水分脅迫對蛇莓、娟毛匍匐委陵菜抗氧化保護(hù)酶系統(tǒng)的影響

張迎新 李長海 周玉遷

(黑龍江省森林植物園(黑龍江省森林經(jīng)營研究所)，哈爾濱，150040)

近年來由于氣候變化的影響，各個(gè)地區(qū)雨水分布發(fā)生了很大的改變。過旱或過澇等極端天氣不斷出現(xiàn)，對植物生長有著巨大影響，甚至導(dǎo)致死亡。在自然界中，植物細(xì)胞通過各種途徑產(chǎn)生活性氧自由基。在正常的情況下，植物細(xì)胞內(nèi)自由基的產(chǎn)生與清除處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，自由基對植物體不會(huì)產(chǎn)生不良影響。但由于某種環(huán)境或自身的原因，如環(huán)境中水分過多或過少時(shí)就會(huì)打破這種動(dòng)態(tài)的平衡，產(chǎn)生無法清除的自由基離子，使植物細(xì)胞受到傷害以至死亡［1］。植物在受到水分脅迫時(shí)，活性氧的積累使植物體內(nèi)細(xì)胞中生物的活性氧物質(zhì)(ROS)含量迅速上升。當(dāng)水分脅迫達(dá)到一定程度時(shí)，導(dǎo)致膜質(zhì)過氧化，并使細(xì)胞膜受到損傷，最終造成細(xì)胞傷害乃至死亡，因而活性氧物質(zhì)的影響是一個(gè)重要的因素［2－3］。而細(xì)胞中清除活性氧保護(hù)酶系統(tǒng)的存在和活性的增強(qiáng)是細(xì)胞免于傷害或抗性增強(qiáng)的主要原因之一。細(xì)胞內(nèi)的保護(hù)酶系統(tǒng)主要有超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)等［4］。超氧化物歧化酶和過氧化物酶是分解活性氧物質(zhì)的重要酶類。筆者選取在北方地區(qū)生長良好，對水分條件要求不高，且已大量應(yīng)用的兩種地被植物蛇莓(Duchesnea indica)和娟毛匍匐委陵菜(Potentilla reptans L.)作為研究對象，采取兩種極端水分條件，即持續(xù)的自然干旱和持續(xù)的覆水條件，研究不同水分脅迫對其保護(hù)酶系統(tǒng)的影響，探討其對水分的適應(yīng)性能力，為兩種植物的利用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)地基本概況

試驗(yàn)地設(shè)在黑龍江省森林植物園。其地處黑龍江省哈爾濱市，屬于寒溫帶半濕潤季風(fēng)性氣候。海拔高為146m。地理坐標(biāo)為東經(jīng)126°38'22.13″～126°38'56.55″，北緯 45°41'22.62″～ 42'37.50″。本區(qū)是典型的東北地區(qū)溫帶、寒溫帶森林植被區(qū)系。結(jié)冰期達(dá)5個(gè)月之久。平均無霜期150 d左右。年平均氣溫3.6℃，年大于等于10℃積溫為2 757.8℃，年大于0℃積溫為3 080℃。極端最高氣溫達(dá)39.3℃。極端最低氣溫為－41.4℃，1月平均氣溫為－17.5℃，7月平均氣溫為21℃。年平均降水量為560.9 mm，降水主要集中在7、8月份。相對濕度為68%。區(qū)域內(nèi)冬季多西北風(fēng)，夏季多西南和東南風(fēng)，平均風(fēng)速3.8 m/s。年平均日照時(shí)數(shù)為2 636.9 h，年平均相對濕度為65%。最深凍土層為1.7 m。

2 材料與方法

材料 試驗(yàn)在黑龍江省森林植物園溫室塑料大棚中進(jìn)行。選取移栽3年生的生長健壯的兩種地被植物蛇莓(Duchesnea indica)、絹毛匍匐委陵菜(Potentilla reptans L.)各150株，分別栽植于以腐殖土為基質(zhì)的塑料桶中(21 cm×24 cm)培養(yǎng)。8月初，每個(gè)種選取生長相近的健壯苗木90盆移入塑料溫室大棚中，正常養(yǎng)護(hù)管理15 d左右。

試驗(yàn)設(shè)計(jì) 在試驗(yàn)前7 d對所有的植株進(jìn)行澆水處理，使每盆土壤處于飽和含水狀態(tài)。然后設(shè)3種處理:A——對照、B——自然干旱、C——覆水，設(shè)3個(gè)區(qū)組3次重復(fù)。

A——對照(CK):給對照處理的植株正常澆水管理，使其不受水分脅迫;

B——自然干旱:對自然干旱處理的植株不澆水，并且做防雨處理，使其處于干旱脅迫狀態(tài)，以研究其耐旱性;

C——覆水:對覆水處理的植物及時(shí)灌水，水面始終高于土面1～2 cm，使植物處于水澇脅迫狀態(tài)，以研究其耐澇性。

于脅迫 0、5、10、15、20 d 上午 7:00—8:00，在試驗(yàn)植株上選取成熟健壯葉片置于冰盒內(nèi)，測定各項(xiàng)生理指標(biāo)。

土壤含水量保持的狀態(tài)采用WET(英國)三參數(shù)儀測定，然后根據(jù)每天的失水量，補(bǔ)充相應(yīng)失去的水分，使其保持設(shè)定的含水量。試驗(yàn)期間，大棚內(nèi)白天溫度20～35℃，夜間15～20℃，日平均光照強(qiáng)度750 μmol·m－2·s－1。

試驗(yàn)指標(biāo)測定 超氧化物岐化酶(SOD)活性采用氮藍(lán)四唑法(NBT)［5］測定;過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法［6］測定;過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚顯色法［7］進(jìn)行測定。

3 結(jié)果與分析

3.1 水分脅迫對蛇莓、娟毛匍匐委陵菜葉片內(nèi)超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響

超氧化物歧化酶(SOD)能夠催化超氧化物陰離子自由基(O－2)的歧化作用，保護(hù)膜結(jié)構(gòu)的完整性，從而使植物在一定程度上忍耐水分脅迫［8］。在水分脅迫初期，蛇莓在覆水和干旱脅迫下SOD值的變化很大，明顯高于對照，并且在兩種條件下變化基本同步(表1)。說明蛇莓耐水分脅迫能力較強(qiáng)，無論在干旱或覆水脅迫條件下，SOD活性都具有很好的保護(hù)作用，使蛇莓能承受極端水分條件的時(shí)間較長。

在覆水和干旱脅迫條件下的整個(gè)試驗(yàn)中，絹毛匍匐委陵菜葉片的SOD活性與正常水平相比變化不顯著，只是略高于對照值(表2)。在水分脅迫的前期和后期，SOD值對干旱的反映要比覆水條件下明顯，并均高于正常水平的對照值。在干旱條件下，絹毛匍匐委陵菜保持SOD活性的能力相對較強(qiáng)，耐干旱能力優(yōu)于耐水淹能力。說明絹毛匍匐委陵菜對水分脅迫有較強(qiáng)的適應(yīng)性，能承受長時(shí)間的干旱或覆水脅迫。

表1 不同水分狀況下蛇莓的SOD值

表2 不同水分狀況下絹毛匍匐委陵菜的SOD值

3.2 水分脅迫對蛇莓、娟毛匍匐委陵菜葉片內(nèi)過氧化氫酶(CAT)活性的影響

過氧化氫酶(CAT)也是細(xì)胞內(nèi)抗氧化防御酶之一，在清除自由基系統(tǒng)中的作用是阻止生物自由基連鎖反應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)生，從而起到酶防御系統(tǒng)的保護(hù)作用。在干旱性脅迫下，蛇莓的CAT值低于對照，但降幅不明顯(表3)。在覆水脅迫下，蛇莓的CAT值在前期低于對照，到中期后迅速上升并達(dá)到峰值，且增幅十分明顯，以后又下降且低于對照，導(dǎo)致蛇莓耐水淹的能力有所下降。總體上，蛇莓CAT活性對水分脅迫的適應(yīng)性較強(qiáng)，能夠承受長時(shí)間的干旱或覆水脅迫，且耐水淹性強(qiáng)于耐旱性。

表3 不同水分狀況下蛇莓的CAT值

絹毛匍匐委陵菜與對照相比，在干旱脅迫下其CAT值均高于對照，增幅逐漸增大，末期達(dá)到最大(表4)。在覆水脅迫下，絹毛匍匐委陵菜CAT值前期比對照低，后期又比對照高，降幅和增幅都十分明顯，說明絹毛匍匐委陵菜對水分脅迫的適應(yīng)性較強(qiáng)，能夠承受長時(shí)間的干旱或覆水脅迫，其耐旱性強(qiáng)于耐澇性。

表4 不同水分狀況下絹毛匍匐委陵菜的CAT值

3.3 水分脅迫對蛇莓、娟毛匍匐委陵菜葉片內(nèi)過氧化物酶(POD)活性的影響

過氧化物酶(POD)能清除植物體內(nèi)過多的H2O2，可使細(xì)胞免遭膜脂過氧化作用引起的傷害［9］。試驗(yàn)的兩種地被植物POD活性在水分脅迫下都存在下降趨勢，并且十分劇烈，只是在一定時(shí)期內(nèi)活性有少量的提高(表5、表6)。蛇莓葉片中的POD活性，在脅迫中期水淹條件下的值大于干旱條件下的值，而后期在干旱條件下的值大于水淹條件的值。由此可以說明，POD活性對蛇莓的影響隨時(shí)間的變化有不同的反映。在水淹的中后期，絹毛匍匐委陵菜葉片中的POD活性值明顯較大，說明POD酶活性對絹毛匍匐委陵菜耐水淹的影響大于其耐干旱的影響。從蛇莓和絹毛匍匐委陵菜都具有很強(qiáng)的抗水分脅迫能力上看，在脅迫前期，POD的活性值較小，清除植物體內(nèi)過多H2O2的能力較弱;在脅迫的中、后期，隨著POD活性值的增加，清除能力也漸逐增加，但仍沒有超過對照，說明POD不是主要的酶防御系統(tǒng)，起重要防御作用的是其它的酶系統(tǒng)。

表5 不同水分狀況下蛇莓的POD值

表6 不同水分狀況下絹毛匍匐委陵菜的POD值

4 結(jié)論與討論

當(dāng)發(fā)生水分脅迫時(shí)，植物體內(nèi)存在清除活性氧自由基的SOD、POD、CAT等保護(hù)酶，會(huì)在一定程度上保護(hù)細(xì)胞膜［10］。但在水分過多或過少的脅迫條件下，對植株來說酶系統(tǒng)反應(yīng)有差異。水分脅迫下，植物體內(nèi)的SOD活性與植物的抗氧化能力呈正相關(guān)關(guān)系，輕度或短期水分脅迫下植物SOD活性呈上升趨勢，而在嚴(yán)重或長期脅迫條件下則出現(xiàn)下降趨勢［11］。水分脅迫促使植物產(chǎn)生活性氧自由基，當(dāng)活性氧自由基超過一定限度時(shí)，就會(huì)打破產(chǎn)生與消除活性氧自由基的平衡，就會(huì)誘導(dǎo)植物保護(hù)酶活性的提高，以有效地清除活性氧來恢復(fù)平衡狀態(tài)，使細(xì)胞免于傷害或減輕傷害［12－14］。本研究得出的結(jié)論也證明了這一點(diǎn)，且在相同的水分脅迫條件下，不同的植物對水分脅迫的反應(yīng)也不同。在相應(yīng)的覆水和干旱脅迫條件下，對蛇莓、絹毛匍匐委陵菜SOD活性的影響基本同步，且蛇莓反應(yīng)明顯強(qiáng)于絹毛匍匐委陵菜。蛇莓耐水淹和耐干旱的能力基本相同。在干旱時(shí)，絹毛匍匐委陵菜隨著脅迫時(shí)間的延長體內(nèi)SOD活性逐漸增大，且均明顯高于正常水平;在水淹的后期，則隨著脅迫的加重而逐漸降低，說明其耐干旱的能力強(qiáng)于耐水淹。水分脅迫下，蛇莓和絹毛匍匐委陵菜的CAT活性值隨處理時(shí)間的不同而出現(xiàn)了明顯的分化。蛇莓的CAT活性先上升，以后逐漸下降，與對照相比基本變化不大，說明可能在水分脅迫的前期，酶系統(tǒng)中CAT起主要防御作用，但隨著脅迫的加劇，CAT的防御作用逐漸衰弱，處于次要地位，防御能力也在衰弱。絹毛匍匐委陵菜的CAT活性值在脅迫初期并沒有馬上提高，而是在后期有一個(gè)較大的增加，尤其是在覆水條件下的表現(xiàn)更為明顯，即說明酶活性越高，消除活性氧自由基的能力也越強(qiáng)，植物的抗逆性也越強(qiáng)。所以，絹毛匍匐委陵菜的耐水淹能力要強(qiáng)于耐干旱能力?？傮w上，在水分脅迫的初期，植物體內(nèi)保護(hù)酶受到活性氧自由基的誘導(dǎo)，活性上升，清除自由基能力提高，但隨著水分脅迫的加劇，保護(hù)酶系統(tǒng)就會(huì)被破壞而使其活性下降，植株對活性氧自由基和過氧化物的防御能力減弱，其減弱的速度越慢，則抗性越強(qiáng)。植物保護(hù)酶系統(tǒng)的作用是一個(gè)多種酶共同作用的結(jié)果。不同種類的酶，其介入作用的時(shí)期以及介入的強(qiáng)度均不同。植物對水分脅迫的抗性能力可能是一種或幾種酶起到主導(dǎo)作用，而其他的酶只起到輔助作用，甚至不起作用。

在酶系統(tǒng)對水分脅迫影響的反應(yīng)方面，蛇莓和絹毛匍匐委陵菜耐水分脅迫的酶系統(tǒng)中，SOD、CAT活性對蛇莓、絹毛匍匐委陵菜的影響較大，而POD活性影響很小。POD活性不是主要的防御酶系統(tǒng)，起重要防御作用的是其它的酶系統(tǒng)。隨著脅迫的加劇，蛇莓在SOD活性方面的數(shù)據(jù)都好于絹毛匍匐委陵菜，而從CAT和POD活性方面的數(shù)據(jù)看，對這兩種植物影響程度的差別不大。

［1］ 彭立新，束懷瑞，李德全，等.水分脅迫對蘋果屬植物抗氧化酶活性的影響研究［J］，中國農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，12(3):44－46.

［2］ McCord J M，F(xiàn)ridovich I.Superoxide dismutase:an enzymic function for erythrocuprein(hemocuprein)［J］.Journal of Biological Chemistry，1969，244(22):6049－6055.

［3］ Tambussi E A，Bartoli C G，Beltrano J，et al.Oxidative damage to thylakoid proteins in water-stressed leaves of wheat(Triticum aestivum)［J］.Physiol Plant，2000，108(4):398－404.

［4］ 王賀正，馬均，李旭毅，等.水分脅迫對水稻結(jié)實(shí)期活性氧產(chǎn)生和保護(hù)系統(tǒng)的影響［J］.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，40(7):1379－1387.

［5］ 曹錫清.脂質(zhì)過氧化對細(xì)胞與機(jī)體的作用［J］.生物化學(xué)和生物物理進(jìn)展，1986(2):17－23.

［6］ Giannopolitis C N，Ries S K.Superoxide dismutase purification and quantitative relationship with water-soluble protein in seedlings［J］.Plant Physiol，1977，59(2):315－318.

［7］ 鄒琦.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)［M］.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2000.

［8］ 李合生，孫群，趙世杰，等.植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［9］ 熊正英，薛曉龍，洪尼寧，等.水分脅迫對水、旱稻幼苗SOD活性的影響［J］.陜西師大學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，1990，18(3):61－64，69.

［10］ Rosen G M，Ranckman E J.Spin trapping of superoxide and hydroxyl radical［J］.Methods Enzymol，1984，105:198－209.

［11］ 李少鋒，李志輝，劉友全，等.水分脅迫對椿葉花椒抗氧化酶活性等指標(biāo)的影響［J］.中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28(2):29－33.

［12］ 林桂芳，李雙順，林桂珠，等.水稻葉片的衰老與超氧化物歧化酶活性及脂質(zhì)過氧化作用的關(guān)系［J］.植物學(xué)報(bào)，1984，26(6):605－615.

［13］ 彭立新，吳迪，李慧，等.水分脅迫對沙棗幼苗抗氧化酶活性的影響［J］，天津農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，14(1):1－4.

［14］ 歐毅，王進(jìn)，吳天強(qiáng)，等.水分脅迫對桃形李葉片含水量、質(zhì)膜透性和抗氧化酶活性的影響［J］.西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2007，20(5):982－985.