水分脅迫對大巖桐生理生化指標的影響

王存綱，郭 麗

(1．鶴壁職業技術學院，河南 鶴壁 458030;2．河南農業職業學院，河南 鄭州 475470)

大巖桐原產南美洲巴西的熱帶雨林，屬于溫室盆栽球根花卉。將試驗獲得的大巖桐組培苗利用聚乙二醇 (PEG-6000，以下簡稱 PEG)人工模擬干旱條件，從生理的角度對其抗旱性進行研究，測定葉綠素、膜透性等生理生化指標的變化。

1 材料與方法

1.1 供試材料

重瓣大巖桐品種由西南大學園藝園林學院花卉實驗室保存。

1.2 供試材料的培養與處理

將生長均勻的大巖桐不定芽接種于1/2MS固體培養基上，在24～26℃，光照16 h·d－1，光強1 500～2 000 lx條件下培養。

當生長均勻的組培苗長出大量根系時，將其上部的培養基洗凈放入干凈的培養瓶中，分別加入20 mL濃度分別為5%，15%，25%，35%的PEG進行根際水分脅迫處理24 h，以去離子水為對照，重復3次。

均勻剪取組培苗葉片，用去離子水沖洗干凈，再用干凈吸水紙吸干，混勻稱重，進行葉綠素含量(參考高俊鳳［1］方法)、丙二醛 (MDA)含量 (硫代巴比妥酸顯色法［2］)、電導率 (電導儀法［3］，用相對電導率表示)和過氧化物酶 (POD)活性(愈創木酚比色法［1－3］)測定。

2 結果與分析

2.1 不同PEG濃度處理對抗旱性的影響

24～26℃組培室培養的大巖桐在40%PEG處理24 h，葉片完全干枯。因此試驗設 PEG 5%，15%，25%，35%不同處理濃度。35%處理使受試植株幾乎全部失水死亡，在5%時部分植株葉片就發生萎蔫，甚至死亡。這表明大巖桐植株對干旱非常敏感。

2.2 不同PEG濃度處理對葉綠素的影響

葉片葉綠素含量與光合作用密切相關。葉綠素含量的測定無論是在生理、品種選育及抗性研究等方面都很有必要，其含量多少直接影響葉片的光合能力。

從圖1可知，不同PEG濃度處理下，葉綠素含量隨著PEG濃度的增大而降低，5%PEG處理與對照差異不顯著，比對照含量減少了0.86%;25.0%PEG處理比對照含量少了19.6%，35.0%PEG濃度處理比對照含量減少了近1/2。這可能是由于在各種逆境脅迫下，植物光合作用呈現出下降的趨勢，同化產物供應減少，如干旱、寒冷、高溫等均可使葉綠素含量下降，光合作用酶活性下降，鈍化或氣孔關閉，造成CO2供應不足而使光合速率下降，同化物形成減少，葉綠素含量下降。

圖1 不同濃度PEG對幼苗葉綠素含量的影響

2.3 不同PEG濃度處理對MDA的影響

MDA是植物脂質過氧化的產物，是檢測植物膜傷害的一個重要的指標，其含量可以表示脂膜過氧化的程度。

從圖2看出，隨PEG濃度的增大，大巖桐葉片細胞內MDA含量的變化幅度有較大差異。在5%，15%，25%濃度處理后，MDA比對照分別增加48.6%，108.0%和201.5%，而35%濃度處理后，MDA比對照增加325.5%。MDA含量的變化在一定程度上反映了大巖桐對水分脅迫敏感程度的差異。

圖2 不同濃度PEG對幼苗MDA含量的影響

2.4 不同PEG濃度處理對相對電導率的影響

植物細胞膜對維持細胞的微環境和正常的代謝起著重要的作用。正常情況下，細胞膜具有選擇透性。當植物受到逆境脅迫影響時，如干旱和鹽脅迫下，細胞膜遭到破壞，膜透性增大，從而使細胞內的電解質外滲，使植物細胞浸提液的電導率增大。因此，質膜透性的變化是植物細胞結構和功能完整性的可靠指標［4］。

在PEG滲透脅迫下，大巖桐幼苗膜透性隨著PEG濃度的增加而呈上升趨勢 (圖 3)。5%，15%，25%，35%PEG濃度處理后，相對電導率比對照分別增加 6.3%，12.5%，146.9%和259.4%。

在5%，15%PEG濃度處理下，與對照相比差異不是太大，但25%，35%PEG濃度處理下，相對電導率與對照相比發生極顯著變化，出現了急劇升高，說明在PEG滲透脅迫下，大巖桐幼苗細胞受到了一定的傷害，而且滲透脅迫強度越大，受到的傷害越嚴重。

圖3 不同濃度PEG對幼苗相對電導率的影響

2.5 不同PEG濃度處理對POD的影響

正常情況下，由于植物體內存在著活性氧，清除系統細胞內活性氧含量處于動態平衡的狀態，因此不會引起對植物的傷害。植物細胞中活性氧的清除主要是通過有關酶和一些抗氧化物質。細胞的保護酶主要有超氧化物歧化酶 (SOD)、POD、過氧化氫酶 (CAT)等，非酶類的活性氧清除劑包括類胡蘿卜素、Vc、Ve 等［5］。

從圖4可知，不同PEG濃度處理后，POD活性呈先升后降趨勢。5%濃度處理后，POD活性呈上升趨勢，明顯高于對照;15%，25%，35%處理后，POD活性均呈下降趨勢。15%處理雖POD活性高于對照，但卻低于5%處理，35%時POD活性甚至低于對照。所以輕度脅迫能促進POD活性增高，但隨著脅迫強度的增大，酶活性變化呈下降趨勢，可能使其酶系受到破壞。王啟明等［6］研究表明，隨著干旱脅迫天數的增加，大豆酶活性變化趨勢均呈先升后降，達到峰值后迅速下降，說明抗旱機制也僅維持到此而已。

圖4 不同濃度PEG對幼苗POD活性的影響

3 小結和討論

植物遭受逆境脅迫或在衰老的進程中都伴隨細胞膜系統的逐步破壞。Fridovih提出生物自由基傷害是細胞系統破壞的主要原因，認為植物體內大量自由基產生的毒害引發膜脂過氧化作用，從而造成細胞膜系統的破壞［7］;細胞內同時存在清除超氧自由基的保護系統，如CAT，POD和SOD等。水分脅迫造成的膜系統傷害就是由細胞內活性(O－2)的產生與清除的不平衡引起的。植物處于正常水分狀態時，機體原有的各種氧代謝生理過程處于平衡狀態，所產生的氧自由基能夠得到及時的清除;在水分嚴重虧缺的條件下，植物機體各種代謝過程發生紊亂，從各代謝途徑產生的氧自由基增加，機體由于代謝受阻不能及時清除而發生積累。大量積累的氧自由基以強烈的氧化作用誘發細胞膜中的不飽和脂肪酸，其產物是具有強氧化性的脂質過氧化物的各種小分子的降解物，尤其以MDA含量增高最為顯著。因此，植物的抗旱性與活性氧清除酶類的活性密切相關。

關于植物抗旱機理，自由基引起的傷害學說［8－9］已受到人們的廣泛重視，植物機體在正常生理代謝過程中，通過多種途徑產生活性氧(ROS)［10］。ROS是成對電子，其化學性質極其活潑，幾乎可與植物體內全部生物大分子進行反應，破壞這些大分子的活性構象，影響細胞正常代謝［11］。正常情況下，植物體依賴體內 ROS清除系統包括SOD、POD、CAT、甘露醇、甘氨酸、抗壞血酸、類胡蘿卜素等維持自由基生成與清除的動態平衡，但在植物的衰老劣變過程中，特別是當植物處于干旱、鹽害和環境污染等逆境下，體內ROS生成大于清除，ROS的大量積累與膜脂反應造成膜傷害［12－15］。很多試驗證實，輕度水分脅迫后，SOD、POD、CAT 活性有增加趨勢［16－17］。張振鎰等［18］發現，干旱脅迫可提高抗旱玉米葉片細胞保護酶SOD、POD的活性，但隨著干旱脅迫時間延長，玉米葉片細胞保護酶活性不同程度地下降。

本試驗結果表明，干旱脅迫明顯地影響大巖桐組培苗葉片活性氧的產生與活性氧清除系統 (即細胞保護系統)之間的動態平衡。隨著干旱脅迫強度增加，POD活性增大，這是大巖桐組培苗適應干旱的一種應激保護反應。而當水分脅迫強度繼續增大，其活性下降，這是因為在高度的水分虧缺環境下，植物嚴重脫水，POD受到破壞而導致活性降低，有機體內活性氧的產生與清除平衡系統遭到破壞。如在35%PEG濃度處理下，POD活性低于對照。

膜脂過氧化是一個復雜的過程，而MDA含量的高低表示了膜脂過氧化作用的程度［19－20］。本試驗結果表明，在水分脅迫下，O－2和H2O2含量越高，膜脂過氧化的終產物MDA也越高，說明水分脅迫下活性氧的產生和積累是引起MDA含量增加的主要因素。蔣明義等［21］的研究表明，抗旱性強的品種具有較強抗氧化能力，膜脂過氧化程度低;抗旱性弱的品種抗氧化能力較弱，膜脂過氧化程度較高。MDA含量隨水分脅迫濃度增加上升，造成膜傷害，增大細胞膜的透性，引起細胞內物質外滲。細胞液外滲液增加，即表現為電導率增大。干旱對細胞膜的傷害隨著脅迫程度的提高而加大，且脅迫程度越高，電導率就越大［22］。

光合作用是植物代謝的基礎，而葉綠素是光能吸收和轉換的原初物質，因此，影響葉綠素代謝的逆境因素都將直接影響植物的生長發育。植物在遭受水分脅迫時抗旱性強的品種葉綠素含量比抗旱性弱的品種葉綠素含量高，又進一步證明了抗旱性強的品種受傷害程度越小。而在持續水分脅迫下，由于活性氧的產生和清除平衡被打破，盡管植物體內SOD、POD活性上升到較高水平，但 O－2和H2O2仍較快積累，MDA含量持續升高，膜脂過氧化加劇，進而影響光合、呼吸等生理過程，最終影響產量和品質。

大巖桐的抗旱性是個復雜性狀，其適應干旱環境的機理尚不十分清楚，不同生育階段對水分脅迫的響應，活性氧積累誘發植物傷害的最低濃度以及活性氧誘導保護系統的機理等還有待深入研究。

［1］高俊鳳．植物生理學實驗技術 ［M］．楊凌:西北農業大學，2000．

［2］候福林．植物生理學實驗教程 ［M］．北京:北京科學出版社，2004．

［3］李合生．植物生理生化實驗原理與技術 ［M］．北京:高等教育出版社，2000．

［4］王榮華，石雷，湯庚國，等．滲透脅迫對蒙古冰草幼苗保護酶系統的影響 ［J］．植物學通報，2003，20(3):330－335．

［5］姚允聰，曲澤洲，李樹仁．不同澆水處理過程中柿幼樹SOD、CAT和脂質過氧化作用的變化 ［J］．北京農學院學報，1994，9(1):23－27．

［6］王啟明，鄭愛珍，吳詩光．干旱脅迫對花莢期大豆葉片保護酶活性和膜脂過氧化作用的影響 ［J］．安徽農業科學，2006，34(8):1528－1530．

［7］陳洪．木麻黃抗旱生理生化部分特性的研究 ［J］．福建農業大學學報，2000，15(1):48－54．

［8］Bewkey J D．Physiological aspects of desiccation tolerance［J］．Ann Rev Plant Physio，1979，30:195－238．

［9］Dhinsa R S，Wandckayim．Drought tolerance in two mosses:correlated with enzymatic defence against lipid peroxidation［J］．J Exp Bota，1981，32(126):79 －91．

［10］Elster E F，Harald S．Biological socources of free radical［J］．Free Radical in the Enviro，1994，7:13－15．

［11］王建華，劉鴻先．SOD在植物逆境及衰老中的作用 ［J］．植物生理學通訊，1980(1):1－7．

［12］王俊剛，陳國倉，張承烈．水分脅迫對2種生態型蘆葦(phragmites communis)的可溶性蛋白含量 SOD、POD、CAT活性的影響 ［J］．西北植物學報，2002，22(3):561－565．

［13］Smirnoff N．The role of active oxygen in the response of plants to water deficit and desiccation ［J］．New Phytol，1993，125:27－58．

［14］Sigha S，Choudhuri M A．Effect of salinity(NaCl)stress on H2O2metabolism in vigna and oryza seedlings［J］．Biochem Physiol Pflanzen，1990，186:69－74．

［15］Tanaka K， Sugahara K． Role of superoxide dismutase indefence againstSO2toxicity and increase in superoxide dismutase activity with SO2fumigation［J］． PlantCell Physiok，1980，21:601－611．

［16］陳由強．水分脅迫對芒果幼葉細胞活性氧傷害影響 ［J］．生命科學研究，2000，4(1):60－64．

［17］林永英．水分脅迫對青岡葉片活性氧的傷害 ［J］．福建林業大學學報，2002，22(1):1－3．

［18］張振鎰，郭藹光，羅淑萍．水分脅迫對玉米SOD和POD活力及同工酶的影響 ［J］．西南農業大學學報，1989，17(1):45－49．

［19］唐連順，李廣敏．干旱對玉米雜交種及其親本自交系幼苗膜脂過氧化及其保護酶活性的影響 ［J］．作物學報，1995，21(4):409－512．

［20］蔣明義，郭紹川．滲透脅迫下稻苗中鐵催化的膜脂過氧化作用 ［J］．植物生理學報，1996，22(1):6－12．

［21］蔣明義，楊文英，徐江，等．滲透脅迫誘導水稻幼苗的氧化傷害 ［J］．作物學報，1994，20(4):733－738．

［22］李培英．優良草坪草研究 ［M］．北京:北京農業出版社，2001．