外源甜菜堿對離體煙草葉片保水能力的影響

郭利寧

摘要：以離體煙草葉片為材料，研究了外源甜菜堿對其保水能力的影響。結(jié)果顯示，外源甜菜堿可以有效提高植物的保水能力，減少由于脫水對葉片造成的傷害。

關(guān)鍵詞：煙草； 葉片； 甜菜堿； 保水能力

甜菜堿是植物體內(nèi)最常見的滲透有機調(diào)節(jié)物質(zhì)之一，在植物適應鹽漬、干旱等造成的水分脅迫中具有重要作用。其作用主要表現(xiàn)在2個方面：一是滲透調(diào)節(jié)作用，降低細胞水勢、提高細胞吸水能力；二是具有滲透保護作用，是逆境條件下酶和生物膜的穩(wěn)定劑，如對光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）和光合放氧復合體具有穩(wěn)定作用[1]，保護呼吸酶及能量代謝過程[2]，還有實驗發(fā)現(xiàn)它具有穩(wěn)定生物膜的作用[3]。

在植物適應水分脅迫過程中，有時植物的保水能力比吸水能力更重要，如在夏季高溫強光條件下，即使根際水分供應充足，很多植物也會發(fā)生暫時萎蔫，其主要原因是由于失水大于吸水，細胞失去膨壓造成的。因此，如何減少植物在干旱、高溫、強光等脅迫下的水分散失，提高其保水能力具有重要的意義。本文以外源甜菜堿處理離體煙草葉片，研究了外源甜菜堿對自然脫水條件下離體煙草葉片的保水能力的影響，從保水的角度研究植物適應水分脅迫的方式，為進一步提高植物的抗逆性提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

所用煙草品種為栽培品種K326（Nicotiana tabacu m cv. K326）。栽種于大田中，株高約80cm，取相同葉位（第3片葉）的葉片用打孔器打成直徑0.9 cm的小圓片，避開大葉脈。

1.2 材料的處理

將打好的圓葉片分別放入裝有0μΜ、0.05μΜ、0.5μΜ、5μΜ甜菜堿溶液的燒杯中，抽真空10分鐘，置25℃溫浴1小時。然后將圓葉片從甜菜堿溶液中取出，用吸水紙吸干表面水分，放入敞口的塑料盤 （30cm×20cm×5cm）中，下墊一層吸水紙，環(huán)境溫度為25℃，濕度60%，黑暗條件下讓其自然脫水。

1.3 生理指標的測定

1.3.1 葉片保水能力的測定。以自然脫水條件下葉片含水量的下降幅度表示葉片的保水能力。保水能力較大的葉片含水量下降幅度較小。稱取圓葉片12份，每份1g，分別自然脫水0、2、4、6、8、10、12小時后，快速測量鮮重，記為W1；至105℃殺青10分鐘，置80℃烘干至衡重W2。葉片的含水量=（W1-W2）/W1×100%，每個處理3次重復。

1.3.2 可溶性蛋白含量的測定。以牛血清白蛋白為標準蛋白。脫水前和脫水24小時后分別測定可溶性蛋白質(zhì)含量，以脫水前可溶性蛋白質(zhì)含量作為100%。每個處理3次重復[4]。

1.3.3 質(zhì)膜透性的測定。質(zhì)膜透性用相對電導率表示，電導率的測定按照Yang等1996年的方法。每個處理3次重復。

1.3.4 葉綠素a熒光動力學的測定。Handy PEA測定暗適應的煙草圓葉片的片熒光動力學指標。每個處理各10個重復。用Fv/Fm表示PSII最大或潛在光化學效率，F(xiàn)v/Fo代表PSII潛在活性（其中Fo為最小熒光，F(xiàn)v為可變熒光，F(xiàn)m為最大熒光[6]）。

2 結(jié)果

2.1 外源甜菜堿對自然脫水條件下煙草葉片保水能力的影響

通過測離體煙草葉片含水量可以看出（圖1），外源甜菜堿可以提高離體煙草葉片的保水能力，在自然脫水條件下，各處理煙草葉片的含水量都呈下降趨勢，但用甜菜堿處理的煙草葉片比未用甜菜堿處理的下降幅度相對較小。充分說明甜菜堿可以降低離體煙草葉片水分的散失，提高其保水能力。

2.2 外源甜菜堿對自然脫水條件下煙草葉片可溶性蛋白含量的影響

在脫水條件下，離體煙草葉片可溶性蛋白含量降低，由圖2可以看出，脫水24小時后，未用甜菜堿處理的煙草葉片可溶性蛋白含量降幅較大，接近30%；而用0.05、0.5和5μΜ甜菜堿處理的煙草葉片可溶性蛋白含量分別下降15.5%、9.7%和3.7%，與未用甜菜堿處理的煙草葉片相比降幅相對較小。說明甜菜堿可以穩(wěn)定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，減少自然脫水條件下離體煙草葉片可溶性蛋白的降解。

2.3 外源甜菜堿對自然脫水條件下煙草葉片質(zhì)膜透性的影響

植物材料的電導率是衡量細胞質(zhì)膜透性的重要指標，測定自然脫水條件下離體煙草葉片的電導率發(fā)現(xiàn)，隨著脫水時間的延長，各處理葉片的電導率都有所增加（圖3），但用甜菜堿處理的煙草葉片的電導率與未用甜菜堿處理的煙草葉片相比增幅較小。表明甜菜堿對維持質(zhì)膜的穩(wěn)定性具有重要的作用，可有效降低自然脫水條件下離體煙草葉片質(zhì)膜的受損傷程度。

2.4 外源甜菜堿對自然脫水條件下煙草葉片葉綠素a熒光動力學參數(shù)的影響

由圖4和圖5可以看出，各處理的離體煙草葉片在自然條件下脫水0～8小時，葉片的Fv/Fm和Fv/Fo都沒有顯著變化；脫水超過8小時，隨著脫水時間的延長，葉片的Fv/Fm和Fv/Fo都呈下降趨勢。但未用甜菜堿處理的煙草葉片下降速率較快，如脫水12小時，用不同濃度甜菜堿處理的煙草葉片其Fv/Fm和Fv/Fo值仍都保持在脫水前的80%左右，而未用甜菜堿處理的煙草葉片則都已經(jīng)降到了脫水前的40%左右，降幅較大。Fv/Fm和Fv/Fo的下降程度可以指示葉綠體PSⅡ的受損程度，而上述結(jié)果則充分說明了甜菜堿在維持自然脫水條件下煙草葉片PSⅡ的穩(wěn)定性方面具有重要作用。

3 討論

甜菜堿是植物體內(nèi)合成的一種小分子有機滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。在干旱和鹽漬等滲透脅迫條件下，植物通過大量積累甜菜堿來降低植物細胞的滲透勢，從而調(diào)節(jié)與環(huán)境之間的滲透平衡，提高植物的吸水能力[7]。

本試驗以離體煙草葉片為試驗材料，通過甜菜堿浸泡研究了甜菜堿在其自然脫水條件下對離體煙草葉片保水能力的影響。結(jié)果表明，隨著脫水時間的延長，各處理的含水量都下降，但是用甜菜堿處理的離體煙草葉片在相同條件下與未用甜菜堿處理的離體煙草葉片相比具有較高的含水量，說明甜菜堿在提高離體煙草葉片保水能力方面具有重要的作用。有研究表明，甜菜堿對蛋白質(zhì)具有保護作用，能夠穩(wěn)定蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)，阻止或逆轉(zhuǎn)由一些非相溶性溶質(zhì)（如NaCl）對蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)的破壞[9]。在本試驗中，通過可溶性蛋白含量的測定發(fā)現(xiàn)，可溶性蛋白隨著含水量的下降而下降，但是脫水24小時，用甜菜堿處理的離體煙草葉片可溶性蛋白含量明顯高于未用甜菜堿處理的離體煙草葉片，充分說明了甜菜堿對脫水造成的蛋白質(zhì)降解也具有抑制作用。因此，甜菜堿提高離體煙草葉片保水能力的機理可能在于，一方面甜菜堿本身作為一種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，可以提高離體煙草葉片體內(nèi)束縛水的含量，減少離體煙草葉片體內(nèi)水分的喪失；另一方面甜菜堿可以促進脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白的積累，進一步降低離體煙草葉片體內(nèi)的水勢，提高其保水的能力[3，10，11]。進一步的研究表明，甜菜堿處理可以降低自然脫水條件下離體煙草葉片的細胞質(zhì)膜和光系統(tǒng)Ⅱ的損傷，其原因可能在于，一方面甜菜堿提高了離體煙草葉片的保水能力，減少了由于細胞過度收縮對質(zhì)膜所造成的損傷；另一方面可能在于其本身可以穩(wěn)定膜和蛋白質(zhì)等生物大分子的結(jié)構(gòu)[3] [8]。

本試驗首次以自身不能合成甜菜堿的煙草作為試驗材料，在離體條件下，通過自然脫水的方法研究了外源甜菜堿在提高煙草葉片保水能力方面的作用。通過以上分析，外源甜菜堿可以有效地提高離體煙草葉片的保水能力，減少由于脫水所造成的蛋白質(zhì)降解，降低由于脫水對離體煙草葉片所造成的傷害，并且在一個較低的甜菜堿濃度范圍內(nèi)就可以起作用。

參考文獻

1 侯彩霞，徐春和，湯章城，沈允鋼.甜菜堿對PSⅡ放氧中心結(jié)構(gòu)的選擇性保護[J].科學通報， 1997（17）

2 梁崢，趙原，湯嵐.滲透調(diào)節(jié)對大麥幼苗和一些呼吸酶活性的影響[J].植物學集刊，1994（7）

3 許雯，孫梅好，朱亞芳，蘇維埃.甘氨酸甜菜堿增強青菜抗鹽的作用[J].植物學報，2001（8）

4 Bradford MM.A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Analytical Biochemistry，1976，72：248

5 Yang G， Rhodes D， Joly RJ. Effects of high temperature on membrane stability and chlorophyll fluorescence in glycine betaine-deficient and glycine betaine-containing maize lines. Australian Journal of Plant Physiology ，1996，23：437-443

6 Strasser R， Srivastava A， Tsimilli-Michael M. The fluorescence transient as a tool to characterise and screen photosynthetic samples[A]. In Junus M， Pathre U， Mohanty P.Potosynthesis：Mechanisms， Regulation and Adaptation[C]， Taylor and Francis， London and New York （eds）， 2000. 445-483.

7 洪法水，張帆.玉米幼苗萎蔫過程中某些理化性質(zhì)變化的研究[J].西北植物學報，1999（1）

8 Rhodes D，Hanson AD.Quaternary ammonium and tertiary sulfonium compounds in higher plants.Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology，1993，44：357-384

9 Bateman JB，Evans GF，Brown PR，Gsbriel C，Grant EH.Dielectric properties of the system bovine albumin ：urea ：betaine in aqueous solution .Physics in Medicine and Biology ，1992，37：175-182

10 孫文越，王輝，黃久常.外源甜菜堿對干旱脅迫下小麥幼苗膜脂過氧化作用的影響[J].西北植物學報，2001（3）

11 郭啟芳，馬千全，孫燦，呂守忠，張春蒙，王瑋.外源甜菜堿提高小麥幼苗抗鹽性的研究[J].西北植物學報，2004（9）

（責任編輯 王蔓）