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外源脱落酸缓解小麦幼苗铜胁迫伤害的生理机制初探

2016-07-29饶红红杨彩玲朱彦荣高天鹏

麦类作物学报 2016年6期
关键词:脱落酸小麦

李 雪,饶红红,杨彩玲,朱彦荣,高天鹏

(兰州城市学院化学与环境科学学院,城市环境污染控制高校省级重点实验室,甘肃兰州 730070)



外源脱落酸缓解小麦幼苗铜胁迫伤害的生理机制初探

李 雪,饶红红,杨彩玲,朱彦荣,高天鹏

(兰州城市学院化学与环境科学学院,城市环境污染控制高校省级重点实验室,甘肃兰州 730070)

摘要:为了解脱落酸(ABA)缓解小麦幼苗铜胁迫伤害的生理机制,采用营养液培养方法,研究了外源ABA对0.5 mmol·L-1Cu2+胁迫下小麦幼苗叶绿素、可溶性糖含量及抗氧特性的影响。结果表明,0.5 mmol·L-1Cu2+胁迫对小麦幼苗伤害明显,降低了叶片叶绿素和可溶性糖含量及根、叶片超氧化物歧化酶(SOD)活性,提高了根和叶片丙二醛含量。铜胁迫下,添加1 μmol·L-1ABA可显著提高小麦幼苗叶片叶绿素和可溶性糖含量及根和叶片过氧化物酶(POD)、叶片SOD活性,降低叶片铜含量。说明适宜浓度的外源ABA可通过调节渗透调节物质含量、增强抗氧化酶活性来减轻铜胁迫对小麦幼苗的伤害,提高其抗铜胁迫能力。

关键词:脱落酸;铜胁迫;小麦;生理特征

随着矿产资源的开采和冶炼、三废的排放、污水灌溉等事件的发生,我国土壤重金属污染呈现加重的趋势。根据农业部的全国污灌区调查,在约140万hm2的污水灌区中,遭受重金属污染的土地面积占污水灌区面积的64.8%[1]。我国土壤铜含量除山西、山东外,全国其他区域均高于各省背景值[2]。铜是植物生长发育代谢过程中必需的微量元素,参与光合作用、呼吸等代谢过程,对植物的生长发育具有重要作用。但过量的铜会对植物产生毒害作用,导致植物根系活力、叶绿素含量降低[3],破坏叶片叶绿体、线粒体的超微结构[4],诱导活性氧(ROS)产生[5],使质膜透性、丙二醛含量增大,改变植物体内抗氧化酶活性[6]。张黛静等[7]研究发现,铜胁迫抑制小麦生长,使幼根中抗性蛋白表达上升,降低生理代谢相关蛋白表达。因此,探讨小麦抗铜胁迫栽培方法,并阐明其机理具有重要意义。

脱落酸(ABA)是一种广泛存在植物体内的激素,参与种子萌发、胚发育、气孔调节、生长和衰老等[8]。在受到低温[9]、盐[10]、重金属[11]等胁迫时,植物体内ABA含量会增加,抵御各种逆境因子胁迫的能力提高。有研究表明,外源ABA能够增强小麦的抗旱性[12]和抗寒性[13],减轻强光、UV-B辐射对小麦叶片的氧化损伤[14-15],提高水稻的抗碱性[16]、菊花的抗蚜性[17]等。此外,ABA能提高植物抗镉胁迫能力,这与其增加叶绿素、可溶性蛋白、脯氨酸含量及提高过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)活性[18-19]有关。但关于ABA对其他重金属胁迫是否具有调节作用鲜见报道。本研究拟分析外源ABA对铜胁迫下小麦幼苗部分生理特征的影响,以期为ABA应用于减轻铜污染对作物的影响提供理论依据。

1材料与方法

1.1试材与处理

供试小麦品种为陇春3031,由甘肃省农科院提供。2014年11月中旬,精选籽粒饱满、大小均匀的小麦种子,先用5% NaClO消毒5 min,然后用蒸馏水冲洗3次。将小麦种子均匀摆放到培养皿中,置于25 ℃的恒温培养箱中萌发,3 d后将出芽一致的种子转移至光照培养箱中培养,温度25 ℃,光周期12 h/12 h(光/暗),光强为3 000 lx。用1/3Hoagland营养液培养小麦幼苗长至两叶一心时进行不同处理:(1)对照,为1/3 Hoagland营养液(CK);(2)含0.5 mmol·L-1Cu2+的1/3 Hoagland营养液(T1);(3)含0.5 mmol·L-1Cu2+和1 μmol·L-1ABA的1/3Hoagland营养液(T2);(4)含0.5 mmol·L-1Cu2+和10 μmol·L-1ABA的1/3Hoagland营养液(T3)。每个处理设3个重复,处理4 d后进行相关指标的测定。

1.2指标测定与方法

1.2.1生理指标的测定

随机选取小麦幼苗,将叶和根分别剪碎备用。叶片叶绿素含量采用80%丙酮浸提法进行测定[20];超氧化物歧化酶(SOD)活性采用改进的邻苯三酚自氧化法测定,以单位时间内抑制50%邻苯三酚自氧化速率为1个酶活性单位(U)[21];过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法测定,以每分钟OD值变化0.01作为1个酶活性单位[20];可溶性糖含量采用苯酚硫酸比色法[20]测定;游离脯氨酸含量采用酸性茚三酮比色法[20]测定;丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸(TBA)显色法[20]测定。

1.2.2铜含量的测定

将小麦幼苗根和叶分开,用去离子水冲洗干净,用滤纸吸干根部的水分,105 ℃杀青15 min,70 ℃烘干至恒重,最后用研钵粉碎备用。植物样品采用H2SO4-HNO3(4∶1)进行微波消解,定容至50 mL容量瓶。采用原子吸收分光光度法(TAS-990)测定铜含量。

1.3数据处理

所有指标数据测定均为3次重复,数据整理采用Excel软件,采用SPSS19.0 软件进行方差分析。

2结果与分析

2.1ABA对铜胁迫下小麦幼苗叶片叶绿素含量的影响

在0.5 mmol·L-1Cu2+胁迫(T1)下,小麦幼苗叶片叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量较CK降低了28.84%、24.18%和27.83%;加入1 μmol·L-1ABA(T2)后,叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量分别比T1处理增高了17.65%、9.18%和15.75%,其中叶绿素a和总叶绿素含量与T1处理差异显著;加入10 μmol·L-1ABA(T3)后,叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量较T1处理有所升高,但均与T1差异不显著(图1)。说明1 μmol·L-1ABA能够减少铜胁迫对小麦幼苗叶绿素的破坏。

2.2ABA对铜胁迫下小麦幼苗叶片可溶性糖和脯氨酸含量的影响

Cu2+胁迫(T1)下,小麦幼苗叶片的可溶性糖含量显著低于CK;添加1 μmol·L-1ABA处理(T2)后,小麦幼苗叶片可溶性糖含量较T1处理提高82.28%;10 μmol·L-1ABA处理(T3)的小麦幼苗叶片可溶性糖含量较T1处理提高了16.60%,但效果不显著(图2)。由图3可知,Cu2+胁迫轻微提高了小麦幼苗叶片的脯氨酸含量,但T1处理与CK相比无显著差异。加入ABA后,T2和T3处理脯氨酸含量与T1处理均无显著差异,但均显著高于CK。说明外源ABA对铜胁迫条件下小麦幼苗的渗透调节具有一定的改善作用。

图柱上不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。下图同

Different lower-case letters indicate significant difference among different treatments at the 0.05 level. The same as in Fig.2-5

图1ABA对铜胁迫下小麦幼苗叶绿素含量的影响

Fig.1Effect of ABA on the chlorophyll content in wheat seedling leaf under copper stress

图2 ABA对铜胁迫下小麦幼苗叶片可溶性糖含量的影响

2.3ABA对铜胁迫下小麦幼苗铜含量的影响

在Cu2+胁迫(T1)下,小麦幼苗体内铜积累量显著增高,根中铜含量是叶中的4.06倍(图4)。1 μmol·L-1ABA处理(T2)下,小麦幼苗叶片铜含量显著较T1处理降低了13.18%,根的铜含量显著提高8.65%。10 μmol·L-1ABA处理(T3)下,小麦幼苗叶片铜含量较T1处理降低1.62%,但无显著差异,根中铜含量提高16.95%。说明1 μmol·L-1ABA可抑制叶中铜的积累,有利于缓解铜胁迫对植物生长的伤害。

图3 ABA对铜胁迫下小麦幼苗叶片脯氨酸含量的影响

图4 ABA对铜胁迫下小麦幼苗铜含量的影响

2.4ABA对铜胁迫下小麦幼苗SOD和POD活性的影响

由图5可知,Cu2+胁迫(T1)下,小麦幼苗叶片的POD活性显著高于CK,而根的POD活性与CK没有显著差异。加入ABA处理后,小麦幼苗根、叶POD活性均显著高于T1处理,且T3处理的叶片POD活性显著高于T2处理,但根POD活性在这两个处理间没有显著差异。在Cu2+胁迫(T1)下,小麦幼苗叶和根的SOD活性均显著低于CK。加入ABA处理后,小麦幼苗叶片的SOD活性较T1处理显著升高,且与CK差异不显著;根SOD活性与CK及T1处理相比都无显著差异。不同浓度ABA处理间叶和根SOD活性亦无显著差异(图6)。表明外源ABA能够提高铜胁迫下幼苗的POD和SOD活性,有助于增强植株抗氧化能力。

图5 ABA对铜胁迫下小麦幼苗POD活性的影响

图6 ABA对铜胁迫下小麦幼苗SOD活性的影响

2.5ABA对铜胁迫下小麦幼苗丙二醛(MDA)含量的影响

由图7可以看出,Cu2+胁迫(T1)下,小麦幼苗叶、根的MDA含量与CK相比显著增加,增幅分别为92.29%和92.85%,说明Cu2+胁迫可导致幼苗膜脂过氧化损伤增强。与T1处理相比,加入ABA后,小麦幼苗叶、根的MDA含量显著下降,其中以1 μmol·L-1ABA处理(T2)降低较显著。说明外源ABA能够降低铜胁迫下小麦植株膜脂过氧化水平。

图7 ABA对铜胁迫下小麦幼苗MDA含量的影响

3讨 论

重金属的积累通常会导致植物体出现各种细胞学和生理学的变化。Niczyporuk等[22]研究发现,生长素、细胞分裂素等可以通过抑制小球藻(Chlorellavulgaris)吸附重金属,恢复藻类生长。Zhu等[23]研究表明,外源萘乙酸能降低拟南芥幼芽中镉含量,增加根中镉积累,并且降低镉从根转运到叶,主要将镉固定在植物根的细胞壁中。Agami和Mohamed[24]研究认为,外源吲哚乙酸(IAA)和水杨酸能降低小麦幼苗根和叶中镉积累。本研究中,小麦幼根中的铜含量远远超过叶片,外源ABA可以降低铜在地上部分的积累,从而减缓铜对小麦幼苗的毒害。其原因可能是施用外源ABA降低了蒸腾速率[25],减缓了铜的转运,从而使铜在小麦叶中积累减少。低浓度ABA使叶中铜含量显著降低,但随着ABA浓度的升高,根中的铜含量增高,根中积累铜有一定的限量,高于一定浓度,就会转运到叶中,从而使叶中铜含量提高。目前对于外源ABA抗重金属毒害的机理还不十分明确,对于ABA如何调控铜在植株不同部位的积累以及具体转运机制有待进一步研究。

可溶性糖和脯氨酸是植物体内的重要渗透调节物质,可溶性糖和脯氨酸含量的增高能够增加胞质内溶质浓度,降低植物细胞的渗透势,减少逆境胁迫对植物的伤害[26]。本研究结果表明,1 μmol·L-1ABA处理下,小麦幼苗叶片可溶性糖含量显著提高,但脯氨酸含量增加不显著,可以认为加入外源ABA对铜胁迫下小麦幼苗叶片渗透调节中脯氨酸的作用影响不大。而外源ABA使低温处理下冬小麦叶片的脯氨酸含量显著增加[13]。产生这种差异的原因可能与外源ABA的处理时间和胁迫因子不同有关。但ABA浓度升高后,可溶性糖含量反而降低。因此,适宜浓度ABA可以通过增强渗透调节作用,缓解铜胁迫对小麦幼苗的伤害,这可能与ABA参与的信号转导途径以及相关基因表达调控有关。

活性氧是植物有氧代谢过程中产生的中间物,而且作为信号分子,参与调控植物生长发育和各种胁迫。重金属胁迫会使植物体内活性氧积累,植物体内有一套抗氧化防御系统酶可以清除自由基,减轻或避免植物体的氧化损伤。脱落酸增强植物抗逆境胁迫与它诱导抗氧化防御系统活性增强有关。本研究结果显示,加入ABA可显著提高铜胁迫下小麦幼苗叶片SOD和POD活性,从而有效清除植物体内产生的活性氧,防止膜质过氧化,保护细胞膜少受伤害。这与外源ABA对镉胁迫下小麦幼苗的影响研究结果一致[18]。本研究发现,铜胁迫下小麦幼苗经较高浓度(10 μmol·L-1) ABA处理,POD活性较高,但与1 μmol·L-1ABA处理相比,MDA含量下降幅度小,氧化损伤程度大。有研究指出,ABA诱导活性氧产生,随后诱导抗氧化防御系统酶活性升高,高浓度ABA诱导产生活性氧较多,从而使植物过氧化损伤加重[27],而植物体内具有复杂的抗氧化系统,不同浓度ABA所调动的体内活性氧清除系统不同。此外,有研究发现,ABA能够激活POD活性产生H2O2[28],较高浓度ABA诱导POD活性较高,产生H2O2亦较多,超过植株抗氧化系统的清除能力,氧化损伤就会加重。

综上所述,适宜浓度ABA降低了铜从根转运到叶中,使铜在小麦叶中积累减少,提高了叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量,同时能诱导根和叶POD、叶SOD活性显著升高,减轻了过氧化损伤,使丙二醛含量显著降低,增加了可溶性糖含量,缓解了铜胁迫对小麦幼苗的伤害。

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收稿日期:2015-12-12修回日期:2016-02-02

基金项目:国家自然科学基金项目(31160118,31460162)

中图分类号:S512.1;S311

文献标识码:A

文章编号:1009-1041(2016)06-0759-06

Study on Physiological Mechanism of Exogenous Abscisic Acid Alleviating Copper Stress on Wheat Seedlings

LI Xue, RAO Honghong, YANG Cailing, ZHU Yanrong, GAO Tianpeng

(School of Chemistry and Environmental Sciences, Lanzhou City University, Provincial Key Laboratory of Gansu Higher Education for Urban Environmental Pollution Control, Lanzhou,Gansu 730070,China)

Abstract:The wheat seedlings were cultivated in Hoagland nutrient solution to study the alleviation effects of abscisic acid(ABA) on wheat seedlings under 0.5 mmol·L-1Cu2+stress. The results showed that 0.5 mmol·L-1Cu2+stress caused decreases in chlorophyll content, soluble sugar content in leaves and the activity of superoxide dismutase(SOD) in leaves and roots,but an increase in MDA content in the leaves and roots of wheat seedlings. ABA(1 μmol·L-1) applied in the solution increased the contents of chlorophyll and soluble sugar, while decreased the content of copper in leaves. Meanwhile, application of exogenous ABA increased the activity of peroxidase(POD) in leaves and roots and SOD in leaves, while decreased the content of MDA. These results showed that decent concentration of exogenous ABA could reduce the damage under copper stress, and improve the ability of resistance to copper stress in wheat seedlings through regulating the osmotic adjustment substance contents and improving the activity of antioxidant enzymes.

Key words:Abscisic acid; Copper stress; Wheat; Physiological characteristics

网络出版时间:2016-05-30

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20160530.1549.022.html

第一作者E-mail:xueli1221@163.com

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