劉 陽, 馬群飛, 劉金洋, 朱 穎, 郝 林

(沈陽師范大學 生命科學學院, 沈陽 110034)

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外源水楊酸調(diào)節(jié)小麥對二氧化氮脅迫應(yīng)答的初步研究

劉 陽, 馬群飛, 劉金洋, 朱 穎, 郝 林

(沈陽師范大學 生命科學學院, 沈陽 110034)

二氧化氮是一種主要的空氣污染物,通過氣孔進入植物葉片后快速轉(zhuǎn)化為硝酸鹽和亞硝酸鹽,引發(fā)作物減產(chǎn)或品質(zhì)下降。研究了外施水楊酸對小麥幼苗應(yīng)答二氧化氮脅迫的調(diào)節(jié)作用,目的是減輕NO2對植物的傷害。供試水楊酸濃度為0.5 mM·L-1,NO2濃度為20 μl·L-1。NO2的暴露方法為:將10天齡的小麥幼苗置入密閉的玻璃熏氣箱中,NO2氣體由鋼瓶輸出,于玻璃瓶中與炭濾空氣混合,通入熏氣箱中。采用動式熏氣,NO2濃度由煙氣分析儀在線監(jiān)測。每天熏氣3 h,連續(xù)4 d。對照植株只通入炭濾空氣。結(jié)果表明,該濃度NO2造成植物急性傷害,如生長速率顯著降低、葉片變黃、葉尖死亡;電解質(zhì)滲透率與丙二醛含量則顯著升高。外施水楊酸有效減緩了NO2暴露引發(fā)的上述傷害癥狀。其作用機理至少與水楊酸處理提高葉片的可溶性糖、游離脯氨酸以及超氧化物歧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶活性有關(guān)。

二氧化氮; 小麥; 水楊酸

0 引 言

在某些地區(qū)或特殊環(huán)境下空氣中二氧化氮(NO2)濃度已對植物的生長和發(fā)育造成傷害。由于NO2進入植物體內(nèi)快速轉(zhuǎn)化并積累硝酸鹽,引發(fā)一系列生理生化代謝紊亂、過量產(chǎn)生活性氧和活性氮等,因此造成農(nóng)作物減產(chǎn)、糧食或葉菜類蔬菜品質(zhì)下降[1-2]?；诖?提高植物(作物)對NO2暴露的耐受性或加快體內(nèi)硝酸鹽的代謝對提高產(chǎn)量或改善品質(zhì)是十分重要的,但前提條件是要充分認識植物對NO2的耐受性機理。近年來,不斷增加的證據(jù)顯示,水楊酸在植物對逆境脅迫應(yīng)答中起重要的調(diào)節(jié)作用,多數(shù)研究表明外施水楊酸可提高植物對逆境的耐受性,如干旱、鹽脅迫、低溫、重金屬、臭氧等,并表現(xiàn)出多效的作用機理[3]。然而,有關(guān)水楊酸參與植物對NO2暴露的調(diào)節(jié)作用鮮見報道。前期研究表明,內(nèi)源水楊酸高積累的擬南芥突變體植株顯著提高對NO2暴露的耐受性[4],而外施水楊酸可明顯減緩NO2暴露對小白菜的傷害,并降低體內(nèi)硝酸鹽的積累[5]。而在禾本科作物對NO2暴露應(yīng)答的研究中,還未見水楊酸調(diào)節(jié)作用的報道。鑒于此,在本研究中分析了外源水楊酸對小麥幼苗應(yīng)答NO2脅迫的調(diào)節(jié)作用。初步結(jié)果表明,葉面噴施一定濃度的水楊酸可有效減緩NO2暴露對植株的傷害,其作用機理至少與可溶性物質(zhì)含量以及抗氧化酶活性提高有關(guān)。

1 材料與方法

1.1 植物材料與處理

供試植物春小麥“8160”(Triticum aestivum)由沈陽市三臺子種子公司提供。種子經(jīng)75%乙醇表面消毒,去離子水洗滌3次,播種于土表下0.5 cm處的塑料花盆中。培養(yǎng)基質(zhì)為市售草炭土,培養(yǎng)條件為光照14 h,黑暗10 h,溫度為光下25 ℃,黑暗20 ℃,相對濕度為75%。發(fā)芽3 d后選擇生長整齊一致的幼苗定苗,再生長7 d后用于NO2熏蒸。水楊酸預(yù)處理在NO2熏蒸前1 d進行,具體方法為將幼苗的地上部分完全浸入至0.5 mM L-1的SA(Sigma產(chǎn)品)溶液(pH7.0)中,約2 min后取出,平放約1 h后直立。NO2熏蒸方法:將幼苗轉(zhuǎn)移至自制的熏氣箱(0.8 m× 0.8 m×0.8 m),NO2氣體由鋼瓶輸出(原始濃度為2%),先通入至1 L的玻璃瓶中,同時通入炭濾空氣稀釋,通過流量計調(diào)節(jié)其通入量,以達到所需的NO2供試濃度20 μl·L-1。采用動式熏氣,NO2濃度由煙氣分析儀(SWG 300-1; MRU, Heilbronn, Germany)在線監(jiān)測。在光照下每天熏氣3 h,連續(xù)4 d。除文中特別說明外,熏氣結(jié)束后立即收集樣品,置于液氮中備用。

1.2 方法

1.2.1 植物生長的測定

取植株地上部分,濾紙吸干表面水分,稱重,即為鮮重。將樣品置于培養(yǎng)皿中,于80 ℃恒溫箱烘干48 h,稱重,即為干重。

1.2.2 生化指標檢測

丙二醛含量和電解質(zhì)滲透率的檢測根據(jù)前文的描述進行[5];可溶性糖含量的測定采用蒽酮比色法[6],以已知濃度的葡萄糖溶液制作標準曲線;脯氨酸含量的測定采用Bates等的方法[7];抗氧化酶的提取方法見前文描述[5];超氧化物歧化酶(SOD;EC1.15.1.1)活性的檢測按Beyer和Fridovich的方法[8]進行;過氧化物酶(POD;EC1.11.1.7)活性的測定根據(jù)Hemeda和Klein的方法[9]進行;過氧化氫酶(CAT;EC 1.11.1.6)活性的分析按Aebi的方法[10]進行。

1.2.3 統(tǒng)計學分析

文中每一個數(shù)據(jù)至少是3次獨立實驗的平均值,表示為平均值±標準差,顯著性差異由SAS軟件(SAS Institute, Cary, NC,USA)分析,P<0.05。

2 結(jié)果與討論

2.1 對植物生長的影響

圖1 NO2暴露及水楊酸預(yù)處理對植株表型的影響

本實驗采用的NO2濃度(20 μl·L-1)引發(fā)小麥幼苗急性傷害,如葉片變黃、葉尖死亡(圖1)。盡管NO2暴露僅在4 d內(nèi)完成,但已造成了明顯的植株生長遲緩,如葉片鮮重(FW)和干重(DW)顯著低于對照(圖2、圖3)。然而,葉面SA預(yù)處理有效地減緩了NO2暴露引發(fā)的植株傷害(如圖1),植物的生長抑制明顯減緩,其干重甚至達到了對照水平(圖3)。在本實驗條件下,葉面SA處理對對照條件下(即只通入炭濾空氣)植株的表型以及生長沒有影響(圖1～圖3)。

圖2 NO2暴露及水楊酸預(yù)處理 對植株地上鮮重的影響

圖3 NO2暴露及水楊酸預(yù)處理 對植株地上干重的影響

圖中數(shù)據(jù)為平均值±標準差,n=6,小寫字母(如a、b等)表示具有顯著性差異,下同。

當土壤缺氮時,空氣中的NO2可作為植物的氮源促進其生長[2]。然而,當濃度過高時,如達到μl·L-1級則會對植物造成傷害。盡管正常環(huán)境條件下空氣中的NO2濃度在μl·L-1級范圍,但在某些特殊環(huán)境,如溫室中,由于大量使用含氮化肥,在土壤微生物的作用下,釋放出大量NO2氣體,使其濃度達到數(shù)十μl·L-1級[2]。因此,本研究采用的NO2濃度有其實際意義。

2.2 對細胞膜完整性的影響

NO2暴露造成丙二醛含量和電解質(zhì)滲透率顯著升高,SA預(yù)處理起到了顯著的保護性作用(圖4、圖5)。丙二醛是細胞膜脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物,當植物受到逆境脅迫時過量產(chǎn)生,該參數(shù)已成為評價逆境脅迫引發(fā)氧化傷害的重要指標。電解質(zhì)滲透率是衡量細胞膜完整性的另一重要指標,當植物受到氧化脅迫傷害時,膜系統(tǒng)遭到破壞,引發(fā)胞內(nèi)小分子物質(zhì)外滲。

圖4 NO2暴露及水楊酸預(yù)處理對 植株丙二醛含量的影響

圖5 NO2暴露及水楊酸預(yù)處理對 植株電解質(zhì)滲透率的影響

2.3 對可溶性糖和脯氨酸含量的影響

NO2暴露顯著提高了小麥幼苗葉片的可溶性糖和游離脯氨酸含量,SA預(yù)處理進一步提高了二者的數(shù)值(圖6、圖7)。本研究也表明,SA預(yù)處理提高了正常條件下植株的可溶性糖和脯氨酸含量。在植物生長與代謝過程中,可溶性糖不僅被用作碳源和能源,還是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)以及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)物質(zhì)[11]。大量的研究表明,植物受到各種逆境脅迫時體內(nèi)積累可溶性糖,以此增強抗逆性[11]。在植物細胞中,游離脯氨酸具有生理作用多效性,如調(diào)節(jié)滲透平衡、維持蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性、清除自由基等。許多研究表明,植物受到脅迫時體內(nèi)合成并積累脯氨酸[12]。

圖6 NO2暴露及水楊酸預(yù)處理對 植株可溶性糖含量的影響

圖7 NO2暴露及水楊酸預(yù)處理對 植株脯氨酸含量的影響

2.4 對抗氧化酶活性的影響

NO2暴露降低了超氧化物歧化酶(SOD)活性(圖8),但提高了過氧化物酶(POD)(圖9)和過氧化氫酶(CAT)(圖10)活性。SA預(yù)處理完全消除了NO2暴露引發(fā)的SOD活性降低,并且進一步大幅度地提高了POD和CAT活性。

抗氧化酶是生物有機體清除活性氧自由基的主要物質(zhì),因此也被普遍認為是植物抵抗逆境脅迫的重要機制。不斷增加的證據(jù)表明,SA促進植物對逆境脅迫的耐受性與細胞內(nèi)還原條件或氧化還原動態(tài)平衡的維持密切相關(guān),其中重要的機理是維持細胞內(nèi)活性氧的產(chǎn)生與清除之間的平衡[13]。在本研究中,SA預(yù)處理不僅對NO2脅迫下植株的SOD、POD和CAT活性有保護性影響,

也對正常生長條件下

圖8 NO2暴露及水楊酸預(yù)處理對 植株超氧化物歧化酶活性的影響

圖9 NO2暴露及水楊酸預(yù)處理對 植株過氧化物酶活性的影響

圖10 NO2暴露及水楊酸預(yù)處理對 植株過氧化氫酶活性的影響

植株的SOD和POD活性有顯著的促進(圖8和9圖),這預(yù)示著SA預(yù)處理提高植物對NO2暴露的耐受性機理至少與抗氧化酶活性介導(dǎo)的活性氧清除有關(guān)。這一結(jié)論與以擬南芥SA相關(guān)突變體的研究結(jié)果相一致[4]。事實上,已有大量的研究表明,在植物對非生物逆境脅迫應(yīng)答中,外源SA可激活抗氧化酶活性,如重金屬[14]、NaCl[15]等,這預(yù)示著抗氧化酶參與的植物對逆境脅迫的耐受性是SA生物學作用的普遍性機理。

3 結(jié) 論

本研究表明,20 μl·L-1的NO2熏氣造成小麥幼苗急性傷害,表現(xiàn)為生長速率顯著降低、葉片變黃、葉尖死亡,電解質(zhì)滲透率與丙二醛含量則顯著升高。外施水楊酸有效減緩了NO2暴露引發(fā)的上述傷害癥狀。其作用機理至少與水楊酸處理提高葉片的可溶性糖、游離脯氨酸以及超氧化物歧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶活性有關(guān)。進一步的研究擬從分子水平開展,如相關(guān)基因的時空表達特性等。

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Preliminary study on the regulatory role of exogenous salicylic acid in wheat seedling response to NO2stress

LIUYang,MAQunfei,LIUJinyang,ZHUYing,HAOLin

(College of Life Science, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China)

nitrogen dioxide; wheat; salicylic acid

2015-10-09。

國家自然科學基金資助項目(31570446)。

劉 陽(1992-),女,遼寧鐵嶺人,沈陽師范大學碩士研究生; 郝 林(1962-),男,內(nèi)蒙古集寧人,沈陽師范大學教授,博士。

1673-5862(2016)01-0083-05

Q945.78

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2016.01.019