硫化氢缓解铝胁迫对水稻幼苗叶片抗氧化系统的调控

孟 丹,安敏敏,杨立明,2

(1.淮阴师范学院 生命科学学院,江苏 淮安 223300;2.淮阴师范学院 江苏省环洪泽湖生态农业生物技术重点实验室,江苏 淮安 223300)

硫化氢缓解铝胁迫对水稻幼苗叶片抗氧化系统的调控

孟 丹1,安敏敏1,杨立明1,2

(1.淮阴师范学院 生命科学学院,江苏 淮安 223300;2.淮阴师范学院 江苏省环洪泽湖生态农业生物技术重点实验室,江苏 淮安 223300)

硫化氢(H2S)是植物体内重要的信号分子,可显著缓解重金属对水稻的毒害.以硫氢化钠(NaHS)作为硫化氢的供体,分别采用0.4 mmol/L NaHS,75 μmol/L AlCl3,75 μmol/L AlCl3+0.4 mmol/L NaHS处理水稻幼苗,测定H2S对水稻幼苗内氧化还原系统的影响.结果表明,铝胁迫显著增加了水稻幼苗体内过氧化氢和超氧阴离子的含量,以及超氧化物歧化酶(SOD),过氧化氢酶(CAT)等活性氧清除酶系的活性,而施加H2S供体NaHS显著降低了过氧化氢和超氧阴离子的含量,以及SOD和CAT的活性.

硫化氢; 水稻; 铝胁迫; 抗氧化系统

0 引言

铝对作物的危害主要是由于土壤中可溶性铝离子含量过多而引起的对作物生长的抑制.在酸性土壤中pH低,可溶性铝含量高,形成了对作物的毒害.在酸性土壤中作物根系的生长受到抑制,致使地上部和地下部的生长比例失调,并减少对土壤养分的吸收和利用.

研究发现,铝毒害的主要原因之一是植株体内活性氧物质,如超氧阴离子和过氧化氢的积累引起的氧化胁迫,这些活性氧类的物质导致了膜脂的过氧化[1-3].但植株体内的活性氧代谢的平衡被打破,活性氧类物质的产生和清除主要依赖于酶促和非酶促的抗氧化系统来完成[4].

目前,植物对铝毒害的抗性涉及到多个信号分子和信号途径,包括Ca离子、一氧化氮和水杨酸等[5-6].而硫化氢(H2S)作为近年来发现的一种新型的气体信号分子[7],在作物的生长发育、应对环境胁迫等过程中发挥重要的作用[8-11].前期我们用硫化氢的供体硫氢化钠(NaHS)处理铝胁迫下的水稻幼苗,发现低浓度的硫氢化钠可缓解铝胁迫对水稻幼苗生长发育的抑制[12].

本文拟采用硫化氢的供体硫氢化钠处理铝胁迫下的水稻幼苗,测定硫化氢缓解铝胁迫下水稻幼苗内氧化还原系统的变化.

1 材料与方法

1.1 实验材料及其培养

实验选用水稻品种为kasalath.水稻种子的萌发与培养参照孟丹等人[12]的方法,并稍作修改.水稻种子在HP1000GS型智能人工气候箱中发芽、培养.当生长至三叶期时进行处理,即CK(对照)、0.4 mmol/L NaHS、75 μmol/L AlCl3、75 μmol/L AlCl3和0.4 mmol/L NaHS,每个处理60株苗,每个处理3个重复,每2天更换一次培养液,共处理3次.

1.2 超氧化物歧化酶(SOD)活性测定

称取0.5 g的叶片,在液氮中充分研磨,加入预冷的0.1 mol/L磷酸缓冲液(pH 7.5)室温下涡旋20 min,10 000 rpm离心20 min,取上清液,采用氮蓝四唑(NBT)还原法测定SOD活性[13].

1.3 过氧化氢酶(CAT)活性测定

称取0.5 g的叶片,在液氮中充分研磨,加入0.05 mol/L磷酸缓冲液(pH 7.8)室温下涡旋20 min,10 000 rpm离心20 min,取上清液,在240 nm处采用紫外分光光度法测定CAT活性[14].

1.4 超氧阴离子含量的测定

称取材料1 g,加入少量NBT溶液(6 mmol/L)在室温下放置1 h,然后放入研磨中加少许石英砂和磷酸缓冲液(0.05 mol/L,pH 7.5),充分研磨,转入离心管中并于10 000 rpm离心20 min,取上清液并定容至10 mL,分光光度法测定超氧阴离子的含量[15].

1.5 过氧化氢含量的测定

称取材料0.5 g,加入少量二氨基联苯胺(DAB)溶液(1 mg/mL)在室温下放置1 h,然后放入研磨中加少许石英砂和0.2 mol/L高氯酸,充分研磨,转入离心管中并于10 000 rpm离心20 min,取上清液并定容至10 mL,分光光度法测定过氧化氢的含量[16].

1.6 数据处理

用SPSS 16.0 软件进行数据统计分析.

2 结果与分析

2.1 硫化氢缓解铝胁迫对水稻幼苗叶片超氧化物歧化酶活性的影响

铝离子是土壤中严重限制作物产量和品质的重金属元素胁迫之一,前期研究发现75 μmol/L的铝离子对水稻幼苗造成了严重的生长抑制和损伤[12].酶活性测定发现铝胁迫在处理6 h叶片内SOD的活性增加了4倍,NaHS对水稻叶片内SOD酶活性影响较小,仅增加约1.5倍.而在铝胁迫的幼苗中添加NaHS可显著地降低了SOD活性,且在处理的前24 h水稻幼苗叶片内的SOD活性维持在相同的表达水平(图1).

2.2 硫化氢缓解铝胁迫对叶片过氧化氢酶活性的影响

过氧化氢酶(CAT)作为植物体内氧化还原系统的重要成员,降解体内积累的过氧化氢.在铝离子胁迫下,水稻幼苗叶片CAT酶活性显著增加,与对照植株叶片内的CAT活性相比增加了近5倍,NaHS对水稻叶片内CAT酶活性没有产生显著的影响(图2).而在铝胁迫下添加NaHS可降低了CAT酶的活性约1.5倍,且在胁迫处理的6 h、12 h和24 h三个时间点,CAT酶活性相对比较稳定(图2).

图1 H2S、铝,及H2S缓解铝胁迫条件下水稻幼苗SOD活性的变化

图2 H2S、铝,及H2S缓解铝胁迫条件下水稻幼苗CAT活性的变化

2.3 H2S对铝胁迫下水稻幼苗叶片内超氧阴离子含量的影响

在铝单独处理下,水稻幼苗叶片内超氧阴离子(O·-2)积累速度较快,从胁迫6 h积累增加了3倍,12 h积累增加了10倍,到胁迫24 h积累增加了约16倍.由此可见铝胁迫通过影响水稻幼苗叶片内的物质代谢显著增加了水稻幼苗叶片O·-2的含量,对幼苗叶片产生了严重伤害(图3).在单独NaHS处理幼苗时,水稻幼苗叶片内O·-2的含量没有明显变化,当0.4 mmol/L NaHS处理铝胁迫下的水稻幼苗与铝单独处理时相比较,发现水稻幼苗叶片内O·-2的含量在6 h没有明显变化,而在12 h和24 h出现显著降低(图3),说明0.4 mmol/L NaHS可通过降低水稻幼苗叶片O·-2的含量缓解铝对幼苗地上部的胁迫.

2.4 H2S对铝胁迫下水稻幼苗过氧化氢含量的影响

重金属胁迫对植物的胁迫会影响到植株体内的氧化还原系统[3,6].由图4可知,在铝单独处理下的6 h,水稻幼苗叶片内过氧化氢含量快速积累,而在铝胁迫的12 h和24 h过氧化氢含量的增幅略微降低(图4).尽管单独NaHS处理的6、12和24 h,过氧化氢含量比对照分别增加了2.7、1.9和3.4倍,而当用NaHS处理铝胁迫下的水稻幼苗时,叶片内过氧化氢含量有显著降低(图4),说明0.4 mmol/L NaHS能够显著缓解铝引起的水稻幼苗叶片内过氧化氢的积累,以及过氧化氢对叶片的毒害.

图3 H2S、铝,及H2S缓解铝胁迫对水稻幼苗叶片内超氧阴离子含量的影响

图4 H2S、铝,及H2S缓解铝胁迫对水稻幼苗叶片内过氧化氢含量的影响

3 结论

铝胁迫对水稻幼苗的生长发育产生严重的伤害,表现为水稻植株叶片内超氧阴离子和过氧化氢等活性氧物质的积累,诱导了叶片内超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性的显著增加,以降解体内积累的过量的超氧阴离子和过氧化氢.但用NaHS处理可显著降低水稻幼苗叶片内超氧阴离子和过氧化氢的积累,同时超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性也有所降低.由此推测NaHS缓解铝胁迫的毒害可以通过调控超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性降解植株叶片内积累的过量超氧阴离子和过氧化氢,以减轻铝对植株的伤害.

结合上述结果,我们推断H2S在可能作为一种重要的信号分子可能是参与激活了一条以活性氧物质的抗氧化信号途径,调控水稻幼苗的抗氧化过程,其缓解铝胁迫以提高植株对逆境的损伤.

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[责任编辑：蒋海龙]

Alleviation of Exogenous Hydrogen Sulfide on Rice to Aluminum Stress

MENG Dan1,AN Min-min1,YANG Li-ming1,2

(1.School of Life Sciences,Huaiyin Normal University,Huaian Jiangsu 223300,China)
(2.Jiangsu Key Laboratory for Eco-Agricultural and Biotechnology Around Hongze Lake, Huaiyin Normal University,Huaian Jiangsu 223300,China)

Hydrogen sulfide (H2S),an important signal molecular in plants,can alleviate the toxicity of metal stress to crops.In this study,the effects of H2S donor NaHS alleviating AlCl3-induced stress were conducted in the leaves of rice seedlings.We examined the metabolic responses of rice seedlings to aluminum stress focusing on reactive oxygen species (ROS) metabolism including superoxide dismutase and catalase activity.The observed enzyme activities were higher in aluminum-stressed seedlings than in control plants,NaHS decreased the activities of superoxide dismutase and catalase,and the contents of superoxide radical and hydrogen peroxide.Taken together these results suggest that H2S could regulate antioxidant system in rice seedlings leading to the alleviation of iluminum stress.

hydrogen sulfide; rice; iluminum stress; antioxidant system

2014-12-22

江苏省高校大学生实践创新训练计划重点项目(201410323012Z)

杨立明(1974-)，男，安徽砀山人，副教授，博士，研究方向为植物逆境生理生化.E-mail:yanglm@hytc.edu.cn

Q946

:A

:1671-6876(2015)01-0052-04