外源硅對PEG脅迫下小麥幼苗生長及抗氧化酶活性的影響

鄭世英，鄭建峰，徐 建，鄭 芳，李士平，張乃芹，于凌春，耿建芬

(1.德州學院生態與園林建筑學院， 山東 德州 253023； 2.德州學院經濟與管理學院， 山東 德州 253023；3.德州學院物理與電子學院， 山東 德州 253023)

外源硅對PEG脅迫下小麥幼苗生長及抗氧化酶活性的影響

鄭世英1，鄭建峰2，徐 建3，鄭 芳1，李士平1，張乃芹1，于凌春1，耿建芬1

(1.德州學院生態與園林建筑學院， 山東 德州 253023； 2.德州學院經濟與管理學院， 山東 德州 253023；3.德州學院物理與電子學院， 山東 德州 253023)

以德抗961(DK961)和泰山9818(TS9818)為試驗材料，研究不同濃度外源硅對PEG脅迫下小麥幼苗的生長及抗氧化酶活性的影響。結果表明：與單純PEG脅迫相比，外源硅濃度為1.0 mmol·L-1時，DK961和TS9818的鮮重、干重及根系活力均最大，細胞膜透性最小，鮮重分別增加了32.85%和49.43%，干重分別增加了24.14%和50.00%，根系活力分別增加了18.97%和15.60%，細胞膜透性分別降低了12.53%和10.48%；外源硅濃度為0.5 mmol·L-1時，DK961和TS9818的SOD、CAT活性均最大，分別增加了18.11%、19.71%和47.41%、44.51%；外源硅濃度分別為0.5 mmol·L-1和0.1 mmol·L-1時，DK961和TS9818的POD活性最大，MDA含量最低，POD活性分別增加了18.41%和13.02%，MDA含量分別降低了11.80%和12.31%。較低濃度的外源硅能有效促進PEG脅迫下小麥幼苗的生長，增加抗氧化酶活性，降低丙二醛含量。外源硅能夠緩解干旱脅迫對小麥幼苗的危害，提高小麥抗旱能力。

外源硅；PEG脅迫；小麥；抗氧化酶

硅是地球表面的第二大元素，對大多數高等植物的生長是有益的。許多研究表明，硅能促進植物(尤其是單子葉植物)生物學產量的增長及生長發育，提高作物對逆境脅迫的抗性[1]。大量研究表明，植物吸收硅后能夠促進其生長發育并且對環境適應性加強[2]。硅處理大麥幼苗能提高其根系CAT、SOD、APX、POD、GSH活性，降低丙二醛含量，由此降低鹽脅迫下大麥體內由鹽誘導產生的過氧化傷害[3]。研究證實，硅在提高植物對非生物脅迫如離子毒害[4-6]、鹽害[7-8]、干旱脅迫[9-10]等及生物脅迫稻溫病、甘蔗莖螟的抗性方面有重要作用[11-12]。硅可顯著提高干旱脅迫下黃瓜、高粱、水稻的抗旱性，但其抗旱機理并不完全清楚[13]。干旱脅迫是自然界中最主要的非生物脅迫之一，地球上約1/3的土地屬于缺水的干旱和半干旱區域，我國的干旱半干旱區域約占全國土地面積的1/2，即使半濕潤、甚至濕潤地區也常會有周期性和季節性或階段性的干旱[14]。

小麥在遭受干旱脅迫時會產生大量的活性氧，引起膜脂過氧化作用，產生過氧化產物丙二醛(MDA)。植物體內的保護酶能降低或消除活性氧對膜脂的傷害[15]。超氧化物歧化酶(SOD)可以消除超氧化物陰離子自由基產生H2O2，而H2O2可被過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)分解成H2O。POD可清除線粒體中或胞漿中產生的低濃度H2O2。CAT主要分布在細胞的過氧化物體中，可清除高濃度的H2O2[16]。保護酶的活性以及MDA含量，可以作為植物受干旱脅迫程度和植物對干旱脅迫抵御能力的衡量指標。因此，研究外源硅對干旱脅迫下不同小麥幼苗生長及抗氧化酶活性的影響，對發展節水農業與旱作農業具有重要指導意義。

有關硅緩解干旱脅迫對植物傷害的作用已引起學者們的關注[17]。但關于硅提高小麥耐干旱脅迫能力的研究卻較少，為此，本試驗采用水培方法，用聚乙二醇(PEG6000)模擬干旱脅迫條件，研究干旱脅迫下硅對小麥幼苗生物量、根系活力、細胞膜透性(CMP)、抗氧化酶活性等生理指標的影響，旨在通過研究硅對PEG脅迫條件下小麥幼苗的生長影響，探明硅對PEG脅迫下小麥適應性的調節機制,并為實際生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

材料為德抗961(DK961，抗旱性強)和泰山9818(TS9818，抗旱性中等)，種子購自德州市農業科學院。

1.2 材料的培養

采用溶液培養的方法，精選均勻一致的小麥種子，0.1% HgCl2消毒5 min，先用自來水沖洗數次，再用蒸餾水反復沖洗，在25℃的培養箱里催芽24 h后，將種子置于培養床(孔徑0.25 cm,架于面積34 cm×23 cm,深8 cm的聚乙烯盒內，有支架的尼龍絲網)，網下是水培液,與網面平,根可從網孔扎入下面的液體中。所有處理均在光照培養箱中進行,白天為16 h、25℃，夜晚為8 h、18℃。每天增補蒸發與吸收掉的水溶液，待麥苗生長至二片真葉時，選擇健壯且長勢一致的幼苗，移栽到不透光的盛有400 ml 1/2 Hoagland營養液的塑料杯中，進行通氣培養。營養液每3天更換一次，用PEG6000(聚乙二醇6000)模擬干旱脅迫條件(滲透勢約為-0.50 MP)。

1.3 試驗處理

① 對照(CK)；② 單純PEG處理；③ (Si1)：PEG+0.1 mmol·L-1Si；④ (Si2)：PEG+0.5 mmol·L-1Si；⑤ (Si3)：PEG+1.0 mmol·L-1Si。所用的硅為硅酸鉀。處理期間每2天換一次營養液，營養液pH值為6.5，全天通氣培養。處理8 天后采樣測定指標，每個處理設3個重復。

1.4 相關指標的測定

生物量的測定：每個處理取6株麥苗，用蒸餾水洗凈，用吸水紙吸干表面水分，稱取鮮重。然后在110℃殺青10 min，于75℃烘干至恒重，稱取干重。

根系活力測定采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法[18]；細胞膜透性(CMP)測定采用相對電導率法[18]；超氧化物歧化酶(SOD)活性的測定采用氮藍四唑法[18]；過氧化氫酶(CAT)活性的測定采用紫外分光光度法[19]；過氧化物酶(POD)活性測定采用愈創木酚顯色法[19]；丙二醛(MDA)含量的測定采用硫代巴比妥酸法[19]。

1.5 數據分析

用SPSS 11.5 for Windows軟件進行方差分析和顯著性檢驗，Microsoft Excel 2003作圖。

2 結果與分析

2.1 外源硅對干旱脅迫下小麥幼苗生物量、根系活力及細胞膜透性的影響

試驗結果(表1)表明，單一PEG脅迫條件下，兩個小麥品種幼苗的鮮、干重均顯著下降。外源硅處理下，隨著外源硅處理濃度的不斷提高，兩小麥品種鮮重及干重均有一定程度增加。當外源硅濃度為 0.1、0.5、1.0 mmol·L-1時，與PEG處理相比，DJ961鮮重分別增加了14.98%、27.05%及32.86%，干重分別增加了6.90%、9.68%及24.14%；TS9818鮮重分別增加了20.42%、33.97%及49.32%，干重分別增加了21.74%、34.78%及50.00%。

根活力水平直接影響植物地上部的生長、營養狀況及產量，而根部又是植物直接與土壤接觸的部位，很容易受到外界因素的影響。單一PEG處理脅迫下，兩個小麥品種幼苗的根系活力均降低，隨著外源硅處理濃度的提高，DJ961和TS9818的根系活力分別增加了18.97%和15.60%。

注：表中數據為六次重復的平均值；同列不同字母表示處理間在P<0.05水平有顯著差異。下同。

Note: The data are averages of six replicates; letters within the same column with different letter mean significant differences atP<0.05. The same below.

單一PEG處理脅迫下，兩個小麥品種幼苗的細胞膜透性均升高，隨著外源硅處理濃度增大，細胞膜透性逐漸降低，硅濃度為0.1、0.5、1.0 mmol·L-1時，DJ961細胞膜透性分別為PEG處理的95.95%、91.90%、87.47%，TS9818細胞臘透性分別為PEG處理的95.69%、93.91%及89.52%。細胞質膜是一種選擇透性膜，它能控制和調節細胞內外物質的運輸與交換，其透性是評定植物對逆境反應的指標之一[20]。

2.2 外源硅對PEG脅迫下小麥SOD活性的影響

由圖1可以看出，外源硅對PEG脅迫下DK961及TS9818 SOD活性均有影響。單純PEG處理降低DK961及TS9818 SOD活性，其活性分別降低2.07%和2.59%，隨著硅濃度的逐漸增大，兩個小麥品種SOD活性均表現出先升后降趨勢。當硅濃度為0.5 mmol·L-1時，兩個小麥品種SOD活性均達到最大，與單純PEG脅迫相比，分別增加了18.11%和19.45%。

2.3 外源硅對PEG脅迫下小麥CAT活性的影響

由圖2可以看出，外源硅對干旱脅迫下DK961及TS9818 CAT活性均有影響。單純PEG處理DK961及TS9818 CAT活性分別降低3.13%和4.84%。隨著外源硅處理濃度的逐漸增大，兩個小麥品種CAT活性均表現出先升后降趨勢。當硅濃度為0.5 mmol·L-1時，兩個小麥品種CAT活性均達到最大，與單純PEG脅迫相比，分別增加了47.41%和44.51%。

圖1 外源硅對PEG脅迫下兩個小麥品種超氧化物歧化酶活性的影響

Fig.1 Effect of Si on SOD of DK961 andTS9818 under drought stress

2.4 外源硅對PEG脅迫下小麥POD活性的影響

由圖3可以看出，外源硅對PEG脅迫下DK961及TS9818 POD活性均有影響。單純PEG處理DK961及TS9818 POD活性分別降低2.54%和3.23%。隨著外源硅濃度增大，兩個小麥品種POD活性均表現出先上升后下降的趨勢。當硅濃度為0.5 mmol·L-1時，DK961 POD活性達到最大，當硅濃度為0.1 mmol·L-1時，TS9818 POD活性達到最大，與單純PEG脅迫相比，分別提高了18.41%和13.02%。

2.5 外源硅對PEG脅迫下小麥MDA含量的影響

由圖4可知，外源硅對PEG脅迫下DK961及TS9818 MDA含量均有影響。單純PEG脅迫下DK961及TS9818的MDA含量分別增加4.94%和6.63%。外源硅濃度為0.1～0.5 mmol·L-1，隨著外源硅濃度的升高MDA含量逐漸降低；當外源硅濃度為0.5～1.0 mmol·L-1時，隨著外源硅濃度的升高MDA含量增大，并且TS9818 MDA含量高于DK961。

圖2 外源硅對PEG脅迫下兩個小麥品種 過氧化氫酶活性的影響

Fig.2 Effect of Si on CAT of DK961 and TS9818 under drought stress

圖3 外源硅對PEG脅迫下兩個小麥品種 過氧化物酶活性的影響

Fig.3 Effect of Si on POD of DK961 and TS9818 under drought stress

圖4 外源硅對PEG脅迫下兩個小麥品種丙二醛含量的影響

Fig.4 Effect of Si on MDA of DK961 and TS9818 under drought stress

3 討 論

外源硅對PEG脅迫下小麥幼苗根系活力、細胞膜透性及抗氧化酶活性均有影響。隨著外源硅處理濃度的不斷增加，PEG脅迫下的兩個小麥品種的鮮重、干重、根系活力均上升，細胞膜透性均呈現下降趨勢。說明干旱抑制小麥根系對水和無機養料的吸收，使其鮮重和干重均下降。同時對細胞膜有一定的破壞作用，導致小麥根系活力下降及細胞膜透性增加。硅處理改善了植物體內的水分狀況，減緩了脅迫所造成的負面影響，促進了小麥根系對水和無機養料的吸收，使其鮮重、干重及根系活力升高，并且降低了細胞膜透性。Kaya 等[21]也有類似結果,即干旱脅迫下硅處理能增加玉米葉片Ca、K、Si的含量。

大量研究表明，逆境條件下植物體存在膜保護系統，它們能夠清除植物體內多余的自由基，這一保護系統是一個抗氧化系統，它由許多保護酶和還原型物質組成，其中SOD，POD，CAT是植物體內主要的抗氧化酶，可清除對植物有害的體內活性氧，從而保護植物的膜系統[22]。SOD為超氧自由基清除劑，POD為過氧化物清除劑，CAT是含Fe的蛋白酶，在植物體內能將SOD的歧化產物H2O2分解成H2O，從而達到清除體內多余H2O2的目的，避免了H2O2對植物組織的傷害[23]。本研究表明，與單純PEG處理相比，在外源硅濃度較低時(0.1～0.5 mmol·L-1)，DK961 SOD、CAT、POD及TS9818 SOD、CAT活性提高，在外源硅濃度為0～0.1 mmol·L-1時，TS9818 POD活性提高，增強適應能力，但當外源硅濃度為0.5～1.0 mmol·L-1，DK961 SOD、CAT、POD及TS9818 SOD、CAT活性降低，在外源硅濃度為0.1～1.0 mmol·L-1時，TS9818 POD活性降低，植物體代謝受到影響。此結果與硅對野生大豆抗鹽性影響[24]及硅對干旱脅迫下玉米的影響[25]的研究結果基本一致。這可能是由于較高濃度的硅產生了滲透脅迫。

丙二醛(MDA)含量增加是膜系統受到傷害的重要標志之一，對膜和細胞中的蛋白質、核酸和酶等許多功能分子均有較強的破壞作用，并且破壞生物膜的結構與功能[26]。本研究表明，當外源硅濃度較低，植物MDA含量降低，增強適應能力，隨著外源硅濃度升高，MDA含量上升。說明PEG脅迫下較低濃度的外源硅能夠降低電解質外滲率，抑制丙二醛積累，抑制膜脂過氧化作用，從而減輕膜脂過氧化對細胞的傷害，促進脯氨酸的合成。較高濃度硅處理會增強膜脂質過氧化作用，導致植物體內的活性氧增加，打破活性氧的代謝平衡，破壞膜的結構，影響膜的功能。外源硅濃度越高，脂質過氧化產物MDA積累越多。

外源硅使得PEG脅迫下的兩個小麥品種生物量及根系活力均升高，并且DK961高于TS9818；而細胞膜透性均降低，并且DK961低于TS9818，說明與TS9818相比，DK961有較強的光合效率、根系活力及細胞膜控制物質進出細胞的能力。外源硅條件下，兩個小麥品種在PEG脅迫下的三種抗氧化酶SOD、CAT及POD活性均先上升后下降，而且DK961抗氧化酶活性均高于TS9818，說明干旱環境下DK961清除活性氧的能力高于TS9818。外源硅使得兩個小麥品種在PEG脅迫下的MDA均先下降后上升，并且DK961的MDA含量低于TS9818，說明PEG脅迫下外源硅處理時，DK961膜系統受到傷害程度小于TS9818。陳明燦等[27]對洛麥21和同舟麥916的研究表明，外源硅處理對不同小麥品種的影響不同，硅處理可以促進同舟麥916的生長和生物量的積累，而對于洛麥21，低濃度硅處理促進洛麥21的生物量積累，高濃度硅處理對洛麥21的生長表現為抑制作用。本研究結果表明，在PEG處理條件下，兩個抗旱性不同的小麥品種對硅的響應相同，因此施加外源硅可以有效地提高不同品種小麥的耐旱性，本試驗結果對旱地小麥施加硅肥具有一定的指導意義。

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Effects of exogenous silicon on plant growth and activity of anti-oxidative enzymes in wheat seedlings under drought stress

ZHENG Shi-ying1, ZHENG Jian-feng2, XU Jian3, ZHENG Fang1, LI Shi-ping1,ZHANG Nai-qin1, YU Ling-chun1, GENG Jian-fen1

(1.CollegeofEcologyandLandscapeArchitecture,DezhouUniversity, 253023,China;2.ColleegeofEconomicsandManagement,DezhouUniversity, 253023,China;3.CollegeofPhysicsandElectronicInfromation,DezhouUniversity, 253023,China)

Using DK961 and TS9818 as experimental materials, the effects of different concentration of exogenous silicon on the growth of wheat seedlings and antioxidant enzyme activity under PEG stress were studied. Results indicated that: compared with only PEG stress, when the exogenous silicon concentration was 1.0 mmol·L-1, the fresh weight, the dry weight and the root activity of DK961 and TS9818 were the highest, increased by 32.85%, 49.43%, 24.14%, 50.00%, and 18.97%, 15.60%, respectively, and the cell membrane permeability was the lowest, reduced by 12.53% and 10.48%, respectively. When exogenous silicon concentrations was 0.5 mmol·L-1, the SOD and CAT activities of DK961 and TS9818 were the largest, increased by 18.11%,19.71%, and 47.41%, 19.71%, respectively; when exogenous silicon concentrations were 0.5 and 0.1 mmol·L-1, the POD activity of DK961 and TS9818 were the largest, increased by 18.41% and 13.02%, respectively, and the MDA content was the lowest, reduced by 11.80% and 12.31%, respectively. Lower concentration of exogenous silicon can promote the growth of wheat seedlings effectively under PEG stress, increasing the activity of antioxidant enzymes while reducing the content of MDA. Exogenous silicon can avoid the hazard of drought stress on wheat seedling.

exogenous silicon; PEG stress; wheat; anti-oxidative enzymes

1000-7601(2017)02-0074-05

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.02.13

2016-03-14基金項目：國家自然科學基金(31271667)

鄭世英(1962—)，女，山東德州人，教授，碩士生導師，主要從事植物生態研究。 E-mail：zsy0015@163.com。

S512.1

A