外源5—氨基乙酰丙酸（ALA）對鹽脅迫下小型西瓜幼苗抗氧化酶活性的影響

陳罡+管安琴++萬云龍++馮偉民++樊平聲++盧昱宇

摘要：以耐鹽性較弱的小型西瓜品種秀麗2號為材料，采用營養(yǎng)液栽培法，研究了外源5-氨基乙酰丙酸（ALA）對NaCl脅迫下西瓜幼苗葉片、根系中超氧陰離子（ O-2 · ）產(chǎn)生速率、丙二醛（MDA）含量、相對電導(dǎo)率和抗氧化酶活性的影響。結(jié)果表明，100 mmol/L NaCl處理下，西瓜幼苗葉片、根系中 O-2 · 產(chǎn)生速率、MDA含量和相對電導(dǎo)率均顯著升高；而1.25 mmol/L外源ALA處理顯著提高NaCl脅迫下西瓜幼苗葉片、根系超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）等抗氧化酶活性，顯著降低了 O-2 · 產(chǎn)生速率、MDA含量和相對電導(dǎo)率。這些結(jié)果表明，外源ALA處理可有效清除體內(nèi)活性氧，降低膜脂過氧化傷害程度，從而緩解鹽脅迫對植株生長的抑制，進(jìn)而有助于增強(qiáng)西瓜植株對鹽脅迫的耐受性。

關(guān)鍵詞：小型西瓜；5-氨基乙酰丙酸（ALA）；鹽脅迫；抗氧化酶活性

中圖分類號： S651.01文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2016）06-0252-04

收稿日期：2015-08-13

基金項(xiàng)目：江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金[編號：CX（13）5014]。

作者簡介：陳罡（1982—），男，安徽潁上人，博士，助理研究員，主要從事蔬菜栽培生理與生物技術(shù)研究。Tel：（025）84391293；E-mail：chengang2891@163.com。

通信作者：馮偉民，研究員，主要從事蔬菜無公害栽培技術(shù)研究。E-mail：fweimin@126.com。西瓜（Citrullus lanatus），為葫蘆科西瓜屬的一年生蔓生草本植物，果瓤脆嫩，味甜多汁，含豐富的礦物鹽和多種維生素，可清熱解暑，還對高血壓、腎病具有一定輔助療效，是深受人們喜愛的消夏食品。西瓜是全球廣泛分布的主要園藝作物，也是世界上十大重要水果之一。中國是西瓜生產(chǎn)大國，面積和產(chǎn)量均位居世界首位[1]。近年來隨著我國設(shè)施園藝的迅速發(fā)展，西瓜反季節(jié)保護(hù)地栽培面積不斷擴(kuò)大。由于園藝設(shè)施季節(jié)性或常年覆蓋生產(chǎn)，土壤長期得不到雨水的淋洗，使鹽分聚集，引起土壤次生鹽漬化，嚴(yán)重影響西瓜的生長和發(fā)育。

利用外源物質(zhì)提高植物幼苗的抗鹽性已在多種植物上應(yīng)用。外源亞精胺可以提高鹽脅迫條件下黃瓜幼苗的耐鹽性[2]。外源脯氨酸處理可以通過減少鹽脅迫下甜瓜植株體內(nèi)丙二醛（MDA）含量，保護(hù)細(xì)胞質(zhì)膜，從而減輕鹽脅迫對植株的傷害[3]。5-氨基乙酰丙酸（5-aminolevulinic acid，ALA），又名δ-氨基乙酰丙酸，是所有卟啉類化合物生物合成的關(guān)鍵前體，參與許多生物體中的生物化學(xué)反應(yīng)，如光合作用、維生素B12和血紅素的合成等，并具有植物生長調(diào)節(jié)劑的作用[4-5]。Watanabe等在比較12種植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)對棉花耐鹽性影響的試驗(yàn)中觀察到，以1.5% NaCl處理的植株全部死亡，而經(jīng)100～300 mg/L ALA處理的受害率僅為20%～30%，且植株干質(zhì)量和鮮質(zhì)量與未經(jīng)NaCl處理的差異不顯著[6]。近幾年一些研究表明，ALA可以提高多種蔬菜作物的抗逆性。周月等研究表明，0.1 mmol/L ALA能緩解鹽脅迫下豌豆幼苗的氧化損傷，顯著提高SOD等保護(hù)酶活性[7]。外源ALA 處理可以顯著提高櫻桃番茄幼苗葉片的保護(hù)酶活性，增強(qiáng)櫻桃番茄幼苗對鹽脅迫逆境的耐受能力，減輕和緩解鹽傷害[8]。劉暉等發(fā)現(xiàn)，125 mmol/L NaCl處理下添加 15～30 mg/L ALA可以明顯緩解鹽脅迫對西瓜種子萌發(fā)的抑制效應(yīng)[9]。然而，目前關(guān)于ALA如何增強(qiáng)鹽脅迫下西瓜幼苗耐鹽性的研究尚未見報(bào)道。

本研究采用營養(yǎng)液栽培，通過外源ALA處理鹽脅迫下小型西瓜幼苗，研究外源ALA對鹽脅迫下西瓜幼苗葉片、根系中 O-2 · 產(chǎn)生速率、MDA含量、相對電導(dǎo)率和抗氧化酶活性的影響，探討外源ALA緩解鹽脅迫對西瓜傷害的生理機(jī)制，為闡明ALA增強(qiáng)西瓜植株耐鹽性機(jī)理提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料

試驗(yàn)于2014年9—11月在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玻璃溫室內(nèi)進(jìn)行。選用耐鹽性較弱的小型西瓜品種秀麗2號（安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所提供）為材料，種子經(jīng)消毒、浸種后，在30 ℃恒溫培養(yǎng)箱中下催芽2 d，待芽長0.5 cm時(shí)播于裝有基質(zhì)的50孔塑料穴盤中育苗。溫室內(nèi)晝溫20～30 ℃、夜溫13～18 ℃，光合有效輻射（PPFD）最大為800 μmol/（m2·s）左右，相對濕度維持在60%～70%，每天澆水保持基質(zhì)濕潤，幼苗第1片真葉展開后澆1/2劑量的Hoagland營養(yǎng)液：Ca（NO3）2· 4H2O 945 mg/L、KNO3 607 mg/L、NH4H2PO4 115 mg/L、MgSO4·7H2O 493 mg/L、H3BO3 2.86 mg/L、MnSO4·4H2O 2.13 mg/L、ZnSO4·7H2O 0.22 mg/L、CuSO4·5H2O 0.08 mg/L、（NH4）6Mo7O24·4H2O 0.02 mg/L、NaFe-EDTA 30 mg/L。3葉1心時(shí)選取生長整齊一致的幼苗定植于裝有1/2劑量Hoagland營養(yǎng)液的塑料水箱中（20 L），營養(yǎng)液pH值調(diào)至6.5±0.1，電導(dǎo)率（EC）2.0～2.2 mS/cm，并早晚各用氣泵通氣30 min。ALA為Sigma公司生產(chǎn)的分析純藥品。

1.2試驗(yàn)處理

植株預(yù)培養(yǎng)5 d后，向營養(yǎng)液中添加NaCl（分析純），分2次加入，開始處理時(shí)營養(yǎng)液中NaCl濃度為50 mmol/L，第2天使?fàn)I養(yǎng)液中NaCl終濃度為100 mmol/L，此時(shí)定為鹽脅迫處理開始時(shí)間。試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理：（1）無鹽對照（CK）：正常營養(yǎng)液栽培；（2）無鹽對照+1.25 mmol/L ALA；（3）鹽脅迫（NaCl）；（4）鹽脅迫+1.25 mmol/L ALA（NaCl+ALA）。待幼苗4～5片真葉展開開始NaCl處理時(shí)，當(dāng)天下午17：00用小型噴霧器噴施ALA（添加0.01% Triton作展著劑），葉面、葉背均勻噴灑，以藥液附于葉面但不下滴為準(zhǔn)，噴施量每株 3 mL。每個(gè)水箱15株，試驗(yàn)隨機(jī)排列，每處理重復(fù)3次。開始處理8 d后，選生長點(diǎn)以下第3片展開真葉用液氮速凍后置于 -80 ℃ 超低溫冰箱中保存?zhèn)錅y。本試驗(yàn)所采用的NaCl脅迫濃度（100 mmol/L）和葉面噴施的ALA濃度（1.25 mmol/L）均由預(yù)備試驗(yàn)篩選得出。

1.3生理指標(biāo)測定

O-2 · 產(chǎn)生速率按照王愛國等的方法[10]測定。丙二醛（MDA）含量采用Heath等的方法[11]測定。相對電導(dǎo)率參照Gong等的電導(dǎo)率儀法[12]測定。超氧化物歧化酶（SOD）活性采用Giiannopolitis等的方法[13]測定，以抑制氮藍(lán)四唑（NBT）光還原50%為1個(gè)酶活性單位（U）。過氧化物酶（POD）活性按照曾韶西等的方法[14]測定，以D470 nm 1 min增加0. 01為1個(gè)酶活性單位（U）。過氧化氫酶（CAT）活性采用Dhindsa等的方法[15]測定，以1 min減少0.1個(gè)吸光度值所需酶量為1個(gè)活力單位（U）。

1.4數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用SAS 13.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，Duncans多重比較法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2結(jié)果

2.1外源ALA對NaCl脅迫下小型西瓜幼苗 O-2 · 產(chǎn)生速率、MDA含量和相對電導(dǎo)率的影響

由圖1可知，NaCl脅迫處理8 d后，西瓜幼苗葉片和根系 O-2 · 產(chǎn)生速率顯著提高，與無鹽對照相比，分別顯著提高了122.4%和136.2%；NaCl脅迫下噴施外源ALA可以顯著降低 O-2 · 產(chǎn)生速率，其葉片和根系分別顯著降低了42.5%和44.7%，說明外源ALA能有效降低NaCl脅迫引起的 O-2 · 產(chǎn)生速率的增加，從而降低由活性氧引起的傷害；無鹽條件下，施用外源ALA對西瓜幼苗葉片和根系 O-2 · 產(chǎn)生速率無明顯影響。

從圖1可以看出，NaCl脅迫處理8 d后，西瓜幼苗葉片和根系MDA含量顯著增加，與無鹽對照相比，分別顯著增加了77.7%和94.6%；NaCl脅迫下噴施外源ALA可以顯著降低MDA含量，其葉片和根系分別降低了26.7%和30.3%。無鹽條件下，施用外源ALA對西瓜幼苗葉片和根系MDA含量無明顯影響。MDA是植物在逆境條件下膜脂過氧化的最終分解產(chǎn)物，其含量可以用來衡量植物遭受逆境傷害的程度，此結(jié)果說明外源ALA能有效降低NaCl脅迫引起的MDA含量的增加，進(jìn)而緩解膜脂過氧化損傷，降低細(xì)胞膜的受損程度。

由圖1可見，NaCl脅迫處理8 d后，小型西瓜幼苗葉片和根系的相對電導(dǎo)率顯著增加，與無鹽對照相比，分別顯著增加了82.7%和83.2%，NaCl脅迫下噴施外源ALA可以顯著降低相對電導(dǎo)率，其降低程度分別為22.5%和28.3%；無鹽條件下，噴施外源ALA對西瓜幼苗葉片和根系相對電導(dǎo)率無明顯影響。葉片和根系相對電導(dǎo)率是反映細(xì)胞膜受損程度的重要指標(biāo)之一，此結(jié)果表明NaCl脅迫破壞了西瓜幼苗細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，使膜結(jié)構(gòu)受到損傷，造成細(xì)胞內(nèi)電解質(zhì)滲漏加劇，而噴施外源ALA可以有效減輕NaCl脅迫對西瓜幼苗細(xì)胞膜傷害的程度。

以上結(jié)果說明，NaCl脅迫下西瓜植株體內(nèi) O-2 · 產(chǎn)生速率、MDA含量和相對電導(dǎo)率增加，導(dǎo)致幼苗活性氧傷害和膜脂過氧化，特別是根系直接處于NaCl脅迫的環(huán)境中，受到的傷害程度大于葉片；而噴施外源ALA可以降低 O-2 · 產(chǎn)生速率、MDA含量和相對電導(dǎo)率，從而減緩活性氧對幼苗的傷害，降低膜脂過氧化作用，減輕NaCl脅迫對西瓜細(xì)胞膜的傷害。

2.2外源ALA對NaCl脅迫下小型西瓜幼苗超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）活性的影響

由圖2可見，NaCl脅迫處理8 d后，顯著降低了西瓜葉片和根系中SOD、POD、CAT保護(hù)酶的活性，其葉片3種酶活性分別降低了32.2%、28.2%、50.0%，而根系3種酶活性分別降低了33.3%、30.2%、55.9%；葉面噴施外源ALA能夠顯著提高NaCl脅迫下西瓜葉片和根系中SOD、POD、CAT活性，與NaCl脅迫處理相比葉片3種酶活性分別升高了22.5%、25.1%、62.5%，而根系3種酶活性分別升高了19.8%、31.0%、66.7%；無鹽條件下，外源ALA對西瓜幼苗葉片和根系中SOD、CAT活性無明顯影響；而無鹽條件下，外源ALA提高西瓜幼苗根系中POD活性，升高了7.8%。上述結(jié)果表明，NaCl脅迫處理8 d后，西瓜幼苗自身的調(diào)節(jié)能力減弱，內(nèi)源抗氧化酶系統(tǒng)清除活性氧、防止膜脂過氧化作用的能力下降，幼苗會(huì)受到傷害；葉面噴施外源ALA可以提高NaCl脅迫下西瓜幼苗體內(nèi)抗氧化酶的活性，增強(qiáng)植株對體內(nèi)活性氧的清除能力，有效降低氧化損傷，從而提高植株的抗鹽性。3討論

植物自身的抗氧化酶和抗氧化劑防御系統(tǒng)能使體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生與清除之間維持在一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡之中。非生物逆境誘導(dǎo)植物體內(nèi)活性氧（ROS）積累增多，過量的ROS攻擊植物體內(nèi)蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、碳水化合物和DNA，最終導(dǎo)致氧化脅迫抑制植物的生長[16]。Parida 等指出，鹽脅迫加快了植物體內(nèi)膜脂過氧化作用的進(jìn)程，植物體內(nèi)ROS代謝平衡被打破，ROS含量增加，細(xì)胞膜脂過氧化和脫脂化，細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和完整性被破壞，引起膜流動(dòng)性降低，使質(zhì)膜透性增加，植物細(xì)胞生理代謝發(fā)生紊亂，而導(dǎo)致細(xì)胞的傷害或死亡，抑制植物生長[17]。本試驗(yàn)中，NaCl脅迫處理8 d后，西瓜幼苗葉片和根系 O-2 · 產(chǎn)生速率加快，SOD、POD和CAT活性降低，對ROS的清除能力降低，來不及清除大量的ROS，導(dǎo)致了西瓜幼苗膜脂過氧化傷害，進(jìn)一步抑制了植株的生長。

細(xì)胞膜是受逆境脅迫最敏感的部位之一。環(huán)境脅迫會(huì)使植物體內(nèi)活性氧自由基大量積累，而積累的活性氧自由基會(huì)導(dǎo)致膜脂肪酸中的不飽和鍵被過氧化形成MDA。活性氧自由基誘導(dǎo)的膜脂過氧化是脅迫造成的細(xì)胞水平上的傷害，膜脂過氧化過程中產(chǎn)生的MDA含量的高低和相對電導(dǎo)率的大小都是反映細(xì)胞膜脂過氧化作用強(qiáng)弱和質(zhì)膜破壞程度的重要指標(biāo)[18]。MDA積累多，說明 O-2 · 與羥自由基（·OH）可能是高水平。本研究發(fā)現(xiàn)，西瓜幼苗受到NaCl脅迫后，其MDA含量和組織相對電導(dǎo)率顯著升高，說明細(xì)胞質(zhì)膜發(fā)生了過氧化作用，引起質(zhì)膜正常生理功能發(fā)生紊亂；但當(dāng)用外源ALA處理以后，其MDA含量和組織相對電導(dǎo)率顯著降低，說明ALA對減緩鹽脅迫所造成的過氧化傷害具有積極的緩解作用，并以1.25 mmol/L的ALA處理效果最好。

鹽脅迫逆境會(huì)提高細(xì)胞ROS水平，而造成氧化損傷的ROS主要包括 O-2 · 和H2O2，其中 O-2 · 對植物體的傷害更重。植物抗氧化酶系統(tǒng)的SOD、POD和CAT酶在維持膜結(jié)構(gòu)完整性、清除ROS自由基、緩解膜脂過氧化傷害方面發(fā)揮著重要作用，可有效提高植物對逆境脅迫的適應(yīng)性[19]。SOD主要存在于細(xì)胞質(zhì)、葉綠體和線粒體內(nèi)，是植物體內(nèi)抵御氧化脅迫的第一道防線。當(dāng)植物受脅迫、活性氧增加時(shí)，SOD的合成表達(dá)便會(huì)增強(qiáng)， O-2 · 在SOD的催化作用下發(fā)生歧化反應(yīng)，生成H2O2和O2。同時(shí)POD、CAT在植物組織中廣泛存在，POD能夠催化以H2O2為氧化劑的氧化還原反應(yīng)，將H2O2還原為H2O；CAT可將代謝中產(chǎn)生的H2O2分解為H2O和O2。這3種抗氧化酶協(xié)同作用可以有效降低植株體內(nèi)自由基的水平，保護(hù)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，從而防止自由基對植物的傷害[20]。本研究中，NaCl脅迫下施用ALA處理能顯著提高西瓜幼苗葉片和根系SOD、POD和CAT酶活性，而 O-2 · 產(chǎn)生速率、MDA含量和相對電導(dǎo)率顯著降低。說明施用ALA后高活性的SOD、POD和CAT酶能協(xié)同作用，提高了西瓜幼苗葉片和根系的抗氧化能力，減少細(xì)胞中ROS的含量，降低膜脂過氧化，使得膜脂過氧化產(chǎn)物MDA含量和相對電導(dǎo)率顯著降低。

外源噴施適宜濃度的ALA能夠刺激誘導(dǎo)抗氧化酶的活性，加速ROS的清除[21]，這可能是ALA提高脅迫條件下植物抗性的一種作用機(jī)制。ALA是亞鐵血紅素（Heme）的合成前體，而Heme作為輔基普遍存在于POD和CAT中，因此推測作為四吡咯類化合物合成的關(guān)鍵前體，外源ALA可能通過轉(zhuǎn)化為Heme進(jìn)而導(dǎo)致POD活性增加，從而提高抗氧化脅迫能力[4，22]，并認(rèn)為ALA可能是促進(jìn)NaCl脅迫下西瓜種子萌發(fā)的原因之一[9]。在豌豆、櫻桃番茄等多種蔬菜作物上發(fā)現(xiàn)，ALA提高抗逆性總是伴隨著抗氧化酶活性的增加，因此推測ALA誘導(dǎo)SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性上升是其增強(qiáng)植物抗逆性的主要原因[7-8，23-24]。

綜上所述，鹽脅迫顯著抑制小型西瓜幼苗生長，施用 1.25 mmol/L ALA能有效緩解鹽脅迫誘導(dǎo)的生長抑制，ALA通過提高鹽脅迫下西瓜幼苗的抗氧化酶活性，加強(qiáng)清除活性氧能力，降低了膜脂過氧化程度，維持了細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，從而緩解西瓜幼苗所受的氧化損傷，增強(qiáng)植株對鹽脅迫的抗性。

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