Na+在鸭茅适应抗氧化防御和渗透胁迫中的生理作用

季 杨，梁小玉，易 军，胡远彬

(四川省畜牧科学研究院，四川成都 610066)

干旱作为一种水量相对亏缺的自然现象，是限制植物生长发育和产量提高的主要逆境因子之一[1-2]。干旱胁迫下，抗氧化保护系统是植物抵御干旱胁迫最重要的机制之一，大量研究证明耐旱性强的鸭茅(DactylisglomerataL.)、白三叶(TrifoliumrepensL.)、黑麦草(LoliumperenneL.)等植物具有更强的抗氧化保护机制[3-5]，从而有效提高植物的耐旱性。同时，渗透调节也是植物抵御逆境胁迫，维持正常生命活动不可或缺的重要生理机制[6]。Na+作为重要的无机渗透调节物质，高浓度的Na+能够对植物造成盐害，严重时能够使植物发生质壁分离而死亡[7]。越来越多的研究表明，低浓度的Na+对旱生植物抵御干旱胁迫发挥着积极的作用[8-9]。

目前，有关Na+提高植物抗旱性的研究主要集中在旱生植物中，而在中生植物中报道较少。鸭茅是温带丛生冷季禾本科牧草之一，因具有产量丰富、营养价值高、耐牧性强等优点而被广泛推广利用。然而，鸭茅喜温暖和湿润气候，耐旱性相对较差，干旱成为限制其潜力发挥的重要逆境因子。因此，本研究以敏感型鸭茅为材料，探讨了无机渗透调节物质Na+参与干旱胁迫下鸭茅耐旱机制，为提高鸭茅的耐旱性奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为鸭茅敏感型材料“01998”。精选均匀饱满种子，经6%次氯酸钠溶液消毒5 min后，用蒸馏水冲洗3～4次，播种在石英砂上并于24 ℃光照培养箱中进行发芽，待发芽7 d后用Hoagland全营养液继续培养，温度设置为白天 22 ℃，夜晚15 ℃，相对含水量80%，光照300 μmol/(m2·s)，光—暗周期14 h—10 h。

1.2 试验设计

当幼苗长至3周龄时，幼苗分为4组：(1)CK(对照，Hoagland全营养液正常培养生长)；(2)NaCl+CK(在Hoagland全营养液中加入50 mmol/L的NaCl处理5 d后，更换为正常Hoagland全营养液)；(3)PEG(使用含有15% PEG-6000的Hoagland全营养液进行水分胁迫处理)；(4)NaCl+PEG(在Hoagland全营养液中加入50 mmol/L的NaCl处理5 d后，更换为15% PEG-6000的Hoagland全营养液进行水分胁迫)；每2 d更换1次处理液，9 d后取样，分别测定各项指标，每个处理取4个重复。

1.3 测定指标与方法

根系活力(root vitality)采用四氮唑法TTC还原法测定[10]；相对含水量(relative water content，RWC)采用烘干法测定[11]，相对含水量(%)=(鲜质量-干质量)/(饱和鲜质量-干质量)×100%；丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量采用硫代巴比妥酸法测定[12]；超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD) 活性采用核黄素-NBT 法测定[13]；过氧化氢酶(catalase，CAT)活性采用紫外吸收法测定；过氧化物酶(guaiacol peroxidase，POD) 活性测定用愈创木酚显色法[14]；电解质渗透率(electrolyte leakage，EL)采用电导仪测定[15]；游离脯氨酸(free proline)含量采用茚三酮比色法测定[16]；可溶性糖(soluble sugar)含量采用蒽酮乙酸乙酯比色法测定[16]；超氧阴离子(superoxide anion)产生速率和过氧化氢(H2O2)含量按照郝建军等[17]和Uchida等[18]的方法进行测定。

1.4 统计分析

图表用Excel软件进行绘制，利用SAS 8.1软件进行方差分析和显著性检验。

2 结果与分析

2.1 水分胁迫下Na+对鸭茅叶片相对含水量和根系活力的影响

植物叶片相对含水量反映植物在逆境胁迫下的整体水分亏缺状况。正常水分条件下添加外源NaCl对鸭茅叶片相对含水量较CK没有显著影响。15% PEG水分胁迫9 d后，鸭茅叶片相对含水量显著下降，但在相同胁迫强度和胁迫时间下，PEG+NaCl叶片相对含水量较PEG处理显著提高(图1-A)。如图1-B所示，4个处理的根系活力存在显著差异，外源NaCl处理不仅显著提高了水分胁迫下鸭茅根系活力，也提高了正常水分下鸭茅的根系活力。

2.2 水分胁迫下Na+对鸭茅叶片活性氧、丙二醛含量和电解质渗透率的影响

从图2可以看出，正常水分条件下，外源NaCl对鸭茅叶片内活性氧成分、MDA含量和电解质渗透率几乎没有任何影响，说明低浓度NaCl对鸭茅生长没有造成胁迫伤害。鸭茅叶片内活性氧成分、MDA含量和电解质渗透率在水分胁迫条件下迅速增加，并显著高于正常水分处理。其中，PEG处理和PEG+NaCl处理的超氧阴离子产生速率分别是对照CK的1.8、1.5 倍，H2O2含量分别是CK的3.2、2.5 倍，MDA含量分别是CK的10.0、7.2倍，电解质渗透率分别是CK的3.0、2.2倍。结果说明，外源NaCl显著降低了干旱胁迫下叶片内超氧阴离子产生速率、叶片内H2O2和MDA积累以及电解质外渗，维持了胁迫下鸭茅叶片细胞膜系统的稳定性，有效缓解了水分胁迫造成的氧胁迫伤害。

2.3 水分胁迫下Na+对鸭茅叶片抗氧化保护酶活性的影响

SOD、CAT和POD是植物体内清除活性氧的重要酶类。结果表明，水分胁迫条件下，鸭茅叶片SOD活性较对照显著增加。当添加外源NaCl处理后，PEG+NaCl处理的SOD活性比PEG处理的活性增加24%，差异达显著水平(图3-A)。水分胁迫使鸭茅叶片POD活性显著降低，在添加外源NaCl处理后下降幅度显著减小，表明外源NaCl的添加有效缓解了水分胁迫对POD活性的抑制(图3-B)。从图3-C可以看出，水分胁迫处理CAT活性较对照差异不显著，然而添加外源NaCl显著提高了正常水分和水分胁迫下的CAT活性。

2.4 水分胁迫下Na+对鸭茅叶片内有机渗透调节物质的影响

游离脯氨酸和可溶性糖是植物体内重要的有机渗透调节物质。从图4-A可以看出，正常水分条件下(CK和CK+NaCl处理)鸭茅叶片内游离脯氨酸含量均较低，且差异不显著；然而在水分胁迫条件下(PEG和PEG+NaCl)含量均急剧增加，其中PEG处理的脯氨酸含量高于PEG+NaCl处理，差异达显著水平。同时，水分胁迫使鸭茅叶片积累了更多的可溶性糖，其中PEG+NaCl处理的可溶性糖含量显著低于直接水分胁迫处理(图4-B)。

3 讨论与结论

干旱是限制植物生长和发育最主要的逆境因子之一，水分胁迫往往会造成植物体内大量活性氧的积累，导致膜质过氧化，其中MDA是膜质过氧化作用的产物之一，MDA含量高低和细胞质膜透性变化是反映细胞膜脂过氧化作用强弱和质膜破坏程度的重要指标，被广泛地用作氧化损伤的分析[19]。同时，电解质渗透率直接反映植物细胞膜稳定性，其值大小是反映干旱胁迫对植物的伤害程度[20]。抗氧化酶系统是主要清除活性氧的保护酶系统，通过催化超氧阴离子发生歧化作用而转化为H2O2和O2，并将不同细胞定位的H2O2转化为H2O和O2，该系统需要活性氧清除酶系统的关键酶SOD、CAT、POD发挥协同作用，以降低氧化胁迫导致的植物毒害[21]。本研究中，正常水分条件下添加外源Na+处理鸭茅叶片内MDA含量、电解质渗透率和活性氧成分均未发生明显变化，说明 50 mmol/L NaCl没有对鸭茅造成氧化胁迫伤害，而根系活力、CAT活性显著高于对照CK，该结果与李州等的研究结果[4，22]一致，即吸收适量的Na+有助于促进植物生长。在水分胁迫条件下添加外源NaCl处理能够有效缓解了水分胁迫导致的氧化损伤，显著提高了鸭茅对水分胁迫的耐受力。该结果与部分旱生植物耐旱机制一致，蔡建一等研究表明 50 mmol/L NaCl能够显著提高渗透胁迫下霸王SOD、CAT、POD活性，从而减轻活性氧对细胞膜的伤害，有效降低水分胁迫对植物的伤害[7]。Martíínez等对滨藜[Atriplexpatens(Litv. ) Iljin]进行干旱处理发现，适量的Na+可以减轻水分胁迫造成的氧化胁迫，提高植物适应环境的能力[23]。由此看来，Na+在适量水平时，对植物的抗逆性有重要作用。

长期以来，无机渗透调节物质Na+被认为是造成植物盐害的主要因素，因此对Na+的研究主要集中在植物盐害方面。近年来，越来越多的研究关注于Na+对旱生植物的渗透调节作用。已有研究表明，Na+在荒漠植物梭梭[Haloxylonammodendron(C. A. Mey.) Bunge]的渗透调节中贡献最大，是梭梭适应干旱环境时最主要的渗透调节物质[24]。然而适量的Na+对中生植物耐旱性研究比较少，缺乏充足的证据。本试验结果显示，水分胁迫下加入50 mmol/L NaCl可以使鸭茅叶片内游离脯氨酸和可溶性糖含量显著降低。这与张金林等的结果较为一致，即中生植物和多浆旱生植物并不依靠脯氨酸来调节渗透势，Na+对渗透调节的贡献要远大于K+、Ca2+和有机渗透调节物质等[25-26]。由此可以推测，鸭茅在响应外源Na+进行渗透调节时可能与多桨旱生植物具有相似特性[27]，通过积累渗透调节物质Na+，可以平衡液泡渗透势，减少合成其他有机渗透调节物质，维持植物生长和抵御干旱胁迫。

综上所述，50 mmol/L NaCl预处理能显著增强水分胁迫下鸭茅叶片抗氧化防御系统，有效缓解水分胁迫导致的细胞氧化性损伤。外源NaCl处理显著提高鸭茅抗旱性的原因可能与旱生植物一样是通过富集Na+提高其渗透调节能力来发挥作用，并非促进了植物体内有机渗透调节物质的积累。