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        凍融及堿性鹽脅迫下紫花苜蓿幼苗的生理響應(yīng)

        2016-10-20 15:21:50李艷芳包國(guó)章劉曉婷
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2016年7期
        關(guān)鍵詞:耐寒性凍融

        李艷芳 包國(guó)章 劉曉婷

        摘要:以東苜1號(hào)品種苜蓿為試驗(yàn)材料,在中度堿性鹽脅迫下對(duì)其幼苗進(jìn)行凍融處理,以整株幼苗為試驗(yàn)對(duì)象,研究幼苗體內(nèi)蛋白質(zhì)含量、MDA含量、脯氨酸含量、POD活性、SOD活性。結(jié)果表明,堿性鹽脅迫下苜蓿幼苗體內(nèi)產(chǎn)生大量活性氧,MDA含量升高10.83%~46.99%,對(duì)幼苗造成傷害,致使蛋白質(zhì)含量減少1.39%~9.89%,幼苗體內(nèi)防御機(jī)制誘導(dǎo)POD、SOD活性增強(qiáng)以抵抗堿性鹽傷害;在凍融脅迫下,整個(gè)凍融周期內(nèi)脯氨酸、MDA含量、POD活性、SOD活性均呈先升高后降低的趨勢(shì),對(duì)-3 ℃較為敏感,與10 ℃相比分別增加了54.94%、76.80%、48.75%、10.80%,具有顯著性差異(P<0.05);低溫狀態(tài)下MDA含量增加,幼苗受傷害的程度加??;凍融及堿性鹽雙重脅迫作用對(duì)紫花苜蓿幼苗的傷害更大。在凍融及堿性鹽脅迫下,苜蓿幼苗的各項(xiàng)生理指標(biāo)發(fā)生適應(yīng)性變化,保證了幼苗的正常生長(zhǎng),表明苜蓿幼苗具有一定耐寒和耐鹽堿能力。

        關(guān)鍵詞:紫花苜蓿幼苗;凍融;堿性鹽脅迫;耐寒性;耐鹽堿性

        中圖分類號(hào): S541+.101 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A 文章編號(hào):1002-1302(2016)07-0278-04

        紫花苜蓿(Medicago sativa L.)以“牧草之王”著稱,是世界上栽培利用最廣泛的豆科牧草。其莖直立,叢生以至平臥,呈四棱形,無(wú)毛或微被柔毛,枝葉茂盛,全國(guó)各地區(qū)均有栽培或呈半野生狀態(tài),生于田邊、路旁、曠野、草原、河岸、溝谷等地。因其植株具有富含蛋白質(zhì)、產(chǎn)量高、各類家畜喜食等優(yōu)點(diǎn),是畜牧業(yè)發(fā)展中飼料蛋白的重要來(lái)源[1]。

        我國(guó)是世界上土壤鹽漬化較嚴(yán)重的國(guó)家之一,土壤鹽漬化嚴(yán)重影響我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境。我國(guó)鹽堿地面積約為4 000萬(wàn)hm2,約占陸地總面積的25%,僅海岸帶、灘涂的面積就超過(guò)667萬(wàn)hm2[2]。我國(guó)東北地區(qū)土壤鹽漬化嚴(yán)重,且春季凍融是該地區(qū)最常見(jiàn)的現(xiàn)象,復(fù)合環(huán)境脅迫對(duì)牧草的要求更高。紫花苜蓿作為優(yōu)質(zhì)牧草,具有較強(qiáng)的抗寒、抗鹽堿能力,抗逆性是決定其能否成功生存并發(fā)揮優(yōu)勢(shì)生產(chǎn)潛力的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)[3]。

        近年來(lái),關(guān)于苜蓿耐鹽性的研究取得了不少成果。龍明秀等研究發(fā)現(xiàn),在鹽脅迫下,紫花苜蓿幼苗葉片和根中抗氧化酶的含量增加;鹽濃度較低時(shí),葉片內(nèi)抗氧化酶的含量變化不顯著,根的抗氧化能力隨著鹽濃度的升高而下降[1]。周瑞蓮等研究發(fā)現(xiàn),具有抗寒能力的白三葉在經(jīng)歷凍融過(guò)程后,部分恢復(fù)正常生長(zhǎng),可見(jiàn)融凍型脅迫引起細(xì)胞結(jié)冰-融化造成的機(jī)械傷害使許多植物無(wú)法越冬[4]。王保平等研究發(fā)現(xiàn),堿性鹽對(duì)紫花苜蓿的脅迫作用大于中性鹽,各種鹽的作用強(qiáng)度順序?yàn)镹a2SO4

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        采用室內(nèi)培養(yǎng)皿培養(yǎng)試驗(yàn)法。紫花苜蓿東苜1號(hào)種子經(jīng)7 d培養(yǎng)后得到供試幼苗。

        1.2 試驗(yàn)方法

        1.2.1 種苗選育 挑取飽滿的種子,采用0.1% KMnO4溶液進(jìn)行消毒,采用直徑為100 mm的培養(yǎng)皿培養(yǎng)幼苗。每個(gè)培養(yǎng)皿中放入2層濕潤(rùn)的濾紙,均勻鋪放100粒種子,加入適量水使種子浸沒(méi),蓋蓋培養(yǎng)。置于光照恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行催芽處理,發(fā)芽期間可不采用光照。培養(yǎng)至發(fā)芽時(shí),采用12 h光照,光照時(shí)間溫度為25 ℃,非光照時(shí)間溫度為15 ℃。發(fā)芽期每天定量滴加4 mL水,分早、中、晚3次添加。培養(yǎng)幼苗至長(zhǎng)出第3片子葉時(shí),選取長(zhǎng)勢(shì)相同的植株進(jìn)行堿性鹽脅迫處理。

        1.2.2 鹽堿處理 處理濃度為0、100 mmol/L,即無(wú)脅迫、中度脅迫2個(gè)試驗(yàn)組。

        1.2.3 人工模擬凍融試驗(yàn) 對(duì)堿性鹽處理過(guò)的試驗(yàn)組進(jìn)行凍融處理,處理時(shí)間為2 h。溫度分別設(shè)置為10、5、0、-3、0、5、10 ℃。設(shè)置對(duì)照組,即加入鹽堿溶液而不進(jìn)行凍融的試驗(yàn)組。根據(jù)每個(gè)溫度下測(cè)定指標(biāo)所需的樣量對(duì)試驗(yàn)組和對(duì)照組進(jìn)行取樣,每組取3份平行樣,取樣后在冰袋上迅速進(jìn)行測(cè)定試驗(yàn)。

        1.2.4 生理指標(biāo)測(cè)定方法 采用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定可溶性蛋白含量,采用硫代巴比妥酸法測(cè)定MDA含量,采用酸性茚三酮比色法[7]測(cè)定脯氨酸含量。分別采用SOD、POD試劑盒測(cè)定其活性。

        1.2.5 數(shù)據(jù)處理 采用Excel 2007、SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)、分析,采用Origin 8.0軟件對(duì)各樣的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行制圖。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 蛋白質(zhì)含量的變化

        本試驗(yàn)中對(duì)照組為純凍融脅迫試驗(yàn)組,鹽堿組為凍融及堿性鹽復(fù)合脅迫組。由圖1可知,經(jīng)NaHCO3處理后,紫花苜蓿幼苗體內(nèi)蛋白質(zhì)的含量比對(duì)照組低,減少了1.39%~9.89%??赡苁怯捎趬A性鹽脅迫下紫花苜蓿幼苗體內(nèi)蛋白質(zhì)合成酶的活性降低或遭到破壞,致使蛋白質(zhì)合成受阻;或者由于蛋白質(zhì)分解酶活性增強(qiáng),導(dǎo)致蛋白質(zhì)被分解,表明堿性鹽處理導(dǎo)致植物幼苗體內(nèi)蛋白質(zhì)含量下降,這與毛桂蓮等對(duì)植物耐鹽能力的研究結(jié)果[8-9]一致。

        在融凍階段,溫度降至5 ℃時(shí),對(duì)照組和鹽堿組中苜蓿幼苗體內(nèi)蛋白質(zhì)含量均呈下降趨勢(shì),10 ℃與5 ℃相比均有顯著性差異(P<0.05)。

        在凍融階段,隨著溫度的回升,苜蓿幼苗體內(nèi)蛋白質(zhì)含量均呈上升趨勢(shì)。溫度升至0 ℃時(shí),蛋白質(zhì)含量大幅增加,出現(xiàn)了峰值11.09、10.93 mg/g,分別比0 ℃時(shí)增加了18.73%、27.09%,鹽堿組變化較為明顯,與-3 ℃相比均有顯著性差異(P

        2.2 MDA含量的變化

        由圖2可知,經(jīng)NaHCO3處理后紫花苜蓿幼苗體內(nèi)的MDA含量均高于對(duì)照組,比對(duì)照組增加了10.83%~46.99%??梢?jiàn),經(jīng)NaHCO3處理后,植物幼苗受到堿性鹽脅迫,膜脂過(guò)氧化,MDA含量的增加加劇了膜的損傷。這與尤佳等關(guān)于鹽生植物黃花補(bǔ)血種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)對(duì)鹽堿脅迫生理響應(yīng)的研究結(jié)果[12]一致,在堿性鹽脅迫下MDA含量升高,MDA含量越高則膜損傷越大。

        在融凍階段,對(duì)照組與鹽堿組中紫花苜蓿幼苗體內(nèi)MDA含量的變化趨勢(shì)一致。隨著溫度的降低,幼苗體內(nèi)MDA含量呈上升趨勢(shì)。對(duì)照組與試驗(yàn)組在-3 ℃時(shí)達(dá)到峰值,MDA含量與10、5、0 ℃時(shí)均有顯著性差異(P

        在凍融階段,對(duì)照組與鹽堿組植物幼苗體內(nèi)的MDA含量呈下降趨勢(shì)。溫度回升至10 ℃時(shí),MDA含量比-3 ℃時(shí)分別降低了37.83%、42.35%,與-3 ℃時(shí)相比有顯著性差異(P

        2.3 脯氨酸含量的變化

        由圖3可知,堿性鹽處理組的脯氨酸含量均高于對(duì)照組,比對(duì)照組增加了11.07%~45.32%。可見(jiàn),紫花苜蓿幼苗在堿性鹽脅迫下發(fā)生了抗逆性反應(yīng),導(dǎo)致體內(nèi)脯氨酸含量升高。這與胡宗英、高文俊等關(guān)于鹽堿脅迫對(duì)紫花苜蓿生理特性影響的研究結(jié)果[14-15]一致。

        由圖3可知,凍融周期內(nèi)紫花苜蓿幼苗體內(nèi)的脯氨酸含量呈先上升后下降的趨勢(shì)。在融凍階段,對(duì)照組和鹽堿組紫花苜蓿幼苗體內(nèi)的脯氨酸含量均呈上升趨勢(shì),在-3 ℃時(shí)出現(xiàn)峰值,分別為116.03、163.01 μg/g,與10 ℃時(shí)相比有顯著性差異(P<0.05),下降了25.19%。這與李彥奇等關(guān)于低溫脅迫對(duì)3種早春短命植物生理生化指標(biāo)影響的研究結(jié)果[16]一致,植物在低溫狀態(tài)下通過(guò)調(diào)節(jié)脯氨酸含量減緩低溫傷害。

        2.4 SOD活性的變化

        由圖4可知,堿性鹽處理后紫花苜蓿幼苗體內(nèi)SOD活性增強(qiáng),與對(duì)照組相比增強(qiáng)了3.21%~11.01%??梢?jiàn),堿性鹽處理后幼苗迫于堿性鹽脅迫,提高了體內(nèi)SOD活性。這與劉濱碩等關(guān)于羊草在鹽堿脅迫下生理生化響應(yīng)特征的研究結(jié)果[17]一致,在一定鹽堿濃度范圍內(nèi),SOD活性隨著鹽堿濃度的增大而增大。

        在融凍階段,對(duì)照組和鹽堿組紫花苜蓿幼苗體內(nèi)的SOD活性均隨溫度降低呈上升趨勢(shì)。對(duì)照組變化不顯著,-3 ℃時(shí)比10 ℃時(shí)增加了4.51%。堿性鹽處理組中,10~0 ℃時(shí)SOD活性緩慢增強(qiáng),0~-3 ℃時(shí)SOD活性明顯增強(qiáng),-3 ℃與0 ℃時(shí)相比有顯著性差異(P<0.05),其余各溫度之間沒(méi)有顯著性差異??梢?jiàn),溫度回升,幼苗解凍,植株受到的低溫脅迫減緩,SOD活性降低后趨于穩(wěn)定。葉亞新等對(duì)低溫脅迫下小麥、玉米、蘿卜幼苗超氧化物歧化酶活性影響的研究表明,隨著脅迫溫度的降低,SOD活性呈先上升后下降的趨勢(shì)[18]。龔束芳等研究表明,在低溫脅迫下,偃麥草和高羊茅的SOD活性呈緩慢上升趨勢(shì)[19]。

        2.5 POD活性的變化

        由圖5可知,堿性鹽處理組的POD活性均高于對(duì)照組,增加了0.48%~6.35%。與其他指標(biāo)相比,POD活性在堿性鹽脅迫下的變化不是特別明顯,但依然呈增加趨勢(shì)??梢?jiàn),紫花苜蓿有一定的抗鹽堿能力,在堿性鹽脅迫下,紫花苜蓿幼苗通過(guò)增強(qiáng)POD活性抵抗逆性環(huán)境。孫偉澤對(duì)紫花苜??果}脅迫的研究也證實(shí)了該結(jié)論,鹽堿脅迫對(duì)植物體內(nèi)的POD活性具有促進(jìn)作用[20]。

        在凍融階段,對(duì)照組與鹽堿組POD活性均呈上升趨勢(shì),在-3 ℃時(shí)較敏感,達(dá)到峰值7.89、8.33 U/g,與10 ℃時(shí)相比具有顯著性差異(P

        3 結(jié)論與討論

        3.1 凍融及堿性鹽脅迫對(duì)紫花苜蓿幼苗中生物膜系統(tǒng)的影響

        植物器官在逆境條件下常發(fā)生膜脂過(guò)氧化作用,MDA是其產(chǎn)物之一,可與蛋白質(zhì)、核酸發(fā)生反應(yīng)修飾其特征,抑制蛋白質(zhì)的合成。通常將MDA作為膜脂過(guò)氧化指標(biāo),其含量多少反映了膜的穩(wěn)定性與植物受傷害程度[21]。在凍融及堿性鹽雙重脅迫下,植物所受的最大傷害是膜質(zhì)過(guò)氧化。在雙重脅迫環(huán)境中,細(xì)胞膜脂過(guò)氧化作用會(huì)造成MDA累積[22]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,紫花苜蓿幼苗的MDA含量在堿性鹽單因子脅迫、凍融及堿性鹽雙因子脅迫下均表現(xiàn)出增加的趨勢(shì),幼苗生長(zhǎng)受到脅迫,在逆境中產(chǎn)生了大量活性氧,致使細(xì)胞膜受損、MDA含量增加。在本試驗(yàn)中-3~0 ℃低溫條件下,雙重脅迫下鹽堿組與對(duì)照組MDA含量的變化最為明顯??赡艿脑?yàn)榻鈨鲞^(guò)程中低溫持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),苜蓿幼苗細(xì)胞膜受到的傷害更為嚴(yán)重,這與已有研究的結(jié)果[23]一致。在逆境條件脅迫下,植物幼苗MDA含量隨著脅迫程度的加強(qiáng)而逐漸增大,MDA含量反映了凍融及鹽堿脅迫對(duì)植物的傷害程度。

        3.2 凍融及堿性鹽脅迫對(duì)紫花苜蓿幼苗體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

        游離脯氨酸是植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),植物體通過(guò)調(diào)節(jié)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來(lái)維持體內(nèi)滲透勢(shì)平衡。在正常條件下,植物體內(nèi)游離脯氨酸的含量很低,但遇到干旱、低溫逆境脅迫時(shí),體內(nèi)脯氨酸大量累積,且累計(jì)指數(shù)與植物的抗逆性有關(guān),因此可作為植物抗逆性的一項(xiàng)生化指標(biāo)[24]。本研究結(jié)果表明,紫花苜蓿幼苗在逆性環(huán)境中通過(guò)調(diào)節(jié)脯氨酸含量來(lái)維持體內(nèi)滲透平衡。雙重脅迫時(shí)的脯氨酸含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單因子脅迫,表明凍融條件下進(jìn)行鹽堿處理對(duì)幼苗的危害更大,這是由于雙重脅迫下苜蓿既要通過(guò)脯氨酸進(jìn)行滲透調(diào)節(jié),又要抵抗低溫傷害,而后者是耗能過(guò)程,導(dǎo)致苜蓿生長(zhǎng)受抑制。

        蛋白質(zhì)是植物細(xì)胞中最豐富的生物大分子,是生物體結(jié)構(gòu)和功能最重要的基礎(chǔ)物質(zhì)之一,作為酶的主要成分可參與細(xì)胞的化學(xué)反應(yīng)[24]。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),凍融及堿性鹽雙重脅迫下的蛋白質(zhì)含量低于堿性鹽單因子脅迫,這可能是因?yàn)閴A性鹽脅迫下幼苗生長(zhǎng)受到抑制,蛋白質(zhì)合成受阻,或蛋白質(zhì)合成酶在雙重脅迫下被分解,還可能是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)合成速率小于分解速率。試驗(yàn)結(jié)果中蛋白質(zhì)的變化規(guī)律與其他指標(biāo)不盡相同,凍融循環(huán)過(guò)程中蛋白質(zhì)含量隨溫度的降低而減少,這可能是因?yàn)榈蜏卦斐芍参锷L(zhǎng)緩慢,受到低溫脅迫;持續(xù)進(jìn)行低溫脅迫,植物產(chǎn)生抗逆性反應(yīng),蛋白質(zhì)含量隨之升高;在 -3 ℃ 時(shí),由于溫度過(guò)低造成了凍性傷害,蛋白質(zhì)含量下降;隨著溫度回升,苜蓿幼苗解凍,脅迫壓力減緩,在抗逆能力的促使下蛋白質(zhì)含量增加并趨于穩(wěn)定。王會(huì)良等研究植物的抗寒性機(jī)理時(shí)總結(jié)了前人的研究結(jié)果,發(fā)現(xiàn)多數(shù)研究認(rèn)為低溫脅迫會(huì)引起蛋白質(zhì)增加[25],本試驗(yàn)結(jié)果與之一致。

        3.3 凍融及堿性鹽脅迫對(duì)紫花苜蓿幼苗體內(nèi)保護(hù)酶系統(tǒng)的影響

        植物處于鹽堿、低溫等逆境脅迫時(shí),細(xì)胞內(nèi)的活性氧會(huì)大量積累,超出正常水平,對(duì)細(xì)胞造成過(guò)氧化傷害。此時(shí)植物通過(guò)提高抗氧化酶系統(tǒng)的活性來(lái)清除活性氧,保護(hù)自身免受活性氧的傷害[26-27]。

        SOD是保護(hù)植物細(xì)胞免受活性氧傷害的第一道防線,普遍存在于植物體內(nèi),具有將超氧陰離子自由基轉(zhuǎn)化為H2O2的功能,保護(hù)植物免受羥自由基的傷害,其活性大小可直接反映植物受活性氧脅迫和耐受活性氧脅迫的能力[28-29]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,凍融及堿性鹽雙重脅迫下苜蓿幼苗體內(nèi)的SOD活性高于堿性鹽單因子脅迫。在凍融脅迫下,堿性鹽處理組的變化比對(duì)照組更為明顯,表明雙重脅迫下幼苗受到的傷害更為嚴(yán)重。溫度降至-3 ℃時(shí),對(duì)照組與鹽堿組的差距更為顯著,隨著溫度的回升差距雖有減小但依然明顯,表明凍融過(guò)程中的持續(xù)低溫對(duì)幼苗造成損傷,導(dǎo)致活性氧含量過(guò)高,此時(shí)植物體誘導(dǎo)SOD活性增強(qiáng)以減少活性氧的傷害。這與李銳等關(guān)于棉花幼苗耐低溫能力的研究結(jié)果[30]一致,低溫可誘導(dǎo)植物體內(nèi)SOD活性增強(qiáng)。

        POD能夠迅速消除植物體內(nèi)H2O2造成的傷害,被認(rèn)為是植物體內(nèi)保護(hù)細(xì)胞免受H2O2傷害的主要酶。本試驗(yàn)結(jié)果表明,凍融及堿性鹽雙重脅迫下苜蓿幼苗體內(nèi)的POD活性增強(qiáng),在凍融周期內(nèi)呈先升高、后下降、最后趨于穩(wěn)定的規(guī)律。-3 ℃時(shí)幼苗體內(nèi)POD活性最大,表現(xiàn)最為敏感,這可能是由于此時(shí)幼苗受到的脅迫最為嚴(yán)重,體內(nèi)產(chǎn)生較多H2O2,促使幼苗產(chǎn)生抗逆反應(yīng),誘導(dǎo)防御系統(tǒng)中的POD活性增強(qiáng)。

        4 結(jié)論

        凍融及堿性鹽脅迫下,苜蓿幼苗體內(nèi)MDA含量增加,幼苗體內(nèi)膜脂過(guò)氧化傷害加劇,活性氧大量增加,細(xì)胞膜系統(tǒng)受損,苜蓿幼苗通過(guò)誘導(dǎo)SOD、POD活性的增強(qiáng),快速消除活性氧,防御超氧陰離子自由基對(duì)植物體的傷害。在本試驗(yàn)條件下,苜蓿幼苗仍能繼續(xù)生長(zhǎng),表明苜蓿幼苗具有一定的抗鹽堿和抗寒能力,為寒冷地區(qū)鹽堿地的利用提供了依據(jù)。苜蓿作為優(yōu)良牧草,對(duì)土壤鹽漬化環(huán)境的適應(yīng)能力較強(qiáng),同時(shí)具有抗寒能力,在寒冷地區(qū)鹽堿地的利用中具有良好發(fā)展前景。

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