NaHCO3脅迫下對青稞幼苗抗氧化酶活性的影響

喬 楓，段國蘋，許小寧，耿貴工，謝惠春*

(1.高原科學與可持續(xù)發(fā)展研究院，青海師范大學，青海 西寧 810008;2.青海省青藏高原藥用動植物資源重點實驗室，青海 西寧 810008；3.青海省青藏高原生物多樣性形成機制與綜合利用重點實驗室，青海 西寧 810008；4.青海省農(nóng)業(yè)項目指導服務中心，青海 西寧 810008；5.青海省農(nóng)林科學院，青海 西寧 810016)

鹽堿土在我國分布廣泛,嚴重制約著農(nóng)業(yè)生產(chǎn).我國耕地鹽堿化面積超過 760萬hm2,占總耕地面積的 1/5，主要分布在東北、華北及西北內(nèi)陸地區(qū)[1].土壤鹽堿化是當今世界上一個嚴重的生態(tài)問題，鹽堿地面積的增加是環(huán)境和人為各方面因素影響的結(jié)果[2].尤其是在干旱地區(qū)，在我國重要的產(chǎn)糧省份吉林省，位于長白山一帶土壤鹽堿化嚴重，使得農(nóng)民飽受糧食減產(chǎn)的苦惱.解決土壤鹽堿化才能提高地區(qū)糧食產(chǎn)量，對我國的糧食產(chǎn)量產(chǎn)生重大作用[3].因此，如何開發(fā)利用大量的鹽堿地對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要的意義[4].

許多植物在長期進化過程中對鹽堿脅迫在組織水平上形成了一系列的適應機制，主要包括合成滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、離子調(diào)節(jié)、合成有機酸以及合成保護酶等 4 種途徑[5-8].鹽堿地可分為鹽化地和堿化地.鹽化地中的易溶鹽會提高土壤的滲透壓，進而影響植物體內(nèi)的水分和營養(yǎng)礦物質(zhì)的吸收，從而會對植物產(chǎn)生不同程度的毒害作用[9-11]，所以鹽堿地的危害不僅使土壤的理化性質(zhì)發(fā)生變化，同時也會對植物造成不同程度的傷害，進而影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[12].改良鹽堿地和種植耐鹽堿作物均被用于緩解土地鹽堿化這一世界難題，而后者被認為是最為經(jīng)濟可行和最有效的方法[13].裴毅[14]等在氯化鈉和碳酸氫鈉脅迫對白芥種子萌發(fā)影響的研究中，用清水復萌試驗表明，經(jīng)NaCl脅迫的種子有不同程度的復萌，經(jīng)NaHCO3脅迫種子復萌率為 0.結(jié)果表明白芥種子有一定耐鹽堿能力，其耐NaCl能力強于耐NaHCO3能力.霍宏亮等[15]探究不同杜梨資源對鹽堿脅迫的生理響應及篩選耐鹽堿資源，3000 余株幼苗為試驗材料，采用中性鹽和堿性鹽混合脅迫處理，測定鹽堿抗性相關(guān)的生理指標，研究發(fā)現(xiàn)，抗性強的資源抗氧化酶活性和脯氨酸含量在受到脅迫后顯著上升，300 mmol/L鹽堿脅迫下超氧化物歧化酶活性顯著上升75.04%、70.04%；過氧化物酶活性上升 1136.11%、742.86%；過氧化氫酶活性顯著上升 344.58%、343.42%.

青稞(HordeumvulgareL)為禾本科大麥屬大麥的一個變種，又稱裸大麥(Hulllessbarley)、元麥、米大麥.青稞適宜生長在清涼氣候的高原，耐寒性強，生長期短，高產(chǎn)早熟，適應性廣[16].青稞是中國高海拔地區(qū)居民主要糧食、燃料和牲畜飼料，而且也是啤酒、醫(yī)藥和保健品生產(chǎn)的原料，有著廣泛的食用價值和藥用價值[17,18].本文研究不同濃度碳酸氫鈉NaHCO3對青稞幼苗抗氧化酶活性的影響，研究結(jié)果為青稞的鹽堿脅迫耐逆性提供線索.

1 材料與方法

1.1 材料

青稞品種肚里黃，由青海省農(nóng)林科學院作物所提供.

1.2 方法

挑選飽滿無病菌的青稞種子，先用自來水沖洗2～3次，蒸餾水沖洗3次，后用0.1%氯化汞浸泡5min，將青稞種子置于鋪有2層濾紙的直徑為13cm培養(yǎng)皿里，放置在溫室中培養(yǎng).每天定時定量加入20mL水，待苗長1cm左右時，揭去培養(yǎng)皿蓋，然后繼續(xù)培養(yǎng)2d，之后用不同濃度的NaHCO3處理7d，每天定時定量加入NaHCO3溶液，取幼苗的葉和根為材料，分析抗氧化酶活性和可溶性蛋白含量.

1.2.1 生理指標測定

超氧化物歧化酶SOD活性測定采用NBT光照化學還原法[19,20]，過氧化物酶POD測定采用愈創(chuàng)木酚法[19,20]，過氧化氫酶CAT、抗壞血酸過氧化物酶APX活性測定采用紫外分光光度法[20]，可溶性蛋白質(zhì)SP含量采用考馬斯亮藍法[19].

1.2.2 統(tǒng)計分析

所有的生理指標重復3次，數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學分析采用Excel 2016處理，在α=0.05水平上分析差異顯著性.

2 結(jié)果與分析

2.1 青稞幼苗中SOD活性變化

隨著NaHCO3脅迫濃度的增加，青稞幼苗葉片中SOD活性呈先降低后增加趨勢(見圖1)，0.4g/L NaHCO3處理的葉中SOD活性最低，比空白對照顯著降低49%(P<0.05)；1.6～6.4 g/L NaHCO3處理的葉中SOD活性顯著增加，比對照增加30.1%～51.27%(P<0.05).

隨著NaHCO3濃度的增加，青稞幼苗根中的SOD的活性呈先增加后降低趨勢(見圖2)，0.2、0.4、1.6 g/L NaHCO3處理下，根中SOD活性與對照無差異；在0.8 g/L NaHCO3處理下，根中SOD活性達到最大值，比對照顯著增加1.22倍(P<0.05)；3.2～6.4 g/L NaHCO3處理下，根中SOD活性比對照顯著降低14.48%～52.19%(P<0.05).青稞幼苗在低濃度 0.2～0.4 g/L NaHCO3下，葉中SOD活性下降，根中SOD活性增加；在高濃度 1.6-6.4 g/L NaHCO3下，葉中SOD活性升高，根中SOD活性減小.

注：不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著有統(tǒng)計學意義(P<0.05)(下圖同)

2.2 青稞幼苗POD活性變化

隨著NaHCO3脅迫濃度的增加，青稞幼苗葉中POD活性呈先降低后升高趨勢(圖3)，在0.2g/L NaHCO3處理下，葉中POD活性最低，比對照顯著降低32.5%(P<0.05)；0.8～6.4g/L NaHCO3處理下，葉中POD活性顯著增加，比對照增加35.13%～70.745%(P<0.05).

隨著NaHCO3脅迫濃度的增加，青稞幼苗根中POD活性也是呈先降低后升高趨勢(圖4)，在0.2g/L、0.4g/L NaHCO3處理下，根中POD活性分別比對照顯著降低28.14%、18.32%(P<0.05)；1.6～6.4g/L NaHCO3處理下，根中POD活性顯著增加，比對照增加0.63～1.05倍(P<0.05).高濃度NaHCO3處理下幼苗根中POD活性增加的幅度大于葉中增加的幅度，表明根中POD對NaHCO3脅迫更敏感.

2.3 青稞幼苗CAT活性變化

隨著NaHCO3脅迫濃度的增加，青稞幼苗葉中CAT活性呈先增加后降低趨勢(圖5)，在0.2～1.6g/L NaHCO3處理下，葉中CAT活性顯著增加，比對照增加0.47～1.06倍(P<0.05)；3.2～6.4g/L NaHCO3處理下，葉中CAT活性與對照沒有差異.

隨著NaHCO3脅迫濃度的增加，青稞幼苗根中CAT活性呈降低趨勢(圖6)，在0.2～0.4g/L NaHCO3處理下，根中CAT活性與對照無差異；在0.8～6.4g/L NaHCO3處理下，根中CAT活性顯著降低，比對照減少34.55%～46.07%(P<0.05).高濃度NaHCO3處理下幼苗根中CAT活性顯著降低，表明根中CAT較葉中CAT損傷嚴重.

2.4 青稞幼苗APX活性變化

隨著NaHCO3脅迫濃度的增加，青稞幼苗葉和根中APX活性呈降低趨勢(圖7和圖8)，0.2～0.4g/L NaHCO3處理下，葉中APX活性與對照沒有顯著差異；在0.8～6.4 g/L NaHCO3處理下，葉中APX活性顯著降低，比對照降低39.38%～55.63%(P<0.05).在0.2～6.4g/L NaHCO3處理下，根中APX活性降低，比對照顯著減少27.54%～65.22%(P<0.05).在高濃度NaHCO3處理下，青稞幼苗葉和根中APX活性降低，可能是APX高級結(jié)構(gòu)被損傷或破壞，進而影響了APX活性.

2.5 青稞幼苗可溶性蛋白含量的變化

隨著NaHCO3脅迫濃度的增加，青稞幼苗葉中可溶性蛋白質(zhì)含量呈增加趨勢(圖9)，0.2～0.8 g/L NaHCO3處理下，葉中可溶性蛋白質(zhì)含量與對照沒有顯著差異；在1.6～6.4 g/L NaHCO3處理下，葉中可溶性蛋白質(zhì)含量顯著增加，比對照增加27.46%～34.34%(P<0.05).

青稞幼苗根中可溶性蛋白質(zhì)含量呈先降低后增加趨勢(圖10)，在0.2 g/L NaHCO3處理下，根中可溶性蛋白質(zhì)含量顯著降低，比對照降低22.70%(P<0.05)；在0.4～1.6 g/L NaHCO3處理下，根中可溶性蛋白質(zhì)含量與對照沒有顯著差異；在3.2～6.4 g/L NaHCO3處理下，根中可溶性蛋白質(zhì)含量顯著增加，比對照增加44.27%～59.77%(P<0.05).表明高濃度的NaHCO3處理下幼苗中可溶性蛋白含量增加.

3 討論

3.1 植物逆境下SOD活性的影響

POD、SOD和CAT是植物細胞膜系統(tǒng)的保護酶，能夠在植物受到脅迫時增強酶活性并加快對活性氧的消除，從而起到保護植物細胞結(jié)構(gòu)的作用[21,22].在本研究中，隨著NaHCO3濃度的增加，青稞葉片中SOD的活性先降低后增加，高濃度NaHCO3促進幼苗葉片細胞內(nèi)SOD活性增加，提高了清除自由基的能力，從而緩解了NaHCO3脅迫對青稞葉中氧化傷害作用；根中SOD活性降低，高濃度NaHCO3影響和破壞了根中SOD的結(jié)構(gòu)和功能，所以酶活性下降.可能原因是高濃度NaHCO3沒有影響到葉中SOD的結(jié)構(gòu)，但是影響了根中SOD結(jié)構(gòu).

3.2 植物逆境下POD活性的影響

SOD與其他過氧化物酶的協(xié)同作用能夠抵御其他活性氧或過氧化物自由基對植物細胞分子物質(zhì)的破壞，是植物抵抗逆境脅迫的防御機制之一[23].在逆境條件下，植物細胞體內(nèi)的活性氧和自由基含量升高，POD是植物細胞內(nèi)主要的抗氧化酶，POD活性逐漸增加的原因可能是自由基產(chǎn)生速率低于系統(tǒng)清潔能力，引起POD活性升高.朱金方等[24]認為植物在鹽脅迫下會通過提高 POD 活性來減少鹽脅迫造成的傷害.本研究中隨著NaHCO3處理濃度的增加，青稞幼苗中葉和根中的POD活性逐漸增加，并且在高濃度1.6～6.4g/L NaHCO3處理下，根中POD活性比葉中的增加幅度大，表明高濃度NaHCO3沒有損傷青稞幼苗中POD的高級結(jié)構(gòu)，致使葉和根中POD活性升高.

3.3 植物逆境下CAT、APX活性的影響

由于CAT活性的升高及在清除H2O2的過程中起到主導作用，隨著H2O2的不斷積累，CAT的作用有限，POD活性開始升高，與CAT共同作用以清除細胞中的H2O2等有毒有害物質(zhì)[25].本研究結(jié)果顯示低濃度NaHCO3處理下青稞幼苗中CAT活性增加，在高濃度NaHCO3處理下幼苗CAT活性降低，表明較高濃度0.8～6.4g/L NaHCO3處理下影響了青稞幼苗根中的CAT的高級結(jié)構(gòu)，導致CAT活性顯著降低，但是根中POD活性升高，可進一步清除細胞內(nèi)的H2O2等有害物質(zhì).本研究中，低濃度和高濃度NaHCO3處理都嚴重影響了幼苗根中APX的結(jié)構(gòu)和功能，濃度越高影響越嚴重.

尚培培等[26]認為高粱幼苗受到混合堿脅迫后，體內(nèi)脯氨酸、蛋白質(zhì)、可溶性糖和氨基酸的含量隨堿濃度的增加而增加.燕麥、小麥、玉米等農(nóng)作物在遭受鹽脅迫時可積累Pro和可溶性蛋白來維持正常的生命活動，說明可溶性蛋白質(zhì)和可溶性糖是隨著NaHCO3濃度的增加而增加，所以呈現(xiàn)的是一個升高的趨勢[27，28].本研究中隨著NaHCO3處理濃度的增加，青稞幼苗葉和根中蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度增加，與以上研究結(jié)果一致.

4 結(jié)論

(1)低濃度NaHCO3處理下青稞幼苗葉和根中SOD活性降低或不變，高濃度處理下葉中SOD活性顯著增加,根中SOD活性降低.

(2)高濃度處理下，青稞幼苗葉和根中POD活性顯著增加、根中CAT活性顯著降低.

(3)低濃度和高濃度NaHCO3處理下，幼苗葉和根中APX活性降低、可溶性蛋白含量增加.