干旱脅迫對三種草本植物生理生化特性的影響

朱鳳榮

摘要：以播娘蒿（Descurainia sophia）、薺菜（Capsella bursa-pastoris （Linn.） Medic.）和小麥（Triticum aestivum L.）為供試植物，通過水培試驗(yàn)研究在干旱脅迫下3種植物的相對電導(dǎo)率、游離脯氨酸、可溶性蛋白質(zhì)、丙二醛含量以及過氧化物酶、超氧化物歧化酶活性的變化規(guī)律。結(jié)果表明，干旱脅迫下，播娘蒿、薺菜和小麥的相對電導(dǎo)率、丙二醛、游離脯氨酸含量均呈持續(xù)遞增趨勢，3種植物相對電導(dǎo)率大小排序?yàn)樾←湣⑺j菜、播娘蒿。干旱脅迫下，3種植物體內(nèi)可溶性蛋白質(zhì)指標(biāo)與過氧化物酶、超氧化物歧化酶及丙二醛均呈先升后降的趨勢。播娘蒿、薺菜體內(nèi)游離脯氨酸累積量與相對電導(dǎo)率間呈極顯著、顯著正相關(guān)，均具有良好的線性回歸關(guān)系。3種植物對干旱脅迫均具有一定的耐性和抗性，且播娘蒿和薺菜的抗旱性強(qiáng)于小麥。

關(guān)鍵詞：干旱脅迫;播娘蒿（Descurainia sophia）;薺菜（Capsella bursa-pastoris （Linn.） Medic.）;小麥（Triticum aestivum L.）;生理生化特性

中圖分類號：S181? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）06-0088-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.06.019? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Abstract： Using sophia（Descurainia sophia）， shepherd′s purse （Capsella bursa-pastoris （Linn.） Medic） and wheat （Triticum aestivum L.） as experimental plant，through the hydroponic experiments， the contents of relative conductivity， free proline， soluble protein， peroxidase（POD）， superoxide dismutase（SOD）， malondialdehyde（MDA） in sophia， shepherd′s purse， Wheat under drought dress were studied. The results showed as follow： under drought stress， the relative conductivity， malondialdehyde and free proline of sophia， shepherd′s purse and wheat showed a continuous increasing trend. The relative conductivity of the three plants were wheat>shepherd′s purse>sophia. Under drought stress， the indexes of soluble protein， peroxidase and superoxide dismutase in the three plants showed a trend of rising first and then decreasing. There was a significant positive correlation between free proline accumulation and relative conductivity in sophia and shepherd′s purse. There was a good linear relationship between the two indicators. The results showed that all the three plants had certain tolerance and resistance to drought stress， and the drought resistance of sophia and shepherd′s purse was stronger than that of wheat.

Key words： drought stress（Descurainia sophia）; sophia; shepherd′s purse （Capsella bursa-pastoris （Linn.） Medic.）; wheat（Triticum aestivum L.）; physiological and biochemical characteristics

干旱是世界農(nóng)業(yè)面臨的最嚴(yán)重的問題之一，干旱脅迫所導(dǎo)致的作物減產(chǎn)超過其他環(huán)境脅迫所造成減產(chǎn)的總和[1]。近幾年來大范圍內(nèi)周期性降水分布失衡以及用水不當(dāng)都加重了干旱脅迫的程度，干旱脅迫對植物的影響主要體現(xiàn)在對細(xì)胞活性、器官和組織功能的影響上[2]。受到干旱脅迫后，植物體活性氧增加、細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)變化、個體及群體光合作用受到抑制，最終植物個體或群體生長受抑，形態(tài)發(fā)生變化，生物量或產(chǎn)量受到影響。小麥?zhǔn)侵饕募Z食作物，百農(nóng)矮抗58發(fā)芽率較高;薺菜和播娘蒿均屬于農(nóng)田中常見雜草且常伴隨小麥、玉米等農(nóng)作物生長，在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中競爭力較強(qiáng)，易與農(nóng)作物產(chǎn)生競爭，但均具有藥物價值，3種植物均屬于草本植物。目前，關(guān)于干旱脅迫對植物生理特征影響方面的研究對象大部分是單一物種[3-5]，缺乏農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中不同物種的生理特性與干旱脅迫響應(yīng)方面的研究。因此，本研究選取小麥、播娘蒿和薺菜3種草本植物為研究對象，采用水培試驗(yàn)，研究干旱脅迫下植物的生理生化變化特征，以期為揭示3種物種對干旱脅迫的響應(yīng)機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。

1? 材料與方法

1.1? 試驗(yàn)設(shè)計

供試的播娘蒿（ML）、小麥（HG）和薺菜（LL）種子均由新鄉(xiāng)學(xué)院提供，且均為一年生植物種子。水培試驗(yàn)于2017—2018年在新鄉(xiāng)學(xué)院植物生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。挑選飽滿、大小均一的供試種子經(jīng)15%過氧化氫浸種消毒10 min后，用去離子水沖洗數(shù)3～4次，移至鋪有兩層滅菌濾紙的周轉(zhuǎn)箱中，于20 ℃光照培養(yǎng)箱中黑暗條件下催芽，待種子露白后移至石英砂中培養(yǎng)。當(dāng)播娘蒿、小麥和薺菜各自出現(xiàn)第二片真葉時，選擇健壯且長勢一致的幼苗，定植于裝有5.0 mmol/L Hoagland營養(yǎng)液的培養(yǎng)箱（38 cm×32 cm×27 cm）中，每箱30株，待四葉一心時進(jìn)行干旱脅迫處理。

干旱脅迫處理為5個不同濃度梯度的PEG-6000滲透脅迫液，濃度梯度分別為0（CK）、5%（P1）、10%（P2）、20%（P3）和30%（P4）。每種植物5個不同濃度處理，每處理設(shè)置3個重復(fù)。分別于PEG-6000脅迫24 h時測定播娘蒿、小麥和薺菜的生理生化指標(biāo)。

1.2? 指標(biāo)測定

3種植物葉片分別測定6項(xiàng)生理指標(biāo)：相對電導(dǎo)率使用電導(dǎo)儀測定;游離脯氨酸含量采用酸性茚三酮法測定[6];可溶性蛋白質(zhì)含量采用考馬斯亮藍(lán)染色法測定[7];過氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法測定;超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍(lán)四唑光化還原法測定;丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸（TAB）比色法測定[6]。

1.3? 數(shù)據(jù)處理

采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，采用Sigmaplot 10.0軟件作圖。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 干旱脅迫對3種植物相對電導(dǎo)率的影響

從圖1可以看出，隨著干旱脅迫濃度的增加，播娘蒿、小麥和薺菜的相對電導(dǎo)率持續(xù)升高，且3種草本植物的葉片電導(dǎo)率大小排序?yàn)樾←湣⑺j菜、播娘蒿。在脅迫濃度范圍內(nèi)，播娘蒿、小麥和薺菜的相對電導(dǎo)率變化范圍分別為30.95%～38.45%、31.38%～43.19%和31.25%～40.43%，當(dāng)脅迫濃度為P4（30%PEG-6000）時，播娘蒿小麥和薺菜的電導(dǎo)率分別比對照（CK）增加24.25、37.67和29.38個百分點(diǎn)，由此可知，3種草本植物中，干旱脅迫后小麥的相對電導(dǎo)率增幅最大。

2.2? 干旱脅迫對3種植物游離脯氨酸含量的影響

由圖2可知，隨著干旱脅迫濃度的增加，播娘蒿和薺菜體內(nèi)游離脯氨酸含量均呈持續(xù)上升的趨勢，小麥則呈先升后降的趨勢。干旱脅迫濃度范圍內(nèi)，播娘蒿和薺菜體內(nèi)游離脯氨酸含量變化范圍分別在0.25～1.03 mg/g和0.34～0.92 mg/g，當(dāng)脅迫濃度為P4（30%PEG-6000）時，播娘蒿和薺菜分別為對照（CK）的4.20倍和2.70倍，表明干旱脅迫有助于刺激播娘蒿和薺菜葉片細(xì)胞內(nèi)分泌谷氨酸，從而合成游離脯氨酸。然而，在干旱脅迫濃度范圍內(nèi)，小麥體內(nèi)游離脯氨酸含量則呈先升后降的趨勢，當(dāng)脅迫濃度為P2（10%PEG-6000）時出現(xiàn)峰值，此時游離脯氨酸含量為0.84 mg/g，比對照（CK）增加了450.66%，表明低濃度脅迫有助于小麥體內(nèi)形成游離脯氨酸，而高濃度脅迫不利于小麥體內(nèi)游離脯氨酸的合成。分析表明，小麥對外界干旱脅迫的耐性和抗性較差，而播娘蒿和薺菜的抗性較高。

2.3? 干旱脅迫對3種植物可溶性蛋白質(zhì)含量的影響

由圖3可以看出，隨著干旱脅迫濃度的增加，播娘蒿、小麥和薺菜體內(nèi)可溶性蛋白質(zhì)含量均呈先升后降的趨勢，且3種植物均在P2（10%PEG-6000）濃度時出現(xiàn)峰值，其可溶性蛋白質(zhì)含量分別為4.22、2.57、2.99 mg/g。總的來說，低濃度的干旱脅迫有助于播娘蒿、小麥和薺菜體內(nèi)可溶性蛋白質(zhì)的形成，當(dāng)外界干旱脅迫超出植物的抗性閾值時，植物體內(nèi)可溶性蛋白質(zhì)含量下降。

2.4? 干旱脅迫對3種植物過氧化物酶活性的影響

由圖4可知，隨著干旱脅迫濃度的增加，播娘篙、小麥和薺菜體內(nèi)的過氧化物酶活性均呈先升后降趨勢。干旱脅迫濃度范圍內(nèi)，播娘篙、小麥和薺菜過氧化物酶活性變化范圍分別在605.15～2 289.61 U/g、366.43～1 186.37 U/g和228.30～924.63 U/g。播娘篙、小麥和薺菜均在脅迫濃度為P3（20%PEG-6000）時，表現(xiàn)出最大值，此時相對于對照（CK）最大增幅分別為280.00%、224.04%和305.26%。總體表明，3種草本植物對干旱脅迫均具有一定的耐性和抗性，低濃度干旱脅迫均有助于3種草本植物過氧化物酶活性的產(chǎn)生，且更有助于薺菜體內(nèi)過氧化物酶活性的產(chǎn)生。

2.5? 干旱脅迫對3種植物超氧化物歧化酶活性的影響

由圖5可以看出，隨著干旱脅迫濃度的升高，播娘蒿、薺菜和小麥的超氧化物歧化酶活性均呈先升后降的趨勢。小麥和薺菜均在P2（10%PEG-6000）時體內(nèi)超氧化物歧化酶活性達(dá)到最高，表現(xiàn)為435.99±43.68 U/g和479.28±47.82 U/g，相對于對照最大增幅分別為32.22%和30.87%。播娘蒿則在P3（20%PEG-6000）時表現(xiàn)出最大值514.38±299.68 U/g。研究表明，低濃度干旱脅迫有助于播娘蒿、薺菜和小麥體內(nèi)超氧化物歧化酶活性的增強(qiáng)，但高濃度干旱脅迫則會造成超氧化物歧化酶活性的降低。

2.6? 干旱脅迫對3種植物丙二醛含量的影響

由圖6可以看出，隨著干旱脅迫濃度的增加，播娘蒿、小麥和薺菜體內(nèi)丙二醛含量均呈持續(xù)遞增的趨勢，其變化范圍分別在0.46～0.87 μmol/L、0.25～1.16 μmol/L和0.52～0.99 μmol/L，當(dāng)脅迫濃度為P4（30%PEG-6000）時，其丙二醛含量達(dá)到峰值。總體研究表明，干旱脅迫會造成播娘蒿、小麥和薺菜體內(nèi)丙二醛含量的持續(xù)增加，有利于刺激植物體內(nèi)丙二醛的產(chǎn)生。

2.7? 植物相對電導(dǎo)率與游離脯氨酸累積量的關(guān)系

以相對電導(dǎo)率作自變量，游離脯氨酸累積量為因變量進(jìn)行相關(guān)假設(shè)測驗(yàn)，計算回歸方程，從表1可以看出，播娘蒿、薺菜體內(nèi)游離脯氨酸累積量與相對電導(dǎo)率之間呈極顯著、顯著正相關(guān)，均具有良好的一元線性回歸關(guān)系，其P值分別為0.004和0.019。然而，小麥體內(nèi)相對電導(dǎo)率和游離脯氨酸累積量間相關(guān)性不顯著。研究表明，植物相對電導(dǎo)率和游離脯氨酸累積量間存在一定的線性回歸關(guān)系，其中播娘蒿和薺菜尤為顯著。

3? 小結(jié)與討論

隨著干旱脅迫濃度的增加，3種植物相對電導(dǎo)率和游離脯氨酸累積量總體均呈持續(xù)遞增趨勢。這與秦峰梅等[8]在黃菖蒲，張小艾等[9]在二月蘭，原海燕等[10]在喜鹽鳶尾上的研究結(jié)論相似。生物膜結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定性與植物的抗逆性密切相關(guān)，鹽堿及干旱脅迫對細(xì)胞膜造成了傷害，導(dǎo)致滲透物質(zhì)大量外流，引起相對電導(dǎo)率升高。游離脯氨酸積累是植物為了對抗干旱脅迫而采取的一種保護(hù)性措施，在干旱條件下，植物體內(nèi)脯氨酸含量會增加，從而增強(qiáng)了植物的滲透調(diào)節(jié)作用，同時游離脯氨酸的偶極性保護(hù)了膜蛋白結(jié)構(gòu)的完整性，增強(qiáng)了膜的柔韌性[11]，Stewart等[12]研究了失水條件下植物細(xì)胞累積脯氨酸的生理生化機(jī)制，認(rèn)為干旱下脯氨酸累積的原因可能是合成加強(qiáng)、降解受抑、消耗減少導(dǎo)致的，因?yàn)楦珊迪碌鞍踪|(zhì)合成減弱，因而抑制了脯氨酸摻入蛋白質(zhì)的過程。干旱脅迫下，播娘蒿、薺菜和小麥相對電導(dǎo)率排序?yàn)樾←湣⑺j菜、播娘蒿，表明3種植物抗旱性強(qiáng)弱排序?yàn)椴ツ镙铩⑺j菜、小麥。干旱脅迫下，抗旱性強(qiáng)的植物比抗旱性弱的植物相對電導(dǎo)率上升慢，相對生長率下降慢，組織或細(xì)胞受損輕[13-15]，游離脯氨酸累積量上升慢[16，17]。因此，播娘蒿、薺菜體內(nèi)游離脯氨酸累積量與相對電導(dǎo)率之間呈極顯著、顯著正相關(guān)，且存在一定的線性回歸關(guān)系。

植物在長期進(jìn)化過程中形成了受遺傳性制約的逆境適應(yīng)機(jī)制，活性氧代謝在其中占據(jù)重要地位，是植物對逆境脅迫的原初反應(yīng)。在鹽堿、干旱等逆境脅迫期間，植物通過增強(qiáng)保護(hù)酶活性來清除活性氧自由基，從而維持細(xì)胞膜的穩(wěn)定性和完整性。本研究表明，干旱脅迫下，播娘蒿、薺菜和小麥體內(nèi)可溶性蛋白質(zhì)、POD和SOD均呈先升后降的趨勢。可溶性蛋白質(zhì)作為植物細(xì)胞的主要滲透物質(zhì)之一，在受到逆境脅迫時，細(xì)胞內(nèi)可溶性蛋白質(zhì)含量提高，增加細(xì)胞滲透濃度和功能蛋白質(zhì)的數(shù)量，有助于維持細(xì)胞的正常生理代謝;低濃度干旱脅迫時，活性氧作為第二信使，啟動植物細(xì)胞的防御反應(yīng)，播娘蒿、薺菜和小麥通過分泌抗氧化酶來有效地清除自由基，防御著膜脂過氧化，從而維持細(xì)胞的正常代謝[18，19]。但在高濃度干旱脅迫下，植物生物膜脂氧化加劇，破壞了細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的完整性。

丙二醛（MDA）是膜脂過氧化作用的主要產(chǎn)物之一，具有很強(qiáng)的細(xì)胞毒性，對膜和細(xì)胞中的許多生物功能分子如蛋白質(zhì)、核酸和酶等均有很強(qiáng)的破壞作用，并參與破壞生物膜的結(jié)構(gòu)與功能。MDA含量高低和細(xì)胞質(zhì)膜透性變化是反映細(xì)胞膜脂過氧化作用強(qiáng)弱和質(zhì)膜破壞程度的重要指標(biāo)[20]。本研究表明，干旱脅迫下，小麥、薺菜和播娘蒿體內(nèi)MDA含量均呈持續(xù)遞增趨勢，這與張永鋒等[21]在紫花苜蓿、鄒春靜等[22]在云杉上的研究結(jié)果一致，表明外界干旱脅迫會持續(xù)導(dǎo)致播娘蒿、小麥和薺菜生物膜脂過氧化不斷加劇，植物受傷害程度在不斷增加。

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