新疆野苹果幼苗对盐胁迫的生理响应

于玮玮,曹　波,龙　鸿,李　慧,李　爱,阎国荣

(天津农学院 园艺园林学院,天津　300384)



新疆野苹果幼苗对盐胁迫的生理响应

于玮玮,曹波,龙鸿,李慧,李爱,阎国荣

(天津农学院 园艺园林学院,天津300384)

摘要：为了解新疆野苹果盐胁迫下的生理特性,以新疆野苹果实生幼苗为试材,设置6个NaCl梯度(0,0.2%,0.4%,0.6%,0.8%,1.0%)处理4 h和0.4%NaCl 溶液处理7个时间梯度(0,4,8,12,16,20,24 h),采样测定其叶片中脯氨酸(Pro) 、丙二醛(MDA)、叶绿素(Chl)和可溶性糖含量以及超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性的变化。结果表明:叶片中脯氨酸的含量在NaCl浓度为0.6%时和NaCl浓度为0.4%处理12 h时,达到峰值,分别比对照提高了63.1%和27.0%。随着盐浓度的升高和盐胁迫时间的延长,丙二醛的含量呈现出逐渐增加的趋势。叶绿素变化呈现出先降低后升高再降低的趋势,所有处理中,叶绿素含量均低于正常水平。可溶性糖含量、SOD和POD的活性均呈现先上升到达峰值后再下降的趋势。新疆野苹果幼苗在盐胁迫下可通过积累脯氨酸和可溶性糖,提高SOD和POD的活性,以减缓盐胁迫对植株的伤害且具有一定的耐盐性。

关键词：新疆野苹果;盐胁迫;抗氧化酶;生理响应

土壤盐渍化是植物在自然界中遭受的非生物胁迫之一,它影响植物的分布、生长和发育[1]。据联合国粮食与农业组织评估,世界上约有6%的盐渍土壤,盐胁迫是植物生长的主要限制因子之一。土壤盐分过高影响植物生长原因有两方面,一是土壤中的盐分降低了植物根系的吸水能力,导致植物体内水分亏缺;二是通过蒸腾作用,过多的盐离子进入植物体内,引起细胞离子毒害[2]。植物体可通过改变自身的形态结构、细胞结构及一系列生理变化来适应盐胁迫[3],如产生多元醇、脯氨酸、季胺类化合物及叔胺类化合物等渗透保护物质,以保证植物逆境条件下的水分正常供应[4]。脯氨酸是植物细胞质中一种游离氨基酸,具有很高的水溶性,它可以保护细胞膜系统,降低植物叶片细胞的渗透势以防止细胞脱水[5]。叶绿素是一类与光合作用有关的最重要色素,盐胁迫下,叶绿体是最敏感的细胞器之一,叶绿体片层结构逐渐降解,光合反应效率下降,从而使叶绿素含量下降[6],叶绿素含量的高低成为衡量植物耐盐性的一个重要指标。盐分能够增加膜的透性,加强膜质过氧化,丙二醛是其产物之一,丙二醛的多少常作为衡量膜损伤程度的指标。可溶性糖是另一类渗透调节物质,包括蔗糖、葡萄糖、果糖、半乳糖等,逆境条件下,促进淀粉降解为葡萄糖等可溶性糖。超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD),是植物体内重要的抗氧化酶,具有清除活性氧自由基,保护膜系统的功能,常被作为判断植物抗逆性强弱的指标[7]。

新疆野苹果(Malussieversii(Ldb.) Roem.) 又称塞威氏苹果,是蔷薇科苹果属多年生乔木,属珍稀的第三纪残遗植物[8],系现在栽培苹果的祖先种[9]。它在长期的进化过程中形成抗寒、抗旱、抗病等优良性状,为果树生产和遗传育种提供了重要的砧木类型和基因资源。目前对新疆野苹果耐盐性的研究较少,本研究以新疆野苹果实生苗为材料,对其进行盐梯度处理,测定其叶片中脯氨酸、丙二醛、叶绿素和可溶性糖含量以及超氧化物歧化酶和超氧化物酶的活性,以期为研究新疆野苹果的耐盐性奠定基础理论,为其进一步开发利用提供科学依据。

1材料和方法

1.1试验材料

试验采用新疆野苹果种子层积后培育出的实生苗,种子于2012年采自新疆伊犁地区新疆野苹果天山野果林保护区内。试验设在2012年12月至2013年5月进行。

1.2试验方法

1.2.1育苗新疆野苹果种子用高锰酸钾进行消毒,河沙经高温灭菌(120 ℃,121.59 kPa,20 min),将种子与河沙按3∶1混匀,装入编织袋中,于12月中旬土壤封冻前,选择地势高、背阴干燥处,挖层积沟,进行室外低温层积处理,温度2～7 ℃。翌年2月下旬,取出层积后的种子,播于蛭石∶黑炭土=3∶1混匀的基质中,待幼苗呈六叶一心时进行盐胁迫处理。

1.2.2盐胁迫处理选长势一致、生长良好、无病虫害的幼苗带土坨连根拔起,将土轻轻拍掉,用自来水将根上基质轻轻洗干净,保证不伤及幼根。试验分为2组:

不同浓度NaCl溶液处理:试验设置6个NaCl浓度梯度,分别为0,0.2%,0.4%,0.6%,0.8%,1.0%,将新疆野苹果幼苗根部完全浸泡在不同浓度的NaCl溶液中处理4 h,蒸馏水处理(0)作为对照。

不同时间NaCl溶液处理:试验采用NaCl溶液浓度为0.4%,试验设置7个时间梯度,分别为0,4,8,12,16,24 h,处理方法同上,处理0 h作为对照。

每个处理30株幼苗,分别取样测定每个处理的叶绿素含量、MDA含量、脯氨酸含量、可溶性糖含量、SOD活性及POD活性6个生理生化指标。

1.2.3测定方法每处理每个指标随机称取0.5 g 叶片,用液氮迅速冷冻15 min,放入-20 ℃冰箱内保存备用,3次重复。叶绿素含量测定采用分光光度法,MDA 含量测定采用硫代巴比妥酸(TBA)法,脯氨酸含量测定采用磺基水杨酸法,可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法,SOD活性测定采用氮蓝四唑法,POD活性测定采用愈创木酚法[10]。

2结果与分析

2.1盐胁迫对新疆野苹果幼苗脯氨酸含量的影响

植物中脯氨酸含量是抗逆研究的常用指标。在低浓度(0.2%～0.4%)盐胁迫下,新疆野苹果幼苗叶片中脯氨酸含量略有下降,但基本维持在正常水平。随着盐溶液浓度的升高,脯氨酸含量迅速升高,在NaCl 浓度为0.6%时达到峰值(10.349 μg/g),比对照提高了63.1%,随后呈下降趋势(图1-A)。在0.4% NaCl溶液处理下,随着处理时间的延长,新疆野苹果幼苗叶片中的脯氨酸变化总体趋势与不同浓度的处理相似。处理前期,脯氨酸浓度总体维持在正常水平,在处理12 h时达到峰值8.063 μg/g,相比对照提高了27.0%。16 h后脯氨酸含量下降幅度较为明显(图1-B)。

2.2盐胁迫对新疆野苹果幼苗丙二醛含量的影响

新疆野苹果幼苗随着盐浓度的升高或胁迫时间的延长,叶片中丙二醛含量逐渐升高(图2)。在低浓度盐溶液处理或盐胁迫初期,丙二醛含量增高幅度相对较小,随着NaCl浓度的升高或盐处理时间的延长,丙二醛含量升高幅度变大。说明低浓度盐胁迫下或盐胁迫初期,膜质过氧化程度较低,幼苗生长正常,表明对盐胁迫有一定的抵御能力。

2.3盐胁迫对新疆野苹果幼苗叶绿素含量的影响

叶绿素含量是影响植物光合作用的重要指标之一。随着盐胁迫浓度的增加,叶片中叶绿素的含量呈现先降低后升高再降低的趋势,但均低于对照(1.998 mg/g)(图3-A)。NaCl浓度为0.2%时,叶绿素含量急剧下降,仅为0.764mg/g,比对照下降了61.76%。随后,叶绿素水平又开始上升,当NaCl浓度为0.6%时恢复到1.995 mg/g后呈现急速下降的趋势。

图1　盐胁迫对新疆野苹果幼苗叶片中脯氨酸含量的影响

图2　盐胁迫对新疆野苹果幼苗叶片中丙二醛含量的影响

NaCl浓度为0.4%时,随着盐胁迫处理时间的延长,新疆野苹果幼苗叶绿素含量变化趋势同样呈现出先降低后升高再降低的变化趋势(图3-B)。0.4%NaCl处理4 h时,其叶绿素含量仅为1.084 mg/g,比对照降低了45.7%。随之,叶绿素含量又逐渐升高,至12 h时,含量达到1.689 mg/g,之后叶绿素含量呈下降趋势,24 h时,叶绿素含量降到0.991 mg/g。这说明盐胁迫使新疆野苹果幼苗叶绿素含量有不同程度的降低,而降低后又会逐渐升高,说明其对盐胁迫有一定的适应能力。

图3　盐胁迫对新疆野苹果幼苗叶片中叶绿素含量的影响

2.4盐胁迫对新疆野苹果幼苗可溶性糖含量的影响

经盐胁迫处理后,新疆野苹果可溶性糖含量随盐浓度的升高逐渐缓慢上升,当NaCl浓度为0.8%时达到最高峰,从处理前的0.168 mg/g上升到0.561 mg/g,增加了约2.3倍,随后可溶性糖含量开始急剧下降(图4-A)。在NaCl浓度为0.4%的情况下,随着胁迫时间的延长,可溶性糖含量呈现增高趋势,至12 h达到峰值(0.827 mg/g),比处理前增加了3.7倍(图4-B)。这说明盐胁迫下,新疆野苹果幼苗可以在一定程度上积累可溶性糖,增加组织液浓度,提高渗透压,为植物体正常生长进行氧化供能,从而缓解盐胁迫对其产生的伤害。

图4　盐胁迫对新疆野苹果幼苗叶片中可溶性糖含量的影响

由图5可知,SOD活性(以鲜质量计)随着NaCl溶液浓度的升高呈现出先升高后降低的趋势,在浓度为0.6%时,SOD活性最高,较处理前增加了2.2倍(图5-A)。当NaCl 浓度为0.4%时,SOD活性随着盐胁迫时间的延长先增加,到16 h时,活性最高,由处理前的20.122 U/g上升到60.976 U/g,提高了约2倍,随后急速下降(图5-B)。盐胁迫下,新疆野苹果SOD活性增加,有助于清除盐胁迫造成的细胞内的自由基积累,从而保护植物的细胞膜系统。

图5　盐胁迫对新疆野苹果幼苗叶片SOD活性的影响

2.6盐胁迫对新疆野苹果幼苗POD活性的影响

POD活性(以鲜质量计)随着NaCl溶液浓度的升高呈现出先升高后降低的趋势,在浓度为0.6%时,POD活性最高,由处理前的13.719 U/(g·min)上升到32.439 U/(g·min)。盐浓度为0.4%时,POD的活性随着盐处理时间的延长呈现先升高后降低的趋势,在处理16 h时达到峰值,随后急速下降。盐胁迫下,新疆野苹果幼苗可以通过提高POD活性,消除积累的大量超氧阴离子自由基、活性氧,减轻盐胁迫对植物细胞产生的伤害(图6)。

图6　盐胁迫对新疆野苹果幼苗叶片POD活性的影响

3结论与讨论

盐胁迫能抑制植物的生长与发育,并引起一系列的代谢紊乱。植物体内脯氨酸含量是抗逆研究的常用指标,它具有调节渗透及保护细胞膜结构稳定的作用。但脯氨酸在盐胁迫植物体内的生理作用存在较大争议。Sawahe等[11]研究表明,遭受盐胁迫的植株中脯氨酸大量累积,并通过维持渗透调节,稳定蛋白质,保护细胞膜及胞质酶等在植物耐盐性中发挥作用[12]。但张亚冰等[13]对盐胁迫下不同耐盐性葡萄砧木丙二醛和脯氨酸含量变化的研究认为,脯氨酸不宜作为葡萄耐盐性鉴定的指标。本试验中,在盐胁迫处理前期,随着盐浓度升高或处理时间的延长,脯氨酸含量增加,说明新疆野苹果遭受盐胁迫后,能够及时产生脯氨酸,降低叶片细胞的渗透势,防止细胞脱水,随着盐浓度的升高或盐胁迫时间的延长,其机体内受到损害,脯氨酸产量降低,这说明在一定的盐度下,新疆野苹果具有耐盐性。

丙二醛是膜质过氧化产物之一,其含量水平代表膜受损害程度,它又可与细胞膜上的蛋白质、酶等结合,引起蛋白质分子内和分子间的交联,从而使蛋白失活,破坏了生物膜的结构与功能[14]。许多学者研究认为随着盐浓度的增加或盐胁迫时间延长,丙二醛含量增加[14-15],这一观点与本研究结果一致。本试验中丙二醛含量随着盐处理的升高而升高,低浓度时,丙二醛含量增加比较缓慢,随着盐胁迫时间的延长或浓度的增加,丙二醛含量逐渐上升,可能是在短时间内,盐离子对新疆野苹果幼苗细胞膜的伤害小,植株能够通过动员自身的酶类和非酶类防御系统保护细胞免受氧化损伤,而随着时间的延长,盐离子对幼苗的伤害已经超过了幼苗自身的调节能力,细胞膜被严重损伤,造成丙二醛含量大量积累。

盐胁迫可提高叶绿素酶的活性,加速叶绿素降解,同时抑制叶绿素的合成[16]。本试验中,新疆野苹果叶片中叶绿素含量均有不同程度的降低。低盐或盐胁迫初期叶绿素迅速下降,之后随着NaCl浓度的增加或盐胁迫时间的延长,叶绿素含量恢复到接近正常水平的峰值,这可能与新疆野苹果叶绿体对盐胁迫较为敏感有关。然而,随着机体内抗氧化酶及渗透调节物质在体内大量积累,修复损伤,叶绿素含量升高。Alberte等[17]认为,盐分胁迫下,玉米叶绿素含量降低的主要原因是叶绿体片层中捕光Chla/b-pro复合体合成受抑制,随着盐浓度的增高,植株代谢严重紊乱,生长受到不可恢复的抑制,植株开始衰亡,叶片叶绿素与叶绿素蛋白间的结合变得松弛,叶绿素易被提取,引起处理后期叶绿素含量相对升高。

可溶性糖作为重要渗透调节物质,主要来源于淀粉等碳水化合物的分解以及光合产物。逆境条件下,可加速淀粉向可溶性糖的转化,使植物体积累大量的可溶性糖,从而增加组织液浓度和渗透压。植物细胞的渗透调节作用是植物适应环境、增强抗逆性的基础,也是植物对盐分胁迫的重要手段之一[18]。本试验中,随着盐浓度的升高,新疆野苹果的可溶性糖含量逐渐升高,当NaCl浓度超过0.8%时,叶片中可溶性糖含量开始下降。这说明在盐胁迫条件下,新疆野苹果可将体内贮存的淀粉迅速转化为可溶性糖,对抗盐胁迫做出积极的响应。

SOD、POD作为植物体内抗氧化酶系统的重要组成部分,在清除自由基方面发挥重要作用。植物体中,两者在逆境条件下有着重要的协同作用[19]。骆建霞等[20]研究表明,多种植物在盐胁迫下,植物体中的SOD和POD活性会升高,而高浓度的盐胁迫下其酶活性会降低。本试验中,在盐胁迫最初一段时间内或低浓度的NaCl溶液下(低于0.6%),新疆野苹果叶片中的SOD和POD活性呈上升趋势,随着盐胁迫时间的延长或盐浓度升高,SOD与POD活性下降,说明新疆野苹果在盐胁迫的最初阶段或中低盐浓度条件下,做出了应激的反应,表现为SOD和POD活性增加,消除活性氧自由基能力增加,但随着盐胁迫持续处理,植物体受损,从而导致SOD和POD活性呈下降趋势。

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Physiological Responses ofMalussieversiiSeedling Under Salinity Stress

YU Weiwei,CAO Bo,LONG Hong,LI Hui,LI Ai,YAN Guorong

(College of Horticulture and Landscape,Tianjin Agricultural University,Tianjin300384,China)

Abstract：To explore the physiological response of Malus sieversii to salinity stress,Malus sieversii seedlings were cheared with six salinity levels (0,0.2%,0.4%,0.6%,0.8% and 1.0% NaCl) for 4 hours and seven time levels (0,4,8,12,16,20 and 24 hours) in 0.4% NaCl.Contents of proline,MDA,chlorophyll,and soluble sugar in leaves and activity of SOD and POD were mensurated.The results showed that proline content got the peak when NaCl concentration was 0.6% or 12 h in 0.4% NaCl,increasing 63.1% and 27.0% compared to control respectively.Increasing salt concentration and time resulted in higher levels for malondialdehyde content.Chlorophyll content was decreased first,subseguently increased and decreased once more.Among all treatment they were lower than control.Soluble sugar content and the activity of SOD and POD were increased first,then decreased.The results indicated that Malus sieversii could reduce the damage to the plant by accumulating more proline and soluble sugar and increasing the activity of SOD and POD.It was adapted to salinity stress to some extent.

Key words:Malus sieversii;Salinity stress;Antioxidant enzymes;Physiological responses

doi:10.7668/hbnxb.2016.01.027

中图分类号：S5661.01

文献标识码：A

文章编号：1000-7091(2016)01-0170-05

作者简介：于玮玮(1980-),女,山东即墨人,实验师,硕士，主要从事植物种质资源利用及生理生化研究。于玮玮、曹波为同等贡献作者。通讯作者：阎国荣(1957-),男,新疆哈密人,教授,博士，硕士生导师,主要从事植物种质资源利用及逆境生理研究。

基金项目：国家自然科学基金青年项目 (31300564);新疆维吾尔自治区财政林业科技专项(400173);天津市科技特派员项目(14JCTPJC00497)

收稿日期：2015-09-08