強(qiáng)酸脅迫下大葉相思幼苗抗性生理機(jī)制研究

楊舒貽, 李俊成, 惠文凱, 陳曉陽(yáng),*, 馬玲,*

1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院/亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東省森林植物種質(zhì)創(chuàng)新與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東省木本飼料工程技術(shù)研究中心, 農(nóng)業(yè)部能源植物資源與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510642 2.北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院/林木育種國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083

強(qiáng)酸脅迫下大葉相思幼苗抗性生理機(jī)制研究

楊舒貽1, 李俊成1, 惠文凱2, 陳曉陽(yáng)1,*, 馬玲1,*

1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院/亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東省森林植物種質(zhì)創(chuàng)新與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東省木本飼料工程技術(shù)研究中心, 農(nóng)業(yè)部能源植物資源與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510642 2.北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院/林木育種國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083

為探討大葉相思幼苗耐強(qiáng)酸脅迫的生理機(jī)制, 試驗(yàn)采用水培法, 設(shè)置了pH 3.0、pH 2.0 和pH 5.8 (CK)酸脅迫梯度和3天、9天兩個(gè)持續(xù)脅迫時(shí)間, 觀測(cè)了大葉相思幼苗在不同強(qiáng)度酸脅迫下葉片丙二醛(MDA)含量, 脯氨酸(Pro)含量以及抗氧化酶如過(guò)氧化物酶(POD)、谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶(GST)、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(GPX)和谷胱甘肽還原酶(GR)等活性的響應(yīng)特征。結(jié)果表明: (1)酸脅迫加重過(guò)程中, PSⅡ 最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)表現(xiàn)出下降趨勢(shì); (2)與CK比較, 在pH 3.0脅迫下, Pro無(wú)顯著變化, 但在pH 2.0持續(xù)脅迫下顯著上升, 表明當(dāng)pH 值低至2.0時(shí), 大葉相思幼苗受到嚴(yán)重脅迫; (3)與CK比較, 在pH值為 3.0和 2.0持續(xù)3天、9天的脅迫下, MDA含量無(wú)顯著變化, 表明大葉相思幼苗在極強(qiáng)酸脅迫下膜脂過(guò)氧化程度并未顯著提高; (4)與CK比較, 在pH 3.0脅迫下GST和GPX活性顯著上升, 但在pH 2.0脅迫下無(wú)顯著變化; 與CK比較, 在pH 3.0脅迫下GR和POD活性無(wú)顯著差異, 但在pH 2.0脅迫下有所下降, 表明大葉相思幼苗體內(nèi)不同抗氧化酶在應(yīng)對(duì)不同程度強(qiáng)酸脅迫時(shí)表現(xiàn)不同, 其中 GST對(duì)強(qiáng)酸脅迫響應(yīng)最為敏感。綜合分析各指標(biāo)在不同梯度酸脅迫下的變化, 認(rèn)為大葉相思幼苗耐強(qiáng)酸脅迫的生理調(diào)節(jié)閾值可能在pH 3.0左右.

大葉相思; 酸脅迫; 抗氧化酶

1 材料與方法

含硫礦采后由于硫的氧化使土壤呈強(qiáng)酸性, 許多植物難以存活, 給礦山修復(fù)帶來(lái)巨大阻力, 因此,篩選和利用耐強(qiáng)酸植物作為修復(fù)植物具有重要意義。大葉相思(Acacia auriculiformis)系豆科金合歡屬速生喬木樹(shù)種, 能在多種土質(zhì)下生長(zhǎng), 是改良土壤的優(yōu)良樹(shù)種[1]。前期研究發(fā)現(xiàn), 大葉相思幼苗可在廢棄硫鐵礦土(pH 3.0)中存活, 存活率≥70%, 通過(guò)控制試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大葉相思幼苗在pH 2.0基質(zhì)中表觀生長(zhǎng)受到嚴(yán)重抑制, 但仍能存活, 并結(jié)根瘤, 說(shuō)明大葉相思幼苗可能具有一套高效緩解由酸脅迫產(chǎn)生的傷害的防御體系, 可用于強(qiáng)酸性礦土修復(fù)[2]。

多篇研究指出抗氧化酶活性的高低與植物對(duì)環(huán)境脅迫的抗性有密切的關(guān)系[3,4]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)酸脅迫研究多關(guān)注的是酸雨脅迫[5,6], 且相對(duì)于其他非生物脅迫, 研究基礎(chǔ)還比較薄弱, 作用機(jī)制仍未明朗?？寡趸赶到y(tǒng)在保護(hù)植物免受酸雨傷害中起到了重要的作用也倍受關(guān)注, 包括過(guò)氧化物酶(Peroxidase,POD)[7]、谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶(Glutathione S- transferases, GST)[8]、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(Glutathione Peroxidase, GPX)[9]及谷胱甘肽還原酶(Glutathione Reductase, GR)[10]。Gabara等人的研究指出模擬酸雨脅迫(pH 1.8)誘導(dǎo)番茄GST活性在脅迫3天時(shí)達(dá)到最大值, 隨后大幅降低[11]; Wyrwicka等人的研究表明,pH 3.0酸雨脅迫誘導(dǎo)黃瓜GST活性在脅迫5天時(shí)達(dá)到最大值, 脅迫7天時(shí)下降[12], 可見(jiàn)植物對(duì)酸雨脅迫的生理響應(yīng)存在一定的閾值。王應(yīng)軍等發(fā)現(xiàn)木芙蓉對(duì)酸雨脅迫的生理響應(yīng)閾值大致在pH 2.0—pH 3.0[13]。另外, 植物對(duì)強(qiáng)酸脅迫及其它非生物脅迫的生理響應(yīng)是整個(gè)機(jī)體抗氧化防御體系的綜合反應(yīng), 除抗氧化酶體系外, 丙二醛(Malondialdehyde, MDA)含量、脯氨酸(Proline, Pro)含量、PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)等的變化也常用于分析植物對(duì)逆境脅迫的生理響應(yīng)方式。

本研究以大葉相思幼苗為試驗(yàn)材料, 設(shè)置不同酸度的脅迫試驗(yàn), 旨在揭示大葉相思幼苗抗氧化酶系統(tǒng)對(duì)不同程度強(qiáng)酸脅迫的響應(yīng)特征; 探討不同脅迫時(shí)間梯度對(duì)大葉相思幼苗響應(yīng)酸脅迫的相關(guān)抗氧化酶變化的影響, 為進(jìn)一步研究大葉相思幼苗耐強(qiáng)酸脅迫的生理機(jī)制提供依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

供試的大葉相思實(shí)生苗木為8個(gè)月齡苗, 苗高約30 cm。完全洗根后每株獨(dú)立置于裝有Hoagland營(yíng)養(yǎng)液的塑料杯中, 并固定莖稈使其保持直立, 穩(wěn)定生長(zhǎng)一周后進(jìn)行試驗(yàn)處理。于2015年5月在廣州(全年日照時(shí)數(shù)1770—1940小時(shí)左右)華南農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)通風(fēng)玻璃溫室內(nèi)自然光下進(jìn)行試驗(yàn), 試驗(yàn)期間環(huán)境溫度10 ℃ —32 ℃, 濕度50%—95%。

2.2 實(shí)驗(yàn)處理

以Hoagland營(yíng)養(yǎng)液原液(pH 5.8)為對(duì)照(CK, 不加酸), 另設(shè)pH 2.0、pH 3.0兩個(gè)酸度梯度, 使用H2SO4調(diào)節(jié)溶液pH; 設(shè)3d、9d兩個(gè)持續(xù)處理時(shí)間梯度,每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。

2.3 試驗(yàn)方法

應(yīng)用FluorPen FP100測(cè)定不同pH強(qiáng)度和不同脅迫時(shí)間下葉綠素?zé)晒鈪?shù)。于晴天上午9—11點(diǎn)用儀器自帶葉夾使葉片暗適應(yīng)15分鐘后測(cè)定OJIP曲線,自動(dòng)輸出 PSⅡ的最大光化學(xué)效率Fv/Fm值。

于晴朗天上午9點(diǎn)左右取頂端第3或4片完全展開(kāi)葉, 快速稱重后用錫紙包裹放入液氮中保存, 并及時(shí)放入-80 ℃超低溫冰箱, 待9d樣品取樣后, 即進(jìn)行提取實(shí)驗(yàn)。

葉片內(nèi)MDA、Pro含量以及POD、GST、GPX和GR等生理指標(biāo)使用試劑盒(南京建成生物有限公司, 南京)提取。取-80 ℃冷藏后葉片樣品, 加入預(yù)冷0.01 mol·LPBS溶液(pH 7.4)研磨(Pro含量測(cè)定需加入試劑盒中特定試劑), 制備10%勻漿液。在4 ℃下5000轉(zhuǎn)·分離心20min后取上清液備用。使用紫外分光光度計(jì)(PerkinElmer Lambda 25, 美國(guó))測(cè)定相應(yīng)波長(zhǎng)下的OD值。MDA含量測(cè)定使用TBA法, 測(cè)定波長(zhǎng)為532 nm[14]; Pro含量測(cè)定使用茚三酮法[15]; POD活性測(cè)定是利用POD催化過(guò)氧化氫反應(yīng)的原理, 通過(guò)測(cè)定420 nm處吸光度的變化計(jì)算其活性[14]; GST活性的測(cè)定是利用GST催化還原型谷胱甘肽(GSH)與1-氯-2, 4-二硝基苯(CDNB)反應(yīng)的原理, 通過(guò)檢測(cè)GSH的濃度來(lái)反映活性(GSH與二硫二代硝基甲苯(DTNB)作用生成穩(wěn)定的黃色底物，412 nm下測(cè)定吸光度值計(jì)算GSH的量); GPX活性測(cè)定是利用GPX促進(jìn)H2O2與GSH反應(yīng)行程H20和GSSG，通過(guò)測(cè)定酶促反應(yīng)中GSH的消耗求出GPX活性[16]; GR活性測(cè)定利用氧化型谷胱甘肽GSSG在GR催化下, 由NADPH供氫, 使GSSG還原生成GSH, 在340 nm處檢測(cè)NADPH吸光度值的下降, 通過(guò)檢測(cè)NADPH的改變,計(jì)算GR活性。Pro以鮮重質(zhì)量計(jì)算含量, 其他生理指標(biāo)均以樣品蛋白濃度計(jì)算。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SAS9.0分析統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(t-test); 采用SPSS 9.0分析統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行雙因素方差分析; 采用EXCEL繪制相關(guān)圖表。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 酸脅迫對(duì)大葉相思幼苗葉片 PSⅡ的最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)的影響

由圖1可知, 經(jīng)持續(xù)3天和9天處理后, Fv/Fm均隨著酸脅迫強(qiáng)度的增加呈持續(xù)下降趨勢(shì), 與對(duì)照相比, 差異達(dá)極顯著水平(p＜0.01)。

圖1 酸脅迫對(duì)大葉相思幼苗葉片F(xiàn)v/Fm的影響Fig.1 Fv/Fm in phylloid of Acacia auriculiformis under strong acid stress

3.2 酸脅迫對(duì)大葉相思幼苗葉片MDA含量的影響

由圖2可知, 經(jīng)持續(xù)3天和9天處理后, 大葉相思幼苗葉片中MDA含量均隨著酸脅迫強(qiáng)度的增加呈先升高后降低趨勢(shì), 但差異不顯著。雙因素方差分析結(jié)果顯示, 持續(xù)脅迫時(shí)間對(duì)MDA含量影響不顯著,酸度與時(shí)間尺度交互作用不顯著(表1)。

3.3 酸脅迫對(duì)大葉相思幼苗葉片pro含量的影響

由圖3可以看出, 與CK相比較, 經(jīng)pH 3.0 脅迫3天和9天后, 大葉相思幼苗葉片中Pro含量均無(wú)變化, 而經(jīng)pH 2.0脅迫后, Pro含量顯著增加(p＜0.01)。經(jīng)雙因素方差分析, 這兩種脅迫時(shí)間尺度對(duì)Pro含量影響極顯著, 酸度與時(shí)間尺度的交互作用達(dá)到顯著水平(表1)。

3.4 酸脅迫對(duì)大葉相思幼苗葉片GST活性的影響

由圖4可知, 經(jīng)3天和9天脅迫后, 大葉相思幼苗葉片中GST活性隨酸度增加均呈現(xiàn)先升后降趨勢(shì),在pH 3.0脅迫下, GST活性最高, 與對(duì)照相比, 分別提高了511.76%和673.46%, 差異達(dá)到極顯著水平(p＜0.01); 而在pH 2.0脅迫下, GST活性與對(duì)照則無(wú)顯著差異。經(jīng)雙因素方差分析, 脅迫3天、9天均對(duì)GST活性有極顯著影響, 酸度與時(shí)間尺度交互作用達(dá)到顯著水平(表1)。

圖2 酸脅迫對(duì)大葉相思幼苗葉片丙二醛含量的影響Fig.2 MDA content in phylloid of Acacia auriculiformis under strong acid stress

圖3 酸脅迫對(duì)大葉相思幼苗葉片脯氨酸含量的影響Fig.3 Pro content in phylloid of Acacia auriculiformis under strong acid stress

3.5 酸脅迫對(duì)大葉相思幼苗葉片GPX活性的影響

由圖5可知, 經(jīng)3天和9天脅迫處理后, 大葉相思幼苗葉片中GPX活性也隨酸度增加均呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì), 但只有9天處理的pH 3.0脅迫強(qiáng)度與CK的差異達(dá)到顯著水平(p＜0.05), 而pH 2.0脅迫強(qiáng)度下與CK 無(wú)顯著差異。經(jīng)雙因素方差分析, 脅迫3天、9天這兩個(gè)脅迫時(shí)間尺度對(duì)GPX活性影響沒(méi)有達(dá)到顯著水平, 酸度與時(shí)間尺度交互作用也不顯著(表1)。

3.6 酸脅迫對(duì)大葉相思幼苗葉片GR活性的影響

由圖6可知, 經(jīng)3天和9天脅迫處理后, 大葉相思幼苗在pH 3.0和pH 2.0酸度強(qiáng)度下葉片中GR活性與對(duì)照的差異沒(méi)有達(dá)到顯著水平。在pH 3.0和pH 2.0酸度脅迫下, 分別達(dá)到顯著(p＜0.05)和極顯著差異水平(p＜0.01), 9天的處理GR活性明顯比3天的高。經(jīng)方差分析, 脅迫3天、9天這兩個(gè)脅迫時(shí)間尺度對(duì)GR活性影響達(dá)到極顯著水平, 酸度與時(shí)間尺度交互作用不顯著(表1)。

3.7 酸脅迫對(duì)大葉相思幼苗葉片POD活性的影響

根據(jù)圖7顯示, 在脅迫3天時(shí)間尺度上, pH 3.0脅迫時(shí)大葉相思幼苗葉片中POD活性相與CK無(wú)明顯差異, 而pH 2.0脅迫時(shí)大葉相思幼苗葉片中POD活性明顯比CK低; 經(jīng) pH 3.0和pH 2.0酸度 9天脅迫處理后, 葉片中POD活性與CK均無(wú)顯著差異。雙因素方差分析顯示, 經(jīng)3天、9天脅迫處理對(duì)POD活性影響不顯著, 酸度與時(shí)間尺度交互作用也不顯著(表1)。

圖4 酸脅迫對(duì)大葉相思幼苗葉片谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶活性的影響Fig.4 GST activity in phylloid of Acacia auriculiformis under strong acid stress

圖5 酸脅迫對(duì)大葉相思幼苗葉片谷胱甘肽過(guò)氧化物酶活性的影響Fig.5 GPX activity in phylloid of Acacia auriculiformis under strong acid stress

圖6 酸脅迫對(duì)大葉相思幼苗葉片谷胱甘肽還原酶活性的影響Fig.6 GR activity in phylloid of Acacia auriculiformis under strong acid stress

圖7 酸脅迫對(duì)大葉相思幼苗葉片過(guò)氧化物酶活性的影響Fig.7 POD activity in phylloid of Acacia auriculiformis under strong acid stress

表1 酸度、時(shí)間尺度雙因素顯著性分析表Tab.1 Two-factor analysis between pH and time

4 討論

大葉相思幼苗受酸毒害的一個(gè)重要原因可能是酸脅迫引起體內(nèi)的氧化脅迫, 脅迫會(huì)破壞植物細(xì)胞內(nèi)的穩(wěn)態(tài)環(huán)境, 使植物細(xì)胞內(nèi)ROS含量增加。ROS被認(rèn)為是有氧代謝有毒的副產(chǎn)品[17], 包括單線態(tài)氧、超氧陰離子(O2-)、過(guò)氧化氫(H2O2)、氫氧根離子(HO-)等。大葉相思幼苗在酸脅迫下, Pro含量以及GST、GPX、GR等抗氧化酶活性發(fā)生了變化, 類似的結(jié)果也出現(xiàn)在低溫[18]、干旱[19]、鹽[20]以及高濃度銅[21]等環(huán)境脅迫中。說(shuō)明大葉相思幼苗在酸脅迫下積極啟動(dòng)抗氧化酶防御系統(tǒng), 通過(guò)調(diào)節(jié)酶活性等方式來(lái)阻止、降低、修復(fù)因酸脅迫造成的機(jī)體損傷, 保證植物可以正常進(jìn)行生理活動(dòng)。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)在測(cè)定植物光合作用過(guò)程中光系統(tǒng)對(duì)光能的吸收、傳遞、耗散、分配等方面具有獨(dú)特的作用[22]。葉綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)現(xiàn)較多的被應(yīng)用于探測(cè)溫度脅迫、干旱脅迫等環(huán)境脅迫對(duì)植物光合作用的影響過(guò)程以及機(jī)制研究中[23][24]。Fv/Fm是光合系統(tǒng)II(PSII)的最大光能轉(zhuǎn)換效率, 反映PSII反映中心內(nèi)稟光能轉(zhuǎn)換效率[25]。本研究中, 經(jīng)3天和9天脅迫后,Fv/Fm隨酸脅迫強(qiáng)度地增強(qiáng)呈逐漸下降趨勢(shì), 且與對(duì)照相比, 存在極顯著差異, 表明在酸脅迫下大葉相思幼苗葉片PSⅡ系統(tǒng)受到了一定程度的損傷。Fv/Fm也是表征健康植物葉片的指標(biāo), 植物受到脅迫時(shí), 這一效率值(0.8)就明顯下降[26]。本研究中, 經(jīng)pH 3.0、pH 2.0脅迫后, 該效率值在0.8之下,表明兩種酸強(qiáng)度對(duì)大葉相思幼苗造成了脅迫。

Pro是水溶性最大的氨基酸(溶解度162.3 g, 25℃), 具有較強(qiáng)水合能力, 生理pH范圍內(nèi)帶靜電荷,是理想的有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[27], 逆境脅迫下植株可通過(guò)增加Pro含量提高滲透勢(shì)以緩解脅迫引起的傷害[28]。本試驗(yàn)中, 在 pH 3.0下, 經(jīng)3天和9天脅迫處理后, Pro含量與對(duì)照差異較小; 經(jīng)pH 2.0處理后,Pro含量大幅增加, 表明大葉相思幼苗在pH 3.0時(shí)所受害較輕, 而在pH 2.0時(shí)才受害嚴(yán)重 , 且Pro在大葉相思幼苗受到酸脅迫時(shí)起了重要的滲透調(diào)節(jié)作用。此外, 也從生理水平上證明大葉相思幼苗對(duì)強(qiáng)酸有較大的耐受性。MDA是細(xì)胞脂質(zhì)過(guò)氧化最重要的產(chǎn)物之一。MDA的增加表明質(zhì)膜損壞的出現(xiàn)。本研究中, 在pH 3.0和pH 2.0酸度下經(jīng)3天和9天處理后,MDA含量與CK相比均無(wú)顯著變化。其他環(huán)境脅迫,如低溫脅迫處理后, 玉米MDA含量也出現(xiàn)了類似變化, 抗冷能力較強(qiáng)的玉米品種(東農(nóng)250)遭受8 ℃和9℃處理時(shí), MDA含量與對(duì)照相比, 差異并不明顯,且在脅迫第9天含量?jī)H比對(duì)照增加6.53%和4.26%[29]。因此我們推測(cè)pH 2.0的強(qiáng)酸對(duì)大葉相思幼苗所形成的脅迫可能體現(xiàn)在其他細(xì)胞結(jié)構(gòu)或生物大分子受損而非質(zhì)膜損壞, 但該推斷需要在今后進(jìn)行進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

GPX、GST、GR是與谷胱甘肽密切相關(guān)的酶類。有研究指出, GPX活性的提高可以反映植物體高效清除脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物[12]。本試驗(yàn)中, 經(jīng)pH 3.0脅迫后,大葉相思幼苗葉片中GST和GPX相對(duì)于CK均顯著升高?？赡苡捎趐H 3.0對(duì)大葉相思幼苗產(chǎn)生一定程度的氧化脅迫, 進(jìn)而刺激植物體內(nèi)ROS大量積累,ROS作為信號(hào)因子誘導(dǎo)抗氧化酶活性增強(qiáng), 以盡量降低氧化脅迫對(duì)植物產(chǎn)生的傷害。其中GST活性在pH 3.0脅迫時(shí)相對(duì)于CK升高幅度最大, 推測(cè)GST活性的提高可能對(duì)大葉相思幼苗耐酸脅迫具有重要作用。Wyrwicka等研究指出GST對(duì)清除由酸雨誘導(dǎo)的黃瓜體內(nèi)有毒產(chǎn)物具有重要作用, 這與本研究結(jié)果相符[12]。經(jīng)pH 2.0處理后, 大葉相思幼苗GST、GPX、GR活性并未被高效激活, 甚至受到抑制, 可能原因是如此強(qiáng)的酸脅迫已對(duì)大葉相思幼苗產(chǎn)生了嚴(yán)重傷害, 破壞植物組織, 造成植物機(jī)體代謝紊亂, 使GST、GPX、GR活性無(wú)法被激活; 也可能是由于Pro的大量積累, 在降解過(guò)程中產(chǎn)生有毒物質(zhì), 使植物體內(nèi)酶活性降低或完全喪失[30,31]。

POD作為活性較高的適應(yīng)性酶, 能夠反映植物生長(zhǎng)發(fā)育的特點(diǎn)、體內(nèi)代謝狀況以及對(duì)外界環(huán)境的適應(yīng)性。在本研究中, 在pH 3.0酸度下經(jīng)3天和9天脅迫后, 大葉相思幼苗POD活性與對(duì)照相比有增強(qiáng)趨勢(shì), 但差異不顯著; 經(jīng)pH 2.0處理后POD活性反而受到抑制, 鄧紅平等人的研究報(bào)導(dǎo)了類似結(jié)果: 入侵物種土荊芥POD活性隨模擬酸雨脅迫的增強(qiáng)呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì), 在pH 3.5處理后活性達(dá)到最高值[32]。說(shuō)明POD可能并未高效地參與大葉相思幼苗植物體內(nèi)ROS的清除過(guò)程, 對(duì)緩解強(qiáng)酸脅迫引起的氧化損傷可能并不是必需的。

大葉相思幼苗GST、GPX、GR、POD等抗氧化酶活性隨脅迫強(qiáng)度增強(qiáng)總體呈現(xiàn)先升高后下降趨勢(shì),特別是GST活性, 相比對(duì)照顯著升高, 而脂質(zhì)過(guò)氧化程度并未顯著提高, 表明大葉相思幼苗在pH 3.0時(shí)能較好的調(diào)節(jié)自身防御機(jī)制以抵抗酸脅迫帶來(lái)的傷害。綜合各生理指標(biāo)對(duì)不同梯度酸脅迫的響應(yīng)的分析, 同時(shí)借鑒肖艷、姜靜等人對(duì)模擬酸雨脅迫下荔枝、龍眼、芒果、美人蕉等植物生理傷害閾值的確定方法[33,34], 可以推測(cè), 大葉相思幼苗耐強(qiáng)酸脅迫的生理調(diào)節(jié)閾值在pH 3.0左右。

兩個(gè)脅迫時(shí)間尺度對(duì)GST、GR活性和Pro含量影響顯著, 而對(duì)Fv/Fm、MDA含量、GPX和POD活性的影響較小。脅迫9天時(shí), GST活性相對(duì)于脅迫3天顯著降低, 而GR活性和Pro含量相對(duì)于脅迫3天顯著升高。由于本實(shí)驗(yàn)是在水培條件下進(jìn)行, 推測(cè)9天時(shí)間尺度對(duì)大葉相思幼苗生理活動(dòng)造成輕微水淹脅迫,而GST、GR和Pro對(duì)水淹脅迫可能較敏感。有研究發(fā)現(xiàn)水淹脅迫會(huì)提高無(wú)花果幼苗Pro含量[35], 牡丹受到淹水脅迫時(shí)GR也表現(xiàn)出類似的響應(yīng): 牡丹體內(nèi)GR活性隨著水淹脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)[36]。關(guān)于大葉相思幼苗對(duì)水淹脅迫的響應(yīng)有待今后進(jìn)一步深入研究, 但總體來(lái)說(shuō)本試驗(yàn)中輕微水淹脅迫并未對(duì)酸脅迫結(jié)果造成不利影響。

5 結(jié)論

(1) pH 2.0時(shí)大葉相思幼苗受到嚴(yán)重脅迫, pH 3.0時(shí)僅受到輕微脅迫。

(2) 大葉相思幼苗體內(nèi)不同抗氧化酶在應(yīng)對(duì)不同程度強(qiáng)酸脅迫時(shí)表現(xiàn)不同, 其中GST對(duì)強(qiáng)酸脅迫響應(yīng)最為敏感。

(3) 大葉相思幼苗耐強(qiáng)酸脅迫的生理調(diào)節(jié)閾值可能在pH 3.0左右。

本研究的數(shù)據(jù)為進(jìn)一步研究酸脅迫下大葉相思幼苗抗氧化酶保護(hù)系統(tǒng)的活化以及酸脅迫的作用機(jī)理提供了基礎(chǔ)框架。

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Study on the physiological mechanism for seedling resistance to strong acid stress in Acacia auriculiformis

YANG Shuyi1, LI Juncheng1, HUI Wenkai2, CHEN Xiaoyang1,*, MA Ling1,*
1.College of Forestry and Landscape Architecture, South China Agricultural University /State Key Laboratory for Conservation and Utilization of Subtropical Agro-bioresources,Guangdong Key Laboratory for Innovative Development and Utilization of Forest Plant Germplasm,Guangdong Province Research Center of Woody Forage Engineering Technology,Guangzhou510642,China2.College of Biological Sciences and Technology,Beijing Forestry University/National Engineering Laboratory for Forest Tree Breeding,Beijing100083,China

A hydroponics experiment was set up to investigate the physiological response ofAcacia auriculiformisseedlings to acid stress.The experiment was designed with two levels of acid stresses (pH 2.0 and 3.0), contrast to the control (CK) pH 5.8, and two periods of times in acid stress (3 and 9 days after any treatment).Effects of the acid stress on metabolic products were assessed by measuring the contents of malondialdehyde (MDA) and proline (Pro) and the activities of different antioxidant enzymes in seedling leaves, including the peroxidase (POD), glutathione S-transferases (GST), glutathione peroxidase (GPX) and glutathione reductase(GR).The results showed that the proline content exhibited an insignificant difference under pH 3.0, but a significant increase under pH 2.0 in comparison with the results under control, indicating that the seedling stress was severe under pH 2.0.The MDA content didn’t show any significant difference from that in CK under the stress of either pH 3.0 or pH 2.0, suggesting that membrane lipid was not severely peroxidated under a strong acid stress.Compared with the results in CK, the activities of enzymes GST and GPX significantly increased under pH 3.0, but did not significantly change under pH 2.0.On the contrary, the activities of enzymes GR and POD showed no significant differences under pH 3.0, but significantly decreased under pH 2.0, suggesting distinct responses to the two levels of acid stresses among different antioxidant enzymes.The GST enzyme was most sensitive to a strong acid stress.In general, our observed patterns suggested that the strength of acid stress under pH 3.0 could be a threshold below which the seedlings ofA.auriculiformiswere difficult to adapt in physiological metabolism.

Acacia auriculiformis; acid stress; antioxidant enzymes

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.05.002

Q948.1

A

1008-8873(2017)05-011-07

楊舒貽, 李俊成, 惠文凱, 等.強(qiáng)酸脅迫下大葉相思幼苗抗性生理機(jī)制研究[J].生態(tài)科學(xué), 2017, 36(5): 11-17.

YANG Shuyi, LI Juncheng, HUI Wenkai, et al.Study on the physiological mechanism for seedling resistance to strong acid stress inAcacia auriculiformis[J].Ecological Science, 2017, 36(5): 11-17.

2016-10-21;

2016-11-22

國(guó)家自然科學(xué)基金(31600307); 廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015A020209139, 2015B020207002); 中央財(cái)政林業(yè)示范推廣項(xiàng)目[(2015)GDTK-08].

楊舒貽(1991—), 女, 在讀碩士, E-mail: zjtzysy@126.com

*通信作者:陳曉陽(yáng)(1958—), 男, 博士, 教授, 主要從事遺傳育種工作, E-mail: xychen@scau.edu.cn馬玲(1979—), 女, 博士, 助理研究員, 主要從事植物生理生態(tài)學(xué)研究, E-mail: maling@scau.edu.cn