鹽脅迫對寧夏水稻不同品種萌發(fā)指標和同工酶的影響

趙會君， 馬名立， 代飛燕， 任慧聰

(北方民族大學生物科學與工程學院，寧夏銀川 750021)

土壤鹽漬化是土地資源面臨的重大問題，據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)存的不同鹽堿地類型面積大約為9 913萬hm2，主要分布于柴達木盆地、銀川平原、濱海地區(qū)、河西走廊、新疆等地區(qū)，約占全世界土地面積的25%[1]。寧夏回族自治區(qū)處于溫帶半干旱、干旱區(qū)，位于西北地區(qū)東部、黃河中上游，空氣干旱，降水稀少(平均年降水量為292 mm)，致使蒸發(fā)強烈(水面蒸發(fā)量為 1 296 mm)，近年來由于黃河水的引灌而造成引黃灌區(qū)的土壤鹽漬化問題逐年加重，引起了寧夏回族自治區(qū)政府及有關(guān)人員的高度關(guān)注[2]，寧夏土壤的鹽堿化對于寧夏的糧食生產(chǎn)和某些作物的種植影響巨大，銀川北部地區(qū)鹽堿地已占總耕地面積的49%以上。水稻是寧夏平原地區(qū)的主栽糧食作物，也是引黃灌區(qū)的重點種植作物，因此篩選抗鹽性較強的水稻品種是利用鹽堿地的重要措施之一[2-3]。

植物一生中對逆境忍耐力最大的部位是種子，幼苗最小[4-5]。種子萌發(fā)是植物生長發(fā)育的一個關(guān)鍵時期，水稻種子中含有大量的淀粉顆粒，種子萌發(fā)時α-淀粉酶就具有活性，并在糊粉層中快速形成而將淀粉水解，α-淀粉酶與赤霉素的調(diào)控有關(guān)，隨著時間的延長其活性不斷增大[6]。α-淀粉酶的活性越高，種子中的淀粉轉(zhuǎn)化成營養(yǎng)物質(zhì)的能力越強，而鹽脅迫對α-淀粉酶的影響是研究鹽堿脅迫的重要生理參數(shù)。水稻萌發(fā)期是水稻生長的起始點，對植物的后期生長發(fā)育起著至關(guān)重要的作用。因此通過對逆境脅迫下種子萌發(fā)和生長的研究，可以篩選一些抗逆性的品種[7]。當形態(tài)建成后，幼苗進一步受到抗氧化系統(tǒng)的保護，在一般鹽脅迫情況下，植物體內(nèi)的過氧化物酶(POD)等的活性和植物的抗氧化脅迫能力呈正相關(guān)，另外，某些植物體內(nèi)的過氧化物質(zhì)如抗壞血酸也有清除體內(nèi)自由基的生理功能[8]。因此，本研究以寧夏主栽水稻品種節(jié)七、寧粳41、寧粳28及日本晴為材料，研究鹽脅迫對不同水稻品種萌發(fā)期形態(tài)、生理生化指標的影響，為后期鹽堿地種質(zhì)資源篩選和寧夏水稻種植提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 種子萌發(fā)及形態(tài)指標測量

試驗于2017年1—5月在北方民族大學分子生物學實驗室進行，所選擇的水稻品種主要有寧夏主栽水稻品種寧粳28、寧粳41、節(jié)七及對照品種日本晴。選取大小均一、籽粒飽滿的種子備用。種子用10%次氯酸鈉消毒10 min，并用蒸餾水反復沖洗3～5次，將其依次擺放在鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿中，每個培養(yǎng)皿內(nèi)放30粒。每個品種設(shè)置4個鹽濃度梯度，分別為0(CK)、50、100、150 mmol/L，每個梯度設(shè)置3個重復，放置于30 ℃恒溫生化培養(yǎng)箱內(nèi)進行催芽。發(fā)芽期間每天定時記錄萌發(fā)數(shù)(以種子露白為發(fā)芽標準)，萌發(fā)第2天開始測量胚芽鞘長度(mm)、主根長度(mm)、胚根數(shù)，每次隨機挑選10粒進行測量，并計算各形態(tài)指標的平均值，統(tǒng)計萌發(fā)率。萌發(fā)率=發(fā)芽粒數(shù)/供試粒數(shù)×100%。所得數(shù)據(jù)采用GraphPad Prism 5.0統(tǒng)計軟件進行分析。

1.2 酶液的提取及同工酶電泳和α-淀粉酶活性的測定

取處理不同時間的0.5 g新鮮組織，加入5 mL冰預冷的 50 mmol/L 磷酸緩沖液(pH值為7.0)于冰浴中研磨，4 ℃、12 000 r/min 離心20 min，收集上清液即為酶粗提液，可溶性總蛋白含量的測定采用考馬斯亮藍法。同工酶電泳采用北京六一儀器廠生產(chǎn)的垂直板凝膠電泳儀，電泳時α-同工酶、超氧化物歧化酶(SOD)、POD以及過氧化氫酶(CAT)采用10%分離膠和5%濃縮膠，總上樣量為 35 μL，預電泳10 min，濃縮膠中穩(wěn)定電壓為80 V，進入分離膠后穩(wěn)定電壓為120 V，電流為200 mA。于冰浴中電泳3～4 h后當指示染料下行至距膠板末端1～2 cm時停止電泳。

α-淀粉酶同工酶染色采用淀粉法[7]，SOD同工酶染色采用氮藍四唑法[9]，POD同工酶染色采用醋酸-聯(lián)苯胺法[10]，CAT染色采用淀粉法[11]。根據(jù)染色的酶譜計算相對遷移率Rf(Rf=酶帶遷移距離/前沿指示劑距離)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理濃度和時間下4個水稻品種的萌發(fā)趨勢

如圖1所示，4個水稻品種在不同鹽脅迫下的萌發(fā)率隨著鹽濃度的增大而不斷降低，說明鹽脅迫抑制了種子的萌發(fā)，但是節(jié)七在5 d內(nèi)的萌發(fā)趨勢基本一致(圖1-a)，在最高濃度的鹽脅迫下第2天萌發(fā)率就已達到78%，寧粳28的萌發(fā)率在第2天達到50%左右，寧粳41的萌發(fā)率在第4天達到30%左右，而日本晴在第4天才開始發(fā)芽。這顯示節(jié)七在高濃度的鹽脅迫下保持了較高的萌發(fā)率，可能對鹽脅迫有較高的抗性。

2.2 不同水稻品種在鹽脅迫下萌發(fā)形態(tài)的差異

如表1所示，與對照相比，所有品種經(jīng)過鹽脅迫后，胚芽鞘長和胚根數(shù)、胚根長都受到極顯著抑制(P<0.001)，而寧粳41和寧粳28以及節(jié)七品種相比日本晴，抑制程度較輕，這表現(xiàn)在胚芽鞘長和胚根長受抑制程度上，這些形態(tài)指標是早期鑒定傷害的重要指標。

表1 萌發(fā)第3天的形態(tài)指標

注：所有數(shù)據(jù)來源于3次重復±標準誤，大寫字母A表示與CK相比在0.001水平差異顯著。

2.3 不同鹽濃度處理對節(jié)七α-淀粉酶同工酶的影響

以鹽脅迫下萌發(fā)率較高的品種節(jié)七為研究材料，α-淀粉酶-同工酶圖譜如圖2所示。由圖2可以看出，在非脅迫情況下，在萌發(fā)第1天，種子中出現(xiàn)了1條遷移率為0.34的條帶，在萌發(fā)第2天，出現(xiàn)了2條遷移率分別為0.34、0.43的條帶，顯示種子中的淀粉酶隨著萌發(fā)時間的延長出現(xiàn)條帶增多和強度增加的趨勢。在鹽脅迫條件下，萌發(fā)第1天，α-淀粉酶-同工酶出現(xiàn)被抑制的現(xiàn)象，表現(xiàn)在隨著鹽脅迫時間延長及濃度的增加，酶帶亮度減小，寬度減少，說明鹽脅迫導致α-淀粉酶同工酶活性下降，而在處理第2天，與對照相比同工酶仍然呈被抑制趨勢。

2.4 不同濃度處理下節(jié)七抗氧化同工酶的變化情況

由圖3可知，與對照相比，鹽脅迫后SOD亮度和條帶數(shù)增加，說明SOD同工酶受鹽脅迫的誘導；CAT同工酶第3個亞基酶帶寬度增加，POD同工酶表現(xiàn)在隨著處理濃度的增加酶帶減少和亮度降低，這顯示POD也受到了抑制。以上結(jié)果說明，鹽脅迫早期就已經(jīng)對抗氧化酶系統(tǒng)進行了修飾，而CAT和SOD可能主要參與了鹽脅迫早期的活性氧物質(zhì)的清除。

3 結(jié)論與討論

土壤理化環(huán)境是影響種子萌發(fā)及幼苗生長的重要生態(tài)因子，種子的抗逆能力在一定程度上反映了該物種的抗逆程度，植物種子耐鹽性是耐鹽堿植物篩選與早期鑒定的主要依據(jù)之一，種子能否在鹽脅迫下萌發(fā)成苗，幼苗能否順利度過成熟期，是植物在鹽堿條件下生長發(fā)育的前提，因此，研究鹽脅迫下種子萌發(fā)生理和幼苗生長具有重要意義[12-14]。篩選抗逆性品種是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵因素，這關(guān)系到幼苗的形態(tài)建成以及后期的產(chǎn)量形成。

種子發(fā)芽速率取決于種子吸水速率，種子從外界吸足水分后，貯存在干燥種子中的酶原被激活，種子萌發(fā)所需的酶被合成，種子的萌發(fā)與α-淀粉酶基因的表達有重要的關(guān)系，而鹽脅迫抑制種子萌發(fā)的重要限制因素就是低水勢脅迫[14]，本研究發(fā)現(xiàn)鹽脅迫對水稻種子中α-淀粉酶同工酶產(chǎn)生了抑制，這是種子萌發(fā)率降低的重要原因之一，這一結(jié)果也與趙會君等在小麥中的研究結(jié)果[7]相似。鹽脅迫對水稻萌發(fā)期形態(tài)指標的傷害主要表現(xiàn)在胚芽鞘、胚根生長被抑制和胚根數(shù)減少，這與藺吉祥等的研究結(jié)果[13]相似，可能是過量的Na+在根系的累積導致的毒害癥狀，高濃度的鹽堿脅迫還會抑制植物根系有絲分裂指數(shù)而抑制根系生長[15]。而節(jié)七品種在較高濃度的鹽堿脅迫下保持著較高的萌發(fā)勢，可能對鹽堿具有較強的耐受性，可以作為重要的抗鹽品種在鹽堿地推廣種植。