全 文 ：第 25卷 第 2期
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热 带 作 物 学 报
CH NE I SE JU O RN L AO F T R O I PC L ACR O PS Ju n
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甘蔗和斑茅的杂交利用及其杂种后代鉴定系列研究( 四 )
甘蔗与斑茅抗早生理生化差异性分析
张木清 潘 婕 翁笑艳 陈如凯
( 福建农林大学农业部甘蔗生理生态与遗传改 良重点 实验室 福州 3 50 0 2 )
摘要 进行 了水分胁迫及复水过程中斑茅和甘蔗活性氧代谢和渗透调节变化的研究 。结果表明 , 随着水分胁
迫程度的提高 , 斑茅丙二醛 ( M D A ) 含量提高幅度低于拔地拉 , 但超氧化物歧化酶 ( SO D ) 、 过氧化物酶
( PO D ) 比活性较高 , 同工酶谱带较强 ( SO D 。 、 SO D 、 和 P O D . 」) 且明显不同于拔地拉 , 而且其在严重胁迫后复
水出现与拔地拉相 同的新的诱导谱带 P O D 、 。 过氧化氢酶 ( C A T ) 比活性分析结果还表明 , 拔地拉在水分胁迫
下 , 比活性明显下降 ,而斑茅则呈上升趋势 。
关键词 甘蔗 斑茅 水分胁迫 活性氧代谢
中图法分类号 5 566 . 10 1
我国蔗区主要分布在长江流域 以南的广东 、 台湾 、 广西 、海南 、 福建 、 云南 、 四川 、 江西 、 贵州 、 湖南和
浙江等省区 , 早地蔗面积占全国植蔗总面积的 85 % 以上 , 干早已成为制约 我国蔗糖生产的关键因素之
一 , 严重影 响我国糖业的国际竞争力 。 根据发达国家的生产实践证 明 , 选育抗早性强 、 水分利用率高的
作物或品种是提高农业水分效率的最有效措施之一 。 在我国虽然通过甘蔗的 “ 高贵化育种 ” 实现 了热
带种的高糖基因和割手密野生种的抗逆基因的有效重组 , 结合形态 、 生理抗早育种选育了一批抗早 、 丰
产 、 高糖新品种 , 如福农 81 一745 、 桂糖 n 等 , 在我国蔗糖业发展中起 了重要作用 , 但 目前所用 的亲本材
料少 , “ 种 ” 的血缘狭窄 , 亲本选配中近亲杂交等 , 导致育成品种的生活力 、 适应性 、抗逆性 、 宿根性均普
遍下 降 。 由于甘蔗近缘属植物— 斑茅【irE 哪ht 。 。 耐认二 e 。 (eR tz . ) eJ sw }具有抗早耐痔 、 抗病虫性强 、宿根性好 、 分萦多 、 生长快 、 有较强的生态竞争能力等优良性状 〔” , 因此 , 开发利用斑茅资源 , 挖掘和分离
斑茅的抗早基因 , 利用新的转基因技术培植一批新的转基因甘蔗抗早品种 , 使其不仅具有节水抗旱的
突出特点 , 又具备稳定的形状和优良的品质特性是解决当前斑茅利用和甘蔗新种质创新中所遇到 问题
的最佳途径 。 本研究通过对甘蔗热带种拔地拉 (高产 、 高糖但抗早性差 ) 和斑茅在水分胁迫和复水过程
中蔗叶活性氧代谢 、 渗透调节等方面进行系统比较研究 , 以阐明斑茅的耐早生理生化 , 为斑茅抗早基 因
的分离克隆提供科学依据 。
1 材料与方法
1
.
1 供试材料与水分胁迫处理
将生长正常的热带种拔地拉 ( B ad ila ) 和海南斑茅 9 2 一 10 5 幼苗移植到盆钵中 , 每个材料种植 巧 盆 ,
每盆种植 2 株 , 待植株生长到 9 0 d ( 即处于伸长初期阶段 ) 将每个材料的 15 盆均分为 3 组 (对照 、 中度
胁迫和严重胁迫 ) , 2 组 (每个材料 10 盆 ) 进行水分胁迫处理 , 1 组 (每个材料 5 盆 ) 正常供水作为对
照 。在水分胁迫处理分别出现明显中度和严重水分胁迫症状后 ,采样分析 (注 : 中度胁迫和严重胁迫的
胁迫标准参考 H is ao ( 19 73 ) ,中度胁迫为相对含水量下降 10 % ~2 0 % , 蔗叶整天处于卷缩状态 , 部分叶片
开始枯萎 , 清晨无 “ 吐水 ” ;严重胁迫为相对含水量降低在 20 % 以上 , 蔗株自下而上各叶叶尖枯萎 , 甚至
整叶枯死 12 ) 。采样后迅速复水 , 一周后再次采样测定复水后生理生化变化 。 采样在早晨 7一 8 时进行 , 每
次每个材料 (包括对照 ) 分别采集 +l 叶 (最高肥厚带所在的叶片 ) 3 片 , 迅速装入 已挤出的保鲜袋中 ,
基金项 目 : 国家 “ 8 63 ” 计划课题糖料新品种选育 ( Zo 1A A 2 4 l l gl ) 和国家自然科学基金 ( 3 0 17 0 5 90)
通讯作者 张木清 男 , 196 生 , 博士 、 博士生导师、 研究员 。研究方向 : 作物生理遗传与分子育种 . -E m a il旧. u q in@g 16 3
.
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收稿日期 : 20 -3 09 . 0 2 修回 日期 : 2 0( 抖· 0 5一 24
2期 张木清等 :甘蔗与斑茅抗早生理生化差异性分析
带回实验室里 , 清洗干净 、 去中脉 , 用液氮研磨装入瓶中 , 放入一 20 ℃冰箱中保存备用 , 用 于测定 丙二醛
( M D A ) 含量 、 过氧化物酶 ( PO D ) 比活性 、超氧化物歧化酶 ( SO D ) 比活性及其同工酶等 。
L Z 分析方法
M D A 质量摩尔浓度测 定按照文献【3] 的方法 ; SO D 比活性及其同工酶的测定按文献【4』的方法进
行 ; PO D 比活性及其同工酶测定参照文献【5] 的方法 ; C A T 比活性测定按文献【6] 的方法 ; 脯氨酸 ( P r o )
含量测定参照文献〔7] 的方法 。
2 结果与分析
2
.
1 水分胁迫对脂膜过氛化水平的影响
M D A 是脂质过氧化的主要产物之一 ,其质量摩尔浓度可以反映脂质过氧化的程度 。 表 1 结果显示 ,
正常生长条件下 , 斑茅的 MD A 质量摩尔浓度高于拔地拉 , 而盆栽中度水分胁迫下 , 拔地拉 叶片中的
M D A 质量摩尔浓度的增加量明显高于斑茅 ; 复水 后 , 拔地拉的 MD A 质量摩尔浓度有所上 升 , 而斑茅的
M D A 质量摩尔浓度明显下降 。
表 1 水分胁迫和诬水过程中叶片 M )I[ A 质 t 康尔浓度 表 2 水分胁迫和复水过程 中 S O D 比活性的变化
,
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1飞ùO,口.34中度胁迫
严重胁迫
3 3
.
6
40
.
4
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.2 2 水分胁迫及复水后甘蔗与斑茅活性氧代谢的差异
.2 2
.
1 SO D 比活性及其同工酶变化 正常生长条件下 , 斑茅叶片的 SO D 比活性高于拔地拉 。 中度胁迫
时 , 拔地拉的 SO D 比活性急剧上升 , 而斑茅的变化不 明显 ; 严重胁迫时 , 拔地拉 的 SO D 比活性增强缓
慢 , 而斑茅显示出更强的比活性 。在中度胁迫复水后 , 斑茅和拔地拉 SO D 的比活性均接近对照 ; 严重胁迫
复水后 , 斑茅的 so D 比活性激增 , 相对而言 ,拔地拉的 SO D 比活性增加缓慢 (见表 2 ) 。
SO D 同工酶谱分析结果 (图 l) 表明 , 水分胁迫和复水过程中 , 斑茅和拔地拉的 SO D 谱带 (2 条 ) 均
保持不变 , 但斑茅的谱带亮度较强 , 而且其中 1 条 ( SO D。 ) 的分子量高于拔地拉 ( SO D矽 , 与所测得的
比活性结果一致 。
表 3 水分胁迫和复水过程中
变化
拔地拉
C A T 比活性的
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斑 茅
处 理 二 , _ . _ . _ , _肠 沮 夏 水 胁 坦 复 水
410习月、ó4,一`自,ù…no对 照 0 3 16中度胁迫严重胁迫 0 . 0 8 90 . 0 8 0 0 0 800 . 1 360 . 2 7 2 0 . 0 8 50 . 1700 . 2 5 5
a 水分胁迫 b 复水
图 1 水分胁迫与复水过程中甘蔗与斑茅 SO D 同工酶差异
.2 .2 2 CAT 比活性的变化 从表 3 可看出 , 中度胁迫和严重胁迫时 , 拔地拉因受到伤害 , 其 C A T 比活
性显 著下降 , 而斑茅的 C A T 比活性显著上升 , 这可能是 两者抗早性不 同的原因之一 。 复水后 , 两者的
CAT 活性均有所上升 , 但是 , 可以明显看到斑茅的 C A T 活性较高 。 中度胁迫复水后 CAT 活性回升较
快 , 说明斑茅及拔地拉体内均存在一个防御恢复系统 , 在胁迫解除后能够迅速恢复 H ZO : 的清除 。
2 5卷
裹4 水分胁迫和复水过程中 PO D比活性的
变化 l阳 01 · i m n` , · g ”
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52 热 带 作 物 学 报
.2 .2 3 P O D 比活性及其同工酶变化 从表 4 看出 , P O D 比活
性变化与 SO D 相似 , 在水分胁迫及其复水过程中 , 甘蔗叶
PO D 比活性都增加 , 供试材料中斑茅的 PO D 比活性都保持 为
拔地拉 比活性的 1 . 2一 1 . 6 倍左右 。 同工酶谱分析结果 ( 图 2) 显
示 , 斑茅的 P O D 谱带 ( OP D . 1 ) 比拔地拉更明显 。 随着胁迫程度
的增加 , 拔地拉谱带逐渐加深 , 并增加了一些谱带 ( P O D 。 ) ,
oP 巩 在斑茅严重胁迫后复水也同时出现 。
对 照
中度胁迫
严重胁迫
胁
3 4
复
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拔地拉 斑 茅
a 水分胁迫
图 2 水分胁迫与复水过程中蔗叶 p 0 D
斑 茅 拔 地 拉
b 复水
同工酶谱分析
竺茅一复斑一迫
.2 3 水分胁迫及复水后叶片脯氨酸的积 累
在中度及严重胁迫时 , 斑茅和拔地拉体内的脯氨酸含量都
同时升高 , 但 是斑茅叶片内的脯氨酸积累量显著高于拔地拉 。
然而 ,中度胁迫及严重胁迫解除后 , 拔地拉脯氨酸积累的幅度降
低而斑茅的积累幅度激增 (表 5 ) 。 可见 , 二者在脯氨酸积累机
制上存在着明显差异 。
表 5 水分胁迫和复水过程中脯权酸含. 的
变化
处 理 拔地拉胁 迫 复 水 胁
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弓àO八ù七,J40月,月子OJ几甘…nU01o引17户J咤J0 O1对 照中度胁迫严重胁迫 0 . !仍0 . 1 13.0 9 0
3 讨 论
3
.
1 细胞膜系统的稳定性与斑茅的抗旱性
近几十年来 , 人们利用生物膜理论和技术对植物的抗逆性问题进行了广泛的研究 。 结果表明 , 膜系
统的损伤是植物干早胁迫伤害的一个重要原因 。植物的抗早性与其细胞膜系统在干早胁迫下 的稳定性
有关 司`。 脂膜过氧化即是不饱和酸中发生的一系列活性氧反应 19 , 其产物 MD[ A 含量是反映脂质过氧化
作用强弱的一个重要指标 l10] 。 本研究结果表明 , 斑茅在伸长初期 , 盆栽条件下进行不同程度的水分胁
迫 , 随着水分胁迫的加重 , MD A 含量迅速提高 , 其趋势与相同条件下的拔地拉相似但略有不同 。中度胁
迫下 , 斑茅具有较强的抗脂膜过氧化 能力 , 因而 M D[ A 水平较低 , 细胞膜的伤害较轻 。 虽然在严重胁迫
下 , 斑茅的 M D A 含量高于拔地拉 , 但是复水后 , 斑茅的膜脂迅速恢复到接近正常状态且低于拔地拉的
过氧化水平 。说明斑茅可能还存在着别的抗脂膜过氧化机制 , 以修复由于逆境造成的脂膜过氧化损伤 。
.3 2 斑茅内源细胞膜保护系统的变化与斑茅抗旱性
大量研究结果表明 , 当植物处于各种逆境胁迫或衰老时 , 植物细胞活性氧产生和清除的动态平衡受
到破坏而 出现活性氧积累 。 由于植物体内活性氧 (如 0 2 、 H ZO Z 、 . O H 和 ’ O : 等 ) 的相互转化和协同作用 ,
形成一个复杂的反应网络 。 与活性氧产生的多途径相对应 , 植物在长期进化过程中形成的一套内源保
护系统也极其复杂 。 正是依赖于体内的保护系统 , 使生物体活性氧的形成与清除处于动态平衡而得以
维持正常的生理功能 , 忍耐 、 减缓或抵抗逆境胁迫 I[ ’ ]。
2期 张木清等 :甘蔗与斑茅抗早生理生化差异性分析 3 5
在细胞膜保护系统中 , SO D 处于抵御活性氧伤害的 “ 第一道防线 ” l2J 。 本研究结果表明 , 在水分胁
迫下 , 拔地拉和斑茅都对胁迫作出了反应 。 不过二者反应的阶段存在差异 , 中度胁迫时拔地拉就做出了
响应 , S O D 比活性迅速升高 ; 而斑茅则是到拔地拉出现严重胁迫时才作出响应 。 并且无论何 时 , 斑茅的
SO D 比活性始终强于拔地拉 。与对照相 比 , 复水后 , 斑茅和拔地拉的 SO D 比活性都有所增强 , 斑茅在严
重胁迫后复水增加尤其明显 。 从同工酶谱的分析结果可 以看出 , S O D 在结构上是一个保守性较强 的酶 。
斑茅的谱带均比拔地拉 明显 , 尤其是在严重胁迫下靠近阳极端有增强 , 说明此带可能受到干 早诱导调
节 。 当然 , 水分胁迫下 C A T 和 PO D 的特定作用也不容忽视 , 因为它们决定 了 S O D 歧化 饵是否真的有
效 , H ZO : 以及过氧化物的积累对植物都会产生严重伤害 。 不仅抑制了 C O : 的固定 , 加速植物衰老 , 而且
还有可能产生其他毒性更 强的 . O H 和 `0 2 , 启动并加剧脂膜过氧化而造成整体的损伤 。 正常情况下 , 生物
体 H ZO : 自身的清除系统如 C A T 、 P O D 、 G SH · R 等加 以清除而不会遭致损伤 。 可是在水分胁迫下由于清
除能力的减弱 , 导致 H ZO : 积累 。 本研究结果表明 , 随着水分胁迫加深 , 斑茅的 C A T 活性增强而拔地拉
的活性显著下 降 。 复水后 , 斑茅的 CA T 活性迅速增加 , 尤其在严重胁迫时显著强于拔地拉 。 水分胁迫时
斑茅的表现与王振锐 l3I] , 王 宝山等 114) 在玉米和小麦上研究的结果一致 。 可能斑茅存在着与小麦 、 玉米类
似的机制 。
.3 3 渗透调节与斑茅的抗旱性
渗透调节是植物忍耐和抵御干早逆境的一种适应性反应 , 是一种重要的耐早生理机制 。 水分胁迫
下 , 细胞可以通过积累可溶性物质来维持一定的膨压 , 使细胞生长 、 气孔运动和光合作用等生理过程正
常进行 l ’ 5 ]。 积累的脯氨酸除了作为渗透调节物质提高渗透调节能力 、 维持细胞膨压 、 防止水分丧失外 ,
还可能起了稳定蛋白质 , 减少可溶性蛋白质沉淀 , 参与活性氧的清除 、 保护膜结构完整 的作用 。 本研究
结果表明 , 在水分胁迫下 , 斑茅比拔地拉积累了更 多脯氨酸 , 当胁迫解除后 , 斑茅脯氨酸含量迅速降低 ,
而拔地拉仍维持在一个较高的状态 。 可见 , 脯氨酸的积累是斑茅对水分胁迫的一种适应性反应 。
参 考 文 献
l 沈万宽 .斑芽的杂交利用价值探讨 .甘蔗 (福建 ) , 2 0() 2 , 9 (3) : l一5
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4 5热 带 作 物 学 报 2 5卷
A刀al y s iso f th e山 f er c e n eo fd ro u沙 tol tr ea c ni e na Sc ha U r m
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