干旱脅迫對青海野生中國沙棘生理特性及保護酶活性的影響

摘要：以青海野生中國沙棘（Hippophae rhamnoides subsp. sinensis）的盆栽苗為材料，研究了不同程度干旱脅迫處理對葉片生理指標以及保護酶活性的影響。結(jié)果表明，隨著干旱脅迫程度的加劇，青海野生中國沙棘葉片的相對含水量呈逐漸降低的趨勢，而膜透性和丙二醛（MDA）含量則呈逐漸上升的趨勢，但膜透性從對照到輕度脅迫和從輕度脅迫到中度脅迫分別僅增加了2.687和2.695個百分點；多重比較結(jié)果顯示，輕度脅迫和中度脅迫下青海野生中國沙棘的葉片相對含水量以及MDA含量差異不顯著；干旱脅迫下青海野生中國沙棘葉片的過氧化氫酶（CAT）活性隨著脅迫程度的加劇呈上升的趨勢，而過氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）活性均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢。干旱脅迫下青海野生中國沙棘通過3種保護酶的協(xié)同調(diào)節(jié)，迅速對干旱脅迫做出生理響應(yīng)，以維持細胞的相對含水量和膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，說明干旱脅迫下青海野生中國沙棘具有很強的抗旱保水能力。

關(guān)鍵詞：野生中國沙棘（Hippophae rhamnoides subsp. sinensis）；干旱脅迫；生理指標；保護酶活性

中圖分類號：S793.6；Q945 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）23-5771-05

自然條件下植物往往因干旱、鹽堿、低溫等逆境而不能充分發(fā)揮其遺傳潛力，其中干旱是影響植物生長發(fā)育最主要的因子[1，2]，水分條件的改變往往導(dǎo)致植物生長發(fā)育狀況的改變，加之地球上有1/3以上面積的土地屬于干旱、半干旱[3]，因此，植物響應(yīng)干旱脅迫的生理生化機制以及干旱脅迫對植物生長發(fā)育的影響相關(guān)的研究長期以來備受重視。

沙棘（Hippophae rhamnoides L.）作為干旱半干旱地區(qū)水土保持的先鋒樹種，其極強的抗旱性使很多學(xué)者對沙棘在干旱脅迫下的適應(yīng)機制進行了大量研究，研究的內(nèi)容主要集中在干旱脅迫下沙棘的形態(tài)結(jié)構(gòu)[4]、蒸騰作用[5-7]、光合生理[6-8]、水分生理[9]、膜透性及滲透調(diào)節(jié)[10-12]以及保護酶活性等方面[13，14]。青藏高原是沙棘的起源地，青海則是沙棘資源的重要分布區(qū)，沙棘資源幾乎遍布青海省海拔2 500 m以上的山坡、山溝、河流兩岸[15]。青海極端的生態(tài)環(huán)境使分布于該區(qū)的野生中國沙棘（Hippophae rhamnoides subsp. sinensis）往往具有極強的生態(tài)適應(yīng)性，從而在生態(tài)環(huán)境地位尤其重要的三江源區(qū)的水土保持、生態(tài)環(huán)境的改善方面起到了極其顯著的作用。但目前為止關(guān)于青海野生中國沙棘在干旱脅迫下的抗旱生理指標及保護酶活性的研究未見報道。此研究旨在通過對干旱脅迫下青海野生中國沙棘的抗旱生理指標以及保護酶活性的研究，為培育優(yōu)良抗旱沙棘品種奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試野生中國沙棘的種子采自青海省大通縣。供試土壤為園土，按泥炭與園土1∶2（m/m）的比例加入泥炭，混勻，烘干法測定其田間持水量為38.13%。

1.2 干旱脅迫處理

試驗地設(shè)在青海省瑪可河苗木基地育苗大棚中。2012年3月底取前一年采集的野生中國沙棘種子，經(jīng)催芽處理后播種到30 cm（高）×25 cm（內(nèi)徑）的花盆中，在苗木生長期間保持充足的水分供應(yīng)。待野生中國沙棘苗長到20 cm時開始控水處理，分別將土壤含水量保持在田間持水量的15%～20%（重度脅迫）、35%～40%（中度脅迫）、55%～60%（輕度脅迫）和75%～80%（對照），每處理4次重復(fù)，采用稱重法控制土壤含水量。開始脅迫處理以后每隔1 d用電子天平稱重并補差，維持各處理土壤含水量。脅迫處理30 d后選取各處理下長勢一致的野生中國沙棘苗用于試驗。

1.3 指標測定方法

葉片相對含水量采用烘干法測定[16]，細胞膜相對透性采用電導(dǎo)儀法測定，丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法測定[17]，過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外吸收法測定[18]，過氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法測定，超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍四唑（NBT）法測定[16]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS 16.0軟件進行處理及統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下青海野生中國沙棘生理指標的變化

2.1.1 相對含水量的變化 相對含水量可作為比較植物保水能力及推算需水程度的指標，不同干旱脅迫處理下青海野生中國沙棘的葉片相對含水量的變化見圖1。從圖1可以看出，隨著干旱脅迫強度的增加，青海野生中國沙棘葉片含水量呈逐漸下降的趨勢，重度脅迫時相對含水量最低。多重比較結(jié)果（表1）顯示，各處理間相對含水量除輕度脅迫和中度脅迫間無顯著差異外，其余處理間都差異顯著（P<0.05）。重度干旱脅迫下的青海野生中國沙棘葉片相對含水量為76.55%，與對照相比下降了7.99個百分點，而輕度脅迫和中度脅迫下的青海野生中國沙棘葉片相對含水量與對照相比僅分別下降了3.56和4.56個百分點，說明干旱脅迫下青海野生中國沙棘具有很強的保水能力。

2.1.2 膜透性的變化 不同干旱脅迫處理下青海野生中國沙棘葉片膜透性變化見圖2。由圖2可知，隨著干旱脅迫程度的加重，青海野生中國沙棘葉片的細胞膜透性呈增加的趨勢，說明干旱脅迫下青海野生中國沙棘葉片的細胞膜都受到了一定程度的傷害。從變化趨勢來看，在中度脅迫以前，隨著脅迫程度的加大，青海野生中國沙棘葉片的膜透性呈緩慢上升的趨勢，從CK到輕度脅迫和從輕度脅迫到中度脅迫分別增加了2.687和2.695個百分點，說明在輕度和中度脅迫下青海野生中國沙棘葉片的細胞膜損傷相對較小；但從中度脅迫到重度脅迫，細胞膜透性有了較大程度的上升，說明此時葉片細胞膜的損傷程度有所增加。多重比較結(jié)果（表1）顯示，不同處理下青海野生中國沙棘葉片細胞膜透性差異顯著（P<0.05）。

2.1.3 MDA含量的變化 不同干旱脅迫處理下青海野生中國沙棘的葉片MDA含量變化見圖3。由圖3可以看出，隨著干旱脅迫程度的加重，青海野生中國沙棘葉片中MDA含量呈逐漸上升的趨勢，但輕度脅迫和中度脅迫下的MDA含量與CK相比差異很小。多重比較結(jié)果（表1）顯示，輕度脅迫和中度脅迫下青海野生中國沙棘的MDA含量差異不顯著；從中度脅迫到重度脅迫，青海野生中國沙棘的MDA含量上升較快，且重度脅迫下的MDA含量與其他幾個處理相比差異顯著（P<0.05），說明在重度脅迫下青海野生中國沙棘的葉片細胞膜受到了一定程度的傷害。

2.2 干旱脅迫下青海野生中國沙棘保護酶活性的變化

2.2.1 CAT活性的變化 不同干旱脅迫處理下青海野生中國沙棘的葉片CAT活性變化見圖4。由圖4可知，隨著干旱脅迫的加重，CAT活性呈逐漸增強的趨勢，其中，從CK到中度脅迫CAT活性增加較大，但從中度脅迫到重度脅迫CAT活性雖呈增加的趨勢，但增加的幅度較小，僅為0.72 U/（g·min）。

2.2.2 POD活性的變化 不同干旱脅迫處理下青海野生中國沙棘葉片POD活性的變化見圖5。由圖5可見，隨著干旱脅迫的加重，POD活性呈先上升后下降的趨勢，其中在中度脅迫下達到最大值，為1.182 3 U/（g·min）。多重比較結(jié)果（表1）顯示，不同干旱脅迫下的各處理POD活性差異顯著（P<0.05）。

2.2.3 SOD活性的變化 不同干旱脅迫處理下青海野生中國沙棘葉片的SOD活性變化見圖6。由圖6可知，隨著干旱脅迫的加重，在CK與輕度脅迫間，青海野生中國沙棘葉片SOD活性急劇增加，SOD活性在輕度脅迫下達到最大值，為240.41 U/g，從輕度脅迫到重度脅迫時又呈逐漸降低的趨勢。多重比較結(jié)果（表1）顯示，除輕度脅迫與中度脅迫間青海野生中國沙棘葉片的SOD活性差異不顯著外，其余處理間差異均顯著（P<0.05）。

3 小結(jié)與討論

3.1 干旱脅迫對青海野生中國沙棘生理指標的影響

遭受干旱脅迫時植物葉片相對含水量直接反映了其在干旱脅迫下的葉片水分缺失程度以及是能否維持生長的重要指標[19]。干旱脅迫下耐旱植物的葉片相對含水量下降的速度與不耐旱植物相比相對較慢，從而使耐旱植物在干旱的環(huán)境條件下依然能夠維持體內(nèi)正常的生理生化活動[20]。隨著干旱脅迫的加劇，青海野生中國沙棘的相對含水量相應(yīng)地降低，但降低的幅度很小，可見干旱脅迫下青海野生中國沙棘具有很強的抗旱保水能力。

正常環(huán)境下植物體內(nèi)氧自由基的產(chǎn)生與清除處于平衡狀態(tài)，從而保證了細胞膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和功能的正常，而在干旱脅迫下，自由基的產(chǎn)生與清除平衡被打破，自由基的大量累積造成膜系統(tǒng)損傷、電解質(zhì)外滲等多種有害的細胞學(xué)效應(yīng)，從而使細胞功能失常；另外，干旱脅迫下植物的細胞結(jié)構(gòu)亦受到影響，使細胞膜的選擇透性功能降低甚至喪失，膜透性增加，使得許多原本不能透過細胞膜的物質(zhì)大量外滲，嚴重時導(dǎo)致細胞死亡[21，22]，因而膜脂過氧化程度與細胞質(zhì)膜相對透性的大小反映了干旱脅迫下植物組織的受害程度[23]。另外，MDA是膜脂過氧化作用后的最終產(chǎn)物之一，也是膜脂過氧化的標志，它與質(zhì)膜相對透性一起指示植物膜脂過氧化的程度和膜受損傷的程度[24]。大量的研究表明，干旱脅迫下膜脂過氧化產(chǎn)物MDA的含量高低與膜脂過氧化及膜的傷害程度呈對應(yīng)關(guān)系，即隨著干旱脅迫時間的延長和脅迫程度的加劇，MDA含量和細胞質(zhì)膜透性呈逐漸增高的趨勢[25，26]，且抗旱性強的植物其MDA含量和細胞質(zhì)膜透性的變化程度較抗旱性差的植物小[27，28]。

此次的研究結(jié)果顯示，隨著干旱脅迫程度的加重，青海野生中國沙棘葉片的MDA含量和細胞膜透性均呈增加的趨勢，但在中度脅迫以前，隨著脅迫程度的加大其MDA含量和細胞膜透性變化不大，只是從中度脅迫到重度脅迫，其MDA含量和細胞膜透性上升較快。由此說明在一定的干旱脅迫程度下，青海野生中國沙棘細胞膜的損傷程度較小，只是在重度脅迫下細胞膜受到了一定程度的傷害。

可見，在遭受干旱脅迫時青海野生中國沙棘可迅速作出響應(yīng)，在一定的脅迫程度下通過保持較高的相對含水量，并使膜透性和MDA含量維持在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)，從而保證在重度脅迫以前細胞質(zhì)膜的穩(wěn)定性，保證了沙棘代謝活動的正常進行，由此說明干旱脅迫下青海野生中國沙棘具有很強的抗旱保水能力。

3.2 干旱脅迫對青海野生中國沙棘保護酶活性的影響

正常的生長條件下，植物體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生與清除處于平衡狀態(tài)，從而使細胞內(nèi)的活性氧處于較低的水平，因而細胞不會受到氧自由基的毒害。當植物遭受干旱等逆境脅迫時，活性氧快速地累積，導(dǎo)致膜脂過氧化，膜透性增加，從而使電解質(zhì)大量外滲而導(dǎo)致細胞衰老和死亡。大量的研究表明，干旱脅迫下植物的抗氧化酶保護系統(tǒng)對于清除自由基，維持細胞正常的生命活動起著非常關(guān)鍵的作用，因此干旱脅迫下植物保護酶活性的大小成為決定其抗旱性強弱的關(guān)鍵因素之一[29-32]。

本研究結(jié)果表明，干旱脅迫下青海野生中國沙棘的CAT、POD和SOD活性在不同干旱脅迫程度下呈不同的變化趨勢。干旱脅迫下青海野生中國沙棘葉片的POD和SOD活性均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢，其中POD活性在中度脅迫下最高，SOD活性在輕度脅迫下最高，說明在脅迫程度較輕時青海野生中國沙棘的POD和SOD活性很強，具有很強的清除活性氧自由基的能力，而隨著脅迫程度的加劇，其POD（中度脅迫以后）和SOD（輕度脅迫以后）活性受到了抑制，清除活性氧的能力下降，但相比較而言，此時青海野生中國沙棘的POD和SOD活性仍高于CK。與POD和SOD的活性變化不同，干旱脅迫下青海野生中國沙棘CAT活性隨著脅迫程度的加劇而呈上升的趨勢，表明在嚴重干旱脅迫下青海野生中國沙棘仍具有很強的清除活性氧的能力，從而對降低細胞膜脂過氧化，維持膜結(jié)構(gòu)以及其他生物分子的穩(wěn)定性具有重要的貢獻。另外，不同程度干旱脅迫下青海野生中國沙棘葉片中3種保護酶活性的變化趨勢不盡相同，可能是由于青海野生中國沙棘應(yīng)對不同程度干旱而采取3種保護酶協(xié)同調(diào)節(jié)機制[31]，即在輕度脅迫和中度脅迫下主要通過POD和SOD來清除自由基、降低膜脂過氧化作用、維持膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定等方面起到了重要的作用，而在重度干旱脅迫下通過CAT活性的增加來降低膜脂過氧化作用，避免活性氧的大量累積從而維持細胞正常的生命活動。

綜上所述，干旱脅迫下青海野生中國沙棘通過3種保護酶的協(xié)同調(diào)節(jié)，迅速對干旱脅迫做出生理響應(yīng)，以維持細胞膜的穩(wěn)定以及正常的生命活動，由此說明，干旱脅迫下青海野生中國沙棘具有很強的抗旱保水能力。本研究為青海野生中國沙棘抗旱生理及分子機理的進一步研究奠定基礎(chǔ)，并為開展大果無刺或少刺的高品質(zhì)優(yōu)良沙棘品種抗旱基因工程育種奠定基礎(chǔ)。

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