全 文 ：植物学通报 2006, 23 (4): 341~347
Chinese Bulletin of Botany
收稿日期: 2006-01-20; 接受日期: 2006-04-19
基金项目:国家自然科学基金(30571263)
* 通讯作者 Author for correspondence. E-mail: srguo@njau.edu.cn
.研究论文.
外源多胺对低氧胁迫下黄瓜幼苗光合特性和膜脂过氧化的影响
周国贤 郭世荣* 王素平
(南京农业大学园艺学院 南京 210095)
摘要 以抗低氧能力不同的2个黄瓜(Cucumis sativus)品种为试材, 研究了外源多胺对黄瓜幼苗植株生
长、光合特性和膜脂过氧化的影响。结果表明, 外源多胺能显著提高低氧胁迫下黄瓜幼苗叶片的净光
合速率和水分利用率, 降低叶片中丙二醛含量和质膜透性, 使幼苗鲜重和干重明显增加。因此在低氧
胁迫下, 外源喷施多胺能提高幼苗叶片的净光合速率, 促进植株生长, 缓解胁迫对黄瓜幼苗的伤害。
此外, 与抗低氧能力较强的品种绿霸春4号相比, 外源多胺对抗低氧能力较弱的品种中农8号的影响更
明显。
关键词 黄瓜, 低氧胁迫, 外源多胺, 光合特性, 膜脂过氧化
Effects of Exogenous Polyamines on Photosynthetic Characteris-
tics and Membrane Lipid Peroxidation of Cucumis sativus
Seedlings under Hypoxia Stress
Guoxian Zhou, Shirong Guo*, Suping Wang
(College of Horticulture, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095)
Abstract We investigated the effects of exogenous polyamines on growth, photosynthetic charac-
teristics and membrane lipid peroxidation in 2 cultivars of cucumber seedlings with different resis-
tance to hypoxia stress. Photosynthetic rate and water utilization efficiency were increased, but
malonic dialdehyde content and membrane permeability were decreased with polyamine treatment
under hypoxia stress. At the same time, the fresh weight and dry weight was increased. Under hypoxia
stress, the application of exogenous polyamines increased photosynthetic rate in leaves, promoted
growth, and alleviated stress damage. In addition, the effect of exogenous polyamine to cultivar
Zhongnong No. 8 was more obvious than that to Lübachun No. 4.
Key words Cucumis sativus, hypoxia stress, exogenous polyamines, photosynthetic characteristics,
membrane lipid peroxidation
O2在需氧生物体中对氧化磷酸化产生 ATP
必不可少; 在真核细胞中, 它也是线粒体膜上电
子传递的最终受体(Bailey-Serres and Chang,
2005)。在自然界中, 洪水、灌水过多及土壤
板结等都极易使植物根系供氧不足, 造成低氧胁
迫。低氧胁迫已成为影响植物生长的重要逆
境因子之一 (Avijie et al., 2002)。低氧逆境使
植株在形态结构、细胞构造、生理生化和基
342 23(4)
因表达上均发生一系列的变化(Jus t in and
Armstrong, 1987; Perata and Alpi, 1993; Crawford
and Brändle, 1996; Sachs et al., 1996; Drew, 1997;
Baxter-Burrell et al., 2002; Blokhina et al., 2003;
Bailey-Serres and Chang, 2005)。研究表明, 低
氧逆境下, 水稻(Oryza sativa)(Reggiani and
Bertani, 1989)、黄瓜(Cucumis sativus)(汪天等,
2005)和网纹甜瓜(Cucumis melo var. raticulalus)
(高洪波等, 2005)等体内多胺含量增加, 提高了植
株对低氧胁迫的抗性。
多胺(polyamines, PAs)是生物体代谢过程
中产生的一类具有生物活性的低分子量脂肪族
含氮碱化合物, 主要包括腐胺(putrescine, Put)、
亚精胺(spermidine, Spd)和精胺(spermine, Spm)
(苏国兴和刘友良, 2005)。多胺在调节植物生长
发育、控制形态建成、提高植株抗性、延缓
衰老等方面具有重要作用(王晓云和邹琦 ,
2002)。王志琴等(1998)研究表明, 在水分胁迫
下外源精胺、亚精胺可提高水稻叶片的光合
速率, 降低叶片丙二醛(malondialdehyde, MDA)
的含量。
目前, 低氧胁迫对植物光合作用影响的生
理机制尚不清楚。低氧胁迫下植物体内多胺
含量提高, 植株低氧耐性增强。因此, 有必要
研究低氧胁迫下植株体内多胺代谢与光合代谢
的关系。本试验以对低氧敏感性不同的2个黄
瓜品种为材料, 通过对叶片喷施多胺, 研究根际
低氧胁迫下幼苗叶片光合特性和膜脂过氧化的
变化, 分析低氧胁迫对幼苗伤害的光合生理机
制, 探讨外源多胺在根际低氧胁迫下对植株光
合抑制和膜伤害方面的缓解作用。
1 材料与方法
1.1 材料及处理
试验于2005年9～11月在南京农业大学玻
璃温室内进行。以筛选出的抗低氧性较强的
绿霸春 4号和抗低氧性较弱的中农 8号黄瓜
(Cucumis sativus)为试材(马月花和郭世荣,
2004)。种子先消毒, 浸种 8 小时后, 28℃催芽
24 小时, 将发芽的种子分别播于装有石英砂的
塑料育苗盘中。温室内育苗, 昼温27～30℃, 夜
温16～18℃。从真叶显露到幼苗长出2片新叶,
每 2天浇灌 1次 1/2浓度的Hoaglands营养液,
中间浇 1次清水。当幼苗 2片真叶展平时, 选
整齐一致的幼苗定植于装有 1 / 2 浓度的
Hoaglands营养液的水槽中, 营养液 pH值为
6.3± 0.1。预培养 2天后, 将两品种幼苗各分
成4部分, 每部分各15株, 分别进行不同处理:
(1)低氧(hypoxia)+清水为对照(CK), 用溶氧浓度
调节仪(Quantum 925, 美国生产)控制营养液溶
氧浓度(DO)为(1.0 ± 0.1) mg.L-1 ; (2)低氧+ Put,
喷施 1.0 mmol.L-1 Put; (3)低氧+ Spd, 喷施0.5
mmol.L-1 Spd; (4)低氧+ Spm, 喷施0.5 mmol.L-1
Spm。每天傍晚 18: 00向叶片喷施多胺。试
验设 3 次重复。
1.2 光合参数测定
用美国LI-Cor公司产LI-6400型光合仪, 在
喷施多胺第7 天8:00~10:00时测定净光合速率
(Pn)、胞间二氧化碳浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr),
计算WUE(水分利用率), WUE=Pn/Tr, 测量时采
用开放气路, 光照强度为800 mmol.m-2.s-1, 叶
温为 25℃。
1.3 叶片丙二醛(MDA)含量的测定
喷施多胺后第 0、2、4、6和 8 天, 取第
2片展开叶用赵世杰等(1994)的方法测定叶片
MDA 含量。
1.4 质膜透性测定
喷施多胺后第0、4和8 天, 取第2片展开叶
用陈建勋和王晓峰(1994)的方法测定质膜透性。
1.5 植株干鲜重测定
喷施多胺后第8天, 取植株称量鲜重; 105℃
杀青 15分钟, 75℃烘干至恒重, 称干重。
1.6 分析方法
用 SAS 软件进行单因素方差分析 , 并
对平均数用Duncan’s新复极差法进行多重
比较 。
3432006 周国贤 等: 外源多胺对低氧胁迫下黄瓜幼苗光合特性和膜脂过氧化的影响
2 结果与分析
2.1 外源多胺对幼苗植株生物量的影响
由图1可以看出, 低氧胁迫8天后, 外源腐
胺、亚精胺和精胺明显促进了植株生物量的
增加。绿霸春4号植株干重比对照分别提高了
18.46%、18.92%和30.60%, 中农8号比对照分
别提高了35.63%、34.46%和30.98%; 绿霸春4
号植株鲜重比对照分别提高了 1 1 . 2 8 %、
14.25%和26.45%, 中农8号比对照分别提高了
45.92%、39.22%和 32.43%。Spm对绿霸春 4
号效果明显; Put对中农 8号效果明显。结果
表明, 外源多胺可促进低氧胁迫下黄瓜生长, 可
显著缓解低氧胁迫伤害, 并且对抗低氧性弱的品
种比对抗低氧性强的品种影响更明显, 不同多胺
在品种间表现出一定的差异。
2.2 外源多胺对植株光合特性的影响
由表 1可知, 与对照相比, 施用 Put、Spd
和Spm后绿霸春4号植株叶片的光合速率比对
照分别提高了 17.53%、14.83%和 21.35%, 以
Spm处理效果最明显; 中农8号植株叶片的光合
速率比对照分别提高了 31.44%、20.05%和
表 1 外源多胺对低氧胁迫下黄瓜植株叶片光合特性的影响
Table 1 Effects of exogenous polyamines on photosynthetic characters under hypoxia stress
Cultivars Treatment Pn Ci Tr WUE
(µmol.m-2.s-1) (µL.L-1) (mmol.m-2.s-1) (µmol CO2.mol-1H2O)
Lübachun Hypoxia (Control) 14.83±1.02b 169.7±5.46a 2.00±0.11ab 7.41±0.18b
No. 4 Hypoxia+Put 17.47±0.52a 142.0±2.86b 1.79±0.02b 9.74±0.31a
Hypoxia+Spd 17.03±0.23ab 166.1±2.41a 1.67±0.12b 10.32±0.66a
Hypoxia+Spm 18.00±0.96a 180.2±5.19a 2.20±0.14a 8.21±0.33b
Zhongnong Hypoxia (Control) 14.63±0.35c 220.3±9.74a 2.30±0.14a 6.40±0.30b
No. 8 Hypoxia+Put 19.23±0.32a 185.5±7.27ab 2.18±0.14a 8.87±0.45a
Hypoxia+Spd 17.57±0.67b 172.2±11.63b 2.17±0.08a 8.14±0.61a
Hypoxia+Spm 16.17±0.27b 167.4±16.35b 2.20±0.11a 7.39±0.40ab
注: 表中数字为平均值±标准误, 重复 3次。每列小写字母表示邓肯氏新复极差检验在 P=0.05水平上差异显著
Note: Values are means ± SE each of 3 repeats. The different letters in each column are significantly different at P =
0.05 level by Duncan’s new multiple test
图 1 外源多胺对低氧胁迫下黄瓜幼苗干重(A)和鲜重(B)的影响
Fig. 1 Effects of exogenous polyamines on dry weight(A) and fresh weight(B) of cucumber seedlings under
hypoxia stress (Each number is the mean of 10 repeats with standard error)
344 23(4)
10.49%, 以 Put处理效果最明显。
中农 8号对照植株叶片的胞间 CO2 浓度
(Ci)高于其他处理, 而外源喷施Put处理绿霸春
4号植株胞间CO2浓度(Ci)显著低于对照, 其他
各处理间差异不显著。绿霸春4号和中农8号
植株的蒸腾速率(Tr)变化趋势基本一致, 外源喷
施多胺降低了植株的蒸腾速率。施用 P u t、
Spd和Spm后, 绿霸春4号植株水分利用率比对
照分别提高了 31.51%、39.27%和10.80%; 中
农 8 号植株水分利用率比对照分别提高了
38.62%、27.24%和 15.46%。
2.3 外源多胺对叶片MDA含量和质膜透性
的影响
由图2可以看出, 低氧胁迫下, 两品种叶片
MDA含量均明显提高, 中农8号叶片MDA含
量在处理8天后有较大幅度上升, 绿霸春4号叶
片MDA含量在4天后达到稳态。低氧胁迫下,
外源多胺处理的两品种植株MDA含量均低于
对照。Put、Spd和 Spm三者相比较, Spd处
理效果最好, 其次是Spm。在相同的条件下, 处
理4天后, 耐低氧性强的品种绿霸春4号叶片中
MDA含量低于耐低氧性弱的品种中农 8号。
由图3可以看出, 低氧胁迫下, 两品种叶片
质膜透性均明显提高; 外源喷施多胺4天后, 叶
片质膜透性比对照明显降低, 变化趋势与MDA
含量变化趋势基本一致, 也是Spd处理效果最
明显。处理 4天后, Spd和 Spm处理下, 耐低
氧性强的品种绿霸春4号叶片质膜透性低于耐
低氧性弱的品种中农8号; 而对照和Put处理的
质膜透性两品种几乎一致, 说明不同多胺在品种
间表现出一定的差异。
3 讨论
多胺是一类具有多种生理活性的低分子量
脂肪族含氮碱化合物, 它不仅可刺激植物生长发
育, 同时在提高植株抗逆性等方面具有特定的
生理效应。体内多胺的合成可被多种逆境因
子所诱导, 汪天等(2005)研究表明, 多胺参与了低
氧逆境下的生理代谢,是低氧胁迫下的应激产
物。本试验结果表明, 外源多胺促进了根际低
氧逆境下黄瓜幼苗的生长, 缓解了根际低氧胁迫
对植株的伤害。
在遭受低氧胁迫后, 植物叶片表现为: 光合
色素含量降低(Bennicelli et al., 1998), 叶绿体淀
粉粒大量降解(Daugherty et al., 1994), 气孔扩散
阻力增加, 气孔导度降低, CO2吸收减少, 碳水化
合物运输速度下降, 光合酶活性下降, 净光合速
率降低等(Bragina et al., 2002)。研究证明, 短
图 2 外源多胺对低氧胁迫下黄瓜幼苗叶片MDA含量的影响
Fig. 2 Effects of exogenous polyamines on MDA content in leaves of cucumber seedlings under hypoxia stress
3452006 周国贤 等: 外源多胺对低氧胁迫下黄瓜幼苗光合特性和膜脂过氧化的影响
时间根际低氧胁迫光合速率的下降是由于光系
统反应中心受到破坏而引起的(Bragina et al.,
2002); 而在长时间根际低氧胁迫后, 光合速率的
下降是由叶绿体内部类囊体膜的降解和线粒体
膜系统受到损坏所引起的(Ladygin, 1999)。在
叶绿体中, 多胺能与捕光色素蛋白复合体
(LHC)、PSⅠ、PSⅡ和 Rubisco等蛋白相结
合(del Duca et al., 1994; He et al., 2002)。在环境
胁迫条件下, 多胺在维持上述蛋白稳定性和它们
的功能方面起重要作用。研究表明, 在渗透胁迫
下, 外源多胺能防止燕麦叶片叶绿体、Rubisco
和线粒体膜上的复合体降解(Besford et al., 1993)。
本试验结果表明, 与对照(低氧胁迫)相比, 外源喷
施Put、Spd和Spm后植株叶片的净光合速率及
水分利用率都有不同程度的提高, 表明在根际低
氧胁迫下, 可能通过施加外源多胺改变了植物叶
绿体和线粒体内源多胺的含量, 提高了它们的稳
定性, 从而提高了叶片的光合能力。
低氧胁迫阻断了植物叶绿体和线粒体电子
传递链, 造成细胞内能荷降低、还原力升高, 使
有害的 Fe2+、Cu2+等低价离子积累, 这些因素
都促进了O2-. 、H2O2和MDA等过氧化物的产
生, 造成ROS积累, 引起膜脂过氧化和脱酯化作
用, 细胞膜的结构和功能受到破坏(高洪波等,
2005)。多胺在生物体内是以多聚阳离子形式
存在, 可与膜上带负电的磷脂通过非共价键结
合, 从而稳定细胞膜的结构(Roberts et al.,
1985)。多胺不仅是阳离子,而且是H+的载体,
它可以部分代替SOD的作用,通过歧化反应达
到有效清除自由基抑制膜脂过氧化(Sophis et al.,
1985)。本试验结果表明, 外源喷施多胺后, 植
株叶片中MDA含量和质膜透性都明显低于对
照植株, 其中以Spd处理效果最好。这表明, 多
胺在根际低氧逆境条件下有缓解叶片膜脂过氧
化的作用。
综上所述, 外源多胺能够缓解根际低氧胁
迫对黄瓜植株的伤害, 促进植株的生长; 能够明
显提高叶片光合速率, 降低叶片膜脂过氧化程
度, 从而提高植株的抗低氧能力。但耐性不同
的黄瓜品种的光合特性对外源多胺的反应存在
一定差异。
参考文献
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图 3 外源多胺对低氧胁迫下黄瓜幼苗叶片质膜透性的影响
Fig. 3 Effects of exogenous polyamines on membrane permeability in leaves of cucumber seedlings under
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第三届中国民族植物学学术研讨会暨
第二届亚太地区民族植物学论坛
民族植物学是一个新兴的跨学科研究领域, 是研究与探索人和植物之间全面关系的学科, 是自然科
学和社会科学相互渗透的学科。民族植物学在我国还处于初创阶段, 需要更多的关心和支持, 它的发展
将必然会对我国各民族、各地区的经济发展产生重要的影响。由中国民族植物学协会(筹)主办, 江苏省
中国科学院植物研究所承办的第三届中国民族植物学学术研讨会暨第二届亚太地区民族植物学论坛将于
2006年 11月 13~15日在中国南京召开。
大会主题是民族植物学和药用植物。大会设 4个专题: (1)民族植物学和药用植物; (2)传统知识
的研究和应用; (3)民族植物学国内外研究进展及中国民族植物学如何走向世界; (4)民族植物学的基
本理论及其他。
会议现征集论文。会议论文将择优收编于《民族植物学和药用植物》一书。论文全文要求 2500～
5000字, 收编的论文将收取 100元发表费。请提交论文的代表务必于 2006年 8月 10前将论文全文(包括
电子文本和纸质文本形式)及发表费寄至大会秘书处。
会议具体安排: 2006年11月13～14日: 民族植物学研讨会
2006年11月15日: 亚太地区论坛
联系人: 曾虹
通讯地址: 江苏省南京市中山门外前湖后村1号, 江苏省中国科学院植物研究所, 210014
电话: 025-84341505 传真: 025-84447324 E-mail: zenghong1010@yahoo.com.cn
会议详情可从 http: //www.cnbg.net (南京中山植物园网站专业版) 及 http://www.tcmgap.com (中
国药材 GAP网)上查阅。