PEG胁迫对不同地理种源沙拐枣生理特性的影响

邱真静,李毅,种培芳

(甘肃农业大学林学院,甘肃 兰州730070)

沙拐枣(Calligonum mongolicum)为蓼科(Polygonaceae)沙拐枣属(Calligonum)落叶灌木,分布于亚洲中部荒漠地区,主要在荒漠地带并渗入草原化荒漠及荒漠化草原,具有抗风蚀、耐沙埋、耐沙割、抗干旱、耐贫瘠及枝条茂密,萌蘖力强,根系发达等特性,能在极端严酷的干旱荒漠区生长,是沙质荒漠的重要建群种之一[1]。目前,对沙拐枣已有一些研究,包括引种栽培技术[2],幼苗生长特性[3],DNA提取方法改进及PCR扩增检测[4]等。陶玲等[5]对沙拐枣属红皮沙拐枣和头状沙拐枣种子吸水变化规律进行了研究,张孝仁和徐先英[6]对沙拐枣属不同种造林后的成活生长状况、抗旱性水分生理指标及抗风蚀性能进行了比较试验研究,但有关水分胁迫处理对同种不同地理种源沙拐枣抗旱生理特性研究还鲜见报道。

众所周知,水分是构成植物的必要成分,也是植物赖以生存必不可少的物质基础。在水分胁迫下,植物会产生一系列的生理生化响应,从而影响植物的生长发育[7]。有关水分胁迫下植物的生理响应[8,9]以及耐旱性[10]已作了大量的研究。甘肃大部分地区干旱少雨且蒸发量大,平均降水为300 mm左右,大致从东南向西北降低。随着从东向西降水量的减少,植物体内生理生化反应势必不同。近几十年来,越来越多的人认为,用PEG模拟植物干旱逆境是可行的,通过随机标记的14C方法确定了PEG4000～10000能模拟干旱逆境的原因是其可阻塞植物的输导组织[11,12]。在PEG渗透胁迫下,势必引起植物体内一系列的生理生化反应,以增强植物体的抗旱能力[13]。本试验就利用不同浓度的PEG-6000溶液进行浸根培养,造成渗透胁迫条件,对甘肃不同地理种源沙拐枣幼苗进行不同浓度、不同时间PEG的渗透胁迫处理,研究沙拐枣幼苗的渗透调节物质、丙二醛含量、超氧化物歧化酶等生理生化指标的变化,探讨这些因子在渗透胁迫时发生变化的规律,旨在探讨渗透胁迫对沙拐枣的伤害机理及沙拐枣自身的抗逆机制,同时对不同地理种源沙拐枣抗旱性进行比较,从而为干旱等逆境下沙拐枣的培育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

本试验以武威、张掖和酒泉沙拐枣幼苗为材料,种子均是2008年8月底在各地采集的。各采种地水热条件列于表1中。

1.2 幼苗的培养

种源育苗试验点在武威市林基中心温室。该中心位于103.16°E、38.41°N,年均温7.8℃,7月均温23℃,1月均温-10℃,年均降水量190 mm;温室内温度25℃,湿度75%,于2009年2月播种,挑选籽粒饱满无病虫害的种子,在20℃的蒸馏水中浸泡24 h,然后均匀地播种在盛有砂质土壤的塑料培育钵中,播种后定时定量浇水,灌水量宜少,自然光照,在18～25℃的室温下培养。待幼苗苗龄3个月,苗高15 cm左右时,选取生长一致的幼苗,洗净根系上的泥土,吸干根系上的水分,每个种源沙拐枣取150颗幼苗,平均取30颗放入5%,10%,15%,20%的PEG-6000培养液(用蒸馏水配制)进行渗透胁迫处理,分别处理12,24,48,72 h,取幼苗同化枝进行各项生理指标测定,对照(CK)采用蒸馏水处理,各试验重复3次。

表1 研究区域水热条件Table 1 Hydrothermal situation at the selected region

1.3 相关指标测定方法

脯氨酸(proline,Pro)含量采用茚三酮比色法[14]测定;可溶性糖(soluble sugar,SS)含量采用蒽酮比色法[15]测定;丙二醛(malondehyde,MDA)含量采用硫代巴比妥酸法[14]测定;超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性采用氮蓝四唑法[14]测定;过氧化物酶(peroxide enzyme,POD)活性采用愈创木酚比色法[14]测定。

1.4 统计分析

采用Excel 2003与SPSS 12.0软件进行方差分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 PEG胁迫对不同地理种源沙拐枣脯氨酸含量的影响

脯氨酸是植物体内重要的渗透调节物质,渗透胁迫导致脯氨酸在幼苗中大量积累(图1),随PEG胁迫时间的延长,3个不同地理种源脯氨酸积累量均呈上升的趋势。各处理值均高于CK,且各处理间差异显著(P<0.05)。随着渗透胁迫程度的加重,到72 h时3个种源沙拐枣脯氨酸含量累积达最大值,其中10%浓度PEG对沙拐枣脯氨酸积累作用最明显,武威、张掖、酒泉沙拐枣脯氨酸积累分别是CK的16.50,11.23和14.49倍。相同胁迫下,武威沙拐枣叶片的脯氨酸含量增加幅度最大,酒泉次之,张掖沙拐枣增加幅度最小。

2.2 PEG胁迫对不同地理种源沙拐枣可溶性糖含量的影响

可溶性糖是一种有效的渗透调节保护剂,在整个胁迫过程中,3个地理种源沙拐枣幼苗在4个不同浓度处理下可溶性糖含量均呈先上升后降低、再上升的趋势(图2),各处理的可溶性糖含量均显著高于CK,且各处理间差异显著(P<0.05),3个种源沙拐枣幼苗可溶性糖含量均在胁迫72 h达到最大值,且均是20%胁迫处理下达最大,武威、张掖、酒泉沙拐枣在20%胁迫处理72 h时,可溶性糖累积量分别是CK的2.82,5.02和6.26倍。相同胁迫下,酒泉沙拐枣幼苗可溶性糖含量增加幅度最大,张掖次之,而武威沙拐枣增加幅度最小。

图1 PEG胁迫对不同地理种源沙拐枣脯氨酸含量的影响Fig.1 Effect of osmotic stress with PEG on Pro content of C.mongolicum in different geographical provenance

图2 PEG胁迫对不同地理种源沙拐枣可溶性糖含量的影响Fig.2 Effect of osmotic stress with PEG on soluble sugar content of C.mongolicum in different geographical provenance

2.3 PEG胁迫对不同地理种源沙拐枣丙二醛含量的影响

3个地理种源沙拐枣幼苗细胞膜透性在PEG胁迫下均有显著升高(图3),各处理均随着处理时间延长呈先上升后降低再上升的趋势。丙二醛含量在胁迫72 h,20%胁迫处理下达最大值,武威、张掖、酒泉分别是CK的3.74,3.40和3.33倍。相同胁迫下,武威沙拐枣幼苗的MDA含量增加幅度最大,张掖次之,酒泉沙拐枣增加幅度最小。

图3 PEG胁迫对不同地理种源沙拐枣丙二醛含量的影响Fig.3 Effect of osmotic stress with PEG on MDA content of C.mongolicum in different geographical provenance

2.4 PEG胁迫对不同地理种源沙拐枣超氧化物歧化酶(SOD)活性的影响

3个不同地理种源沙拐枣幼苗同化枝SOD活性随胁迫时间的延长呈升高—降低—升高—降低的趋势(图4),这是其对胁迫时间的适应性表现。在48 h时,各浓度处理的沙拐枣幼苗SOD活性达峰值,而不同浓度的PEG胁迫处理对不同地理种源沙拐枣的影响却不一样,张掖,酒泉的沙拐枣均是10%PEG处理48 h时SOD值最大,分别是CK的3.20和2.48倍。而武威沙拐枣则是15%PEG处理48 h时达到最大值,是CK的4.30倍,且各处理间差异显著(P<0.05)。适度水分胁迫能增强SOD活性,即增加叶片清除自由基的能力,这是植物细胞对外界胁迫条件的一种适应性反应。但是,当水分胁迫程度过大,自由基产生与清除平衡失调时,就会导致SOD酶活性的降低。相同渗透胁迫下武威沙拐枣SOD活性显著高于同期的张掖及酒泉沙拐枣,武威沙拐枣SOD活性增加幅度最大,张掖次之,酒泉沙拐枣SOD活性增加幅度最小。

图4 PEG胁迫对不同地理种源沙拐枣S OD活性的影响Fig.4 Effect of osmotic stress with PEG on SOD activity of C.mongolicum in different geographical provenance

2.5 PEG胁迫对不同地理种源沙拐枣过氧化物酶(POD)活性的影响

随着胁迫时间的延长,不同地理种源沙拐枣POD活性呈相似先升高后降低的趋势(图5),并且在24 h均达到峰值,且各处理间差异显著(P<0.05)。不同浓度PEG胁迫处理对不同地理种源沙拐枣的影响却不一样,武威、张掖沙拐枣均是10%PEG处理24 h时POD活性最大,分别是CK的5.80和3.02倍。而酒泉沙拐枣则是5%PEG处理24 h时达到最大值,是CK的7.82倍。酒泉沙拐枣POD活性的增加幅度最大,武威次之,张掖最小。

图5 PEG胁迫对不同地理种源沙拐枣POD活性的影响Fig.5 Effect of osmotic stress with PEG on PODactivity of C.mongolicum in different geographical provenance

2.6 各生理指标相关性分析

Pro含量与MDA含量呈正相关关系(表2),与SOD活性呈负相关关系,与POD活性呈负相关关系。可溶性糖含量与MDA含量呈正相关关系,MDA含量与SOD活性呈负相关关系,与POD呈正相关关系。SOD活性与POD活性呈负相关关系。

表2 PEG渗透胁迫下3个地理种源沙拐枣各生理指标的相关性分析Table 2 Correlation analysis of C.mongolicum in three of geographic provenances under PEG osmotic stress

3 讨论

3.1 沙拐枣对渗透胁迫的反应

在水分胁迫下,植物通过增加细胞内溶质,比如Pro和可溶性糖进行渗透调节被认为是一种抵抗水分胁迫的有效途径。Pro是植物体内一种重要的氨基酸,当植物受到干旱胁迫时,可作为植物的渗透剂,参与植物的渗透调节作用[16]。本试验中,Pro含量随胁迫时间的延长而逐渐上升,与王齐等[17]的研究结果一致。曹仪植[18]认为,抗旱性强的品种即使在胁迫120 h的情况下仍呈上升趋势,鉴于此,本试验中Pro在前48 h积累平缓,而在72 h才急剧上升,说明这3个不同地理种源的沙拐枣具有较强的抗旱性。

不同程度的渗透胁迫处理条件下,Pro与可溶性糖变化规律有相似之处,同时也存在一定的差异性:相同的是各处理的Pro与可溶性糖含量均随胁迫进程而增加。不同的是,Pro在中度胁迫下积累最大,而可溶性糖含量在重度胁迫下最大,因此3个种源的Pro均是在10%的胁迫处理下其积累量最大,而可溶性糖含量则是在20%的胁迫处理下积累量最大。在胁迫12 h时Pro的积累不明显,而可溶性糖含量在胁迫12 h时大量积累可能是对Pro累积不明显的补偿作用。

当植物组织处于严重胁迫状态时,细胞中活性氧会大量积累,生成具有强氧化性的脂质过氧化物和各种小分子的降解产物,其中以MDA浓度增高最为显著,因此,MDA的浓度是检测植物膜伤害的一个重要指标[19]。不同地理种源沙拐枣MDA含量呈相似变化,MDA含量并非随时间的延长而持续增加,其间MDA含量有一个下降过程,各处理水平均随着处理时间延长呈先上升后降低的趋势,可能是胁迫期间自我保护调节的结果。本研究表明,在PEG胁迫下,3个不同地理种源的沙拐枣MDA含量都有所增加,说明3个地理种源沙拐枣的细胞膜系统不同程度地受到了伤害。

研究表明,超氧化物歧化酶(SOD)活性的高低是植物抗旱性的重要指标,是重要的自由基清除剂之一,是抵御活性氧伤害的“第1道防线”,在生物细胞保持正常的生长发育中发挥着重要的作用[20]。从3个不同地理种源沙拐枣内保护酶活性的变化及SOD活性的高低可以看出,沙拐枣幼苗具有较强的抵御活性氧伤害的能力。过氧化物酶(POD)是植物体内的一种保护酶,是与衰老有关的一种酶,在植物体内的作用具有非专一性,它既与膜脂过氧化有关,又可以清除细胞体产生较少的O2-,与植物的抗逆能力密切相关[21]。本试验中,不同保护酶在不同程度干旱胁迫下的活性变化有所不同,但在胁迫处理达到一定程度时,活性较对照都有明显增加的趋势。祈娟等[22]认为,SOD和POD形成明显的互补,说明2种酶在清除植物体内自由基时可相互补充和协调,保护植物免受环境伤害。试验结果表明,SOD活性随着胁迫程度的加剧和时间的延长经历了“双峰”变化,在48 h时达到峰值,而在24 h时活性最小,而POD活性则呈先升高再下降的趋势,且在24 h达到峰值,这也是2种保护酶互补的表现。有研究表明,轻度干旱胁迫可以激活植物体内酶促系统,促进酶活性的提高,而重度胁迫则导致这些保护酶活性下降,其变化与干旱程度正相关[23,24]。试验结果表明在相同时间内,高浓度的PEG胁迫下,SOD、POD活性变化的幅度也低于低浓度胁迫,说明植物体内保护酶系统的活力和平衡受到破坏,使活性氧累积、启动并加剧膜脂过氧化而造成整体膜的损伤。

有报道,MDA含量的高低与细胞膜的伤害程度呈正相关关系[25],桦树(Betula platyphylla)MDA含量与SOD酶活性呈负相关关系[26],桐花树(Aegiceras corniculata)幼苗叶片SOD活性与MDA含量呈负相关关系[27],郑海雷和林鹏[28]在研究盐度对桐花树根茎叶膜保护系统的影响时也发现,SOD活性与MDA含量呈负相关关系。戴高兴等[29]在研究干旱对水稻(Oryza sativa)幼苗MDA、Pro含量和SOD活性影响时发现Pro含量与SOD活性呈负相关关系。在干旱胁迫下,可溶性糖[30,31]等渗透调节物质含量增加,并且与胁迫的程度呈正相关关系,3个种源各指标的相关性与前人研究结果基本一致。

3.2 不同地理种源沙拐枣耐旱性差异

植物对干旱的反应取决于其生存的环境条件及水分胁迫的时间和强度[32],很多植物对干旱表现出适应特征。本试验所研究的3个不同地理种源沙拐枣分布在甘肃境内年均降水量、年均蒸发量、年均大气相对湿度,年均气温等存在差异的地区(表1)。试验表明,3个不同地理种源沙拐枣对干旱胁迫的反应也明显不同。武威沙拐枣Pro积累量最大,胁迫初期脯氨酸积累的反应也最快,而可溶性糖含量的累积最低,是Pro与可溶性糖协同作用的结果。SOD、POD上升最快,说明保护酶系统对渗透胁迫反应快,SOD活性变化幅度及变化速度大于张掖、酒泉沙拐枣,POD活性变化幅度大于张掖沙拐枣。张掖沙拐枣Pro积累量及增加幅度最低,POD增加幅度也最低,但SOD增加幅度大于酒泉沙拐枣。酒泉沙拐枣POD活性反应慢,但后期维持较高的POD活性,其增加幅度最大,但SOD增加幅度却小于另外2个种源,Pro的积累量及增加幅度最小,积累慢,而可溶性糖积累幅度最大。保护酶活性较高的种源,其MDA含量较低,但也有例外,武威沙拐枣的酶活变化速度明显高于张掖和酒泉,变化幅度也大于张掖沙拐枣,而在整个胁迫中张掖沙拐枣MDA含量及变化幅度均小于其他2个种源,说明其膜受伤害程度小。

总之,植物对干旱的抗性是一个由各种因素相互作用、非常复杂的数量性状,受多基因控制[33]。这些结果说明,不同种源沙拐枣幼苗的生理特性对不同水分胁迫表现出不同生理适应,且随水分胁迫的变化存在差异。延长试验时间,并结合测定各种源的光合、荧光特性是进一步研究中必须考虑的问题。

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