全 文 ：不同 CO2浓度下渗透胁迫对小麦膜伤害的影响*
徐仰仓 王 静* * 林久生 王根轩 (兰州大学干旱农业生态国家重点实验室, 兰州 730000)
摘要 研究了常规 CO2( 350l!L- 1 )和 CO2 倍增( 700l!L - 1)环境中生长的春小麦幼苗,渗透胁迫时叶片中活
性氧含量的变化和质膜透性的变化. 结果表明,生长在 CO2 倍增环境中的春小麦幼苗,渗透胁迫时 O-2! 及 H2O 2
的增长幅度均小于常规 CO2 浓度下生长的春小麦幼苗. 质膜透性的增长幅度也是前者小于后者. 据此认为, CO2
浓度倍增可以减轻渗透胁迫对质膜的氧化伤害,提高植物的抗旱力.
关键词 小麦 CO2 浓度 渗透胁迫 活性氧 膜伤害
Effect of osmotic stress on wheat membrane injury under different CO2 concentrations. XU Yangcang, WANG Jin,
L IN Jiusheng, WANG Genxuan ( State Key L aborator y of A r id Agroecology , Lanzhou Univ ersity , Lanz hou
730000) . Chin . J . A pp l . Ecol . , 2000, 11( 6) : 878~ 880.
This paper studied the var iation of active oxygen content and membrane permeability in leaves of spring wheat seedling
exposed to osmotic stress under normal 350l!L - 1 and doubled CO 2 concentration 700l!L- 1 . The results indicate that
the increasing rate of O-2! and H2O2, and the membrane permeability in wheat leaves exposed to osmotic stress in nor
mal CO2 concentr ation were higher than those in doubled CO2. According ly, it is suggested that doubled CO 2 can reduce
the membrane ox idative injury caused by osmotic stress, and increase plant drought r esistance.
Key words Wheat, CO2 concentration, Osmotic str ess, Active oxygen, Membrane injur y.
* 国家自然科学基金( 39770447) 和国家重点基础研究专项经费资
助项目( G1999011705) .
* * 通讯联系人.
1999- 10- 29收稿, 2000- 05- 04接受.
1 引 言
自19世纪工业革命以来, 大气中 CO2 浓度以前
所未有的速度增加. 预计到 21 世纪末将达到 650~
700l!L- 1[ 17] . CO2是植物光合作用的重要原料,其变
化将直接影响植物的生长、发育及分布.而干旱是目前
制约农业生产的重要生态因子之一. 预计 CO2 浓度升
高和干旱胁迫将是两个长期并存的生态因子. 关于
CO2 浓度升高和干旱胁迫的研究近年来主要集中在水
分利用效率、收获指数[ 14] ; 气孔导度、光合速率、叶片
相对含水量[ 1] ;生物量、相对生长速率和根冠比[ 12]等
生理现象上.而对 CO2浓度升高和干旱胁迫两个生态
因子同时作用于植物时所引起的膜损伤研究甚少. 为
此,本文研究了生长在 CO2 倍增环境中的春小麦幼
苗,渗透胁迫时质膜透性的变化. 为进一步探讨 CO2
浓度升高对植物抗旱性的影响提供参考.
2 材料与方法
21 实验材料及处理
供试材料在两台加拿大生产的 E15 人工气候室内培养, 除
CO2 浓度外, 两室的其它条件均相同. 室内 CO2 浓度经 CID-
301型 CO2 分析仪测定, 24h 均保持在 350l! L - 1和 700l!
L - 1 ,温度控制范围 10~ 22∀ , 相对湿度控制范围 45% ~ 95% ,
光照时间 14h( 70mol!m- 2!s- 1) . 将预先浸种、发芽的春小麦
8139( T r iticum aestivum L!cv!8139)种子播于直径 9cm, 高 8cm
的盆中,分别置于 CO2 浓度为 350 l!L- 1 (常规 CO2 浓度, CN )
及700l!L - 1( CO2 浓度倍增, CD)的人工气候室.播种后第 6 天
开始浇Hoagland 完全营养液.幼苗长至 3 叶 1 心期时, 用 20%
聚乙二醇 6000 代替 Hoag land 营养液根际胁迫幼苗 48h. 随机
剪取叶片,待测.
22 实验方法
221 质膜相对透性的测定 按李锦树[ 6]的方法.
222 丙二醛 ( MDA) 的提取与测定 取 0. 5g 叶片切段, 加
pH7. 0, 50mmol!L- 1磷酸缓冲液(含 1% PVP)及少量石英砂, 于
冰浴中研磨提取,匀浆液于 20 000 # g 下低温离心 20min.取上
清液5ml, 按Dhindsa[ 2]的方法测定 MDA 含量. 按Emol( 532~
600) = 155 换算 MDA 的量.
223 超氧阴离子( O -2! )含量的测定 按王爱国[ 16]的方法.
224 过氧化氢( H2O 2)含量的测定 按 Mukherjee[ 9]的方法.
3 结果与分析
31 不同 CO2 浓度下生长的小麦渗透胁迫时质膜透
性的变化
无论在常规 CO2 浓度( CN)还是在 CO2 倍增( CD)
环境中生长的小麦幼苗, 渗透胁迫时质膜透性均增大,
但增大幅度不同, CN 环境中的小麦增长 6. 42 倍, CD
环境中的小麦增长 5. 04倍.横向比较发现, CO2 倍增
应 用 生 态 学 报 2000 年 12 月 第 11 卷 第 6 期
CH INESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , Dec. 2000, 11( 6) : 878~ 880
本身可降低质膜透性 ( CD 为 CN 的 83. 9%, 差异显
著) , 胁迫后 CO2 的这种作用表现得更明显( CD为 CN
的 65. 9%) (图 1) .
图 1 不同 CO 2 浓度下渗透胁迫时小麦叶片膜透性的变化
Fig. 1 Change of membrane permeability of w heat leaves exposed to osmotic
st ress un der dif ferent CO2 concent rat ions ( n= 3) .
CNK:常规CO2 浓度下的对照 Control in normal CO 2 concent rat ion environ
ment , CNS:常规 CO2 浓度下渗透胁迫 Osmot ic stress in normal CO 2 concen
t rat ion environment , CDK: CO2 倍增环境中的对照 Cont rol in doubled CO 2
concent rat ion environment ,CDS: CO 2倍增环境下渗透胁迫 Osmotic st ress in
doubled CO2 concentration environment.下同The same below.
32 不同 CO2 浓度下生长的小麦渗透胁迫时 O-2! 含
量的变化
从图 2可看出, 渗透胁迫使两种 CO2 浓度下生长
的小麦 O-2! 含量均增加. CD环境中的增幅( 95% )明显
小于 CN环境中的增幅( 122. 8% ) .未胁迫时, CD环境
中的 O-2! 含量为 CN 环境的 88. 9% (差异显著) , 胁迫
后降低为 77. 8% ,说明 CO2 浓度倍增有助于抑制 O-2!
的产生(抑制率为 11. 1%) , 渗透胁迫时抑制效果更为
明显(抑制率为 22. 2% ) .
图 2 不同 CO 2 浓度下渗透胁迫时小麦叶片中 O-2 含量的变化
Fig. 2 Change of O-2 content in w heat leaves exposed to osmot ic stress under
dif ferent CO 2 concentrat ions ( n= 3) .
33 不同 CO2 浓度下生长的小麦渗透胁迫时 H2O2
含量的变化
如图 3所示, 渗透胁迫增加了小麦叶片中 H2O2
的含量,但在不同 CO2浓度下其增长幅度不同, 在 CD
环境中H2O2含量增长 146. 6%, 在 CN 环境中却增长
229. 4%. 横向比较发现, CO2 倍增本身可抑制 H2O2
的产生(抑制率为 15. 03%, 差异显著) , 渗透胁迫时,
这种抑制作用更明显(抑制率为 36. 4%) .
图 3 不同 CO 2 浓度下渗透胁迫时小麦叶片 H2O2 含量的变化
Fig. 3 Change of H 2O 2 content in w heat leaves exposed to osmot ic stress un
der diff erent CO 2 concent rat ions ( n= 3) .
34 不同 CO2 浓度下生长的小麦渗透胁迫时 MDA
含量的变化
与对照相比,渗透胁迫使两种 CO2 浓度下生长的
小麦 MDA 含量下降. CD环境中下降 12. 1%, CN 环
境中下降 8. 56%. 但与对照均未达到显著差异水平.
未胁迫时 CN 环境中的小麦 MDA 含量虽略高于 CD
环境, 但二者差异仍不显著(图 4) ,说明 CO2浓度及渗
透胁迫对小麦叶片 MDA含量影响不大.
图 4 不同 CO 2 浓度下渗透胁迫时小麦叶片 MDA 含量的变化
Fig. 4 Change of MDA content in wheat leaves exposed to osmotic stress
under diff erent CO2 concent rat ions ( n= 3) .
4 讨 论
植物细胞中活性氧的产生是不可避免的.正常情
况下,细胞中活性氧的产生与清除处于一种动态平衡,
不会引起细胞膜伤害.但当受到逆境胁迫(如渗透胁
迫)时,这种平衡遭到破坏,活性氧的产生量超过了清
除量,过多的活性氧累积起来,就会引起细胞膜结构的
损伤,导致膜透性增大. 我们的实验结果指出生长在
CO2 倍增环境中的春小麦幼苗无论在 O-2! 和 H 2O2 的
累积量上,还是在膜损伤的程度上都小于生长在常规
8796 期 徐仰仓等:不同 CO2 浓度下渗透胁迫对小麦膜伤害的影响
CO2 浓度下的春小麦. 这可能是因为在这种环境中,细
胞内活性氧的产生量减少了的缘故. 彭长连[ 10]认为
CO2 浓度增加可提高叶绿体中 PCO2/ PO2 的比率, 增
加 CO2 的同化率,减少因 O2 作为电子受体而形成的
活性氧, 而且 CO2 浓度升高可降低光呼吸形成的
H2O2,或许这是 CO2 倍增时细胞内 O-2! 和 H 2O2 含量
减少的主要原因,但并非是唯一的原因. CO2浓度升高
可降低细胞中总叶绿素的含量[ 7, 13] . 叶绿素含量的降
低减少了对光能的吸收, 缓和了光反应过盛与暗反应
不足之间的矛盾,从而减少了光合电子通过 Mehler 支
路形成 O-2! 的几率. 同时也使激发态叶绿素通过共振
将能量传给 O2形成1O2的几率减少了,进而使细胞中
活性氧的含量降低, 减轻了对膜结构的损伤. 另外, 方
允中[ 3]认为 CO2 可能具有捕捉最活泼的活性氧!OH
的功能.因此, CO2 倍增可减轻!OH 对细胞膜结构的
伤害.
根据实验结果, 可以认为 CO2 倍增可抑制因渗透
胁迫而引起的氧化伤害. 康绍忠[ 5]发现 CO2 浓度倍增
时,高水分条件下叶片气孔阻力的增幅总体上大于低
水分条件下的增幅. 同时, CO2倍增使低水分条件下的
光合速率的增幅明显大于高水分条件下的增幅.由上
述实验结果及彭长连[ 10]的实验结果,可以推出这样的
结论: 渗透胁迫下, 生长在 CO2 倍增环境中的小麦其
叶绿体内 PCO2/ PO2 的比率大于生长在常规 CO2 浓
度下的小麦. 叶绿体内高浓度的 CO2 可以抑制 O-2! 、
H2O2等活性氧的产生,因而减轻了这些活性氧对细胞
膜结构的破坏, 使生长在 CO2 倍增环境中的小麦渗透
胁迫时膜透性小于常规 CO2环境中生长的小麦.
M DA是不饱和脂肪酸过氧化产物之一,人们常用
它作为膜脂过氧化大小的指标. 徐世昌[ 19] 在玉米、
Pastori[ 11]在小麦中发现渗透胁迫对膜结构的破坏与
MDA含量的增高一致. 而王邦锡[ 15]在黄瓜、吕庆[ 8]在
小麦中发现渗透胁迫使膜透性增大的同时却使 MDA
含量降低. 我们的实验结果是: 无论在常规 CO2 浓度
还是在 CO2倍增环境中, 渗透胁迫均增大了膜透性.
但 CO2 浓度与渗透胁迫对 MDA 含量影响不大.这些
矛盾的结果可能与 MDA 的测定方法有关. 硫代巴比
妥酸( TBA)比色法虽然是测定 MDA 最常用的方法,
但用来测生物样品中的 MDA 专一性不强[ 4] .另外,干
旱引起的膜伤害是膜脂过氧化和脱酯化共同作用的结
果[ 8] .仅用过氧化程度来反映膜受损程度未必准确.
总之, CO2倍增能够抑制小麦叶片中活性氧的产生,维
持膜结构的完整性; CO2 倍增减轻了渗透胁迫对小麦
的氧化伤害,有助于提高小麦的抗旱能力.
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作者简介 徐仰仓,男, 1966 年生,讲师, 在职博士生,主要从事
作物生理生态的研究,发表论文 5篇. Email: yangcangxu@ 263.
net
880 应 用 生 态 学 报 11卷