幼苗期不同水稻材料應(yīng)答鹽脅迫的生理差異分析

陳觀秀, 周鴻凱,2, 王盼盼, 許江環(huán), 郭海峰, 劉夢(mèng)霜, 楊 善,2*

(1. 廣東海洋大學(xué) 濱海農(nóng)業(yè)學(xué)院, 廣東 湛江 524088; 2. 國(guó)家耐鹽堿水稻技術(shù)創(chuàng)新中心華南中心, 廣東 湛江 524088 )

土壤鹽堿化已成為一個(gè)世界性難題,我國(guó)東北、華東和華南沿海地區(qū)的鹽堿化土壤約占全國(guó)鹽堿化土壤的15%,是影響地區(qū)農(nóng)作物生產(chǎn)關(guān)鍵的非生物脅迫因素之一(Kordrostami et al., 2016;顧驍,2019; 楊洪濤,2019)。水稻(Oryzasativa)是世界上最重要的糧食作物之一,全球超過半數(shù)人口以大米為主食。水稻對(duì)NaCl鹽中度敏感,而我國(guó)華南濱海地區(qū)鹽漬地中的鹽分主要以NaCl為主(鄂志國(guó)和張麗靖,2010; 王恩旭等,2016)。由此表明,土壤鹽堿化已成為制約我國(guó)水稻生產(chǎn)的主要因素之一,嚴(yán)重影響糧食安全(巫明明等,2022)。因此,耐鹽堿水稻可作為利用鹽堿地的先鋒作物,不僅可以增加糧食總產(chǎn)量,而且可以提高鹽堿地的利用率(Qin et al., 2020)。所以,探究不同水稻材料應(yīng)答鹽脅迫的生理機(jī)制,對(duì)耐鹽堿水稻新品種選育及其高產(chǎn)高效栽培技術(shù)開發(fā)具有重要參考與指導(dǎo)意義。

鹽脅迫下,植物生長(zhǎng)受阻,具體表現(xiàn)為株高變矮、葉片枯黃卷曲、生物量減少(馬帥國(guó)等,2020)。同時(shí),植物機(jī)體會(huì)受到生理干旱影響、特殊離子毒害以及正常代謝損傷,引起膜脂過氧化,降低清除活性氧(reactive oxygen species,ROS)、光合速率和抗氧化酶轉(zhuǎn)化能力,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起植株死亡(Rahnama et al., 2010; 孫思淼等,2020)。為了適應(yīng)鹽堿化生長(zhǎng)環(huán)境,植物經(jīng)過漫長(zhǎng)進(jìn)化,形成了一系列生理性調(diào)節(jié)機(jī)制,主要包括滲透調(diào)節(jié)、ROS清除系統(tǒng)以及離子調(diào)節(jié)等(胡文成,2017)。在不同鹽濃度脅迫條件下,作物體內(nèi)會(huì)迅速合成可溶性糖、蛋白質(zhì)、脯氨酸、甜菜堿等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),以提高細(xì)胞內(nèi)滲透壓,利于從外界吸收水分,緩解生理性缺水(石婧等,2020; 顏佳倩等,2022)。此外,在鹽脅迫期間,植物體內(nèi)過多的Na+會(huì)破壞活性氧清除系統(tǒng),導(dǎo)致ROS物質(zhì),如過氧化氫(hydrogen peroxide,H2O2)、超氧陰離子(superoxide anion, O2-)的增加,造成細(xì)胞膜脂過氧化,進(jìn)而導(dǎo)致丙二醛(malondialdehyde,MDA)大量積累;與此同時(shí),植株體內(nèi)抗氧化酶活性被激活,消除過量ROS,從而提高植株耐鹽性(林兵等,2022)。在水稻中,鹽脅迫導(dǎo)致了過氧化物酶(peroxidase,POD)與超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性、谷胱甘肽(glutathione,GSH)與抗壞血酸(ascorbic acid,AsA)含量以及MDA和H2O2含量均會(huì)升高,而耐鹽水稻材料則表現(xiàn)出更強(qiáng)的清除ROS能力(Hellou et al., 2012; 王俊斌等,2012)。在水稻生理研究上,常用K+/Na+相對(duì)含量來判斷植株耐鹽性強(qiáng)弱,比值越大,耐鹽越強(qiáng)(王旭明等,2018)。但是,不同部位K+/Na+比值差異很大,不能僅以K+/Na+比值差異來斷定水稻耐鹽性強(qiáng)弱。鹽脅迫下,水稻根系聚集Na+最多(K+/Na+比值較低),葉片和葉鞘吸收較多K+(K+/Na+比值較高)以維持植株正常生理代謝活動(dòng)(陳惠哲等,2007)。針對(duì)K+和Na+無機(jī)離子調(diào)控分子機(jī)理的研究報(bào)道層出不窮,目前在水稻中通過圖位克隆的耐鹽調(diào)控基因SKC1(Ren et al., 2005)、OsHKT1;1(Chuamnakthong et al., 2019)和OsHKT1;5(Kobayashi et al., 2017),均與無機(jī)離子調(diào)控相關(guān)。然而,水稻耐鹽生理與分子調(diào)控機(jī)理所涉及的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、生理、生化、代謝調(diào)控通路異常復(fù)雜,需要化繁為簡(jiǎn),由點(diǎn)到面,一步一步深入研究,所以對(duì)鹽脅迫下耐鹽水稻表型及其耐鹽生理效應(yīng)進(jìn)行研究,可為今后解析水稻耐鹽調(diào)控機(jī)制提供理論依據(jù)。

HD96-1,是湛江海河交錯(cuò)潮汐帶種植的古老耐鹽堿地方稻種,具有耐鹽性強(qiáng)、抗病蟲害、耐淹等特性。然而,對(duì)不同鹽濃度脅迫下HD96-1與弱耐鹽性水稻93-11之間的生理調(diào)控差異尚不清楚。本研究擬以HD96-1與93-11為材料,測(cè)試并分析不同鹽濃度脅迫對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)與生理效應(yīng)的影響,旨在探究?jī)蓚€(gè)水稻材料對(duì)不同鹽濃度脅迫的生理響應(yīng)差異,進(jìn)而揭示耐鹽水稻HD96-1的生理響應(yīng)機(jī)制,為耐鹽水稻種質(zhì)創(chuàng)新利用與新品種選育提供理論參考,進(jìn)一步完善耐鹽堿水稻種質(zhì)資源創(chuàng)新利用和新品種培育技術(shù)體系。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

水稻材料HD96-1,由廣東海洋大學(xué)于1996年采集,俗稱長(zhǎng)毛谷、赤禾等,耐鹽性強(qiáng)。水稻材料93-11,又名揚(yáng)稻6號(hào),國(guó)審稻2001002,耐鹽性弱。以上水稻材料,由廣東海洋大學(xué)濱海農(nóng)業(yè)學(xué)院提供。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 水稻幼苗培養(yǎng) 挑選健康飽滿的水稻種子用3%的H2O2浸泡消毒30 min后,先用蒸餾水沖洗數(shù)次,然后將消毒好的種子加上少量蒸餾水放置在28 ℃的恒溫箱中浸種24 h,之后平鋪到浸濕的雙層發(fā)芽紙的塑料托盤上催芽,在這期間一直保持托盤濕潤(rùn)。5 d以后,挑選萌發(fā)且長(zhǎng)勢(shì)良好的種子移到裝有1 L Yoshida營(yíng)養(yǎng)液(北京酷來搏科技有限公司,http://www.coolaber.com/Product_List.asp?keyword=Yoshida)的96孔黑色水培盒里進(jìn)行水培。置于26 ℃的培養(yǎng)間(光照14 h和黑暗10 h)中培養(yǎng)到3葉期,每隔3 d更換1次營(yíng)養(yǎng)液。

1.2.2 鹽脅迫處理 鹽濃度篩選試驗(yàn):當(dāng)幼苗長(zhǎng)到3葉期時(shí),用NaCl(化學(xué)純,西隴化工股份有限公司)配制不同鹽濃度的營(yíng)養(yǎng)液模擬鹽脅迫試驗(yàn)。設(shè)0、60、120、180、240 mmol·L-15個(gè)NaCl濃度,置于26 ℃的培養(yǎng)間(光照14 h和黑暗10 h)分別處理7 d;同等培育條件下,全部處理用NaCl濃度為0 mmol·L-1的營(yíng)養(yǎng)液培育10 d,觀察96株水稻幼苗,并統(tǒng)計(jì)死苗率,確定適宜的試驗(yàn)鹽濃度。鹽脅迫處理試驗(yàn):當(dāng)幼苗長(zhǎng)到3葉期,挑選長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗,設(shè)3個(gè)不同NaCl濃度(0、60、120 mmol·L-1),每個(gè)濃度3個(gè)重復(fù)(即3個(gè)水培盒,每個(gè)水培盒種96株幼苗),分別處理7 d以后進(jìn)行取樣。取樣時(shí),分別隨機(jī)選取不同處理組的10株幼苗測(cè)定相關(guān)農(nóng)藝性狀。每個(gè)水培盒剩余約70株幼苗,全部剪取其地上部分(包含假莖與葉片)用于各項(xiàng)生理指標(biāo)的測(cè)定試驗(yàn),同一處理的3個(gè)重復(fù)樣品充分混合后,統(tǒng)一裝入自封袋中,用液氮速凍,保存在-80 ℃冰箱中備用。

1.3 各項(xiàng)生長(zhǎng)生理指標(biāo)的測(cè)定

1.3.1 生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定 株高:假莖基部到葉片頂端的長(zhǎng)度,刻度尺測(cè)量。假莖寬:假莖基部離根1 cm處的寬度,不銹鋼數(shù)顯卡尺測(cè)量。干重:于烘箱中將稱過鮮重的植株烘干,105 ℃放置30 min,之后用80 ℃ 烘干至恒重,使用萬分之一分析天平分別稱量地上部和地下部干重(屈成等,2018)。每個(gè)處理組重復(fù)3組,每組選取8株幼苗,取平均值。

1.3.2 生理指標(biāo)的測(cè)定 水稻生理指標(biāo)測(cè)定主要參照王文龍(2014)、陳建勛和王曉峰(2001)以及高俊鳳(2006)的方法,具體如下。(1)丙二醛(MDA):硫代巴比妥酸顯色法。(2)可溶性糖:蒽酮比色法。(3)可溶性蛋白:考馬斯亮藍(lán)G-250染色法。(4)脯氨酸:磺基水楊酸法。(5)超氧化物岐化酶(SOD):氮藍(lán)四唑光還原法。(6)過氧化物酶(POD):愈創(chuàng)木酚比色法。(7)過氧化氫酶(catalase,CAT):紫外吸收法。(8)抗壞血酸過氧化物酶(ascorbate peroxidase,APX):紫外吸收法。(9)過氧化氫(H2O2)含量:碘化鉀分光光度計(jì)。(10)超氧陰離子(O2-)含量:羥胺氧化法。(11)抗壞血酸(AsA)含量:比色法。(12)谷胱甘肽(GSH)含量:二硫代硝基苯甲酸法。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理 試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2019 軟件進(jìn)行整理,并用SPSS 25.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,采用Duncan 法對(duì)不同處理間各測(cè)定指標(biāo)進(jìn)行差異顯著分析,利用Pearson法進(jìn)行相關(guān)性分析(雙尾檢驗(yàn)),顯著性水平為P<0.05,用Origin 2018軟件進(jìn)行相關(guān)圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 HD96-1鹽脅迫濃度篩選

為了篩選適合HD96-1生長(zhǎng)的鹽脅迫濃度,待幼苗生長(zhǎng)至3葉期,在5個(gè)不同NaCl濃度(0、60、120、180、240 mmol·L-1)的營(yíng)養(yǎng)液處理7 d后,接著用不含NaCl的營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行恢復(fù)10 d。結(jié)果如圖1所示,HD96-1在各濃度處理后的存活率分別為100%、95%、83%、30%和0%。由此可見,存活率大于50%且適合的鹽脅迫濃度為60、120 mmol·L-1,后續(xù)試驗(yàn)選擇這兩個(gè)鹽濃度進(jìn)行處理。

A. 不同NaCl濃度處理7 d后的表型; B. 不同NaCl濃度處理7 d后,用不含NaCl營(yíng)養(yǎng)液恢復(fù)培養(yǎng)10 d后的表型。A. Phenotypes after 7 d treatments with different NaCl concentrations; B. After 7 d treatments with different NaCl concentrations, the phenotype after 10 d of culture is restored with nutrient solution without NaCl.圖1 不同NaCl濃度處理下HD96-1(A)的表型以及恢復(fù)以后的表型(B)Fig. 1 Phenotype of HD96-1 treated with different NaCl concentrations (A) and phenotype after water recovery (B)

2.2 鹽脅迫對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)參數(shù)的影響

與對(duì)照(0 mmol·L-1NaCl)相比,兩個(gè)水稻材料幼苗生長(zhǎng)參數(shù)對(duì)鹽脅迫響應(yīng)有所差異(表1)。HD96-1株高、假莖寬下降幅度低于93-11,鹽脅迫對(duì)93-11幼苗生長(zhǎng)影響更顯著。60 mmol·L-1NaCl處理HD96-1和93-11,幼苗株高分別降低了3.39%和6.35%,在120 mmol·L-1NaCl處理時(shí),分別降低了11.07%和20.05%。HD96-1假莖寬在60 mmol·L-1和120 mmol·L-1NaCl 處理下較對(duì)照分別下降了6.69%和7.29%,93-11假莖寬分別降低了11.89%和16.77%,存在顯著差異。

表1 不同鹽濃度脅迫下HD96-1和93-11的生長(zhǎng)參數(shù)Table 1 Growth parameters of HD96-1 and 93-11 under different concentrations of salt stress

93-11地上部干重和根系干重顯著降低,HD96-1則與之相反,但不顯著,同時(shí)兩者根冠比也未表現(xiàn)出顯著差異。隨著鹽脅迫濃度升高,與對(duì)照相比,HD96-1地上部干重分別增加了13.21%和11.79%,根系干重分別升高了13.73%和5.88%;93-11地上部干重分別降低了19.58%和34.39%,根系干重分別降低了23.26%和32.56%。HD96-1和93-11根冠比均比對(duì)照組增大,但前者在120 mmol·L-1處理下比60 mmol·L-1處理有所降低,后者相反,說明了水稻根系對(duì)無機(jī)離子脅迫應(yīng)激敏感,而HD96-1面對(duì)脅迫適應(yīng)性更強(qiáng)。

2.3 鹽脅迫對(duì)兩個(gè)水稻材料幼苗生理的影響

2.3.1 對(duì)幼苗膜脂過氧化作用的影響 如圖2所示,鹽脅迫下HD96-1和93-11幼苗的MDA、O2-及H2O2含量均有所增加,并且HD96-1的O2-含量和H2O2含量低于93-11。與對(duì)照組相比,處理組HD96-1和93-11的MDA含量增幅不大,均無顯著差異,但O2-含量均顯著增加,其中HD96-1分別增加了10.27%和45.61%,93-11分別增加了32.26%和70.47%。兩個(gè)水稻材料H2O2含量均在60 mmol·L-1處理下達(dá)到最高,分別增加了34.20%和86.87%,在120 mmol·L-1處理下分別增加了25.21%和81.44%。

不同小寫字母表示同個(gè)水稻材料之間不同處理差異顯著(P<0.05)。下同。Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments of the same rice material (P<0.05). The same below.圖2 鹽脅迫下兩個(gè)水稻材料的MDA(A)、H2O2(B)及 O2- (C) 含量Fig. 2 Contents of MDA(A), H2O2 (B) and O2- (C) in two rice materials under salt stress

2.3.2 對(duì)幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響 如圖3所示,HD96-1和93-11幼苗的脯氨酸和可溶性糖含量均隨著鹽濃度升高而增加,但在HD96-1中的增加幅度高于93-11。相比對(duì)照,鹽脅迫下HD96-1可溶性糖含量達(dá)到顯著差異,而93-11未達(dá)到顯著差異。與對(duì)照相比,HD96-1和93-11的可溶性蛋白含量均在60 mmol·L-1處理下達(dá)到最高含量;在120 mmol·L-1處理下HD96-1可溶性蛋白含量增加了0.54%,而93-11可溶性蛋白含量卻顯著下降。

圖3 鹽脅迫下兩個(gè)水稻材料的脯氨酸(A)、可溶性糖(B)及可溶性蛋白(C)含量Fig. 3 Contents of proline (A), soluble sugar(B) and soluble protein(C) in two rice materials under salt stress

2.3.3 對(duì)幼苗抗氧化酶的影響 如圖4所示,鹽脅迫下,兩個(gè)水稻材料過氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)及抗壞血酸過氧化物酶(APX)的活性變化趨勢(shì)相同,在2種鹽濃度脅迫下均顯著上升且在60 mmol·L-1處理下達(dá)到峰值。在60 mmol·L-1處理下,HD96-1的CAT、SOD、APX活性分別是對(duì)照的92.53%、26.02%和250.77%,在120 mmol·L-1處理下分別是對(duì)照的60.54%、25.47%和181.30%;93-11在60 mmol·L-1和120 mmol·L-1處理下,CAT、SOD、APX活性分別是對(duì)照的43.94%、11.47%、130.77%和37.87%、9.95%、79.81%。由此表明,HD96-1的CAT、SOD、APX活性增幅明顯高于93-11。與對(duì)照相比,鹽脅迫下兩個(gè)水稻材料過氧化物酶(POD)活性變化較小,均無顯著差異。

圖4 鹽脅迫下兩個(gè)水稻材料的CAT(A)、SOD(B)、POD(C)以及APX(D)活性Fig. 4 Activities of CAT(A), POD(B), SOD(C) and APX(D) in two rice materials under salt stress

2.3.4 對(duì)幼苗抗氧化劑的影響 如圖5所示,兩種水稻幼苗體內(nèi)抗壞血酸(AsA)含量在鹽脅迫下均顯著升高(P<0.5),其中HD96-1在2種鹽濃度脅迫下的增幅分別為96.57%和87.35%,93-11增幅分別為40.99%和56.45%。谷胱甘肽(GSH)含量隨鹽濃度的增加而逐漸升高,且HD96-1在120 mmol·L-1處理下存在顯著差異,HD96-1和93-11在2種鹽脅迫下的增幅分別為6.02%、24.95%和0.98%、4.34%。由此可知,兩個(gè)水稻材料的AsA、GSH含量在對(duì)照情況下幾乎一樣,但鹽脅迫下HD96-1的含量均高于93-11,表明鹽脅迫下HD96-1可以積累更多抗氧化劑來清除體內(nèi)活性氧。

圖5 鹽脅迫下兩個(gè)水稻材料的AsA(A)和GSH(B)含量Fig. 5 Contents of AsA(A) and GSH(B) in two rice materials under salt stress

2.4 鹽脅迫下水稻幼苗應(yīng)對(duì)脅迫響應(yīng)各項(xiàng)指標(biāo)的相關(guān)性

Pearson相關(guān)性分析(表2)表明,在鹽脅迫下水稻幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)(地上部干重、根系干重、株高)與H2O2、O2-呈極顯著負(fù)相關(guān),即H2O2和O2-的含量越高,植株越生長(zhǎng)不好。脯氨酸與AsA、GSH、SOD、APX呈極顯著正相關(guān),可溶性糖與AsA、GSH、CAT、SOD、APX呈極顯著正相關(guān),即鹽脅迫下,水稻CAT、SOD、APX酶的活性越高,AsA、GSH的含量越多,脯氨酸和可溶性糖的含量就越高,受到傷害越少。

表2 生長(zhǎng)參數(shù)、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和抗氧化系統(tǒng)的相關(guān)性矩陣Table 2 Correlation matrix of growth parameters, osmoregulatory substances and antioxidant system

3 討論

在遭受鹽脅迫時(shí),植物不能移動(dòng),唯有進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)節(jié)以抵御鹽脅迫所帶的損傷,這些適應(yīng)性調(diào)節(jié)包括生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)節(jié)、生理調(diào)節(jié)(如離子平衡、滲透調(diào)節(jié)、營(yíng)養(yǎng)平衡、活性氧清除等)、轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)、代謝物調(diào)節(jié),以及表觀遺傳學(xué)的DNA甲基化、小分子RNA調(diào)節(jié)等(Van Zelm et al., 2020)。其中,鹽脅迫下植物生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)節(jié)最為直觀。因此,研究人員常以觀察植物表型來判斷所遭受的鹽脅迫程度,甚至作為評(píng)判植物耐鹽性的參考指標(biāo)之一。由于水稻為中度鹽敏感植物,因此鹽脅迫下水稻生長(zhǎng)發(fā)育會(huì)明顯受到抑制,一般表現(xiàn)為根系生長(zhǎng)受抑制、葉片早衰、株高變矮、育性降低等(Jing et al., 2019)。本研究中,鹽脅迫下HD96-1和93-11株高和假莖寬均減小,后者受抑制程度更大。同時(shí),HD96-1根系干重、地上部分干重、根冠比有所增加,但未達(dá)到顯著差異;93-11根系干重、地上部分干重則顯著下降。由此說明,同等鹽脅迫條件下兩個(gè)水稻材料表型產(chǎn)生了一定差異。有研究認(rèn)為,在低鹽脅迫下,耐鹽性相對(duì)較好的水稻品種,干物質(zhì)重受影響較小,或有所增加,耐鹽性差的品種則下降明顯(魏征等,2021;王洋等,2022)。因此,HD96-1對(duì)鹽脅迫的適應(yīng)性與耐受性優(yōu)于93-11。究其表型差異的原因,可能涉及到信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、生理、基因表達(dá)、代謝物等多方面的調(diào)控機(jī)制差異。

本研究從生理方面剖析了兩個(gè)水稻材料應(yīng)答鹽脅迫的差異,包括抗氧化調(diào)節(jié)和滲透調(diào)節(jié)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著鹽濃度升高,HD96-1和93-11的丙二醛(MDA)和活性氧(ROS)含量也隨之增加,但前者的積累量小于后者,與汪洪艷等(2019)對(duì)‘海稻86’的研究結(jié)果一致。分析其MDA和ROS增加的原因,可能是由于植物光能利用和碳同化受到抑制,從而增加了光合鏈中電子轉(zhuǎn)移到O2的概率,促進(jìn)了活性氧(ROS)的產(chǎn)生,如H2O2和O2-,引起氧化脅迫,MDA大量聚集,破壞植物膜結(jié)構(gòu)(王洋等,2022)。這表明HD96-1產(chǎn)生的ROS較93-11少,可能是其光合系統(tǒng)受到抑制較小。為了減少ROS積累和修復(fù)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu),植物活性氧清除系統(tǒng)會(huì)迅速反應(yīng),快速合成抗氧化物質(zhì)。活性氧清除系統(tǒng)主要包括酶促系統(tǒng)和非酶促系統(tǒng),酶促系統(tǒng)主要有SOD、POD、CAT和APX等抗氧化酶,非酶促系統(tǒng)主要是AsA、GSH等抗氧化劑(胡文成,2017)。其中,SOD是活性氧清除的第一道防線,也是最有效的抗氧化酶,它可以通過歧化作用將O2-生成為低毒的H2O2,接著CAT、POD和APX將H2O2分解為H2O,通過這種途徑減緩鹽分對(duì)植株的危害(Bose et al., 2014; Bhatt et al., 2020)。本研究中,鹽脅迫下兩個(gè)水稻材料的CAT、SOD、APX活性均表現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì),并且HD96-1增幅高于93-11,表明在水稻中CAT、SOD、APX活性受鹽脅迫誘導(dǎo)顯著提高,而且HD96-1清除活性氧能力高于93-11。符秀梅等(2010)也有類似發(fā)現(xiàn),鹽脅迫下水稻幼苗期SOD與POD的活性呈先增加后降低的趨勢(shì),而CAT變化無明顯規(guī)律。此外,植物可以通過抗壞血酸-谷胱甘肽(AsA-GSH)循環(huán)系統(tǒng)來清除體內(nèi)過多的H2O2含量 (申潔等,2021)。本研究中,HD96-1和93-11的AsA、GSH含量均有所升高,但HD96-1的增幅及含量要高于93-11。Chawla等(2013)研究也有相同的發(fā)現(xiàn),鹽脅迫下耐鹽品種Pokkali和CSR-1的SOD、CAT、POX、APX活性,以及AsA、GSH含量均高于鹽敏感品種IR28和MI-48。因此,進(jìn)一步表明,鹽脅迫下HD96-1較93-11具有更強(qiáng)的抗氧化調(diào)控能力。抗氧化酶活性、AsA和GSH含量均受到上游基因表達(dá)的調(diào)控,前人有報(bào)道對(duì)OsAPX2(Zhang et al., 2013)、OsGSTL2(Kumar et al., 2013)、OsGRX1(Lima-Melo et al., 2016)等基因調(diào)控抗氧化物質(zhì)代謝的功能進(jìn)行了探究。但是,這些抗氧化物質(zhì)應(yīng)答鹽脅迫的“信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)-基因表達(dá)-代謝物合成”調(diào)控機(jī)制仍需要進(jìn)一步深入研究。

鹽脅迫除了會(huì)誘導(dǎo)大量ROS的產(chǎn)生來引起活性氧清除系統(tǒng)失衡外,還會(huì)造成外界環(huán)境的滲透勢(shì)降低,水稻根系難以吸收水分,從而造成生理干旱(黃潔等,2020),在此逆境下,植株通過自身積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來降低細(xì)胞水勢(shì),維持正常的細(xì)胞膨壓。脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白是其體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。脯氨酸可作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),也可與一些氧自由基發(fā)生反應(yīng),清除活性氧,還可氧化產(chǎn)生ATP為植物生長(zhǎng)提供能量,在生物合成中主要受吡咯琳-5-羧酸合成酶(P5CS)、鳥氨酸轉(zhuǎn)氨酶(OAT)酶調(diào)控(汪忠杰,2020)。有研究表明,鹽脅迫下,脯氨酸含量與鹽脅迫濃度呈正相關(guān),耐鹽植物體內(nèi)的脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量大幅度增加(Li et al., 2017;盧楠楠等,2017)。本研究中,HD96-1和93-11在受到鹽脅迫之后,體內(nèi)積累的脯氨酸和可溶性糖也隨之增加,用以維持滲透平衡來抵御鹽害,而HD96-1合成積累更多滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),表現(xiàn)出更強(qiáng)的滲透調(diào)節(jié)能力。這一結(jié)果與Chen等(2017)的研究結(jié)果相似。Sripinyowanich等(2013)通過外源ABA調(diào)控水稻耐鹽性研究,發(fā)現(xiàn)OsP5CS1和OsP5CR均受ABA和鹽脅迫誘導(dǎo)上調(diào)表達(dá),脯氨酸含量也上調(diào),說明鹽脅迫下水稻脯氨酸含量受ABA誘導(dǎo)調(diào)控。然而,de Ollas等(2015)研究認(rèn)為,水分脅迫下擬南芥體內(nèi)脯氨酸合成與體內(nèi)ABA含量無顯著相關(guān)。因此,鹽脅迫下水稻體內(nèi)脯氨酸合成調(diào)控是否依賴于ABA信號(hào)調(diào)控途徑需要進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 結(jié)論

鹽脅迫下,兩個(gè)水稻材料體內(nèi)活性氧、丙二醛含量增加,氧化脅迫造成代謝紊亂;同時(shí),滲透脅迫造成生理干旱,使得植株吸水困難,生長(zhǎng)受阻,使得株高和假莖寬減小。然而兩個(gè)水稻材料應(yīng)答鹽脅迫的生理效應(yīng)存在差異,HD96-1具有更強(qiáng)的抗氧化和滲透調(diào)節(jié)能力,可有效緩解鹽脅迫帶來的不利影響,使得生長(zhǎng)發(fā)育受抑制程度小于93-11。