油菜素內(nèi)酯對干旱脅迫下辣椒葉片活性氧代謝的影響

胡文海，閆小紅，詹秀花，曾志鋒，曾守鑫

油菜素內(nèi)酯對干旱脅迫下辣椒葉片活性氧代謝的影響

*胡文海1,2，閆小紅1,2，詹秀花3，曾志鋒1，曾守鑫1

（1. 井岡山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江西，吉安 343009；2. 江西省生物多樣性與生態(tài)工程重點實驗室，江西，吉安 343009；3. 江西省茶葉學(xué)校，江西，婺源 333200）

以辣椒品種湘研6號為材料，研究了干旱脅迫下0.05 mg/L的油菜素內(nèi)酯（BR）對辣椒葉片活性氧代謝的影響。研究表明，干旱脅迫顯著抑制了辣椒葉片凈光合速率（Pn）、PSII光合電子傳遞量子效率（ΦPSII）和光化學(xué)猝滅系數(shù)（qP），雖然干旱脅迫誘導(dǎo)了非光化學(xué)猝滅系數(shù)（NPQ）以及超氧化物歧化酶（SOD）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）、過氧化氫酶（CAT）和過氧化物酶（POD）的酶活性，但仍導(dǎo)致葉片PSII最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）的下降和過氧化氫（H2O2）和丙二醛（MDA）含量的大幅上升；油菜素內(nèi)酯有效地促進了干旱脅迫下辣椒葉片Pn、ΦPSII、qP和NPQ的增強，也顯著增強了SOD、APX、CAT和POD的酶活性，從而減輕了干旱脅迫所導(dǎo)致的Fv/Fm的下降和H2O2和MDA含量的增加。結(jié)果表明，油菜素內(nèi)酯可通過增強碳同化和熱耗散能力，并誘導(dǎo)抗氧化酶活性的增加，以促進作物的抗旱性。

辣椒；油菜素內(nèi)酯；抗旱性；活性氧代謝

干旱脅迫是影響作物產(chǎn)量與品質(zhì)的主要逆境因子。干旱脅迫常引起光合作用的下降，并導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)活性氧（ROS）的大量產(chǎn)生[1]。然而植物在長期進化過程中也形成系統(tǒng)的活性氧防御與清除機制，以減少活性氧的產(chǎn)生與積累[2-3]。葉綠體是植物細(xì)胞中活性氧產(chǎn)生的主要源頭之一，研究表明逆境脅迫下光合電子傳遞中的熱耗散作用和光合碳同化可有效地減少葉綠體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生[4]。同時，植物也進化出了一整套活性氧清除酶系統(tǒng)，植物細(xì)胞中主要的抗氧化酶有超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）和過氧化物酶（POD）[5-6]。油菜素內(nèi)酯（BR）作為一種新型的植物激素，其增強作物抗性的研究已受到廣泛關(guān)注。研究表明油菜素內(nèi)酯可顯著增強作物的耐冷性[7]、抗鹽性[8]和抗旱性[9-10]等，同時油菜素內(nèi)酯也能促進植物光合作用的進行[11]。然而對于干旱脅迫下油菜素內(nèi)酯對于辣椒葉片光合作用和光合電子傳遞的影響，及其與活性氧代謝之間的關(guān)系方面的研究較少，為此我們以夏季常見蔬菜作物辣椒為材料，研究油菜素內(nèi)酯對干旱脅迫下辣椒光合作用及活性氧代謝的影響，以期探索油菜素內(nèi)酯增強辣椒抗旱性的作用機制。

1 材料與方法

供試?yán)苯菲贩N為湘研6號。試驗于井岡山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物園內(nèi)進行。挑選籽粒飽滿的種子播種于草炭土：河沙（1:1，V:V）的基質(zhì)中，保持土壤濕潤，待70%以上種子出苗后進行正常水肥管理，營養(yǎng)液為1/2日本園試營養(yǎng)液，幼苗3-4片真葉時移栽到高度為30 cm×30 cm的塑料花盆中，基質(zhì)同播種基質(zhì)，每盆1株，土壤含水量為80%以上，保持充足的水分和養(yǎng)料供應(yīng)。當(dāng)幼苗7-8片真葉時，選擇長勢好且無病蟲害的幼苗進行以下四處理：（1）對照（CK）：保持土壤相對含水量80%以上，噴施含有與配制BR相同濃度酒精的蒸餾水；（2）BR處理（CK+BR）：保持土壤相對含水量80%，處理前在葉面均勻噴施0.05 mg/L BR溶液；（3）干旱處理（D）：保持土壤相對含水量40%~50%；（4）BR與干旱共同處理（D+BR）：保持土壤相對含水量40%~50%，處理前在葉面均勻噴施0.05 mg/L BR溶液。于處理第5 d選擇植株上部成熟葉片測定其凈光合速率和葉綠素?zé)晒鈪?shù)，并取樣測定其過氧化氫和丙二醛含量和抗氧化酶活性。實驗5次重復(fù)。

用Ciras-1型光合儀在600 μmol·m-2·s-1光強下測定葉片的凈光合速率（Pn）。用FMS2型葉綠素?zé)晒鈨x測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)，葉片暗適應(yīng)30 min后，測定暗適應(yīng)下的初始熒光Fo和最大熒光Fm，隨后打開光化光（600 μmol·m-2·s-1）照射10 min后測定光適應(yīng)下的穩(wěn)態(tài)熒光Fs和光下最大熒光Fm’，并計算暗適應(yīng)下PSII最大光化學(xué)效率Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm，PSII光合電子傳遞量子效率ΦPSII=(Fm’-Fs)/Fm’，光化學(xué)猝滅系數(shù)qP=(Fm’-Fs)/(Fm’-Fo’)，非光化學(xué)猝滅系數(shù)NPQ=1-Fm’/Fm。

H2O2含量的測定按Zhou等的方法[12]進行測定。MDA含量依據(jù)Hu等的方法[13]測定。SOD活性按Giannopolitis和Ries的方法[14]測定，酶活性采用抑制NBT光化學(xué)反應(yīng)50%為一個酶活性單位表示。采用Nakano和Asada的方法[15]測定APX的活性。采取Cakmak的方法[16]測定POD和CAT活性。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計采用SPSS 11.5軟件進行方差分析，差異顯著性采用最小顯著性差異（LSD）檢驗在< 0.05水平上進行分析。圖與表中不同字母表示在5%水平上處理間具有顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 油菜素內(nèi)酯對干旱脅迫下辣椒葉片凈光合速率和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

表1顯示，干旱脅迫5d導(dǎo)致辣椒葉片凈光合速率的顯著下降，BR處理可顯著促進正常條件下辣椒葉片凈光合速率的上升，也可有效緩解干旱脅迫導(dǎo)致的凈光合速率下降。正常水分條件下，油菜素內(nèi)酯并未引辣椒葉片F(xiàn)v/Fm和NPQ的變化，但對ΦPSII和qP有促進作用；干旱脅迫導(dǎo)致Fv/Fm、ΦPSII和qP的顯著下降，但誘導(dǎo)了NPQ的明顯上升；BR處理則可減緩干旱脅迫下辣椒葉片F(xiàn)v/Fm、ΦPSII和qP的下降，并顯著促進了NPQ的增加。

表1 油菜素內(nèi)酯對干旱脅迫下辣椒葉片凈光合速率和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

2.2 油菜素內(nèi)酯對干旱脅迫下辣椒葉片膜質(zhì)過氧化的影響

圖1 油菜素內(nèi)酯對干旱脅迫下辣椒葉片H2O2和MDA含量的影響

油菜素內(nèi)酯對干旱脅迫下辣椒葉片膜質(zhì)過氧化的影響如圖1所示。在正常水分條件下，油菜素內(nèi)酯并未引起辣椒葉片MDA含量的增加，但葉片中H2O2含量則稍有上升；干旱脅迫導(dǎo)致辣椒葉片H2O2和MDA含量的顯著增加，而油菜素內(nèi)酯則可減輕干旱脅迫下辣椒葉片的H2O2和MDA含量。

2.3 BRs預(yù)處理對干旱脅迫下辣椒葉片中抗氧化酶活性的影響

由圖2可知，正常水分條件下，油菜素內(nèi)酯并未引起辣椒葉片中SOD活性的增加，但APX、CAT和POD的活性則稍有增加。干旱脅迫誘導(dǎo)了SOD、APX、POD和CAT活性的顯著上升。與干旱脅迫植株相比，雖然BR處理后的辣椒葉片在干旱脅迫下其SOD、APX和POD活性沒有差異，但CAT的活性高于干旱脅迫下辣椒葉片中相應(yīng)酶的活性。

圖2 油菜素內(nèi)酯對干旱脅迫下辣椒葉片SOD，APX，CAT和POD活性的影響

3 討論

植物在需氧代謝過程中不可避免地會產(chǎn)生活性氧，但只有當(dāng)植物遭受逆境脅迫時，活性氧的產(chǎn)生與清除動態(tài)平衡才會遭到破壞，并導(dǎo)致氧化脅迫的發(fā)生[2-3]。葉綠體是植物體內(nèi)活性氧產(chǎn)生的主要源頭之一，在正常情況下植物葉綠體吸收光能所產(chǎn)生的能量（NADPH）與Calvin循環(huán)中碳同化所需的能量（NADPH）之間形成動態(tài)平衡，這種能量吸收與利用之間的平衡不會對植物產(chǎn)生傷害。然而作物在干旱脅迫下由于光合碳同化能力的下降，最終導(dǎo)致對ATP和NADPH需求的減少，使得葉綠體內(nèi)吸收光能利用下降，引起葉綠體內(nèi)活性氧產(chǎn)率的上升[4]。研究表明，干旱脅迫顯著降低了辣椒葉片Pn、ΦPSII和qP，雖然干旱脅迫誘導(dǎo)了NPQ的上升和SOD、APX、CAT和POD四種抗氧化酶活性的增強（表1、圖2），最終導(dǎo)致了葉片F(xiàn)v/Fm的下降和H2O2和MDA含量的大幅上升（表1、圖1）。這說明干旱脅迫導(dǎo)致光合碳同化作用的下降，使得葉片吸收光能的利用能力下降，雖然干旱脅迫誘導(dǎo)了辣椒葉片熱耗散能力和抗氧化酶活性的增強，但仍導(dǎo)致了葉片光抑制程度的增加，并促進了葉片中活性氧產(chǎn)率的上升和細(xì)胞膜質(zhì)過氧化程度的加劇。

油菜素內(nèi)酯具有增強作物對逆境的抗性作用[17]。研究表明油菜素內(nèi)酯可促進干旱脅迫下大豆和文冠果葉片抗氧化酶活性，以增強作物的抗旱性[18-19]，吳曉麗等的研究[20]也表明油菜素內(nèi)酯可增強干旱脅迫下花椰菜幼苗葉片的光合作用和抗氧化能力，但相關(guān)研究較少考慮活性氧產(chǎn)生與清除平衡機制之間的關(guān)系。我們的研究表明油菜素內(nèi)酯處理顯著地減緩了干旱脅迫所導(dǎo)致的葉片F(xiàn)v/Fm的下降和H2O2及MDA含量的上升（表1、圖1），與此同時油菜素內(nèi)酯有效地促進干旱脅迫下辣椒葉片Pn、ΦPSII和qP的進行和NPQ的增強（表1），也顯著增強了SOD、APX、CAT和POD四種抗氧化酶活性（圖2）。這表明油菜素內(nèi)酯可通過增強干旱脅迫下辣椒光合碳同化能力，以促進葉片吸收光能的利用，同時還能通過增強熱耗散能力，從兩方面減少光合電子傳遞過程中過剩電子的產(chǎn)生，同時還能通過誘導(dǎo)葉片中抗氧化酶活性的增強，最終減少了活性氧的產(chǎn)生與積累。我們在研究中還發(fā)現(xiàn)在正常水分條件下，BR處理可誘導(dǎo)葉片中H2O2含量的微量上升和APX、CAT和POD三種H2O2清除酶的活性的增強，這表明油菜素內(nèi)酯可能是通過誘導(dǎo)信號H2O2的最終誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)抗氧化酶活性的增強[21]。

綜上所述，干旱脅迫抑制了辣椒葉片光合碳同化能力，引起光合電子傳遞受阻，促進了葉片中活性氧的產(chǎn)生與積累；但干旱脅迫也可誘導(dǎo)作物葉片熱耗散能力和抗氧化酶活性的增強，以減輕脅迫對作物的傷害；BR具有增強作物耐旱性的作用，其可能的作用機制為BR可通過增強碳同化和熱耗散能力，以減少光合電子傳遞過程中過剩電子的產(chǎn)生，BR也可通過誘導(dǎo)活性氧清除酶活性的增強，以減少活性氧的積累，增強作物對干旱脅迫的耐性。并且BR誘導(dǎo)抗氧化酶活性的增強可能是基于信號分子H2O2對抗氧化酶的誘導(dǎo)作用。

[1] Hu W H, Xiao Y A, Zeng J J, et al. Photosynthesis, respiration and antioxidant enzymes in pepper leaves under drought and heat stresses [J]. Biologia Plantarum, 2010, 54:761-765.

[2] Asada K. Ascorbate peroxidase: a hydrogen peroxide- scavenging enzyme in plants [J]. Physiologia Plantarm, 1992, 85:235-241.

[3] Neill S J, Desikan R, Clarke A, et al. Hydrogen peroxide and nitric oxide as signaling molecules in plants [J]. Journal of Experimental Botany, 2002, 53: 237-247.

[4] Ort D R, Baker N R. A photoprotective role for O2as an alternative electron sink in photosynthesis [J]. Current Opinion in Plant Biology, 2002, 5: 193-198.

[5] Alscher R G, Donahue J L, Cramer C L. Reactive oxygen species and antioxidants: relationships in green cells [J]. Physiologia Plantarum, 1997, 100: 224-233.

[6] Mittler R. Oxidative stress, antioxidants and stress tolerance [J]. Trends in Plant Science, 2002, 7: 405-410.

[7] 白潔,蔣衛(wèi)杰,余宏軍,等.外源ABA、Put和BR對亞適溫條件下番茄幼苗葉片保護酶活性的影響[J]．中國農(nóng)學(xué)通報,2007,23(6):317-320.

[8] 尚慶茂,宋士清,張志剛,等.外源BR誘導(dǎo)黃瓜幼苗的抗鹽性[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2006,39(9):1872-1877.

[9] 李凱榮,李會科,王健.天然油菜素內(nèi)酯對紅富士蘋果抗旱增產(chǎn)效應(yīng)的研究[J].園藝學(xué)報,2006,33(5):1059-1062.

[10] 胡文海,閆小紅,陳金德,等.油菜素內(nèi)酯對干旱脅迫下辣椒開花結(jié)果的影響[J].井岡山大學(xué)學(xué)報,2011,32(5): 46-50.

[11] Yu J Q, Huang L F, Hu W H, et al. A role of brassinosteroids in the regulation of photosynthesis in Cucumis sativus [J]. Journal of Experimental Botany, 2004, 55:1135-1143.

[12] Zhou Y H, Yu J Q, Huang L F, et al. The relationship between CO2assimilation, photosynthetic electron transport and water-water cycle in chill-exposed cucumber leaves under low light and subsequent recovery [J]. Plant, Cell and Environment, 2004, 27: 1503-1514.

[13] Hu W H, Shi K, Song X S, et al. Different effects of chilling on respiration in leaves and roots of cucumber (Cucumis sativus) [J]. Plant Physiology and Biochemistry, 2006, 44: 837-843.

[14] Giannopolitis C N, Ries S K. Superoxide dismutases occurrence in higher plant [J]. Plant Physiology, 1997, 59: 309-314.

[15] Nakano Y, Asada K. Hydrogen peroxide is scavenged by ascorbate-specific peroxidase in spinach chloroplasts [J]. Plant and Cell Physiology, 1981, 22: 867-880.

[16] Cakmak I, Horst W J. Effect of aluminium on lipid peroxidation, uperoxide dismutase, atalase, nd peroxidase activities in root tips of soybean (Glycine max)[J]. Physiologia Plantarum, 1991, 83: 463-468.

[17] Krishna P. Brassinosteroid-mediated stress responses [J]. Journal of Plant Growth Regulation, 2003, 22:289-297.

[18] 阮英慧,董守坤,劉麗群,等.干旱脅迫下油菜素內(nèi)酯對大豆花期生理特性的影響[J].作物雜志,2011(6):33-37.

[19] 馮朝紅,李凱榮,張鵬文,等.干旱脅迫下油菜素內(nèi)酯對文冠果苗木抗氧化酶活性和抗氧化劑含量的影響[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2011,26(4):152-155.

[20] 吳曉麗,羅立津,黃麗嵐,等.水楊酸和油菜素內(nèi)酯對花椰菜幼苗生長及抗旱性的影響[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2011,29(2):168-172.

[21] Xia X J. Zhou Y H, Ding J, et al. Induction of systemic stress tolerance by brassinosteroid in Cucumis sativus [J]. New Phytologist, 2011, 191:706-720.

EFFECTS OF BRASSINOLIDE ON ACTIVE OXYGEN METABOLISM IN PEPPER LEAVES UNDER DROUGHT STRESS

*HU Wen-hai1,2, YAN Xiao-hong1,2, ZAN Xiu-hua3, ZENG Zi-feng1, ZENG Sou-xin1

(1. School of Life Sciences, Jinggangshan University, Ji’an, Jiangxi, 343009, China; 2. Key Laboratory for Biodiversity Science and Ecological Engineering, Ji’an, Jiangxi , 343009, China; 3. Jiangxi Tea School, Wuyuan, Jiangxi 333200, China)

In order to investigate the effects of brassinosteroid (BR) on active oxygen metabolism in pepper leave under drought stress, the pepper cultivar, Xiangyan No. 6 was used as the material. In this study, drought significantly inhibited Pn, ΦPSII, qP, however, induced the increase of NPQ and activities of antioxidant enzymes (SOD, APX, CAT and POD). Then drought deceased Fv/Fm and increased the contents of H2O2and MDA. 0.05 mg/L BR can markedly increased Fv/Fm and decreased the content of H2O2and MDA. BR significantly alleviated drought-inhibition of Pn, ΦPSII, qP and NPQ. BR also increased the activities of SOD, APX, CAT and POD. Taken together, the results suggested that BR treatment can enhance the drought-tolerance of pepper by improved CO2assimilation, dissipation of excitation energy as heat from the light harvesting complex in PSII and antioxidant enzymes activities.

L; brassinosteroid; drought tolerance; active oxygen metabolism

Q945.78

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2012.06.009

1674-8085(2012)06-0036-04

2012-06-27；

2012-07-20

國家自然科學(xué)基金項目(30860175)；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃項目(NCET-08-0703)

*胡文海(1973-)，男，江西吉安人，教授，博士，主要從事植物生理學(xué)方面的研究（Email:huwenhai@jgsu.edu.cn）；

閆小紅(1977-)，女，內(nèi)蒙古赤峰人，實驗師，碩士，主要從事植物生理學(xué)方面的研究(Email:yanxiaohong325@126.com )；

詹秀花(1976-)，女，江西婺源人，講師，主要從事植物生理學(xué)方面的研究(Email:523871664@qq.com)；

曾志鋒(1990-)，男，江西上饒人，井岡山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院本科生（Email:zengzhifeng@163.com）;

曾守鑫(1991-)，男，江西吉安人，井岡山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院本科生(Email:245151995@qq.com).