烯禾啶脅迫對(duì)谷子愈傷組織生理特性的影響

宋惠潔，余凱凱，劉陽(yáng)，黃蕾 ，郭平毅，王玉國(guó)，溫銀元，原向陽(yáng)

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，山西 太谷 030801)

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烯禾啶脅迫對(duì)谷子愈傷組織生理特性的影響

宋惠潔，余凱凱，劉陽(yáng)，黃蕾 ，郭平毅*，王玉國(guó)，溫銀元，原向陽(yáng)

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，山西 太谷 030801)

摘要：為了研究烯禾啶脅迫對(duì)谷子愈傷組織生長(zhǎng)及生理特性的影響，在添加0、0.5、1、2、4 mL·L-1烯禾啶的MS培養(yǎng)基上培養(yǎng)谷子愈傷組織，測(cè)定其SOD、POD活性、MDA含量、可溶性蛋白和脯氨酸含量，并對(duì)其進(jìn)行分析。結(jié)果表明，隨著烯禾啶濃度的增加及脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，愈傷組織生長(zhǎng)逐漸緩慢，烯禾啶濃度為2 mL·L-1時(shí)，愈傷組織生長(zhǎng)極為緩慢，4 mL·L-1時(shí)，愈傷組織基本不生長(zhǎng)；SOD、POD活性與可溶性蛋白、脯氨酸含量隨著烯禾啶濃度的增加先升高后降低；MDA含量在1 mL·L-1及以下時(shí)積累緩慢，高于1 mL·L-1時(shí)積累較快。

關(guān)鍵詞：谷子；烯禾啶；愈傷組織；相對(duì)生長(zhǎng)量；保護(hù)酶；滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)

谷子在我國(guó)栽培歷史悠久，種植面積大，具有適應(yīng)性廣、耐干旱、貧瘠，抗逆性強(qiáng)、營(yíng)養(yǎng)豐富等特性[1]，主要分布在河北、山西、內(nèi)蒙古、陜西等地，深受我國(guó)北方人民的喜愛(ài)。并且隨著地球可利用水的減少和人們對(duì)小雜糧的需求不斷增大，谷子在糧食生產(chǎn)中占有越來(lái)越重要的地位[2]。但是，谷子粒小苗弱，田間雜草危害大，對(duì)谷子的產(chǎn)量和品質(zhì)造成了嚴(yán)重的影響，是制約谷子高產(chǎn)的最大障礙之一。采用人工除草的方法防治雜草十分困難，應(yīng)用除草劑是解決雜草危害的有效途徑，高效、省工、增產(chǎn)，但除草劑在除草的同時(shí)也損傷了作物，如果施用不當(dāng)，也會(huì)給作物帶來(lái)一定的藥害，因此篩選和培育抗除草劑品種成為目前和今后解決谷田雜草問(wèn)題的根本出路[3]。

近年來(lái)，用離體方法篩選抗除草劑突變體的研究在國(guó)內(nèi)外十分活躍，對(duì)已有的作物品種進(jìn)行改良，培育抗性新品種，已經(jīng)成為十分熱門的研究課題。美、英、法等國(guó)利用離體培養(yǎng)法，已經(jīng)成功培育了小麥、玉米、大豆、棉花等多種作物的抗除草劑品種[4]。中國(guó)學(xué)者通過(guò)離體篩選法進(jìn)行抗性作物的研究也已取得一定成果，但進(jìn)展較慢，其主要原因是逆境條件下植物的生理反應(yīng)非常復(fù)雜，對(duì)其在逆境下的適應(yīng)生理和抗性機(jī)理研究主要集中在植株方面，從細(xì)胞水平對(duì)植物的抗性及其生理機(jī)制研究報(bào)道比較少。

本研究以不同濃度的烯禾啶脅迫，檢測(cè)谷子愈傷組織在脅迫條件下保護(hù)酶活性及MDA、可溶性蛋白、脯氨酸含量的變化情況，為通過(guò)愈傷組織的變異途徑培育抗性新材料提供一定的理論基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1　試驗(yàn)材料

供試材料為晉谷21號(hào)誘導(dǎo)出的愈傷組織。

1.2　試驗(yàn)方法

1.2.1烯禾啶脅迫處理

在每升MS培養(yǎng)基中分別添加含0.5、1、2、4 mL的12.5%烯禾啶乳油，以不含烯禾啶的MS培養(yǎng)基為對(duì)照，121 ℃下滅菌20 min。將培養(yǎng)28 d，長(zhǎng)勢(shì)一致的愈傷組織轉(zhuǎn)接至上述培養(yǎng)基中。3次重復(fù)，分別于脅迫7、14、21 d后測(cè)定上述愈傷組織的鮮重增長(zhǎng)量，并計(jì)算其相對(duì)生長(zhǎng)量，于脅迫32 h后測(cè)定其保護(hù)酶、可溶性蛋白、脯氨酸等各項(xiàng)生理指標(biāo)，每個(gè)處理重復(fù)3次。

1.2.2愈傷組織相對(duì)生長(zhǎng)量的測(cè)定

相對(duì)生長(zhǎng)量=(培養(yǎng)一段時(shí)間后愈傷組織的鮮重-初始愈傷組織鮮重)/初始愈傷組織鮮重

1.2.3生理指標(biāo)的測(cè)定

SOD活性采用NBT光化學(xué)還原法[5]；POD活性采用愈創(chuàng)木酚比色法[5]；丙二醛量按照硫代巴比妥酸法[5]；可溶性蛋白采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法[5]。

1.2.4數(shù)據(jù)處理

所有處理均重復(fù)3次，使用Excel 2003和 DPS v6.50進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析。

2結(jié)果與分析

2.1　烯禾啶脅迫對(duì)谷子愈傷組織生長(zhǎng)的影響

從表1可知，隨著烯禾啶濃度的增大，愈傷組織鮮重增長(zhǎng)量不斷減小，烯禾啶濃度為0.5 mL·L-1時(shí)，脅迫初期(7 d)愈傷組織的鮮重增長(zhǎng)量較對(duì)照有所降低，但與對(duì)照無(wú)顯著差異，隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)(14 d)其鮮重較對(duì)照顯著下降。烯禾啶濃度達(dá)到2 mL·L-1時(shí)，愈傷組織生長(zhǎng)與對(duì)照相比較為緩慢，脅迫第7、14天的相對(duì)生長(zhǎng)量分別為0.97和1.08，在脅迫第21天相對(duì)生長(zhǎng)量才達(dá)到2.13；烯禾啶濃度為4 mL·L-1時(shí)，脅迫第7、14、21天愈傷組織的鮮重生長(zhǎng)量分別為0.42 g、0.43 g和0.60 g，差別不大，表明烯禾啶濃度4 mL·L-1時(shí)，愈傷組織基本不生長(zhǎng)。

表1　谷子愈傷組織在烯禾啶脅迫培養(yǎng)基上的生長(zhǎng)情況

注：不同小寫字母示P<0.05，下圖表相同

Note: Different letters are si gnificantly differentP<0.05, the same as below

形態(tài)觀察發(fā)現(xiàn)，烯禾啶濃度為0.5、1 mL·L-1時(shí)，脅迫初期，愈傷組織表現(xiàn)與對(duì)照相似，色澤呈亮黃色，生長(zhǎng)速度較快；隨著烯禾啶濃度的增大及脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，愈傷組織生長(zhǎng)緩慢，出現(xiàn)褐化現(xiàn)象。

2.2　烯禾啶脅迫對(duì)谷子愈傷組織中保護(hù)酶活性的影響

2.2.1SOD活性

圖1　烯禾啶脅迫對(duì)愈傷組織中SOD活性的影響Fig.1　Effect of Sethoxydim stress on SOD activity of Foxtail Milletcallus

2.2.2POD活性

由圖2可知，隨著烯禾啶濃度的增加，愈傷組織中POD活性與SOD活性呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)。烯禾啶濃度為0.5 mL·L-1時(shí)，POD活性比對(duì)照增加了49.88%；在1 mL·L-1烯禾啶脅迫下POD活性達(dá)到最大，比對(duì)照增加了133.75%。當(dāng)烯禾啶濃度繼續(xù)增加時(shí)，POD活性開始降低，但仍高于對(duì)照，2 mL·L-1、4 mL·L-1時(shí)分別比對(duì)照增加了91%與34.19%。各處理與對(duì)照均達(dá)到顯著差異(P<0.05)。

圖2　烯禾啶脅迫對(duì)愈傷組織中POD活性的影響Fig.2　Effect of Sethoxydim stress on POD activity of Foxtail Millet callus

圖3　烯禾啶脅迫對(duì)愈傷組織中可溶性蛋白含量的影響Fig.3　Effect of Sethoxydim stress on contents of soluble protein of Foxtail

2.3　烯禾啶脅迫對(duì)谷子愈傷組織中有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

2.3.1可溶性蛋白

植物在逆境下可通過(guò)增加其體內(nèi)的可溶性蛋白含量，使細(xì)胞保持較低的滲透勢(shì)，避免滲透脅迫帶來(lái)的傷害[8]。從圖3可知，愈傷組織中可溶性蛋白的含量隨著烯禾啶濃度的增加呈先升后降的趨勢(shì)，但均高于對(duì)照。其中，烯禾啶濃度為1 mL·L-1時(shí)，可溶性蛋白含量達(dá)到最高，比對(duì)照增加了115.38%，烯禾啶濃度為2 mL·L-1時(shí)，可溶性蛋白量與對(duì)照相比增加了52.97%，這兩個(gè)濃度下差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

2.3.2脯氨酸

有研究表明，脯氨酸不僅是植物在逆境下的一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，也是植物體內(nèi)必需的抗氧化劑，有保護(hù)細(xì)胞酶和細(xì)胞結(jié)構(gòu)、清除活性氧自由基的作用[9~11]。由圖4可知，脯氨酸的含量隨著烯禾啶濃度的增大呈先升后降的趨勢(shì)。其中，0.5 mL·L-1時(shí)，脯氨酸含量最高，比對(duì)照增加了168.04%，與對(duì)照相比差異顯著；當(dāng)烯禾啶濃度增加到1 mL·L-1時(shí)，脯氨酸的含量開始降低，但仍顯著高于對(duì)照，比對(duì)照增加了66.52%。當(dāng)烯禾啶濃度增加到2 mL·L-1與4 mL·L-1時(shí)，愈傷組織中脯氨酸的含量低于對(duì)照。

圖4　烯禾啶脅迫對(duì)愈傷組織中脯氨酸含量的影響Fig.4　Effect of Sethoxydim stress on contents of proline of Foxtail Millet

圖5　烯禾啶脅迫對(duì)愈傷組織中丙二醛含量的影響Fig.5　Effect of Sethoxydim stress on contents of MDA of Foxtail Millet

2.4　烯禾啶脅迫對(duì)谷子愈傷組織中MDA含量的影響

植物在逆境條件下受到傷害與活性氧積累誘發(fā)的膜脂過(guò)氧化作用緊密相關(guān)，而MDA是膜脂過(guò)氧化的重要產(chǎn)物，因此可通過(guò)測(cè)定MDA含量了解愈傷組織膜脂過(guò)氧化的程度。從圖5可以看出，愈傷組織中MDA的含量隨著烯禾啶濃度的增加不斷升高。其中，在1 mL·L-1以下時(shí)MDA含量增加的比較緩慢，而在2~4 mL·L-1，MDA極速增加，分別比對(duì)照增加了39.11%與62.00%。結(jié)果表明，隨著烯禾啶濃度的增大，愈傷組織的膜脂過(guò)氧化嚴(yán)重，加快了MDA的生成。

3討論

相對(duì)生長(zhǎng)量是植物抗逆性反應(yīng)的綜合體現(xiàn)，是檢驗(yàn)植物抗逆性強(qiáng)弱的重要指標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)中，隨著烯禾啶濃度的增加，谷子愈傷組織的相對(duì)生長(zhǎng)量不斷降低。在低濃度烯禾啶脅迫下，短時(shí)間內(nèi)(7 d)谷子愈傷組織的相對(duì)生長(zhǎng)量稍有降低，但與對(duì)照相比，差異不顯著，隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，逐漸達(dá)到顯著差異；在中等以及相對(duì)較高的烯禾啶濃度脅迫下，愈傷組織的生長(zhǎng)受到明顯的抑制，該結(jié)果與烯禾啶對(duì)禾本科植物敏感性強(qiáng)的結(jié)果一致[12]。

一般情況下，植物體內(nèi)的活性氧含量保持在較低的一定水平，不會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生傷害[13]。在脅迫條件下，活性氧代謝平衡被打亂，使活性氧增多，為

有研究表明，植物在逆境下通常能積累有滲透調(diào)節(jié)功能的物質(zhì)，如脯氨酸、可溶性蛋白等，增強(qiáng)細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)作用，進(jìn)而提高其抗性[18,19]。本實(shí)驗(yàn)中，烯禾啶脅迫32 h時(shí)，隨著烯禾啶濃度的增加，可溶性蛋白和脯氨酸含量都呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，且分別在1、0.5 mL·L-1時(shí)達(dá)到最大值。在烯禾啶濃度大于1 mL·L-1時(shí)，愈傷組織中脯氨酸的含量開始低于對(duì)照，可溶性蛋白含量雖高于對(duì)照，但與對(duì)照相差不大。該結(jié)果表明，烯禾啶濃度低于1 mL·L-1時(shí)，脯氨酸和可溶性蛋白共同調(diào)節(jié)愈傷組織的滲透勢(shì)，當(dāng)烯禾啶濃度高于1 mL·L-1時(shí)，可溶性蛋白是主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。

綜上所述，晉谷21愈傷組織對(duì)烯禾啶有一定的適應(yīng)能力，但適應(yīng)能力較低(≦1 mL·L-1),其在受到烯禾啶脅迫時(shí)，可以通過(guò)增強(qiáng)其抗氧化酶活性和增加可溶性蛋白、脯氨酸含量維持細(xì)胞較低的滲透勢(shì)來(lái)緩解除草劑藥害。然而，當(dāng)烯禾啶濃度高于1 mL·L-1時(shí)，谷子愈傷組織中的MDA含量大大增加，細(xì)胞膜脂過(guò)氧化嚴(yán)重，愈傷組織生長(zhǎng)受到阻礙。

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(編輯：張貴森)

Effects of Sethoxydim stress on physiological characteristics of foxtail millet callus

Song Huijie, Yu Kaikai, Liu Yang, Huang Lei, Guo Pingyi*,Wang Yuguo, Wen Yinyuan, Yuan Xiangyang

(CollegeofAgriculture,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China)

Abstract:In order to study the effects of Sethoxydim stress on the growth and physiological characteristics of Foxtail Millet, The callus was cultured on MS medium with 0、0.5、1、2、4 mL·L-1Sethoxydim and the activities of SOD, POD and the contents of soluble proteins, Proline, and MDA were determined and analyzed. The results showed that the callus grew gradually slow with increasing of Sethoxydim concentration and extending of stress time . When the concentration of Sethoxydim was 2 mL·L-1and the callus was not growing under 4 mL·L-1. The ativities of SOD, POD and the content of soluble protein, proline increased first and then decreased. The content of MDA accumulated slowly when Sethoxydim concentration at the below of 1mL·L-1, then increased rapidly.

Key words:Foxtail Millet; Sethoxydim; Callus; Relative growth rate; Anti-oxidase; Osmotic regulation substance

中圖分類號(hào)：S515

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-8151(2016)02-0107-04

基金項(xiàng)目：“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2014BAD07B01-09)；國(guó)家自然基金(31301269)；山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(20150311016-2)；山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(20120311004-4)；山西農(nóng)業(yè)大學(xué)青年拔尖創(chuàng)新人才支持計(jì)劃(TYIT201406)；山西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2015-TN-09)

通訊作者：*郭平毅，教授，博士生導(dǎo)師。Tel：03546286938； E-mail: pyguo@sxau.edu.cn

作者簡(jiǎn)介：宋惠潔(1990-)，女(漢)，河南漯河人，碩士研究生，研究方向：作物化學(xué)調(diào)控與化學(xué)除草

收稿日期：2015-10-11修回日期：2015-12-24