殼寡糖對(duì)PEG脅迫下小麥葉片AsA-GSH循環(huán)的影響

趙肖瓊，梁泰帥，趙潤(rùn)柱

(1.太原工業(yè)學(xué)院 環(huán)境與安全工程系，山西 太原 030008； 2.山西醫(yī)科大學(xué) 藥學(xué)院，山西 太原 030001)

小麥(TriticumaestivumL.)是我國(guó)重要的糧食作物，是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，在確保國(guó)家糧食安全和水資源高效利用方面具有舉足輕重的地位[1-3]。干旱是限制小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的主要環(huán)境因素之一。一般認(rèn)為，干旱引起的滲透脅迫破壞了植物細(xì)胞內(nèi)活性氧(reactive oxygen species，ROS)產(chǎn)生與清除之間的動(dòng)態(tài)平衡，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)ROS過(guò)度累積，加劇膜脂過(guò)氧化損傷以及過(guò)氧化產(chǎn)物丙二醛(MDA)含量增多，抑制植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育[4]。抗壞血酸(AsA)-谷胱甘肽(GSH)循環(huán)是植物體內(nèi)重要的ROS清除系統(tǒng)，并可調(diào)控體內(nèi)的氧化還原勢(shì)使信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)朝著利于植物生長(zhǎng)的方向進(jìn)行[5]。因此，研究小麥體內(nèi)AsA-GSH循環(huán)對(duì)干旱脅迫的生理響應(yīng)具有重要意義。

殼寡糖(chitooligosaccharide，COS)，又稱寡聚氨基葡糖、殼低聚糖、甲殼低聚糖、甲殼胺寡糖等，是殼聚糖降解后的低分子質(zhì)量產(chǎn)物，具有原料來(lái)源廣、生產(chǎn)成本低、水溶性好、利于吸收等特點(diǎn)，在植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)以及對(duì)非生物逆境脅迫的應(yīng)答過(guò)程中發(fā)揮重要作用[6]。在植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)方面，低濃度殼寡糖浸種能明顯促進(jìn)小麥[7]、黑麥草[8]和番茄[9]等植物的種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)；顯著提高黃瓜功能葉片的葉綠素含量、凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和胞間CO2濃度(Ci)，降低氣孔限制值(Ls)[10]；通過(guò)誘導(dǎo)脫落酸(ABA)和一氧化氮(NO)的產(chǎn)生調(diào)控?zé)煵輾饪组_(kāi)度[11]。在非生物脅迫應(yīng)答方面，殼寡糖能提高干旱脅迫下油菜[12]和玉米[6]葉片超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)和過(guò)氧化氫酶(CAT)活性以及光系統(tǒng) Ⅱ 活性；通過(guò)促進(jìn)小麥幼苗脯氨酸、還原糖等次生代謝物的累積，增強(qiáng)其對(duì)低溫寒害的抵抗能力[13]；此外，殼寡糖還可緩解鹽堿[14]和重金屬鎘[15]對(duì)植物的毒害作用。但迄今關(guān)于殼寡糖對(duì)干旱脅迫下小麥葉片AsA-GSH循環(huán)的影響知之甚少。因此，采用聚乙二醇(PEG-6000)處理模擬干旱脅迫，探討了噴施殼寡糖溶液對(duì)不同抗旱性小麥葉片ROS累積、膜脂過(guò)氧化水平、AsA-GSH循環(huán)關(guān)鍵酶活性和中間代謝物含量的影響，旨在揭示殼寡糖提升小麥抗旱性的生理機(jī)制。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試小麥品種為普冰143(耐旱型)和鄭引1號(hào)(干旱敏感型)，種子由西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院提供。供試殼寡糖脫乙酰度≥85%，聚合度2～10，購(gòu)于山東濟(jì)南海得貝海洋生物工程有限公司。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

挑選健康飽滿的小麥種子，經(jīng)0.1% HgCl2浸泡消毒、蒸餾水洗凈后，放入25 ℃的人工氣候箱中催芽2 d。選擇發(fā)芽均勻一致的種子移栽到盛自來(lái)水的塑料盆(19 cm×10 cm×6 cm)中，每盆100粒。當(dāng)植株胚根長(zhǎng)至20 mm時(shí)，水培液更換為1/2的Hoagland’s營(yíng)養(yǎng)液，之后每3 d更換一次營(yíng)養(yǎng)液。培養(yǎng)至兩葉一心期，進(jìn)行如下處理：1)CK，葉面噴施蒸餾水；2)COS，葉面噴施100 mg/L的殼寡糖溶液；3)PEG，營(yíng)養(yǎng)液中添加20% PEG模擬干旱脅迫，葉面噴施蒸餾水；4)PEG+COS，營(yíng)養(yǎng)液中添加20% PEG，葉面噴施100 mg/L的殼寡糖溶液。每處理重復(fù)3次，每天9:00葉面噴施蒸餾水和殼寡糖溶液，以葉片正反面均濕潤(rùn)且無(wú)液體滴下為宜。幼苗生長(zhǎng)期間人工氣候箱設(shè)置為：晝/夜溫度25 ℃/20 ℃、光/暗周期14 h/10 h、光強(qiáng)180 μmol/(m2·s)。處理3 d后采收小麥葉片，用于各項(xiàng)生理指標(biāo)的測(cè)定。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

采用Microsoft Excel 2010、SPSS 17.0和Origin 9.0軟件分別進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、差異顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)以及繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 殼寡糖對(duì)PEG脅迫下小麥葉片和MDA含量的影響

不同處理不同小寫字母表示差異達(dá)5%顯著水平，下同圖1 殼寡糖對(duì)PEG脅迫下小麥葉片和MDA含量的影響

2.2 殼寡糖對(duì)PEG脅迫下小麥葉片APX、DHAR、MDHAR、GR活性的影響

由圖2可知，PEG脅迫下，2種小麥幼苗葉片中APX、DHAR、MDHAR、GR活性較CK均顯著提高，普冰143分別增加了44.90%、37.18%、37.37%、17.68%，鄭引1號(hào)分別增加了46.45%、20.58%、31.39%、10.96%，且普冰143葉片中4種關(guān)鍵酶的活性均顯著高于鄭引1號(hào)。與單一PEG脅迫相比，葉面噴施100 mg/L的殼寡糖溶液可進(jìn)一步增強(qiáng)PEG脅迫下2種小麥葉片中的APX、DHAR、MDHAR、GR活性，普冰143分別增加了25.36%、14.75%、9.15%、13.35%，鄭引1號(hào)分別增加了26.02%、14.49%、21.21%、15.02%。而與CK相比，噴施殼寡糖溶液明顯增強(qiáng)了鄭引1號(hào)葉片中的DHAR活性。

圖2 殼寡糖對(duì)PEG脅迫下小麥葉片APX、DHAR、MDHAR和GR活性的影響

2.3 殼寡糖對(duì)PEG脅迫下小麥葉片AsA和DHA含量及AsA/DHA比值的影響

由表1可以看出，PEG脅迫下，2種小麥幼苗葉片中AsA含量和AsA/DHA比值較CK均顯著增加，普冰143分別增加了38.64%和70.42%，鄭引1號(hào)分別增加了35.42%和54.50%，且普冰143葉片中AsA含量和AsA/DHA比值均高于鄭引1號(hào)；普冰143和鄭引1號(hào)葉片中DHA含量較CK分別降低了19.23%和13.25%，但差異均不顯著。與單一PEG脅迫處理相比，葉面噴施100 mg/L的殼寡糖溶液可明顯增加PEG脅迫下2種小麥幼苗葉片中的AsA含量和AsA/DHA比值，普冰143分別增加了14.40%和58.45%，鄭引1號(hào)分別增加了23.92%和59.43%；而普冰143葉片中DHA含量顯著降低了28.32%，鄭引1號(hào)葉片中DHA含量變化不明顯。而與CK相比，葉面單一噴施殼寡糖溶液對(duì)2種小麥葉片中AsA、DHA含量和AsA/DHA比值的影響差異均不顯著。

表1 殼寡糖對(duì)PEG脅迫下小麥葉片AsA和DHA含量及AsA/DHA比值的影響

注:同列中不同小寫字母表示差異達(dá)5%顯著水平，下同。

2.4 殼寡糖對(duì)PEG脅迫下小麥葉片GSH和GSSG含量及GSH/GSSG比值的影響

由表2可知，與CK相比，PEG脅迫下2種小麥幼苗葉片中GSH含量和GSH/GSSG比值顯著增加，普冰143分別增加了58.60%和128.91%，鄭引1號(hào)分別增加了47.41%和107.07%，且普冰143葉片中GSH含量和GSH/GSSG比值均顯著高于鄭引1號(hào)；而普冰143和鄭引1號(hào)葉片中GSSG含量分別顯著降低了30.49%和28.29%。與單一PEG脅迫相比，葉面噴施100 mg/L的殼寡糖溶液可進(jìn)一步顯著增加PEG脅迫下2種小麥幼苗葉片中的GSH含量和GSH/GSSG比值(普冰143葉片的GSH/GSSG比值除外)，鄭引1號(hào)分別增加了33.51%和20.15%，普冰143分別增加了21.74%、8.02%；而對(duì)GSSG含量的影響差異不顯著。與CK相比，葉面單一噴施殼寡糖溶液對(duì)2種小麥幼苗葉片中GSH、GSSG含量和GSH/GSSG比值的影響差異均不明顯。

表2 殼寡糖對(duì)PEG脅迫下小麥葉片GSH和GSSG含量及GSH/GSSG比值的影響

3 結(jié)論與討論

綜上所述，20%PEG脅迫下，葉面噴施100 mg/L的殼寡糖溶液能夠上調(diào)2種小麥葉片的AsA-GSH循環(huán)效率，保持較高且相對(duì)協(xié)調(diào)平衡的APX、DHAR、MDHAR和GR活性，增強(qiáng)AsA和GSH循環(huán)再生能力，維持細(xì)胞內(nèi)較強(qiáng)的氧化還原狀態(tài)(AsA/DHA和GSH/GSSG比值)，從而及時(shí)清除細(xì)胞內(nèi)過(guò)量累積的ROS，降低膜脂過(guò)氧化程度，提升小麥對(duì)干旱脅迫的抵抗能力。

[1] 丁會(huì)納，馬冬云，秦海霞，等.外源H2S對(duì)干旱脅迫下小麥旗葉生理特性及籽粒產(chǎn)量的影響[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，45(7)：13-17.

[2] 賈少磊，呂金印，劉昌欣，等.PEG脅迫對(duì)抗旱性不同的小麥幼苗光合關(guān)鍵酶活性的影響[J].麥類作物學(xué)報(bào)，2014，34(7)：976-982.

[3] 朱云集，田文仲，謝迎新，等.硫素對(duì)冬小麥旗葉抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)系統(tǒng)的影響[J].西北植物學(xué)報(bào)，2010，30(11)：2191-2196.

[4] 王有為，常云霞，羅陳萍，等.外源亞精胺對(duì)漬澇脅迫下芝麻幼苗根系生理特性的影響[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，45(12)：29-33.

[5] 孫惠莉，呂金印，賈少磊.硫?qū)︽k脅迫下小白菜葉片AsA-GSH循環(huán)和植物絡(luò)合素含量的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2013，32(7)：1294-1301.

[6] 孫君艷，董麗平，王付娟.干旱脅迫下殼寡糖對(duì)玉米葉片葉綠素含量、含水量及保護(hù)酶活性的影響[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，43(9)：38-40，45.

[7] 張運(yùn)紅，趙小明，尹恒，等.寡糖浸種對(duì)小麥種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，43(6)：16-21.

[8] 扈學(xué)文，許秋瑾，金相燦，等.不同分子量殼寡糖對(duì)黑麥草種子萌發(fā)和幼苗抗病酶活性影響的研究[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2007，23(2)：221-225.

[9] 顧麗嬙.殼寡糖對(duì)番茄種子萌發(fā)的影響[J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2014，27(3)：1233-1236.

[10] 郭衛(wèi)華，趙小明，杜昱光.殼寡糖對(duì)黃瓜種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)及光合特性的影響[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2009，25(3)：164-169.

[11] 李艷，李洪艷，王青，等.殼寡糖、一氧化氮和植物激素在煙草氣孔運(yùn)動(dòng)中的作用及其相互關(guān)系[J].植物生理學(xué)通訊，2010，46(6)：575-578.

[12] 李艷，曾秀娥，李洪艷，等.殼寡糖對(duì)干旱脅迫下油菜葉片生理指標(biāo)的影響[J].生態(tài)學(xué)雜志，2012，31(12)：3080-3085.

[13] 王夢(mèng)雨，王文霞，趙小明，等.殼寡糖對(duì)低溫脅迫下小麥幼苗的保護(hù)作用及相關(guān)代謝產(chǎn)物的影響[J].麥類作物學(xué)報(bào)，2016，36(5)：653-658.

[14] 劉強(qiáng)，王慶成，王占武，等.外源殼寡糖對(duì)蒼耳鹽害的緩解作用[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，42(6)：73-76.

[15] 馬蓮菊，張陽(yáng)，卜寧，等.殼寡糖緩解小麥鎘毒害的某些生理特性研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2010，33(6)：31-34.

[16] 高俊鳳.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M].北京:高等教育出版社，2006.

[17] de Pinto M C,Tommasi F,de Gara L.Enzymes of ascorbate biosynthesis and ascorbate-glutathione cycle in cultured cells of tobacco Bright Yellow 2[J].Plant Physiology and Biochemistry,2000,38:541-550.

[18] Ma F W,Cheng L L.The sun-exposed peel of apple fruit has higher xanthophyll cycledependent thermal dissipation and antioxidants of the ascorbate-glutathione pathway than the shaded peel[J].Plant Science,2003,165(4):1038-1048.

[19] Zhang J X,Kirkham M B.Antioxidant responses to drought in sunflower and sorghum seedlings[J].New Phytol,1996,132:361-373.

[20] 蔡慶生.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2013.

[21] 魏國(guó)平，朱月林，劉正魯，等.硝酸鈣脅迫對(duì)營(yíng)養(yǎng)液栽培嫁接茄子葉片抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)的影響[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，32(5)：1023-1030.

[22] 劉建新，王鑫，李博萍.外源一氧化氮供體SNP對(duì)NaCl脅迫下黑麥草幼苗葉片抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)的影響[J].草業(yè)學(xué)報(bào)，2010，19(2)：82-88.

[23] 齊君，呂金印，李鷹翔，等.Cr3+脅迫對(duì)青菜中植物絡(luò)合素含量及AsA-GSH代謝關(guān)鍵酶活性的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，31(7)：1303-1309.

[24] 李永生，方永豐，李玥，等.外源硫化氫對(duì)PEG模擬干旱脅迫下玉米種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響[J].核農(nóng)學(xué)報(bào)，2016，30(4)：813-821.

[25] 江洪強(qiáng)，刑興華，周琴，等.外源α-萘乙酸對(duì)花期長(zhǎng)期干旱大豆葉片抗氧化系統(tǒng)的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2015，26(6)：1718-1726.

[26] 馬玉華，馬鋒旺，馬小衛(wèi)，等.干旱脅迫對(duì)蘋果葉片抗壞血酸含量及其代謝相關(guān)酶活性的影響[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，36(3)：150-154.

[27] 何小雙，蔣曉琪，彭丹丹，等.H2S對(duì)干旱脅迫下白三葉幼苗抗氧化防御能力的影響[J].西北植物學(xué)報(bào)，2017，37(1)：88-96.

[28] 高吉霞，龔春梅，劉西平.水分脅迫對(duì)刺槐葉和根谷胱甘肽抗氧化系統(tǒng)的影響[J].西北植物學(xué)報(bào)，2010，30(7):1409-1414.