红芽香椿脂质过氧化及渗透调节特征对不同中性盐胁迫及恢复期的响应

刘 薇， 孙 桢，2， 姚苏焱， 于学文， 苗翠翠， 庄杰隆， 邱振鲁

（1.齐鲁理工学院化学与生物工程学院，山东 济南 250200；2.江西理工大学材料冶金化学部，江西 赣州 341000）

植物在生长过程中可能遇到多种逆境胁迫，例如高浓度Cu2+、Cd2+可抑制幼根和幼叶生长、干物质积累、根系生长[1]；沙尘胁迫影响植物叶片的正常生理代谢，并在严重时导致植物死亡[2]；高温胁迫抑制光合作用碳反应的卡尔文循环，同时可抑制PSII 使光反应减弱。此外，高温胁迫还使呼吸作用加强，营养物质消耗增多，并造成膜的损伤以及酶和蛋白质结构的改变[3-4]。当前，土壤盐渍化已经成为严重影响我国部分地区农业生产的主要环境问题。盐碱胁迫会造成植物细胞内外渗透压平衡的改变，进而抑制细胞内生理生化代谢过程，使植物光合作用下降，最终因碳饥饿而死亡[5]。盐碱土壤高渗环境，能阻止植物根系吸收水分，从而使植物因干旱而死亡。同时其pH 值较高，使植物体与外界环境酸碱失衡，致使植物体发生氧化胁迫，直接或间接启动膜脂过氧化反应，进而使细胞膜透性增大，最终导致细胞膜系统变性，造成细胞内溶物外渗而使植物死亡[6]。因此，受盐碱胁迫的植物一方面要降低细胞质中离子积累，另一方面还要通过主动积累渗透调节物质来降低渗透势，阻止细胞失水，稳定质膜及酶类的结构，增强细胞渗透调节能力。

香椿（Toona sinensis），楝科香椿属落叶乔木，富含氨基酸、挥发油及黄铜、皂苷、生物碱等多种生物活性成分[7]，材芽两用。彭方仁等[8]研究发现，抗旱性强的香椿种源受胁迫后表现为水分饱和亏（WSD）增加幅度低、水势降低幅度大及细胞膜稳定性高；张京芳等[9]指出，香椿叶中抗脂质过氧化物（FTAP）能抑制猪油和菜籽油的氧化，且呈量效关系；王列富等[10]指出，同一种源不同时期香椿苗木可溶性糖的变化趋势基本一致，但变化幅度不同；刘爱杰等[11]通过复水处理，找出香椿幼苗致死时土壤及植株各部分含水量的临界值，为提高香椿造林成活率和抗旱品种选育提供依据。姚侠妹等[12]研究发现，盐胁迫环境中香椿幼苗生长和光合作用受到抑制，且程度与NaCl 浓度正相关。

我国种植香椿的范围较广，有关香椿的研究多限于中部和东南地区香椿种植及其生理生化方面，北方地区年积温低，气温年较差大，香椿发芽、收获相对较晚，不利于占据市场，故相关研究较少。章丘赵八洞地区地处山东省济南市章丘区东南部，为平原与山地过渡地形，其山地阴坡夜晚温度较低，有利于红芽香椿的生长及干物质合成，是优质种源红芽香椿的产地。本文以章丘赵八洞种源1 年生香椿幼苗为研究对象，使用不同浓度的NaCl 和Na2SO4对其进行胁迫，并通过胁迫期和恢复期丙二醛、可溶性糖及脯氨酸含量的变化规律揭示香椿幼苗对中性盐胁迫及恢复过程的响应特征。研究结论既可为土壤盐碱化日益严重趋势下的香椿苗木种植管理提供可靠的数据支持，也可为香椿向滨海地区盐碱地引种的可能性论证提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2018 年，向章丘区东南部山区赵八洞农户收集其栽培的1 年生香椿苗，直径1 cm 左右，高度50～60 cm。取当地山区土壤带回实验室用于栽培实验，香椿1 年生苗栽植在花盆中，每盆土质量3 kg，以新叶萌生作为可用于盐胁迫实验苗木的选择标准，共计200 株。

1.2 试验方法

1.2.1待测叶片的选取与处理 选取符合要求的1年生苗木，每株取从上方数第2 片复叶，去掉叶柄和小叶柄，只保留小叶片。

1.2.2指标测定与胁迫处理 选取符合条件的可用于盐胁迫的苗木共计180 株，检测丙二醛（MDA）、可溶性糖与脯氨酸含量[13]并随即用0.1%、0.2%、0.3%的NaCl 和Na2SO4分别处理，每种盐每个浓度平行处理30 株幼苗，共180 株。胁迫处理方式为每天用含有相应胁迫种类和浓度的盐溶液淋洗土壤，阴天时使用500 mL，晴天时使用1 000 mL，持续14 天。

分别于胁迫1 周、2 周和恢复1 周后检测叶片中的丙二醛、可溶性糖和脯氨酸含量。

1.3 数据处理

利用Microsoft Excel 2016 软件进行数据处理与作图，IBM SPSS Statistics 19.0 软件对实验数据进行单因素方差分析，Tukey 法比较各测定指标在相同中性盐同一浓度不同胁迫时间的差异。显著性差异水平设置为0.05。

2 结果与分析

2.1 盐胁迫对香椿叶片丙二醛含量的影响

不同浓度NaCl 胁迫下，香椿叶片丙二醛含量随时间的变化趋势不同，胁迫浓度对香椿脂质过氧化恢复产生了很大的影响。NaCl 胁迫下，恢复1 周后丙二醛含量均低于胁迫前，但胁迫期并无显著变化（P＞0.05）；胁迫下，丙二醛含量总体表现为胁迫期上升和停止胁迫后下降，但恢复1 周的丙二醛含量也都明显高于胁迫前，其中0.2%和0.3%浓度Na2SO4胁迫下，恢复期丙二醛含量显著高于胁迫前（P＜0.05）。胁迫期不同浓度的效应有较大差别，0.2%和0.3%浓度的Na2SO4胁迫造成了丙二醛含量的显著增加（P＞0.05），而0.1%Na2SO4胁迫仅造成丙二醛的轻微上升（P＞0.05）（图1）。比较可知，Na2SO4对香椿叶片细胞膜脂质过氧化的损伤更大，浓度效应更明显。

图1 不同浓度和种类盐胁迫下香椿叶片丙二醛含量变化

2.2 盐胁迫对香椿叶片可溶性糖含量的影响

在NaCl 胁迫下，香椿叶片可溶性糖含量在胁迫期先下降后上升，并在恢复期明显下降至含量显著低于胁迫前（P＜0.05），其中0.2%和0.3%浓度的NaCl胁迫在整个实验周期造成可溶性糖含量分别下降了39.63%和53.16%。从胁迫期看，NaCl 胁迫时间的延长有助于可溶性糖的生成，说明香椿在长期的盐胁迫下可能通过增加可溶性糖的合成来减少细胞失水，而失去了NaCl 胁迫的恢复期反而不利于可溶性糖的合成。Na2SO4胁迫效应则呈现出明显的浓度差异，且趋势都为先上升后下降，说明起初Na2SO4促进了可溶性糖的合成，但随胁迫时间增加，渗透调节能力开始下降。0.2%和0.3%Na2SO4的胁迫造成了胁迫前与胁迫1 周后可溶性糖含量的显著差异（P＜0.05），且胁迫期和恢复期可溶性糖含量均高于胁迫前（图2）。可知高浓度Na2SO4胁迫更有利于植物渗透调节物质的合成。

图2 不同浓度和种类盐胁迫下香椿叶片可溶性糖含量变化

2.3 盐胁迫对香椿叶片脯氨酸含量的影响

由图3 所示，0.1%和0.2%NaCl 浓度胁迫下，脯氨酸含量呈现随胁迫时间显著下降的趋势（P＜0.05），说明NaCl 胁迫导致香椿渗透调节能力持续下降，持续效应较为明显，只是0.2%NaCl 胁迫下下降趋势更慢。而0.3%NaCl 浓度胁迫下，胁迫2 周后脯氨酸含量略高于胁迫1 周，说明NaCl 胁迫时间延长有利于脯氨酸的生成，香椿在长期的高浓度盐胁迫下可能通过增加脯氨酸的合成来减少细胞失水，增强植物的抗逆性。0.1%NaCl 处理下恢复期的脯氨酸含量基本没有变化，0.2%NaCl 处理下恢复期脯氨酸含量增加也较少，与胁迫2 周时无显著差异，且显著低于胁迫前，0.3%NaCl 处理下恢复期脯氨酸含量迅速增加，显著高于对照（P＜0.05）。Na2SO4胁迫效应则呈现出明显的含量-时间变化特点。在其各个浓度的胁迫下，脯氨酸含量变化趋势持续下降且表现出显著差异（P＜0.05），说明Na2SO4抑制了脯氨酸的合成，渗透调节能力下降，香椿苗抗逆能力降低。恢复期均表现为脯氨酸含量的升高，但均未恢复到胁迫前的水平。比较相同浓度NaCl 和Na2SO4胁迫对脯氨酸含量的影响，可见0.1%、0.2%的NaCl 和0.2%、0.3%的Na2SO4胁迫所造成的脯氨酸含量下降更明显，细胞渗透调节能力损伤程度更为严重。

3 讨论与结论

3.1 盐胁迫对红芽香椿细胞膜脂质过氧化的影响

土壤中盐离子含量对植物生长、发育和产量形成具有很大影响[14]，过高的盐含量可破坏植物体内的新陈代谢过程，植物幼苗相对其成熟植株个体，在逆境下的自我保护与抵御、调节能力都相对较弱，更易受到逆境胁迫的损伤。因此，研究盐胁迫对植物幼苗生长的影响是非常必要的。盐离子往往造成植物细胞内外渗透压的不平衡，从而破坏植物的细胞膜，这可能使其他的有害物质进入细胞，或者破坏细胞的抗氧化系统，从而引发脂质过氧化。但是植物可以通过超氧化物歧化酶、过氧化物酶等多种方式来防御氧化损伤。丙二醛含量的变化，是过氧化损伤和抗氧化系统相互拮抗作用的综合结果。前人研究表明，对香椿施加100 mmol/L 的NaCl 胁迫，在未加入缓解剂的情况下，香椿叶片丙二醛浓度上升并显著高于胁迫前[15-18]。本研究表明，NaCl 胁迫下，浓度越低，胁迫1 周的丙二醛含量增加越多，这可能是由于低浓度的NaCl 未能很好地激活抗氧化防御系统而使细胞膜脂质过氧化损伤产生的丙二醛增加。随胁迫时间延长，0.1%NaCl 胁迫下的香椿脂质过氧化系统被激活，丙二醛含量下降。从停止胁迫后的恢复期来看，均低于胁迫前，说明停止胁迫后恢复效应明显，细胞抗氧化防御系统酶得到了较好的激活。Na2SO4胁迫下丙二醛含量效应则具有明显的时间与浓度效应，浓度越高，造成的丙二醛含量增加越明显，说明脂质过氧化损伤程度重且抗氧化防御系统未能很好地被激活。停止胁迫后丙二醛含量下降，说明去除盐分胁迫后细胞膜的过氧化损伤程度开始下降，虽恢复1 周时的丙二醛含量仍高于胁迫前，但推测继续恢复丙二醛含量将持续下降到与胁迫前接近。由此可见，香椿幼苗对不同中性盐胁迫的响应特点非常不同。

3.2 盐胁迫对红芽香椿细胞渗透调节物质的影响

盐胁迫还会导致细胞内外渗透压的不平衡，植物在盐胁迫下会产生和积累一些有机渗透调节物质，以此来缓解胁迫对植物造成的伤害和降低胞内渗透势以保证盐胁迫条件下水分的正常供应[19]。这些物质主要包括非结构性碳水化合物如可溶性糖、小分子渗透调节物质如脯氨酸等。可溶性糖是生物体内重要的能源和碳源，可以降低水势，提高植物细胞的吸水和保水能力，有利于增强抗逆性[20]。而在盐胁迫下，由于外界渗透势较低，植物体内蛋白质合成受抑制而分解被促进，结果使氨基酸含量上升，其中最突出的就是脯氨酸含量的上升。王列富等[10]研究发现，香椿叶片可溶性糖含量在整个干旱胁迫过程中（包括轻度胁迫和重度胁迫）呈现“低—高—低”的变化趋势，而脯氨酸含量的变化则是轻度胁迫水平下呈现“高—低—高”的变化趋势，重度胁迫下一直上升。本文同样证明了盐胁迫可以造成香椿可溶性糖与脯氨酸含量随时间的变化。在NaCl 胁迫下，香椿可溶性糖含量先降低后升高，可能的原因是NaCl短时间便抑制了可溶性糖的合成与积累，但随着胁迫时间延长，渗透调节物质合成能力逐渐增强。NaCl胁迫下可溶性糖整体变化趋势与盐浓度关系并不紧密。相反，0.1%和0.2%Na2SO4在最初胁迫期激活了渗透调节物质的合成，表现为可溶性糖含量的上升，但长时间的胁迫抑制了可溶性糖的合成，使渗透调节物质合成量减少。脯氨酸含量则基本上表现为随胁迫时间增加而下降，说明香椿很可能并不依靠脯氨酸的增加来进行渗透调节。而恢复期摆脱了盐胁迫后，只有0.3%NaCl 胁迫的恢复期含量显著高于对照，这说明高浓度NaCl 胁迫更有利于恢复期脯氨酸的迅速合成。杨玉珍等[21]研究干旱胁迫造成香椿脯氨酸含量动态变化，结果表明脯氨酸随胁迫时间延长含量增加，在恢复期下降，这与本研究结论不同，可能是胁迫方式不同所致。

综上所述，章丘种源的红芽香椿具有一定的中性盐抗性。在不同中性盐胁迫下的响应不同。Na2SO4比NaCl 胁迫更易造成脂质过氧化损伤且不易恢复；在渗透调节能力上，Na2SO4胁迫造成可溶性糖含量先增加后下降，而NaCl 胁迫下可溶性糖含量先下降后增加，说明两种中性盐激活可溶性糖合成的速度存在差异。两种中性盐胁迫均使脯氨酸合成能力持续下降，证明脯氨酸或不是红芽香椿应对中性盐胁迫的自我调节方式。研究结论可为该地区香椿的种植管理甚至向沿海地区引种提供可靠的参考数据。

注：不同小写字母表示0.05 水平上差异显著