抗旱性不同的小麦幼苗对水分和NaCl胁迫的反应

抗旱性不同的小麦幼苗对水分和N aCl 胁迫的反应3任红旭　陈　雄　孙国钧　王亚馥33　(兰州大学干旱农业生态国家重点实验室,兰州730000)【摘要】　分别测定抗旱小麦8139(T riticum aestiv um L.cv.8139)和干旱敏感品种甘麦8号(T.aestiv um L.cv.G anmai No.8)在20%PEG 6000和1.2%NaCl 胁迫下的生长、光合作用、蒸腾作用及抗氧化保护系统的变化。

结果表明,抗旱小麦8139对PEG 6000有较强的抗性,但对NaCl 胁迫的抗性较差.NaCl 胁迫下,两种小麦根的生长均受到严重抑制,而在PEG 胁迫下,则根的生长不仅未受抑制,反而略有促进.PEG 与NaCl 胁迫下,两种小麦的净光合速率与水分利用效率在各时期均表现出明显差别,而蒸腾作用则在胁迫后第7天与第14天表现出明显差别.干旱胁迫下,抗旱小麦的膜脂过氧化水平在胁迫后第7天显著低于甘麦8号,而在NaCl 胁迫下,各时期二者之间均无显著差别.与此相对应的是,NaCl 胁迫下,两小麦品种之间除在GSH 含量上表现出显著差异外,果聚糖含量、SOD 活性及APX 活性在各时期均无显著差别.而干旱胁迫下,抗旱小麦8139的果聚糖含量、GSH 含量及SOD 、APX 活性则分别在不同时期高于甘麦8号,表现出较强的抗氧化能力.关键词　小麦　干旱　盐　胁迫　抗氧化保护系统R esponse of wheat seedlings with different drought resistance to w ater def iciency and N aCl stresses.REN Hongxu ,CHEN Xiong ,SUN Guojun and WAN G Y afu (S tate Key L aboratory of A rid A groecology ,L anz hou U niveristy ,L anz hou 730000).2Chin.J.A ppl.Ecol .,2000,11(5):718～722.The growth ,photosynthesis ,transpiration and antioxidative defence system of the seedlings of drought 2tolerant wheat strain 8139and drought 2sensitive strain G anmai No.8at 20%PEG 6000and 112%NaCl stresses were compared.The results showed that strain 8139had a strong drought resistance ,but a weak salt resistance.The root growth of both wheat strains was inhibited significantly under salt stress ,but stimulated slightly under drought stress.The net photosynthetic rate and water use efficiency of strain 8139were significantly different from those of G anmai No.8at every stage under both drought and salt stresses ,and its transpiration rate was significantly different from that of G an 2mai No.8only at 7th and 14th day after being stressed.The MDA content in strain 8139after being stressed for 7days was much lower than that in G anmai No.8under drought stress ,but there was no significant difference between the two strains under NaCl stress.Correspondingly ,there was no significant difference in the fructan content and SOD and APX activities between strain 8139and G anmai No.8,but a significant difference in GSH content was found under salt stress.Under drought stress ,the contents of fructan and GSH and the activities of SOD and APX in strain 8139were much higher than those in G anmai No.8at different stage ,and strain 8139exhibited a strong antioxidative de 2fence ability.K ey w ords Wheat ,Drought ,Salt ,Stress ,Antioxidative defence system. 3甘肃省科委“九五”攻关项目、中国科学院重点项目(B 类)(KZ9522S12216)和中国科学院海北生态定位站基金资助项目. 33通讯联系人. 1999-10-29收稿,2000-04-04接受.1　引 言不良环境诱发以及生物体代谢过程中产生的自由基对植物细胞膜有伤害作用,但在长期进化过程中,植物体自身产生一种保护系统来清除产生的自由基,以减轻危害[8],这套保护系统由非酶抗氧化保护剂(还原型谷胱甘肽GSH 、抗坏血酸等)和抗氧化保护酶类(超氧化物歧化酶SOD 、过氧化物酶POX 、过氧化氢酶CA T 、谷胱甘肽还原酶GR 等)组成[14].其中SOD 可清除O -・2,产生H 2O 2及分子O 2[1,15],CA T 和POX 均可清除H 2O 2[15],GR 则将氧化型谷胱甘肽(GSSR )还原为GSH ,通过GSH 与抗坏血酸系统偶联反应参与H 2O 2的降解[5,16].抗性生理学研究发现,干旱、盐碱、低温等各种逆境和作物生长发育与其体内抗氧化保护系统的变化相关[2,9,17,18].而且许多研究结果表明植物对不同胁迫有着类似的反应机理.如各种胁迫往往都导致植物体内积累脯氨酸[11]、可溶性糖[11]、GSH [9]、抗坏血酸[5]等,也引起了抗氧化保护酶类SOD 、CA T 、POX 、GR 等活性的变化[1,18].但目前对抗性的研究往往只集中于植物在单一胁迫下的抗性反应,而很少对同种植物对不同胁迫的响应进行研究.本实验拟通过比较干旱和盐胁迫对不同抗性小麦的生长及抗氧化保护系统的影响,分析同一植物对不同胁迫反应的差异性,并探讨其内在生理机制.2　材料与方法211　供试材料供试小麦为经抗旱性鉴定的抗旱品种8139(T riticum aes 2tiv um L.cv.8139)和干旱敏感性品种甘麦8号(T.aestiv um应用生态学报　2000年10月　第11卷　第5期 CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Oct.2000,11(5)∶718～722L.cv.G anmai No.8).种子浸种、催芽后均匀播在盛有石英砂的培养盆中,加入Hoagland培养液放置在PGV36型植物生长箱(加拿大产)中培养2周(19/9℃高温/低温,14/10h光照/黑暗),然后用PEG6000(20%)和NaCl(1.2%)分别进行胁迫培养2周,在胁迫前及胁迫后的第1、7、14天分别剪取小麦叶片进行各项指标的测定.212　研究方法21211相对生长率、相对含水量测定　按Colmer等的方法分别测定根、茎、叶的相对生长率及叶片相对含水量[3].21212光合作用分析　用CO2分析仪(美国)测定培养小麦在胁迫前及胁迫后的第1、7、14天的净光合速率、蒸腾速率及水分利用效率.21213膜脂过氧化测定　膜脂过氧化产物丙二醛(MDA)含量测定按照Dhindsa和Matowe的方法[4].称取叶片0.25g放置在研钵内,加入5ml蒸馏水和少许石英砂进行研磨.之后加入5ml 溶解于20%三氯乙酸(TCA)中的015%硫代巴比妥酸(TBA).混合物于95℃加热30min,之后于冰浴上迅速冷却.10000g离心10min后,在分光光度计上分别于532nm和600nm测定上清液的OD值.MDAΔEmol(532～600nm)=1155×105换算,以nmol・g-1FW表示.21214果聚糖和GSH含量的测定　通过硅胶薄层层析法(TLC)[12]测定果聚糖含量.称取叶片约013g,液氮研磨后,按1¬1的比例依次用水、80%乙醇、水对可溶性糖进行提取,之后用90%(v/v)丙酮对可溶性糖提取液层析两次,用80℃尿素喷雾显示后,以果聚糖(Sigma)为标准用薄层扫描仪对样品中的果聚糖进行定量分析.GSH含量采用DTNB(5,52二巯基22,22二硝基苯甲酸)显色法测定[6].叶片以1¬5(w/v)的5mM ED2 TA23%TCA溶液于低温提取,滤液加011M NaOH中和到p H710.反应液含015ml012M磷酸缓冲液,p H710,1145ml H2O,110μl5mM的DTNB,30min后于412nm测定光吸收.以不加DTNB为空白,由标准曲线计算得出叶片中GSH含量. 21215SOD和APX酶活性的测定　SOD活性测定按照刘鸿先等[7]的方法.根据SOD抑制氮蓝四唑(NB T)光化还原的原理, 3ml反应混合液中含有113μM核黄素、13mM甲硫氨酸、63μM NB T、0105M p H718的磷酸缓冲液,加入20μl酶液后在4000lx 荧光下照光15min,然后在560nm下测定光密度.以缓冲液代替酶液作空白,酶活性单位采用抑制光化还原NB T50%为一个酶活性单位.APX活性测定参照Nakano和Halliwell[10]的方法.1ml反应液中包括:25μM p H710的磷酸缓冲液,011mM H2O2,25mM AsA和50μl酶提取液.测定AsA在290nm处的氧化,克分子消光系数为ε=218mM-1cm-1.3　结果与分析311　干旱和盐胁迫对小麦生长的影响从表1可见,干旱与盐胁迫都对小麦茎和叶的生长有抑制作用,但两种胁迫对根的影响则有明显不同.表1　干旱和盐胁迫下两种小麦的相对生长速率及相对含水量3T able1R elative grow th rates and relative w ater contents in PEGand N aCl stressed wheat seedlings品　种Strains 处　理Treatment相对生长速率Relative growth rates根Root茎Shoot叶Leaf叶片相对含水量Relative water contentsof leaf(%)最小叶生长速率Growth rates of theyoungest leaf(cm・d-1)甘麦8号对照Control010200103801123961532179±0136 G anmai820%PEG010210102601066761381104±0128112%NaCl010060103301061711620183±0114 8139对照Control010190104201118971472161±0175 20%PEG010270100701082801081118±0116112%NaCl010020102501059761310162±0115 3表中所列数据为胁迫后第14天的数据.干旱胁迫略微促进了根的生长,而NaCl胁迫则对根的生长抑制严重.另外,在20%PEG胁迫下,抗旱小麦8139的根和叶的生长优于甘麦8号,而在盐胁迫下,两者差别并不明显.312　干旱和盐胁迫对小麦光合作用、蒸腾作用的影响利用CO2分析仪分别测定了PEG和NaCl胁迫下两种小麦的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(E)及水分利用效率(WU E).图1表明,胁迫前甘麦8号的净光合速率略高于8139,经PEG与NaCl胁迫之后,两种小麦的Pn均有所下降,之后渐呈上升趋势.PEG胁迫下,甘麦8号在胁迫后Pn的下降幅度较大,之后尽管有所上升,但上升幅度较小;而抗旱品种8139的Pn在胁迫之后的下降幅度则较小,与胁迫前相差不大.两种胁迫下,各时期两小麦品种的Pn均表现出明显差别(P<0105).由图2可知,PEG与NaCl胁迫下,两种小图1　干旱与盐胁迫下小麦净光合速率的变化Fig.1Changes of net photosynthetic rates in wheat leaves exposed to drought and salt conditions.0,1,7,14:胁迫处理天数Days under different stress treatment,h0:20% PEG胁迫下的甘麦8号G anmai No.8at20%PEG stress,h+:20% PEG胁迫下的8139strain8139at20%PEG stress,y0:112%NaCl胁迫下的甘麦8号G anmai No.8at112%NaCl stress,y+:112%NaCl胁迫下的8139strain8139at112%NaCl stress.下同The same below.9175期 任红旭等:抗旱性不同的小麦幼苗对水分和NaCl胁迫的反应 图2　干旱与盐胁迫下小麦蒸腾速率的变化Fig.2Changes of transpiration rates in wheat leaves exposed to drought and saltconditions.图3　干旱与盐胁迫下小麦水分利用效率的变化Fig.3Changes of water use efficiencies in wheat leaves exposed to drought and salt conditions.麦中的E 亦在胁迫后第1天即迅速下降,之后在第7天时略有上升,第14天时则又有所降低,胁迫后第7天与第14天8139的E 显著低于甘麦8号(P <0105).从图3可知,PEG 和NaCl 胁迫使两种小麦的WUE 都增大,且各取材时期8139的WUE 都明显大于甘麦8号(P <0105).比较而言,处于PEG 胁迫下的抗旱小麦8139有着较高的净光合速率与较大的水分利用效率.313　干旱和盐胁迫下果聚糖及抗氧化系统的变化由图4可见,干旱与盐胁迫下,两种小麦中的MDA 含量呈现出相同的变化规律,均随胁迫时间的延长而增大.经统计分析,PEG 胁迫下,8139中的MDA 含量在胁迫后第7天显著低于甘麦8号(P <0105),而在NaCl 胁迫下,各时期两者之间的差别不显著.从胁迫下果聚糖含量的变化来看(图5),PEG 胁迫下,8139中的果聚糖含量在胁迫后第7天显著高于甘麦8号(P <0105),而在NaCl 胁迫下,各时期两者之间均无显著差别.图6所示的数据表明,随胁迫时间的延长,两种小麦中的G SH 含量均呈下降趋势.且两种胁迫条件下,各时期两小麦品种之间都表现出明显的差别.干旱胁迫下,两种小麦中的SOD 活性呈逐渐上升趋势,胁迫后第7天与第14天,8139中的SOD 活性均显著高于甘麦8号(P <0105),而在NaCl 胁迫下,各时期两者之间的差别不显著(图7).如图8所示,PEG 胁迫下,两种小麦中的APX活性在处理后第1天便迅速上升,在第7天时略有降低,之后又开始上升,且在第7天与第14天时8139中的APX 活性均高于甘麦8号.NaCl 胁迫下的情况与PEG 处理的情况有所不同,两种小麦中的酶活性均在处理后第1天急剧上升,之后便呈下降趋势,图4　干旱与盐胁迫下小麦叶片中丙二醛含量的变化Fig.4Changes of MDA contents in wheat leaves exposed to drought and salt con 2ditions.图5　干旱与盐胁迫下小麦叶片中果聚糖含量的变化Fig.5Changes of fructan contents in wheat leaves exposed to drought and saltconditions.图6　干旱与盐胁迫下小麦叶片中还原型谷胱甘肽含量的变化Fig.6Changes of GSH contents in wheat leaves exposed to drought and salt con 2ditions.027应　用　生　态　学　报 11卷图7　干旱与盐胁迫下小麦叶片中超氧化物歧化酶活性的变化Fig.7Changes of the activities of SOD in wheat leaves exposed to drought andsaltconditions.图8　干旱与盐胁迫下小麦片中抗坏血酸过氧化物酶活性的变化Fig.8Changes of the activities of APX in wheat leaves exposed to drought andsalt conditions.且各时期两者之间无显著差别.4　讨 论411　植物对于干旱胁迫与盐胁迫的生理响应不同有关植物抗性生理,大多只是研究植物对于单一逆境的反应,而同时对两种抗性不同的植物对多种逆境发生反应进行研究的报道却不多.大量研究表明,干旱、盐碱、低温、高温等不同逆境引起的植物适应性反应,如抗氧化保护系统、渗透调节系统的变化都是非常相似的.同时许多实验也证明了抗性植物的抗氧化保护酶类活性高[1,4,13]、渗透调节物质及非酶抗氧化剂的含量也高[11,12].但实践经验表明,不同逆境对植物生长的影响效应是有明显差别的.因此,本实验通过比较干旱、盐胁迫下抗性不同的两种小麦的生长及抗氧化保护系统的变化,证明了不同逆境胁迫下,植物的适应性反应有着其相似性,但也有明显不同.与PEG 这类不能通过细胞质膜的渗压剂所引起的渗透胁迫相比,尽管NaCl 胁迫也造成植物组织脱水,但在造成这种效应的同时,也使植物处于高浓度的离子环境当中,而这些离子是可以穿过细胞膜的.这就使得植物所处的环境既有着相同之处又有所区别,不同的环境因子以截然不同的方式、时间、部位和强度作用于植物,植物也以不同的方式作出相应不同的反应.从干旱、盐胁迫下两种抗性不同的小麦品种的生长来看,两种胁迫都对小麦茎和叶的生长有抑制作用,但干旱胁迫下根的生长不仅未受抑制,反而略有促进,而在盐胁迫下,根的生长则受到了强烈的抑制.由此可见,两种胁迫方式对于植物各部分生长的影响是不同的.在为期14d 的干旱胁迫过程中,抗旱品种8139仍保持了旺盛的光合作用,并将蒸腾作用降至较低水平,从而使植物具有较高的水分利用效率,而敏感品种的水分利用效率则明显低于抗旱品种;而在NaCl 胁迫下,两小麦品种之间的差异不及干旱胁迫下显著.由此可见,植物对于不同胁迫方式的响应也是有着明显不同的.抗旱品种对于干旱具有较强的抗性,而对于盐胁迫的抗性则与敏感品种没有明显差别.412　植物对于干旱胁迫及盐胁迫的生理响应不同有其内部生理机制植物在逆境下产生渗透调节是对逆境的一种适应性反应,其主要生理作用就是完全或部分地维持细胞膨压,从而有益于其他生理过程.此外,自由基清除剂在帮助植物抵御由逆境胁迫所产生的氧化伤害方面也起着重要的作用.其中,抗氧化酶类是植物抵抗氧化胁迫的关键因素[14].PEG 胁迫下,胁迫后第7天与第14天,8139中的果聚糖、G SH 含量及SOD 、APX 活性明显高于甘麦8号,表现出干旱胁迫下8139具有较强的渗透调节能力和抗氧化能力.而在NaCl 胁迫下,两品种之间并未表现出明显的差别.由此推测,基于其内部生理机制的差别,干旱胁迫下,具有较强自我调节能力的抗性品种其生长状况明显优于敏感品种;而在盐胁迫下,由于两个品种之间并未在渗透调节能力和抗氧化能力上表现出明显差别,因而在生长状况上也没有明显的差别.参考文献1　Anders on MD ,Prasad TK,Stewart CR.1995.Changes in is ozyme pro 2files of catalase ,peroxidase ,and glutathione reductase during acclimation to chilling in mes ocotyls of maize 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different stress pretreatment.Acta Bot Sin(植物学报),39(4):308～314(in Chinese)作者简介　任红旭,女,1972年生,博士,从事植物生理生态学及逆境生物学的研究,发表论文多篇.现在中国科学院兰州寒区旱区环境与工程研究所做博士后.E2mail:hxren@欢迎订阅2001年《应用生态学报》《应用生态学报》(1990年创刊)是经国家科委批准、科学出版社出版的国内外公开发行的综合性学术刊物.本刊宗旨是坚持理论联系实际的办刊方向,结合科研、教学、生产实际,报导生态科学诸领域在应用基础研究方面具有创新的研究成果,交流基础研究和应用研究的最新信息,促进生态学研究为国民经济建设服务. 本刊专门登载有关应用生态学(主要包括森林生态学、农业生态学、草地牧业生态学、渔业生态学、自然资源生态学、全球生态学、污染生态学、生态工程学等)的综合性论文、创造性研究报告和研究简报等. 本刊读者对象主要是从事生态学、地学、林学、农学和环境科学研究、教学、生产的科技工作者,有关专业的大学生及经济管理和决策部门的工作者. 本刊与数十家相关学报级期刊建立了长期交换关系,《中国科学引文索引》、《中国生物学文摘》、美国《生物学文摘》(BA)、美国《化学文摘》(CA)、英国《生态学文摘》(EA)、日本《科学技术文献速报》(C BST)和俄罗斯《文摘杂志》(PЖ)等十几种权威检索刊物均收录本刊的论文摘要(中英文),并被中国科学技术信息研究所列入中国科技论文统计用期刊之一.本刊的整体质量与水平已达到新的高度,1992年荣获全国优秀科技期刊三等奖和中国科学院优秀期刊二等奖,1996年荣获中国科学院优秀期刊三等奖.1993年入选最新“中国自然科学核心期刊”.本刊为双月刊,A4开本,160页,逢双月18日出版,期定价20.00元,全国各地邮政局(所)均可订阅,邮发代号8298.错过订期也可直接向本刊编辑部邮购,个人订阅优惠30%.地址:110015　辽宁省沈阳市文化路72号《应用生态学报》编辑部.电话:(024)23916250,E2mail:cjae@227应　用　生　态　学　报 11卷。