根際pH值對冬小麥葉片抗氧化酶活性和內源激素含量的影響

王光濤 馮素偉 丁位華 胡喜貴 文昭普 茹振鋼

摘要：以半冬性小麥品種矮抗58（AK58）和百農4199（BN4199）為材料進行水培試驗。結果表明，酸堿脅迫會抑制小麥地上部生物量的積累，尤其是酸脅迫下抑制效果最大。測定小麥葉片抗氧化酶活性發現，與對照相比，超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）活性在酸性條件下降低;在堿性條件下SOD活性升高，而CAT活性降低，葉片丙二醛（MDA）含量變化趨勢與CAT活性相反。酸堿脅迫對小麥葉片激素含量有較大影響，酸脅迫會降低玉米素（ZT）、生長素（IAA）含量，提高脫落酸（ABA）含量，而堿脅迫降低了IAA含量，提高了ZT和ABA含量。2個品種地上部干物質量變化、葉片抗氧化酶活性、內源激素含量和ZT/ABA、IAA/ABA的比值在酸堿脅迫下的變化趨勢基本一致。結果表明，酸堿脅迫下小麥地上部干物質積累量與抗氧化酶活性和內源激素水平有較大關系，小麥通過調整內源激素含量來誘導抗氧化酶基因表達以適應酸堿環境。

關鍵詞：冬小麥;pH值;抗氧化酶;內源激素;酸堿脅迫

中圖分類號： S512.1+10.1 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2021）10-0071-05

小麥是我國重要的糧食作物，其生長發育和產量形成受土壤環境的影響較大[1]，特別是近幾年土壤酸化加劇，嚴重影響了糧食生產和農業的可持續發展[2]。小麥適宜在中性土壤中生長，土壤過酸或過堿都會引起小麥的生理變化，從而影響其生長狀態及代謝途徑。植物在生物及非生物脅迫下會積累活性氧（ROS）。植物具有固有的抗氧化能力，超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）等與其他的酶及非酶抗氧化分子對清除ROS具有重要的作用[3]。ROS產生和消除之間的不平衡會導致其在細胞內的過度積累，對植物細胞造成損害，從而抑制植物生長[4]。因此，研究酸堿脅迫下冬小麥葉片抗氧化酶活性變化，對生態抗逆育種具有重要作用。

植物激素幫助植物適應不利環境條件，具有重要的作用[5]，一般認為玉米素（ZT）、生長素（IAA）為生長促進劑，脫落酸（ABA）為生長抑制劑[6]。植物體內的內源激素的變化會影響植物的生理代謝途徑。研究發現，低溫[7-8]、鹽堿[9]、高溫[10]、干旱[11]等脅迫對小麥生長及內源激素的平衡有著重要的影響，而外源噴施ABA可以緩解脅迫對小麥生長的抑制[12]。劉海英等研究發現，小麥根際生長環境會影響地上部內源激素含量的變化[13]。然而，目前對不同pH值條件下小麥葉片內源激素含量的變化研究鮮有報道。由于葉片是小麥吸收光能固定碳源的重要器官，因此從葉片入手研究不同pH值對小麥抗氧化酶活性以及內源激素水平的變化規律，對研究小麥的抗酸堿脅迫機制具有重要意義。為此，本試驗通過水培法模擬不同根際pH值環境，研究冬小麥生物量積累、葉片抗氧化酶活性、丙二醛（MDA）及內源激素含量的變化，以期明確不同根際pH值對小麥生長發育影響的生理基礎，為選育優質抗逆小麥品種提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗選用黃淮麥區大面積栽培的2個半冬性小麥品種矮抗58（AK58）和百農4199（BN4199），其均由河南科技學院小麥中心提供。試驗于2019年10月在河南科技學院小麥中心進行。

1.2 試驗設計

選取籽粒飽滿且大小一致的小麥種子，經1% H2O2表面消毒24 h，蒸餾水沖洗干凈。將預先浸種的種子放入培養皿中。出苗后，將大小均勻的小麥幼苗移栽到Hoagland營養液中進行水培培養。用營養液（pH值為6.5）培養3 d后，設置3個pH值的營養液：酸脅迫（pH值為4.0）、正常環境（pH值為6.5）和堿脅迫（pH值為9.0），溶液pH值分別用 1 mol/L HCl和1 mol/L NaOH調節。將植物培養在光/暗周期為14 h/10 h（光照度為20 000 lx），晝夜溫度為 22 ℃/19 ℃，相對濕度為60%的光照培養箱內。每天定時更換營養液并調節至對應pH值，脅迫處理 15 d。保證每個指標完全隨機選取10～20株幼苗進行檢測。取樣時，小麥植株為3葉期幼苗。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 地上部干物質積累 取植株地上部分，105 ℃ 殺青30 min，于80 ℃烘至恒質量，稱干質量。

1.3.2 葉片抗氧化酶及MDA含量測定 參照郝再彬等的方法測定小麥抗氧化酶活性及MDA含量，SOD活性采用氮藍四唑法，CAT活性采用鉬酸銨比色法，MDA含量采用硫代巴比妥酸法[14]。

1.3.3 內源激素含量測定 內源激素含量采用高效液相色譜法（HPLC）進行測定，參照張玉瓊等的方法測定ZT、IAA、ABA等的含量[15]。

1.4 數據處理

采用SigmaPlot 12.0處理數據并作圖，使用SPSS 19.0軟件的最小顯著性差異法（LSD）分析數據差異性（P<0.05，P<0.01）。

2 結果與分析

2.1 不同pH值對小麥幼苗干物質積累的影響

如圖1所示，根際pH值對小麥地上部干物質積累有明顯影響。2個品種地上部干物質積累量均表現為pH值為6.5處理>pH值為9.0處理>pH值為4.0處理。與正常環境相比，BN4199和AK58地上部干物質量在pH值為4.0和pH值為9.0條件下分別下降26%和26%、16%和15%。

2.2 不同pH值對小麥幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

如圖2所示，不同根際pH值條件下2個品種的葉片SOD活性隨著根際pH值的升高而增加，CAT活性表現為pH值為4.0處理

2.3 不同pH值對小麥幼苗葉片MDA含量的影響

由圖3可知，2個品種MDA含量在不同pH值條件下表現一致，均為pH值為6.5處理

2.4 不同pH值對小麥幼苗葉片內源激素含量的影響

如圖4所示，不同pH值條件下不同小麥品種葉片激素含量具有較大差異，且各激素含量表現不同。2個品種ZT、IAA、ABA的含量分別表現為pH值為4.0處理

2.5 不同pH值對小麥幼苗葉片內源激素含量間比值的影響

由圖5可以看出，不同pH值條件下葉片ZT含量/ABA含量表現為pH值為4.0處理

2.6 相關性分析

如表1所示，SOD活性與ZT含量呈顯著正相關關系。CAT活性與IAA含量呈顯著正相關關系，與ABA含量呈極顯著負相關關系。地上部干物質量與CAT活性和IAA含量呈極顯著正相關關系，與ABA含量呈顯著負相關關系。

3 討論與結論

根際pH值會影響礦物養分的有效性以及植物對離子的吸收[16]。研究發現不同脅迫條件抑制了大麥[17]、燕麥[18]、玉米[19-20]、水稻[21-22]的生長發育。本試驗發現，酸堿脅迫會抑制生物量的積累，酸脅迫不利于小麥植株干物質積累，說明酸脅迫抑制了小麥對養分的吸收，使生物量積累降低，而堿脅迫較酸脅迫有更強的營養吸收能力。逆境條件下，植物體內的ROS大量累積會破壞細胞膜的結構和功能[23]，進而引發不飽和脂肪酸過氧化形成MDA，MDA的積累間接反映了植物受脅迫程度[24]。植物體內的抗氧化酶系統會清除ROS，提高植物細胞的抗氧化能力[25]。楊舒貽等研究認為，抗氧化酶活性的高低與植物耐脅迫能力有關[26]。本試驗發現，堿性條件下地上部生物量積累、抗氧化酶活性均高于酸性條件，而酸性條件下葉片的膜脂過氧化程度大于堿性條件。說明酸堿脅迫下保持較高的抗氧化酶活性可以穩定葉片生長，提升小麥對不良根際酸堿環境的適應。

植物激素在植物從胚胎形成到衰老的發育過程中起著重要作用[27]，長期以來被認為是調節植物發育和各種脅迫的耐受性或敏感性所必需的內源分子[28]。郭美俊等研究認為，植物內源激素系統能夠調節植物對多變環境的適應性，這種影響是多種激素協同變化的結果[29]。本試驗發現，堿脅迫下ZT、IAA含量高于酸脅迫，ABA含量低于酸脅迫。地上部干物質量與IAA含量呈極顯著正相關關系，與ABA含量呈顯著負相關關系，而堿性條件下的干物質積累量大于酸性條件。說明保持較高的生長促進型激素含量對小麥抵御逆境傷害以及生物量的積累有重要作用。Zhang等的研究表明，抗氧化酶系統與激素信號通路之間是雙向鏈接關系[30]。Sewelam等發現在不同脅迫條件下，植物組織中的ROS和ABA水平同時升高[31]。相關分析表明，SOD活性與ZT含量呈正相關關系;CAT活性與IAA含量呈顯著正相關關系，與ABA含量呈極顯著負相關關系。說明脅迫刺激了內源激素信號分子，誘導活性氧的產生以及抗氧化基因的表達，從而影響生物量的積累及生理代謝過程。有研究認為，ZT含量/ABA含量與IAA含量/ABA含量反映了各種激素間的平衡關系[15]。本試驗發現，與正常環境（pH值為6.5）相比，酸性條件下2個品種的ZT含量/ABA含量與IAA含量/ABA含量降低，堿性條件下ZT含量/ABA含量升高，IAA含量/ABA含量下降，且酸性條件下IAA含量/ABA含量的下降幅度大于堿性條件。說明保持較高的ZT含量/ABA含量與IAA含量/ABA含量有利于植物抵御逆境的傷害，這可能是小麥在堿性條件下生物量積累大于酸性條件的生理原因之一。

本試驗發現，堿性條件下小麥葉片抗氧化酶活性、ZT與IAA含量、內源激素含量比值均高于酸性條件。這些結果表明，小麥在堿性條件下具有較強的耐受性。植物在逆境條件下的生理代謝反應會影響植株生物量的積累，徐呈祥研究認為生物量的積累反映了植物對脅迫的響應[32]。2個品種在堿性條件下地上部干物質積累量均高于酸性條件，進一步說明植物體內的代謝變化及脅迫應激反應改變了生物量的積累。這些結論揭示了不同pH值對小麥抗氧化酶活性以及內源激素水平變化的規律，可以為研究小麥抗酸堿脅迫機制提供參考依據。

本試驗發現，不同根際pH值對小麥的地上部生物量積累、抗氧化酶活性和內源激素含量變化有著顯著的影響。不同小麥品種耐酸堿能力具有較大差異，而耐酸堿性強的小麥通過調整內源激素含量來誘導抗氧化酶基因表達以適應酸堿環境。酸堿脅迫下保持內源激素平衡和較高的抗氧化酶活性有利于保持小麥生長。本試驗探討了不同根際pH值對小麥的影響，為探索小麥的抗酸堿脅迫機制提供了一定的參考依據。但本試驗僅從小麥地上部的生理變化進行了研究，下一步還應對根系與地上部相聯系，進行深入分析。

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