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盐芥和拟南芥根系IAA与GAs应答高浓度NaCl胁迫的比较研究



全 文 :第41卷 第5期
2013年5月
西北农林科技大学学报(自然科学版)
Journal of Northwest A&F University(Nat.Sci.Ed.)
Vol.41 No.5
May 2013
网络出版时间:2013-05-02 10:55
网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20130502.1055.030.html
盐芥和拟南芥根系IAA与GAs应答
高浓度NaCl胁迫的比较研究
 [收稿日期] 2012-08-15
 [基金项目] 安徽省教育厅自然科学研究项目(KJ2012A215);国家自然科学基金项目(31070361);教育部科学技术研究重点项目
(210266);中央高校基本科研业务费专项(1112KYQN31,0910KYZY43)
 [作者简介] 王  荣(1968―),女,河北石家庄人,副教授,硕士,硕士生导师,主要从事植物分子遗传学研究。
E-mail:wangrbnu@yahoo.com.cn
 [通信作者] 高 飞(1972-),男,河南淇县人,副教授,博士,主要从事植物蛋白质组学和功能基因组学研究。
E-mail:gaofei@263.net
王 荣1,黄继昌1,赵东生2,高 飞2
(1阜阳师范学院 生命科学学院,安徽 阜阳236041;2中央民族大学 生命与环境科学学院,北京100081)
[摘 要]  【目的】比较近缘植物盐芥和拟南芥在高浓度 NaCl胁迫下根的生长情况及根中内源赤霉素(GAs)
及生长素吲哚乙酸(IAA)的含量变化,为进一步研究盐生植物的耐盐机制提供理论依据。【方法】选取在 MS培养基
上生长约1周,转接后根长相近的盐芥和拟南芥幼苗进行NaCl胁迫(NaCl浓度拟南芥为0,50,100,150,200,250,300
mmol/L,盐芥为0,50,100,150,200,300,500mmol/L),测定高盐胁迫下2种植物根系的生长情况。选取在 MS培养
基上生长1周,移栽到蛭石/珍珠岩(体积比1∶1)的培养基上继续培养4周的拟南芥和盐芥进行高浓度 NaCl胁迫
(NaCl浓度为150和300mmol/L),分别于0(对照),1,4,7,10d取根样,采用酶联免疫吸附(ELISA)法测定2种植物
根系内源激素GAs及IAA的含量。【结果】正常生长条件下,盐芥根系的生长速度低于拟南芥;高浓度 NaCl胁迫
下,盐芥与拟南芥根系的生长均受到抑制,但盐芥耐盐能力较强;高浓度NaCl胁迫下,盐芥和拟南芥根系IAA含量均
呈现先下降后增加的变化趋势,而GAs含量则呈现不断增加趋势。【结论】盐芥和拟南芥均可通过积累内源IAA和
GAs来应对高浓度NaCl胁迫,且盐芥在高浓度NaCl胁迫下IAA和GAs的积累量高于拟南芥。
[关键词] 盐芥;拟南芥;吲哚乙酸;赤霉素;高盐胁迫
[中图分类号] Q945.78 [文献标志码] A [文章编号] 1671-9387(2013)05-0178-05
Efects of high concentration salt on contents of IAA and GAs in the
roots of Thelungiela halophila and Arabidopsis thaliana
WANG Rong1,HUANG Ji-chang1,ZHAO Dong-sheng2,GAO Fei 2
(1 College of Life Science,Fuyang Normal College,Fuyang,Anhui 236041,China;
2 College of Life and Environmental Science,Minzu University of China,Beijing100081,China)
Abstract:【Objective】Arabidopsis thaliana and Thellungiella halophilla,are Brassicaceae species
closely relate to Arabidopsis thaliana.The effects of high salinity on their root growth,and endogenous gib-
berelins(GAs)and growth hormone(IAA)levels were compared to improve the understanding of salt tol-
erance mechanism.【Method】After growing on MS medium for one week,Arabidopsis thaliana and Thel-
lungiella halophilla seedlings with similar root length were selected for the salt tolerance experiment.
Concentrations of NaCl solutions for Arabidopsis seedlings were 0,50,100,150,200,250,300mmol/L and
for Thellungiellaseedlings were 0,50,100,150,200,300,500mmol/L.Simultaneously,Same Arabidopsis
thaliana and Thellungiella halophilla seedlings were selected to be transplanted in the vermiculite/perlite
(vol.is 1∶1)medium.After 4weeks,these seedlings were treated with salinity as wel(150and 300
mmol/L NaCl).Root samples were taken from these seedlings on 0(control),1,4,7,and 10d,and their en-
dogenous GAs and IAA contents in both species were measured by enzyme-linked immunosorbent assay
(ELISA).【Result】We found that Thellungiellaroot growth rate was lower than that of Arabidopsis in
the normal condition.With salt stress,root growths of both species were inhibited.The Thellungiellaroot
exhibited a higher tolerance.In addition,IAA contents in both plants decreased initialy and then increased,
while the contents of GAs gradualy increased in the whole process.【Conclusion】Salt stress appears to im-
pact the properties of both species by increasing the overal IAA and GAs contents.IAA and GAs accumu-
lation of Thellungiella halophilla was higher than that of Arabidopsis thalianain high salt stress.
Key words:Thellungiella halophilla;Arabidopsis thaliana;IAA;GAs;salinity stress
  近年来,我国土壤盐渍化问题日益严重,造成许
多农作物大面积减产,因此研究植物的耐盐机制、筛
选抗盐相关基因,培育抗盐新品种显得尤为重要。
盐生植物盐芥(Thellungiella halophilla)为十字花
科盐芥属2年生草本植物,在我国主要分布于新疆、
山东等地。盐芥和拟南芥为近缘植物,其植株大小、
形态结构和发育特性与拟南芥极为相似,因此盐芥
日益成为新型的耐盐模式植物,被称为拟南芥相关
模式系统(Arabidopsis thalianarelative model sys-
tem,ARMS)[1-3]。Wong等[4]系统总结了盐芥作为
研究抵御非生物胁迫遗传机制模式植物的有利条
件。近年来,有关盐芥耐盐生理机制及内源激素含
量与耐盐性之间的关系研究日益受到关注,并获得
了许多重要结果[5-9]。研究表明,植物的耐盐性与植
物内源激素水平关系密切[10-13]。在 NaCl胁迫下,
植物内源激素如赤霉素、生长素等可通过其含量的
变化调控植物的一系列生理生化反应[11]。近年来,
脱落酸(Abscisic acid,ABA)被认为是植物响应外
界胁迫的主要信号分子[14-15],其在植物应答逆境胁
迫中起着至关重要的作用,在各种盐胁迫下的植物
体内表现出不同程度的积累[16-17]。赤霉素(GAs)与
生长素吲哚乙酸(IAA)等在植物的耐盐生理中也发
挥着重要作用[11]。GAs和IAA为促生长类激素,
在感受到胁迫信号后其含量降低,植物生长速率显
著下降,植物由活跃生长状态转变为胁迫适应状态;
同时,GAs和IAA通过调节胞内代谢,诱导积累可溶
性渗透调节物质,选择性地吸收离子及加强清除活性
氧物质,增加植物在逆境中的生存机会[11]。
有关生长素与盐胁迫关系的研究相对较少。有
报道显示,IAA 可能影响植物对逆境胁迫的反
应[18-19]。添加适量外源IAA可促进大豆幼苗的生
长,增强幼苗对盐渍环境的抵抗能力[18]。Wang
等[19]认为,盐胁迫下IAA的运输通路在侧根系统
的形成中发挥着重要作用,证明IAA的转运活性决
定着侧根的产生和伸长,使之形成适应盐胁迫的根
系系统,增强植物对盐渍环境的耐受能力。
研究表明,GAs可以抵消盐分对植物光合作用
及光合产物运输的抑制作用,促进植物生长,还能提
高盐胁迫下拟南芥种子的发芽势[20]。温福平等[21]
在水稻种子的研究中取得了类似的结果。GAs虽
未被列作盐胁迫条件下的激素信号[11],但其变化可
以反映出植物对盐胁迫的适应性。Maggio等[22]研
究发现,用GA3 处理低盐环境中的西红柿植株,可
降低其叶片的气孔阻力,加速蒸腾作用,增强植株对
水的利用能力,有利于植株生长。
目前,有关植物激素对植物响应盐胁迫调控机
制的研究多集中于单一物种在盐胁迫下的形态学和
生理生化表现上。盐生植物盐芥与拟南芥为近缘植
物,其外形和生活周期与拟南芥相似,蛋白编码区相
似性较高,但二者的耐盐性差异较大,因此研究二者
在盐胁迫下的根系生长状况及内源激素含量的变
化,比单独研究某一种耐盐植物更有助于理解盐生
植物的耐盐机制。本试验采用不同浓度NaCl溶液
处理盐芥与拟南芥,运用酶联免疫 吸 附 分 析
(ELISA)法测定盐芥与拟南芥 GAs、IAA的含量,
研究GAs、IAA含量对NaCl胁迫的响应,以期为探
讨盐芥与拟南芥在NaCl胁迫下的生理响应及进一
步揭示植物的耐盐机制提供试验依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
盐芥(山东生态型)种子由山东师范大学生命科
学学院惠赠。拟南芥(哥伦比亚野生型)种子由北京
师范大学生命科学学院惠赠。
1.2 试验方法
1.2.1 NaCl胁迫条件下2种植物根系生长情况的
971第5期 王 荣,等:盐芥和拟南芥根系IAA与GAs应答高浓度NaCl胁迫的比较研究
比较 将盐芥和拟南芥种子在4℃去离子水中分别
浸泡7和1d,然后分别用次氯酸钠进行表面消毒
后,播种在 MS培养基上,萌发1周左右,各选取10
株根长1cm左右的幼苗转接到 MS平板中,竖直培
养,每天观察记录主根的生长情况。同时,取转接后
根长相近的拟南芥与盐芥幼苗,分别转接到含0(对
照),50,100,150,200,250,300mmol/L 和0(对
照),50,100,150,200,300,500mmol/L NaCl的
MS培养基上竖直培养,每天观察记录主根的生长
情况。以根生长抑制率考察NaCl胁迫对根生长的
抑制程度,根生长抑制率=[1-(胁迫条件下的主根
长度/对照条件下的主根长度)]×100%。
1.2.2 NaCl胁迫条件下2种植物内源IAA 及
GAs含量的测定 将拟南芥和盐芥种子分别播种
在 MS培养基上(浸泡天数和消毒方法同上),萌发
1周后,移栽到蛭石/珍珠岩(体积比1∶1)培养基
上,继续培养4周,期间用1/2Hoagland培养液每
3~4d浇灌1次,培养条件为:25℃,相对湿度为
35%左右,日照时间16h光/8h暗,光照强度约为
330μmol/(m
2·s)。培养4周后,用含150和300
mmol/L NaCl的1/2Hoagland培养液浇灌,每处
理4个重复,每个重复10株苗。在NaCl胁迫后的
0(对照),1,4,7,10d分别取拟南芥和盐芥根系样
品,备用。
称取经150和300mmol/L NaCl胁迫处理的
盐芥及拟南芥根各0.1~0.5g,加入2mL样品提
取液(体积分数80%甲醇,内含1mmol/L抗氧化剂
二叔丁基对甲苯酚),冰浴中研磨成匀浆,转入
10mL离心管中,4℃提取4h,再3 500r/min离心
15min,取上清液;沉淀中再加入1mL样品提取
液,4℃提取1h,再3 500r/min离心15min,取上
清液。合并2次所得上清液过C-18固定萃取柱,收
集过柱后的样品置于1.5mL离心管中,在真空干
燥离心机中干燥(离心转速1 500r/min),最后用样
品稀释液定容,采用 ELISA 法测定IAA、GAs含
量。试验数据用“平均值±SD”表示,采用Duncan
法进行差异显著性检验。
2 结果与分析
2.1 NaCl胁迫条件下盐芥与拟南芥根系生长情况
的比较
结果表明,正常生长条件下盐芥根系的生长速
度明显慢于拟南芥,所以在比较高浓度 NaCl胁迫
下盐芥与拟南芥的根系生长情况时,应选取生长时
间较短的拟南芥与生长时间较长的盐芥进行试验。
本研究选取转接后生长5d的拟南芥和生长9d的
盐芥植株(主根平均长度为2.08cm)进行高 NaCl
胁迫。
  由图1可以看出,随着NaCl浓度的增加,拟南
芥主根生长受抑制情况比盐芥严重。在NaCl浓度
为150mmol/L时,拟南芥与盐芥根生长的抑制率
分别为70%和48%,盐芥在200和300mmol/L
NaCl胁迫下,根生长抑制率约为70%。拟南芥在
150mmol/L以上 NaCl胁迫下,幼苗很快变色枯
萎,无法测得根长,故图1中没有相关数据;而盐芥
在NaCl浓度>150mmol/L时,根仍能够维持一定
的生长速度,不发生变色枯萎,据此可推测盐芥根系
的生长可能更适应高盐逆境。
图1 高浓度NaCl胁迫下盐芥与拟南芥
主根生长的抑制率比较
Fig.1 Repression ratios in root growth of Thellungiella
halophillaand Arabidopsis thaliana treated
with different NaCl concentrations
2.2 高NaCl胁迫下盐芥和拟南芥根中IAA、GAs
含量的变化
2.2.1 IAA含量 图2显示,在NaCl胁迫下盐芥
和拟南芥根部IAA含量均呈现先下降后增加的变
化趋势,NaCl胁迫前,盐芥根中的IAA含量(17.3
μg/g)显著高于拟南芥(5.3μg/g);150mmol/L
NaCl胁迫下,拟南芥根部IAA含量开始增加的时
间(10d)晚于盐芥(7d);随着NaCl浓度的增大,盐
芥和拟南芥根部IAA含量开始增加的时间均提前,
在300mmol/L NaCl胁迫下,拟南芥和盐芥根中
IAA含量均于第4天开始剧增。盐芥根部IAA的
积累量在150mmol/L NaCl胁迫下显著大于拟南
芥;在300mmol/L NaCl胁迫下的第1天和第10
天,盐芥根部IAA的积累量显著大于拟南芥,但第4天
和第7天,盐芥IAA的积累量显著小于拟南芥。
2.2.2 GAs含量 由图3可以看出,经高浓度
081 西北农林科技大学学报(自然科学版) 第41卷
NaCl胁迫后,盐芥和拟南芥根部GAs含量均呈现
上升趋势。胁迫前(0d时),盐芥根中 GAs含量
(5.1μg/g)显著高于拟南芥(2.68μg/g);胁迫后,
盐芥对GAs的积累量显著大于拟南芥;无论是150
还是300mmol/L NaCl胁迫,胁迫前期(1~7d)盐
芥对GAs的积累均较为缓慢,但在10d出现激增,
其中300mmol/LNaCl胁迫下更为明显。
图2 高浓度NaCl胁迫下盐芥和拟南芥根部IAA含量的变化
柱上标不同小写字母表示有显著性差异(P<0.05),下同
Fig.2 Changes of IAA contents in roots of Thellungiella halophilla and Arabidopsis thaliana after salinity treatment
The different smal letters indicate a significance difference(P<0.05),the same below
图3 高浓度NaCl胁迫下盐芥和拟南芥根部GAs含量的变化
Fig.3 Changes of GAs contents in roots of Thellungiella halophilla and Arabidopsis thaliana after salinity treatment
3 讨 论
植物激素与植物耐盐性关系密切。植物激素对
植物生长响应盐胁迫的调控主要体现在其对植物生
长的抑制效应及对胞内代谢的调节作用方面。抑制
类激素(如脱落酸)感受到胁迫信号后含量上升,促
生长类激素(如赤霉素、细胞分裂素和生长素)感受
胁迫信号后含量降低。
研究证实,GAs依赖IAA作用促进细胞伸长,
且GAs促进作用滞后期较IAA长;GAs还具有促
进细胞分裂,使叶片扩大的作用[18]。盐芥通过调节
根部和叶片生长积累GAs,又通过GAs反作用于根
和叶的生长,根和叶共同作用抵抗盐胁迫[18]。
本研究中,在 NaCl胁迫前,盐芥根中IAA及
GAs的含量均高于拟南芥;在NaCl胁迫后,盐芥根
表现出了较高的耐受力,IAA的含量在2种植物根
部呈现出先下降后增加的变化趋势,其原因可能在
于,盐芥和拟南芥需要通过一定时间的适应和调节,
才能对外界NaCl胁迫作出积极应答。盐芥对IAA
积累的反应时间早于拟南芥,在150mmol/L NaCl
胁迫下,其IAA 的积累量显著大于拟南芥;而在
300mmol/L NaCl胁迫下第4和7天,盐芥IAA的
积累量显著小于拟南芥,这是否与拟南芥长时间在
300mmol/L NaCl胁迫下的耐受力有关还有待进
181第5期 王 荣,等:盐芥和拟南芥根系IAA与GAs应答高浓度NaCl胁迫的比较研究
一步研究。在 GAs方面,2种植物根部在高浓度
NaCl胁迫后GAs含量均逐步升高,说明盐芥和拟
南芥都选择积累GAs来应对高浓度 NaCl胁迫,而
且盐芥积累GAs的能力明显强于拟南芥,且胁迫程
度增大,GAs积累量也相应增高,这可能是盐芥较
拟南芥更为耐盐的机制之一。对于植物细胞准确感
知外界胁迫信号的机制及有关植物激素与胁迫信号
途径间的交叉反应等问题,还有待进一步研究。
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