陳美靜　劉倩雯　張寶龍等

摘要： 以模式植物水稻為材料，分別用蒸餾水、10%PEG、100 mmol/L NaCl、1 mmol/L SA、0.1 mmol/L ABA水溶液對水稻種子進行預(yù)處理，并以15%PEG模擬水分脅迫，分別測定PEG脅迫0、2、4、6 d時的抗氧化酶[超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、過氧化物酶（peroxidase，POD）、過氧化氫酶（catalase，CAT）]活性及丙二醛（MDA）、游離脯氨酸含量。結(jié)果顯示，SOD、POD活性均隨著PEG脅迫時間的延長呈上升趨勢，CAT活性則呈先上升后下降的趨勢；ABA、SA預(yù)處理均能在一定時間內(nèi)顯著提高PEG脅迫水稻SOD、POD、CAT活性，ABA預(yù)處理降低MDA含量，但對脯氨酸含量無顯著影響。研究結(jié)果表明，ABA預(yù)處理可作為簡單、有效的策略緩解水分對水稻的脅迫作用。

關(guān)鍵詞： 水稻；PEG脅迫；預(yù)處理；抗氧化酶；過氧化產(chǎn)物

中圖分類號： S511.01 文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）08-0076-03

目前世界上的水稻種植面積達到了1.3億hm2，其中亞洲占92%。我國是水稻種植大國，水稻是我國重要的糧食作物之一。水稻對水分的要求極高，而我國處于溫帶大陸性氣候區(qū)，水分缺失是重要的限制因子 [1-2]。面對嚴(yán)峻的水資源短缺問題，研究水稻耐水分脅迫的響應(yīng)機理、提高水稻的抗旱能力迫在眉睫 [3]。 植物受到PEG等非生物脅迫時會產(chǎn)生活性氧自由基（ROS），對細胞膜系統(tǒng)、蛋白質(zhì)、脂類、核酸等生物大分子具有強烈的破壞作用 [4-5]。預(yù)處理是目前常用的提高植物抗逆性的有效方法之一 [6]，Seo等曾研究NaCl脅迫下茉莉酸對水稻赤霉素、脫落酸的影響 [7]；Cayuela等曾研究在NaCl脅迫下，用NaCl預(yù)處理番茄幼苗來提高番茄果實的產(chǎn)量 [8]。因此，預(yù)處理作為提高植物抗逆性的有效方法，應(yīng)引起足夠的重視。 本研究以水稻為試驗材料，旨在從抗氧化酶、過氧化產(chǎn)物方面來研究當(dāng)水稻面臨PEG模擬脅迫時，預(yù)處理是否能夠提高其抗旱能力。

1 材料與方法

1.1 材料準(zhǔn)備

以模式植物水稻（Oryza sativa L.）為試驗材料，品種為遼星一號，由沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)稻作研究室提供。

精選水稻種子，分6組進行預(yù)處理。（1）對照組：無預(yù)處理；（2）蒸餾水組：用蒸餾水浸種；（3）PEG組：用10%PEG溶液浸種；（4）NaCl組：用100 mmol/L NaCl 溶液浸種；（5）SA組：用 1 mmol/L SA 溶液浸種；（6）ABA組：用0.1 mmol/L ABA 溶液浸種。用400 mL溶液（完全浸沒種子）于室溫下浸種18 h，然后用蒸餾水沖洗3～5次，鋪開放在濾紙上陰干、備用。

將6組種子分別于28 ℃恒溫箱（黑暗）中浸種24 h，催芽24～36 h，用Hoagland 完全營養(yǎng)液于人工氣候箱（晝/夜溫度為28 ℃/25 ℃、光照/黑暗時間為16 h/8 h、相對濕度80%、光照度3 000 lx）中培養(yǎng)，每組播種3盆，每天補充營養(yǎng)液，7 d后將6組水稻幼苗分別用含15%PEG的完全營養(yǎng)液模擬水分脅迫 6 d。并在脅迫前（0 d）和脅迫后2、4、6 d進行各項生理指標(biāo)的測定。

1.2 生理指標(biāo)的測定方法

超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活性采用氮藍四唑（NBT）光化還原法 [9]測定；過氧化物酶（peroxidase，POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法 [10]測定；過氧化氫酶（catalase，CAT）活性采用紫外-可見分光光度法 [11]測定；丙二醛（MDA）、游離脯氨酸含量采用張志良等的方法 [12]測定。

1.3 數(shù)據(jù)的處理

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0、Excel軟件相結(jié)合進行方差分析（ANOVA）、LSD檢測，比較其差異顯著性，所有數(shù)據(jù)指標(biāo)均重復(fù)3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同預(yù)處理對PEG脅迫下水稻幼苗抗氧化酶活性的影響

SOD、POD、CAT是清除植物體內(nèi)活性氧的抗氧化酶，在水分脅迫條件下，抗氧化酶可以降低體內(nèi)活性氧的積累，從而降低機體受傷害的程度 [13]。

由圖1可見，在未進行PEG脅迫時，PEG預(yù)處理組SOD活性顯著高于對照組及其他預(yù)處理組；隨著脅迫時間的延長，除蒸餾水、SA預(yù)處理組呈先上升后下降趨勢外，其他各處理組SOD活性總體呈上升趨勢，而自始至終PEG預(yù)處理組SOD上升幅度并不明顯。脅迫2 d時，除蒸餾水處理組外，各預(yù)處理組的SOD活性均顯著高于對照組；脅迫4 d時，蒸餾水、SA、ABA處理組的SOD活性顯著高于對照組；當(dāng)脅迫時間達到6 d時，NaCl、ABA預(yù)處理組的SOD活性顯著高于對照組。這些結(jié)果表明，在15%PEG脅迫條件下，預(yù)處理激活了水稻的ROS防御機制，使其通過提高SOD活性來保護水稻自身免受ROS的損傷?？傮w來看，PEG、NaCl、ABA預(yù)處理效果較好。

由圖2可知，在無脅迫處理時，NaCl預(yù)處理POD活性低于對照組，其余各處理組POD活性與對照組間不存在顯著差異；隨著脅迫時間的延長，各處理組POD活性總體呈上升趨勢。PEG脅迫2～4 d時，蒸餾水、ABA處理組POD活性顯著高于對照組；當(dāng)脅迫時間達到6 d時，僅ABA處理組的POD活性顯著高于對照組。表明在PEG脅迫下，預(yù)處理激活了水稻的ROS防御機制，經(jīng)過預(yù)處理的水稻幼苗抗逆能力更強，特別是蒸餾水、ABA預(yù)處理的效果更為明顯。

由圖3可知，在未受脅迫時，各處理組與對照間CAT活性不存在顯著差異；隨著脅迫時間的延長，除NaCl處理組CAT活性呈上升趨勢外，其他各處理組呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。羅英等研究表明，隨著PEG脅迫時間的延長，SA預(yù)處理的鳳仙花CAT活性呈先上升后下降的趨勢 [14]，本試驗結(jié)果與之相似。在PEG脅迫2、4、6 d時，各處理組CAT活性變化趨勢相似，SA、ABA處理組顯著高于對照組，表明在15%PEG脅迫下，預(yù)處理激活水稻的ROS防御機制，通過提高CAT活性清除體內(nèi)過多的過氧化氫來降低自身受傷害的程度，特別是SA、ABA預(yù)處理的效果較為明顯。

2.2 不同預(yù)處理對PEG脅迫下水稻幼苗MDA含量的影響

植物在受PEG脅迫下會產(chǎn)生許多ROS，過多的ROS會使膜脂過氧化，MDA便是膜脂過氧化的產(chǎn)物，會損傷膜系統(tǒng)。由圖4可知，在未進行PEG脅迫時，各處理組間MDA含量很低[CM（25]且不存在顯著差異；脅迫2 d時，各處理組MDA含量與對照間不存在顯著差異；脅迫4 d時，對照組MDA含量急劇升 高，蒸餾水、PEG、ABA預(yù)處理組MDA含量顯著低于對照組；當(dāng)脅迫時間達到6 d時，PEG、ABA預(yù)處理組的MDA含量顯著低于對照組。結(jié)果表明，預(yù)處理特別是PEG、ABA處理可明顯降低MDA含量，從而降低水稻膜脂過氧化的損傷程度。

2.3 不同預(yù)處理對PEG脅迫下水稻幼苗游離脯氨酸含量的影響

以PEG模擬水分脅迫會使植物在大量失水時產(chǎn)生滲透脅迫，脯氨酸作為一種有效的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在植物體內(nèi)的積累可以調(diào)節(jié)植物細胞的滲透勢 [15]。由圖5可知，隨著脅迫時間的延長，脯氨酸含量呈上升趨勢；在未受脅迫時，NaCl、SA處理的脯氨酸含量較高；隨著脅迫時間的延長，對照組脯氨酸含量上升明顯，蒸餾水處理組脯氨酸含量上升幅度最小，且含量最低；脅迫處理2 d時，蒸餾水、PEG處理組脯氨酸含量顯著低于對照，NaCl、SA、ABA處理組脯氨酸含量與對照無顯著差異；脅迫處理4 d時，蒸餾水、PEG、NaCl處理組脯氨酸含量顯著低于對照。對照組的脯氨酸含量呈明顯上升趨勢，表明隨著水稻受PEG脅迫程度加深，需要通過增加脯氨酸含量來維持自身水分平衡；脅迫2、4 d，預(yù)處理組特別是蒸餾水、PEG處理組的脯氨酸含量明顯低于對照組，說明預(yù)處理明顯提高了水稻的抗性。

3 結(jié)論

研究表明，提高植物體內(nèi)抗氧化酶活性是提高植物抗逆性的有效途徑之一 [16-17]。本研究表明，隨著PEG脅迫時間的延長，SOD、POD活性呈上升趨勢，經(jīng)過預(yù)處理水稻幼苗SOD、POD活性明顯高于對照組，表明預(yù)處理是一種抗旱鍛煉，可提高水稻的抗旱能力；CAT活性多數(shù)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。劉曉輝等對西瓜幼苗的研究表明，在外施激素條件下，隨著低溫脅迫程度的增加，CAT活性呈先上升后下降的趨勢 [18]。這可能由于隨著PEG脅迫時間的延長，水稻體內(nèi)積累的ROS過多，CAT來不及清除過多的過氧化氫，導(dǎo)致脅迫后期CAT活性下降 [19]。雖然在脅迫后期，CAT活性有所下降，但是經(jīng)過SA、ABA預(yù)處理的水稻幼苗CAT活性均高于對照組，同樣表明了預(yù)處理可以提高水稻的抗旱能力。整體來看，SA、ABA預(yù)處理對提高15%PEG脅迫下水稻幼苗的抗氧化酶活性效果更為明顯，更能提高水稻的抗逆性。

植物在受到PEG等非生物脅迫時，會形成ROS，如果過量的ROS不能及時被清除，植物將會受到嚴(yán)重的氧化傷害 [20]。MDA是植物細胞膜脂過氧化作用的最終產(chǎn)物，對細胞膜具有毒害作用，是最常用的膜脂過氧化指標(biāo) [21]。Srivastava 等對芥菜的研究表明，在PEG脅迫下蒸餾水處理的MDA含量要低于對照，而ABA預(yù)處理卻高于對照 [22]。本試驗研究表明，隨著PEG脅迫時間的延長，MDA含量呈明顯的上升趨勢，脅迫4、6 d，對照組MDA含量明顯高于其他各預(yù)處理組，其中以ABA、PEG處理組的MDA含量最低，表明預(yù)處理，特別是PEG、ABA處理明顯提高了水稻的抗性。

脯氨酸作為植物體內(nèi)一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在受到PEG脅迫時會大量積累，從而提高其滲透調(diào)節(jié)能力，對植物起到緩沖保護作用，可提高植物的抗逆性，因此許多人把脯氨酸的積累能力看作是植物抗旱性選擇的基礎(chǔ) [23-24]。本試驗結(jié)果表明，隨著PEG脅迫時間的延長，脯氨酸含量呈明顯的上升趨勢。表明15%PEG引起滲透脅迫，植物體內(nèi)脯氨酸含量增加以提高滲透調(diào)節(jié)能力。各預(yù)處理組脯氨酸含量明顯低于對照組，表明隨著脅迫時間的延長，經(jīng)過預(yù)處理的水稻幼苗特別是蒸餾水、PEG預(yù)處理組并未感受到強烈的滲透脅迫，不需要大量增加脯氨酸來調(diào)節(jié)滲透勢差，從而明顯提高了水稻的抗逆性。

參考文獻：

[1] 馬廷臣，余蓉蓉，陳榮軍，等. PEG-6000模擬干旱對水稻幼苗期根系的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2010，18（6）：1206-1211.

[2]戴高興，彭克勤，蕭浪濤，等. 聚乙二醇模擬干旱對耐低鉀水稻幼苗丙二醛、脯氨酸含量和超氧化物歧化酶活性的影響[J]. 中國水稻科學(xué)，2006，20（5）：557-559.

[3]丁 雷，李英瑞，李 勇，等. 梯度干旱脅迫對水稻葉片光合和水分狀況的影響[J]. 中國水稻科學(xué)，2014，28（1）：65-70.

[4]Kanazawa S，Sano S，Koshiba T，et al. Changes in antioxidative enzymes in cucumber cotyledons during natural senescence：comparison with those during dark-induced senescence[J]. Physiologia Plantarum，2000，109：211-216.

[5]Becana M，Dalton D A，Moran J F，et al. Reactive oxygen species and antioxidants in legume nodules[J]. Physiologia Plantarum，2000，109（4）：372-381.

[6]Casenave E C，Toselli M E. Hydropriming as a pre-treatment for cotton germination under thermal and water stress conditions[J]. Seed Science and Technology，2007，35（1）：88-98.

[7]Seo H S，Kim S K，Jang S W，et al. Effect of jasmonic acid on endogenous gibberellins and abscisic acid in rice under NaCl stress[J]. Biologia Plantarum，2005，49（3）：447-450.

[8]Cayuela E，Esta M T，Parra M，et al. NaCl pre-treatment at the seedling stage enhances fruit yield of tomato plants irrigated with salt water[J]. Plant and Soil，2001，230（2）：231-238.

[9]Hichem H，Mounir D，Naceur E A. Differential responses of two maize （Zea mays L.） varieties to salt stress：changes on polyphenols composition of foliage and oxidative damages[J]. Industrial Crops and Products，2009，30（1）：144-151.

[10]Zhang J X，Kirkham M B. Drought-stress-induced changes in activities of superoxide dismutase，catalase，and peroxidase in wheat species[J]. Plant & Cell Physiology，1994，35（5）：785-791.

[11]李合生. 植物生理生化實驗原理和技術(shù)[M]. 北京：高等教育出版社，2000：195.

[12]張志良，瞿偉菁，李小方. 植物生理學(xué)實驗指導(dǎo)[M]. 北京：高等教育出版社，1996.

[13]孫映波，尤 毅，朱根發(fā)，等. 干旱脅迫對文心蘭抗氧化酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2011，20（11）：1675-1680.

[14]羅 英，楊仁強，肖 蓮，等. 水楊酸預(yù)處理對水分脅迫下鳳仙花幼苗抗氧化能力的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010（6）：243-245.

[15]周晉軍，劉 蓬，尹靜靜，等. 脯氨酸代謝途徑在調(diào)控水稻phyB突變體干旱脅迫耐性中的作用[J]. 山東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，46（3）：1-4.

[16]杜士云，王德正，吳 爽，等. 三類雄性不育水稻花藥和葉片中抗氧化酶活性變化[J]. 植物生理學(xué)報，2012，48（12）：1179-1186.

[17]Alvarez M E. Salicylic acid in the machinery of hypersensitive cell death and disease resistance[J]. Plant Molecular Biology，2000，44（3）：429-442.

[18]劉曉輝，張 顯，鄭俊鶱，等. 激素預(yù)處理對低溫脅迫下西瓜幼苗活性氧含量和抗氧化酶活性的影響[J]. 西北植物學(xué)報，2014，34（4）：746-752.

[19]Dhindsa R S，Matowel W. Drought tolerance in two mosses：correlated with enzymatic defense against lipid peroxidation[J]. J Exp Bot，1981，32（1）：79-91.

[20]Bartels D，Sunkar R. Drought and salt tolerance in plants[J]. Crit Rev Plant Sci，2005，24（1）：23-58.

[21]趙天宏，孫加偉，趙藝欣，等. CO2和O3濃度升高及其復(fù)合作用對玉米（Zea mays L.）活性氧代謝及抗氧化酶活性的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報，2008，28（8）：3644-3653.

[22] Srivastava A K，Lokhande V H，Patade V Y，et al. Comparative evaluation of hydro-，chemo-，and hormonal-priming methods for imparting salt and PEG stress tolerance in Indian mustard （Brassica juncea L.）[J]. Acta Physiologiae Plantarum，2010，32（6）：1135-1144.

[23] Bohnert H J，Jensen R G. Strategies for engineering water-stress tolerance in plants[J]. Trends in Biotechnology，1996，14（3）：89-97.

[24]tajner D，Mimica-Duki c[DD（-1*2][HT6]'[DD）] N，Gasi c[DD（-1*2][HT6]'[DD）] O. Adaptability to drought in sugar beet cultivars[J]. Biologia Plantarum，1995，37（1）：107-112.