蘆葦幼苗對NaCl脅迫和鎘脅迫的生理響應

王靜　張俠　陳世華等

摘要：為探討蘆葦（Phragmites communis）對逆境環(huán)境的適應機制。采用盆栽試驗法，對蘆葦幼苗進行NaCl和Cd2+脅迫處理，測定其丙二醛（MDA）含量、抗氧化酶活性以及可溶性糖含量等生理指標。結(jié)果表明：300 mmol/L NaCl處理時，蘆葦幼苗的MDA含量隨處理時間的延長雖有所下降，但與對照相比，都呈現(xiàn)增加趨勢，抗壞血酸過氧化物酶（APX）、超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）的酶活性都隨處理時間的延長逐漸升高，過氧化物酶（POD）先升高后下降，但仍高于對照組?？扇苄蕴呛可仙?；而500 μmol/L Cd2+處理下，MDA含量與對照相比同樣呈現(xiàn)增加趨勢，但APX、POD、CAT活性呈先升高后降低趨勢，SOD活性逐漸下降，可溶性糖含量緩慢增加。2種逆境脅迫下蘆葦生理特性的差異，預示著在蘆葦體內(nèi)可能存在不同的抗逆機制。

關(guān)鍵詞：蘆葦；幼苗；脅迫；抗氧化酶活性；抗逆機制

中圖分類號： Q945.78 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）03-0327-03

自然界中有很多的環(huán)境因子會影響到植物正常的生長發(fā)育，如干旱、鹽漬、高低溫、重金屬等，其中鹽漬和重金屬是最為普遍的2種脅迫因子。鹽漬是限制植物生長的主要環(huán)境因素之一[1]，鹽脅迫不可避免地誘導了活性氧（ROS）的產(chǎn)生，例如超氧陰離子（ O-2[KG-*2]· ）、過氧化氫（H2O2）和羥自由基（OH），而產(chǎn)生的活性氧又可以通過細胞內(nèi)的酶促和非酶促系統(tǒng)被清除[2]。酶促抗氧化系統(tǒng)為植物體提供了高效而專一的活性氧清除體系，抗氧化酶主要包括超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）、谷胱甘肽過氧化物酶（GR）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）等。在鹽脅迫下，植物體內(nèi)SOD等酶的活性與植物的抗氧化脅迫能力呈正相關(guān)，而且與非鹽生植物相比，鹽生植物SOD、CAT、POD活性更高，能更有效地清除活性氧，阻抑膜脂過氧化[3]。例如，鹽處理使耐鹽大米栽培種幼苗根中CAT活性增強，而鹽敏感大米栽培種幼苗根中CAT活性下降[4]。同樣，NaCl處理使耐鹽谷子幼苗中總SOD活性隨鹽濃度升高而逐漸升高，而鹽敏感幼苗中總SOD活性逐漸下降[5]。

鎘（Cd）是環(huán)境中一種非常常見的有毒重金屬元素，它雖然不是植物生長發(fā)育的必需營養(yǎng)元素，但卻極易被植物吸收、積累，從而影響植物的生長發(fā)育。研究發(fā)現(xiàn)，Cd2+影響煙草葉綠素含量及抗氧化酶系統(tǒng)，造成CAT活性逐漸減小，SOD活性先升后降，POD活性則逐漸增加[6]。隨著Cd2+濃度升高和毒害時間延長，玉米幼苗SOD、CAT活性降低，POD活性增強，蛋白質(zhì)含量下降，膜脂過氧化作用加劇，質(zhì)膜透性增大，幼苗的生長受到抑制[7]。

蘆葦（Phragmites communis）是禾本科蘆葦屬多年生高大直立草本植物，是世界廣布的重要濕地物種，多生長在灌溉溝渠旁、河堤沼澤地等低濕地或淺水中，具有廣泛的適應性及形態(tài)變異，并有極高的生態(tài)學和社會經(jīng)濟學價值。蘆葦適應能力較強、繁殖迅速，抗逆性強，而且蘆葦對重金屬有著出色的抗性和富集能力[8]，是研究植物抗逆機理的理想材料[2]。但目前鹽漬和重金屬鎘2種不同脅迫下蘆葦生理生化指標變化情況未見詳細報道。因此本試驗以蘆葦為試驗材料，對鹽處理和重金屬鎘處理下蘆葦幼苗抗氧化系統(tǒng)的變化進行研究，探討2種脅迫對丙二醛含量、超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）以及可溶性糖含量的影響，以期為蘆葦?shù)哪婢趁{迫生理機制研究提供理論依據(jù)，同時也為后期研究其抗逆的分子機制提供參考。

1 材料與方法

1.1 植物材料

蘆葦種子于2012年10月采于山東煙臺海濱，次年6月播種，將蘆葦種子均勻地撒在裝有培養(yǎng)基的大盆中，培養(yǎng)基成分為營養(yǎng)土 ∶蛭石 ∶珍珠巖=1 ∶1 ∶1，于溫室中培養(yǎng)，溫度為25 ℃，光照時間10～12 h/d。待到幼苗長至4～5張真葉時，選擇生活力強且大小均一的植株移栽到裝有培養(yǎng)基的小盆中，每盆5株，繼續(xù)培養(yǎng)，待株高約20 cm左右，進行脅迫處理。

1.2 試驗設計

NaCl脅迫處理采用300 mmol/L NaCl溶液澆灌，鎘脅迫處理采用500 μmol/L CdCl2溶液澆灌；處理時間分別為0、12、24、48、72、96 h，每個處理重復3次。

1.3 測定方法

丙二醛含量用硫代巴比妥酸法[9]測定，APX活性采用過氧化氫紫外分光光度法[10]測定，CAT活性用高錳酸鉀滴定法[11]測定，POD活性參照李合生的愈創(chuàng)木酚法[12]測定，SOD活性用氮藍四唑光還原法[11]測定，可溶性糖含量用蒽酮比色法測定[11] 。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2003進行處理，利用t-test進行統(tǒng)計分析，P<0.05時差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 NaCl和鎘脅迫對蘆葦幼苗丙二醛（MDA）含量的影響

在逆境脅迫下，植物體內(nèi)不可避免會產(chǎn)生過量的活性氧，活性氧的積累會誘導膜質(zhì)過氧化，丙二醛是膜質(zhì)過氧化最重要的產(chǎn)物之一，因此可以通過測定丙二醛含量的多少來了解膜質(zhì)過氧化的程度，從而可以間接測定膜系統(tǒng)受損傷的程度以及植物的抗逆性[13]。由圖1可知，在300 mmol/L NaCl脅迫處理下，蘆葦幼苗MDA含量先升高，達到最大值后又開始緩慢下降，但仍比對照有所增加，在12 h時達到最大值，與對照組相比增加了102%，差異極顯著。在500 μmol/L CdCl2處理下，MDA含量變化基本呈現(xiàn)上升趨勢，在48 h時達到最大值，與對照組相比增加了48%。與NaCl處理相比，Cd2+脅迫下葉片MDA含量增加的幅度要小得多。endprint

2.2 NaCl和鎘脅迫對蘆葦幼苗抗氧化酶活性的影響

植物體內(nèi)酶促保護系統(tǒng)中的SOD、POD、CAT、APX對清除植物體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧具有至關(guān)重要的作用。SOD可以將超氧化物歧化為基態(tài)氧和H2O2，而H2O2的清除又可以在POD、CAT、APX等的協(xié)同作用下共同完成。這些復雜的過氧化和抗氧化系統(tǒng)共同控制著細胞內(nèi)的氧化還原平衡，從而保護細胞，維持植物正常的生長代謝。由圖2可以看出，在 300 mmol/L NaCl脅迫處理下，蘆葦幼苗的APX、SOD、CAT酶活性總體上隨處理時間延長逐漸升高，POD則是先升高后又有所下降，但仍高于對照組。在處理96 h后，SOD活性比對照組增加了134%，POD活性比對照組增加了266%。在500 μmol/L CdCl2處理下，APX、CAT、POD活性隨處理時間延長基本呈現(xiàn)出先升高再下降的趨勢。APX活性在72 h達到最大值，與對照相比增加了31%；CAT、POD活性都在48 h達到最大值，與對照相比分別增加了53%、82%。SOD的活性卻逐漸下降。

2.3 NaCl和鎘脅迫對蘆葦幼苗可溶性糖含量的影響

在逆境脅迫下，植物細胞會主動積累一些滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，從而提高細胞內(nèi)溶質(zhì)的濃度，降低水勢?？扇苄蕴亲鳛槎喾N植物的主要滲透調(diào)節(jié)劑，也是合成其他有機溶質(zhì)的碳架和能量來源，對細胞膜和原生質(zhì)膠體起穩(wěn)定作用[14]。由圖3可以看出，在300 mmol/L NaCl脅迫處理下，蘆葦幼苗可溶性糖含量隨處理時間延長而增加，在處理96 h后，可溶性糖含量比對照組增加了191%。而在500 μmol/L Cd2+脅迫處理下，可溶性糖含量的變化也呈現(xiàn)上升趨勢，24 h達到最大值，與對照組相比增加了169%，差異極顯著；之后可溶性糖含量略有下降，但仍比對照組有所增加。推測可溶性糖是蘆葦在逆境脅迫下重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一，脅迫處理下其含量增高，有助于植物細胞維持其滲透勢。

3 結(jié)論與討論

在逆境環(huán)境下，植物體內(nèi)各項生理生化指標及其營養(yǎng)狀況都會受到不同程度的損傷，這不可避免地會影響到植物正常的生長發(fā)育。近年來，不同植物在鹽漬和重金屬處理下生理特性變化也引起了人們越來越多的關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，Cd2+脅迫使小麥體內(nèi)活性氧自由基清除系統(tǒng)的功能降低，造成細胞內(nèi)H2O2積累，APX、GR活性下降；MDA含量升高，—SH含量下降，電解質(zhì)泄漏加劇，顯示發(fā)生膜脂過氧化，同時組織自動氧化速率顯著提高，表明機體總的防御活性氧自由基的能力降低，推測小麥在Cd2+傷害過程中，活性氧自由基代謝失衡造成了膜脂過氧化[15]。

但對于蘆葦這樣的鹽生植物而言，卻有其獨特的抗逆機制，這種抗逆能力是通過其自身的滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)和自由基清除系統(tǒng)等實現(xiàn)的。當植物體內(nèi)活性氧濃度超過一定的值時，會引起膜質(zhì)分離，從而導致膜的完整性遭到破壞。MDA是膜質(zhì)過氧化最重要的產(chǎn)物，其含量是反映膜質(zhì)過氧化作用強弱的一個重要指標。在本試驗中，蘆葦幼苗在NaCl脅迫和Cd2+脅迫下，其體內(nèi)MDA的含量與對照相比都呈增加的趨勢，說明了蘆葦?shù)哪は到y(tǒng)在鹽脅迫和鎘脅迫下都受到了一定程度地損傷。

研究表明，酶促途徑是逆境脅迫下植物體內(nèi)清除活性氧的一個重要途徑，酶促保護系統(tǒng)中的活性氧清除酶類在其中發(fā)揮著非常重要的作用。酵母線粒體MnSOD在水稻葉綠體中的過量表達提高了轉(zhuǎn)基因植株對鹽脅迫的耐受性，而且鹽脅迫下轉(zhuǎn)基因植株中SOD和APX的活性都較對照植株提高了1.5～2.0倍，CAT活性降低的程度也小于對照株[16]。在向日葵（Helianthus annuus）葉片中，Cd2+可以促進脂質(zhì)過氧化，降低SOD、CAT、APX、GR等酶的活性。從擬南芥中獲得的耐鹽突變株幼苗SOD、APX的活性分別比野生型提高13、3倍[17]。同樣，鹽脅迫使鹽敏感西紅柿栽培種CAT活性降低，而耐鹽西紅柿栽培種CAT活性升高[4]。本試驗結(jié)果表明，在NaCl脅迫和Cd2+脅迫下，蘆葦幼苗抗氧化酶類活性的變化趨勢不同。在鹽脅迫下，隨著處理時間延長，抗氧化酶類活性逐漸升高，說明在該逆境下，蘆葦體內(nèi)的SOD、POD、APX、CAT共同作用來清除體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧，從而可以保護細胞，維持植物正常的生長和代謝。在重金屬鎘脅迫下，隨著處理時間的延長，APX、POD、CAT活性基本呈現(xiàn)出先升高再下降的趨勢，比較符合植物對逆境脅迫反應的典型規(guī)律：植物體剛遭受逆境脅迫時會采取相應措施，提高自身抗性以適應不良的環(huán)境；隨著脅迫時間的增長，超過了植物的耐受程度后防御措施就會慢慢減弱[18]。另外，SOD活性在逐漸下降，說明Cd2+脅迫對蘆葦幼苗SOD活性的毒害作用較大，SOD活性受到了抑制。

此外，作為植物主要的滲透調(diào)節(jié)劑，可溶性糖在維持植物蛋白質(zhì)穩(wěn)定及參與胞內(nèi)信號調(diào)節(jié)方面起著重要的作用[19]，因此其含量是指示植物遭受環(huán)境脅迫程度的重要指標之一。本試驗中，在NaCl脅迫和Cd2+脅迫下，蘆葦體內(nèi)可溶性糖的含量都呈增加的趨勢，有助于植物維持其滲透勢，保護自身少受逆境傷害。

綜上所述，蘆葦在遭受NaCl脅迫和Cd2+脅迫時，體內(nèi)MDA的含量與對照相比都有所增加，說明這2種脅迫都對蘆葦造成了傷害。脅迫處理使蘆葦體內(nèi)活性氧增加，抗氧化酶類在NaCl和Cd2+脅迫下的生理變化有所差異。此外，2種脅迫下蘆葦體內(nèi)可溶性糖含量也呈上升趨勢，通過滲透調(diào)節(jié)來穩(wěn)定由逆境脅迫造成的膜損傷所帶來的內(nèi)環(huán)境紊亂，保護胞內(nèi)重要的酶類。因此，研究蘆葦體內(nèi)與抗逆相關(guān)的基因，可以有助于進一步了解鹽生植物的抗逆機理。

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