禾谷縊管蚜對(duì)三個(gè)小麥品種幼苗保護(hù)酶的影響

張廷偉, 劉長(zhǎng)仲

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院,草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730070)

禾谷縊管蚜對(duì)三個(gè)小麥品種幼苗保護(hù)酶的影響

張廷偉, 劉長(zhǎng)仲*

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院,草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730070)

[目的]研究禾谷縊管蚜對(duì)3個(gè)小麥品種幼苗保護(hù)酶的影響。[方法]采用室內(nèi)人工接蟲的方法,研究‘XM800’(高抗)、‘Selkirk Yr27’(中抗)和‘蘭天 24號(hào)’(高感)3種不同抗蚜小麥品種受禾谷縊管蚜[Rhopalosiphum padi(L.)]為害初期幼苗體內(nèi)SOD、POD、PPO等酶活性的變化。[結(jié)果]禾谷縊管蚜為害后,在一定時(shí)期內(nèi)3個(gè)小麥品種的SOD、POD、PPO活性都呈上升趨勢(shì),且品種抗性越強(qiáng),酶活力增加越明顯;3個(gè)小麥品種之間SOD、POD、PPO活性差異顯著(p＜0.05)。[結(jié)論]3個(gè)小麥品種 SOD、POD、PPO活性變化的差異,基本反映了其田間抗蚜性的差異水平。

禾谷縊管蚜; 小麥幼苗; 保護(hù)酶; SOD; PPO; POD

植食性昆蟲與植物協(xié)同進(jìn)化的結(jié)果是植食性昆蟲有其特定的取食范圍,植物對(duì)昆蟲具有防御能力,兩者存在相互適應(yīng)的現(xiàn)象。植物為抵抗昆蟲的為害,在長(zhǎng)期進(jìn)化過程中形成了不選擇性、抗生性和耐害性三種防御機(jī)制,其中起主導(dǎo)作用的是植物的抗生性[1-3]。近年來,已有許多研究工作證實(shí)害蟲的脅迫能引起植物的生理應(yīng)激反應(yīng)[4-7],產(chǎn)生對(duì)昆蟲有防御效應(yīng)的次生代謝物質(zhì)[8-12],同時(shí),還可引起植物防御酶活力的變化[13-15]。目前大量的對(duì)植物保護(hù)酶活性變化的研究多集中在苜蓿[16-17]、黃瓜[18-19]、水稻[20]等作物,并且研究結(jié)果表明超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)以及多酚氧化酶(PPO)在植物的抗性過程中起著重要作用,然而當(dāng)前對(duì)昆蟲取食引起小麥保護(hù)酶變化的研究還比較少。

禾谷縊管蚜[Rhopalosiphum padi(L.)]是小麥苗期生產(chǎn)中的重要害蟲之一,對(duì)小麥產(chǎn)量和品質(zhì)以及糧食安全造成重大威脅。傳統(tǒng)的小麥蚜蟲防治方法是施用殺蟲劑,但化學(xué)農(nóng)藥容易引起 “3R問題”不能作為解決小麥蚜蟲危害的長(zhǎng)久之計(jì)。因此,利用作物抗蟲性防治害蟲是理想方法,而優(yōu)異的抗性資源是進(jìn)行作物抗蟲育種的基礎(chǔ)。田間抗蚜性研究表明,小麥品種間對(duì)蚜蟲的抗性存在顯著差異[21],‘XM800’、‘Selkirk Yr27’和‘蘭天 24 號(hào)’3個(gè)品種(品系)田間抗蚜性鑒定結(jié)果分別表現(xiàn)為高抗(HR)、中抗(MR)和高感(HS)。本試驗(yàn)在田間抗性鑒定的基礎(chǔ)上,探討了3個(gè)不同抗蚜小麥品種(品系)在禾谷縊管蚜為害后植株內(nèi)超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和多酚氧化酶(PPO)活性的差異,為小麥抗蟲育種以及禾谷縊管蚜的持續(xù)控制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)處理

試驗(yàn)所用小麥‘XM800’、‘Selkirk Yr27’和‘蘭天24號(hào)’田間表現(xiàn)分別為高抗、中抗和高感類型,種子由甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所提供,試驗(yàn)所用蚜蟲是禾谷縊管蚜。將種子用濃度1%的雙氧水浸種[22],在20℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)處理24 h后播種于塑料杯中育苗,于室內(nèi)陽(yáng)光充足的地方培養(yǎng)(室溫24±1℃)10 d后,選取長(zhǎng)勢(shì)相近的小麥接蟲20頭/株,以不接蟲為對(duì)照。接蟲后1、3、5 d分別剪取未接蟲和接蟲植株以備測(cè)定。試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.2 酶活力測(cè)定

超氧化物歧化酶(SOD)酶液提取和測(cè)定參照張憲政的方法[23],以單位時(shí)間內(nèi)抑制光化還原50%的氯化硝基四氮唑藍(lán)(NBT)為一個(gè)酶活性單位(U)。過氧化物酶(POD)活性測(cè)定,采用愈創(chuàng)木酚法[24],將磷酸緩沖液、0.05 mol/L愈創(chuàng)木酚和2%H2O2按照2.9∶1∶1 的比例混合,在 37 ℃條件下保溫,加入0.1 mL酶液,立即于37℃中保溫15 min,然后迅速轉(zhuǎn)入冰浴中,并加入2.0 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的三氯乙酸終止反應(yīng),搖勻后在470 nm比色。酶活性用每克鮮重葉片1 min內(nèi)A470變化0.01為一個(gè)過氧化物酶活性單位。多酚氧化酶(PPO)酶液提取和測(cè)定采用薛應(yīng)龍的方法[25],酶活性用每克鮮重葉片1 min內(nèi)A495變化0.01為一個(gè)過氧化物酶活性單位。

1.3 數(shù)據(jù)處理

以上各試驗(yàn)處理所測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù),在Excel和SPSS16.0分析統(tǒng)計(jì)軟件中利用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥不同品種SOD活性的差異

由圖 1可知,在接禾谷縊管蚜前,高抗品種‘XM800’的SOD活性最高,高感品種‘蘭天24號(hào)’最低,中抗品種‘Selkirk Yr27’居中,方差分析表明3個(gè)小麥品種間SOD活性存在極顯著差異(p＜0.01)。接蚜后隨刺吸脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),3個(gè)小麥品種葉組織內(nèi)SOD活性都呈上升趨勢(shì),但各品種的SOD活性仍然存在極顯著差異(p＜0.01)。品種抗性越強(qiáng),接蚜后SOD活性增長(zhǎng)越快。接蚜后第 1天,高抗品種SOD活性比對(duì)照增加17.02%,中抗品種增加9.98%,而高感品種僅增加5.15%;接蚜后第5天,高抗品種SOD活性比對(duì)照增加35.72%,中抗品種增加33.13%,高感品種增加27.71%。由表1可以看出,禾谷縊管蚜為害后3個(gè)小麥品種幼苗葉片SOD活性的變化量存在極顯著差異(p＜0.01),品種抗性越高,SOD活性比同期對(duì)照的變化量越大。

表1 禾谷縊管蚜為害后3個(gè)小麥品種幼苗葉片SOD活性的變化量1) U?g-1

圖1 禾谷縊管蚜為害后3個(gè)小麥品種幼苗葉片的SOD活性

2.2 小麥不同品種POD活性的差異

方差分析表明,在接禾谷縊管蚜前3個(gè)小麥品種間POD活性差異極顯著(p＜0.01)。由圖2可以看出,接蚜后各小麥品種POD的活性都比接蚜前顯著提高,在接蚜后1～5 d內(nèi),隨著刺吸脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),3個(gè)小麥品種葉組織內(nèi)POD活性都呈上升趨勢(shì);接蚜后第3天和第5天,POD活性顯著增強(qiáng),而且高抗品種POD活性迅速增加,而高感品種POD活性增加緩慢。接蚜后第1天,高抗品種POD活性比同期對(duì)照增加19.85%,中抗品種增加3.05%,而高感品種僅增加1.43%;接蚜后第5天,高抗品種POD活性比同期對(duì)照增加75.21%,中抗品種增加70.87%,而高感品種僅為27.93%。禾谷縊管蚜為害后3個(gè)小麥品種幼苗葉片POD活性的變化量存在極顯著差異(p＜0.01,表2)。

圖2 禾谷縊管蚜為害后3個(gè)小麥品種幼苗葉片的POD活性

表2 禾谷縊管蚜為害后3個(gè)小麥品種幼苗葉片POD活性的變化量1) U?g-1

2.3 小麥不同品種PPO活性的差異

由圖3可知,接蚜前3個(gè)小麥品種PPO活性高抗品種‘XM800’最高,中抗品種‘Selkirk Yr27’次之,高感品種‘蘭天24號(hào)’最低。接蚜后,處理組的PPO活性增加明顯比對(duì)照組快,但不同抗性品種的增長(zhǎng)率存在差異。接蚜后第1天,高抗品種PPO活性比同期對(duì)照增加16.4%,中抗品種增加5.11%,高感品種增加6.39%,高抗品種PPO活性增長(zhǎng)率明顯高于中抗品種和高感品種;第5天,高抗品種PPO活性比同期對(duì)照增加51.38%,中抗品種增加25.53%,而高感品種僅增加17.56%。禾谷縊管蚜為害后第1天和第3天,高抗品種‘XM800’的PPO活性變化量與中抗品種‘Selkirk Yr27’和高感品種‘蘭天24號(hào)’存在極顯著差異(p＜0.01),而中抗品種‘Selkirk Yr27’和高感品種‘蘭天24號(hào)’之間無顯著差異;禾谷縊管蚜為害后第5天,3個(gè)品種間PPO活性變化量均存在極顯著差異(p＜0.01,表3)。

表3 禾谷縊管蚜為害后3個(gè)小麥品種幼苗葉片PPO活性的變化量1) U?g-1

圖3 禾谷縊管蚜為害后3個(gè)小麥品種幼苗葉片的PPO活性

3 討論

一般情況下,細(xì)胞內(nèi)的活性氧與保護(hù)酶系統(tǒng)之間保持著平衡[26]。逆境下可使植物體內(nèi)正常氧代謝受干擾,導(dǎo)致植物體內(nèi)氧自由基含量增加和積累,誘發(fā)或加速膜脂過氧化作用鏈?zhǔn)椒磻?yīng)從而導(dǎo)致膜系統(tǒng)受損,引起細(xì)胞膜透性的增加及電解質(zhì)的滲漏,最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡和組織受到破壞,而超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和多酚氧化酶(PPO)是植物對(duì)膜脂過氧化的酶促防御系統(tǒng)中重要的保護(hù)酶。SOD在細(xì)胞保護(hù)酶系統(tǒng)中的作用是清除超氧自由基,同時(shí)產(chǎn)生歧化性產(chǎn)物H2O2。POD在保護(hù)酶系統(tǒng)中主要是起到酶促降解H2O2的作用,從而使植物抵抗在逆境脅迫下代謝過程產(chǎn)生的有害物質(zhì)對(duì)細(xì)胞的傷害,表現(xiàn)出一定的抗逆性[28]。有研究表明,POD、PPO與細(xì)胞壁合成有關(guān),有利于刺吸式口器害蟲為害后造成的細(xì)胞壁損傷的修復(fù)和未損傷的細(xì)胞壁進(jìn)一步加厚,以防進(jìn)一步刺吸為害;同時(shí)POD、PPO活性的升高使木質(zhì)素的合成加快,進(jìn)而促進(jìn)植物體內(nèi)抗蚜次生物質(zhì)酚類化合物的合成,而PPO可把酚類物質(zhì)氧化為毒性更強(qiáng)的醌,以提高抗性[14,17,28]。

本試驗(yàn)研究表明,在禾谷縊管蚜脅迫初期隨著刺吸脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),3個(gè)小麥品種幼苗葉片中SOD、POD、PPO活性都呈上升趨勢(shì)。而且3個(gè)不同抗性的品種之間3種保護(hù)酶的上升幅度和變化量存在顯著差異,高抗品種‘XM800’上升幅度最大,表明植株體抗性最強(qiáng),即防御機(jī)制最強(qiáng)。3個(gè)小麥品種SOD、POD、PPO活性變化的差異,基本反映了其田間抗蚜性的差異水平,表明小麥的抗蚜性與保護(hù)酶的活性有關(guān)。SOD、POD及PPO活性的高低能否被用來作為小麥抗蚜育種中篩選抗性材料的生化指標(biāo)還有待進(jìn)一步研究。

[1]周明牂.作物抗蟲性原理及應(yīng)用[M].北京:北京農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社,1992.

[2]朱麟,古德祥.植物抗蟲性概念的當(dāng)代內(nèi)涵[J].昆蟲知識(shí),1999,36(6):355-360.

[3]朱俊洪,程立生.植物次生性物質(zhì)與植物抗蟲性的關(guān)系及其在害蟲防治中的應(yīng)用前景[J].華南熱帶農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,7(1):26-32.

[4]Woodhead S,Bernays E.Changes in release rates of cyanide in relation to palatability ofSorghumto insects[J].Nature,1977,270:235-236.

[5]朱麟,楊振德,趙博光,等.植食性昆蟲誘導(dǎo)的植物抗性最新研究進(jìn)展[J].林業(yè)科學(xué),2005,41(1):165-173.

[6]Bryant J P,Reicherdt P B.Effects of mineral nutrition on delayed inducible resistance in Alaska paper birch[J].Ecology,1993,74(7):2072-2084.

[7]Hunter M D,Schultz J C.Fertilization mitigates chemical induction and herbivore responses within damaged oak trees[J].Ecology,1995,76(4):1226-1232.

[8]張瑛,嚴(yán)福順.蟲害誘導(dǎo)的植物揮發(fā)性次生物質(zhì)及其在植物防御中的作用[J].昆蟲學(xué)報(bào),1998,41(2):204-214.

[9]李慶,楊群芳.氧肟酸在植物抗蟲性中的作用[J].四川農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2000,18(4):374-376.

[10]Leszcynksi B,Wright L C,Bakowski T.Effect of second arg plant substances on winter wheat resistance to grain aphid[J].Exp Appl,1989,52:135-139.

[11]劉保川,陳巨蓮,倪漢樣,等.小麥中黃酮類化合物對(duì)麥長(zhǎng)管蚜生長(zhǎng)發(fā)育的影響[J].植物保護(hù)學(xué)報(bào),2003,30(1):8-12.

[12]李慶,葉華智,楊群芳,等.若干生化指標(biāo)與山羊草對(duì)禾谷縊管蚜抗性的關(guān)系[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2003,36(9):1038-1043.

[13]康樂.植物對(duì)昆蟲的化學(xué)防御[J].植物學(xué)通報(bào),1995,12(4):22-27.

[14]秦秋菊,高希武.昆蟲取食誘導(dǎo)的植物防御反應(yīng)[J].昆蟲學(xué)報(bào),2005,48(1):125-134.

[15]謝春艷,賓金華,陳兆平,等.多酚氧化酶及其生理功能[J].生物學(xué)通報(bào),1999,34(6):11-13.

[16]袁慶華,桂枝,張文淑.苜?？垢泻职卟∑贩N內(nèi)超氧化物歧化酶、過氧化物酶和多酚氧化酶活性的比較[J].草業(yè)學(xué)報(bào),2002,11(2):100-104.

[17]劉長(zhǎng)仲,蘭金娜.苜蓿斑蚜對(duì)三個(gè)苜蓿品種幼苗氧化酶的影響[J].草地學(xué)報(bào),2009,17(1):32-35.

[18]李保聚,李鳳云.黃瓜不同抗性品種感染黑星病菌后過氧化物酶和多酚氧化酶的變化[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),1998,31(1):86-88.

[19]吳鳳芝,黃彩紅,趙鳳艷.酚酸類物質(zhì)對(duì)黃瓜幼苗生長(zhǎng)及保護(hù)酶活性的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2002,35(7):821-825.

[20]張金鋒,薛慶中.稻飛虱為害脅迫對(duì)水稻植株內(nèi)主要保護(hù)酶活性的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2004,37(10):1487-1491.

[21]李鳳珍,吉萬(wàn)全,吳金華.小麥抗蚜研究新進(jìn)展[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,32(增刊):73-77.

[22]李霞.休眠期小麥種發(fā)芽試驗(yàn)[J].種子世界,2000(8):31.

[23]張憲政.作物生理研究法[M].北京:農(nóng)業(yè)出版社,1992.

[24]哈爾濱工業(yè)大學(xué).植物生理實(shí)驗(yàn)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2004:46-49.

[25]薛應(yīng)龍.植物生理實(shí)驗(yàn)手冊(cè)[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1985:138-139.

[26]Prasad T K.Mechanism of chilling-induced oxidative stress injury and tolerances in developing maize seedlings:changes in antioxidant system,oxidation of proteins and lipids and protease activities[J].Plant J,1996,10(6):1017-1026.

[27]Cao X Q.The effect of membrane-lipid proxidation on cell and body[J].Prog Biochem Biophy s,1986(2):17-23.

[28]Havlickova H,Cvikrova M,Eder J.Changes in the pattern of phenolic acids induced by aphid infestation in two winter wheat cultivars[J].Bulletin OILB-SROP,1996,19(5):106-110.

Influences of Rhopalosiphum padi on oxidases of three wheat seedlings

Zhang Tingwei, Liu Changzhong
(Key Laboratory of Grassland Ecosystem,Ministry of Education,College of Grassland Sciences,Gansu Agricultural University,Lanzhou730070,China)

[Objective]It is necessary to study the relationships between aphid stress and oxidases in different wheat varieties for breeding of resistant wheat varieties and sustainable control of aphids.[Method]The changes in the activity of SOD,POD and PPO were studied in seedling leaves of three wheat varieties,namely ‘XM800’(high resistance),‘Selkirk Yr27’(moderate resistance)and ‘Lantian NO.24’(highly susceptible),infested byRhopalosiphum padiL.through artificial inoculation in the laboratory.[Result]The activities of SOD,POD and PPO in seedling leaves of the three wheat varieties increased significantly along with the increase of days after inoculation,and the stronger the resistance of varieties,the more significant the increase of the enzyme activity.the activities of SOD,POD and PPO were significantly different among the three wheat varieties(p＜0.05).[Conclusion]The differences in activities of the protective enzymes in the three different aphid resistant wheat varieties were consistent with their resistant performances in the fields.

Rhopalosiphum padi; wheat seedling; oxidase; SOD; PPO; POD

S 435.122.2

A

10.3969/j.issn.0529-1542.2011.04.015

2010-05-24

2010-07-09

“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2006BAD08A05)

*通信作者E-mail:liuchzh@gsau.edu.cn