NaCl脅迫下西藏野生大麥苗期耐鹽生理生化機制分析

崔 君, 金 越, 張曉勤, 王嘉慧, 路雪麗, 吳玉環(huán), 薛大偉

(杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,浙江 杭州 310036)

NaCl脅迫下西藏野生大麥苗期耐鹽生理生化機制分析

崔 君, 金 越, 張曉勤, 王嘉慧, 路雪麗, 吳玉環(huán), 薛大偉

(杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,浙江 杭州 310036)

以大麥品種X41、CM72、Gairdner(Ga)為試材,采用溶液培養(yǎng)法,在250 mmol/L NaCl脅迫下,研究了NaCl脅迫對野生大麥X41、栽培大麥CM72和Ga苗期生長及生理生化指標(biāo)的影響,試圖揭示西藏野生大麥X41的抗鹽機制.結(jié)果表明:鹽脅迫下,3種大麥的單株鮮質(zhì)量、干質(zhì)量和SPAD值降低；丙二醛(MDA)含量、過氧化物酶(POD)活性增加；莖葉中Na+含量增加,K+含量減少；根中的Na+、K+含量下降；西藏野生大麥X41的單株鮮質(zhì)量、干質(zhì)量和SPAD值降低幅度及MDA、POD增加幅度最小,莖葉中的Na+含量較低,表現(xiàn)出較強的耐鹽能力.

西藏野生大麥；NaCl脅迫；耐鹽；生理生化指標(biāo)

大麥(HordeumvulgareL.)是禾本科大麥屬一年生或多年生草本植物,是繼小麥、玉米和水稻之后的第四大類禾谷類作物[1].在谷類作物中,大麥是耐鹽性相對較強的,但鹽脅迫仍然是大麥生產(chǎn)的限制因素.另外,經(jīng)歷了不斷馴養(yǎng)進化過程,現(xiàn)代栽培大麥與野生大麥相比已丟失了許多等位基因[2],遺傳多樣性的缺失,限制了對品種適應(yīng)性的開發(fā).青藏高原素有世界屋脊之稱,以其惡劣的環(huán)境聞名,是現(xiàn)代栽培大麥的起源中心之一.前人的研究調(diào)查顯示,西藏野生大麥具有形態(tài)、生理生化多樣性,且在成熟期表現(xiàn)出較突出的特性,如株高、潛在產(chǎn)量、抗病性、可與馴養(yǎng)大麥雜交發(fā)展栽培品種[3-5]等.因此,西藏野生大麥被認為是非生物脅迫耐受性基因變異的有效基因庫,但是對它的耐鹽性能了解較少.

當(dāng)前全球氣候變暖、環(huán)境惡化、工業(yè)污染和化肥用量過大等問題,導(dǎo)致鹽堿地面積增加[6].目前世界上有超過8億公頃的鹽漬土,占全部土地面積的6%,且鹽漬化土地面積仍在進一步擴大[7].應(yīng)對這種持續(xù)惡化的環(huán)境問題,最有效的方法是通過遺傳改良來提高植株自身對土壤環(huán)境的耐鹽性[8].關(guān)于西藏野生大麥的抗鹽性已有一些研究[9-12],但其耐鹽機制仍不明確.鑒于此,本研究旨在探討西藏野生大麥的耐鹽適應(yīng)性機制,為耐鹽相關(guān)基因的發(fā)掘、克隆及大麥耐鹽性育種提供理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 材料

前期在對70余份西藏野生大麥品種耐鹽性鑒定的基礎(chǔ)上,篩選出耐鹽能力較強的西藏野生大麥品種4份,選取其中的X41為試驗材料,以栽培大麥品種CM72(耐鹽)和Gairdner(鹽敏感)為對照(種子由浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院張國平研究組提供),進行西藏野生大麥耐鹽生理生化機制研究.

1.2 試驗方法

將供試大麥種子經(jīng)消毒后播種于盛有細砂的培養(yǎng)皿中,置溫室發(fā)芽.2葉期時,將幼苗移栽至20 L的方形塑料桶中培養(yǎng),培養(yǎng)液為大麥專用培養(yǎng)液[13].移栽一周后,分兩組處理樣品,一組在培養(yǎng)液中加入250 mmol/L NaCl,另一組不加NaCl,作對照.重復(fù)3次,培養(yǎng)液每5 d更換一次.

1.3 測定項目

1.3.1 葉綠素含量測定

NaCl脅迫1周后,用葉綠素儀(Minolta Co. Ltd,日本)測定第2片展開葉的SPAD值.

1.3.2 植株鮮、干質(zhì)量測定

NaCl脅迫5周后取不同處理的等量植株,用自來水和無離子水沖洗干凈,吸水紙吸干表面水分,稱取鮮質(zhì)量,后于105 ℃烘箱殺青10 min,再80 ℃烘至恒重,稱得干質(zhì)量.

1.3.3 MDA測定

丙二醛(MDA)含量按照Peever等[14]的方法通過硫代巴比妥酸(TBA)反應(yīng)測定.

1.3.4 POD測定

POD活性參照Kar等[15]的方法測定.POD活性以每分鐘內(nèi)A470值變化0.01為1個過氧化物酶活力單位(U),酶活性以U/g表示(以鮮質(zhì)量計).

1.3.5 Na+、K+離子含量測定

將不同處理的大麥幼苗用自來水和無離子水沖洗,莖葉和根系分離,烘干后研磨成粉末,準確稱取100 mg,盛放到坩堝內(nèi),于馬弗爐550 ℃下灰化.灰化后加5 mL 1 mol/L的鹽酸溶解,然后加5 mL去離子水稀釋后過濾,濾液用島津AA-6300型原子吸收儀測定Na+、K+含量,空白對照為無離子水,重復(fù)3次.

2 結(jié)果與分析

2.1 NaCl脅迫對西藏野生大麥植株鮮、干質(zhì)量的影響如表1所示,在250 mmol/L NaCl脅迫5周后,3種大麥的鮮、干質(zhì)量都顯著降低,鮮質(zhì)量比CK降低81.3%～90.0%,干質(zhì)量比CK降低56.7%～87.1%.其中X41在250 mmol/L鹽濃度脅迫下,干物質(zhì)生產(chǎn)量顯著高于Ga和CM72.實驗結(jié)果說明在NaCl脅迫下不同品種大麥幼苗的生長明顯受到抑制,單株鮮、干質(zhì)量顯著降低,但不同基因型大麥間對NaCl脅迫的反應(yīng)程度不同,西藏野生大麥X41的單株質(zhì)量下降幅度小于CM72和Ga,表明西藏野生大麥X41在較高濃度NaCl脅迫下,仍然能夠較好地生長.

表1 NaCl脅迫對大麥單株鮮、干質(zhì)量的影響Tab. 1 Effect of NaCl stress on the fresh and dry weight per plant of barley g

圖1 NaCl脅迫對大麥葉片葉綠素含量的影響Fig. 1 Effect of NaCl stress on the chlorophyll content of the leaves

注:數(shù)值后的不同字母表示差異達0.05顯著水平.下同.

2.2 NaCl脅迫對葉綠素含量(SPAD值)的影響

如圖1所示,NaCl脅迫1周后,葉片的葉綠素含量(SPAD值)呈下降趨勢,但不同基因型下降幅度不同,與CK相比,X41下降7.8%,Ga和CM72分別下降20.1%，22%.其中以西藏野生大麥X41的葉綠素含量最高,下降幅度最小,表明其葉綠素在NaCl脅迫下比較穩(wěn)定,能保持較高的光合性能,生產(chǎn)較多的光合產(chǎn)物.

2.3 NaCl脅迫對丙二醛(MDA)含量的影響

如表2所示,在NaCl脅迫下,不同大麥品種的MDA含量明顯增加,但不同基因型增加的幅度不同.以西藏野生大麥X41增加的幅度最小,說明X41在NaCl脅迫下,膜脂過氧化作用所形成的MDA積累緩慢,細胞膜受到的損傷程度較小.

表2 NaCl脅迫對大麥葉片MDA含量的影響

Tab. 2 Effect of NaCl stress on MDA content of the leaves μmol/g

基因型CK250mmol/LNaClX4117.99bc19.25bcGa19.45bc26.3aCM7215.29c21.29ab

表3 NaCl脅迫對大麥POD活性的影響

Tab. 3 Effect of NaCl stress on POD activityof barley U/g

基因型CK250mmol/LNaClX413.61a10.91bGa4.69a31.15aCM723.55a11.62b

2.4 NaCl脅迫對POD活性的影響

過氧化物酶(POD)在植物體中屬于保護性酶,其活性變化能夠反映植物受到NaCl脅迫后耐鹽性的強弱.從表3可以看出,在正常NaCl條件下,不同品種的POD活性差異不顯著.在NaCl脅迫下,三者POD活性均呈上升趨勢,但不同品種上升幅度不同,以Ga上升幅度最大,而X41和CM72上升幅度較小,且X41上升幅度小于抗鹽品種CM72,但差異不顯著.

2.5 Na+、K+含量

如表4所示,在NaCl脅迫下,大麥莖葉中的Na+含量顯著增加,K+含量則顯著減少；根中的Na+、K+含量呈下降趨勢,且K+含量顯著減少.不同品種則表現(xiàn)為不抗鹽品種Ga的莖葉中含Na+最高,為80.68 mg/g(以干質(zhì)量計),抗鹽品種CM72最低,為61.54 mg/g；而根中的Na+含量則表現(xiàn)為耐鹽品種CM72含量較高,不耐鹽品種Ga較低,說明耐鹽品種的根部耐受Na+濃度較高,并減少植物體向地上部分運輸Na+,將其維持在根部,有效地保護地上部莖葉不受高濃度Na+的危害.從K+含量看,在NaCl脅迫下,根和莖葉中的K+含量呈下降趨勢,根中K+含量顯著降低,但不同品種間差異不顯著.

表4 NaCl脅迫下大麥根、莖葉中Na+、K+含量
Tab. 4 Effect of NaCl stress on the contents of Na+and K+in the root, stem leaf of barley mg/g

基因型莖葉Na+CK250mmol/LNaClK+CK250mmol/LNaCl根Na+CK250mmol/LNaClK+CK250mmol/LNaClX413.539c74.87a60.9a37.57b18.88a16.84a19.35b1.20aGa4.993b80.68a66.03a46.24a19.31a10.14b11.34c1.19aCM726.949a61.54b53.62b16.22c18.63a17.86a23.77a1.10a

3 討論

植物的生長可反映出植物對NaCl脅迫的效應(yīng),通常作為耐鹽性的評價指標(biāo)[16].本實驗中3種大麥在NaCl脅迫下生物量均有降低,這與劉春卿等[17]的研究結(jié)論相吻合,其中西藏野生大麥X41的下降幅度最小,表明西藏野生大麥X41的耐鹽性高于CM72和Ga.葉綠素是植物葉綠體類囊體膜上組成色素蛋白復(fù)合體的重要物質(zhì),參與植物光合作用中光能吸收、傳遞及轉(zhuǎn)換等功能[18].本實驗中,NaCl脅迫一周后,葉片的葉綠素含量呈下降趨勢,葉綠素含量的降低,導(dǎo)致葉片光合作用功能受損,這與前人的研究結(jié)果[19]類似.本實驗中,與CM72和Ga相比,X41的葉綠素含量最高,且下降幅度最小,說明其受到外界環(huán)境中的NaCl的影響最小,有較高的耐鹽性.

在植物正常的生長條件下,體內(nèi)的保護酶系統(tǒng)維持在一個動態(tài)平衡中.當(dāng)受到逆境環(huán)境的刺激,內(nèi)部的活性氧產(chǎn)生迅速,打破了正常的系統(tǒng)平衡.活性氧代謝失調(diào)使自由基積累及自由基對大分子的破壞作用是需氧生物遭受逆境傷害的重要特征[20].本研究結(jié)果表明,不同大麥品種在250 mmol/L NaCl脅迫下POD呈增加趨勢,但以不耐鹽品種Ga增加幅度最大,而CM72和X41增加幅度較小,與齊秀東等[21]的研究結(jié)果相一致,這可能是由于耐鹽性差的品種更容易產(chǎn)生過氧化物,從而引起POD的活性增加.其中以X41的增加幅度最小,但與抗鹽品種CM72相比并不顯著,說明X41的抗鹽性可能高于CM72.逆境條件下,植物組織中隨著活性氧的增多,也加劇了膜脂過氧化程度,MDA可作為過氧化程度的指標(biāo)來反映耐鹽性的強弱[22].本實驗中,3種大麥的MDA含量在逆境中有不同程度的增加,以耐鹽性大麥X41增加幅度最小,這與賀巖等[23]的結(jié)果相符,說明其膜脂的過氧化程度最小,耐鹽性最強.

前人的研究認為根系吸收Na+的能力決定整個植株的累積狀況[24-26].Na+的毒害效應(yīng)是植物NaCl脅迫的主要危害之一.在正常生長的植物體中,Na+含量的增加常常意味著K+含量減少.NaCl脅迫下,不同基因型大麥幼苗在不同組織中的Na+、K+累積量存在差異.例如大麥幼苗根部吸收Na+向地上部分轉(zhuǎn)移,其地上部分Na+含量明顯低于根系.前人的研究認為,NaCl脅迫下,耐鹽品種的Na+總吸收量明顯低于不耐鹽品種[27-28].本實驗中,經(jīng)NaCl處理,X41在莖葉、根中Na+含量差小于抗鹽品種CM72,但不顯著,而X41和CM72中Na+在莖與根的含量差要明顯低于不抗性品種Ga,這與Jabeen等[27]、晏斌等[28]研究結(jié)果相一致,說明耐鹽性品種X41和CM72限制了從根部到地上部分鹽分的輸送,從而減少NaCl脅迫對植株的侵害.

綜上所述,NaCl脅迫可導(dǎo)致這3種大麥單株鮮、干質(zhì)量及葉綠素含量降低,丙二醛含量和過氧化物酶活性增加.西藏野生大麥X41的變化幅度最小,且其莖葉中的Na+含量較低,表現(xiàn)出更強的耐鹽能力.

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On the Salt-tolerance Physiological and Biochemical Mechanism of Tibetan Wild Barley Seedlings under NaCl Stress

CUI Jun, JIN Yue, ZHANG Xiaoqin, WANG Jiahui, LU Xueli, WU Yuhuan, XUE Dawei

(College of Life and Environmental Sciences, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China)

In order to explore the salt-tolerance mechanism of Tibetan wild barley X41 seedlings, the growth, physiological and biochemical indexes, Na+and K+content in different tissues were investigated under NaCl stress with hydroponic culture using three barley varieties, wild barley X41, cultivated barley CM72 and Gairdner. The results showed that the fresh weight, dry weight per plant and SPAD value of the three genotypes decreased under the salt stress, and the content of MDA and the activity of POD increased. The content of Na+increased in the shoots, while the content of K+decreased. The content of Na+and K+also decreased in roots. The reduction of fresh and dry weight of each plant and the SPAD value as well as the increasing amplitude of the content of MDA and POD were the minimum in the Tibetan wild barley X41, and the content of shoot Na+was lower, these results suggested that X41 was more tolerant to salt stress.

barley; NaCl stress; salt-tolerance; physiological and biochemical indexes

10.3969/j.issn.1674-232X.2017.03.006

2016-10-03

國家自然科學(xué)基金項目(31401316)；浙江省自然科學(xué)基金項目(LY14C130007)；杭州市科委項目(20140432B03).

薛大偉(1978—)，男，副教授，博士，主要從事植物逆境分子生物學(xué)研究.E-mail:dwxue@hznu.edu.cn

Q94

A

1674-232X(2017)03-0255-05