水分脅迫下水稻幼苗多胺含量變化與抗旱性的關(guān)系

周小梅，趙運林，周樸華，李小湘，王淑紅

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.湖南城市學(xué)院 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，湖南 益陽413000；3.湖南省水稻研究所，湖南 長沙 410125)

多胺(polyamine，PA)廣泛存在于原核生物和真核生物中，是一類低分子脂肪族含氮堿.高等植物中常見的多胺有腐胺(Put)、亞精胺(Spd)、精胺(Spm)等，它們以多聚陽離子狀態(tài)存在，可與帶負電荷的核酸、酶、結(jié)構(gòu)蛋白以及細胞內(nèi)功能基團發(fā)生作用，調(diào)節(jié)植物的生長、發(fā)育和形態(tài)建成[1-2].近年來，越來越多的的研究表明，多胺與植物對外界環(huán)境脅迫反應(yīng)的關(guān)系密切.有關(guān)水分脅迫下多胺的累積與水稻抗旱性關(guān)系的研究已有報道[3-4].筆者以秈稻品種旱116(抗旱性強)、湘早秈32號(抗旱性弱)為材料，PEG6000模擬干旱對水稻幼苗進行根際脅迫處理，探討水分脅迫下水稻幼苗多胺含量的變化與抗旱性的關(guān)系，現(xiàn)將結(jié)果報道如下.

1 材料與方法

1.1 材 料

旱116、湘早秈32號，在25 ℃左右的水中浸種24 h，35 ℃下催芽，選取露白一致的種子，播種于塑料杯中(每杯30粒)，木村B培養(yǎng)液培養(yǎng)，于室溫30 ℃自然條件下生長.

1.2 方 法

當(dāng)幼苗長至二葉一心期，用含0(－0.03 MPa，處理Ⅰ)、5%(－0.10 MPa，處理Ⅱ)、10%(－0.16 MPa，處理Ⅲ)、15%(－0.33 MPa，處理Ⅳ)、20%(－0.50 MPa，處理Ⅴ)、25%(－0.77 MPa，處理Ⅵ)聚乙二醇(PEG6000)的1/2木村B培養(yǎng)液進行根際處理，7 d后取樣測定多胺含量，各重復(fù)3次.脅迫處理后，每杯隨機取幼苗20株，洗凈，放入恒溫干燥箱中，105 ℃殺青30 min，70 ℃烤干至恒重，分別測定幼苗地上部、根干重.

水稻幼苗多胺含量按文獻[11]方法，稍加改進測定.

2 結(jié)果與分析

2.1 水分脅迫對水稻幼苗生長的影響

2.1.1 水分脅迫對水稻幼苗根系干重相對生長率的影響

水分脅迫對水稻幼苗根系生長起促進作用，隨著PEG6000質(zhì)量分數(shù)的增加，根系干重逐漸增加(表1)，旱116根系干重的相對變化率明顯大于湘早秈32號.

表1 水分脅迫對水稻幼苗相對生長率的影響Table 1 Effect of water stress on relative growth rate of rice seedlings%

2.1.2 水分脅迫對水稻根冠比的影響

水分脅迫促進水稻幼苗根冠比的增加，隨PEG6000質(zhì)量分數(shù)的增大呈上升趨勢，但旱116的上升幅度明顯大于抗旱性弱的湘早秈32號(表1).

2.1.3 水分脅迫對水稻總干物質(zhì)積累量的影響

水分脅迫有利于水稻幼苗干物質(zhì)量的積累，隨著PEG6000質(zhì)量分數(shù)的增加，干物質(zhì)積累量呈上升趨勢，旱116的干物質(zhì)積累量大于湘早秈32號(表1)，但增長幅度不如根系干重及根冠比明顯，表明在水分脅迫下，抗旱性強的旱116的光合產(chǎn)物有更多的是運向根部，增強其抗旱性.

2.2 水分脅迫對水稻幼苗多胺含量的影響

2.2.1 對水稻幼苗腐胺含量的影響

從圖1可看出，水分脅迫提高了水稻幼苗葉片和根系中Put含量，旱116的Put含量的上升幅度明顯大于湘早秈32號，表明Put的積累與水分脅迫程度有一定相關(guān)性.湘早秈32號根系中Put含量的上升幅度明顯大于葉片，而旱116在PEG6000質(zhì)量分數(shù)低時葉中 Put的積累量明顯大于根中，而高PEG6000質(zhì)量分數(shù)時則相反(表2).

2.2.2 水分脅迫對水稻幼苗亞精胺含量的影響

從圖2可看出，水分脅迫促進水稻幼苗葉片和根中Spd含量的升高，且旱116的上升幅度明顯大于湘早秈32號，表明Spd含量的升高能緩解水分脅迫對水稻幼苗的傷害程度.湘早秈32號根中Spd的積累明顯高于葉片，而旱116在PEG6000低質(zhì)量分數(shù)時葉中增加率高于根部，而高質(zhì)量分數(shù)時根中的積累量大于葉片(表2).

圖1 水分脅迫對水稻幼苗葉片和根中腐胺含量的影響Fig.1 Effect of water stress on Put contents in leaves and shoots of rice seedlings

表2 水分脅迫下水稻幼苗多胺含量的相對變化率Table 2 Relative growth rate of PAs content of rice seedlings under water stress %

圖2 水分脅迫對水稻幼苗葉片和根中亞精胺含量的影響Fig.2 Effect of water stress on Spd contents in leaves and shoots of rice seedlings

2.2.3 水分脅迫對水稻幼苗精胺含量的影響

從圖3可知，水分脅迫促進水稻葉片及根中的Spm含量的上升，旱116的上升幅度明顯大于湘早秈32號，表明Spm含量的上升有利于提高水稻幼苗的抗水分脅迫能力，減輕水分脅迫所帶來的傷害.旱116和湘早秈32號在水分脅迫下根系中Spm的增長率明顯于葉片(表2).

圖3 水分脅迫對水稻幼苗葉片和根中精胺含量的影響Fig.3 Effect of water stress on Spm contents in leaves and shoots of rice seedlings

2.2.4 水分脅迫下水稻幼苗根部、地上部干物質(zhì)的積累量與多胺的逐步回歸分析

水分脅迫下，水稻幼苗根、葉中 Put、Spd和Spm的含量呈上升趨勢，說明水分脅迫下Put、Spd和 Spm含量的積累與水稻幼苗抗水分脅迫能力有一定的相關(guān)性.以水分脅迫下積累的干物質(zhì)量為因變量，Put、Spd和 Spm的含量為自變量進行逐步回歸分析，篩選出對水分脅迫下積累的干物質(zhì)量(即對抗水分脅迫能力)影響較大的多胺成分(α=0.05水平進入模型)，所有方程均達到顯著或極顯著水平(表3).對水稻地上部而言，Put對湘早秈 32號的影響明顯被引入方程，決定系數(shù)R2為0.929，達到極顯著水平；對抗旱性強的旱 116，Spd的作用明顯而被引入方程，決定系數(shù)R2為0.941，達到極顯著水平.對根系而言，Spd和Spm對湘早秈32號影響顯著被引入方程，決定系數(shù)R2為0.991，達到極顯著水平，Spm的系數(shù)大于 Spd的，說明 Spm對水稻幼苗抗水分脅迫能力的影響大于 Spd；Spm對旱116根系干物質(zhì)的積累影響顯著被引入方程，決定系數(shù)R2為0.832，達顯著水平.在4個方程當(dāng)中，Spd和Spm均被2個方程引入，Put被1個方程引入，說明Put、Spd和Spm能顯著提高水稻幼苗抗水分脅迫能力.

表3 水分脅迫下水稻幼苗干物質(zhì)的積累與多胺成分的逐步回歸分析Table 3 Regression analysis between accumulation of dry weight and PA components of rice seedlings under water stress

3 討 論

多胺在植物的逆境脅迫中有著不同程度量的變化，各種水分脅迫都能誘導(dǎo)植物細胞和原生質(zhì)體中Put含量的增加.但對于Put在植物抗旱中的作用的認識，仍存在分歧.番茄葉片中0.4～0.6 mol/L山梨醇水分脅迫6 h后，Put含量增加約60倍，但是Spm和Spd變化不大，而且Put的增加與ADC活性提高是平行的，但ODC活性無顯著變化[5].張木清等[6]發(fā)現(xiàn)甘蔗葉片受到水分脅迫時多胺合成增加，特別是Put增加幅度最大，fPut/fSpd和fPut/fSpm比值均提高，抗旱性強的品種升幅明顯，認為fPut含量的積累可以緩解水分脅迫對作物的傷害，提高作物的抗旱性.Gu等[7]也提出以fPut/fSpd和fPut/fSpm的比值高低作為甘蔗品種抗旱性鑒定的生理指標.Goicoechea等[8]發(fā)現(xiàn)，與根瘤菌共生的苜蓿因含有較高的游離態(tài)多胺，特別是 Put，故能比非共生的苜蓿較好地適應(yīng)干旱脅迫.但Liu等[9]認為，水分脅迫下Put的積累不利于提高植物的抗水分脅迫能力，認為高的(fSpd + fSpm)/fPut比值有利于小麥抗水分脅迫能力的提高.Van等[10]對馬鈴薯的研究發(fā)現(xiàn)，受到干旱脅迫的馬鈴薯葉片內(nèi)的Spd含量與馬鈴薯塊莖的產(chǎn)量呈正相關(guān)，而與 Put含量無關(guān).在本研究中，水分脅迫促進水稻幼苗葉片和根系中Put、Spd和Spm含量的上升，且抗旱性強的旱116的上升幅度大于湘早秈32號，水分脅迫下水稻幼苗根系干物質(zhì)重和根冠比呈上升趨勢，且旱116的根系干物質(zhì)重和根冠比的上升幅度大于湘早秈32號，對根系中Put、Spd和Spm含量的變化率與根冠比的增加率進行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)R分別為：0.780、0.806和0.927，呈一定的正相關(guān)，說明不但Spd和Spm含量的上升有利于提高水稻幼苗的抗水分脅迫能力，而且Put含量的上升也能顯著提高水稻幼苗的抗水分脅迫能力，此時它們可能通過穩(wěn)定質(zhì)膜和提高細胞內(nèi)保護酶活性[12-13]，以及提高 ABA含量或改變不同激素成分的含量[14-15]而增強其抗旱性.

高燦紅[16]通過逐步回歸分析，篩選出低溫脅迫下玉米幼苗對低溫冷害指標影響較大的多胺成分，根部主要與Spd有關(guān)，中胚軸主要與Put和Spd有關(guān)，胚芽鞘主要與Spd和Spm有關(guān).在本研究中，Put和Spd分別被水稻地上部方程引用，而Spd和Spm分別被水稻根部方程引用，說明在水分脅迫下，不同多胺成分對水稻不同部位所起的作用不同.Spd和Spm對湘早秈32號根系影響顯著，同時被引入方程，Spm的系數(shù)大于Spd，說明Spm對湘早秈 32號幼苗抗水分脅迫能力的影響大于Spd.Put、Spd和Spm分別被1、2和2個方程引入，進一步表明 Put、Spd和Spm是水分脅迫下的應(yīng)激產(chǎn)物，參與了水分脅迫下的生理代謝.

根系是植株受脅迫最直接的感受器官，根系中多胺反應(yīng)較葉片中更敏感[17].而在本研究中，水分脅迫時，抗旱性弱的湘早秈32號根系中Put、Spd和Spm含量上升幅度均明顯大于葉片；而抗旱性強的旱116在PEG6000低質(zhì)量分數(shù)時，葉片中Put、Spd含量上升幅度明顯大于根系，PEG6000高質(zhì)量分數(shù)時根系中 Put、Spd含量上升幅度明顯大于葉片，Spm含量在整個水分脅迫過程中均是根系中的上升幅度大于葉片中，說明抗旱性有差異的水稻品種在水分脅迫時其多胺代謝存在差異，其機理尚不清楚，有待進一步探討.

[1]Martin-Tanguy J.Metabolism and function of polyamines in plants：Recent development(new approaches)[J].Plant Growth Regul，2001，34(1)：135-148.

[2]Bagni N，Torrigiani P.Polyamines：A new class of growth substances[C]//Karssen C M，Van Loon L C，Vreugdenhil D.Progress in Plant Growth Regulation.Dordrecht：Kluwer Academic Publishers，1992，264-275.

[3]楊建昌，張亞潔，張建華，等.水分脅迫下水稻劍葉中多胺含量的變化及其與抗旱性的關(guān)系[J].作物學(xué)報，2004，30(11)：1069-1075.

[4]Yang J C，Zhang J H，Liu K，et al.Involvement of polyamines in the drought resistance of rice[J].Journal of Experimental Botany，2007，58(6)：1545-1555.

[5]Tiburcio A F，Kaur-Sawhney R，Galston A W.Polyamine metabolism and osmotic stress[J].Plant Physiol，1981，8：375-378.

[6]張木清，陳如凱，余松烈.水分脅迫下葉片多胺代謝變化及其同抗旱性關(guān)系[J].植物生理學(xué)報，1994，22：327-332.

[7]Gu Y M G，Vigh L，Queiroz Q.Changes in polyamine and precursor content during drought induced induced adaptive morphogensis in rape[J].Francaised Actralite Botanique，1984，131：258-265.

[8]Goicoechea N，Szalai G，Antolin M C，et al.Influence of arbuscular mycorrhizae and rhizobium on free polyamines and proline levels in water-stressed alfalfa[J].Plant Physiol，1998，153(5)：706-711.

[9]Liu H P，Dong B H，Zhang Y Y，et al.Relationship between osmotic stress and the levels of free，conjugated and bound polyamines in leaves of wheat seedlings[J].Plant Science，2004，166：1261-1267.

[10]Van D M A，De R J A，Van D M T，et al.Changes in free proline concentrations and polyamine levels in potato leaves during drought stress[J].South African J Sci，1998，94：347-350.

[11]Kiriakos K，Maria D，Christakis H，et al. A narrow-pore HPLC method for the identifieation and quantitation of free，eonjugated，and bound polyamines[J].Anal Bioehem，1993，214：484-489.

[12]徐仰倉，王靜，劉華，等.外源精胺對小麥幼苗抗氧化酶活性的促進作用[J].植物生理學(xué)報，2001，27：349-352.

[13]周小梅.水分脅迫下水稻體內(nèi)多胺代謝及其生理功能研究[D].長沙：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，2008.

[14]Upreti K K，Murti G S R.Effect of polyamines in the changes in endogenous hormones in pea under water stress conditions[J].Indian Journal of Plant Physiology，1999(4)：1-5.

[15]聶軍，鄭圣先，廖育林，等.控釋氮肥對水稻葉片內(nèi)源激素含量及平衡的影響[J].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，32(1)：15-19.

[16]高燦紅.不同耐寒型玉米種子多胺代謝的調(diào)控及對抗寒性的效應(yīng)[D].杭州：浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，2006.

[17]張志新，鄒志榮，張春梅，等.水分脅迫對番茄幼苗葉片和根系中多胺代謝的影響[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，37(7)：97-102.