全 文 :第 !" 卷第 #期!" 年 # 月
生 态 学 报
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/012 !",.02 #)342,!" !""#: 6565);国家 785 计划资助项目(!8#:!);高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划资助项目(!!;5!5)收稿日期:!8;7;!:;修订日期:!";5;!7
作者简介:朱会娟(#<7=),女,宁夏人,硕士生2主要从事树木抗性生理研究2 (;>?@1:ABCBC@DC?E;#!#5F #852 30> "通讯作者 &0GGHIJ0EK@EL ?C4B0G2 (;>?@1:*I3BHEF MDNC2 HKC2 3E /)0.1-",). ,"’2:’B@I O0GP O?I N@E?E3@?11Q ICJJ0G4HK MQ .?4@0E?1 .?4CG?1 -3@HE3H R0CEK?4@0E 0N &B@E? (.02 56565),4BH S,;’(&S THIH?G3B ?EK
UHVH10J>HE4 WG0LG?> 0N &B@E? (785 WG0LG?>)(.02 !8#:!)?EK 4BH ’H?3B@EL ?EK THIH?G3B %O?GK WG0LG?> N0G )C4I4?EK@EL Y0CEL ’H?3BHGI @E S@LBHG (KC3?4@0E ,EI4@4C4@0E 0N Z)(,WT&(.02
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9-:*胁迫下胡杨(!"#& ’#()*+,-*)和 群众杨(!. #"#%*),&)抗氧化能力及耐盐性
朱会娟#,王瑞刚#,陈少良#,!,",张云霞#,李妮亚#,邵] 杰#
(#2北京林业大学生物科学与技术学院,北京] #$75;!2湖北省生物资源保护与利用重点实验室,湖北民族学院,恩施66:) 摘要:在盐浓度逐渐提高的胁迫条件下,对抗盐的胡杨(!"#%& ’#()*+,-*)和盐敏感的群众杨(!. #"#;$<55(!")#;6##5;<] 中图分类号:a#6!2 <,a<67,-"#7] 文献标识码:%
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盐胁迫对植物造成的损伤主要包括渗透胁迫和离子毒害,而这两种原初反应的结果,即产生活性氧
(1’-(",5’ )E6+’. /#’(,’/ ,@32),高浓度 @32 对植物细胞生物膜、蛋白质、4I9 造成不同程度的损伤[B Q C],低
浓度 @32则能诱导某些抗氧化酶基因的表达,提高酶活性[P Q R]。正常情况下,植物体内活性氧 @32的产生和
清除处于一个动态平衡,不会对植物体造成伤害,但是在盐胁迫条件下,这种平衡被破坏,造成 @32 的积累,
引起抗氧化酶系统和抗氧化剂活性增加[M Q BS]。其中抗氧化酶主要有超氧化物歧化酶(/<#’1)E,7’ 7,/;<"-/’,
234)、过氧化物酶(#’1)E,7-/’,=34)、过氧化氢酶(8-"-*-/’,89:)、抗坏血酸过氧化物酶(9=>)和谷胱甘肽还
原酶(+*<"-"!,).’ 1’7<("-/’,?@),抗氧化剂主要有抗坏血酸 (9/()1A-"’,929)、还原性谷胱甘肽(@’7<(’7
+*<"-"!,).’,?2T)等。它们主要存在于叶绿体和胞浆中,形成高效的抗坏血酸G谷胱甘肽循环(又称 U)6’1G
T-**,%’**G9/-7-循环)[BB]抵御 @32对植物造成的损伤。
胡杨(!#%&%* +%#,(’-).’)是分布在荒漠平原,盐碱地区少有的乔木树种,是众所周知的抗盐树种,对维持 当地脆弱的生态平衡起着重要的作用。在胡杨抗盐机制方面已有大量的研究积累[BL Q BD],而对胡杨抗氧化酶 和活性氧响应盐胁迫的研究比较少,仅马焕成[BD]和万东石[BV]对胡杨在胁迫条件下抗氧化酶(89:、234)和活 性氧(3 K·L 、TL3L)变化情况作了初步的研究,而对胡杨其它抗氧化酶 9=>、?@的活性变化及从抗氧化方面来 探讨盐胁迫引起膜伤害机制未见报道。本文主要是从盐胁迫条件下活性氧调控的角度,利用抗盐的胡杨与盐 敏感的群众杨,比较胁迫条件下两种杨树抗氧化酶对活性氧水平的调控,进一步阐明胡杨的抗盐机制。 ) * 材料与方法 )& )* 植物材料的培养 实验材料选用群众杨(!#%&’()* CO Q PP)B 年生插条苗和取自新疆的胡杨(!" +%#,(’-).’)的 B 年生实生
苗。LSSO 年 P 月 R 日将苗木定植于 BS W塑料桶中。苗木的培养基质为沙土(土和沙的比例为 LXB)。苗木在
北京林业大学生物科学与技术学院温室中培养,培养期间定期浇水以保持土壤湿度,并每两周浇一次
T)-+*-.7完全营养液(每桶 BW)。M 月初将苗木移入温室中,开始实验。
)& +* 盐处理和采样
对两种杨树进行为期 BD7 的盐处理,用 T)-+*-.7 完全营养液为溶剂配成的 BSS、BOS、LSS、LOS ;;)* W I-8*溶液分别在实验的第 B、O、BS、BO 7处理苗木,每次每桶 B W,以只浇 T)-+*-.7完全营养液的苗木为对照。 在盐处理后的第 L、M、BC、BD 天采样,采样时每种杨树每个处理为 C 个重复(C 株苗木)。苗木的叶片采摘后, 立即用液氮冷冻于 K MSY冰箱中,一部分用于测定酶活性,一部分用于测定超氧阴离子自由基,剩余样品烘干 用来测定离子含量。 )& ,Z 叶片组织中 I- J、8* K量的测定 I- J和 8* K提取及测定参照 8!’.[LS]方法。精确称取 S& L Q S& C +样品干粉于 OS ;*的硬质试管中,加 LO ;* B ;)* W TI3C,VO Q BSS[水浴 BL !,冷却后研磨,浸提过液,抽滤收集滤液,残渣再用去离子水重复提取 C
PBBP Z 生Z 态Z 学Z 报Z Z Z LM 卷Z
!""#: %%%& ’()*)+,(-& (.
次,合并滤液,并定容至 /0 12的容量瓶中,用于 3- 4和 5* 6测定。
5* 6 7 取 80 1*提取液于 9/0 1*三角瓶中,加入过量的 0& 08/ 1)* 2 :+3;<(9 = 901*)沉淀 5* 6,再加入 9>9 ?3;< 90 1*,电极板上加热(温度不易过高),滴加饱和的 @A.;B并不断的摇动,直至瓶中颜色褪尽,冷却 后加入 9 1*铁铵矾指示剂,用 0& 09 1)* 2 3?B53C滴定至微红色为止(9 = 8 1,.不褪色)。
3- 4 7 用 DEF88G0 (D’HI,.FE*1’H)火焰光度计在 /GJ& 0 .1测定 3- 4的浓度。
!& "# 酶提取液
取 0& /+叶片于预冷的研钵中,加入 <1* 预冷的酶蛋白提取液:/011)* 2 DKCF@(#? L M& 0)、911)* 2
ENO: 、9P DQD 、911)* 2:C:,并在冰浴上研磨成浆,在BR,90000H 1,. 下,离心 801,.,分离上清液 BR下
保存备用,该上清液即为酶提取液。
!& # C;N活性测定 C;N活性测定采用氮蓝四唑(3,"H) K*S’ O’"H-T)*,S1 (!*)H,U’,3KO)比色法[89]。反应体系:9& G 1* 0& 0/ 1)* 2磷酸缓冲液,0& < 1* 9<0 11)* 2 甲硫铵酸,0& < 1* M/0 !1)* 2 的氮蓝四唑,0& < 1* 900 !1)* 2ENO:F 3-8,0& < 1* 80 !1)* 2的核黄素,测定管加 9& B 中酶提取液 0& 091*,对照管加 0& 091*的磷酸缓冲液。对照管
和测定管各取两只(各管的透光尽量一致),混合均匀后,把一支对照管放在暗处,其它 < 支置于 B000 *V(<0
!1)* (1 68·W 6 9))日光灯下反应 X1,.(此时为对照照光管的吸光度达到最大值),然后在 /X0.1比色,记下吸 光值。 !& %# :DY活性测定 :DY活性测定参照 A,W!H-[88]和沈文飚[8<]的方法:<1* 反应液中含双蒸水 8& J801*,0& 081* 9/11)* 2 抗
坏血酸(:C:),9& B 中酶提取液 0& 0<1*,最后加入 0& 0<1* <011)* 2 ?8;8启动反应,以不加酶提取液为对照, 然后在 8J0.1处测定其活性。以每分钟氧化 9 !1)* :C:的酶量为一个酶活单位。 !& &# Z[活性测定 Z[活性测定参照蒋明义[8B]的方法,<1* 反应液中含 8& 0/1* /011)* 2 DKCF@(#?M& G),0& <1* 811)* 2 3-8ENO: ,0& <1* 0& 9/11)* 2 3:ND? ,0& <1* 0& /11)* $ 2 ZCCZ ,加入 9& B 中酶提取液 0& 0/1*,以不加
3:ND?为对照,在
5:O活性测定采用蒋明义[8B]的方法,<1* 反应液中含 8& J/1*双蒸水,0& 081* 8P ?8;8,加入 9& B 中酶提
取液 0& 0<1*,以不加酶液为对照,在 8B0.1处测定其活性。
!& (7 ; 6·8 产生速率测定
; 6·8 产生速率测定采用王爱国,罗广华
[8/]的方法,取 9& B 中获取的酶提取液 91*加入 91* X/11)* 2 DKCF 3-(#?M& G)和 91* 9011)* 2羟氨氯化物混匀后,8/R水浴 9!,取 91*混合液加入 9M11)* 2的对氨基苯磺酸91∗、M11)∗ 2的 "F萘氨 91*,8/R水浴 801,.,加入和 <1*乙醚,混匀离心(M000+,<1,.)取下层液相在 /<0.1
比色测吸光值。
!& !)# 蛋白质含量测定
蛋白质含量测定采用李合生[8X]考马斯亮蓝 ZF8/0 染色法。取 0& 91*9& B 中酶提取液加入到 0& J1* 双蒸
水中,再加入 /1*考马斯亮蓝混匀 /1,.后在 /J0.1比色测吸光值。
*# 结果与分析
*& !# 叶中盐离子含量
如图 9 所示,随着盐胁迫时间的延长,两种杨树叶中 3- 4、5* 6含量也随着升高,其中胡杨叶中 3- 4、5* 6
含量变化不如群众杨明显,只在盐胁迫第 9G 天时显著上升,其含量分别是对照的 B& <、8& < 倍,而群众杨则不
同,盐胁迫第 M 天时叶中 3- 4、5* 6含量就显著上升,此时其叶中 3- 4、5* 6含量就已经是对照的 <& /、8& X 倍,盐
胁迫 9GU时,群众杨叶中 3- 4、5* 6含量显著高于对照,其含量分别是对照的 9M& G、9B& X 倍。因此,胡杨的拒盐
/99B7 90期 7 7 7 朱会娟7 等:3-5*胁迫下胡杨(!"#& ’#()*+,-*)和群众杨(!. #"#%*),&)抗氧化能力及耐盐性 7
!""#: %%%& ’()*)+,(-& (.
性明显强于群众杨,这对于抵御盐胁迫引起的活性氧伤害非常重要。
图 /0 盐胁迫过程中胡杨和群众杨叶片 1- 2和 3* 4含量的变化
5,+& /0 3!-.+’6 )7 1- 2 -.8 3* 4 ().(’."9-",).6 ,. *’-:’6 )7 !& "#,#-’&). 8;9,.+ "!’ #’9,)8 )7 6-*" 6"9’66 "表示 ! <=& =>水平上对照和盐处理之间的显著性0 ?6"’9,6@ 9’#9’6’."6 6,+.,7,(-." 8,77’9’.(’ -" ! <=& => A’"%’’. ()."9)* -.8 1-3* "9’-"B’." 图 C0 盐胁迫过程中胡杨和群众杨叶片 D 4·C 产生速率的变化 5,+& C0 3!-.+’6 )7 D 4·C #9)8;(",). 9-"’ ,. *’-:’6 )7 !+ "#%&’()*’ -.8 !+ ,#-’&). 8;9,.+ "!’ #’9,)8 )7 6-*" 6"9’66
"表示 ! < =& => 水平上对照和盐处理之间的显著性0 ?6"’9,6@ 9’#9’6’."6 6,+.,7,(-." 8,77’9’.(’ -" ! < =& => A’"%’’. ()."9)* -.8 1-3* "9’-"B’."
!& !0 D 4·C 产生速率
超氧阴离子是生物体受到氧胁迫后首先生成的氧自由基,可以经过一系列反应生成其它类型的活性氧。
从图 C 中可以看到,在盐胁迫初期两种杨树中 D 4·C 产生速率和对照没有明显差别,但在盐胁迫 E8 时,胡杨
D 4·C 产生速率与对照相比差异显著,是对照的 C& F 倍,随后又逐渐下降。到盐胁迫第 /G 天时胡杨中 D
4·
C 产生
速率又有所上升,是对照的 /& F 倍,而群众杨则没有这样的变化过程,只有在盐胁迫 /G8 时,其 D 4·C 产生速率
显著上升,达到对照的 /& G 倍。结果说明胡杨体内对 D 4·C 的清除能力大于群众杨。
!& "# HDI活性
超氧化物歧化酶(HDI)主要功能是清除 D 4·C ,是防护氧自由基对细胞膜系统伤害的一种很重要的保护
F//J 0 生0 态0 学0 报0 0 0 CE 卷0
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酶。随着盐胁迫时间的延长,两种杨树体内 /01活性呈下降趋势,除胡杨 /01活性在盐胁迫第 2 天时略有提
高外,对照和盐处理苗木叶片 /01活性差别不大(图 3)。
图 34 盐胁迫过程中胡杨和群众杨叶片 /01活性的变化
5,+& 34 6!-.+’7 )8 /01 -(",9,": ,. *’-9’7 )8 !" #-(’*. ;<=,.+ "!’ #’=,); )8 7-*" 7"=’77
!& "# >?@活性
抗坏血酸过氧化物酶(>?@)通过 A-**,%’**B>7-;- 途径移去叶绿体中 AC0C,是植物叶绿体中专一清除
AC0C 的关键酶
[C2,CD]。如图 E 所示,在盐胁迫第 2 天时胡杨叶中 >?@活性显著高于对照,是对照的 3& F 倍,随
后逐渐下降,但其活性仍比对照高。在盐胁迫两周内,群众杨 >?@变化不是很明显,只有当盐胁迫持续到 GD;
时其活性明显上升,达到对照的 C& F 倍。结果表明群众杨启动 >?@活性较胡杨慢,在叶片即将出现盐伤害症
状时,群众杨 >?@活性才有所提高。
图 E4 盐胁迫过程中胡杨和群众杨叶片 >?@活性的变化
5,+& E4 6!-.+’7 )8 >?@ -(",9,": ,. *’-9’7 )8 !" #-(’*. ;<=,.+ "!’ #’=,); )8 7-*" 7"=’77
"表示 ! HI& IF水平上对照和盐处理之间的显著性4 >7"’=,7J =’#=’7’."7 7,+.,8,(-." ;,88’=’.(’ -" ! HI& IF K’"%’’. ()."=)* -.; L-6* "=’-"M’."
!& # 6>N活性 过氧化氢酶(6>N)主要位于过氧化酶体,6>N能消除植物体内由光呼吸形成的过多的 AC0C,以维持植 物体内的 AC0C处在一个低浓度水平。6>N和 /01结合起来可以把有害的 0 O· C 和 AC0C 转化成 AC0和 0C,由 此防御对细胞的伤害,保护膜的结构[CP],以及防止氧化胁迫对植物的损伤。图 F 所示,胡杨体内 6>N在盐胁 迫初期活性高于对照,之后逐渐回落,在盐处理 G3;时,其活性又急剧上升,是对照的 GQ R 倍。而群众杨在盐 处理期间 6>N活性一直低于对照水平。 !& %# ST活性 谷胱甘肽还原酶(ST)是一种黄素蛋白氧化还原酶,对植物来说,ST在氧化胁迫反应中对清除活性氧起 到了很重要的作用[3I]。如图 R 所示,胡杨体内 ST活性,在整个盐胁迫过程中与对照相近,而群众杨 ST活性 2GGE4 GI期 4 4 4 朱会娟4 等:L-6*胁迫下胡杨(!,%-. #%&’()*+()和群众杨(!" %,%-(’*.)抗氧化能力及耐盐性 4 !""#: %&’()*+( -.9 !" %,%-(’*. 9:;,.+ "!’ #’;,)9 )6 5-*" 5";’55 图 <0 盐胁迫过程中胡杨和群众杨叶片 =>活性的变化 4,+& <0 1!-.+’5 )6 => -(",7,"8 ,. *’-7’5 )6 !" #%&’()*+( -.9 !" %,%-(’*. 9:;,.+ "!’ #’;,)9 )6 5-*" 5";’55 " ! ? @& @/ 水平上对照和盐处理之间的显著性0 25"’;,5A ;’#;’5’."5 5,+.,6,(-." 9,66’;’.(’ -" ! ? @& @/ B’"%’’. ().";)* -.9 C-1* ";’-"D’." 在盐处理 E 周后开始上升,到盐胁迫第 EF 天时其活性显著高于对照,此趋势维持到实验结束。 !" 讨论 在土壤低盐浓度胁迫条件下,胡杨叶中 C- G、1* H含量几乎与对照相同,直到盐胁迫浓度增加到 I@@DD)*
J时,叶中盐分含量才开始缓慢增长,而群众杨叶中 C- G、1* H含量则在盐浓度增加到 E/@DD)* J 后显著增高 (图 E)。表明在盐胁迫下胡杨能够运用自身的拒盐性适应盐胁迫环境,这与我们前面的研究结果一致[FE K FF]。 胡杨的拒盐性是来自于根细胞的离子区隔化作用。盐胁迫条件下,胡杨将有害盐分积累在根系皮层细胞的液 泡中,因而限制了盐离子的根冠运输[FE、FL]。而群众杨根细胞的离子区隔化能力弱,致使盐离子在叶片细胞中 过度积累[FE],有害盐分在细胞中大量积累,导致渗透胁迫、离子毒害以及氧化胁迫。特别是活性氧浓度过高, 膜脂过氧化作用增强,破坏膜系统的完整性,进而引起电解质外渗,严重时导致苗木死亡[FI]。 在正常情况下,植物细胞内自由基的产生与清除处于动态平衡,而当植物一旦处于盐胁迫下,>MN 含量 增加,当 >MN积累超过抗氧化系统的清除能力时,>MN 就会大量积累,造成了抗氧化酶活性的降低和膜透性 的增加[F/ K FO]。NMP、123、=>和 2QR等保护酶类在植物体内协同作用清除过量的活性氧,维持活性氧的代谢 平衡、保护膜结构,从而使植物在一定程度上忍耐、减缓或抵御逆境胁迫伤害[FS]。NMP 通过歧化反应使 M H·I 转变为 TIMI,在清除 >MN的酶中起着很重要的作用。在盐胁迫下,胡杨在盐处理第 U 天时其叶中 M H· I 产生速 率是对照的 I& < 倍(图 I),较多的 M H·I 同时诱导了 NMP酶活性的增加(图 F),高活性的 NMP酶清除了胡杨体 内过量的 M H·I ,减轻了 C-1*胁迫对胡杨细胞的伤害。在 NMP活性增加的同时,胡杨叶中 123,2QR这两种主 要的清除 TIMI的酶活性明显提高(图 L,图 /),这主要是因为 NMP歧化 M H· I 的产物 TIMI,TIMI同时也是抗氧 OEEL 0 生0 态0 学0 报0 0 0 IU 卷0 !""#: ; <-2*),而在盐浓度增加到 =55::)* ;时,2/3活性达到最高水平。因此,低盐浓度下胡杨叶中 /01 酶在清除 >=?=方面起主要作用,而在高盐浓度下,2/3酶起主要作用。这与@,""-*等 [48]研究结果相似。由上 可见,胡杨在 A?B、/01,2/3 协同作用下,共同清除盐诱导的 C?A。另外,胡杨维持盐胁迫下较高的 2/3、 /01活性,可以及时清除 >=?=,进而避免由于 >=?= 和 ? D· = 相互作用产生·?> ,直接启动膜脂过氧化,对系 统造成更大的伤害。而群众杨在叶片即将出现盐伤害症状时,叶中 /01 活性才明显增加,而其 2/3 活性在 盐处理期间一直低于对照,A?B活性也没有明显增加,致使 ? D·= 产生速率显著增加(图 =),从而引起膜脂过氧 化。总之,在长期盐处理条件下,胡杨能通过抗氧化酶系统及时清除活性氧,保持细胞内活性氧的平衡,避免 对质膜的过氧化损伤。 EC是一种黄素蛋白氧化还原酶,在抗氧化胁迫中的作用体现在通过抗坏血酸F谷胱甘肽循环使植物细胞 重要的两种非酶抗氧化剂———抗坏血酸、谷胱甘肽得以再生[88]。抗坏血酸能与活性氧反应,减少活性氧伤 害[4=]。谷胱甘肽是有效的过氧化物清除剂之一[4G]。在盐胁迫整个阶段胡杨叶中 EC活性一直低于对照(图 H),群众杨则在盐处理一周后保持着较高的活性。可以推测,群众杨抵御氧化胁迫可能主要依赖非酶类抗氧 化剂,如抗坏血酸、谷胱甘肽,而胡杨抵御盐胁迫引起的氧化胁迫主要依靠抗氧化酶系统起作用,但具体的机 制还有待于进一步研究进行澄清。 总之,在长期不断提高的盐胁迫条件下,群众杨叶片中 ? D·= 产生速率后期显著上升,主要是因为盐离子在 叶片中大量积累引起氧胁迫,伤害植物细胞。而胡杨则在盐胁迫初期 ? D·= 产生速率显著高于对照,诱导 A?B, /01活性迅速上升,阻止叶片中活性氧的积累,避免其对膜的伤害。这是典型的植物抗逆的预警机制。在长 期的盐胁迫条件下,由于胡杨具有较高的排盐性,控制了盐离子的上运,也就有效降低了盐诱导的膜脂的过氧 化,最终减少了电解质外渗率,从而提高了抗盐性。 !"#""%&"’:
[8 ]I J:*-K L,;,.. A& B[= ]I QKN7 A,C’,.R B,B)’"R(! 0 S& TUU’("R )U )M,7-",V’ B[G ]I 2!’. A Y& @’:WN-.’ *,#,7 #’N)M,7-",). 7-:-+’ ,. #*-." (’**& 0*-." 0!KR,)*)+K 2)::Z.,(-",).R,8OO8,=6(=):P4 [ O5&
[4 ]I L,-.+ @ Y,\!-.+ L >& TUU’(" )U -WR(,R,( -(,7 ). )MK+’. R#’(,’R,-.",)M,7-",V’ 7’U’.(’ RKR"’: -.7 )M,7-",V’ 7-:-+’ ,. *’-V’R )U :-,]’ R’’7*,.+R&
0*-." 2’** 0!KR,)*,=558,4=(88):8=H9 8=6G&
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