干旱脅迫對不同基因型甜葉菊幼苗生理特性的影響

趙永平,姬苗苗,朱 亞,楊 攀

(商洛學院 生物醫藥與食品工程學院,陜西 商洛 726000)

植物在生長發育過程中常常受到逆境脅迫,而干旱是最常見的脅迫因素[1]。我國干旱、半干旱地帶占據了全國土地面積的48%,且無灌溉的旱地占到總耕地的51.9%[2],特別是在西北地區,干旱脅迫是限制農業生產的主要因素,因此,明確植物的抗旱特性,篩選適于半干旱地區農業生產的耐旱品種進行推廣,是調整地方農業產業結構,實現旱地農業可持續發展的重要途徑之一。

甜葉菊(SteviarebaudianaBertoni)又名甜菊,為菊科多年生草本植物,原產于南美巴拉圭和巴西交界的高山草地[3-4]。其全株含有甜菊糖苷,以葉片中含量最高,其甜度為蔗糖的250～450倍[5-6],并且其化學結構穩定,不參與人體代謝；其次,甜菊糖苷還具有控制血糖、血壓,預防肥胖、抗氧化、抗癌和提高免疫力等作用[7-9],因此被廣泛應用在食品、化妝品、醫藥和保健等行業。甜葉菊由于根系發達,抗旱、抗鹽堿能力較強,近年來逐漸發展成為我國西北尤其是沙漠邊緣地帶防風固沙、種植業結構調整的主要經濟作物[10]。目前國內外關于甜葉菊抗旱性品種篩選方面的研究較少,因此,我們探索了干旱脅迫下不同基因型甜葉菊抗性生理指標的變化,以期為干旱、半干旱地區甜葉菊耐旱品種的篩選與推廣提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

本試驗在商洛學院生物醫藥與食品工程學院實驗教學中心進行。試驗材料為引進的5個不同基因型的甜葉菊扦插種苗(表1),選取健康、整齊一致的扦插苗進行盆栽。試驗設置常規灌溉(CK)、輕度干旱脅迫(MID)、中度干旱脅迫(MOD)和重度干旱脅迫(SED)4個處理,其土壤含水量分別為田間最大持水量的80%、60%、40%、20%,每個處理3次重復。在盆栽緩苗期進行常規管理；在移栽15 d后開始進行干旱脅迫處理；在處理30 d后測定甜葉菊的各項生理指標。

表1 不同基因型甜葉菊的來源及葉片特征

1.2 測定指標與測定方法

主要測定不同基因型甜葉菊幼苗的生理指標，包括保護酶[超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶( CAT)]的活性、丙二醛( MDA)含量、可溶性蛋白含量和脯氨酸含量。超氧化物歧化酶活性用氮藍四唑光還原法測定;過氧化物酶活性用愈創木酚比色法測定;過氧化氫酶活性用分光光度法測定;丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法測定;可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍染色法測定;脯氨酸含量測定采用磺基水楊酸法[11]。

1.3 數據處理

用DPS 7.05數據統計軟件對試驗數據進行處理和分析,用Excel 2003進行圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對不同基因型甜葉菊幼苗保護酶活性的影響

2.1.1 干旱脅迫對不同基因型甜葉菊幼苗SOD活性的影響 在植物遭受逆境脅迫時,SOD活性變化是反映植物抗氧化系統強弱的重要指標之一。由圖1可以看出,不同程度干旱脅迫對甜葉菊幼苗的SOD活性變化具有較大影響,不同基因型甜葉菊的SOD活性均隨著干旱脅迫程度的加劇而呈先升高后降低的變化,其中J-LZ-09、N-ZS-3、HN-2和HX-2四個基因型甜葉菊在中度干旱脅迫下SOD活性達到最大。與其他基因型相比較,J-LZ-09的SOD活性最高,較CK提高了16.05%；而C-LN-A3在輕度干旱脅迫時SOD活性就已經達到峰值,較CK提高了15.51%。

2.1.2 干旱脅迫對不同基因型甜葉菊幼苗POD活性的影響 POD可以有效地消除植物體內積累的自由基,被公認為保護酶的重要組成之一。由圖2可見,在干旱脅迫條件下,不同基因型甜葉菊POD活性變化存在顯著差異,J-LZ-09、N-ZS-3和HN-2三個基因型甜葉菊隨著干旱脅迫程度的增加,POD活性呈現先升高后降低的變化趨勢,在輕度干旱脅迫時,POD活性均達到最高,以J-LZ-09的POD活性變化最大,較CK增加了32.69%。C-LN-A3的POD活性隨著干旱脅迫程度的增加而持續升高,在重度干旱脅迫時,其POD活性達到最大,為232.16 U/g。HX-2在處于中度干旱脅迫時,POD活性最高,較CK增加了40.54%。

圖1 干旱脅迫對不同基因型甜葉菊幼苗SOD活性的影響

圖2 干旱脅迫對不同基因型甜葉菊幼苗POD活性的影響

2.1.3 干旱脅迫對不同基因型甜葉菊幼苗CAT活性的影響 一般在植物體遭受逆境脅迫后,CAT與POD協同消除植物體內所產生的自由基。由圖3可以看出,隨著干旱脅迫程度的增加,不同基因型甜葉菊的CAT活性均呈現先升高后降低的變化,其中J-LZ-09和N-ZS-3在中度干旱脅迫時,其CAT活性達到最高；而HN-2、C-LN-A3和HX-2在輕度干旱脅迫時,CAT活性就已經達到最大,其中C-LN-A3的CAT活性變幅最大,較CK提高了31.48%。

圖3 干旱脅迫對不同基因型甜葉菊幼苗CAT活性的影響

2.2 干旱脅迫對不同基因型甜葉菊幼苗MDA含量的影響

在干旱脅迫條件下,由于膜脂過氧化引起膜結構破壞,質膜透性增大,丙二醛就是膜脂過氧化的分解產物,因此,其含量的變化與植物的抗性密切相關。由圖4可知,不同基因型甜葉菊的MDA含量均隨著干旱脅迫程度的加劇而呈現升高的趨勢,在遭受重度干旱脅迫時,MDA含量均較其他脅迫處理高,其中J-LZ-09的MDA含量最高,為6.35 nmol/g,而HX-2的MDA含量變幅最大,為CK的2.82倍。

圖4 干旱脅迫對不同基因型甜葉菊幼苗MDA含量的影響

2.3 干旱脅迫對不同基因型甜葉菊幼苗滲透調節物質的影響

2.3.1 干旱脅迫對不同基因型甜葉菊幼苗脯氨酸含量的影響 滲透調節是植物對逆境的一種適應性反應,脯氨酸是最重要的滲透調節物質之一,也是植物抗性評價的重要指標[12]。由圖5可知,不同基因型甜葉菊的脯氨酸含量都隨著土壤含水量的減少而呈現升高的趨勢,在輕度干旱脅迫時,脯氨酸含量變化幅度不大,但是,隨著脅迫程度進一步加劇,不同基因型甜葉菊的脯氨酸含量均急劇升高。在重度干旱脅迫時,J-LZ-09的脯氨酸含量最高,而HX-2的脯氨酸含量變幅最大,是CK的14.2倍。

圖5 干旱脅迫對不同基因型甜葉菊幼苗脯氨酸含量的影響

2.3.2 干旱脅迫對不同基因型甜葉菊幼苗可溶性蛋白含量的影響 在逆境脅迫條件下,脯氨酸可與蛋白質發生水合作用,提高蛋白質的可溶性,因此,通常也將可溶性蛋白含量作為植物抗性評價的重要指標之一[12]。如圖6所示,不同基因型甜葉菊的可溶性蛋白含量均隨著干旱脅迫程度的增加而逐漸升高,以HX-2的可溶性蛋白含量最大,為14.59 mg/g,且其變幅最大,較CK的可溶性蛋白含量升高了120.06%。

圖6 干旱脅迫對不同基因型甜葉菊幼苗可溶性蛋白含量的影響

3 討論與結論

在農業生產過程中,異常土壤、水分及氣候等因素的變化都會對植物的生長和發育造成脅迫,從而引起作物減產或絕收,其中干旱所產生的損失是其他逆境脅迫產生損失的總和[13]。植物在受到干旱脅迫時,體內會產生大量的活性氧,而活性氧會破壞生物功能分子,引起膜的過氧化；在植物體內也有一個清除活性氧、維持自由基動態平衡的防御系統,細胞中的SOD、POD、CAT等保護酶就是這個防御系統的重要組成部分,因此,這些保護酶的活性常被用來反映植物體抗性的強弱[14-15]。本研究結果表明,隨著干旱脅迫程度的增加,不同基因型甜葉菊的SOD、POD和CAT活性基本上均呈現先升高后降低的變化趨勢(除C-LN-A3外),說明在輕、中度干旱脅迫時,各基因型甜葉菊植株體內的保護酶能夠在很大程度上清除因為干旱脅迫所產生的大量自由基,使植株能夠進行正常的新陳代謝；但是當干旱脅迫程度進一步加劇時,生物膜遭到嚴重破壞,活性氧累積量過大,保護酶活性下降,最終干旱脅迫對植物造成了較大的傷害。

干旱脅迫引發植物膜脂相變,膜透性增大,細胞代謝紊亂,活性氧大量積累,發生膜脂過氧化,使得其終產物MDA的含量快速升高,引起細胞毒害[2,14]。本試驗結果表明,不同基因型甜葉菊的MDA含量均隨著土壤含水量的減少而升高,說明隨著干旱脅迫程度的增加,不同基因型甜葉菊細胞內活性氧的積累量迅速增加,發生膜質氧化反應,從而生成了大量的MDA。

滲透調節物質是維持細胞膨壓和原有生理作用的重要物質,脯氨酸就被用來判斷植物抗性的強弱。此外,脯氨酸與蛋白質結合,可以減少可溶性蛋白的沉淀,保護生命物質和生物膜,因此,可溶性蛋白也被用作植物抗性的衡量指標[2,12]。本研究發現,不同基因型甜葉菊的脯氨酸和可溶性蛋白含量都隨著干旱脅迫程度的增加而呈現升高的趨勢,在中度到重度干旱脅迫過程中,不同基因型甜葉菊的脯氨酸含量均急劇升高,說明在嚴重的水分虧缺下,細胞內脯氨酸合成酶活化、生物氧化降解過程受到抑制而積累了大量的脯氨酸，以維持細胞內外滲透壓平衡。

綜上所述,干旱脅迫對不同基因型甜葉菊的各生理指標變化具有顯著的影響,在輕度和中度干旱脅迫下,不同基因型甜葉菊的抗氧化作用和滲透調節能力有升高的趨勢,但是在重度干旱脅迫下,植株的生物膜結構遭到破壞,代謝紊亂,生理作用受到嚴重影響。在參試的5個基因型中，J-LZ-09的脯氨酸含量最高,在中度干旱脅迫下,其SOD和POD活性均最高,較CK分別提高了16.05%和32.69%。但是,HX-2的脯氨酸和可溶性蛋白含量變幅最大,較CK分別升高了13.2倍和1.2倍。