達(dá)到顯著和極顯著差異；能延緩葉片葉綠素含量的下降，使淹水期間葉片能維持較高的光合能力，淹水8 d時，經(jīng)SNP處理的黃瓜葉片葉綠素含量和光合速率極顯著高于對照；外源一氧化氮能提高淹水脅迫時黃瓜根SOD、POD、CAT的活性，淹水8 d時，經(jīng)SNP處理的黃瓜根SOD、POD活性與對照達(dá)到極顯著差異，CAT活性與對照達(dá)到顯著差異。研究表明外源一氧化氮能提高黃瓜幼苗的耐澇性。

黃瓜；一氧化氮；耐澇性

黃瓜（Cucumis sativus L.）為葫蘆科黃瓜屬植物，是世界上的主要蔬菜作物，具有產(chǎn)量高、營養(yǎng)豐富、效益好等特點。黃瓜一生需水量較大，但不耐澇，特別是苗期，適宜的土壤含水量為60%～70%。如果田間積水而發(fā)生淹澇脅迫，會對黃瓜幼苗生長及后期產(chǎn)量帶來嚴(yán)重的影響。6—8月是我國露地黃瓜生產(chǎn)的主要時期，氣溫高、降水多，澇害已經(jīng)成為露地黃瓜生產(chǎn)的主要脅迫因子之一。一氧化氮（nitric oxide，NO）是具有生物學(xué)活性的氣體分子，在植物遭受生物或非生物脅迫時，可作為一種重要的信號物質(zhì)提高植物的抗逆性。研究表明，NO可提高植物對鹽脅迫[1-4]、堿[5]、水分脅迫[6-8]、溫度脅迫[9-10]、重金屬[11-13]等逆境的抵抗能力。NO和黃瓜抗性關(guān)系的研究主要集中在低溫脅迫[14-15]、鹽脅迫等方面[16-17]，NO和黃瓜耐澇關(guān)系的研究未見報道。本試驗用硝普鈉（Sodi?um nitro?prusside，SNP）作為外源NO供體，研究外源NO和黃瓜幼苗耐澇性的關(guān)系，為生產(chǎn)上應(yīng)用NO提高黃瓜幼苗耐澇性提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為黃瓜品種‘新津研四號’，由遼寧省新民市東高蔬菜種子繁育場提供。

1.2 試驗設(shè)計

選擇大小均勻且飽滿的黃瓜種子，28℃催芽。然后將發(fā)芽一致的種子播于盛有泥土的塑料缽里，每缽2粒，人工氣候箱中培養(yǎng)。光照周期為12 h光照/12 h黑暗，光照強(qiáng)度80 μmol·m-2·s-1，溫度周期為28℃/15℃。相對濕度80%。當(dāng)黃瓜幼苗長至2 葉1心時，以葉片噴施100 μmol·L-1硝普鈉溶液為處理組（標(biāo)記為NO），葉片噴施蒸餾水為對照組（標(biāo)記為CK），每組設(shè)3次重復(fù)，每個重復(fù)30缽。每天噴施1次，連續(xù)噴施2 d。之后對黃瓜幼苗進(jìn)行淹水處理，淹水時水層保持2 cm左右，在淹水后的0、2、4、6、8 d測定各項生理指標(biāo)。

1.3 測定內(nèi)容與方法

選取黃瓜幼苗第1葉進(jìn)行葉綠素含量和光合速率測定；按照Arnon的方法測定葉片葉綠素含量（以鮮質(zhì)量計）[18]；用LI-6400光合儀測定葉片光合速率，測定條件為光照強(qiáng)度800 μmol·m-2·s-1，溫度（28±1）℃；選用幼苗根測定根的各項指標(biāo)，根質(zhì)膜相對透性參照劉鴻先[19]的方法測定，丙二醛（MDA）含量（以鮮質(zhì)量計）參照Heath[20]的硫代巴比妥酸法測定；超氧化物歧化酶（SOD）活性（以鮮質(zhì)量計）參照王愛國等[21]的方法測定；過氧化物酶（POD）活性參照李瑞智[22]愈創(chuàng)木酚法測定；以每min吸光度變化值表示酶活性大小，即以ΔA470·g-1·min-1表示；過氧化氫酶（CAT）活性按南京建成生物工程公司試劑盒說明進(jìn)行測定，以每g鮮質(zhì)量每s消耗H2O2的量表示（μmol·g-1·s-1）。采用SPSS 19.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 NO對淹水脅迫下黃瓜根質(zhì)膜相對透性的影響

淹水使黃瓜根質(zhì)膜相對透性增加（圖1），說明淹水對黃瓜根系產(chǎn)生了傷害，造成細(xì)胞原生質(zhì)外流。淹水4、8 d時，根質(zhì)膜相對透性分別為未淹水（0 d）時的161.6%和232.2%。外源NO可使淹澇時黃瓜根質(zhì)膜相對透性增加的趨勢得到一定程度的抑制，淹水4、8 d時，經(jīng)SNP處理的黃瓜根質(zhì)膜相對透性分別為同期對照的68.4%、77.2%。淹水4、6 和8 d，經(jīng)SNP處理的黃瓜根質(zhì)膜相對透性顯著低于對照。

圖1 NO對淹水脅迫下黃瓜根質(zhì)膜相對透性的影響

2.2 NO對淹水脅迫下黃瓜根MDA含量的影響

隨著淹水時間的延長，黃瓜根MDA含量呈上升趨勢（圖2）。淹水4、8 d時，根MDA含量分別為未淹水（0 d）時的206.3%和324.3%，說明隨著淹水時間的延長，黃瓜根細(xì)胞過氧化程度加劇。外源NO可抑制淹澇時黃瓜根MDA含量的增加，淹水4、8 d時，經(jīng)SNP處理的黃瓜根MDA含量分別為同期對照的66.6%、57.1%。生物學(xué)統(tǒng)計分析表明，淹水6、8 d，經(jīng)SNP處理的黃瓜根MDA含量與對照相比，分別達(dá)到顯著和極顯著差異。

圖2 NO對淹水脅迫下黃瓜根丙二醛含量的影響

2.3 NO對淹水脅迫下黃瓜葉綠素含量的影響

淹水使黃瓜葉綠素含量下降（圖3），淹水4、8 d時，葉綠素含量分別為未淹水（0 d）時的84.6%和46.2%。外源NO可抑制黃瓜淹水時黃瓜葉綠素含量的下降，淹水4、8 d時，經(jīng)SNP處理的黃瓜葉綠素含量分別為同期對照的1.1、1.8倍。淹水6、8 d，經(jīng)SNP處理的黃瓜葉綠素含量與對照相比，分別達(dá)到顯著和極顯著差異。

圖3 NO對淹水脅迫下黃瓜葉綠素含量的影響

2.4 NO對淹水脅迫下黃瓜葉片光合速率的影響

對淹水期間黃瓜葉片光合速率的測定發(fā)現(xiàn)，淹水脅迫使黃瓜葉片光合速率下降，外源NO處理可抑制黃瓜葉片光合速率的下降（圖4）。淹水4、8 d時，光合速率分別為未淹水（0 d）時的74.7%和21.9%；經(jīng)SNP處理的黃瓜葉片光合速率分別為同期對照的1.2、2.6倍。淹水6、8 d，經(jīng)SNP處理的黃瓜葉片光合速率與對照相比，差異分別達(dá)到顯著和極顯著水平。

圖4 NO對淹水脅迫下黃瓜葉片光合速率的影響

2.5 NO對淹水脅迫下黃瓜根SOD活性的影響

淹水脅迫下，黃瓜根SOD活性呈先上升后下降的趨勢（圖5）。對照組和處理組SOD活性分別在淹水4、6 d時達(dá)到最高，而后開始下降。從圖中可以看出，經(jīng)SNP處理的黃瓜根SOD活性一直高于對照。淹水2、4、6和8 d時，處理組黃瓜根SOD活性分別是對照組的2.5、1.7、3.7和8.3倍，差異分別達(dá)到了顯著和極顯著水平。

圖5 NO對淹水脅迫下黃瓜根SOD活性的影響

2.6 NO對淹水脅迫下黃瓜根POD活性的影響

對照組和處理組黃瓜根POD活性分別在淹水4、6 d時達(dá)到最高，而后開始下降（圖6）。NO可提高淹水脅迫下黃瓜根POD活性。淹水6、8 d時，經(jīng)SNP處理的黃瓜根POD活性是對照組的1.5倍、2.1倍，差異分別達(dá)到了顯著和極顯著水平。

圖6 NO對淹水脅迫下黃瓜根POD活性的影響

2.7 NO對淹水脅迫下黃瓜根CAT活性的影響

黃瓜根CAT活性在淹水脅迫下表現(xiàn)出了與SOD活性和POD活性相同的變化趨勢（圖7），即先上升后下降。淹水6、8 d時，經(jīng)SNP處理的黃瓜根CAT活性是對照組的3.3倍、2.7倍，差異分別達(dá)到極顯著和顯著水平。

圖7 NO對淹水脅迫下黃瓜根CAT活性的影響

3 討論與結(jié)論

當(dāng)土壤水分達(dá)到飽和時，植物處于淹水狀態(tài)，根系是植物受到淹水脅迫后最初的直接受害器官，質(zhì)膜相對透性增加，細(xì)胞原生質(zhì)外流。細(xì)胞質(zhì)膜過氧化作用加劇，MDA含量升高，導(dǎo)致根系活力降低[8]。這表明淹水脅迫導(dǎo)致根細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)被破壞，影響了植物對礦質(zhì)元素及營養(yǎng)成分的吸收與利用。外源NO可有效緩解淹水脅迫對黃瓜幼苗的傷害，抑制質(zhì)膜相對透性和MDA含量的升高，保護(hù)質(zhì)膜結(jié)構(gòu)的完整性，使根系在淹水脅迫時能維持良好的吸收水分和養(yǎng)分的能力。淹水脅迫使黃瓜葉片葉綠素含量下降，光合速率下降，而外源NO能有效地緩解葉綠素含量的下降，維持葉片較高的光合速率。

淹水初期，黃瓜根SOD、POD和CAT等抗氧化酶活性呈上升趨勢，這是植物在受到淹水脅迫時的應(yīng)激反應(yīng)，抗氧化酶活性的增加有利于清除淹水脅迫時產(chǎn)生的活性氧及減緩膜質(zhì)過氧化產(chǎn)物對根的傷害[23]。隨著淹水時間的延長，酶活性開始下降，說明黃瓜根受到了嚴(yán)重的傷害。作為植物體抗性反應(yīng)中的一種重要的信號物質(zhì)，NO可調(diào)控活性氧的形成，抑制膜脂過氧化，增加植物對逆境的抵抗能力[24]。硝普鈉能夠在溶液中緩慢釋放NO，因此廣泛用作NO供體[25]。硝普鈉處理能提高淹水脅迫時黃瓜根SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性，并且能維持較長時間的抗氧化酶活性，從而能夠有效清除澇害時黃瓜根產(chǎn)生的活性氧，有效緩解活性氧對黃瓜的傷害，使黃瓜幼苗在澇害下仍能維持較高的根系活力和葉片光合能力，從而提高黃瓜的耐澇性。

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《中國瓜菜》編輯部

Enhancement of waterlogging tolerance of cucumber seedlings by nitric oxide

ZHANG Jian，LIU Meiyan
（School of Life Science，Jiangsu Normal University，Institute of Integrative Plant Biology，Xuzhou 221116，Jiangsu，China）

In order to enhance the waterlogging tolerance of cucumber seedlings,100 μmol·L-1sodium nitroprusside（SNP）was used as a donor of exogenous nitric oxide（NO），the effects of exogenous NO on the plasma membrane,photosynthetic characteristics and antioxidant enzyme activities of cucumber seedlings under waterlogging stress were explored.The results indicated that exogenous NO could inhibited the increase of relative plasmalemma permeability and malondialdehyde of cucumber seedlings under waterlogging stress.The relative plasma membrane permeability and MDA content of the cucumber root treated by SNP were extremely significant different from that of control under waterlogging stress for 8 days. Exogenous NO could retard the decomposing of chlorophyll,maintain the photosynthetic capacity of cucumber seedlings under waterlogging.The chlorophyll content and photosynthetic rate of cucumber leaves treated by SNP were extremely higher than that of control group under waterlogging stress for 8 days.Exogenous NO could increase the activities of SOD, POD,CAT.The activities of SOD and POD of the cucumber root treated by SNP were highly significant and that of CAT were significant different from that of control group under waterlogging stress for 8 days.This experiment showed that exoge?nous NO could impove the capacity of anti-waterlogging stress of cucumber seedlings.

Cucumber；Nitric oxide；Waterlogging tolerance

2016-04-12；

2016-11-12

轉(zhuǎn)基因生物新品種重大專項轉(zhuǎn)基因生物分子特征識別技術(shù)(2011ZX08012-002)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項目；2014年徐州市科技計劃項目（XF13C056）

張健，男,副教授，主要從事植物生理學(xué)的教學(xué)與科研工作。E-mail：zhangjian@jsnu.edu.cn

劉美艷，女，副教授，從事生物化學(xué)與分子生物學(xué)的研究。E-mail：liumeiyan@jsnu.edu.cn