PEG預(yù)處理對干旱和鹽復(fù)合脅迫下水稻幼苗AsA-GSH循環(huán)的影響

王金緣， 婁 鈉， 徐 萌， 李夢雪， 陳 熙， 楊 迪， 馬蓮菊

(沈陽師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，遼寧沈陽 110034)

鹽害與干旱一直是制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的嚴(yán)重自然災(zāi)害。近年來，鹽害和干旱發(fā)生頻率和強(qiáng)度愈來愈高，尤其是重大鹽害和干旱直接威脅到國家的長期糧食安全和社會穩(wěn)定[1-4]。研究表明，干旱時土壤水分蒸發(fā)增強(qiáng)導(dǎo)致地表鹽分不斷積累，同時植物根系吸水使地表土壤水分減少，土壤鹽分濃度進(jìn)一步增加[5-6]，結(jié)果造成鹽害與干旱的聯(lián)合脅迫。干旱和高鹽都會導(dǎo)致植物細(xì)胞缺水，打破細(xì)胞中的水分平衡，從而引起植物細(xì)胞滲透脅迫和離子脅迫[7]，除此以外植物細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)被破壞，一些膜結(jié)合酶類的活性降低，使植物體內(nèi)代謝活動失調(diào)，如呼吸消耗的能量增加、光合作用減弱和有毒物質(zhì)積累等[8]。中國是世界上干旱和半干旱面積很大的國家，尤其鹽堿地面積約占全國耕地面積的20%[9]，每年因為干旱和鹽害對農(nóng)作物造成的損失不可估量，因此消除和緩解干旱和鹽脅迫是當(dāng)務(wù)之急。

聚乙二醇(PEG)對種子或幼苗具有一定的滲透調(diào)節(jié)作用，采用PEG預(yù)處理植物種子或幼苗，可以減緩其在干旱和鹽堿脅迫下所受的傷害，增強(qiáng)其抗逆性。大麻青稞的種子耐旱性弱，如用適宜質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PEG預(yù)處理，則對其種子萌發(fā)有顯著的促進(jìn)作用，表現(xiàn)為發(fā)芽、生根率提高、萌發(fā)整齊度增加、萌發(fā)速度加快[10]。用不同濃度PEG預(yù)處理翅果油樹種子，其活力指數(shù)和發(fā)芽速度都得以提高[11]。PEG預(yù)處理還可以減少植物體內(nèi)活性氧的積累，從而減輕植物在逆境脅迫下受傷害的程度，進(jìn)而增強(qiáng)水稻幼苗的抗鹽性[12]。目前，有關(guān)PEG預(yù)處理對作物干旱或鹽害單一抗性的研究報道較多，對二者雙重抗性的研究鮮見報道。本試驗對PEG預(yù)處理的水稻幼苗進(jìn)行鹽漬和干旱雙重脅迫，從抗氧化酶活性、AsA-GSH循環(huán)中關(guān)鍵酶活性和抗氧化劑含量等方面進(jìn)行研究，以期為進(jìn)一步研究作物抗旱耐鹽生理機(jī)制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試驗實施

試驗于2016年11月在沈陽師范大學(xué)創(chuàng)新中心生物化學(xué)與分子生物學(xué)實驗室進(jìn)行，試驗材料為水稻鹽粳48。選取種皮完好、飽滿、大小一致的種子，用3% H2O2浸泡 10 min 后，28 ℃恒溫箱浸種24 h，浸種后的種子用蒸餾水反復(fù)沖洗后催芽24 h，播種在盛有Hoagland營養(yǎng)液的600 mL帶紗網(wǎng)的塑料燒杯上，放入光照培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)，定期更換營養(yǎng)液，培養(yǎng)7 d后進(jìn)行處理。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)3個處理，分別為(1)對照(CK)，用Hoagland營養(yǎng)液培養(yǎng)；(2)脅迫處理(NaCl/PEG)，先用Hoagland營養(yǎng)液培養(yǎng)6 d，后用 100 mmol/L NaCl+15% PEG聯(lián)合脅迫3 d；(3)PEG預(yù)處理(PEG-NaCl/PEG)，先用含10% PEG的營養(yǎng)液培養(yǎng)3 d，復(fù)水3 d，然后用100 mmol/L NaCl+15% PEG聯(lián)合脅迫3 d。每處理重復(fù)3次。

1.3 測定方法

葉綠素含量參考張志良的方法[13]測定。超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氯化硝基四氮唑(NBT)光氧化還原法[14]測定；過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法[13]測定；過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外分光光度計法[13]測定；抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性參考Nakano的方法[15]測定；谷胱甘肽還原酶(GR)活性參考Ma的方法[16]測定?？箟难?AsA)和還原型谷胱甘肽(GSH)含量參照吳強(qiáng)盛的方法[17]測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 16.0對水稻幼苗不同處理下的抗氧化酶活性、AsA-GSH中關(guān)鍵酶活性和抗氧化劑含量進(jìn)行LSD-單因素差異顯著性分析，用Microsoft Excel制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 PEG預(yù)處理對干旱和鹽復(fù)合脅迫下水稻幼苗葉綠素含量的影響

葉綠素為水稻葉片進(jìn)行光合作用的重要物質(zhì)之一，葉綠素含量與光合速率有密切的關(guān)系。從圖1-A可以看出，隨干旱和鹽復(fù)合脅迫時間延長，葉綠素a含量下降，而PEG預(yù)處理水稻幼苗的葉綠素a含量在脅迫后3 d時比脅迫處理顯著高 35.19%(P<0.05)。經(jīng)PEG預(yù)處理的水稻幼苗葉綠素b含量與脅迫處理相比顯著增加，但隨處理時間延長，二者相差不顯著(圖1-B)。

2.2 PEG預(yù)處理對干旱和鹽復(fù)合脅迫下水稻幼苗SOD、POD、CAT活性的影響

2.3 PEG預(yù)處理對干旱和鹽復(fù)合脅迫下水稻幼苗AsA-GSH循環(huán)中相關(guān)酶活性的影響

APX和GR是ASA-GSH循環(huán)中的關(guān)鍵酶，在活性氧的清除過程中起重要作用。從圖3可以看出，隨處理時間延長，脅迫處理的水稻幼苗葉片中的APX和GR活性下降，而PEG預(yù)處理的水稻幼苗葉片中的APX活性顯著升高，比脅迫處理植株顯著高62.50%(圖3-A)。

2.4 PEG預(yù)處理對干旱和鹽復(fù)合脅迫下水稻幼苗AsA-GSH循環(huán)中非酶類抗氧化劑含量的影響

AsA和GSH是胞內(nèi)過氧化物的有效清除劑，在植物細(xì)胞的葉綠體和細(xì)胞質(zhì)中是主要捕捉H2O2的抗氧化物質(zhì)，從而增強(qiáng)植物對逆境脅迫的抗性。脅迫處理3 d的水稻幼苗ASA含量顯著低于對照，但經(jīng)PEG預(yù)處理的植株AsA含量顯著高于脅迫處理的植株130.53%(圖4-A)；GSH含量比脅迫處理植株顯著高63.81%(圖4-B)。

3 討論與結(jié)論

外源物質(zhì)預(yù)處理對某些逆境脅迫有明顯的緩解作用，遭受干旱脅迫的麻黃種子通過不同外源物質(zhì)處理后，各萌發(fā)指標(biāo)均有不同程度的提高，胚根和下胚軸長度亦有不同程度的增長，尤其對下胚軸的伸長影響更為顯著[18]；用0.1 mmol/L硝普鈉處理水稻幼苗葉片明顯增加了鹽脅迫下水稻幼苗葉片的脯氨酸含量，緩解鹽脅迫引起的滲透脅迫[19]，本研究進(jìn)一步證實PEG模擬干旱可以增強(qiáng)水稻幼苗對干旱和鹽復(fù)合脅迫的抗性。

植物對逆境反應(yīng)的機(jī)理研究主要是兩方面：一方面是植物抗氧化酶系統(tǒng)活性的變化，另一方面是膜脂過氧化作用。在干旱和鹽復(fù)合脅迫下，植物體內(nèi)自由基大量積累起來，膜脂過氧化作用加劇導(dǎo)致MDA的含量增加，從而使植物葉片的光合能力下降[20]。植物體內(nèi)主要的抗氧化酶有SOD、POD和CAT，它們通過清除植物體內(nèi)有害的活性氧來保護(hù)植物的膜系統(tǒng)。本研究結(jié)果表明，隨脅迫時間的延長，復(fù)合脅迫下的SOD、CAT活性均有所下降，而POD活性升高，表明SOD和CAT主要在脅迫初期發(fā)揮重要作用，而POD發(fā)揮作用較晚，主要在脅迫后期起重要作用，這與高鑫宇等的研究結(jié)果[21]一致。在PEG預(yù)處理下，SOD、POD和CAT的活性均高于脅迫植株，表明PEG預(yù)處理可以緩解鹽脅迫對抗氧化酶活性的影響，使其更有效清除活性氧，提高水稻幼苗對鹽脅迫的抵抗能力。本研究結(jié)果表明，經(jīng)PEG預(yù)處理葉綠素a的含量顯著高于脅迫處理，表明有PEG預(yù)處理的復(fù)合脅迫下水稻幼苗葉綠素含量會有一個上升的過程，從而提高其耐鹽和耐旱能力，表明PEG預(yù)處理減緩了干旱和鹽脅迫對水稻幼苗葉綠素的傷害，增強(qiáng)水稻幼苗在脅迫下的生長能力，本結(jié)論與吳玲等的研究結(jié)果[22]基本一致。

抗壞血酸過氧化物酶、谷胱甘肽還原酶和還原型抗壞血酸、還原型谷胱甘肽是AsA-GSH循環(huán)中重要的組成酶和抗氧化劑，它們主要通過清除植物體內(nèi)積累的活性氧及自由基提高植物的抗逆性[23]。在逆境脅迫下，APX參與AsA清除H2O2，所以其活性也標(biāo)志著H2O2清除能力，同時APX和GR是植物AsA-GSH氧化還原途徑中重要的酶組分，對促進(jìn)AsA、GSH再生具有重要作用。本研究結(jié)果表明，PEG預(yù)處理的水稻幼苗葉片APX較復(fù)合脅迫植株有所增高，表明PEG預(yù)處理可以提高復(fù)合脅迫下APX活性，有效抑制H2O2的積累，使AsA-GSH快速有效地運(yùn)轉(zhuǎn)，維持了高水平的氧化還原力，從而更好地保護(hù)植物免受脅迫所帶來的傷害。抗壞血酸是植物體內(nèi)一個主要代謝物，90%以還原態(tài)存在。AsA和GSH含量對植物的抗逆性有很大影響，在植物體內(nèi)清除活性氧、抵抗氧化脅迫等方面具有重要作用。本研究結(jié)果表明，隨脅迫時間的延長，復(fù)合脅迫下的AsA和GSH含量均有所減少，原因可能是它們在清除自由基的同時自身被部分氧化[24]。在本試驗中，PEG預(yù)處理的水稻幼苗AsA和GSH含量均顯著高于脅迫處理，表明PEG預(yù)處理可以通過提高AsA、GSH的含量來增強(qiáng)植物對脅迫環(huán)境的抗性。

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