干旱預(yù)處理對(duì)鹽脅迫下水稻幼苗抗氧化酶活性及AsA-GSH循環(huán)的影響

張韞璐， 王 琦， 王金緣， 王宇楠， 劉凱月， 耿夢(mèng)恬， 郭晴雪， 馬蓮菊

(沈陽師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，遼寧沈陽 110034)

土壤鹽堿化是干旱和半干旱地區(qū)的主要非生物脅迫，極大地限制著作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量提高[1]。工廠排出的廢水污染、化學(xué)肥料的亂施亂放和日光溫室的大面積生產(chǎn)等導(dǎo)致土壤鹽漬化愈加嚴(yán)重，鹽漬土已嚴(yán)重危害了人們賴以生存的地球環(huán)境[2]，而且土壤含鹽量高，會(huì)使植物生長(zhǎng)發(fā)育受到不良影響，如光合作用減弱、膜傷害增加、呼吸代謝紊亂，甚至導(dǎo)致植物死亡[3-4]。

采用PEG預(yù)處理植物種子或幼苗，可以有效增強(qiáng)其抗逆性，緩解其在逆境脅迫下受到的傷害。如用不同濃度PEG預(yù)處理翅果油樹種子，可以提高翅果油樹種子的活力指數(shù)和發(fā)芽速度[5]。用一定濃度PEG預(yù)處理刺槐種子，可以提高其抗鹽能力[6]。PEG預(yù)處理過的青稞種子的發(fā)芽率和生根率均提高，并且對(duì)青稞幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育也起到了促進(jìn)作用[7]。然而，關(guān)于PEG預(yù)處理對(duì)鹽脅迫下水稻幼苗的影響方面的研究較少，因此本試驗(yàn)采用PEG預(yù)處理水稻幼苗，從抗氧化酶活性及AsA-GSH循環(huán)中關(guān)鍵酶活性和抗氧化劑含量等方面進(jìn)行研究，探討其對(duì)鹽脅迫下水稻幼苗的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及處理

試驗(yàn)于2015年在沈陽師范大學(xué)進(jìn)行，供試材料為鹽粳48水稻。選取大小一致、種皮完好且飽滿的種子，用3% H2O2浸泡10 min后，放入28 ℃恒溫箱浸種24 h，用蒸餾水反復(fù)沖洗后催芽24 h，播種于600 mL帶紗網(wǎng)的塑料燒杯上，利用Hoagland營(yíng)養(yǎng)液在光照培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)，定期更換營(yíng)養(yǎng)液。培養(yǎng)7 d后進(jìn)行以下處理：(1)對(duì)照，用完全營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)作為對(duì)照；(2)鹽脅迫，先用完全營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)6 d，后用100 mmol/L NaCl進(jìn)行鹽脅迫處理3 d；(3)10% PEG預(yù)處理，開始用含10% PEG的營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)3 d，然后用完全培養(yǎng)液培養(yǎng)3 d，最后用含100 mmol/L NaCl的營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行鹽脅迫3 d。每處理重復(fù)3次。

1.2 測(cè)定方法

葉綠素含量測(cè)定參考張志良的方法[9]。超氧化物歧化酶(SOD)活性測(cè)定采用氯化硝基四氮唑(NBT)光氧化還原法[8]；過氧化物酶(POD)活性測(cè)定采用愈創(chuàng)木酚法[9]；過氧化氫酶(CAT)活性測(cè)定采用紫外分光光度計(jì)法[9]；抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性測(cè)定參考Nakano等的方法[10]；谷胱甘肽還原酶(GR)活性測(cè)定參考Ma等的方法[11]；抗壞血酸(AsA)和還原型谷胱甘肽(GSH)含量的測(cè)定參照吳強(qiáng)盛等的方法[12]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 16.0對(duì)水稻幼苗不同處理下的抗氧化酶活性、AsA-GSH中關(guān)鍵酶活性和抗氧化劑含量進(jìn)行LSD-單因素最小顯著性差異分析(Least-Significant Difference，One-Way ANOVA，P<0.05)，比較不同處理之間的差異性，并用Microsoft Excel制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 PEG預(yù)處理對(duì)鹽脅迫下水稻幼苗葉綠素含量的影響

葉綠素a分子不僅可以攝取和傳送光能，并且可以將光能轉(zhuǎn)變成其他能供給植物生長(zhǎng)發(fā)育，因此也有光能的“捕捉器”之稱。葉綠素b的功能則是將攝取的光能準(zhǔn)確快速地傳送給反應(yīng)中心色素。從圖1可以看出，在鹽脅迫下，葉綠素a和葉綠素b含量分別比對(duì)照減少18.49%和14.29%，而PEG預(yù)處理水稻幼苗的葉綠素a含量和葉綠素b含量分別比鹽脅迫高52.07%和77.09%。

2.2 PEG預(yù)處理對(duì)鹽脅迫下水稻幼苗SOD、POD和CAT活性的影響

植物體內(nèi)的抗氧化酶主要包括SOD、POD和CAT，可以有效清除植物體內(nèi)的活性氧，減輕植物在逆境下受到的傷害。從圖2可以看出，鹽脅迫下的SOD、CAT活性與對(duì)照相比顯著降低(P<0.05)，POD活性則顯著增高。在PEG預(yù)處理下，SOD、POD、CAT活性均高于鹽脅迫，分別比鹽脅迫高9.93%、6.04%、62.17%。

2.3 PEG預(yù)處理對(duì)鹽脅迫下水稻幼苗AsA-GSH循環(huán)中相關(guān)酶活性的影響

APX和GR是AsA-GSH循環(huán)中的關(guān)鍵酶，在活性氧的清除過程中起重要作用。從圖3可以看出，鹽脅迫下的APX和GR活性均降低，分別比對(duì)照低22.23%和33.33%，GR活性降幅更為顯著。PEG預(yù)處理APX和GR活性均高于鹽脅迫，其中APX活性比鹽脅迫高85.72%，差異顯著，GR活性比鹽脅迫高16.68%。

2.4 PEG預(yù)處理對(duì)鹽脅迫下水稻幼苗AsA-GSH循環(huán)中非酶類抗氧化劑的影響

AsA和GSH是植物體內(nèi)重要的非酶類抗氧化劑，并且也是植物細(xì)胞中主要的氧化還原緩沖劑，對(duì)AsA活性的保持起著重要作用[13]。從圖4可以看出，鹽脅迫顯著降低了AsA的含量。PEG預(yù)處理下，AsA含量較鹽脅迫提高98.51%，差異顯著，GSH含量比鹽脅迫高14.29%。

3 討論

利用外源物質(zhì)預(yù)處理可以減緩逆境脅迫對(duì)植物的傷害，如脫落酸預(yù)處理可以提高橡膠樹芽接苗期抗寒性[14]，蔗糖預(yù)處理可以有效增加鹽脅迫下水稻幼苗的總氮量并提高氮代謝關(guān)鍵酶的活性[15]。PEG作為模擬干旱的一種高分子滲壓劑，也常作為外源物質(zhì)用于增強(qiáng)植物的抗逆性[5-7]。

鹽脅迫影響植物葉片內(nèi)葉綠素含量的變化主要是因?yàn)槠錅p慢光合速率，使光合作用受抑制，導(dǎo)致葉綠素含量降低，最終使植物生長(zhǎng)發(fā)育受影響。本研究表明，在PEG預(yù)處理下，葉綠素a和葉綠素b含量均高于鹽脅迫處理，說明PEG預(yù)處理緩解了鹽脅迫對(duì)水稻幼苗葉綠素的傷害，從而改善水稻幼苗在鹽脅迫下的生長(zhǎng)狀況。

植物體內(nèi)有清除活性氧的機(jī)制，在逆境條件下，植物體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生過多的活性氧，如果超出了植物自我調(diào)節(jié)的程度，就會(huì)因無法清除從而堆積在機(jī)體內(nèi)，活性氧的消除工作主要是由抗氧化酶系統(tǒng)來完成，主要包括SOD、POD、CAT、APX和GR。研究表明，在鹽脅迫下水稻幼苗的POD活性有所上升，這與Garg等的研究結(jié)果[16]基本一致，說明在一定脅迫內(nèi)，植物能夠通過提高酶活性來抵抗逆境造成的傷害。而SOD和CAT的含量則有所下降，可能是因?yàn)樵撁{迫程度不足以使SOD和CAT迅速啟動(dòng)防御機(jī)制，而活性氧的產(chǎn)生又消耗掉了一部分SOD和CAT[17]。在PEG預(yù)處理下，水稻幼苗的SOD、POD、CAT活性均高于鹽脅迫，說明PEG預(yù)處理可以緩解鹽脅迫對(duì)抗氧化酶活性的影響，使其更有效地清除活性氧(ROS)，提高水稻幼苗對(duì)鹽脅迫的抵抗能力。APX作為存在于植物體內(nèi)清除H2O2的關(guān)鍵酶，可將AsA氧化為DHA，同時(shí)又可以將H2O2還原為H2O，從而保護(hù)植物體免受ROS傷害。而GR則可以促使GSH再生，因此植物體內(nèi)的GR活性也是代表其抗氧化能力的重要標(biāo)志之一[18]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，PEG預(yù)處理下APX和GR活性較鹽脅迫均有所增高，說明PEG預(yù)處理可以提高鹽脅迫下APX和GR活性，從而更好地保護(hù)植物免受鹽脅迫所帶來的傷害。

AsA和GSH是AsA-GSH循環(huán)中2種重要的非酶類抗氧化劑，其含量能反映出植物體對(duì)鹽脅迫的抵抗程度。研究表明，鹽脅迫下AsA和GSH含量均有所減少，這與顏志明等在甜瓜方面的研究結(jié)果[19]相吻合，原因可能是其參與自由基清除反應(yīng)的同時(shí)部分被氧化的結(jié)果[20]，也有可能是因?yàn)槟婢诚翧sA與GSH合成能力下降所導(dǎo)致的[21]。但本試驗(yàn)中PEG預(yù)處理的AsA、GSH含量高于鹽脅迫，說明PEG預(yù)處理可以提高鹽脅迫下AsA和GSH的含量，減輕鹽脅迫對(duì)水稻幼苗的傷害。PEG可能是通過影響水稻幼苗中ROS的積累和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，調(diào)節(jié)相關(guān)蛋白基因的表達(dá)，從而增強(qiáng)其對(duì)鹽脅迫的抗性。

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