水分脅迫對小麥幼苗中活性氧與細胞死亡的影響

朱美琛，馬興立，余 幸，張麗婷，高 翔，時明坤，任永哲，王志強，林同保，辛澤毓

(河南農業大學農學院/河南糧食作物協同創新中心/省部共建小麥玉米作物學國家重點實驗室，河南 鄭州 450002)

【研究意義】近年來，隨著氣候變化的波動加劇，作物生育期內降水量發生了很大變化，從而增加了干旱的發生頻率和危害程度，加劇了對農業生產的不利影響[1-2]。【前人研究進展】干旱不僅導致植物遭受氧化脅迫、破壞組織器官內的膜脂、蛋白質和核酸等細胞成分，并可引起植株體內代謝紊亂[3]。通常情況下，干旱脅迫可誘導植株體內活性氧(ROS)的產生，例如超氧陰離子和H2O2等[4]。ROS可以引起膜脂過氧化并導致細胞死亡[5]。為了緩解ROS的傷害，植物會啟動自身的酶促和非酶促抗氧化系統，例如SOD(超氧化物歧化酶)、CAT(過氧化氫酶)和POD(過氧化物酶)、脯氨酸等滲透調節物質，來緩解逆境脅迫對其的傷害[6]。此外，植物原生質膜透性對逆境反應則較為敏感,研究表明，植物遭受干旱脅迫后，可觀察到膜透性明顯增加，并且隨著干旱脅迫加重，其膜損傷程度越嚴重，而細胞內的電解液濃度的積累則越高，關于水分脅迫引起植物膜損傷的現象已經被許多學者所證實[7]。同樣，亦有報道指出，植物在遭受水分脅迫后，植株體內產生的活性氧參與了植物細胞程序性死亡的過程[8]。例如，James等人的研究表明干旱脅迫形成的超氧化物和H2O2的積累可能是引發植物細胞程序性死亡的原因[9]。【本研究切入點】盡管已有研究指出植物細胞中的膜脂過氧化產物、活性氧、滲透調節物質等的變化與植物的抗旱性密切相關，但是關于水分脅迫后不同基因型小麥的活性氧積累水平和相關滲透調節物質積累的變化結論并不統一。【擬解決的關鍵問題】因此，本試驗擬選用強抗旱品種(旱選10號)和干旱敏感品種(鄭引1號)為材料，研究水分脅迫對不同基因型小麥幼苗形態，細胞及相關生理生化指標的影響，以期為小麥的抗旱機制研究提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 供試品種 本實驗選用旱選10號(強抗旱品種)和鄭引1號(干旱敏感品種)作為供試材料。

1.1.2 小麥幼苗培養和試驗設計 選取均勻一致的小麥種子，經過1 %的次氯酸鈉消毒處理20 min,去離子水沖洗3～4遍后，浸泡12 h,首先將種子腹溝朝下均勻的擺在漂浮鐵絲網上，置于清水中，在25 ℃黑暗培養箱中催芽3 d后，光照1 d,然后挑選長勢一致的幼苗，移入光照培養箱中，采用1/2 Hoagland營養液中進行培養，光照培養箱溫度22/18 ℃(白天/黑夜)，光照/黑暗時間為14/10 h，每3 d更換1次營養液。待小麥幼苗生長到2葉1心期時，在20 % PEG-6000(-0.975 MPa)的營養液中進行模擬干旱處理。試驗設為4個處理：CK-HX(正常供水的旱選10號)、PEG-HX(水分脅迫處理的旱選10號)、CK-ZY(正常供水的鄭引1號)、PEG-ZY(水分脅迫處理的鄭引1號)。并在處理后12 h，取小麥幼苗相同部位葉片和根系，進行各項指標的測定，每個處理3次生物學重復(葉片含水量為5個生物學重復)。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 形態觀察水分脅迫后12 h，進行拍照記錄。

1.3 數據分析

數據均用Microsoft Excel 2010進行數據分析，以及SPSS19.0進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 水分脅迫對不同基因型小麥幼苗生長和生物量的影響

在正常供水情況下，旱選10號和鄭引1號幼苗長勢及長相基本相同(圖1)。但在水分脅迫后12 h，旱選10號幼苗與對照相比變化不大，而鄭引1號幼苗則表現出明顯的干旱脅迫癥狀，葉片失水明顯，萎焉嚴重。與對照相比，在水分脅迫5 d后，旱選10號生物量下降幅度相對較小(圖2)，為12.1 %，而鄭引1號則下降了36.3 %，達到極顯著水平(P<0.01)。

圖1 水分脅迫12 h對不同抗旱性小麥外觀形態的影響Fig.1 Effects of water stress on appearance and morphology of different drought-resistant wheat cultivar after 12 hours

圖2 水分脅迫12 h對不同抗旱性小麥生物量的影響Fig.2 Effects of water stress on biomass of different drought-resistance wheat cultivar after 12 hours

2.2 水分脅迫對不同基因型小麥幼苗葉片相對含水量及根系活力的影響

在正常供水條件下，2個品種幼苗的葉片相對含水量之間相差不大，且鄭引1號含水量較旱選10號高，但水分脅迫后12 h，2個品種的葉片含水量均表現出降低的趨勢，而鄭引1號下降幅度達到極顯著水平。與對照相比，旱選10號葉片含水量下降了1.8 %，而鄭引1號則下降了5.2 %(圖3)。此外，水分脅迫處理后，2個品種幼苗的根系活力均出現上升的趨勢。但旱選10號上升幅度較大，與它的對照處理相比提高了110.7 %，在0.01的水平上，表現出極顯著差異，而鄭引1號雖也有提高，但提高幅度僅為88.5 %(圖4)。

2.3 水分脅迫對不同基因型小麥幼苗葉片脯氨酸含量及葉片水分滲透勢的影響

水分脅迫可明顯增加2個不同基因型小麥的脯氨酸的含量，且旱選10號增加趨勢顯著高于鄭引1號。與對照相比，水分脅迫下旱選10號小麥幼苗脯氨酸含量提高了76.7 %，而鄭引1號則提高了45.2 %(圖5)。水分脅迫后2個品種的葉片水分滲透勢均表現出降低的趨勢，但與鄭引1號相比，旱選10號的下降幅度較小。其中，旱選10 號與對照相比下降了6.0 %，而鄭引1 號則比對照處理下降了20.0 %(圖6)，方差分析表明，在0.01水平達到極顯著水平。

圖3 水分脅迫12 h對不同抗旱型小麥葉片相對含水量的影響Fig.3 Effects of water stress on relative water content in leaves of different drought-resistance wheat cultivar after 12 hours

圖4 水分脅迫12 h對不同抗旱性小麥根系活力的影響Fig.4 Effects of water stress on root activity of different drought-resistance wheat cultivar after 12 hours

圖5 水分脅迫12 h對不同抗旱性小麥葉片脯氨酸含量的影響Fig.5 Effects of water stress on proline content in leaves of different drought-resistance wheat cultivar after 12 hours

圖6 水分脅迫12 h對不同抗旱性小麥葉片滲透勢的影響Fig.6 Effects of water stress on osmotic potential in leaves of different drought-resistance wheat cultivar after 12 hours

圖7 水分脅迫12 h后對不同抗旱性品種小麥葉片丙二醛含量的影響Fig.7 Effects of water stress on malondialdehyde content in leaves of different drought-resistance wheat cultivar after 12 hours

2.4 水分脅迫對不同基因型小麥幼苗葉片丙二醛(MDA)含量及相對電導率的影響

水分脅迫均可明顯增加2個不同基因型小麥品種的MDA含量，但鄭引1號增加量顯著高于旱選10號。與對照相比，旱選10號的MDA含量提高了29.6 %，而鄭引1號則增加了83.8 %(圖7)。此外，水分脅迫后，2個不同基因型小麥品種的相對電導率含量也表現出上升的趨勢，但鄭引1號上升幅度顯著高于旱選10號。與對照相比，旱選10號的相對電導率提高了39.8 %，而鄭引則提高了77.3 %(圖8)。

2.5 水分脅迫對不同基因型小麥幼苗氧化損傷的影響

圖8 水分脅迫12 h后對不同抗旱性小麥葉片相對電導率的影響Fig.8 Effects of water stress on relative electrical conductivity in leaves of different drought-resistance wheat cultivar after 12 hours

2.6 水分脅迫對不同抗旱性小麥幼苗葉片細胞死亡的影響

從圖11可以看出，水分脅迫后2個不同基因型小麥品種的葉片均被染上不同程度的藍色，但鄭引1號染色程度更深，表明水分脅迫對鄭引1號細胞傷害更為嚴重。正常水分下根尖部位被染成淡藍色，而脅迫以后根尖的顏色逐漸偏深，而鄭引1號的根尖顏色被染成深藍色。

圖9 水分脅迫12 h對不同抗旱性小麥葉片和根尖部位H2O2含量的影響Fig.9 Effects of water stress on H2O2content in leaves and root tips of different drought-resistance wheat cultivar after 12 hours

圖10 水分脅迫12 h對不同抗旱性小麥葉片和根尖部位含量的影響Fig.10 Effects of water stress oncontent in leaves and root tips of different drought-resistance wheat cultivar after 12 hours

圖11 水分脅迫12 h對不同抗旱性小麥葉片和根尖部位細胞死亡的影響Fig.11 Effects of water stress on cell death in leaves and root tips of different drought-resistance wheat cultivar after 12 hours

3 討 論

干旱是影響小麥生長和發育的主要災害之一[17]，也是造成植物細胞膜系統受傷的重要原因[18]，植物在受到干旱脅迫后會發生一系列形態和生理上的變化，但單一的生理指標很難準確的反應小麥的抗旱性，應結合其他的形態生理指標來綜合鑒定和評價小麥的抗旱性[19]。

3.1 水分脅迫對不同抗旱性小麥幼苗生長及生物量的影響

研究表明，干旱脅迫可明顯抑制小麥幼苗地上部的生長，從而導致幼苗干物質積累降低[20]。本試驗結果同樣表明，在水分脅迫后5 d，不同基因型小麥幼苗的長勢均變慢，生物量均表現出下降的趨勢，但與鄭引1號相比，旱選10號干物質積累下降幅度相對較小。

3.2 水分脅迫對不同基因型小麥幼苗葉片相對含水量及根系活力的影響

植物體內的水分特征是植物在結構上對環境的響應，是植物耐旱和抗旱性的重要指標。葉片含水量的高低不僅反映了其代謝的強弱，也一定程度上反映植物在干旱脅迫下的吸水能力以及抵抗脫水的能力[14,21-22]，更能直接反映作物生長發育的實際狀況[23]。而植物根系則是吸收養分和水分的器官，也是同化、轉化、合成養分的重要場所[24]。根系作為直接感受干旱脅迫的器官，對脅迫反應更加敏感，反應幅度大[25]。根系的生長發育和活力狀況對于植物抵抗逆境至關重要[26]。本試驗結果表明，水分脅迫均可導致兩個不同基因小麥幼苗葉片失水萎焉，但旱選10 號的葉片含水量下降幅度則顯著低于鄭引1號。此外，水分脅迫均可提高兩個不同基因型小麥幼苗根系活力，但與鄭引1號相比，旱選10號幼苗根系活力上升幅度更為顯著，這表明，抗旱品種可通過較強的根系活力來抵御水分脅迫對其自身的傷害。

3.3 水分脅迫對不同抗旱性小麥幼苗葉片脯氨酸含量及葉片水分滲透勢的影響

干旱脅迫會造成植物體內迅速積累一種水溶性有機滲透調節物質脯氨酸，適應外界環境，保護細胞膜系統免受傷害。脯氨酸含量的增高則能夠降低葉片細胞的滲透勢,防止細胞脫水[27]。逆境脅迫條件下的滲透勢降低值可以反映滲透調節能力的大小[14]。本實驗結果表明，水分脅迫均可增加2個不同基因型小麥品種中的脯氨酸的含量。但旱選10號的脯氨酸增加更為明顯，此外，水分脅迫均可降低2個不同基因型小麥品種葉片水分滲透勢，但與旱選10號相比，鄭引1號幼苗水分滲透勢下降幅度相對較大。這表明，水分脅迫后，抗旱品種可通過快速積累脯氨酸和調節自身的滲透勢水平來適應干旱，這與李德全等人的研究結果一致[28]。

3.4 水分脅迫對不同基因型小麥幼苗葉片丙二醛(MDA)含量及相對電導率的影響

丙二醛是植物抵抗逆境膜脂過氧化的產物，其含量的變化可以判斷膜系統過氧化的程度，也可反映細胞膜受損的程度[29]。相對電導率，是植物對逆境脅迫的衡量標準之一，直接反應薄膜在逆境中的透性變化和組織的損傷程度[30]。本試驗結果表明，在水分脅迫后12 h，鄭引1號和旱選10幼苗葉片MDA的含量均有增加，但旱選10號增加幅度明顯小于鄭引1號；而水分脅迫后兩個不同基因型小麥幼苗的相對電導率則表現為：鄭引1號明顯高于旱選10號，表明水分脅迫后干旱敏感品種的膜透性顯著大于抗旱品種。

3.5 水分脅迫對不同基因型小麥幼苗氧化損傷與細胞死亡的影響

4 結 論

本研究結果表明，在水分脅迫下抗旱性較好的品種能夠提高根系活力，增加對水分脅迫的適應性；很好地保持自身葉片含水量和維持細胞滲透勢，具有較好的保水能力并保持一定的膨壓；降低活性氧和MDA的含量，減緩細胞膜透性和降低膜脂過氧化程度，用來抵御逆境對植株自身的傷害，達到抵抗逆脅迫的目的。