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PEG模拟干旱胁迫对入侵植物牛膝菊(Galinsoga parviflora)抗氧化物酶系统的影响



全 文 :收稿日期:2013-12-13
基金项目:国家自然科学基金资助项目(31070466).
作者简介:董晶晶(1989-),女,辽宁葫芦岛人,沈阳大学硕士研究生;齐淑艳(1963-),女,辽宁沈阳人,沈阳大学
教授.
第26卷 第3期
2 0 1 4年 6月
沈 阳 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 )
Journal of Shenyang University(Natural Science)
Vol.26,No.3
Jun.2 0 1 4
文章编号:2095-5456(2014)03-0184-06
PEG模拟干旱胁迫对入侵植物牛膝菊
(Galinsogaparviflora)抗氧化物酶系统的影响
董晶晶1,齐淑艳1,2,郭婷婷1
(1.沈阳大学 生命科学与工程学院,辽宁 沈阳 110044;
2.辽宁省城市有害生物治理与生态安全重点实验室,辽宁 沈阳 110044)
摘   要:利用不同质量分数PEG-6000溶液,对牛膝菊(Galinsogaparviflora)植株(株高30~40cm)进
行干旱胁迫处理,研究了其叶片 MDA(丙二醛)和可溶性蛋白含量、SOD(超氧化歧化酶)及POD(过氧化物
酶)活性.结果表明,随着干旱胁迫强度增加,MDA含量、SOD活性和POD活性均呈现先上升后下降的趋势.
PEG质量分数为20%时,MDA含量、SOD活性和POD活性达到最大值;PEG质量分数为15%时,可溶性蛋
白含量达到最大值;PEG质量分数达到25%时,MDA含量、可溶性蛋白含量、SOD活性和POD活性降低.不
同PEG质量分数处理,MDA含量、SOD活性、POD活性(除5%PEG外)均高于CK,但差异不显著(P>
0.05),而不同PEG质量分数处理下可溶性蛋白的含量均低于CK,差异也不显著(P>0.05);随着干旱胁迫
时间的延长,在不同PEG质量分数处理下,牛膝菊叶片 MDA含量、SOD活性显著增加,可溶性蛋白含量显著
减少,而POD活性具有明显阶段性变化:0~24h时间段,10%~20%PEG处理组POD活性呈递增趋势;24
~48h时间段,10%~20%PEG处理组POD活性下降显著;48~72h时间段,10%~20%PEG处理组POD
活性变化不明显,25%PEG处理组和CK的POD活性上升显著.
关 键 词:入侵植物;牛膝菊;干旱胁迫;抗氧化物酶
中图分类号: Q 948.112   文献标志码:A
牛膝菊(Galinsogaparviflora)为菊科,属1
年生草本植物,原产南美洲,1915年在中国云南
宁蒗和四川木里采到标本,1964年在辽宁省大连
市星海公园被发现,为东北地区新记录种[1].牛膝
菊现在几乎遍布全国,适生于山坡、草地、田野、路
旁、河堤等处,常常形成单优势种群落,表现出极强
的竞争优势,危害旱田作物、蔬菜、果树,尤其是危
害花卉、绿地、苗圃和公园,成为我国目前亟待控制
的主要恶性杂草之一.牛膝菊为一种入侵性很强的
物种,无论是在国外还是国内,都对其开展了深入
的研究.到目前为止,对牛膝菊的研究主要包括分
布特点和种群动态[2-3]、危害水平和控制技术[4]、
化学成分及化感作用[5-7]、抗逆性及全球气候变
化[8-9]等方面.抗氧化酶系统是植物应对各种环
境胁迫的一个重要抗逆机制,在植物适应逆境的
过程中扮演重要角色[10].本文研究牛膝菊在干旱
胁迫下的生理生态特性变化,旨在了解该外来杂
草在逆境条件下的生理适应机制,为预测其潜在
的分布范围和有效治理该入侵种提供科学依据.
1 材料与方法
1.1 供试材料培养
牛膝菊种子采自沈阳大学校园,播种于装有
混合土(V(草皮土)∶V(营养土)=1∶1)的塑料
花盆内(直径为19cm,高度为16cm),每盆3株.
牛膝菊幼苗在温室(昼夜温度25℃、空气相对湿
度70%)中培养,定期浇水,经过56d后,植株长
到30~40cm时,进行水分胁迫处理.
1.2 水分胁迫处理
分别配制质量分数为5%、10%、15%、20%、
25%的PEG-6000溶液各300mL,将植物根系完
全浸入各梯度的溶液中进行处理,干旱胁迫处理
持续4d,每隔24h进行生理指标的测定.每个处
理重复3次,以蒸馏水处理作为对照(CK).
1.3 测定指标与方法
丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法测
定[11];可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝法测
定[12];超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑
法(NBT)测定[13];过氧化物酶(POD)活性采用愈
创木酚显色法测定[14].计算结果用每分钟内
A470变化0.01为1个过氧化物酶活性单位
(u·g-1)表示.
2 结果与分析
2.1 干旱胁迫对牛膝菊叶片MDA含量的影响
丙二醛(MDA)是植物膜脂氧化的最终产物,
其含量的多少能反映膜的受损程度.图1表明,
PEG质量分数在5%~20%区间随着干旱胁迫强
度增加叶片 MDA含量呈递增趋势,但PEG溶液
质量分数达到25%时叶片 MDA含量则有所下
降,当PEG质量分数为20%时MDA含量达最大
值(0.089 4μmol/g),各干旱胁迫处理叶片 MDA
含量均高于CK.其中20%、25%的PEG-6000质
量分数处理组与CK之间差异显著(P<0.05),
其他处理组与CK之间差异不显著(P>0.05),
而各处理组间牛膝菊叶片中 MDA的含量差异不
显著(P>0.05)(见表1).干旱胁迫0~48h,随着
胁迫时间延长,各处理组 MDA的含量呈递增趋
势,干旱胁迫48~72h,PEG-6000质量分数为
25%、20%、5%溶液处理的牛膝菊叶片中 MDA
含量下降,差异不显著(P>0.05),而质量分数为
10%、15%的PEG-6000溶液处理的牛膝菊叶片
中 MDA含量上升(P>0.05)(见图1).习金根等
人对剑麻幼苗进行不同质量分数PEG处理时,剑
麻幼苗叶片 MDA的含量呈递增趋势,这一结论
与本试验结论相符[15].还有学者曾经对燕麦幼苗
进行干旱胁迫处理,结果表明燕麦幼苗中 MDA的
含量也是随着干旱胁迫强度的增强呈递增的
趋势[16].
图1 干旱处理下牛膝菊叶片丙二醛质量
摩尔浓度b的变化
Fig.1 Changes in molal concentration of bin leaves
of Galinsogaparviflora by the drought stress
 
表1 干旱处理下牛膝菊叶片生理指标的变化
Table 1 The changes of physiologic indexes in leaves of Galinsogaparviflora by drought stress
w(PEG)b(MDA)/(μmol·g
-1) 可溶性蛋白质量分数/(mg·g-1) SOD活性/(u·g-1) POD活性/(u·g-1)
5% 0.055 7±0.030 8ab  0.234 9+0.153 8a 333.655 7±266.033 8b  2.839 6±2.152 6a
10% 0.073 5±0.042 2ab  0.237 9+0.151 9a 550.785 8±365.004 6ab  4.661 8±2.837 0a
15% 0.078 5±0.047 4ab  0.244 3+0.147 4a 799.419 9±532.025 3ab  5.369 4±3.647 0a
20% 0.089 4±0.053 7a 0.240 5+0.150 5a 1 206.750 8±812.204 2a 5.881 4±4.011 5a
25% 0.086 5±0.053 0a 0.236 5+0.152 8a 978.710 9±683.457 0ab  4.476 5±2.303 3a
CK  0.024 6±0.015 8b  0.247 5+0.145 5a 333.360 3±256.011 4b  3.799 8±1.994 7a
注:同列中不同小写字母表示处理间在0.05水平存在显著差异.
2.2 干旱胁迫对牛膝菊叶片可溶性蛋白含量的
影响
可溶性蛋白是植物细胞内的保护性物质,它
能有效调节植物细胞的原生质代谢水平.图2表
明,随着干旱胁迫强度的增大,各处理组之间牛膝
菊叶片可溶性蛋白含量均低于对照组(CK),且处
理间差异不显著(P>0.05)(见表1).随着干旱胁
迫时间延长,可溶性蛋白含量总体上呈现下降的
趋势.胁迫时间在0~24h,不同PEG质量分数处
理,牛膝菊叶片中可溶性蛋白质量分数下降幅度
较大,分别下降了质量分数35%、37%、38%、
39%和36%;胁迫时间在24~72h,不同PEG质
量分数处理,牛膝菊叶片中可溶性蛋白质量分数
变化不大,下降幅度平缓,说明牛膝菊对环境的改
变呈适应状态,因此可溶性蛋白含量保持稳定(见
图2).有学者在干旱条件下对外来入侵植物铜锤
图2 干旱处理下牛膝菊叶片可溶性蛋白含量变化
Fig.2 The soluble protein contents of Galinsoga
parviflora by the drought stress
581第3期  董晶晶等:PEG模拟干旱胁迫对入侵植物牛膝菊(Galinsogaparviflora)抗氧化物酶系统的影响
草进行生理指标研究时发现,铜锤草中蛋白的含
量随着干旱胁迫程度的增加和时间延长表现出下
降的趋势[17].
2.3 干旱胁迫对牛膝菊叶片SOD活性的影响
SOD是植物体内清除活性氧自由基的保护
酶,能使植物体在一定的胁迫范围内免受自由基
的损伤.测定结果表明(见图3),随着干旱胁迫强
度的增大,牛膝菊叶片中SOD活性呈先上升后下
降的趋势,20%处理组的牛膝菊叶片SOD活性最
高,为1 632.40u·g-1.各处理组之间牛膝菊叶
片SOD 活性均高于对照组(CK),其中 20%
PEG-6000溶液处理的牛膝菊叶片中SOD活性
与CK之间差异显著(P<0.05),其他处理组与
CK之间则无显著性差异(P>0.05).各处理组
间,5% PEG-6000溶液处理的牛膝菊叶片中
SOD活性与20%PEG-6000溶液处理的牛膝菊
叶片中 SOD 活性相比,具有显著差异 (P<
0.05),其他处理组间牛膝菊叶片中SOD活性差
异不显著(P>0.05)(见表1).随着干旱胁迫的时
间延长,0~24h时间段不同质量分数的PEG处
理其叶片中SOD活性呈显著上升趋势,与CK相
比分别提高了1.7、2.4、3.7、6和5.2倍,而
20%、25%PEG SOD的活性达到最大,表明此时
SOD活性达到最强;24~48h时间段,PEG质量
分数为5%、10%、15%处理组,叶片中SOD活性
表现为上升趋势但平缓,分别提高了1.21、1.22
和1.03倍,而PEG质量分数为20%和25%处理
组则呈下降趋势,分别下降了81%和83%;48~
72h时时间段,PEG质量分数为5%、10%、15%
处理组,叶片中SOD活性表现为下降趋势,而
PEG质量分数为20%和25%处理组则呈上升趋
势.质量分数20%的PEG-6000溶液处理各个时
间段的牛膝菊叶片中SOD活性均高于质量分数
25%的PEG-6000溶液处理组,这是由于干旱胁迫
图3 干旱处理下牛膝菊叶片超氧化物歧化酶活性变化
Fig.3 The activity of SOD of Galinsoga
parviflora by the drought stress
过大,质量分数25%PEG-6000处理组的牛膝菊
植株不能很好地适应环境,在干旱胁迫初期,部分
植物细胞失水死亡,因此SOD的活性也受到影响
(图3).马丹炜等人在对加拿大飞蓬进行干旱胁
迫的生理研究时发现,加拿大飞蓬叶片中的SOD
活性变化是:上升—下降—上升,这一结论与本实
验的结果不全相同,表明两种入侵植物在抗旱机
理方面具有各自的保护机制.牛膝菊在干旱胁迫
初期,SOD活性变化剧烈,能对外界环境变化快
速作出反应,增加自身保护酶活性[18].
2.4 干旱胁迫对牛膝菊叶片POD活性的影响
POD可作为组织老化的一种生理指标,它与
SOD一起相互作用,清除植物体内的自由基离
子.POD测定结果表明,随着干旱胁迫强度的增
大,牛膝菊叶片中过氧化物酶活性变化呈现先上
升后下降的趋势,其中质量分数20%PEG-6000
溶液处理的牛膝菊叶片中POD活性是为所有处
理组最高,为5.811 4u·g-1.经质量分数25%
PEG-6000溶液处理的牛膝菊叶片中POD变化
值低于质量分数为10%、15%、20%的处理组,这
是由于随着干旱胁迫程度加强,POD活性发生改
变,酶失活.各处理组与对照组相比,牛膝菊叶片
中POD活性无显著性差异(P>0.05),且各处理
组间牛膝菊叶片中POD活性差异不显著(P>
0.05)(见表1).随着干旱胁迫时间的延长,胁迫
初期(0~24h),质量分数为10%、15%、20%PEG
处理的牛膝菊叶片中POD活性呈现明显的上升
趋势,而5%PEG和25%PEG处理,牛膝菊叶片
中的POD呈现下降趋势;胁迫中期(24~48h),
各处理组的POD均呈下降趋势,其中质量分数为
10%、15%、20%PEG处理的POD下降明显,分
别下降了34%、14%和26%.胁迫后期(48~
72h),质量分数为15%、25%PEG处理组的POD
活性呈明显上升趋势,而其他处理组的POD活性
呈下降趋势.在PEG溶液处理0~24h时,质量
分数为10%、15%、20%PEG处理的牛膝菊叶片
中POD活性有一个突增的趋势,这是牛膝菊内部
诱导性表达生成POD的结果,牛膝菊在干旱逆境
过强时,做出对环境适应性的改变,形成新的
POD,维持自身生理结构[19].随着干旱胁迫时间
的增加,牛膝菊为了适应环境的变化,激发内在保
护机制,POD的活性出现明显的变化,与SOD协
同作用,清除植物体积累的自由基负离子.当干旱
胁迫达到更高时,POD的活性开始失活,所以各
个时间点总体的变化不是很明显(见图4).李
龙梅对二月兰进行生理生化研究时发现,随着
681 沈阳大学学报(自然科学版)             第26卷
处理时间的延长和胁迫程度的增加,二月兰的
POD活性总体上也是呈现先上升后下降的
趋势[20].
图4 干旱处理下牛膝菊叶片过氧化物酶活性变化
Fig.4 The activity of POD of Galinsoga
parviflora by the drought stress
3 结论与讨论
本试验探讨了在干旱胁迫下牛膝菊叶片抗氧
化物酶系统的变化,结果显示,随着干旱胁迫强度
的增加,MDA的含量、SOD活性和POD活性呈
现先上升后下降的趋势,在 PEG 质量分数为
20%时 MDA的含量、SOD活性和POD活性达
到最大值;可溶性蛋白含量随着胁迫强度的增加
在15%时达最大值,PEG 质量分数达25%时,
MDA的含量、可溶性蛋白含量、SOD 活性和
POD活性降低.不同PEG质量分数处理,MDA
的含量、SOD活性、POD活性(除5%PEG外)均
高于CK,差异不显著(P>0.05),而不同PEG质
量分数处理下可溶性蛋白的含量均低于CK,差
异不显著(P>0.05).随着干旱胁迫时间的延长,
0~24h时,不同PEG质量分数处理下丙二醛含
量、SOD活性显著增加,可溶性蛋白含量显著减
少,而POD活性在质量分数10%~20%PEG处
理下呈递增趋势;24~72h时,不同PEG质量分
数处理下丙二醛含量、可溶性蛋白含量、SOD活
性变化较小,而POD活性在24~48h时,10%~
20%PEG处理下降显著.
植物在干旱逆境条件下,膜脂发生氧化,生成
大量的丙二醛.丙二醛能使大分子物质发生交联,
破坏细胞正常生理功能,因此,丙二醛是反映植株
受损伤程度的重要指标.植株的受损伤程度越大,
植株的抗旱能力越差,丙二醛的含量越高.PEG
质量分数在5%~15%时,牛膝菊叶片中 MDA
含量上升,但与对照相比差异不显著,说明质量分
数5%~15%PEG时的干旱胁迫对膜脂的伤害程
度较低,牛膝菊能正常生长.PEG 质量分数达
20%~25%时,牛膝菊叶片中 MDA含量急剧上
升,说明高质量分数PEG胁迫已经对牛膝菊的膜
系统造成严重伤害,细胞受到毒害作用非常大,造
成植株的死亡.
植株在干旱逆境时,细胞内的蛋白和核酸等
大分子物质发生聚合,导致植株细胞内可溶性蛋
白的含量降低.细胞正常的生理功能受到影
响[21-23].就本试验而言,牛膝菊叶片在干旱胁迫
初期大量分泌可溶性蛋白,初步抵抗逆境.0~
24h时,经不同质量分数的PEG处理,可溶性蛋
白的含量呈显著下降趋势.这是由于牛膝菊对
PEG-6000溶液比较敏感,为了适应环境,其迅速
做出相应机能的改变,大量蛋白发生聚集交联,蛋
白消耗增多,植株自身代谢不能进行,自身的防御
机能逐渐减弱最终导致植物死亡.
植物在干旱逆境的环境里,容易产生许多的
活性氧自由基物质.这些物质的积累能够使植物
细胞发生膜脂氧化作用,植物体内活性氧清除系
统主要包括SOD、POD和CAT.其中SOD是存
在于植物细胞中最重要的内源活性氧清除酶之
一,SOD能够有效地将自由基负氧离子转化成过
氧化氢,从而保护植物免受活性氧伤害,其酶活力
与植物抗逆性关系密切.在其耐受范围内,水胁迫
程度越严重,SOD活性越高.在PEG质量分数从
5%~15%的变化过程中,SOD活性变化相对比
较缓慢,说明当其胁迫质量分数在这一范围内时,
牛膝菊能较好地生长,其体内产生的超氧化物负
离子少,当胁迫质量分数超过20%时,SOD活性
开始下降,说明此时PEG质量分数对于牛膝菊来
说是重度胁迫由这种胁迫而产生的膜脂过氧化产
物及超氧负阴离子对牛膝菊造成了很严重的损
伤,导致其SOD自身活力严重下降.SOD活性在
不同质量分数的PEG处理下均高于CK,说明当
干旱胁迫达到一定的积累时,其诱导牛膝菊产生
大量的酶进行自我保护,这一结果与马丹炜等对
加拿大飞蓬的研究结果一致[24].
POD是维持植物细胞正常生理的一种保护
酶,一般认为抗旱性弱的种类,POD增加幅度较
大.在干旱胁迫初期,外界环境变化诱导植株产生
大量POD,并与SOD联合作用共同清除膜脂氧
化产生的自由基离子,保护植株的正常生理功
能[25-26].本试验中牛膝菊在不同程度的干旱胁迫
下均能依靠POD活性来防止氧化物的毒害.在
PEG质量分数由5%升至20%过程中,牛膝菊叶
片中POD活性协同SOD活性上升,当PEG质量
分数超过20%时,POD活性协同SOD活性下降,
781第3期  董晶晶等:PEG模拟干旱胁迫对入侵植物牛膝菊(Galinsogaparviflora)抗氧化物酶系统的影响
POD为SOD清除超氧负阴离子的后续反应酶,
其变化趋势与SOD相一致.
从以上实验结果得出:牛膝菊随着处理时间
的延长,在PEG质量分数为20%时,各项生理指
标含量均达到最大值;当PEG质量分数为25%
时,牛膝菊叶片中各种生理指标的含量均下降,表
明质量分数20%PEG是牛膝菊抗旱的极限.20%
PEG模拟的干旱水平换算成壤土土壤含水质量
分数为28%~29%;换算成沙土土壤含水质量分
数为9%~10%;换算成黏土土壤含水质量分数
为52%~53%.因此当不同质地土壤含水质量分
数低于20%PEG模拟的干旱水平时,不适合牛膝
菊生长.
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Effect of PEG Simulative Drought Stress on Antioxidant Enzyme
System of Galinsogaparviflora
Dong Jingjing1,Qi Shuyan1,2,Guo Tingting1
(1.Colege of Biology Science and Engineering,Shenyang University,Shenyang 110044,China;2.Liaoning Key
Laboratory of Urban Integrated Pest Management and Eco-Security,Shenyang 110044,China)
Abstract:Set different drought gradients by use of polyethylene glycol 6000solution and measure
Galinsogaparviflora physiological indicators in drought environment,which are MDA(Malondialde
hyde),soluble protein,superoxide dismutase activity and peroxidase activity.Malondialdehyde mass
fraction,superoxide dismutase activity and peroxidase activity showed an increasing trend firstly and
then decreased;MDA,superoxide dismutase activity and peroxidase activity were al max at 20%
PEG.Soluble protein mass fraction was max at 15% PEG.MDA,Soluble protein mass fraction,
superoxide dismutase activity and peroxidase activity showed a decreasing trend at 25%PEG.MDA,
superoxide dismutase activity and peroxidase activity were al more than CK;differences were not
significant.Soluble protein mass fraction was less than CK at PEG different concentrations.And
differences were not significant.Firstly MDA and superoxide dismutase activity showed increasing
trend at PEG different concentrations;peroxidase activity of 10%~20% PEG showed a increasing
trend during 0~24hours.Peroxidase activity of 10% ~20% PEG treatment group decreased
significantly during 24~48hours.Peroxidase activity change of 10%~20% PEG treatment group
was not obvious during 48~72hours.Peroxidase activity of 25% PEG treatment group and CK
showed an increasing trend during 48~72hours.
Key words:invasive plants;Galinsogaparviflora;water stress;antioxidant enzymes
【责任编辑:胡天慧】
981第3期  董晶晶等:PEG模拟干旱胁迫对入侵植物牛膝菊(Galinsogaparviflora)抗氧化物酶系统的影响