以玉米品种‘垦玉6号’为材料,在150 mmol·L-1NaCl胁迫条件下,研究葡萄糖(Glc)和蔗糖(Suc)浸种对玉米种子萌发阶段耐盐性的影响.结果表明: 盐胁迫下,0.5 mmol·L-1 Glc、Suc浸种可促进玉米种子萌发及幼苗早期生长,其中Glc浸种玉米胚芽和胚根长及相应干质量增加到盐处理的1.5、1.3、2.1、1.8倍;Suc浸种玉米分别增加到1.7、1.3、2.7、1.9倍;盐胁迫下Glc、Suc浸种可减少胚芽中硫代巴比妥酸反应物(TBARS)和过氧化氢(H2O2)含量,与盐处理相比分别降低24.9%、20.6%;Glc、Suc浸种可显著提高盐胁迫下玉米胚芽超氧化物歧化酶(SOD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)、谷胱甘肽还原酶(GR)的活性,并诱导葡萄糖6磷酸脱氢酶(G6PDH)活性的升高,其中Glc浸种玉米SOD、APX、GPX、GR、G6PDH活性较盐处理分别提高66.2%、62.9%、32.0%、38.5%、50.5%,Suc浸种玉米较盐处理分别提高67.5%、59.8%、30.0%、38.5%、50.4%;Glc、Suc浸种胚芽中抗坏血酸 (ASA)、谷胱甘肽(GSH)含量及ASA/DHA、GSH/GSSG显著提高,其中G6PDH活性与外源糖诱导的较强的抗氧化能力密切相关.Glc、Suc浸种还可提高盐胁迫下玉米胚芽中K+/Na+,分别为盐处理的2.3、2.4倍.外源 Glc、Suc浸种可通过提高玉米种子抗氧化能力及维持体内K+和Na+离子平衡缓解盐胁迫对玉米种子萌发的抑制效应.
The maize variety Kenyu 6 was used to study the effects of exogenous glucose (Glc) and sucrose (Suc) on salt tolerance of maize seeds at germination stage under 150 mmol·L-1 NaCl treatment. Results showed that under salt stress condition, 0.5 mmol·L-1 exogenous Glc and Suc presoaking could promote seed germination and early seedling growth. Compared with the salt treatment, Glc presoaking increased the shoot length, radicle length and corresponding dry mass up to 1.5, 1.3, 2.1 and 1.8 times, and those of the Suc presoaking treatment increased up to 1.7, 1.3. 2.7 and 1.9 times, respectively. Exogenous Glc and Suc presoaking resulted in decreased levels of thiobarbituric acid reactive substances (TBARS) and hydrogen peroxide (H2O2) content of maize shoot under salt stress, which were lowered by 24.9% and 20.6% respectively. Exogenous Glc and Suc presoaking could increase the activities of superoxide dismutase (SOD), ascorbate peroxidase (APX), glutathione peroxidase (GPX), glutathione reductase (GR) and induce glucose6phosphate dehydrogenase (G6PDH) activity of maize shoot under salt stress. Compared with the salt treatment, Glc presoaking increased the activity of SOD, APX, GPX, GR and G6PDH by 66.2%, 62.9%, 32.0%, 38.5% and 50.5%, and those of the Suc presoaking increased by 67.5%, 59.8%, 30.0%, 38.5% and 50.4%, respectively. Glc and Suc presoaking also significantly increased the contents of ascorbic acid (ASA) and glutathione (GSH), ASA/DHA and GSH/GSSG. The G6PDH activity was found closely related with the strong antioxidation capacity induced by exogenous sugars. In addition, Glc and Suc presoaking enhanced K+/Na+ in maize shoot by 1.3 and 1.4 times of water soaking salt treatment, respectively. These results indicated that exogenous Glc and Suc presoaking could improve antioxidation capacity of maize seeds and maintain the in vivo K+/Na+ ion balance to alleviate the inhibitory effect of salt stress on maize seed germination.
全 文 :外源糖浸种缓解盐胁迫下玉米种子萌发∗
赵 莹1 杨克军1,2 李佐同1,2∗∗ 赵长江1,2 徐晶宇1,2 胡雪微1 石新新1 马丽峰1
( 1黑龙江八一农垦大学农学院, 黑龙江大庆 163319; 2黑龙江省教育厅寒地作物种质改良与栽培重点实验室, 黑龙江大庆
163319)
摘 要 以玉米品种‘垦玉 6 号’为材料,在 150 mmol·L-1NaCl 胁迫条件下,研究葡萄糖
(Glc)和蔗糖 ( Suc)浸种对玉米种子萌发阶段耐盐性的影响.结果表明: 盐胁迫下,0.5
mmol·L-1 Glc、Suc浸种可促进玉米种子萌发及幼苗早期生长,其中 Glc浸种玉米胚芽和胚根
长及相应干质量增加到盐处理的 1.5、1.3、2.1、1.8 倍;Suc 浸种玉米分别增加到 1.7、1.3、2.7、
1.9倍;盐胁迫下 Glc、Suc 浸种可减少胚芽中硫代巴比妥酸反应物(TBARS)和过氧化氢
(H2O2)含量,与盐处理相比分别降低 24.9%、20.6%;Glc、Suc 浸种可显著提高盐胁迫下玉米
胚芽超氧化物歧化酶(SOD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)、谷胱
甘肽还原酶(GR)的活性,并诱导葡萄糖 6⁃磷酸脱氢酶(G6PDH)活性的升高,其中 Glc浸种玉
米 SOD、APX、GPX、GR、G6PDH活性较盐处理分别提高 66.2%、62.9%、32.0%、38.5%、50.5%,
Suc浸种玉米较盐处理分别提高 67.5%、59.8%、30.0%、38.5%、50.4%;Glc、Suc 浸种胚芽中抗
坏血酸 (ASA)、谷胱甘肽(GSH)含量及 ASA / DHA、GSH / GSSG 显著提高,其中 G6PDH 活性
与外源糖诱导的较强的抗氧化能力密切相关.Glc、Suc浸种还可提高盐胁迫下玉米胚芽中 K+ /
Na+,分别为盐处理的 2.3、2.4倍.外源 Glc、Suc浸种可通过提高玉米种子抗氧化能力及维持体
内 K+和 Na+离子平衡缓解盐胁迫对玉米种子萌发的抑制效应.
关键词 盐胁迫; 外源糖; 种子萌发; 抗氧化能力; 离子平衡
∗国家科技支撑计划项目(2013BAD07B01⁃05)、教育部博士学科点博导类专项科研基金项目(20122305110001)、“十二五”农村领域国家科技
计划项目(2011BAD16B1103)、黑龙江省自然科学基金项目(C201324)、黑龙江省应用技术研究与开发计划项目(GZ13B018)和大庆市科学技
术项目(SJH⁃2013⁃35)资助.
∗∗通讯作者. E⁃mail: lxg6401999@ 163. com
2015⁃02⁃27收稿,2015⁃05⁃12接受.
文章编号 1001-9332(2015)09-2735-08 中图分类号 S513 文献标识码 A
Alleviation of salt stress during maize seed germination by presoaking with exogenous sugar.
ZHAO Ying1, YANG Ke⁃jun1,2, LI Zuo⁃tong1,2, ZHAO Chang⁃jiang1,2, XU Jing⁃yu1,2, HU Xue⁃
wei1, SHI Xin⁃xin1, MA Li⁃feng1 ( 1College of Agronomy, Heilongjiang Bayi Agricultural Universi⁃
ty, Daqing 163319, Heilongjiang, China; 2Key Laboratory of Crop Germplasm Improvement and
Cultivation in Cold Regions of Heilongjiang Province Education Department, Daqing 163319, Hei⁃
longjiang, China) . ⁃Chin. J. Appl. Ecol., 2015, 26(9): 2735-2742.
Abstract: The maize variety Kenyu 6 was used to study the effects of exogenous glucose (Glc) and
sucrose (Suc) on salt tolerance of maize seeds at germination stage under 150 mmol·L-1 NaCl
treatment. Results showed that under salt stress condition, 0.5 mmol·L-1 exogenous Glc and Suc
presoaking could promote seed germination and early seedling growth. Compared with the salt treat⁃
ment, Glc presoaking increased the shoot length, radicle length and corresponding dry mass up to
1.5, 1. 3, 2. 1 and 1. 8 times, and those of the Suc presoaking treatment increased up to 1. 7,
1.3. 2.7 and 1.9 times, respectively. Exogenous Glc and Suc presoaking resulted in decreased levels
of thiobarbituric acid reactive substances ( TBARS) and hydrogen peroxide ( H2O2 ) content of
maize shoot under salt stress, which were lowered by 24.9% and 20.6% respectively. Exogenous
Glc and Suc presoaking could increase the activities of superoxide dismutase ( SOD), ascorbate
peroxidase (APX), glutathione peroxidase (GPX), glutathione reductase (GR) and induce glu⁃
cose⁃6⁃phosphate dehydrogenase (G6PDH) activity of maize shoot under salt stress. Compared with
the salt treatment, Glc presoaking increased the activity of SOD, APX, GPX, GR and G6PDH by
应 用 生 态 学 报 2015年 9月 第 26卷 第 9期
Chinese Journal of Applied Ecology, Sep. 2015, 26(9): 2735-2742
66.2%, 62.9%, 32.0%, 38.5% and 50.5%, and those of the Suc presoaking increased by 67.5%,
59.8%, 30.0%, 38.5% and 50.4%, respectively. Glc and Suc presoaking also significantly in⁃
creased the contents of ascorbic acid (ASA) and glutathione (GSH), ASA / DHA and GSH / GSSG.
The G6PDH activity was found closely related with the strong antioxidation capacity induced by
exogenous sugars. In addition, Glc and Suc presoaking enhanced K+ / Na+ in maize shoot by 1.3 and
1.4 times of water soaking salt treatment, respectively. These results indicated that exogenous Glc
and Suc presoaking could improve antioxidation capacity of maize seeds and maintain the in vivo
K+ / Na+ ion balance to alleviate the inhibitory effect of salt stress on maize seed germination.
Key words: salt stress; exogenous sugar; seed germination; antioxidation capacity; ion balance.
糖可作为一种信号分子调节细胞内碳水化合物
的含量、新陈代谢相关酶的活性,并且控制基因的表
达[1-2] .有研究表明,在无胁迫条件下,低浓度的果
糖、葡萄糖(Glc)浸种能提高玉米种子早期发芽率
及发芽指数[3];在种子萌发及幼苗生长阶段,外施
适当浓度的糖可显著缓解盐胁迫对植物的伤害[4-6] .
糖对活性氧(ROS)的产生、清除及 ROS 响应基因的
表达都有重要的调控作用[7-8] .首先,糖参与产生
ROS的代谢途径.在动物细胞中,高浓度的 Glc 可通
过激活细胞质膜 NADPH 氧化酶,诱导 ROS 的产
生[9] .其次,糖还参与清除 ROS 的一些代谢途径,如
磷酸戊糖途径 ( OPP ). 葡萄糖⁃6⁃磷酸脱氢酶
(G6PDH)是 OPP 途径的限速酶,控制着这条途径
的碳流和还原力 NADPH 的产生[10-11] . Hauschild
等[12]研究发现,黑暗下外源 Glc 能够显著提高马铃
薯细胞质内 G6PDH 活性,催化产生大量 NADPH,
进而提高细胞内氧化还原势. Debnam 等[13]在烟草
中转入质体 P2 型葡萄糖⁃6⁃磷酸脱氢酶基因
(G6PDH)的有义链和无义链后发现,转入有义链的
比转入无义链的还原型谷胱甘肽(GSH)含量高,其
抗氧化能力更强.
土壤盐渍化是一个世界性的资源和生态问题.
我国有盐碱地区面积为 3.6×107 hm2,约占总耕地面
积的十分之一[14] .由于灌溉不当和大量施用化肥等
原因,次生盐碱化土壤面积还在继续扩大,可耕地面
积逐年下降.有研究指出,在未来的 25 年内耕地面
积将减少 30%[15] .土壤盐渍化严重制约着农林业生
产和生态环境建设.有研究表明,植物在种子萌发阶
段对盐胁迫敏感[16-17] .糖预处理可减轻盐胁迫对玉
米种子萌发的抑制作用,这种缓解作用是否与活性
氧代谢有关,目前报道较少.为此,本文研究 Glc 和
Suc浸种处理对盐胁迫下玉米种子萌发过程的作
用,以及对抗氧化系统及钠钾离子平衡等的影响,探
讨外源糖对 C4 作物玉米盐逆境调控机理,以期为
农作物种子的萌发生理和生产实践中的种子化学调
控提供科学指导.
1 材料与方法
1 1 试验材料与试验设计
选取大小一致且无破损的玉米(Zea mays)杂交
种‘垦玉 6号’(由黑龙江八一农垦大学玉米育种研
究室提供),用 10%的次氯酸钠消毒 10 min,蒸馏水
冲洗干净,自然晾干.分别采用 0.5 mmol·L-1葡萄
糖(Glc)、蔗糖(Suc)两种糖浸种 48 h,以蒸馏水和
等浓度甘露醇浸种作为浸种对照.浸种 48 h 后用蒸
馏水冲洗干净,将种子播于含 150 mmol·L-1NaCl
的 6%水琼脂上,对玉米种子盐胁迫处理 5 d,以不
加盐的水琼脂作为非胁迫处理.设置 7 个处理:水浸
种非胁迫处理 (对照,CK)、Glc 浸种非胁迫处理
(G)、Suc浸种非胁迫处理(T)、水浸种盐胁迫处理
(S)、Glc浸种盐胁迫处理(G+S)、Suc浸种盐胁迫处
理(T+S)、甘露醇浸种盐胁迫处理(M+S).每处理 3
次重复,每次 100 粒种子.培养皿置于人工气候箱
内,25 ℃黑暗发芽,相对湿度为 60%.种子芽长达到
种子长度的一半时视为发芽,每天记录各处理种子
的发芽数,计算发芽率和发芽指数作为萌发动力学
的参数.盐处理第 5 天取玉米胚芽测量各项生理生
化指标.
1 2 测定项目与方法
1 2 1生长指标的测定 盐处理第 5 天,每处理取
10株玉米,测量其芽长、根长.将玉米胚芽与胚根分
离,于 105 ℃烘箱中杀青 15 min,80 ℃烘干至恒量,
称取干质量,计算每株幼苗地上部及地下部干质量.
1 2 2硫代巴比妥酸反应物(TBARS)及过氧化氢
(H2O2)含量的测定 参照 Hodges 等[18]的方法测
定 TBARS,取 0.1 g 胚芽烘干样品,加入 5 mL 5%的
三氯乙酸(TCA)研磨成匀浆,于 12000 ×g 离心 15
min,取 2 mL上清液加入 2 mL含 0.5%硫代巴比妥酸
(TBA)的 20% TCA溶液,沸水浴 15 min,上清液分别
于 450、532、600 nm 处比色.参照 Velikova 等[19]的方
6372 应 用 生 态 学 报 26卷
法测定 H2O2,取 0.1 g胚芽烘干样品,加入 5 mL 0.1%
TCA 冰浴研磨,12000×g 于 4 ℃离心 15 min,取 1~2
mL上清液加入 0.5 mL 10 mmol·L-1磷酸钾缓冲液
(pH 7.0)及 1 mL 1 mol·L-1 KI于 390 nm处比色,用
1 mL 0.1% TCA 代替上清液作为对照.
1 2 3抗氧化酶活性的测定 参照 Jiang 等[20]的方
法并加以改进,称取新鲜胚芽 0.5 g 左右,放入预冷
的研钵中,用 10 mL 预冷的提取缓冲液(K2HPO4⁃
KH2PO4, pH 7. 0, 1 mmol · L
-1 EDTA, 1% PVP, 1
mmol·L-1 ASC)研磨匀浆,15000×g 于 4 ℃离心 20
min,上清液即为酶粗提液.超氧化物歧化酶(SOD)
参照Giannopolitis等[21]的方法;抗坏血酸过氧化物酶
(APX)参照 Nakano 等[22]的方法,谷胱甘肽过氧化
物酶(GPX)参照 Egley 等[23]的方法,谷胱甘肽还原
酶(GR)参照 Schaedle 等[24]方法并加以改进.可溶
性蛋白含量参照 Bradford[25]的方法测定.抗氧化酶
活性以每 mg蛋白质所具有的酶活力单位数表示.
1 2 4抗坏血酸、谷胱甘肽含量的测定 参照 Fryerd
等[26]方法测定抗坏血酸含量,参照 Nagalakshmi
等[27]方法测定谷胱甘肽含量.取 0.1 g 胚芽烘干样
品,加入 2.5 mL 5%磺基水杨酸研磨匀浆,20000×g
于 4 ℃下离心 20 min,上清液用于还原型抗坏血酸
(ASA)、还原型谷胱甘肽(GSH)、氧化型抗坏血酸
(DHA)和氧化型谷胱甘肽(GSSG)含量的测定.
1 2 5 葡萄糖 6⁃磷酸脱氢酶(G6PDH)活性测定
参照 Sulmon等[28]的方法,取 0.5 g新鲜胚芽,加入 5
mL预冷的酶提取液 ( 0. 02 mol·L-1 Tris⁃HCl, pH
7 5,0. 42 mol · L-1甘露醇, 5 mmol · L-1 KCl, 5
mmol·L-1 MgSO4)冰浴研磨成匀浆,用 4 层纱布将
匀浆过滤,滤液在 0 ℃下 3000 r·min-1离心 10 min,
吸取 100 μL 上清液,加入 2 mL 反应液(内含 0 5
mmol·L-1 NADP、 5 mmol · L-1葡萄糖⁃6⁃磷酸、 5
mmol·L-1 MgCl2、0.05 mmol·L
-1 Tris⁃HCl,pH 8.2)
于 340 nm处比色,5 min 后测定 OD的变化.G6PDH
酶比活力以每 mg酶蛋白在单位时间的光密度变化
来衡量.
1 2 6 Na+、K+离子含量的测定 参照鲍士旦[29]的
方法并改进.取 0.1 g胚芽烘干样品,加 5 mL硫酸,1
mL H2O2,沙浴 2 h,然后电炉 300 ℃进行消煮,每隔
30 min加入 1 mL H2O2,直至混合液无色透明,然后
用蒸馏水定容至 100 mL,用原子吸收分光光度计
(TAS⁃990 Super)测定 Na+、K+离子含量.
1 3 数据处理
利用 Excel 2003软件对数据进行统计分析,利
用 SPSS 21.0软件进行单因素方差分析,采用 Dun⁃
can检验法进行多重比较及差异显著性检验(α =
0 05).图表数据为平均值±标准误.
2 结果与分析
2 1 外源糖浸种对盐胁迫玉米胚芽、胚根性状的
影响
如图 1 所示,不同处理玉米幼苗胚芽长存在明
显差异.由表 1 可知,非盐胁迫下,CK、G、T 处理之
间各项生长指标无显著差异.150 mmol·L-1NaCl 胁
迫对玉米生长具有明显的抑制作用,与 CK 相比,S
处理 5 d 后玉米胚芽和胚根长分别降低 63.6%和
66 5%,芽干质量及根干质量分别降低72 1%和
图 1 Glc和 Suc浸种对盐胁迫下玉米种子生长的影响
Fig.1 Effects of Glc and Suc presoaking on the growth of maize
seed under salt stress.
CK: 水浸种非胁迫处理 No salt stressed seedlings presoaked with water;
G: Glc浸种非胁迫处理 No salt stressed seedlings presoaked with Glc;
T: Suc浸种非胁迫处理 No salt stressed seedlings presoaked with Suc;
S:盐胁迫 Salt treatment; G+S: Glc浸种盐胁迫处理 Salt stressed seed⁃
lings presoaked with Glc; T+S: Suc浸种盐胁迫处理 Salt stressed seed⁃
lings presoaked with Suc; M+S: 甘露醇浸种盐胁迫处理 Salt stressed
seedlings presoaked with mannitol. 下同 The same below.
表 1 Glc和 Suc浸种对盐胁迫玉米胚芽、胚根性状的影响
Table 1 Effects of Glc and Suc presoaking on shoot and
radicle of maize seedlings under salt stress
处理
Treat⁃
ment
胚芽长
Shoot length
(cm·plant-1)
胚根长
Radicle length
(cm·plant-1)
胚芽干质量
Shoot dry
mass
(mg·plant-1)
胚根干质量
Radicle dry
mass
(mg·plant-1)
CK 8.03±0.17a 12.57±0.50a 0.24±0.00a 0.17±0.00a
G 8.55±0.04a 12.77±0.04a 0.25±0.00a 0.17±0.00a
T 8.25±0.21a 12.31±0.29a 0.25±0.00a 0.17±0.00a
S 2.92±0.17c 4.21±0.06c 0.07±0.00d 0.07±0.00c
G+S 4.49±0.30b 5.49±0.16b 0.14±0.00c 0.12±0.00b
T+S 4.88±0.30b 5.50±0.39b 0.18±0.00b 0.13±0.00b
M+S 3.11±0.06c 4.25±0.02c 0.09±0.00d 0.09±0.00c
CK: 水浸种非胁迫处理 No salt stressed seedlings presoaked with water;
G: Glc浸种非胁迫处理 No salt stressed seedlings presoaked with Glc;
T: Suc浸种非胁迫处理 No salt stressed seedlings presoaked with Suc;
S: 盐胁迫 Salt treatment; G + S: Glc 浸种盐胁迫处理 Salt stressed
seedlings presoaked with Glc; T+S: Suc 浸种盐胁迫处理 Salt stressed
seedlings presoaked with Suc; M + S: 甘露醇浸种盐胁迫处理 Salt
stressed seedlings presoaked with mannitol. 同列不同字母表示差异显
著(P<0.05) Different letters in the same column meant significant diffe⁃
rence at 0.05 level. 下同 The same below.
73729期 赵 莹等: 外源糖浸种缓解盐胁迫下玉米种子萌发
60 6%,且差异显著;G+S、T+S 处理与 S 相比玉米
各生长指标均有显著提高.其中,G+S 处理玉米胚芽
长、胚根长、胚芽干质量、胚根干质量为 S 处理的
1 5、1.3、2.1、1.8倍,T+S 处理分别为 S 的 1 7、1 3、
2 7、1.9 倍,且 T+S 处理胚芽干质量显著高于 G+S
处理.M+S处理各生长指标虽然高于 S处理,但差异
不显著.表明盐胁迫对玉米种子早期生长有明显的
抑制作用,而 Glc 和 Suc 预处理可缓解盐胁迫对玉
米生长的伤害,促进玉米种子萌发阶段的干物质积
累.此外,等渗的甘露醇处理未能引起相同的效果,
说明这种缓解效果不是由渗透作用引起的.
2 2 外源糖浸种对盐胁迫玉米种子发芽率和发芽
指数的影响
如图 2 所示,与 CK 相比,0.5 mmol·L-1 Glc、
Suc浸种均不同程度地提高玉米种子萌发早期(发
芽第 2天)的发芽率及发芽指数.盐胁迫下玉米种子
发芽率及发芽指数显著下降.与 S 处理相比,G+S、T
+S处理可明显提高盐胁迫下玉米种子早期发芽率
和发芽指数,其中 Suc 浸种处理效果最佳.此外,盐
胁迫下甘露醇预处理发芽率及发芽指数均为各处理
中最低.表明适当浓度的 Glc、Suc 浸种 (各为 0. 5
mmol·L-1)能显著缓解150 mmol·L-1NaCl胁迫对
图 2 Glc 和 Suc浸种对盐胁迫下玉米种子发芽率和发芽指
数的影响
Fig.2 Effects of Glc and Suc presoaking on germination rate
and germination index of maize seeds under salt stress.
不同字母表示差异显著(P< 0. 05) Different letters meant significant
difference at 0.05 level. 下同 The same below.
玉米种子萌发的抑制作用.
2 3 外源糖浸种对盐胁迫玉米胚芽 TBARS 和
H2O2 含量的影响
硫代巴比妥酸反应物(TBARS)是反映细胞膜
损伤程度的重要指标.如图 3 所示,盐胁迫下玉米胚
芽中 TBARS含量显著升高,为 CK的 1.9 倍.与 S 处
理相比,0.5 mmol·L-1Glc 和 Suc 浸种可明显降低
盐胁迫下玉米胚芽的 TBARS含量,较 S处理分别降
低 28.8%、30.4%.过氧化氢(H2O2)是植物体内一类
重要的活性氧[30] .盐胁迫下各处理胚芽的 H2O2 含
量明显升高,其中 S处理 H2O2 含量为 CK的 2.8倍.
G+S和 T+S 处理明显降低了盐胁迫下玉米胚芽的
H2O2 含量,比 S 处理分别降低 24. 9%、20 6%,且
G+S处理与 T+S处理间无显著差异.此外,等渗的甘
露醇浸种未能引起盐胁迫下玉米体内 TBARS 含量
及 H2O2 含量的下降.表明外源糖浸种能够降低玉米
胚芽内的 ROS含量,维持盐胁迫下玉米胚芽细胞膜
的稳定性.
2 4 外源糖浸种对盐胁迫下玉米胚芽抗氧化酶活
性的影响
SOD是植物体内一类重要的抗氧化酶,能够催
化 O2
-·反应生成 O2 和 H2O2 [30] .APX、GPX、GR是植
物中 ASA⁃GSH 氧化还原途径中的关键酶,能够有
效清除植物体内的 H2O2 [31] . 如图 4所示 , 150
图 3 Glc和 Suc浸种对盐胁迫玉米胚芽 TBARS 和 H2O2 含
量的影响
Fig.3 Effects of Glc and Suc presoaking on the TBARS and
H2O2 contents in maize shoot under salt stress.
8372 应 用 生 态 学 报 26卷
图 4 Glc和 Suc浸种对盐胁迫下玉米胚芽 SOD、APX、GPX和 GR活性的影响
Fig.4 Effects of Glc and Suc presoaking on the activities of SOD, APX, GPX and GR in maize shoot under salt stress.
mmol·L NaCl-1胁迫明显降低了玉米胚芽抗氧化酶
活性,其中 S处理的 SOD、APX、GPX、GR活性较 CK
分别下降 55.4%、46.3%、29.3%、37.5%.盐胁迫条件
下,外源 Glc、Suc 浸种处理可有效提高玉米胚芽抗
氧化酶活力,其中 G+S 处理的 SOD、APX、GPX、GR
活性分别为 S处理的 1.7、1.6、1.3、1.4 倍,T+S 处理
分别为 S处理的 1.7、1.6、1.3、1.4倍,且 G+S 处理与
T+S处理间无显著差异,由此可见,Glc 和 Suc 预处
理能够提高玉米胚芽抗氧化能力,有效减少活性氧
的积累,从而降低活性氧自由基对植物细胞的伤害.
2 5 外源糖浸种对盐胁迫玉米胚芽抗氧化物质含
量的影响
ASA、GSH是植物体内重要的非酶类抗氧化剂,
能够特异性地清除 H2O2 [31] .由表 2可知,盐胁迫 5 d
后,玉米胚芽的 ASA+DHA、GSH+GSSG 含量显著下
降,比 CK分别下降 21.7%、26.7%,而 Glc、Suc 处理
均可显著提高盐胁迫下玉米胚芽 ASA+DHA、GSH+
GSSG含量,特别是 ASA、GSH 的含量,进而提高玉
米胚芽 ASA / DHA、GSH / GSSG.其中,G + S 处理的
ASA含量、GSH 含量、ASA / DHA 及 GSH / GSSG 较 S
处理分别提高 20.1%、13.6%、38.1%、15.2%,T+S 处
理分别提高 18.9%、14.0%、23.3%、17.6%,且 G+S
处理与 T+S处理之间无显著差异.此外,非盐胁迫下
外源 Glc、Suc 浸种处理可以增加胚芽 ASA、GSH 的
积累,提高 ASA / DHA、GSH / GSSG,表明外源糖能够
诱导 ASA、GSH的合成.
2 6 外源糖浸种对盐胁迫下玉米胚芽 G6PDH 活
性的影响
如图 5 所示,盐胁迫下玉米胚芽的 G6PDH 活
性显著下降,比CK下降46 .8%,而G+S、T+S处理
表 2 Glc和 Suc浸种对盐胁迫玉米胚芽抗氧化物质含量的影响
Table 2 Effects of Glc and Suc presoaking on antioxidant contents in maize shoot under salt stress
处理
Treatment
ASA+DHA
(μmol·g-1 DM)
ASA
(μmol·g-1 DM)
ASA / DHA GSH+GSSG
(μmol·g-1 DM)
GSH
(μmol·g-1 DM)
GSH / GSSG
CK 3.78±0.01b 3.53±0.01b 14.35±0.10a 545.27±3.20a 464.43±1.17b 5.73±0.01a
G 4.08±0.01a 3.84±0.02a 16.02±0.24a 550.36±4.05a 470.69±4.50a 5.91±0.02a
T 4.13±0.01a 3.87±0.02a 15.23±0.21a 549.62±2.89a 469.59±0.15ab 5.87±0.04a
S 2.96±0.03d 2.64±0.04d 8.32±0.12c 399.70±1.30c 328.27±2.01d 4.60±0.08c
G+S 3.46±0.01c 3.17±0.02c 10.82±0.28b 443.37±3.45b 372.93±1.12c 5.30±0.09b
T+S 3.44±0.04c 3.14±0.02c 10.26±0.31b 444.71±1.89b 374.34±1.32c 5.41±0.06b
M+S 3.00±0.02d 2.56±0.03e 5.92±0.09d 393.10±0.90d 324.75±1.13d 4.75±0.06c
93729期 赵 莹等: 外源糖浸种缓解盐胁迫下玉米种子萌发
表 3 盐胁迫后玉米胚芽中 G6PDH活性与各生理指标的相关系数
Table 3 Correlation coefficients between G6PDH activity and several physiological indexes of maize under salt stress
ASA GSH H2O2 TBARS SOD APX GPX GR
G6PDH 0.968∗∗ 0.963∗∗ -0.971∗∗ -0.998∗∗ 0.986∗∗ 0.987∗∗ 0.983∗∗ 0.988∗∗
ASA 0.972∗∗ -0.980∗∗ -0.969∗∗ 0.959∗∗ 0.952∗∗ 0.954∗∗ 0.978∗∗
GSH -0.997∗∗ -0.956∗∗ 0.971∗∗ 0.920∗∗ 0.923∗∗ 0.951∗∗
H2O2 0.962∗∗ -0.969∗∗ -0.935∗∗ -0.930∗∗ -0.962∗∗
TBARS -0.986∗∗ -0.990∗∗ -.0.990∗∗ -0.989∗∗
SOD 0.969∗∗ 0.976∗∗ 0.978∗∗
APX 0.987∗∗ 0.992∗∗
GPX 0.979∗∗
∗∗P<0.01.
图 5 Glc 和 Suc 浸种对盐胁迫下玉米胚芽 G6PDH 活性的
影响
Fig.5 Effects of Glc and Suc presoaking on the G6PDH activity
in maize shoot under salt stress.
均可显著提高盐胁迫下玉米胚芽 G6PDH活力,较 S
处理分别提高 50.5%、50.4%,且 G+S 处理与T+S处
理之间无显著差异.此外,非盐胁迫下 Glc、Suc 处理
未能引起 G6PDH活性的变化.
2 7 盐胁迫后玉米胚芽中 G6PDH 活性与各生理
指标的相关性分析
由表 3可知,G6PDH 活性与 ASA、GSH 含量和
SOD、 APX、 GR、 GPX 活性呈显著正相关,而与
H2O2、TBARS 含量呈显著负相关.表明盐胁迫下
G6PDH活性与 Suc、Glc 处理后较强的抗氧化能力
密切相关.
2 8 外源糖浸种对盐胁迫玉米胚芽中 K+ / Na+的
影响
由图 6 可知,150 mmol·L NaCl-1胁迫 5 d 后,
玉米胚芽中 Na+含量显著增加,K+含量及 K+ / Na+显
著下降,其中 S处理 Na+含量为 CK的 10.3倍,K+含
量及 K+ / Na+较 CK分别下降 52.0%、95.3%.外源 Glc
及 Suc可显著提高盐胁迫下 K+含量,有效降低 Na+
含量,进而提高玉米胚芽中 K+ / Na+,其中 G+S与 T+
S处理Na+含量较S处理下降26.7%、28.9%,K+含
图 6 Glc和 Suc浸种对盐胁迫下玉米胚芽 Na+、K+含量和
K+ / Na+的影响
Fig.6 Effects of Glc and Suc presoaking on the Na+ and K+
contents and K+ / Na+ in maize shoot under salt stress.
量均为 S 处理的 1. 7 倍,K+ / Na+分别为 S 处理的
2 3、2.4倍,两处理间无显著差异.此外,与 S 处理相
比,M+S 处理未能引起 Na+、K+含量及 K+ / Na+发生
显著变化.
3 讨 论
大多数植物在种子萌发阶段对盐胁迫最敏感,
盐处理会对种子萌发及幼苗生长产生严重的抑制作
用[32-33] .本研究发现,150 mmol·L-1NaCl 处理显著
降低了玉米种子发芽率及发芽指数,并抑制胚芽及
胚根的生长.有研究表明,糖是一种类似于植物激素
的信号分子,对植物生长发育及逆境响应等起着至
0472 应 用 生 态 学 报 26卷
关重要的作用[34] .Hanson 等[35]发现,Glc 和 Suc 可
作为信号分子参与调控植物的种子萌发过程.本研
究中,0.5 mmol·L-1Glc 和 Suc 浸种处理可明显提
高玉米种子早期发芽率及发芽指数,与低浓度 Glc
或果糖预浸种能够提高玉米郑单 958种子发芽率的
结论吻合,表明施用适当浓度的外源糖能够促进植
物种子萌发.而且 Glc 和 Suc 浸种处理可以有效缓
解 150 mmol·L-1NaCl 胁迫对玉米种子萌发的抑
制,不同程度地提高种子发芽率、发芽指数,并促进
玉米芽长、根长及干质量的增加.该结果与外源海藻
糖、Glc、Suc能够缓解盐胁迫对小麦、水稻种子萌发
抑制[4-6]的结果一致,表明外源糖能够缓解植物逆
境胁迫.
通过对抗氧化酶系分析,发现 Glc 和 Suc 预处
理显著提高了 SOD、GPX、APX、GR 的活力,从而降
低了盐胁迫下玉米胚芽 TBARS 和 H2O2 的含量,维
持盐胁迫下细胞膜的稳定.值得一提的是,本研究中
Glc和 Suc 浸种可显著提高盐胁迫下玉米胚芽中
ASA、GSH 含量及 ASA / DHA、GSH / GSSG,提高细胞
内的氧化还原势.而且有研究指出,Glc、Suc 可通过
OPP 途径为 ASA⁃GSH 循环提供大量的还原力
NADPH,有效提高 ASA 和 GSH 的再生效率[10] .
G6PDH作为 OPP 途径的限速酶,其活性对该途径
调节细胞氧化还原平衡及清除 ROS 等作用具有重
要的调控作用[11] .本研究中,盐胁迫下 G6PDH 活性
与 ASA 含量、GSH 含量、SOD 活性、APX 活性、GR
活性、GPX 活性呈显著正相关,而与 H2O2 含量、
TBARS含量呈显著负相关,表明 G6PDH 活性与
Glc、Suc浸种后盐胁迫玉米具有较高抗氧化能力密
切相关.
本研究发现,盐胁迫下玉米胚芽中 K+含量显著
降低,Na+含量显著增加,K+ / Na+明显低于对照.外
源 Glc和 Suc 可显著提高盐胁迫下玉米胚芽中 K+
含量,并降低 Na+含量, K+ / Na+显著增高.这与外源
Glc 能够通过提高 K+ / Na+缓解盐胁迫对小麦伤
害[5]的结果一致. K+ / Na+离子平衡可能与外源糖有
助于保护细胞膜上转运蛋白有关[4],此结果有待进
一步验证.综上所述,盐胁迫下 Glc、Suc 浸种通过提
高抗氧化酶活力和抗氧化物质含量,维持胞内氧化
还原势以及 K+ / Na+离子平衡,缓解盐胁迫对玉米
细胞的伤害,促进盐逆境下玉米种子萌发.
参考文献
[1] Rolland F, Baena⁃Gonzalez E, Sheen J. Sugar sensing
and signaling in plants: Conserved and novel mecha⁃
nisms. Annual Review of Plant Biology, 2006, 57: 675-
709
[2] Eveland AL, Jackson DP. Sugars, signalling, and plant
development. Journal of Experimental Botany, 2012,
63: 3367-3377
[3] Xu Q⁃H (徐勤虎). Effect of Exogenous Signals Material
and Its Signal Pathways on Maize Seed Germination.
Master Thesis. Tai’an: Shandong Agricultural Universi⁃
ty, 2008 (in Chinese)
[4] Ding S⁃H (丁顺华). Effects of Exogenous Trehalose on
Wheat Seedlings under Salt Stress. Master Thesis. Qufu:
Shandong Normal University, 2001 (in Chinese)
[5] Hu MY, Shi ZG, Zhang ZB, et al. Effects of exogenous
glucose on seed germination and antioxidant capacity in
wheat seedlings under salt stress. Plant Growth Regula⁃
tion, 2012, 68: 177-188
[6] Siringam K, Juntawong N, Chaum S, et al. Salt toler⁃
ance enhancement in indica rice (Oryza sativa L.) seed⁃
lings using exogenous sucrose supplementation. Journal
of Plant Biology and Omics, 2012, 5: 52-59
[7] Keunen E, Peshev D, Vangronsveld J, et al. Plant su⁃
gars are crucial players in the oxidative challenge during
abiotic stress: Extending the traditional concept. Plant,
Cell and Environment, 2013, 36: 1242-1255
[8] Couee I, Sulmon C, Gouesbet G, et al. Involvement of
soluble sugars in reactive oxygen species balance and re⁃
sponses to oxidative stress in plants. Journal of Experi⁃
mental Botany, 2006, 57: 449-459
[9] Kovacic P, Somanathan R. Sugar toxicity⁃fundamental
molecular mechanisms: α⁃dicarbonyl, electron transfer,
and radicals. Journal of Carbohydrate Chemistry, 2013,
32: 105-119
[10] Barra L, Pica N, Gouffi K, et al. Glucose⁃6⁃phosphate
dehydrogenase is required for sucrose and trehalose to be
efficient osmoprotectants in Sinorhizobium meliloti.
FEMS Microbiology Letters, 2003, 229: 183-188
[11] Siddhartha S, Asha A, Srivastava PK. Regulation and
properties of glucose⁃6⁃phosphate dehydrogenase: A re⁃
view. International Journal of Plant Physiology and Bio⁃
chemistry, 2012, 4: 1-19
[12] Hauschild R, Von Schaewen A. Differential regulation of
glucose⁃6⁃phosphate dehydrogenase is enzyme activities
in potato. Plant Physiology, 2003, 133: 47-62
[13] Debnam PM, Fernie AR, Leisse A, et al. Altered acti⁃
vity of the P2 isoform of plastidic glucose⁃6⁃phosphate
dehydrogenase in tobacco ( Nicotiana tabacum cv.
Samsun) causes changes in carbohydrate metabolism
and response to oxidative stress in leaves. The Plant
Journal, 2004, 38: 49-59
[14] Zhang H⁃H (张会慧), Zhang X⁃L (张秀丽), Li X
(李 鑫), et al. Effects of NaCl and Na2CO3 stresses
on the growth and photosynthesis characteristics of Morus
alba seedlings. Chinese Journal of Applied Ecology (应
用生态学报), 2012, 23(3): 625-631 (in Chinese)
[15] Zhang J⁃F (张建锋), Zhang X⁃D (张旭东), Zhou J⁃X
(周金星), et al. World resources of saline soil and
14729期 赵 莹等: 外源糖浸种缓解盐胁迫下玉米种子萌发
main amelioration measures. Journal of Soil and Water
Conservation (水土保持研究), 2005, 12(6): 32-34
(in Chinese)
[16] Elsey⁃Quirk T, Middleton BA, Proffitt CE. Seed flota⁃
tion and germination of salt marsh plants: The effects of
stratification, salinity, and / or inundation regime. Aquatic
Botany, 2009, 91: 40-46
[17] Wu J⁃Y (武俊英), Liu J⁃H (刘景辉), Li Q (李
倩), et al. Effect of salt stress on oat seed germination
and seeding membrane permeability. Journal of Triticeae
Crops (麦类作物学报), 2009, 29(2): 341-345 ( in
Chinese)
[18] Hodges DM, Delong JM, Forney CF, et al. Improving
the thiobarbituric acid⁃reactive⁃substance assay for esti⁃
mating lipid peroxidation in plant tissues containing an⁃
thocyanin and other interfering compounds. Planta,
1999, 207: 604-611
[19] Velikova V, Yordanov I, Edreva A. Oxidative stress and
some antioxidant systems in acid rain⁃treated bean
plants: Protective role of exogenous polyamines. Plant
Science, 2000, 151: 59-66
[20] Jiang MY, Zhang JH. 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, 2002, 379: 2401-2410
[21] Giannopolitis CN, Ries SK. Superoxide dismutase. Ⅰ.
Occurrence in higher plants. Plant Physiology, 1977,
59: 309-314
[22] Nakano Y, Asada K. Hydrogen peroxide is scavenged by
ascorbate⁃specific peroxidase in spinach chloroplasts.
Plant and Cell Physiology, 1981, 22: 867-880
[23] Egley GH, Paul RN, Vaughn KC, et al. Role of peroxi⁃
dase in the development of water impermeable seed coats
in Sida spinosa L. Planta, 1983, 157: 224-232
[24] Schaedle M, Bassham JA. Chloroplast glutathione reduc⁃
tase. Plant Physiology, 1977, 59: 1011-1012
[25] Bradford MM. A rapid and sensitive method for the
quantitation of microgram quantities of protein utilizing
the principle of protein⁃dye binding. Analytical Bioche⁃
mistry, 1976, 72: 248-254
[26] Fryerd MJ, Andrews JR, Oxborough K, et al. Relation⁃
ship between CO2 assimilation, photosynthetic electron
transport, and active O2 metabolism in leaves of maize in
the field during periods of low temperature. Plant Physio⁃
logy, 1998, 116: 571-580
[27] Nagalakshmi N, Prasad MNV. Responses of glutathione
cycle enzymes and glutathione metabolism to copper
stress in Scenedesmus bijugatus. Plant Science, 2001,
160: 291-299
[28] Sulmon C, Gouesbet C, Amrani AE, et al. Sugar⁃in⁃
duced tolerance to the herbicide atrazine in Arabidopsis
seedlings involves activation of oxidative and xenobiotic
stress responses. Plant Cell Reports, 2006, 25: 489 -
498
[29] Bao S⁃D (鲍士旦). Soil and Agricultural Chemistry
Analysis. Beijing: China Agriculture Press, 2000 ( in
Chinese)
[30] Carl N, Ayah D. Snapshot: Reactive oxygen intermedia⁃
tes. Cell, 2010, 140: 952-952
[31] Tausz M, Sircelj H, Grill D. The glutathione system as a
stress marker in plant ecophysiology is a stress⁃response
concept valid. Journal of Experimental Botany, 2004,
55: 1955-1962
[32] Biber PD, Caldwell JD. Seed germination and seedling
survival of Spartina alterniflora Loisel. American Journal
of Agricultural and Biological Sciences, 2008, 3: 633-
638
[33] Zhao Y (赵 莹), Yang K⁃J (杨克军), Zhao C⁃J
(赵长江), et al. Alleviation of the adverse effects of
salt stress by regulating photosynthetic system and active
oxygen metabolism in maize seedlings. Scientia Agricul⁃
tura Sinica (中国农业科学), 2014, 47(20): 3962-
3972 (in Chinese)
[34] Xiang L, Li Y, Rolland F, et al. Neutral invertase,
hexokinase and mitochondrial ROS homeostasis. Plant
Signal Behavior, 2011, 6: 1567-1573
[35] Hanson J, Smeekens S. Sugar perception and signaling:
An update. Current Opinion in Plant Biology, 2009,
12: 562-567
作者简介 赵 莹,女,1989年生,硕士研究生. 主要从事玉
米逆境生理研究. E⁃mail: Tianshi198937@ 126.com
责任编辑 孙 菊
2472 应 用 生 态 学 报 26卷