全 文 ：植物生态学报 2011, 35 (6): 653–662 doi: 10.3724/SP.J.1258.2011.00653
Chinese Journal of Plant Ecology http://www.plant-ecology.com
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收稿日期Received: 2011-01-14 接受日期Accepted: 2011-03-18
* 通讯作者Author for correspondence (E-mail: liangzs@ms.iswc.ac.cn)
黄土高原冰草叶片抗坏血酸和谷胱甘肽合成及循
环代谢对干旱胁迫的生理响应
单长卷1,2 韩蕊莲1 梁宗锁1*
1西北农林科技大学生命学院, 陕西杨凌 712100; 2河南科技学院生命科技学院, 河南新乡 453003
摘 要 通过盆栽实验, 对干旱胁迫下黄土高原地区冰草(Agropyron cristatum)叶片的抗坏血酸和谷胱甘肽合成及循环代谢
相关酶及物质含量进行了研究。结果表明: 冰草可以通过增强叶片的抗坏血酸和谷胱甘肽合成及循环代谢酶: 抗坏血酸过氧
化物酶、谷胱甘肽还原酶、脱氢抗坏血酸还原酶、单脱氢抗坏血酸还原酶、L-半乳糖酸-1, 4-内酯脱氢酶和γ-谷氨酰半胱氨酸
合成酶活性, 维持植物体内抗坏血酸和谷胱甘肽水平及氧化还原状态, 从而抵御干旱造成的氧化胁迫。但叶片抗坏血酸和谷
胱甘肽合成及循环代谢对不同水平干旱胁迫的响应, 随胁迫时间的延长而不同。在胁迫24天以前, 严重干旱下叶片的抗坏血
酸和谷胱甘肽合成及循环代谢增强较显著; 在胁迫24天后, 由于该胁迫下植物所遭受的氧化胁迫较为严重, 叶片中上述6种
酶的活性均呈降低趋势。而在中度干旱下叶片抗坏血酸和谷胱甘肽合成及循环代谢相关的6种酶在整个胁迫过程中均保持较
高的活性。这说明, 冰草能够长时间有效地抵御中度干旱所造成的氧化胁迫, 但只能在一定时间范围内有效地抵御严重干旱
所造成的氧化胁迫, 胁迫时间延长则会降低其抵御严重干旱的能力。
关键词 冰草, 抗坏血酸, 干旱胁迫, 谷胱甘肽, 黄土高原
Responses to drought stress of the biosynthetic and recycling metabolism of glutathione and
ascorbate in Agropyron cristatum leaves on the Loess Plateau of China
SHAN Chang-Juan1,2, HAN Rui-Lian1, and LIANG Zong-Suo1*
1College of Life Sciences, Northwest A & F University, Yangling, Shaanxi 712100, China; and 2School of Science and Technology, Henan Institute of Science
and Technology, Xinxiang, Henan 453003, China
Abstract
Aims Our objective was to clarify the mechanism of drought tolerance for Agropyron cristatum on the Loess
Plateau of China through investigation of drought stress on the biosynthetic and recycling metabolism of glu-
tathione and ascorbate in leaves.
Methods We investigated the levels and redox status of glutathione and ascorbate and the activities of galac-
tonolactone dehydrogenase (GalLDH), gamma glutamyl cysteine synthetase (γ-ECS), ascorbate peroxidase glu-
tathione reductase (APX), glutathione reductase (GR), dehydroascorbate reductase (DHAR) and monodehy-
droascorbate reductase (MDHAR) in the leaves of A. cristatum under different levels of artificial drought stress
using pot experiments.
Important findings Levels of glutathione and ascorbate and their redox status were maintained under drought
stress by increasing activities of GalLDH, γ-ECS, APX, GR, DHAR and MDHAR involved in the metabolism of
glutathione and ascorbate. This protected A. cristatum from oxidative damage induced by drought stress. How-
ever, there were differences in the responses of the metabolism of glutathione and ascorbate related to different
drought stress levels with prolonged stress. With 24 or fewer days of stress treatment, the metabolism of glu-
tathione and ascorbate was enhanced under severe drought stress. After 24 days of stress treatment, the activities
of GalLDH, γ-ECS, APX, GR, DHAR and MDHAR decreased significantly under severe drought stress, because
A. cristatum suffered more severe oxidative damage. However, the activities of these enzymes were maintained
throughout the whole period of stress under moderate drought stress. This suggested that A. cristatum could effec-
tively protect itself from oxidative damage induced by moderate drought stress for long time periods. However, A.
cristatum could only effectively protect itself from oxidative damage induced by severe drought stress for limited
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time, and its antioxidant capacity decreased significantly with prolonged stress. Our results also suggested that
ascorbate and glutathione had important roles in protecting against oxidative damage under drought stress.
Key words Agropyron cristatum, ascorbate, drought stress, glutathione, Loess Plateau

冰草(Agropyron cristatum)是草原区旱生植物,
又名野麦子、扁穗冰草、羽状小麦草, 为禾本科冰
草属的一种多年生旱生牧草, 具有很强的抗旱性和
抗寒性, 是一种良好的水土保持植物和固沙植物。
同时, 冰草草质柔软, 具有较高的营养价值, 是我
国北方干旱半干旱地区建立人工草地、天然草地补
播和退化草地建植的优良草种(高海娟等, 2007)。乡
土冰草种群是黄土高原干旱半干旱区重要的生态
屏障, 对于该区的生态保护和植被恢复具有重要的
意义, 在维持该区生态系统的稳定性和可持续性上
发挥着重要作用。
在黄土高原地区, 水分不足及供需时间不一致
的矛盾表现得十分突出。因此, 水分是制约黄土高
原地区植被恢复与重建的主要限制因子。由于乡土
冰草种群在黄土高原地区的生态建设中具有重要
作用, 许多科研工作者开展了对乡土冰草抗旱性及
其抗旱机制的研究。到目前为止, 关于乡土冰草抗
旱性及抗旱机制的研究主要集中在形态和水分生
理生态特性上。在形态上, 具有十分发达的根系是
冰草抵御干旱的重要策略(唐龙, 2005)。在水分生理
生态特性上, 冰草属于低蒸腾、低耗水的草种, 在
水分亏缺下可以减少耗水和提高水分利用率(唐龙,
2005); 还可通过积累渗透调节物质(如脯氨酸和可
溶性糖等 )和提高抗氧化酶 (如超氧化物歧化酶
(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)等)
活性, 抵御和适应干旱逆境(李景欣等, 2004; 罗新
义等, 2005)。
干旱胁迫对植物的伤害主要在于其对植物造
成的氧化胁迫, 而增强抗氧化系统是植物适应干旱
逆境的重要机制。抗坏血酸和谷胱甘肽是植物体内
高丰度的小分子抗氧化物质, 是抗氧化系统的重要
组成部分, 在植物抵抗氧化胁迫中具有重要作用
(Shao et al., 2008)。植物体内抗坏血酸和谷胱甘肽含
量受其合成及循环代谢的调控, 而且其循环代谢相
关的主要酶 : 抗坏血酸过氧化物酶 (APX, EC
1.11.1.11)、谷胱甘肽还原酶(GR, EC 1.6.4.2)、脱氢
抗坏血酸还原酶(DHAR, EC 1.8.5.1)、单脱氢抗坏血
酸还原酶(MDHAR, EC 1.6.5.4)也是植物抗氧化代
谢的主要酶类, 故抗坏血酸和谷胱甘肽合成及循环
代谢是植物抗氧化代谢的重要组成部分。因此, 研
究冰草抗坏血酸和谷胱甘肽合成及循环代谢对干
旱胁迫的生理响应, 对揭示其抗氧化机制和抗旱机
制具有重要意义。
本研究采用盆栽试验, 对不同水平干旱胁迫下
冰草叶片抗坏血酸和谷胱甘肽合成及循环代谢关
键酶APX、GR、DHAR、MDHAR、L-半乳糖酸-1,
4-内酯脱氢酶(GalLDH, EC 1.3.2.3)和γ-谷氨酰半胱
氨酸合成酶(γ-ECS, EC 6.3.2.2)及还原型抗坏血酸
(AsA)、还原型谷胱甘肽(GSH)、总抗坏血酸、总谷
胱甘肽、过氧化氢(H2O2)和丙二醛(MDA)含量以及
株高、单株总生物量进行了研究, 以期阐明抗坏血
酸和谷胱甘肽合成及循环代谢在冰草抵御和适应
干旱逆境中的作用, 从而为乡土冰草在黄土高原生
态环境重建中的应用提供新的理论依据。
1 材料和方法
1.1 植物材料、生长条件和处理
以种子繁殖的一年生冰草植株为材料, 采用盆
栽实验, 在中国科学院水利部水土保持研究所进行
露天培养。塑料盆重0.87 kg, 装土后重5.37 kg, 所
用土壤为垆土, 采自陕西杨凌附近的农田, 田间持
水量为28.3%, 土壤全氮为0.96 g·kg–1, 有效氮为42.3
mg·kg–1, 有效磷为23.2 mg·kg–1, 可交换性钾为216
mg·kg–1, 利用称重法将土壤水分控制在田间持水量
的80%。阴雨天时, 利用可移动遮雨棚防止雨水渗
入, 盆表面用草覆盖以避免盆土表面的水分蒸发。
当植株长到1个月大时, 进行水分处理。共设3
个处理水平, 分别为田间持水量的75%–80% (正常
水平, 对照)、55%–60% (中度胁迫)和40%–45% (严
重胁迫), 利用称重法控制土壤水分含量, 每天进行
称重并补充各处理消耗的水分, 以确保将土壤水分
控制在各个处理水平。实验重复5次, 每次处理5盆植
株。分别在处理的8、16、24、32和40天时选择植株
顶部生长状况基本一致的充分展开叶片, 用液氮速
冻并保存于–80 ℃冰箱中, 用于相关指标的测定。
为了研究抗坏血酸合成抑制剂吖啶黄素对
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H2O2和MDA含量的影响, 在胁迫处理第32天开始,
分别选择中度干旱和严重干旱处理总盆数的1/3,
用1 mmol·L–1吖啶黄素通过叶面喷施进行处理。为
了研究谷胱甘肽合成抑制剂丁基硫堇亚胺(BSO)对
H2O2和MDA含量的影响, 在胁迫处理第32天开始,
分别选择中度干旱和严重干旱处理总盆数的1/3,
用0.5 mmol·L–1 BSO通过叶面喷施进行处理。每2天
喷施一次, 直到胁迫第40天为止。在第40天时, 选
择植株顶部生长状况基本一致的充分展开叶片, 用
液氮速冻并保存于–80 ℃冰箱中, 用于测定抑制剂
处理的H2O2和MDA含量。
1.2 测定指标和方法
1.2.1 H2O2和MDA含量测定
H2O2含量按照Jiang和Zhang (2002)的方法测
定, MDA含量按照Hodges等(1999)的方法测定。
1.2.2 APX、GR、DHAR和MDHAR活性测定
酶液提取参照Grace和Logan (1996)的方法, 略
有修改。每个样品取0.5 g, 用液氮将其在研钵中研成
细粉末, 并在6 mL 50 mmol·L–1 KH2PO4 (pH 7.5) (内
含0.1 mmol·L–1 EDTA, 0.3% (v/v) Triton X-100和1%
(w/v) PVP)缓冲液中匀浆。在提取APX时, 缓冲液中
包含1 mmol·L–1 AsA。将上述提取物立即在 12 000
r·min–1, 2 ℃离心15 min, 上清液用于4种酶活性的测
定。APX活性按照Nakano和Asada (1981)的方法测
定, GR活性按照Grace和Logan (1996)的方法测定,
MDHAR活性按照Miyake和Asada (1992)的方法测
定, DHAR活性按照Dalton等(1986)的方法测定。
1.2.3 GalLDH和γ-ECS活性测定
GalLDH的提取和活性测定按照Tabata等(2001)
的方法, 略有修改。每个样品取0.1 g, 用研钵将其
在液氮中研成细粉末 , 然后将粉末在0.1 mol·L–1
KH2PO4 (pH 7.4) (含0.4 mol·L–1蔗糖)缓冲液中匀
浆。匀浆液用两层滤布过滤, 并立即在2 000 r·min–1,
2 ℃离心10 min, 收集上清液, 然后于8 500 r·min–1,
2 ℃离心20 min。沉淀用0.5 mL 0.1 mol·L–1 KH2PO4
(pH 7.4) (含0.4 mol·L–1蔗糖)缓冲液悬浮, 即为酶液,
用于酶活性测定。2.4 mL反应体系包含200 μL酶液、
2 mL 1.05 mg·mL–1 Cytc和200 μL 56 mmol·L–1
L-Gal。测定前, 上述反应液先在25 ℃孵育1 min,
加入L-Gal后立即测定550 nm处吸光值的上升。将
1 min内氧化1 mmol·L–1 L-Gal所需的酶量为一个酶
活性单位, 计算酶活性时所使用的摩尔系数为17.3
mmol·L–1·cm–1, 酶活性表示为units·g–1 FW。
γ-ECS的提取和活性测定按照Rüegsegger和
Brunold (1992)的方法, 将1 min内生成1 nmol γ-EC
所需的酶量为一个酶活性单位 , 酶活性表示为
units·mg–1蛋白。
1.2.4 AsA、GSH、总抗坏血酸和总谷胱甘肽含量
测定
AsA和脱氢抗坏血酸(DHA)含量参照Hodges等
(1996)的方法测定, DHA含量为总抗坏血酸与AsA
的差值。总谷胱甘肽、氧化型谷胱甘肽(GSSG)和
GSH含量参照Griffith (1980)的方法测定, GSH含量
为总谷胱甘肽与GSSG的差值。
1.2.5 蛋白含量测定
蛋白含量参照Bradford (1976)的方法测定。
1.2.6 株高和单株总生物量测定
在处理8、16、24、32和40天时, 用直尺测量各
处理植株的株高, 用烘干称重法测定各处理的单株
总生物量。
1.3 统计分析
所有数据均为5次重复实验所得数据的平均值,
在p = 0.05水平上进行方差分析和Duncan’s多重比较。
2 结果
2.1 不同水平干旱胁迫对冰草叶片抗坏血酸和谷
胱甘肽循环酶APX、GR、DHAR和MDHAR活性的
影响
在正常水分条件下 , 冰草叶片APX、GR、
DHAR和MDHAR活性随着时间的延长变化均不大
(图1)。在中度干旱下, 叶片4种酶活性随时间的延长
其变化趋势基本一致。4种酶的活性均在胁迫的第8
天到第32天呈逐渐上升趋势, 在胁迫的第40天比第
32天时略有降低, 且在各个时间点其活性均显著高
于正常水平。在严重干旱下, 叶片4种酶活性的变化
趋势亦基本一致, 均在胁迫的第8天到第24天呈逐
渐上升趋势, 在胁迫24天以后开始降低, 且胁迫的
第8、16、24和32天均显著高于对照, 但在胁迫的第
40天时与对照无显著差异。严重干旱与中度干旱相
比, 冰草叶片APX和DHAR活性在胁迫第8和32天
时差异不显著; 在胁迫第16和24天时, 严重干旱的
APX和DHAR活性均显著高于中度干旱; 但在胁迫
第40天时, 中度干旱的显著高于严重干旱的。对GR
活性而言, 严重干旱与中度干旱相比, 叶片GR活性
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图1 干旱胁迫对冰草叶片抗坏血酸和谷胱甘肽循环代谢酶抗坏血酸过氧化物酶(APX) (A)、谷胱甘肽还原酶(GR) (B)、脱氢
抗坏血酸还原酶(DHAR) (C)和单脱氢抗坏血酸还原酶(MDHAR) (D)活性的影响(平均值±标准误差)。N、M、S分别表示正常
水分处理、中度干旱处理和严重干旱处理。小写字母表示各处理间差异显著(p = 0.05)。
Fig. 1 Effects of drought stress on the activities of ascorbate peroxidase (APX) (A), glutathione reductase (GR) (B), dehydroascor-
bate reductase (DHAR) (C) and monodehydroascorbate reductase (MDHAR) (D) in the leaves of Agropyron cristatum (mean ± SE).
N, M, S stand for normal water treatment, moderate drought treatment and serious drought treatment, respectively. Small letters stand
for the significant difference at p = 0.05 level.


在胁迫第8、16和32天时差异均不显著; 在胁迫第24
天时, 严重干旱的GR活性显著高于中度干旱; 在胁
迫第40天时, 中度干旱显著高于严重干旱。对MDH-
AR活性而言, 严重干旱与中度干旱相比, 冰草叶片
MDHAR活性在胁迫第8、16、24和32天时差异均不
显著, 而在胁迫第40天时, 中度干旱的MDHAR活
性显著高于严重干旱的。
2.2 不同水平干旱胁迫对冰草叶片抗坏血酸和
GSH合成酶GalLDH和γ-ECS活性的影响
在正常水分条件下 , 冰草叶片的GalLDH和
γ-ECS活性随着时间的延长变化均不大(图2)。在中
度干旱下, 叶片的GalLDH和γ-ECS活性在胁迫的第
8天到32天呈逐渐上升趋势, 在胁迫的第40天比第
32天时略有降低, 且2种酶的活性在各个时间点均
显著高于正常水平。在严重干旱下, 2种酶活性在胁
迫的第8天到第24天呈逐渐上升趋势, 在胁迫24天
以后开始降低, 且在胁迫的各个时间点均显著高于
对照。严重干旱与中度干旱相比, 叶片的GalLDH活
性在胁迫第8天时差异不显著; 在胁迫第16和24天
时, 严重干旱的GalLDH活性显著高于中度干旱;
在胁迫第32和40天时, 中度干旱的显著高于严重干
旱的。对γ-ECS活性而言, 严重干旱与中度干旱相
比, 叶片的γ-ECS活性在胁迫第8和24天时差异不显
著; 在胁迫第16天时, 严重干旱的γ-ECS活性显著
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图2 干旱胁迫对冰草叶片抗坏血酸和谷胱甘肽合成酶L-半乳糖酸-1, 4-内酯脱氢酶(GalLDH)(A)和γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶
(γ-ECS)(B)活性的影响(平均值±标准误差)。N、M、S分别表示正常水分处理、中度干旱处理和严重干旱处理。小写字母表示
各处理间差异显著(p = 0.05)。
Fig. 2 Effects of drought stress on the activities of galactonolactone dehydrogenase (GalLDH) (A) and gamma glutamyl cysteine
synthetase (γ-ECS) (B) in the leaves of Agropyron cristatum (mean ± SE). N, M, S stand for normal water treatment, moderate
drought treatment and serious drought treatment, respectively. Small letters stand for the significant difference at p = 0.05 level.


高于中度干旱; 在胁迫第32和40天时, 中度干旱的
则显著高于严重干旱的。
2.3 不同水平干旱胁迫对冰草叶片AsA、GSH、总
抗坏血酸和总谷胱甘肽含量的影响
在正常水分条件下, 冰草叶片AsA、GSH、总
抗坏血酸和总谷胱甘肽的含量随着时间的延长变
化均不大(图3)。在中度干旱下, 叶片AsA、GSH、
总抗坏血酸和总谷胱甘肽含量均在胁迫第8天到第
32天呈逐渐上升趋势, 在胁迫第32天以后降低, 且
在各个时间点均显著高于正常水平。在严重干旱下,
叶片AsA、GSH、总抗坏血酸和总谷胱甘肽的含量
在胁迫第8天到第24天呈逐渐上升趋势, 在24天以
后开始降低, 且AsA、总抗坏血酸和总谷胱甘肽在
胁迫的各个时间点均显著高于对照, GSH含量在胁
迫的第8、16、24和32天均显著高于正常水平, 但在
40天时与对照无显著差异。严重干旱与中度干旱相
比, 叶片AsA、GSH、总抗坏血酸和总谷胱甘肽的
含量在胁迫第8天时差异不显著; 在胁迫第16和24
天时, 严重干旱的AsA、GSH、总抗坏血酸和总谷
胱甘肽含量显著高于中度干旱; 在胁迫第32和40天
时, 中度干旱的显著高于严重干旱的。
2.4 不同水平干旱胁迫对AsA/DHA、GSH /GSSG
比值、H2O2、MDA含量和植株生长的影响
在正常水分条件下, 冰草叶片的AsA/DHA和
GSH/GSSG随着时间的延长变化均不大(图4)。在中
度和严重干旱下, 叶片的AsA/DHA和GSH/GSSG均
在胁迫的第8天到第40天呈逐渐下降趋势, 且各个
时间点的AsA/DHA和GSH/GSSG均显著低于正常
水平。严重干旱与中度干旱相比, 严重干旱下叶片
AsA/DHA和GSH/GSSG在胁迫的各个时间点均显
著低于中度干旱的。
在正常水分条件下, 冰草叶片的H2O2和MDA
含量随着时间的延长变化均不大(图5)。在中度和严
重干旱下, 叶片的H2O2和MDA含量均在胁迫的第8
到40天呈逐渐上升趋势, 且各个时间点的H2O2和
MDA含量均显著高于正常水平。严重干旱与中度干
旱相比, 叶片的H2O2含量在胁迫的各个时间点均差
异显著; MDA含量在胁迫第8天时差异不显著, 在
胁迫第16、24、32和40天时, 严重干旱的MDA含量
均显著高于中度干旱。同时, 抗坏血酸和谷胱甘肽
合成抑制剂对干旱胁迫下的H2O2和MDA含量影响
的研究表明(表1), 二者均可以使中度干旱和严重干
旱下叶片的H2O2和MDA含量进一步显著增加, 这
说明抑制抗坏血酸和谷胱甘肽的合成会导致干旱
对植株所造成的氧化胁迫加剧。
由图6可看出, 在整个处理期间各处理的冰草
株高和单株总生物量均呈增加趋势, 但其增加的程
度不同。正常水分条件下的冰草植株增加最快, 其
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图3 干旱胁迫对冰草叶片还原型抗坏血酸(AsA) (A)、总抗坏血酸(B)、还原型谷胱甘肽(GSH) (C)和总谷胱甘肽(D)含量的影响
(平均值±标准误差)。N、M、S分别表示正常水分处理、中度干旱处理和严重干旱处理。小写字母表示各处理间差异显著(p = 0.05)。
Fig. 3 Effects of drought stress on the contents of reduced ascorbate (AsA) (A), total ascorbate (B), reduced glutathione (GSH) (C)
and total glutathione (D) in the leaves of Agropyron cristatum (mean ± SE). N, M, S stand for normal water treatment, moderate
drought treatment and serious drought treatment, respectively. Small letters stand for the significant difference at p = 0.05 level.


图4 干旱胁迫对冰草叶片还原型抗坏血酸/脱氢抗坏血酸(AsA/DHA) (A)和还原型谷胱甘肽/氧化型谷胱苷肽(GSH/GSSG)
(B)的影响(平均值±标准误差)。N、M、S分别表示正常水分处理、中度干旱处理和严重干旱处理。小写字母表示各处理间差
异显著(p = 0.05)。
Fig. 4 Effects of drought stress on reduced ascorbate/dehydroascorbate acid (AsA/DHA) (A) and reduced glutathione/oxidized
glutathione (GSH/GSSG) (B) in the leaves of Agropyron cristatum (mean ± SE). N, M, S stand for normal water treatment, moderate
drought treatment and serious drought treatment, respectively. Small letters stand for the significant difference at p = 0.05 level.
单长卷等: 黄土高原冰草叶片抗坏血酸和谷胱甘肽合成及循环代谢对干旱胁迫的生理响应 659

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图5 干旱胁迫对冰草叶片H2O2 (A)和丙二醛(MDA) (B)含量的影响(平均值±标准误差)。N、M、S分别表示正常水分处理、
中度干旱处理和严重干旱处理。小写字母表示各处理间差异显著(p = 0.05)。
Fig. 5 Effects of drought stress on the contents of H2O2 (A) and malondialdehyde (MDA) (B) in the leaves of Agropyron cristatum
(mean ± SE). N, M, S stand for normal water treatment, moderate drought treatment and serious drought treatment, respectively.
Small letters stand for the significant difference at p = 0.05 level.



表1 干旱胁迫下抗坏血酸和谷胱甘肽合成抑制剂对冰草叶片H2O2和MDA含量的影响(平均值±标准误差)
Table 1 Effects of biosynthetic inhibitors for ascorbate and glutathione on the contents of H2O2 and MDA in leaves of Agropyron
cristatum of under drought stress (mean ± SE)
测定指标 Parameters N M M + A M + BSO S S + A S + BSO
H2O2 (μmol·g–1 DW) 9.5 ± 0.88e 20.5 ± 1.59d 27.0 ± 1.99c 29.3 ± 2.17c 39.2 ± 3.06b 47.7 ± 4.29a 52.0 ± 4.75a
MDA (nmol·g–1 DW) 35.0 ± 2.65e 64.5 ± 5.41d 73.0 ± 6.13c 77.1 ± 6.43c 106.0 ± 8.55b 120.0 ± 9.36a 128.0 ± 9.02a
N、M、M + A、M + BSO、S、S + A、S + BSO分别表示正常水分处理、中度干旱处理、中度干旱+吖啶黄素处理、中度干旱+丁基硫堇亚
胺处理、严重干旱处理、严重干旱+吖啶黄素处理和严重干旱+丁基硫堇亚胺处理处理。MDA, 丙二醛。
N, M, M + A, M + BSO, S, S + A and S + BSO stand for normal water treatment, moderate drought treatment, moderate drought treatment + acrifla-
vine, moderate drought treatment + buthionine sulfoximine, serious drought treatment, serious drought treatment + acriflavine, serious drought treat-
ment + buthionine sulfoximine, respectively. MDA, malordialdehyde.


图6 干旱胁迫对冰草株高(A)和单株总生物量(B)的影响(平均值±标准误差)。N、M、S分别表示正常水分处理、中度干旱处
理和严重干旱处理。小写字母表示各处理间差异显著(p = 0.05)。
Fig. 6 Effects of drought stress on the plant height (A) and total biomass (B) per plant of Agropyron cristatum (mean ± SE). N, M,
S stand for normal water treatment, moderate drought treatment and serious drought treatment, respectively. Small letters stand for
the significant difference at p = 0.05 level.
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次为中度干旱处理, 严重干旱处理的增加最慢。方
差分析表明, 在胁迫第8天时, 中度干旱与正常水
分处理的株高和单株总生物量差异不显著, 而二者
均显著高于严重干旱处理。在胁迫的第16到40天,
中度和严重干旱处理的株高和单株总生物量均显
著低于正常水分, 且中度干旱的株高和单株总生物
量显著高于严重干旱的。
3 讨论
逆境条件下, 植物体内活性氧的产生和清除平
衡遭到破坏, 最终导致细胞膜脂过氧化。H2O2和
MDA含量是衡量氧化胁迫程度的两个重要指标
(Sharma & Dietz, 2006; Selote & Khanna-Chopra,
2006)。我们的研究表明, 干旱时冰草叶片的H2O2
和MDA含量均显著高于对照, 且随胁迫强度和时
间的延长而增加, 这说明不同程度的干旱胁迫均对
叶片造成氧化胁迫, 且胁迫强度越大其氧化胁迫程
度越高。植物遭受氧化胁迫后, 其氧化还原状态就
会发生改变, 通常用AsA和GSH与其氧化型的比值
来表示植物细胞的氧化还原状态, 比值越低说明细
胞遭受的氧化胁迫越重。本研究表明, 干旱胁迫下
冰草叶片的AsA/DHA和GSH/GSSG均显著低于对
照, 中度干旱的AsA/DHA和GSH/GSSG均显著高于
严重干旱的, 这再一次说明干旱对冰草造成了氧化
胁迫, 且严重干旱造成的氧化胁迫程度显著高于中
度干旱。
抗坏血酸是植物体内一种重要的非酶抗氧化
剂和氧化还原物质, 其合成和循环代谢在维持抗坏
血酸水平中发挥着积极的作用。我们的研究结果表
明, 中度和严重干旱下冰草叶片的抗坏血酸循环代
谢酶APX、DHAR和MDHAR活性的变化趋势与AsA
和总抗坏血酸含量的变化趋势一致。这说明干旱胁
迫激发了冰草叶片中抗坏血酸防御系统 ,使清除
H2O2的APX和加快ASA循环再生的MDHAR和
DHAR酶活性上升, 从而维持叶片抗坏血酸水平和
缓解干旱对植物的伤害。这与Pinheiro等(2004)报道
的咖啡 (Coffea canephora)在干旱胁迫下APX和
DHAR活性升高, MDHAR活性变化不大的结果不
同, 而与马玉华等(2008)的研究结果基本一致, 表
明这些酶对胁迫的反应因物种而异。本研究结果还
表明, 中度和严重干旱下叶片抗坏血酸合成关键酶
GalLDH与AsA和总抗坏血酸含量的变化趋势亦一
致。这说明, 干旱胁迫下抗坏血酸合成酶GalLDH活
性的增加也是维持冰草叶片抗坏血酸水平的一种
重要机制。这与Bartoli等(2005)报道的干旱胁迫下
小麦(Triticum aestivum)叶片的GalLDH活性不决定
抗坏血酸含量的结果不一致, 这可能与GalLDH对
胁迫的反应因物种而异有关。本研究的结果表明,
中度和严重干旱下AsA水平均高于正常水分条件,
这与Šircelj等(2005)报道的中度干旱下AsA水平高
于正常水分, 严重干旱则低于正常水分的结果不一
致。本研究还表明, 抗坏血酸合成抑制剂处理可以
使不同水平干旱胁迫下的H2O2和MDA含量显著高
于没有抑制剂处理的干旱胁迫。这进一步说明, 抗
坏血酸在冰草抵御干旱胁迫所造成的氧化胁迫中
具有重要作用。
谷胱甘肽是植物体内另一种重要的非酶抗氧
化剂和氧化还原物质, 植物体内的谷胱甘肽水平受
其合成和循环代谢的调控。本研究表明, 中度和严
重干旱下冰草叶片谷胱甘肽合成关键酶γ-ECS及其
循环酶GR活性的变化趋势与GSH和总谷胱甘肽含
量的变化趋势一致。这说明, 干旱胁迫下冰草叶片
除了通过GR再生GSH外 , 还可通过提高自身的
GSH的合成能力来保持GSH的含量。因此, 干旱胁
迫下γ-ECS及GR活性的增加是维持谷胱甘肽水平
的一种重要机制, 这与陈坤明(2003)的研究结果一
致。本研究的结果表明, 中度和严重干旱下冰草叶
片的GSH水平均高于正常水分 , 这与马玉华等
(2008)报道的中度干旱下GSH水平高于正常水分,
严重干旱则低于正常水分条件的结果不一致。本研
究结果还表明, 谷胱甘肽合成抑制剂处理可以使不
同水平干旱胁迫下的H2O2和MDA含量显著高于没
有抑制剂处理的干旱胁迫。这进一步说明, 谷胱甘
肽在冰草抵御干旱胁迫所造成的氧化胁迫中也具
有重要作用。
在不同的干旱胁迫程度下, 冰草叶片的抗坏血
酸和谷胱甘肽合成及循环代谢酶活性、AsA、总抗
坏血酸、GSH和总谷胱甘肽含量的变化趋势有所不
同。随着胁迫时间的延长, 叶片的抗坏血酸和谷胱
甘肽合成及循环代谢酶活性及其物质含量在中度
胁迫下基本呈上升趋势。但在严重干旱下, 合成及
循环代谢相关酶活性及物质含量在胁迫前期呈上
升趋势, 而在胁迫后期呈下降趋势。结合上面的研
究结果, 说明冰草能够通过增强抗坏血酸和谷胱甘
单长卷等: 黄土高原冰草叶片抗坏血酸和谷胱甘肽合成及循环代谢对干旱胁迫的生理响应 661

doi: 10.3724/SP.J.1258.2011.00653
肽合成和循环代谢酶活性而增加其物质含量, 进而
长时间有效地抵御中度干旱所造成的氧化胁迫。而
在严重干旱下, 冰草只能在一定时间范围内有效地
抵御氧化胁迫, 其原因与胁迫后期抗坏血酸和谷胱
甘肽合成和循环代谢酶活性显著降低而导致其物
质含量降低有关。此外, 本研究还发现, 在胁迫24
天以前 , 尽管严重干旱下冰草叶片的GalLDH、
γ-ECS、GR和DHAR活性均显著高于中度胁迫的,
但其AsA/DHA和GSH/GSSG均显著低于中度胁迫
的。究其原因, 可能是由于严重干旱下冰草具有较
高的APX活性和其所受到的氧化胁迫(H2O2和MDA
含量较高)较为严重所致。
综上所述, 我们的研究结果表明, 干旱胁迫条
件下冰草可以通过同时上调抗坏血酸和谷胱甘肽
合成和循环代谢, 而增加AsA、总抗坏血酸、GSH
和总谷胱甘肽的含量, 从而降低干旱胁迫对植株所
造成的氧化胁迫程度, 使植株得以生存和生长。
致谢 国家“十一五”科技攻关计划项目 (2008-
BAD98B08)和中国科学院知识创新项目(KZCX2-
YW-443)资助。
参考文献
Bartoli CG, Guiamet JJ, Kiddle G, Pastori GM, Di Cagno R,
Theodoulou FL, Foyer CH (2005). Ascorbate content of
wheat leaves is not determined by maximal L-galactono-1,
4-lactone dehydrogenase (GalLDH) activity under drought
stress. Plant, Cell & Environment, 28, 1073–1081.
Bradford MM (1976). A rapid and sensitive method for the
quantitation of microgram quantities of protein utilizing
the principle of protein-dye binding. Analytical Biochem-
istry, 72, 248–254.
Chen KM (陈坤明) (2003). Antioxidant Defense Systems and
Redox Balance of Plants Responding to Environmental
Stresses (植物逆境抗氧化系统和逆境氧化还原平衡).
PhD dissertation, Lanzhou University, Lanzhou. (in Chi-
nese with English abstract)
Dalton DA, Russell SA, Hanus FJ, Pascoe GA, Evans HJ
(1986). Enzymatic reactions of ascorbate and glutathione
that prevent peroxide damage in soybean root nodules.
Proceedings of the National Academy of Sciences of the
United States of America, 83, 3811–3815.
Gao HJ (高海娟), Yun JF (云锦凤), Liu DF (刘德福) (2007).
Study on seed germination of three wheatgrass species in
desert steppe. Pratacultural Science (草业科学), 24(5),
64–68. (in Chinese with English abstract)
Grace SC, Logan BA (1996). Acclimation of foliar antioxidant
systems to growth irradiance in three broad-leaved ever-
green species. Plant Physiology, 112, 1631–1640.
Griffith OW (1980). Determination of glutathione and glu-
tathione disulfide using glutathione reductase and
2-vinylpyridine. Analytical Biochemistry, 106, 207–212.
Hodges DM, Andrews CJ, Johnson DA, Hamilton RI (1996).
Antioxidant compound responses to chilling stress in dif-
ferentially sensitive inbred maize lines. Physiologia Plan-
tarum, 98, 685–692.
Hodges DM, DeLong JM, Forney CF, Prange RK (1999). Im-
proving the thiobarbituric acid-reactive-substances assay
for estimating lipid peroxidation in plant tissues contain-
ing anthocyanin and other interfering compounds. Planta,
207, 604–611.
Jiang MY, Zhang JH (2002). Water stress-induced abscisic acid
accumulation triggers the increased generation of reactive
oxygen species and up-regulates the activities of antioxi-
dant enzymes in maize leaves. Journal of Experimental
Botany, 53, 2401–2410.
Li JX (李景欣), Yun JF (云锦凤), Su BD (苏布道), Wuren TY
(乌仁图雅), Yiru GLT (义如格乐图) (2004). Study on the
drought resistance comparision of 6 populations of Agro-
pyron cristatum in the germination period and seedling
stage. Journal of Arid Land Resources and Environment
(干旱区资源与环境), 18(5), 163–167. (in Chinese with
English abstract)
Luo XY (罗新义), Tan DH (谭大海), Sha W (沙伟) (2005).
Effect of osmotic stress on activities of protective en-
zymes system in Agropyron cristatum. Journal of Qiqihar
University (Natural Science Edition) (齐齐哈尔大学学报
(自然科学版)), 21(4), 94–96. (in Chinese with English
abstract)
Ma YH (马玉华), Ma FW (马锋旺), Ma XW (马小卫), Li MJ
(李明军), Wang YH (王永红), Han MY (韩明玉), Shu
HR (束怀瑞) (2008). Effects of drought stress on ascorbic
acid contents and activities of related metabolic enzymes
in apple leaves. Journal of Northwest A & F University
(Natural Science Edition) (西北农林科技大学学报(自然
科学版)), 36(3), 150–154. (in Chinese with English ab-
stract)
Miyake C, Asada K (1992). Thylakoid-bound ascorbate per-
oxidase in spinach chloroplasts and photoreduction of its
primary oxidation product monodehydroascorbate radicals
in thylakoids. Plant & Cell Physiology, 33, 541–553.
Nakano Y, Asada K (1981). Hydrogen peroxide is scavenged
by ascorbate specific peroxidase in spinach chloroplasts.
Plant & Cell Physiology, 22, 867–880.
662 植物生态学报 Chinese Journal of Plant Ecology 2011, 35 (6): 653–662

www.plant-ecology.com
Pinheiro HA, DaMatta FM, Chaves ARM, Fontes EPB,
Loureiro ME (2004). Drought tolerance in relation to pro-
tection against oxidative stress in clones of Coffea can-
ephora subjected to long-term drought. Plant Science,
167, 1307–1314.
Rüegsegger A, Brunold C (1992). Effect of cadmium on
γ-glutamylcysteine synthesis in maize seedlings. Plant
Physiology, 99, 428–433.
Selote DS, Khanna-Chopra R (2006). Drought acclimation
confers oxidative stress tolerance by inducing
co-ordinated antioxidant defense at cellular and subcellu-
lar level in leaves of wheat seedlings. Physiologia Plan-
tarum, 127, 494–500.
Shao HB, Chu LY, Shao MA, Jaleel CA, Mi HM (2008).
Higher plant antioxidants and redox signaling under envi-
ronmental stresses. Comptes Rendus Biologies, 331,
433–441.
Sharma SS, Dietz KJ (2006). The significance of amino acids
and amino acid-derived molecules in plant responses and
adaptation to heavy metal stress. Journal of Experimental
Botany, 57, 711–726.
Šircelj H, Tausz M, Grill D, Batič F (2005). Biochemical re-
sponses in leaves of two apple tree cultivars subjected to
progressing drought. Journal of Plant Physiology, 162,
1308–1318.
Tabata K, Ôba K, Suzuki K, Esaka M (2001). Generation and
properties of ascorbic acid-deficient transgenic tobacco
cells expressing antisense RNA of L-galactono-1,
4-lactone dehydrogenase. The Plant Journal, 27, 139–148.
Tang L (唐龙) (2005). Studies on Water Physiological Ecology
Characteristics of 4 Native Herbs Communities in Loess Hill
Region (陕北黄土丘陵区四种乡土草种水分生理生态特征
研究). Master dissertation, Northwest A & F University,
Yangling, Shaanxi. (in Chinese with English abstract)


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