烯禾啶胁迫对谷子愈伤组织生理特性的影响

宋惠洁，余凯凯，刘阳，黄蕾 ，郭平毅，王玉国，温银元，原向阳

(山西农业大学 农学院，山西 太谷 030801)



烯禾啶胁迫对谷子愈伤组织生理特性的影响

宋惠洁，余凯凯，刘阳，黄蕾 ，郭平毅*，王玉国，温银元，原向阳

(山西农业大学 农学院，山西 太谷 030801)

摘要：为了研究烯禾啶胁迫对谷子愈伤组织生长及生理特性的影响，在添加0、0.5、1、2、4 mL·L-1烯禾啶的MS培养基上培养谷子愈伤组织，测定其SOD、POD活性、MDA含量、可溶性蛋白和脯氨酸含量，并对其进行分析。结果表明，随着烯禾啶浓度的增加及胁迫时间的延长，愈伤组织生长逐渐缓慢，烯禾啶浓度为2 mL·L-1时，愈伤组织生长极为缓慢，4 mL·L-1时，愈伤组织基本不生长；SOD、POD活性与可溶性蛋白、脯氨酸含量随着烯禾啶浓度的增加先升高后降低；MDA含量在1 mL·L-1及以下时积累缓慢，高于1 mL·L-1时积累较快。

关键词：谷子；烯禾啶；愈伤组织；相对生长量；保护酶；渗透调节物质

谷子在我国栽培历史悠久，种植面积大，具有适应性广、耐干旱、贫瘠，抗逆性强、营养丰富等特性[1]，主要分布在河北、山西、内蒙古、陕西等地，深受我国北方人民的喜爱。并且随着地球可利用水的减少和人们对小杂粮的需求不断增大，谷子在粮食生产中占有越来越重要的地位[2]。但是，谷子粒小苗弱，田间杂草危害大，对谷子的产量和品质造成了严重的影响，是制约谷子高产的最大障碍之一。采用人工除草的方法防治杂草十分困难，应用除草剂是解决杂草危害的有效途径，高效、省工、增产，但除草剂在除草的同时也损伤了作物，如果施用不当，也会给作物带来一定的药害，因此筛选和培育抗除草剂品种成为目前和今后解决谷田杂草问题的根本出路[3]。

近年来，用离体方法筛选抗除草剂突变体的研究在国内外十分活跃，对已有的作物品种进行改良，培育抗性新品种，已经成为十分热门的研究课题。美、英、法等国利用离体培养法，已经成功培育了小麦、玉米、大豆、棉花等多种作物的抗除草剂品种[4]。中国学者通过离体筛选法进行抗性作物的研究也已取得一定成果，但进展较慢，其主要原因是逆境条件下植物的生理反应非常复杂，对其在逆境下的适应生理和抗性机理研究主要集中在植株方面，从细胞水平对植物的抗性及其生理机制研究报道比较少。

本研究以不同浓度的烯禾啶胁迫，检测谷子愈伤组织在胁迫条件下保护酶活性及MDA、可溶性蛋白、脯氨酸含量的变化情况，为通过愈伤组织的变异途径培育抗性新材料提供一定的理论基础。

1材料与方法

1.1　试验材料

供试材料为晋谷21号诱导出的愈伤组织。

1.2　试验方法

1.2.1烯禾啶胁迫处理

在每升MS培养基中分别添加含0.5、1、2、4 mL的12.5%烯禾啶乳油，以不含烯禾啶的MS培养基为对照，121 ℃下灭菌20 min。将培养28 d，长势一致的愈伤组织转接至上述培养基中。3次重复，分别于胁迫7、14、21 d后测定上述愈伤组织的鲜重增长量，并计算其相对生长量，于胁迫32 h后测定其保护酶、可溶性蛋白、脯氨酸等各项生理指标，每个处理重复3次。

1.2.2愈伤组织相对生长量的测定

相对生长量=(培养一段时间后愈伤组织的鲜重-初始愈伤组织鲜重)/初始愈伤组织鲜重

1.2.3生理指标的测定

SOD活性采用NBT光化学还原法[5]；POD活性采用愈创木酚比色法[5]；丙二醛量按照硫代巴比妥酸法[5]；可溶性蛋白采用考马斯亮蓝G-250染色法[5]。

1.2.4数据处理

所有处理均重复3次，使用Excel 2003和 DPS v6.50进行数据处理及分析。

2结果与分析

2.1　烯禾啶胁迫对谷子愈伤组织生长的影响

从表1可知，随着烯禾啶浓度的增大，愈伤组织鲜重增长量不断减小，烯禾啶浓度为0.5 mL·L-1时，胁迫初期(7 d)愈伤组织的鲜重增长量较对照有所降低，但与对照无显著差异，随着胁迫时间的延长(14 d)其鲜重较对照显著下降。烯禾啶浓度达到2 mL·L-1时，愈伤组织生长与对照相比较为缓慢，胁迫第7、14天的相对生长量分别为0.97和1.08，在胁迫第21天相对生长量才达到2.13；烯禾啶浓度为4 mL·L-1时，胁迫第7、14、21天愈伤组织的鲜重生长量分别为0.42 g、0.43 g和0.60 g，差别不大，表明烯禾啶浓度4 mL·L-1时，愈伤组织基本不生长。

表1　谷子愈伤组织在烯禾啶胁迫培养基上的生长情况

注：不同小写字母示P<0.05，下图表相同

Note: Different letters are si gnificantly differentP<0.05, the same as below

形态观察发现，烯禾啶浓度为0.5、1 mL·L-1时，胁迫初期，愈伤组织表现与对照相似，色泽呈亮黄色，生长速度较快；随着烯禾啶浓度的增大及胁迫时间的延长，愈伤组织生长缓慢，出现褐化现象。

2.2　烯禾啶胁迫对谷子愈伤组织中保护酶活性的影响

2.2.1SOD活性

图1　烯禾啶胁迫对愈伤组织中SOD活性的影响Fig.1　Effect of Sethoxydim stress on SOD activity of Foxtail Milletcallus

2.2.2POD活性

由图2可知，随着烯禾啶浓度的增加，愈伤组织中POD活性与SOD活性呈现相同的变化趋势。烯禾啶浓度为0.5 mL·L-1时，POD活性比对照增加了49.88%；在1 mL·L-1烯禾啶胁迫下POD活性达到最大，比对照增加了133.75%。当烯禾啶浓度继续增加时，POD活性开始降低，但仍高于对照，2 mL·L-1、4 mL·L-1时分别比对照增加了91%与34.19%。各处理与对照均达到显著差异(P<0.05)。

图2　烯禾啶胁迫对愈伤组织中POD活性的影响Fig.2　Effect of Sethoxydim stress on POD activity of Foxtail Millet callus

图3　烯禾啶胁迫对愈伤组织中可溶性蛋白含量的影响Fig.3　Effect of Sethoxydim stress on contents of soluble protein of Foxtail

2.3　烯禾啶胁迫对谷子愈伤组织中有机渗透调节物质的影响

2.3.1可溶性蛋白

植物在逆境下可通过增加其体内的可溶性蛋白含量，使细胞保持较低的渗透势，避免渗透胁迫带来的伤害[8]。从图3可知，愈伤组织中可溶性蛋白的含量随着烯禾啶浓度的增加呈先升后降的趋势，但均高于对照。其中，烯禾啶浓度为1 mL·L-1时，可溶性蛋白含量达到最高，比对照增加了115.38%，烯禾啶浓度为2 mL·L-1时，可溶性蛋白量与对照相比增加了52.97%，这两个浓度下差异均达到显著水平(P<0.05)。

2.3.2脯氨酸

有研究表明，脯氨酸不仅是植物在逆境下的一种重要的渗透调节物质，也是植物体内必需的抗氧化剂，有保护细胞酶和细胞结构、清除活性氧自由基的作用[9~11]。由图4可知，脯氨酸的含量随着烯禾啶浓度的增大呈先升后降的趋势。其中，0.5 mL·L-1时，脯氨酸含量最高，比对照增加了168.04%，与对照相比差异显著；当烯禾啶浓度增加到1 mL·L-1时，脯氨酸的含量开始降低，但仍显著高于对照，比对照增加了66.52%。当烯禾啶浓度增加到2 mL·L-1与4 mL·L-1时，愈伤组织中脯氨酸的含量低于对照。

图4　烯禾啶胁迫对愈伤组织中脯氨酸含量的影响Fig.4　Effect of Sethoxydim stress on contents of proline of Foxtail Millet

图5　烯禾啶胁迫对愈伤组织中丙二醛含量的影响Fig.5　Effect of Sethoxydim stress on contents of MDA of Foxtail Millet

2.4　烯禾啶胁迫对谷子愈伤组织中MDA含量的影响

植物在逆境条件下受到伤害与活性氧积累诱发的膜脂过氧化作用紧密相关，而MDA是膜脂过氧化的重要产物，因此可通过测定MDA含量了解愈伤组织膜脂过氧化的程度。从图5可以看出，愈伤组织中MDA的含量随着烯禾啶浓度的增加不断升高。其中，在1 mL·L-1以下时MDA含量增加的比较缓慢，而在2~4 mL·L-1，MDA极速增加，分别比对照增加了39.11%与62.00%。结果表明，随着烯禾啶浓度的增大，愈伤组织的膜脂过氧化严重，加快了MDA的生成。

3讨论

相对生长量是植物抗逆性反应的综合体现，是检验植物抗逆性强弱的重要指标。本实验中，随着烯禾啶浓度的增加，谷子愈伤组织的相对生长量不断降低。在低浓度烯禾啶胁迫下，短时间内(7 d)谷子愈伤组织的相对生长量稍有降低，但与对照相比，差异不显著，随着胁迫时间的延长，逐渐达到显著差异；在中等以及相对较高的烯禾啶浓度胁迫下，愈伤组织的生长受到明显的抑制，该结果与烯禾啶对禾本科植物敏感性强的结果一致[12]。

一般情况下，植物体内的活性氧含量保持在较低的一定水平，不会对植物产生伤害[13]。在胁迫条件下，活性氧代谢平衡被打乱，使活性氧增多，为

有研究表明，植物在逆境下通常能积累有渗透调节功能的物质，如脯氨酸、可溶性蛋白等，增强细胞的渗透调节作用，进而提高其抗性[18,19]。本实验中，烯禾啶胁迫32 h时，随着烯禾啶浓度的增加，可溶性蛋白和脯氨酸含量都呈先升高后降低的变化趋势，且分别在1、0.5 mL·L-1时达到最大值。在烯禾啶浓度大于1 mL·L-1时，愈伤组织中脯氨酸的含量开始低于对照，可溶性蛋白含量虽高于对照，但与对照相差不大。该结果表明，烯禾啶浓度低于1 mL·L-1时，脯氨酸和可溶性蛋白共同调节愈伤组织的渗透势，当烯禾啶浓度高于1 mL·L-1时，可溶性蛋白是主要的渗透调节物质。

综上所述，晋谷21愈伤组织对烯禾啶有一定的适应能力，但适应能力较低(≦1 mL·L-1),其在受到烯禾啶胁迫时，可以通过增强其抗氧化酶活性和增加可溶性蛋白、脯氨酸含量维持细胞较低的渗透势来缓解除草剂药害。然而，当烯禾啶浓度高于1 mL·L-1时，谷子愈伤组织中的MDA含量大大增加，细胞膜脂过氧化严重，愈伤组织生长受到阻碍。

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(编辑：张贵森)

Effects of Sethoxydim stress on physiological characteristics of foxtail millet callus

Song Huijie, Yu Kaikai, Liu Yang, Huang Lei, Guo Pingyi*,Wang Yuguo, Wen Yinyuan, Yuan Xiangyang

(CollegeofAgriculture,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China)

Abstract:In order to study the effects of Sethoxydim stress on the growth and physiological characteristics of Foxtail Millet, The callus was cultured on MS medium with 0、0.5、1、2、4 mL·L-1Sethoxydim and the activities of SOD, POD and the contents of soluble proteins, Proline, and MDA were determined and analyzed. The results showed that the callus grew gradually slow with increasing of Sethoxydim concentration and extending of stress time . When the concentration of Sethoxydim was 2 mL·L-1and the callus was not growing under 4 mL·L-1. The ativities of SOD, POD and the content of soluble protein, proline increased first and then decreased. The content of MDA accumulated slowly when Sethoxydim concentration at the below of 1mL·L-1, then increased rapidly.

Key words:Foxtail Millet; Sethoxydim; Callus; Relative growth rate; Anti-oxidase; Osmotic regulation substance

中图分类号：S515

文献标识码：A

文章编号：1671-8151(2016)02-0107-04

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划(2014BAD07B01-09)；国家自然基金(31301269)；山西省科技攻关项目(20150311016-2)；山西省科技攻关项目(20120311004-4)；山西农业大学青年拔尖创新人才支持计划(TYIT201406)；山西省重点研发计划项目(2015-TN-09)

通讯作者：*郭平毅，教授，博士生导师。Tel：03546286938； E-mail: pyguo@sxau.edu.cn

作者简介：宋惠洁(1990-)，女(汉)，河南漯河人，硕士研究生，研究方向：作物化学调控与化学除草

收稿日期：2015-10-11修回日期：2015-12-24