全 文 ：西北农业学报　2006 , 15(4):136～ 140
Acta A griculturae Boreali-occidentalis Sinica
厌氧胁迫下薏苡和玉米中代谢物质和酶类的变化
付碧石1 , 李亚男1 , 陈大清1 , 2*
(1. 长江大学生命科学学院 ,湖北荆州　434103;2. 武汉大学生命科学学院 ,湖北武汉　430070)
摘　要:研究了厌氧胁迫下薏苡(Coi x lacryma jobi L.)和玉米(zea may L. )几种代谢物质和酶类的变化。
厌氧胁迫后二者根系与叶片中的可溶性糖和丙酮酸含量都表现为下降 , 游离氨基酸含量 、乙醇脱氢酶(ADH)
和乳酸脱氢酶(LDH)活性都表现为上升 , 薏苡游离氨基酸增幅高于玉米;玉米的 ADH 和 LDH 变化幅度较
大。结果表明 ,在厌氧耐受过程中关键的代谢物质可能是游离氨基酸而不是可溶性糖;ADH 和 LDH 受到厌
氧诱导 ,其厌氧胁迫前的活性高低可能是耐涝性的决定因素。
关键词:厌氧胁迫;薏苡;玉米;代谢物质;代谢酶
中图分类号:Q494　　　　文献标识码:A　　　　　文章编号:1004-1389(2006)04-0136-05
Change of Metabolism Material and Enzyme in Coix
and Maize under the Stress of Anoxia
FU Bi-shi1 , LI Ya-nan1 and CH EN Da-qing1 , 2*
(1. Life S cien ce College of Yan gtz e University , J ingzhou H ubei　434103 , Chin a;2. Life S cience College
of Wuhan University , Wuhan Hubei　430070 , China)
Abstract:By using the seedling of Coix lacryma jobi L. and zea may L. as plant materials , the chan-
ges o f several me tabo lic substance and enzymes are investig ated. U nder the st ress o f anox ia , the con-
tent of soluble sugar and py ruvate acid decrease in both materials , the content of amino acid and the ac-
tivity of Alcoho l dehydro genase (ADH) and Lat ic acid dehydrogenase (LDH) are rising in bo th mate-
rials , the increase deg ree of amino acid in Coix is g reater than in maize , the change range o f ADH and
LDH in maize is greater than in Coix. The result indica ted that the key metabolic substance perhaps is
amino acid ra ther than soluble sugar , the activity of ADH and LDH are induced by anoxia in both ma-
terials , the act ivity of ADH and LDH befo re anoxia st ress maybe is the decisive factor in anox ia resist-
ance.
Key words:Anoxia st ress;Coi x lacryma jobi L. ;Zea may L. ;Metabolic substance;Metabo lic en-
zyme
　　薏苡是玉米(Zea may L. )的近缘属种[ 1] ,同
时也是一种耐涝植物[ 2] 。近年来 ,已有很多关于
玉米 、小麦 、水稻等作物涝害机制的研究报
道[ 3 ～ 5] ,但是尚未见到关于薏苡(Coix lacryma
jobi L.)在厌氧胁迫下的代谢适应机制和生理生
化特点方面的研究报道。本文比较了薏苡和玉米
在厌氧胁迫下代谢物质含量和两种厌氧代谢酶类
活性变化 ,为了解湿生植物在涝渍逆境下生命活
动的规律提供理论基础。
1　材料与方法
1. 1　种子萌发
薏苡(由长江大学植物园提供)0. 2 mol /L 的
收稿日期:2005-12-26　　修回日期:2006-03-04
基金项目:湖北省教育厅科研基金重点资助课题。
作者简介:付碧石(1978 -),发育生物学硕士。
*通讯作者:陈大清 ,长江大学生命科学学院教授 ,武汉大学生命科学院博士后。 Email:daqingchen@vip. sina. com.
HNO3 浸种 24 h , 25℃8 h /35℃16 h 变温催芽 ,
玉米(掖单 13 ,丰乐种子公司提供)不经预处理直
接播种到高温灭菌的蛭石上 , 1 /2MS 培养液培
养 ,置于人工气候箱中 28℃/16 h ～ 20℃/8 h 萌
发。
1. 2　厌氧处理
薏苡和玉米萌发 7 d后 ,从蛭石中取出洗净 ,
倒置放入广口瓶中并用钢丝网固定在瓶子底部 ,
叶片朝上 ,然后在瓶中充满水 ,再利用排水法充入
氮气(99. 99%)将水排出 ,然后将广口瓶放在盛有
水的容器中加盖固定倒置 ,用水封口 。取不同厌
氧时间的主根根尖 1 ～ 2 cm 和叶片顶部 3 cm 为
待测材料[ 6] 。
1. 3　测定方法
可溶性糖和丙酮酸含量的测定按文献[ 8]的
方法;游离氨基酸含量测定按文献[ 7] 的方法。
ADH 活性的测定按文献[ 8] 的方法:以乙醇为反
应底物用分光光度计在波长 340 nm 测定 NADH
的含量 , 每分钟每毫克蛋白质 NADH 变化 1
nmol作为一个酶活单位;LDH 活性的测定按文
献[ 9]的方法:以丙酮酸钠为反应底物用分光光度
计在波长 340 nm 测定 NADH 的含量 ,每分钟每
毫克蛋白质NADH 变化 1 nmo l作为一个酶活单
位。
2　结果与分析
2. 1　正常和厌氧胁迫下薏苡和玉米几种代谢物
质的变化
2. 1. 1　可溶性糖含量的变化　从图 1 可以看
出 ,二者根系可溶性糖含量(图 1A , B)在厌氧处
理后均明显下降 ,但下降幅度不同 ,玉米根系下降
幅度较大 。厌氧过程中薏苡可溶性糖含量始终下
降 ,在厌氧前 24 h内下降速度较快 。玉米可溶性
糖含量在厌氧前48 h内下降速度较快 ,在厌氧48
～ 72 h 间可溶性糖含量有所上升 。厌氧处理后
二者叶片可溶性糖含量(图 1C , D)变化趋势相
似 ,在厌氧 0 ～ 24 h和 48 ～ 72 h 内有不同程度上
升 ,在厌氧 24 ～ 48 h 间都表现为下降 。其中薏苡
略有波动 ,玉米变化较大 。
图 1　薏苡和玉米在厌氧条件下可溶性糖含量的变化
Fig. 1　The change of soluble sugar content in Coix and Maize under anoxia stress
2. 1. 2　丙酮酸含量的变化　厌氧处理后 ,两种材
料根系和叶片丙酮酸含量都开始下降且厌氧前
24 h内丙酮酸下降速度较快 。总体上 ,玉米根系
和叶片丙酮酸下降速度快于相应的薏苡根系和叶
片 。厌氧 72 h 时薏苡和玉米根系丙酮酸含量分
别下降为 0 h 的 37. 1%和 7. 9%(图 2A ,B),二者
叶片丙酮酸的含量分别为 0 h的 44. 9%和30. 2%
(图 2C ,D)。
137 4 期　　　　　　　　　　　　付碧石等:厌氧胁迫下薏苡和玉米中代谢物质和酶类的变化
图 2　厌氧胁迫对薏苡和玉米中丙酮酸含量的变化
Fig. 2　The change of pyruvic acid content in Coix and maize under anoxia stress
图 3　厌氧条件对薏苡和玉米根和叶中游离氨基酸含量的变化
Fig. 3　The change of amino acid content in Coix and maize under anoxia stress
2. 1. 3　游离氨基酸的变化　从图 3可以看出 ,正
常条件下薏苡根系和叶片中的游离氨基酸含量都
要高于玉米。厌氧处理后 , 2 种材料的游离氨基
酸都开始累积 ,但累积速度不同。薏苡累积速度
较快 。二者根系的游离氨基酸明显增加都主要发
生在厌氧处理 24 h后 。在根系 ,游离氨基酸明显
增加主要发生在厌氧 24 h后 ,厌氧 72 h时 ,二者
根系的游离氨基酸分别从 0 h 的 286. 9 μg /g 和
77. 2 μg /g 上升到了 608. 3μg /g 和 126 μg /g (图
3A ,B);叶片中的游离氨基酸含量分别从 0 h 的
462. 6μg /g 和 63. 4 μg /g 上升到了 917. 1 μg /g
和 134. 7μg /g(图 3C ,D)。
2. 2 　正常和厌氧胁迫下薏苡和玉米 ADH 和
LDH活性的变化
由表 1可以看出 ,正常情况下 ,ADH 和 LDH
的活性主要表现在 2种材料的根系 ,且薏苡根系
2种酶活的本底值高于玉米根系 。厌氧处理后 ,
两种材料的 ADH 和 LDH 酶活性均发生不同程
138 西　北　农　业　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷
度的累积 ,玉米根系和叶片的 ADH 和 LDH 酶活
性变化幅度较大 。在二者根系中 ADH 酶活性均
在厌氧处理前 24 h 内上升速度较快 ,厌氧 72 h
时分别为 0 h的 377. 4%和 760. 2%;LDH 在厌
氧 48 h时上升到最大随后开始下降 ,厌氧 72 h
时分别为 0 h 的 135. 4%和 246. 9%。在二者叶
片中 ,薏苡 ADH 活性在 72 h 持续上升 ,而玉米
在厌氧24 h时上升到最大随后开始下降 ,厌氧72
h时分别为 0 h 的 168. 2%和 134. 1%;2种材料
LDH 活性在厌氧后都开始上升 ,其中玉米的上升
幅度较大 ,在厌氧 72 h 时 LDH 活性分别为 0 h
的 296. 9%和 1203. 4%。
表 1 薏苡和玉米在厌氧胁迫下 ADH和 LDH比活性的变化
Table 1　The change of ADH and LDH activity in Coix and maize under anoxia stress / (U/mg)
处理后不同时间酶活性
Th e enzyme activi ty in diff eren t time after t reatment
0 h 6 h 12 h 24 h 48 h 72 h
ADH
根系
Root
薏苡
Coix
33. 60±0. 64(100. 0%) 66. 78±0. 94(198. 8%) 101. 22±1. 26(301. 3%) 109. 88±1. 64(327. 0%) 129. 21±1. 06(384. 5%) 126. 80±1. 11(377. 4%)
玉米
Maize
15. 72±1. 62(100. 0%) 35. 85±1. 94(228. 1%) 61. 64±2. 11(392. 1%) 106. 30±2. 54(676. 2%) 118. 82±1. 68(755. 8%) 119. 50±1. 64(760. 2%)
叶片
Leaf
薏苡
Coix
4. 85±0. 39(100. 0%) 6. 39±0. 67(131. 7%) 7. 32±0. 75(150. 9%) 6. 87±0. 66(141. 6%) 7. 14±0. 71(147. 2%) 8. 16±0. 48(168. 2%)
玉米
Maize
4. 14±0. 32(100. 0%) 7. 18±0. 36(173. 4%) 7. 56±0. 65(182. 6%) 8. 68±0. 64(209. 6%) 6. 31±0. 29(152. 4%) 5. 55±0. 48(134. 1%)
LDH
根系
Root
薏苡
Coix
36. 95±0. 66(100%) 44. 26±0. 52(119. 8%) 50. 98±0. 53(137. 9%) 55. 03±0. 59(148. 9%) 56. 07±0. 54(151. 7%) 50. 02±0. 49(135. 4%)
玉米
Maize
18. 87±0. 92(100. 0%) 31. 13±0. 88(164. 9%) 46. 07±0. 78(244. 1%) 50. 44±0. 84(267. 3%) 58. 50±0. 67(310. 0%) 46. 60±0. 94(246. 9%)
叶片
Leaf
薏苡
Coix
4. 85±0. 71(100. 0%) 11. 66±0. 82(240. 4%) 13. 02±0. 48(268. 5%) 12. 11±0. 67(249. 7%) 10. 87±0. 91(224. 1%) 14. 40±0. 48(296. 9%)
玉米
Maize
4. 14±0. 59(100. 0%) 8. 91±0. 67(215. 2%) 13. 87±0. 85(335. 1%) 27. 88±0. 91(673. 4%) 34. 14±0. 64(824. 6%) 49. 82±0. 85(1203. 4%)
3　讨论
厌氧胁迫以后植物的有氧呼吸受阻 ,无氧呼
吸启动 ,缺氧触发植物的糖酵解过程 ,首先表现为
乳酸脱氢酶(LDH)活性升高 ,当胞质中 pH 值达
到 6. 8 时 ,乙醇脱氢酶(ADH)与丙酮酸脱羧酶
(PDC)被激活 ,迅即进入乙醇发酵途径[ 10] 。无氧
呼吸是植物潜在的代谢功能 ,它可作为一种补救
途径以维持细胞存活 。除了糖酵解与发酵代谢
外 ,目前发现一些耐渍类型植物在厌氧条件下还
存在多条呼吸代谢途径 ,这些代谢途径主要涉及
到一些氨基酸的代谢 ,能缓冲细胞质的酸化和避
免单一代谢末端产物的积累[ 11 ～ 13] 。
从图中我们可以看到 ,在正常和厌氧情况下
薏苡的可溶性糖含量低于玉米 ,厌氧胁迫后 ,碳水
化合物的含量都表现为下降。其中薏苡可溶性糖
下降速度快于玉米 ,但是丙酮酸下降速度却慢于
玉米 。这说明在厌氧情况下耐涝性植物的糖代谢
活性不一定要高于非耐涝植物 ,厌氧条件下碳水
化合物可能并不是决定植物耐涝性的关键因素 ,
这点和 Pai Hsiang Su 的看法是一致的[ 14] 。同
时 ,薏苡中高水平的氨基酸含量和厌氧后急剧增
加的现象也支持了 Reggiani R等认为氨基酸在
提高植物耐涝能力上可能起到重要作用的看
法[ 15] 。厌氧胁迫后 , 比较 2 种材料的 ADH 和
LDH 比活性变化特点 ,发现薏苡 2种酶比活本底
高于玉米但是增加速度低于玉米 ,这有助于耐涝
性植物在厌氧条件下快速转向无氧呼吸且能有效
降低细胞质酸化。厌氧后决定厌氧耐受性的关键
因素也许不是 ADH 和 LDH 活性的增加速度而
是在正常情况下保持较高水平的 ADH 和 LDH
活性 。
总之 ,植物在厌氧胁迫后可能存在多种产能
代谢途径 ,其耐涝性可能并不决定于糖酵解底物
浓度 ,而研究如何在厌氧胁迫下提供植物维持正
常生长所必须的能量同时尽量降低有害代谢终产
物对其的毒害作用才是植物耐受厌氧胁迫的关
键。
参考文献:
[ 1] 　乔亚科 ,李桂兰. 薏苡与几种主要玉米类型同工酶比较分
析[ J] .河北农业技术师范学院学报 , 1997 , 1:12～ 17.
[ 2] 　陈清硕 ,刘金山. 莫把薏苡当旱作[ J] .应用科技 , 1999 , 5:
28.
[ 3] 　Gerlach W L , P ryo r A J , Dennis E S , et a l. cDNA cloning
and induction of the alcohol dehyd ro-genas e gene (Adh1)
of zea may[ J] . Proc Nat l Acod Sci USA , 1982, 79:2981～
2985.
[ 4] 　Suzuki K , Itai R , Suzuki K , et a l . Fo rm ate dehydrogenate
139 4 期　　　　　　　　　　　　付碧石等:厌氧胁迫下薏苡和玉米中代谢物质和酶类的变化
and enzym e of anaerobic metaboli sm is induced by iron defi-
ciency in barley root s[ J] . Plant Phy siol , 1998 , 116:725 ～
732.
[ 5] 　C hung-Ta LIAO , Chin-Ho LIN. Phy siological adap tation of
crop plan ts to f looding st ress[ J] . Proc Natl Acod S ci USA ,
2001 , 25:148～ 157.
[ 6] 　Crawford R M M , Braendle R. Oxygen deprivat ion s t ress
in a changing envi ronment[ J] . Jou r Exp Bot , 1996 , 47:145
～ 159.
[ 7] 　Ruf ty T W , Huber S C. Changes in starch formation and
act ivit ies of sucrose phosph ate syn th ase and cytoplasmic
f ructos e-1 , 6-bisph osphatase in response to sucrose-sink al-
t erat ions[ J] . Plant Phy siol , 1983 , 72:474～ 480.
[ 8] 　邹　绮.植物生理学实验指导[ M] .北京:中国农业出版社 ,
2000. 64～ 129.
[ 9] 　Xie Y , Wu R. Rice alcohol dehyd rogenase genes:anaerobic
induct ion , organ-specif ic expression and characteriz at ion of
cDNA clones[ J] . Plant Mol Biol , 1989 , 13:53～ 56.
[ 10] 　王文泉.高等植物厌氧适应的生理及分子机制[ J] . 植物
生理学通讯 , 2001 , 37:63～ 70.
[ 11] 　Johnson J , Cobb B G , Drew M C. H ypoxic induct ion of
anoxia tolerance in root tips of Zea mays[ J] . Plant Physiol ,
1989 , 91:837～ 841.
[ 12] 　J oly C A. Flooding tolerance:a rein terpretat ion of Craw-
f ords metabolic theory[ J] . Proc of the Roy S oc of Edin-
bu rgh , 1994 , 102B:343～ 354.
[ 13] 　Good A G , Muench D G. Long term anaerobic metabolism
in root t iss ue:Metabolic products of py ru vate metabolism
[ J] . Plant Phy siol , 1993 , 101:1163～ 1168.
[ 14] 　Pai H siang Su , Tsui H ui Wu , C hin-Ho Lin. Root sugar
level in lu ffa and bi t ter melon is not referent ial to thei r
f looding tolerance[ J] . Bot . Bull. Acad. Sin. 1998 , 39:175
～ 179.
[ 15] 　Reggiani R , Bertani A. Anaerobic amino acid metabolism
[ J] . Russian Jou rnal of Phyiology , 2003 , 50:733～ 736.
(上接第 135页)
3　小结
3. 1　建立的施肥措施与产量函数的数学模型达
到显著性水平 ,表明试验数据可靠 ,方程拟合较
好 ,能反映实际情况 。
3. 2　在三大养分中 ,氮肥是对玉米产量和效益有
影响的主要因素[ 3 , 4] 。试验结果表明氮肥是影响
城西滩扬黄灌区玉米的主要因素 ,施氮(正效应)
>施钾(正效应)>施磷(正效应)。在不同肥料的
交互作用中氮与磷的作用最大 ,对产量影响最大 ,
N×P(正效应)>N×K(正效应) >P ×K(负效
应),其中磷钾的交互效应较小 。
3. 3 　根据对模型的优化 ,结合当地大田玉米的
实际生产水平 ,得出适合盐池县城西滩扬黄灌区
的产量 9 000 kg /hm2 以上的施肥措施为:施用纯
N肥 115. 5 ～ 128. 4 kg /hm2 ,施用 P 肥 67. 05 ～
84. 3 kg /hm2 ,施用 K肥 69. 15 ～ 82. 2 kg /hm2 。
参考文献:
[ 1] 　何三强 ,常海波. 关于盐池扬黄灌区开发利用的调研报告
[ J] . 宁夏科技 , 2002(5):20～ 23.
[ 2] 　陈映霞. 黄泥田连作晚稻氮磷钾肥料效应函数与分析[ J] .
福建农业科技 , 2000 , 2:5～ 6.
[ 3] 　詹其厚. 氮肥不同用量对玉米产量的影响及肥效分析[ J] .
安徽农业科学 , 1997 , 25(4):352～ 353.
[ 4] 　李建奇 ,黄高宝 , 牛俊义.氮肥对不同玉米品种产量和品质
的影响研究[ J] .耕作与栽培 , 2004 , 2:22～ 24.
140 西　北　农　业　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷