PEG脅迫對不同地理種源沙拐棗生理特性的影響

邱真靜,李毅,種培芳

(甘肅農業大學林學院,甘肅 蘭州730070)

沙拐棗(Calligonum mongolicum)為蓼科(Polygonaceae)沙拐棗屬(Calligonum)落葉灌木,分布于亞洲中部荒漠地區,主要在荒漠地帶并滲入草原化荒漠及荒漠化草原,具有抗風蝕、耐沙埋、耐沙割、抗干旱、耐貧瘠及枝條茂密,萌蘗力強,根系發達等特性,能在極端嚴酷的干旱荒漠區生長,是沙質荒漠的重要建群種之一[1]。目前,對沙拐棗已有一些研究,包括引種栽培技術[2],幼苗生長特性[3],DNA提取方法改進及PCR擴增檢測[4]等。陶玲等[5]對沙拐棗屬紅皮沙拐棗和頭狀沙拐棗種子吸水變化規律進行了研究,張孝仁和徐先英[6]對沙拐棗屬不同種造林后的成活生長狀況、抗旱性水分生理指標及抗風蝕性能進行了比較試驗研究,但有關水分脅迫處理對同種不同地理種源沙拐棗抗旱生理特性研究還鮮見報道。

眾所周知,水分是構成植物的必要成分,也是植物賴以生存必不可少的物質基礎。在水分脅迫下,植物會產生一系列的生理生化響應,從而影響植物的生長發育[7]。有關水分脅迫下植物的生理響應[8,9]以及耐旱性[10]已作了大量的研究。甘肅大部分地區干旱少雨且蒸發量大,平均降水為300 mm左右,大致從東南向西北降低。隨著從東向西降水量的減少,植物體內生理生化反應勢必不同。近幾十年來,越來越多的人認為,用PEG模擬植物干旱逆境是可行的,通過隨機標記的14C方法確定了PEG4000～10000能模擬干旱逆境的原因是其可阻塞植物的輸導組織[11,12]。在PEG滲透脅迫下,勢必引起植物體內一系列的生理生化反應,以增強植物體的抗旱能力[13]。本試驗就利用不同濃度的PEG-6000溶液進行浸根培養,造成滲透脅迫條件,對甘肅不同地理種源沙拐棗幼苗進行不同濃度、不同時間PEG的滲透脅迫處理,研究沙拐棗幼苗的滲透調節物質、丙二醛含量、超氧化物歧化酶等生理生化指標的變化,探討這些因子在滲透脅迫時發生變化的規律,旨在探討滲透脅迫對沙拐棗的傷害機理及沙拐棗自身的抗逆機制,同時對不同地理種源沙拐棗抗旱性進行比較,從而為干旱等逆境下沙拐棗的培育提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗以武威、張掖和酒泉沙拐棗幼苗為材料,種子均是2008年8月底在各地采集的。各采種地水熱條件列于表1中。

1.2 幼苗的培養

種源育苗試驗點在武威市林基中心溫室。該中心位于103.16°E、38.41°N,年均溫7.8℃,7月均溫23℃,1月均溫-10℃,年均降水量190 mm;溫室內溫度25℃,濕度75%,于2009年2月播種,挑選籽粒飽滿無病蟲害的種子,在20℃的蒸餾水中浸泡24 h,然后均勻地播種在盛有砂質土壤的塑料培育缽中,播種后定時定量澆水,灌水量宜少,自然光照,在18～25℃的室溫下培養。待幼苗苗齡3個月,苗高15 cm左右時,選取生長一致的幼苗,洗凈根系上的泥土,吸干根系上的水分,每個種源沙拐棗取150顆幼苗,平均取30顆放入5%,10%,15%,20%的PEG-6000培養液(用蒸餾水配制)進行滲透脅迫處理,分別處理12,24,48,72 h,取幼苗同化枝進行各項生理指標測定,對照(CK)采用蒸餾水處理,各試驗重復3次。

表1 研究區域水熱條件Table 1 Hydrothermal situation at the selected region

1.3 相關指標測定方法

脯氨酸(proline,Pro)含量采用茚三酮比色法[14]測定;可溶性糖(soluble sugar,SS)含量采用蒽酮比色法[15]測定;丙二醛(malondehyde,MDA)含量采用硫代巴比妥酸法[14]測定;超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性采用氮藍四唑法[14]測定;過氧化物酶(peroxide enzyme,POD)活性采用愈創木酚比色法[14]測定。

1.4 統計分析

采用Excel 2003與SPSS 12.0軟件進行方差分析和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 PEG脅迫對不同地理種源沙拐棗脯氨酸含量的影響

脯氨酸是植物體內重要的滲透調節物質,滲透脅迫導致脯氨酸在幼苗中大量積累(圖1),隨PEG脅迫時間的延長,3個不同地理種源脯氨酸積累量均呈上升的趨勢。各處理值均高于CK,且各處理間差異顯著(P<0.05)。隨著滲透脅迫程度的加重,到72 h時3個種源沙拐棗脯氨酸含量累積達最大值,其中10%濃度PEG對沙拐棗脯氨酸積累作用最明顯,武威、張掖、酒泉沙拐棗脯氨酸積累分別是CK的16.50,11.23和14.49倍。相同脅迫下,武威沙拐棗葉片的脯氨酸含量增加幅度最大,酒泉次之,張掖沙拐棗增加幅度最小。

2.2 PEG脅迫對不同地理種源沙拐棗可溶性糖含量的影響

可溶性糖是一種有效的滲透調節保護劑,在整個脅迫過程中,3個地理種源沙拐棗幼苗在4個不同濃度處理下可溶性糖含量均呈先上升后降低、再上升的趨勢(圖2),各處理的可溶性糖含量均顯著高于CK,且各處理間差異顯著(P<0.05),3個種源沙拐棗幼苗可溶性糖含量均在脅迫72 h達到最大值,且均是20%脅迫處理下達最大,武威、張掖、酒泉沙拐棗在20%脅迫處理72 h時,可溶性糖累積量分別是CK的2.82,5.02和6.26倍。相同脅迫下,酒泉沙拐棗幼苗可溶性糖含量增加幅度最大,張掖次之,而武威沙拐棗增加幅度最小。

圖1 PEG脅迫對不同地理種源沙拐棗脯氨酸含量的影響Fig.1 Effect of osmotic stress with PEG on Pro content of C.mongolicum in different geographical provenance

圖2 PEG脅迫對不同地理種源沙拐棗可溶性糖含量的影響Fig.2 Effect of osmotic stress with PEG on soluble sugar content of C.mongolicum in different geographical provenance

2.3 PEG脅迫對不同地理種源沙拐棗丙二醛含量的影響

3個地理種源沙拐棗幼苗細胞膜透性在PEG脅迫下均有顯著升高(圖3),各處理均隨著處理時間延長呈先上升后降低再上升的趨勢。丙二醛含量在脅迫72 h,20%脅迫處理下達最大值,武威、張掖、酒泉分別是CK的3.74,3.40和3.33倍。相同脅迫下,武威沙拐棗幼苗的MDA含量增加幅度最大,張掖次之,酒泉沙拐棗增加幅度最小。

圖3 PEG脅迫對不同地理種源沙拐棗丙二醛含量的影響Fig.3 Effect of osmotic stress with PEG on MDA content of C.mongolicum in different geographical provenance

2.4 PEG脅迫對不同地理種源沙拐棗超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響

3個不同地理種源沙拐棗幼苗同化枝SOD活性隨脅迫時間的延長呈升高—降低—升高—降低的趨勢(圖4),這是其對脅迫時間的適應性表現。在48 h時,各濃度處理的沙拐棗幼苗SOD活性達峰值,而不同濃度的PEG脅迫處理對不同地理種源沙拐棗的影響卻不一樣,張掖,酒泉的沙拐棗均是10%PEG處理48 h時SOD值最大,分別是CK的3.20和2.48倍。而武威沙拐棗則是15%PEG處理48 h時達到最大值,是CK的4.30倍,且各處理間差異顯著(P<0.05)。適度水分脅迫能增強SOD活性,即增加葉片清除自由基的能力,這是植物細胞對外界脅迫條件的一種適應性反應。但是,當水分脅迫程度過大,自由基產生與清除平衡失調時,就會導致SOD酶活性的降低。相同滲透脅迫下武威沙拐棗SOD活性顯著高于同期的張掖及酒泉沙拐棗,武威沙拐棗SOD活性增加幅度最大,張掖次之,酒泉沙拐棗SOD活性增加幅度最小。

圖4 PEG脅迫對不同地理種源沙拐棗S OD活性的影響Fig.4 Effect of osmotic stress with PEG on SOD activity of C.mongolicum in different geographical provenance

2.5 PEG脅迫對不同地理種源沙拐棗過氧化物酶(POD)活性的影響

隨著脅迫時間的延長,不同地理種源沙拐棗POD活性呈相似先升高后降低的趨勢(圖5),并且在24 h均達到峰值,且各處理間差異顯著(P<0.05)。不同濃度PEG脅迫處理對不同地理種源沙拐棗的影響卻不一樣,武威、張掖沙拐棗均是10%PEG處理24 h時POD活性最大,分別是CK的5.80和3.02倍。而酒泉沙拐棗則是5%PEG處理24 h時達到最大值,是CK的7.82倍。酒泉沙拐棗POD活性的增加幅度最大,武威次之,張掖最小。

圖5 PEG脅迫對不同地理種源沙拐棗POD活性的影響Fig.5 Effect of osmotic stress with PEG on PODactivity of C.mongolicum in different geographical provenance

2.6 各生理指標相關性分析

Pro含量與MDA含量呈正相關關系(表2),與SOD活性呈負相關關系,與POD活性呈負相關關系。可溶性糖含量與MDA含量呈正相關關系,MDA含量與SOD活性呈負相關關系,與POD呈正相關關系。SOD活性與POD活性呈負相關關系。

表2 PEG滲透脅迫下3個地理種源沙拐棗各生理指標的相關性分析Table 2 Correlation analysis of C.mongolicum in three of geographic provenances under PEG osmotic stress

3 討論

3.1 沙拐棗對滲透脅迫的反應

在水分脅迫下,植物通過增加細胞內溶質,比如Pro和可溶性糖進行滲透調節被認為是一種抵抗水分脅迫的有效途徑。Pro是植物體內一種重要的氨基酸,當植物受到干旱脅迫時,可作為植物的滲透劑,參與植物的滲透調節作用[16]。本試驗中,Pro含量隨脅迫時間的延長而逐漸上升,與王齊等[17]的研究結果一致。曹儀植[18]認為,抗旱性強的品種即使在脅迫120 h的情況下仍呈上升趨勢,鑒于此,本試驗中Pro在前48 h積累平緩,而在72 h才急劇上升,說明這3個不同地理種源的沙拐棗具有較強的抗旱性。

不同程度的滲透脅迫處理條件下,Pro與可溶性糖變化規律有相似之處,同時也存在一定的差異性:相同的是各處理的Pro與可溶性糖含量均隨脅迫進程而增加。不同的是,Pro在中度脅迫下積累最大,而可溶性糖含量在重度脅迫下最大,因此3個種源的Pro均是在10%的脅迫處理下其積累量最大,而可溶性糖含量則是在20%的脅迫處理下積累量最大。在脅迫12 h時Pro的積累不明顯,而可溶性糖含量在脅迫12 h時大量積累可能是對Pro累積不明顯的補償作用。

當植物組織處于嚴重脅迫狀態時,細胞中活性氧會大量積累,生成具有強氧化性的脂質過氧化物和各種小分子的降解產物,其中以MDA濃度增高最為顯著,因此,MDA的濃度是檢測植物膜傷害的一個重要指標[19]。不同地理種源沙拐棗MDA含量呈相似變化,MDA含量并非隨時間的延長而持續增加,其間MDA含量有一個下降過程,各處理水平均隨著處理時間延長呈先上升后降低的趨勢,可能是脅迫期間自我保護調節的結果。本研究表明,在PEG脅迫下,3個不同地理種源的沙拐棗MDA含量都有所增加,說明3個地理種源沙拐棗的細胞膜系統不同程度地受到了傷害。

研究表明,超氧化物歧化酶(SOD)活性的高低是植物抗旱性的重要指標,是重要的自由基清除劑之一,是抵御活性氧傷害的“第1道防線”,在生物細胞保持正常的生長發育中發揮著重要的作用[20]。從3個不同地理種源沙拐棗內保護酶活性的變化及SOD活性的高低可以看出,沙拐棗幼苗具有較強的抵御活性氧傷害的能力。過氧化物酶(POD)是植物體內的一種保護酶,是與衰老有關的一種酶,在植物體內的作用具有非專一性,它既與膜脂過氧化有關,又可以清除細胞體產生較少的O2-,與植物的抗逆能力密切相關[21]。本試驗中,不同保護酶在不同程度干旱脅迫下的活性變化有所不同,但在脅迫處理達到一定程度時,活性較對照都有明顯增加的趨勢。祈娟等[22]認為,SOD和POD形成明顯的互補,說明2種酶在清除植物體內自由基時可相互補充和協調,保護植物免受環境傷害。試驗結果表明,SOD活性隨著脅迫程度的加劇和時間的延長經歷了“雙峰”變化,在48 h時達到峰值,而在24 h時活性最小,而POD活性則呈先升高再下降的趨勢,且在24 h達到峰值,這也是2種保護酶互補的表現。有研究表明,輕度干旱脅迫可以激活植物體內酶促系統,促進酶活性的提高,而重度脅迫則導致這些保護酶活性下降,其變化與干旱程度正相關[23,24]。試驗結果表明在相同時間內,高濃度的PEG脅迫下,SOD、POD活性變化的幅度也低于低濃度脅迫,說明植物體內保護酶系統的活力和平衡受到破壞,使活性氧累積、啟動并加劇膜脂過氧化而造成整體膜的損傷。

有報道,MDA含量的高低與細胞膜的傷害程度呈正相關關系[25],樺樹(Betula platyphylla)MDA含量與SOD酶活性呈負相關關系[26],桐花樹(Aegiceras corniculata)幼苗葉片SOD活性與MDA含量呈負相關關系[27],鄭海雷和林鵬[28]在研究鹽度對桐花樹根莖葉膜保護系統的影響時也發現,SOD活性與MDA含量呈負相關關系。戴高興等[29]在研究干旱對水稻(Oryza sativa)幼苗MDA、Pro含量和SOD活性影響時發現Pro含量與SOD活性呈負相關關系。在干旱脅迫下,可溶性糖[30,31]等滲透調節物質含量增加,并且與脅迫的程度呈正相關關系,3個種源各指標的相關性與前人研究結果基本一致。

3.2 不同地理種源沙拐棗耐旱性差異

植物對干旱的反應取決于其生存的環境條件及水分脅迫的時間和強度[32],很多植物對干旱表現出適應特征。本試驗所研究的3個不同地理種源沙拐棗分布在甘肅境內年均降水量、年均蒸發量、年均大氣相對濕度,年均氣溫等存在差異的地區(表1)。試驗表明,3個不同地理種源沙拐棗對干旱脅迫的反應也明顯不同。武威沙拐棗Pro積累量最大,脅迫初期脯氨酸積累的反應也最快,而可溶性糖含量的累積最低,是Pro與可溶性糖協同作用的結果。SOD、POD上升最快,說明保護酶系統對滲透脅迫反應快,SOD活性變化幅度及變化速度大于張掖、酒泉沙拐棗,POD活性變化幅度大于張掖沙拐棗。張掖沙拐棗Pro積累量及增加幅度最低,POD增加幅度也最低,但SOD增加幅度大于酒泉沙拐棗。酒泉沙拐棗POD活性反應慢,但后期維持較高的POD活性,其增加幅度最大,但SOD增加幅度卻小于另外2個種源,Pro的積累量及增加幅度最小,積累慢,而可溶性糖積累幅度最大。保護酶活性較高的種源,其MDA含量較低,但也有例外,武威沙拐棗的酶活變化速度明顯高于張掖和酒泉,變化幅度也大于張掖沙拐棗,而在整個脅迫中張掖沙拐棗MDA含量及變化幅度均小于其他2個種源,說明其膜受傷害程度小。

總之,植物對干旱的抗性是一個由各種因素相互作用、非常復雜的數量性狀,受多基因控制[33]。這些結果說明,不同種源沙拐棗幼苗的生理特性對不同水分脅迫表現出不同生理適應,且隨水分脅迫的變化存在差異。延長試驗時間,并結合測定各種源的光合、熒光特性是進一步研究中必須考慮的問題。

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