PEG脅迫對番茄幼苗葉片SOD同工酶的影響

張慶琛 曹靜 裴冬麗 洪權春 施傳信

摘要：以4個番茄品種為材料，采用改進的氮藍四唑光還原法和聚丙烯酰胺凝膠電泳法，研究了經聚乙二醇模擬干旱脅迫處理后，番茄幼苗葉片超氧化物歧化酶（SOD）同工酶活性及酶譜的變化。結果表明，4個番茄品種的SOD同工酶活性均較對照明顯增加，各品種的脅迫系數(shù)高低順序依次為中蔬4號、中雜105、Money maker、中雜9號；模擬干旱脅迫處理沒有使各品種SOD同工酶酶譜條帶數(shù)目出現(xiàn)增加，仍為3條，SOD同工酶條帶對干旱響應敏感程度的大小排序依次為SOD-Ⅲ、SOD-Ⅱ、SOD-Ⅰ，其中SOD-Ⅲ條帶的酶譜亮度、帶寬在處理與對照之間均明顯增加，增加程度大小的品種排序依次為中蔬4號、中雜105、Money maker、中雜9號，與脅迫系數(shù)一致，說明SOD與干旱脅迫密切相關的同工酶為SOD-Ⅲ，其可能是番茄耐旱品種SOD同工酶活性較高的根源；所以SOD-Ⅲ條帶可作為番茄抗旱生理育種的篩選指標。

關鍵詞：番茄；聚乙二醇；脅迫；超氧化物歧化酶同工酶

中圖分類號：S641.2；Q945.78；Q554 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）08-1833-03

干旱是影響作物生長和產量的重要環(huán)境因素之一，其會使植株在形態(tài)特征、理化特性方面發(fā)生一系列的變化，導致作物體內聚集大量的活性氧等有害物[1]。超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）同工酶作為作物響應干旱等逆境脅迫的防御性保護酶之一，可以有效地清除超氧陰離子自由基、防止脂質氧化、減少對膜系統(tǒng)的損傷[2]。SOD廣泛存在于植物體內，已有報道表明在干旱脅迫下會引起植物SOD同工酶活性[3-5]及酶譜的變化[6]，但未見干旱脅迫對番茄（Solanum lycopersicum L.）SOD同工酶酶譜影響的報道。聚乙二醇（Poly ethylene glycol，PEG）是一種高分子滲透劑，能導致作物組織和細胞處于類似干旱的水分脅迫狀態(tài)之中，但本身不穿越細胞壁進入細胞質，不會引起質壁分離[7]，因此是作物模擬干旱脅迫試驗的良好替代品。本試驗采用PEG-6000模擬干旱脅迫處理，對番茄幼苗葉片的SOD同工酶活性及酶譜的變化進行了比較，以期揭示其變化規(guī)律，旨在為番茄抗旱生理育種提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 植物材料 供試番茄品種有中雜105（S. lycopersicum cv. Zhongza 105）、中雜9號（S. lycopersicum cv. Zhongza No.9）、中蔬4號（S. lycopersicum cv. Zhongshu No.4），由中國農業(yè)科學院蔬菜花卉研究所提供；另一個番茄品種Money maker（S. lycopersicum cv. Money maker）由荷蘭瓦格寧根大學植物育種系提供。

1.1.2 試劑與藥品 主要試劑有乙醇、HgCl2、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、甲硫氨酸、氮藍四唑（NBT）、四甲基乙二胺（TEMED）、EDTA-Na2、核黃素等，均為分析純；Hoagland培養(yǎng)液和磷酸鹽緩沖液自配，模擬干旱脅迫用品20% PEG-6000也為分析純。

1.1.3 儀器 主要有DYY-Ⅲ型電泳儀及配套電泳槽、電源（北京六一儀器廠）、DK-S電熱恒溫水浴鍋（上海棱譜儀器儀表有限公司）、PL2002 電子天平[梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司]、PHS-3G pH酸度計（上海雷磁儀器廠）、FYL-YS實驗用冰箱（北京福意電器有限公司）、KR-GZ人工氣候室（河南科瑞科技有限公司）等。

1.2 方法

1.2.1 材料處理與取樣 每個番茄品種挑選100粒飽滿種子，經1 g/L HgCl2溶液消毒8 min，去離子水反復沖洗；吸脹7 h后28 ℃催芽72 h，將萌發(fā)一致的種子置于含1/2 Hoagland培養(yǎng)液的培養(yǎng)盆中水培，定苗6株/盆，然后移入晝夜溫度為（26±2）℃/（19±2）℃的人工氣候室內，幼苗經20 d（可長出約2或3片真葉）培養(yǎng)，以加入20 % PEG-6000的1/2 Hoagland培養(yǎng)液的幼苗水培為處理組（模擬干旱脅迫處理），同時設不加20% PEG-6000的幼苗水培為對照組，均3次重復。在培養(yǎng)期間，每12 h相應更換1次培養(yǎng)液，以減少試驗的濃度誤差。在試驗開始時（0 h）和處理后的24、48、72 h分別對2組番茄幼苗的葉片取樣分析。

1.2.2 SOD同工酶活性測定 ①SOD粗提。剪取不同處理各番茄品種幼苗葉片（去葉脈）0.5 g，加入1 mL預冷的50 mmol/L磷酸鹽緩沖液（pH 7.8，內含1% PVP），冰浴研磨至勻漿，加磷酸鹽緩沖液補充至終體積5 mL，勻漿液于4℃ 10 000 r/min離心15 min，上清液即為SOD粗提液。② SOD活性測定及脅迫系數(shù)計算。采用改進的NBT光還原法，酶的顯色反應體系為：50 mmol/L 磷酸鹽緩沖液1.50 mL，130 mmol/L 甲硫氨酸溶液0.30 mL，0.75 mmol/L NBT溶液0.30 mL，0.1 mmol/L EDTA-Na2 溶液0.03 mL，去離子水0.25 mL。各取2.65 mL反應混合液轉入4支透明度好的試管內，并編號，1號、2號試管再各加入磷酸鹽緩沖液0.05 mL、20 μmol/L核黃素溶液0.30 mL，分別作為暗環(huán)境對照（調零對照）、光環(huán)境對照；3號、4號試管再各加入酶液0.05 mL、20 μmol/L核黃素溶液0.30 mL，并置于4 000 lx光照度、25 ℃下反應20 min，作為樣品測試管；反應結束后，在560 nm 處測定吸光度，以每克樣品（鮮重）抑制NBT光還原的50%為1個酶活性單位[8]。采用以下公式計算SOD活性，酶活單位為U/g（FW），求樣品測試管酶活性的平均值。

SOD總活性=[（ACK-AE）×V]/（0.5×ACK×W×Vt）；

ACK為光環(huán)境對照管的吸光度值，AE為樣品管的吸光度值，V為樣品液的總體積，Vt為測定時樣品的用量，W為樣品鮮重。

脅迫系數(shù)是植物在發(fā)育過程中抗脅迫能力高低的一種表述，其計算公式為：

SOD脅迫系數(shù)=處理組SOD總活性最大值/相應對照組SOD總活性值。

1.2.3 SOD同工酶電泳 采用聚丙烯酰胺凝膠電泳法，上樣酶量30 μL，在濃縮膠（濃度為4%）里穩(wěn)流20 mA，進入分離膠（濃度為8%）后穩(wěn)流40 mA，6～7 h完成電泳。同工酶電泳染色采用NBT染色法，凝膠依次經染液Ⅰ（0.2% NBT溶液）在黑暗下染色20 min、染液Ⅱ（0.001%核黃素溶液+0.33% TEMED溶液+36 mmol/L、pH 7.8 磷酸鹽緩沖液）在黑暗下染色15 min、染液Ⅲ（0.003% EDTA-Na2溶液+50 mmol/L、pH 7.8 磷酸鹽緩沖液）在光照下染色20～30 min，轉換染液期間需用去離子水沖洗凝膠，最終用95%乙醇浸泡5 min，再轉入去離子水中照相，可使SOD酶帶呈現(xiàn)出清晰透亮的酶譜。

2 結果與分析

2.1 PEG脅迫對番茄幼苗葉片SOD同工酶活性的影響

在20% PEG-6000模擬干旱脅迫處理72 h內，4個番茄品種幼苗葉片的SOD同工酶活性動態(tài)變化情況見圖1，處理72 h時的SOD同工酶活性與脅迫系數(shù)比較情況見表1。從圖1可見，各品種在處理24、48、72 h的SOD同工酶活性均明顯高于對照組，不過Money maker的SOD同工酶活性于48 h達到峰值后因持續(xù)脅迫出現(xiàn)了下降，其他3個品種于72 h達到峰值并呈有差異的上升趨勢，說明在一定干旱程度下，番茄可以通過提高SOD同工酶活性來適應干旱逆境，且品種間適應持續(xù)干旱的能力存在差異。由表1可知，番茄品種的脅迫系數(shù)高低順序依次為中蔬4號、中雜105、Money maker、中雜9號，說明品種間SOD同工酶活性響應干旱脅迫的程度明顯不同，其中中蔬4號響應積極，具有相對較強的清除活性氧和修復損傷、適應脅迫環(huán)境的能力。

2.2 PEG脅迫對番茄幼苗葉片SOD同工酶酶譜的影響

采用20% PEG-6000模擬干旱脅迫處理24、48、72 h后，獲得的4個番茄品種幼苗葉片SOD同工酶酶譜見圖2。根據(jù)酶帶電泳遷移率的大小，可將酶譜分為SOD-Ⅰ、SOD-Ⅱ、SOD-Ⅲ 3個條帶。與對照組相比，各品種處理組的酶譜條帶仍為3條，沒有新增酶帶，其中SOD-Ⅰ條帶酶譜亮度、帶寬在處理與對照之間無明顯差異；SOD-Ⅱ條帶僅中雜105、中蔬4號的處理48、72 h的明顯增加；4個品種SOD-Ⅲ條帶均明顯增加，增加程度大小的排序依次為中蔬4號、中雜105、Money maker、中雜9號。分析表明，SOD同工酶條帶對干旱脅迫響應敏感程度的大小排序依次為SOD-Ⅲ、SOD-Ⅱ、SOD-Ⅰ，各品種間SOD-Ⅲ條帶的酶譜亮度、帶寬增幅與脅迫系數(shù)一致，因此SOD-Ⅲ條帶的表現(xiàn)可以作為番茄抗旱生理育種的篩選指標參考。

3 討論

在正常生長條件下，植物體內的活性氧產生與清除機制保持著一定的動態(tài)平衡，但在干旱脅迫下這種平衡將被打破，造成活性氧大量積累，即氧化迸發(fā)；而與清除機制有關的SOD、過氧化氫酶（Catalase，CAT）和過氧化物酶（Peroxidase，POD）等保護酶就會協(xié)同防御活性氧對細胞膜系統(tǒng)的破壞，以減輕干旱脅迫對植物的傷害，重新建立動態(tài)平衡[9]。試驗發(fā)現(xiàn)，PEG模擬干旱處理后，番茄幼苗葉片的SOD同工酶活性明顯增加，進一步證實了SOD具備抗氧化的生理功能。SOD是生物機體內天然的自由基清除劑，可催化·O2-發(fā)生歧化反應而產生H2O2和O2，從而清除活性氧，緩解干旱脅迫造成的膜系統(tǒng)損壞。進一步研究發(fā)現(xiàn)，4個番茄品種間適應持續(xù)干旱的能力存在差異，且脅迫系數(shù)不同，這與經PEG處理的小麥（Triticum aestivum L.）[6]、小黑麥（Triticum×Secale cereale）[10]、新疆野蘋果[Malus sieversii（Ledeb.）Roem.]及平邑甜茶[M. hupehensis（Pamp.）Rehd. var. pingyiensis Jiang][11]等的研究結論相似。

試驗結果表明，在PEG模擬干旱脅迫下，4個番茄品種的SOD同工酶酶譜條帶數(shù)都沒有增加，仍為3條，對干旱脅迫響應敏感程度的大小排序依次為SOD-Ⅲ、SOD-Ⅱ、SOD-Ⅰ，品種間SOD-Ⅲ的酶譜亮度、帶寬增幅與脅迫系數(shù)一致，這說明SOD與干旱脅迫密切相關的同工酶為SOD-Ⅲ，其可能是番茄耐旱品種SOD同工酶活性較高的根源；因此SOD-Ⅲ酶帶可以作為番茄抗旱生理育種的篩選指標。然而這與翁明陽[6]的研究結果不盡相同，他認為經PEG脅迫的小麥幼苗有2條SOD同工酶帶表達明顯，特異位點POD和CAT同工酶條帶的表現(xiàn)才可作為鑒定小麥抗旱性強弱的指標；出現(xiàn)這樣的差異可能是試驗所用材料的不同產生的。本研究SOD同工酶酶譜變化較客觀地揭示出了番茄的抗旱機理，將為進一步選育番茄抗旱新品種提供參考依據(jù)。但是，抗旱機理研究是一個十分復雜的過程，PEG脅迫對番茄葉片其他保護酶（POD、CAT等）的影響尚需進一步探討。

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