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        PEG脅迫對(duì)沙冬青種子萌發(fā)過(guò)程的影響

        2011-05-07 11:06:46段慧榮李毅馬彥軍
        水土保持研究 2011年3期
        關(guān)鍵詞:植物研究

        段慧榮,李毅,馬彥軍

        (甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,蘭州730070)

        在限制植物產(chǎn)量的諸多環(huán)境因子中,以供水條件最為重要,據(jù)統(tǒng)計(jì),全世界由于水分脅迫導(dǎo)致的作物減產(chǎn),可超過(guò)其它因素造成減產(chǎn)的總和。在干旱半干旱地區(qū),水的短缺始終是制約農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵因素[1]。在干旱半干旱地區(qū),通過(guò)植樹造林,改善生態(tài)環(huán)境工作已成為當(dāng)務(wù)之急,而木本植物抗旱性研究是該區(qū)造林樹種選擇的基礎(chǔ),是關(guān)系到該區(qū)造林成敗的關(guān)鍵因素之一[2]。

        種子是植物最重要的繁殖材料,種子萌發(fā)是種子植物生活史中的關(guān)鍵階段,也是進(jìn)行植物抗旱性研究的重要時(shí)期[3]。研究表明,在植物生活周期中,植物死亡至少有95%發(fā)生在種子階段[4]。在該階段,土壤水分是影響種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的重要生態(tài)因子。發(fā)芽階段的耐旱程度一定程度上反映了該物種的耐旱狀況。種子發(fā)芽狀況也是判定種子質(zhì)量、確定播種量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。近年來(lái),PEG高滲溶液法已經(jīng)成為研究種子萌發(fā)性狀的重要方法,在水稻、小麥等農(nóng)作物上廣泛使用[5],在牧草上種子抗逆性研究方面也開始逐漸增多[6-7],而在林木種子的抗逆性研究方面相對(duì)比較少[8]。

        沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)為亞洲中部荒漠地區(qū)唯一的常綠闊葉灌木,是古老的第三紀(jì)孑遺種,也是國(guó)家三級(jí)保護(hù)植物。其抗逆能力極強(qiáng),但是人工栽培卻極為困難,在保護(hù)和開發(fā)利用沙冬青的研究中,探索沙冬青的抗逆機(jī)理及其最佳繁殖栽培技術(shù)一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。目前,有關(guān)沙冬青耐旱性研究已有一些報(bào)道,最早見于對(duì)其形態(tài)解剖特征的觀察[9],但是有關(guān)沙冬青對(duì)PEG滲透脅迫的生理響應(yīng)研究報(bào)道較少?;谝陨险J(rèn)識(shí),本試驗(yàn)以PEG-6000溶液模擬干旱脅迫,研究5種不同PEG濃度(5%~25%)對(duì)沙冬青種子萌發(fā)的影響及萌發(fā)幼苗細(xì)胞膜透性、可溶性蛋白、丙二醛和脯氨酸含量、超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)、過(guò)氧化物酶(Peroxide,POD)和過(guò)氧化氫酶(Catalase,CAT)等各項(xiàng)生理指標(biāo)的變化,以期系統(tǒng)了解沙冬青種子萌發(fā)階段的耐旱性特征并揭示其抗旱機(jī)理,為沙冬青在干旱區(qū)播種提供理論依據(jù)。

        1 材料和方法

        1.1 材料

        沙冬青成熟莢果于2009年8月初采自甘肅省蘭州市九州臺(tái),千粒重為55.1 g。選取健壯飽滿、無(wú)損傷和無(wú)蟲害的灰黑色種子,用75%的酒精消毒1~2 min后,用自來(lái)水和蒸餾水沖洗干凈,浸泡在100℃水5 min后,用蒸餾水沖洗冷卻降溫,放置24 h后進(jìn)行PEG-6000脅迫處理。

        1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        設(shè)質(zhì)量濃度 5%、10%、15%、20%和 25%,對(duì)應(yīng)滲透勢(shì)分別為-0.054,-0.177,-0.393,-0.735,-1.25 MPa共5個(gè)不同滲透勢(shì)濃度的PEG(中國(guó)醫(yī)藥(集團(tuán))上?;瘜W(xué)試劑公司)溶液,按照李合生[10]的方法配備,對(duì)上述沙冬青種子進(jìn)行干旱脅迫處理。處理采用紙上發(fā)芽,首先在培養(yǎng)皿內(nèi)鋪2層濾紙,將處理好的種子(大小一致無(wú)破損)置于濾紙上,然后加入等量的PEG溶液進(jìn)行萌發(fā),以加蒸餾水為對(duì)照。每個(gè)處理3次重復(fù),每個(gè)重復(fù)50粒種子,室溫下發(fā)芽,于2009年10月份在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。培養(yǎng)過(guò)程中每天向培養(yǎng)皿中加入相應(yīng)處理溶液,保持濾紙濕潤(rùn)。每3天更換1次濾紙,以防止溶液濃度變動(dòng)[11]。培養(yǎng)條件為:14 h光照,光照強(qiáng)度2 000 lx,晝溫20~25℃/夜溫15~20℃。

        1.3 測(cè)定方法

        1.3.1 種子發(fā)芽率和死亡率的測(cè)定 從種子置床之日起開始觀察,以種子露白為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)[12],逐日定時(shí)記錄發(fā)芽種子數(shù),30 d后結(jié)束發(fā)芽試驗(yàn)。參照《種子生物學(xué)研究指南》[13],計(jì)算發(fā)芽率和死亡率。其中死亡幼苗以種子萌發(fā)后不再生長(zhǎng)甚至腐爛為判斷標(biāo)準(zhǔn)。

        發(fā)芽率=種子發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù)×100%

        死亡率=死亡苗數(shù)/總苗數(shù)×100%

        1.3.2 生理生化指標(biāo) 在室內(nèi)用電子天平(精度0.1 mg)稱取整株幼苗的鮮重[14],在80℃烘箱內(nèi)烘干48 h,稱取干重[15],發(fā)芽結(jié)束時(shí)自每個(gè)處理中分別選取同一生長(zhǎng)時(shí)期發(fā)育良好的健康植株整株進(jìn)行生理生化指標(biāo)的測(cè)定,每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次,取平均值。細(xì)胞膜透性的測(cè)定采用相對(duì)電導(dǎo)率法,可溶性蛋白的含量測(cè)定采用G-250考馬斯亮藍(lán)法,丙二醛(MDA)含量的測(cè)定采用硫代巴比妥酸法。超氧化物歧化酶(SOD)活性的測(cè)定采用氮藍(lán)四唑(NBT)光還原法,以抑制氯化硝基氮藍(lán)四唑(NBT)光化還原50%為1個(gè)酶活性單位;過(guò)氧化物酶(POD)活性用愈創(chuàng)木酚比色法,在470 nm下測(cè)定,以每克植物鮮重中每分鐘所含酶活性單位(U)表示;過(guò)氧化氫酶(CAT)活性的測(cè)定采用過(guò)氧化氫分解法,脯氨酸(Proline)含量的測(cè)定采用酸式茚三酮顯色法[14],顯色后在UV-2450分光光度計(jì)520 nm波長(zhǎng)處測(cè)定光密度值,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算游離脯氨酸含量。

        試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2003和SPSS 16.0軟件進(jìn)行作圖和數(shù)據(jù)分析。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 PEG脅迫對(duì)沙冬青種子萌發(fā)過(guò)程的影響

        不同濃度PEG脅迫對(duì)沙冬青種子萌發(fā)的影響見圖1。5%和10%PEG濃度下種子發(fā)芽率及萌發(fā)幼苗鮮重與對(duì)照無(wú)明顯差異,死亡率低。PEG濃度為15%時(shí)種子死亡率為3.33%,萌發(fā)幼苗鮮重比對(duì)照降低了33.03%,差異顯著(P<0.05);說(shuō)明PEG濃度達(dá)到 15%時(shí)開始抑制種子萌發(fā)生長(zhǎng),并且隨著PEG濃度的升高種子所受到的抑制程度也越高。當(dāng)PEG濃度達(dá)到25%時(shí),萌發(fā)幼苗變得矮小枯黃,鮮重降至0.116 g,極顯著地低于對(duì)照(P<0.01),發(fā)芽率為2%,死亡率達(dá)到98.89%。

        2.2 PEG脅迫下沙冬青萌發(fā)幼苗生理指標(biāo)的變化

        2.2.1 相對(duì)電導(dǎo)率和丙二醛含量 由圖2可以看出,隨著PEG濃度的增加,沙冬青萌發(fā)幼苗的相對(duì)電導(dǎo)率和丙二醛的含量均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。PEG濃度在5%~10%時(shí)沙冬青的電導(dǎo)率與對(duì)照變化不大,無(wú)明顯差異。當(dāng)濃度達(dá)到15%~25%時(shí),電導(dǎo)率呈上升趨勢(shì),并且均與對(duì)照有極顯著差異(P<0.01)。丙二醛含量隨PEG濃度增大而增加,且當(dāng)濃度達(dá)到15%~25%時(shí),各含量均與對(duì)照呈極顯著差異(P<0.01),分別比對(duì)照上升了162.63%、182.36%和188%。

        圖1 PEG脅迫對(duì)沙冬青種子萌發(fā)過(guò)程的影響

        圖2 PEG脅迫對(duì)沙冬青萌發(fā)幼苗相對(duì)電導(dǎo)率和丙二醛含量的影響

        2.2.2 可溶性蛋白含量 可溶性蛋白具有較強(qiáng)的親水膠體性質(zhì),可影響細(xì)胞的保水力。隨PEG濃度增大,可溶性蛋白含量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。PEG濃度為5%~15%時(shí),含量隨濃度增大而上升,與對(duì)照無(wú)明顯差異,濃度繼續(xù)增大至20%和25%時(shí)開始下降,并分別比對(duì)照降低22.37%和32.89%,與對(duì)照差異顯著(P<0.05),見圖3。

        圖3 PEG脅迫對(duì)沙冬青萌發(fā)幼苗可溶性蛋白含量的影響

        2.3 PEG脅迫對(duì)幼苗保護(hù)性酶活性的影響

        2.3.1 超氧化物歧化酶(SOD)活性 SOD的主要功能是清除氧自由基,是防止其對(duì)細(xì)胞膜系統(tǒng)傷害的一種很重要的抗氧化酶。由圖4可見,PEG脅迫對(duì)幼苗SOD活性的影響整體表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。其中5%~15%PEG濃度培養(yǎng)下,幼苗SOD活性隨著PEG濃度的增加而增大,分別比對(duì)照上升了20.27%、31.38%和65.53%,均與對(duì)照呈極顯著差異(P<0.05)。PEG濃度為20%時(shí)活性下降,僅比對(duì)照增加了2.86%,無(wú)顯著性差異,說(shuō)明此時(shí)抗性減弱。當(dāng)濃度增加到25%時(shí),酶活性比對(duì)照降低了26.27%,與對(duì)照呈極顯著差異。

        圖4 PEG脅迫對(duì)沙冬青萌發(fā)幼苗SOD活性的影響

        2.3.2 過(guò)氧化物酶(POD)活性 POD在植物體內(nèi)具有廣泛的作用,其主要作用之一是催化H2O2降解。PEG脅迫對(duì)沙冬青幼苗POD活性的影響與對(duì)SOD活性影響相似,都表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。如圖5所示,PEG濃度為5%時(shí),幼苗POD活性比對(duì)照上升了50.96%,與對(duì)照有極顯著差異(P<0.01)。10%PEG濃度下,幼苗的POD酶活性最高,與對(duì)照相比上升了76.38%。當(dāng)PEG濃度達(dá)到15%~20%時(shí),幼苗 POD活性開始降低并分別低于對(duì)照27.67%、56.32%,其中濃度為15%時(shí)與對(duì)照差異不顯著。幼苗受到濃度為25%PEG脅迫時(shí)POD活性最小,比對(duì)照下降了73.48%,與對(duì)照差異極顯著。

        圖5 PEG脅迫對(duì)沙冬青萌發(fā)幼苗POD活性的影響

        2.3.3 過(guò)氧化氫酶(CAT)活性 圖6表明,各濃度PEG脅迫下CAT酶活性表現(xiàn)為先上升后下降的變化趨勢(shì),與對(duì)照之間呈現(xiàn)極顯著差異(P<0.01)。5%~10%PEG濃度下酶活性呈上升趨勢(shì),分別比對(duì)照上升了68.14%和136.38%。當(dāng)PEG濃度達(dá)到15%時(shí),酶的活性開始下降,但仍比對(duì)照高出81.06%,濃度為20%~25%時(shí),酶活性比對(duì)照分別下降14.23%和63.39%。

        圖6 PEG脅迫對(duì)沙冬青萌發(fā)幼苗CAT活性的影響

        2.4 PEG脅迫對(duì)幼苗脯氨酸含量的影響

        脯氨酸含量的提高是逆境條件下植物的自衛(wèi)反應(yīng)之一,細(xì)胞脯氨酸含量增加,維持了細(xì)胞的膨壓,同時(shí)可以保護(hù)酶和膜系統(tǒng)免受毒害。由圖7看出,PEG濃度低于20%時(shí),隨濃度的增加沙冬青幼苗的脯氨酸含量升高,說(shuō)明5%~20%的PEG可以刺激幼苗脯氨酸含量極顯著地上升(P<0.01),并分別比對(duì)照增加了 164.37%、293.38%、313.7%和 332.03%。當(dāng)濃度達(dá)到25%時(shí),脯氨酸含量迅速下降,并比對(duì)照下降了48.57%,與對(duì)照之間差異不明顯。

        圖7 PEG脅迫對(duì)萌發(fā)幼苗脯氨酸含量的影響

        3 討論

        3.1 PEG脅迫對(duì)種子萌發(fā)的影響

        用一定濃度的聚乙二醇(PEG)溶液模擬干旱逆境處理種子,使之產(chǎn)生滲透脅迫來(lái)研究水分脅迫下種子的生理反應(yīng),已有較多報(bào)道。種子吸水力與植物的抗旱性呈正相關(guān),吸水力強(qiáng)的種子在干旱脅迫下能夠保持較高的發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì),而吸水力弱的種子則相反[16]。本試驗(yàn)中,隨脅迫程度的加深,沙冬青種子發(fā)芽率顯著下降,死亡率呈明顯上升趨勢(shì),鮮重下降。表明隨脅迫程度的加深,沙冬青種子萌發(fā)受到不同程度的抑制,當(dāng)脅迫超過(guò)種子的耐受限度(25%)時(shí)將難以萌發(fā)并致死,這與董麗華[17]等的研究結(jié)果一致。

        3.2 PEG脅迫對(duì)萌發(fā)幼苗生理生化指標(biāo)的影響

        細(xì)胞膜是植物體內(nèi)部與外部物質(zhì)交換的通道,多種逆境都會(huì)使植物細(xì)胞膜系統(tǒng)受損,導(dǎo)致膜透性增大,內(nèi)容物滲漏。植物組織外滲液電導(dǎo)率可以表征質(zhì)膜透性的變化并反映脅迫條件下質(zhì)膜受損傷的程度,電導(dǎo)率增幅越大,植物受脅迫損傷程度越重。丙二醛(MDA)是植物在受到傷害時(shí)細(xì)胞膜發(fā)生膜脂過(guò)氧化作用形成的最終分解產(chǎn)物,其含量代表著植物細(xì)胞遭受逆境傷害的程度和膜脂過(guò)氧化程度[18]。本試驗(yàn)中,隨脅迫程度的加深,沙冬青萌發(fā)幼苗的電導(dǎo)率不斷上升,同時(shí)MDA含量也不斷增加,表明隨脅迫程度加深,萌發(fā)幼苗的膜系統(tǒng)受到不同程度的破壞,膜質(zhì)過(guò)氧化作用增大,抗性減弱,這與王宇超等[18]的研究結(jié)果一致。

        逆境和脅迫會(huì)導(dǎo)致植物體內(nèi)大量活性氧的產(chǎn)生,SOD作為重要的活性氧清除酶,能及時(shí)清除體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧將超氧陰離子自由基快速歧化為H2O2和H2O,保護(hù)細(xì)胞免受傷害[19]。POD和CAT是清除H2O2的重要酶類,能夠分解H2O2為H2O和O2,CAT與超氧化物歧化酶SOD偶聯(lián),可以徹底清除體內(nèi)超氧陰離子及H2O2等氧自由基,消除逆境對(duì)植物的傷害。試驗(yàn)中隨脅迫程度的加深,SOD、POD和CAT活性均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),這表明在一定范圍(5%~10%)內(nèi),PEG脅迫能誘導(dǎo)體內(nèi)保護(hù)酶活性提高,從而有效地清除活性氧,但嚴(yán)重脅迫則會(huì)破壞體內(nèi)保護(hù)酶系統(tǒng)的活力和平衡,損傷膜的結(jié)構(gòu)并抑制酶的活性。這與左利萍等[20]在檸條葉片的抗氧化酶活性影響的結(jié)果一致。

        蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的體現(xiàn)者,植物不同其蛋白質(zhì)的種類和數(shù)量也不同。植物體內(nèi)的可溶性蛋白質(zhì)大多是參與各種代謝的酶類,在受到干旱脅迫時(shí),它們會(huì)發(fā)生一定的變化,測(cè)定其含量是了解植物抗逆性的一個(gè)重要指標(biāo)[21]。試驗(yàn)中,沙冬青萌發(fā)幼苗中可溶性蛋白的含量隨脅迫程度加深先增加后降低,說(shuō)明通過(guò)生成蛋白為抵抗脅迫環(huán)境提供物質(zhì)基礎(chǔ)。研究中,當(dāng)PEG濃度在20%以上時(shí),可溶性蛋白的含量明顯低于對(duì)照,說(shuō)明此脅迫已超過(guò)沙冬青的耐受極限,蛋白質(zhì)水解加快。游離脯氨酸是作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和防脫水劑而起作用的,可以降低細(xì)胞水勢(shì)和維持膨壓,脯氨酸除了發(fā)揮其本身的滲透、保護(hù)作用外,又為新的蛋白質(zhì)的合成提供了氨基,從而促進(jìn)了與抗旱有關(guān)的新蛋白質(zhì)的合成。研究表明,在干旱或其它逆境條件中植物體內(nèi)脯氨酸含量會(huì)大量積累。本試驗(yàn)結(jié)果表明,沙冬青萌發(fā)幼苗中脯氨酸含量隨脅迫程度加深先增大后降低,表明脯氨酸作為細(xì)胞內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)劑,在滲透脅迫較輕時(shí)可以有效地平衡液泡滲透勢(shì),保護(hù)生物大分子不被破壞,作為活性氧的清除劑和抗冷劑抵抗?jié)B透脅迫。脅迫濃度超過(guò)25%時(shí),細(xì)胞被破壞,導(dǎo)致脯氨酸含量反而降低。

        由于本次試驗(yàn)只是對(duì)PEG模擬干旱脅迫下沙冬青種子萌發(fā)進(jìn)行了研究,認(rèn)為沙冬青可以適應(yīng)PEG濃度15%以下的干旱脅迫環(huán)境,至于后期生長(zhǎng)過(guò)程中的幼苗形態(tài)和生理生化變化,還有待進(jìn)一步研究和探討。

        4 結(jié)論

        試驗(yàn)結(jié)果表明,沙冬青種子在PEG濃度為5%~10%時(shí)能夠萌發(fā)生長(zhǎng),通過(guò)增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)如可溶性蛋白和脯氨酸的含量,提高保護(hù)性酶SOD、POD與CAT的活性來(lái)抵抗脅迫環(huán)境。其能夠忍受PEG濃度15%的干旱脅迫環(huán)境,但已經(jīng)開始出現(xiàn)不適現(xiàn)象,在高濃度(20%和25%)時(shí)保護(hù)作用被抑制,種子基本不能萌發(fā),萌發(fā)幼苗矮小枯黃,死亡率上升,抗性下降。

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