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干旱胁迫下甘肃野生草地早熟禾内源激素水平的动态变化



全 文 :干旱胁迫下甘肃野生草地早熟禾内源激素
水平的动态变化
俞 玲,马晖玲
(甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美
草地畜牧业可持续发展研究中心,甘肃 兰州 730070)
  摘要:为了研究草地早熟禾在干旱胁迫下的响应机制,以甘肃安定野生草地早熟禾和西和野生草地
早熟禾为试验材料,采用 HPLC法测定了干旱胁迫下草地早熟禾叶片中的ZT,ABA和IAA含量的变
化。结果表明:干旱胁迫下,ZT含量下降,ABA含量和IAA含量均先上升后下降,但与对照相比前者
显著上升,后者显著下降,此外,ZT/ABA,ZT/IAA和(ZT+IAA)/ABA均下降。在2份种质材料中,
安定野生草地早熟禾(ZT+IAA)/ABA下降幅度最大。激素水平上评价材料的抗旱性大小为安定野生
草地早熟禾>西和野生草地早熟禾。
  关键词:干旱胁迫;甘肃野生草地早熟禾;内源激素;动态变化
  中图分类号:S 688.4  文献标识码:A  文章编号:1009-5500(2014)02-0018-05
  收稿日期:2013-11-19;修回日期:2014-01-10
  基金项目:国家自然科学基金“草地早熟禾种间体细胞杂
交的研究”(31160482)资助
  作者简介:俞玲 (1987-),女,甘肃景泰人,在读硕士。
E-mail:503379294@qq.com
马晖玲为通讯作者。
  当今世界,水资源的匮乏是一个普遍性的问题,尤
其在西北地区显得更加突出。干旱胁迫是限制草坪草
生长的最重要的环境因子之一[1],不仅威胁其幼苗的
生存,且对后期产量、越冬等都有一定影响[2,3]。因此,
研究其抗旱性,对北方地区草坪的建植、植被恢复以及
生态环境改善具有重要意义。
内源激素是植物体内重要的生长调节物质,与植
物抗逆性有着密切的联系。逆境条件打破了植物体内
激素产生和分配的平衡状况,导致代谢途径发生变化,
使植物对逆境的适应性与抗性增强[4],很多学者研究
发现,气孔是对植物激素变化最敏感的部位,并且认为
脱落酸(ABA)[5]和细胞激动素(CTK)[6]的相互作用
对气孔开闭产生影响进而增加其对干旱的适应性。
Lu等[7]研究证明在干旱胁迫下,小麦叶片中ABA含
量升高,并且抗旱品种积累的 ABA较多。目前,对优
良抗旱草坪草草地早熟禾的选育成为研究热点,有关
干旱胁迫下草地早熟禾生理指标的变化报道的很
多[8-10],而对草地早熟禾内源激素的动态变化研究还
较少。因此,以甘肃省野生草地早熟禾为材料,采用高
效液相色谱法,就不同草地早熟禾材料在干旱胁迫下
ABA,IAA和ZT 3种内源激素的动态变化进行分析,
探讨草地早熟禾对干旱胁迫的响应机制,以期为草地
早熟禾抗旱性的深入研究提供理论依据。
1 材料和方法
1.1 供试材料和试验仪器
安定(AD)和西和(XH)野生草地早熟禾种子分别
采自甘肃省定西市安定区、陇南市西和县。
试验采用 Agilent 1100Series液相色谱仪、旋转
蒸发仪、VWD检测器、紫外分光光度计、0.22μm有机
系针头过滤器。ZT标样购自兰州中瑞实验耗材经营
部国产分装产品;IAA和 ABA标样购自兰州科迈实
验耗材经营部国产分装产品;甲醇、石油醚为色谱纯;
其他试剂均为分析纯,实验用水为超纯水。
1.2 试验方法
1.2.1 试验设计 试验在甘肃农业大学草业学院培
养室进行,2013年4月5日将野生草地早熟禾成熟种
子播于直径18cm的花盆,种植基质为土壤、有机质、
砂子按7∶2∶1组成。试验设置对照(CK)和成坪以后
81       GRASSLAND AND TURF(2014)            Vol.34No.2
DOI:10.13817/j.cnki.cyycp.2014.02.004
进行的干旱处理,即草地早熟禾充分灌水(即达到土壤
最大持水量)后不再浇水,令其自然失水,干旱处理以
土壤含水量占最大持水量的百分比分为5个梯度:无
胁迫(CK,100%),轻度胁迫(75%~85%),中度胁迫
(55%~65%),重度胁迫(35%~45%),严重胁迫
(15%~25%),每份材料3个重复,当土壤含水量在设
定的梯度范围时,采取叶片进行测量,每天早上8∶30
补充前一天失去的水分,使各处理在采样时达到设定
的含水量。
1.2.2 样品处理及 HPLC分析 称取新鲜叶片1g,
加入10mL预冷的80%甲醇,液氮研磨至匀浆。密封
置冰箱4℃,浸提24h,5 000r/min离心15min,取上
清液,残渣再加入5mL 80%的冷甲醇溶液避光数小
时,相同条件离心10min,合并上清液,用旋转蒸发仪
35℃蒸至原体积的1/2。经C18胶柱分离纯化后,氮气
吹干,流动相定容至1mL,经0.22μm有机系针头过
滤,取20μL进行色谱分析。
1.2.3 色谱条件 色谱柱:采用Eclipse XDB-C8柱
(4.6mm×150mm,5um);流速:1mL/min;检测波
长:254nm;进样量:20μL;流动相按甲醇∶0.6%冰乙
酸(45∶55)为基准前后变化进行摸索,柱温设置25℃
和35℃两个温度,进行比较。最后以激素彻底分离,
峰形好来选择出最佳的流动相和柱温。
1.2.4 数据分析 利用Excel进行数据整理,Spass
19.0进行方差分析。
2 结果与分析
2.1 色谱条件的选择
2.1.1 流动相的选择 采用甲醇和水作为流动相时,
3种激素分离不完全,且色谱图拖尾现象严重,峰形不
好。冰乙酸可以抑制样品的电离、改善拖尾现象,因
此,在流动相中加入0.6%冰乙酸。试验就流动相中
甲醇和冰乙酸的体积比进行分析比较,结果表明,当甲
醇与0.6%冰乙酸体积比>45∶55时,各激素能完全分
开,但色谱峰分离度较小;当体积比<45∶55时,激素
灵敏度下降、保留时间迅速增加,且易对色谱柱的填充
物造成损害;当体积比为45∶55时,各个激素分离彻
底、峰形好,无拖尾现象。故选择甲醇∶0.6%的冰乙酸
为45∶55的流动相。
2.1.2 柱温的选择 柱温对不同激素色谱峰之间的
分离有显著的影响。因此,设定25℃和35℃2个梯
度,对不同柱温下IAA,ZT和 ABA之间的分离效果
进行了研究,试验表明在25℃柱温下分离效果最佳。
2.2 干旱胁迫下野生草地早熟禾叶片内源激素的动
态变化
2.2.1 干旱胁迫下草地早熟禾叶片ZT含量变化 
干旱胁迫促使草地早熟禾ZT含量显著下降,但变化
幅度因种质材料的不同而不同。轻度(75%~85%)、
中度(55%~65%)和重度胁迫(35%~45%)下,AD
和XH叶片ZT含量较对照均显著下降。严重胁迫下
(15%~25%),AD和XH叶片ZT含量继续下降至最
低,分别为62.28、63.42ng/g。干旱胁迫使AD叶片
ZT的含量下降幅度最大,与对照相比,下降了62.45%
(图1)。
图1 草地早熟禾叶片ZT含量
Fig.1 Changes of ZT in leaves of indigenous
2.2.2 干旱胁迫下草地早熟禾叶片IAA含量变化 
干旱胁迫下,草地早熟禾叶片IAA含量变化趋势相
同,均先上升后下降。轻度胁迫(75%~85%)促进
IAA含量的增加,其增加幅度存在差异,XH叶片IAA
含量达到峰值,为690.84ng/g,但明显低于AD;中度
胁迫(55%~65%)下,XH 叶片IAA含量下降而 AD
叶片IAA含量继续上升至峰值,为796.36ng/g。随
着胁迫程度的继续加大,AD和XH叶片的IAA含量
均下降。胁迫末期,IAA 含量均降至最低,分别为
374.40、310.94ng/g(图2)。
2.2.3 干旱胁迫下草地早熟禾叶片 ABA含量变化
 干旱胁迫促进 ABA 含量的积累。轻度胁迫下
(75%~85%),ABA含量较对照显著增加;中度胁迫
下(55%~65%),ABA含量变化存在明显差异,其中,
XH叶片ABA含量显著降低,而AD叶片 ABA含量
继续增加并且达到峰值为443.98ng/g;重度胁迫下
(35%~45%),ABA含量均下降,其中,XH叶片ABA
含量降至最低;严重胁迫下(15%~25%),AD叶片
91第34卷 第2期           草 原 与 草 坪2014年
图2 草地早熟禾叶片IAA含量
Fig.2 Changes of IAA in leaves of indigenous bluegrass
ABA含量下降,而XH叶片ABA含量略微上升,但均
显著高于对照,干旱胁迫使AD叶片ABA含量增加幅
度最大,为73.95%(图3)。
2.2.4 干旱胁迫下草地早熟禾叶片ZT/ABA,ZT/
IAA和(ZT+IAA)/ABA变化 干旱胁迫下,ZT/
ABA和(ZT+IAA)/ABA总体呈下降趋势,ZT/IAA
先下降后上升,但较对照显著下降(表1)。其中ZT/
ABA下降幅度最大,在70.69%~77.94%;其次为
(ZT+IAA)/ABA,下降幅度为64.85%~70.29%;下
降幅度最小的是ZT/IAA,在20.00%~29.17%。
图3 草地早熟禾叶片ABA含量
Fig.3 Changes of ABA in leaves of indigenous bluegrass
  胁迫期间,ZT/ABA、ZT/IAA 和(ZT+IAA)/
ABA变化幅度因胁迫程度的不同而不同。其中轻度
(75%~85%)和中度(55%~65%)胁迫下,三者下降
幅度最大,显著低于对照。重度胁迫(35%~45%)下,
(ZT+IAA)/ABA和ZT/ABA继续下降,和中度胁迫
相比,均差异显著。严重胁迫下,(ZT+IAA)/ABA
和ZT/ABA继续下降至最低,与重度相比,前者差异
显著,后者无显著性差异。整个胁迫期间,AD叶片
ZT/ABA、ZT/IAA 和(ZT+IAA)/ABA 下降幅度
最大。
表1 草地早熟禾叶片ZT/ABA,ZT/IAA和(ZT+IAA)/ABA
Table 1 Changes of ZT/ABA,ZT/IAA and(ZT+IAA)/ABA in leaves of indigenous bluegrass
项目 材料
含水量
100% 75%~85% 55%~65% 35%~45% 15%~25%
ZT/ABA  AD  0.68±0.026a 0.39±0.007b  0.29±0.007c  0.18±0.008d  0.15±0.009d
XH  0.58±0.012a 0.29±0.003b  0.27±0.012b  0.23±0.005c  0.17±0.010d
ZT/IAA  AD  0.24±0.006a 0.20±0.001b  0.16±0.005c  0.12±0.005d  0.17±0.008c
XH  0.25±0.003a 0.19±0.002b  0.14±0.008c  0.15±0.004c  0.20±0.011b
(ZT+IAA)/ABA  AD  3.50±0.084a 2.35±0.032b  2.10±0.022c  1.66±0.008d  1.04±0.023e
XH  2.93±0.046a 1.79±0.002c  2.17±0.025b  1.74±0.021c  1.03±0.025d
3 讨论与结论
3.1 干旱胁迫对草地早熟禾叶片内源激素含量的
影响
3.1.1 干旱胁迫对叶片ZT含量的影响 ZT是植物
体内最常见的细胞分裂素,其促进细胞分裂、扩大,侧
芽发育,还促进营养物质移动和延迟衰老[11],与植物
抗逆性密切相关。水分胁迫期间ZT含量的降低,有
利于植物保持较高的水分,是一种保护性的生理反
应[12]。胁迫期间叶片ZT含量降低,导致植株生长速
率减慢,从而缓解了干旱造成的压力。抗旱能力越强,
自身调节能力就越大,即水分胁迫下ZT的合成越
少[4]。胁迫期间安定野生草地早熟禾叶片ZT含量下
降最明显,胁迫末期ZT含量只有对照的37.55%,说
明安定野生草地早熟禾对干旱的耐受性较强。
3.1.2 干旱胁迫对叶片IAA含量的影响 试验研究
中水分胁迫初期,IAA含量呈上升趋势,表明轻度干
旱不足以对草地早熟禾的生长构成威胁,此时植物仍
在生长,随胁迫程度的继续增加,IAA含量下降,可能
是因为重度胁迫下,IAA的合成部位受损,无法继续
合成IAA,植物通过抑制自身的生长来抵御干旱,总
体而言,干旱胁迫下IAA含量与对照相比显著下降,
这与 Wang等[13]的研究结果一致。然而,在茶树和棉
花等[14-17]研究中,干旱胁迫促进了IAA的积累,有关
水分状况和内源IAA水平之间的关系,迄今为止还有
争议,其内在机制尚需深入研究[18]。
02       GRASSLAND AND TURF(2014)            Vol.34No.2
3.1.3 干旱胁迫对叶片 ABA含量的影响 ABA作
为一种信号传导因子,主要由根产生,能够促进休眠、
抑制生长、还可以促进气孔关闭和促进根系水分吸
收[18,19]。轻度和中度干旱胁迫下,ABA含量积累较
多,说明其在逆境下对环境变化的潜在适应性较强,然
而这种适应性是有限度的,随着胁迫程度的继续加重,
这种自我保护的机制会遭到破坏,从而使 ABA含量
下降。总体分析,草地早熟禾叶片 ABA含量,均随胁
迫程度的增加,呈上升趋势,赵文魁等[19]研究也得到
了相似的结论,ABA能够增加植物根部的水分吸收,
促使叶片气孔开度受抑或关闭,水分蒸腾减少,最终植
物的保水能力提高。
很多学者认为,品种的抗旱性与 ABA的积累密
切相关,抗旱性越强,ABA含量增加速度越快,积累能
力越强[18,20],干旱胁迫下,安定野生草地早熟禾叶片
ABA含量增加幅度最大,比对照增加了73.95%,初
步推测安定野生草地早熟禾抗旱性强于西和野生草地
早熟禾,然而ABA的积累又会引起叶片脱落,加速植
株衰老。因此,干旱胁迫下植物体内积累的 ABA并
不是越多越好,此次试验 ABA含量在胁迫后期下降
正好说明这一点。
3.1.4 干旱胁迫对草地早熟禾叶片ZT/ABA,ZT/
IAA,(ZT+IAA)/ABA的影响 随着干旱胁迫强度
的增加,安定和西和野生草地早熟禾叶片的 ZT/
ABA、ZT/IAA和(ZT+IAA)/ABA呈下降趋势,这3
种激素相互抑制,相互促进,共同参与了代谢平衡,干
旱胁迫期间,IAA,ZT和ABA的变化总是向着促进气
孔关闭,减缓生长发育,维持细胞膨压的方向代谢,以
便植物最优化地利用有限水分,这在很多研究中得到
了证明[21,22]。安定野生草地早熟禾叶片的ZT/ABA,
ZT/IAA和(ZT+IAA)/ABA下降幅度大于西和野生
草地早熟禾,表明其应对干旱胁迫的能力强于后者。
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Dynamic changes of endogenous hormones in Gansu
indigenous bluegrass under drought stress
YU Ling,MA Hui-ling
(College of Pratacultural Science,Gansu Agricultural University/Key Laboratory of Grassland Ecosystem,
Ministry of Education/Pratacultural Engineering Laboratory of Gansu Province/Sino-U.S.Centers
for Grazingland Ecosystem Sustainability,Lanzhou730070,China)
  Abstract:The selected two indigenous bluegrass,Anding bluegrass,Xihe bluegrass,as samples to test the
content of ABA,IAA and ZT in bluegrass leaves under drought stress by using HPLC.The results showed that
ZT was decreased,ABA and IAA increased firstly and then deceased under drought stress.but compared with
the control,ABA increased significantly and IAA decreased significantly.Moreover,the ratio of ZT/ABA,ZT/
IAA and(ZT+IAA)/ABA decreased.Anding bluegrass had the biggest decreased in(ZT+IAA)/ABA under
drought stress between two indigenous bluegrass.Therefore,the rank of drought resistance was Anding blue-
grass> Xihe bluegrass based on the hormone level.
  Key words:drought stress;Gansu indigenous bluegrass;endogenous hormones;dynamic chang
檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪
es
(上接17页)
of 115SSR bands were identified,of which 103(89.565)were polymorphic,and each primer generated 7to 15
bands,with an average of 10.3,the polymorphism information content(PIC)per primer was 0.255to 0.473,
with an average of 0.368,the marker index(MI)of SSR was 3.87,the Nei’s index(He)was 0.332 4,the
Shannon's index(Ho)was 0.492 6.The clustering result was that 20pieces of Elymus sibiricus L.were divided
into 2branches at genetic distance of 0.36,this branch was divided into 2branches at genetic distance of 0.5,it
was quite different from untreated material.The difference between treated and untreated materials suggested
that the treatment caused genetic variation and differentiation predominantly on noncoding sequences,thereby
contributing to differences in fitness.UPGMA clustering showed that the accessions from the same region ten-
ded to be divided into one branch but it had special case,and we found that the material from Inner Mongolia had
a larger difference after drought stress than other materials.These results revealed there was rich genetic diver-
sity among the tested resources of Elymus sibiricus L.To speed up the development and reasonable utilization of
it is urgent.
  Key words:Elymus sibiricus;drought-stress;SSR(simple sequence repeat);UPGMA cluster
22       GRASSLAND AND TURF(2014)            Vol.34No.2