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Effects of Exogenous Nitric Oxide on Chlorophyll Fluorescence and Antioxidant Enzymes Activity in Amur Grape (Vitis Amurensis Rupr) Leaves under Salt Stress

外源NO对NaCl胁迫下山葡萄叶片叶绿素荧光和抗氧化酶活性的影响



全 文 :  核 农 学 报  2013ꎬ27(6):0867 ~ 0872
Journal of Nuclear Agricultural Sciences
收稿日期:2012 ̄08 ̄30  接受日期:2012 ̄03 ̄20
基金项目:现代农业产业技术体系建设专项资金 (农业部、财政部 nycytx ̄30 ̄01)ꎻ山葡萄种质资源收集、编目与利用(农业部 NB2011 ̄2130135 ̄
37)
作者简介:赵滢(1981 ̄)ꎬ女ꎬ吉林市人ꎬ硕士ꎬ 助理研究员ꎬ主要研究方向为植物抗性生理ꎮ Tel:0431 ̄81919827ꎻ E ̄mail:zhaoying8107@ yahoo.
com. cn
通讯作者:艾军(1968 ̄)ꎬ男ꎬ吉林磐石人ꎬ博士ꎬ研究员ꎬ现从事果树资源学研究工作ꎮ Tel:0431 ̄81919870ꎻ E ̄mail:aijun1005@ 163. com
文章编号:1000 ̄8551(2013)6 ̄0867 ̄06
外源 NO对 NaCl胁迫下山葡萄叶片叶绿素荧光
和抗氧化酶活性的影响
赵滢  艾军  王振兴  秦红艳  张庆田  许培磊  刘迎雪  沈育杰
(中国农业科学院特产研究所ꎬ吉林 长春  130122)
摘  要:为探究 NO对山葡萄耐盐性影响的生理机制ꎬ以 1 年生双丰山葡萄扦插苗为试材ꎬ采用营养液栽
培方法ꎬ研究了外源 NO供体硝普钠(SNP)处理对 50 mmol􀅰L - 1 NaCl胁迫下山葡萄叶片叶绿素含量、叶
绿素荧光参数和抗氧化酶活性的影响ꎮ 结果表明ꎬ外源 NO 能显著提升盐胁迫下山葡萄叶片超氧化物
歧化酶(SOD)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性ꎬ减少丙二醛(MDA)的产生和积累ꎬ保护光合机构免
受活性氧伤害ꎬ从而提高叶片叶绿素含量ꎻ另一方面ꎬ外源 NO使盐胁迫下山葡萄叶片的 PSⅡ最大光化
学效率(Fv / Fm)、PSⅡ实际光化学效率(ΦPSⅡ)、光化学淬灭系数(qP)和保护性热耗散(ΦNPQ)升高ꎬ
而初始荧光(Fo)和非调节性能量耗散(ΦNO)显著下降ꎬ表明外源 NO通过保护性热耗散机制缓解盐胁
迫引起的光抑制ꎬ增强光合电子传递效率ꎬ进而维持 PSⅡ的正常功能ꎬ最终提高了山葡萄耐盐性ꎮ
关键词:山葡萄ꎻ盐胁迫ꎻ一氧化氮ꎻ叶绿素荧光ꎻ抗氧化酶
    山葡萄(Vitis amurensisꎬ Rupr)为葡萄科葡萄属多
年生落叶藤本植物ꎬ是我国东北地区葡萄酒酿造工业的
主要原料ꎮ 吉林省的山葡萄种植主要集中于东部山区ꎬ
但吉林西部地区的优良气候条件更有利于山葡萄糖分
的积累ꎬ进而改善葡萄酒品质ꎮ 吉林西部地区的土壤盐
渍化程度高而山葡萄对盐渍化土壤的适应性低ꎬ从而限
制了优良山葡萄资源在本地区的栽培推广ꎮ 因此ꎬ探究
山葡萄耐盐生理机制对耐盐山葡萄品种的选育及山葡
萄栽培技术的改良都具有重要的指导意义ꎮ
一氧化氮(Nitric oxideꎬNO)是一种重要的信号分
子ꎬ在植物应对各种逆境胁迫的响应中发挥重要的调
节功能[1 - 2]ꎮ 有研究表明ꎬ外源 NO 能减轻马铃薯因
喷施除草剂而引起的活性氧介导的氧化伤害[3]ꎻ此
外ꎬNO 还能增强强光胁迫下霍山石斛抗氧化系统的
活性氧清除能力ꎬ有效保护光合机构的结构和功
能[4]ꎻ另有研究发现ꎬ低浓度 NO处理也能显著提高盐
胁迫下水稻幼苗的叶绿素含量和光系统Ⅱ(PSⅡ)光
能转换效率ꎬ最终缓解了幼苗因盐胁迫造成的生长抑
制[5]ꎮ 但有关外源 NO对山葡萄应答盐胁迫的生理调
控机理迄今为止尚未见报道ꎮ
本试验以 1 年生双丰山葡萄扦插苗为材料ꎬ通过
分析外源 NO 处理后盐胁迫下山葡萄叶片叶绿素含
量、叶绿素荧光参数、丙二醛(MalondialdehydeꎬMDA)
含量和抗氧化酶活性等生理指标的变化ꎬ探究了外源
NO 处理对山葡萄耐盐性的影响ꎬ为耐盐山葡萄品种
选育及指导盐渍化土壤地区山葡萄栽培提供理论依
据ꎮ
1  材料与方法
1􀆰 1  材料培养与处理
试验于 2011 年 5 月 - 7 月在中国农业科学院特
产研究所国家果树种质山葡萄圃内进行ꎮ 供试山葡萄
品种为中国农业科学院特产研究所选育的双丰 1 年生
扦插苗ꎮ 将试材培养于塑料避雨大棚中ꎬ盆栽用土为
普通园土:腐熟鹿粪 = 4∶ 1ꎬ每盆栽种 3 株ꎬ每株保留 2
个新梢ꎬ其它按常规管理ꎮ 待山葡萄苗具有 7 ~ 8 片
成熟功能叶时ꎬ选取生长正常、长势相近的植株ꎬ洗净
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根部移入 30 L 塑料周转箱中进行水培试验ꎮ 培养液
为 1 / 10 Hoagland 营养液ꎬ预培养 3 d 后ꎬ向营养液中
添加 NaCl(国产分析纯)ꎬ同时加入 NO 供体硝普钠
(Sodium nitroprussideꎬSNPꎬ购自 Sigma 公司)ꎬSNP 现
用现配ꎮ
试验设 3 个处理ꎬ分别为:(1)1 / 10 Hoagland 正常
营养液栽培ꎻ(2)1 / 10 Hoagland 营养液 + 50 mmol􀅰
L - 1 NaClꎻ(3) 1 / 10 Hoagland 营养液 + 10μmol􀅰L - 1
SNP + 50 mmol􀅰L - 1 NaClꎬ3 种处理分别以 CꎬC + NꎬC
+ S + N表示ꎮ 每个处理设 3 个重复ꎬ共处理 9 株植
株ꎬ随机排列ꎮ 为了保证处理浓度的稳定性ꎬ处理期间
每 24 h更换一次培养液ꎮ 处理 7 d后选择各处理的山
葡萄植株新梢第 6、7 节位健壮功能叶片进行叶绿素荧
光参数测定ꎻ然后取每株测定部位的 2 片叶片ꎬ液氮保
存带回实验室ꎬ用于测定叶片的叶绿素含量、丙二醛含
量和抗氧化酶活性ꎮ 本试验所采用的 NaCl 胁迫浓度
(50 mmol􀅰L - 1)和 SNP 浓度(10μmol􀅰L - 1)均由预备
试验筛选得出ꎮ
1􀆰 2  测定项目及方法
1􀆰 2􀆰 1  叶绿素含量的测定   采用 Arnon 等[6]报道的
方法提取叶片中的叶绿素ꎬ并根据 Hartmut 等[7]报道
的公式计算叶绿素 a、叶绿素 b和总叶绿素含量ꎮ
1􀆰 2􀆰 2  叶绿素荧光参数测定   利用 Imaging ̄PAM 荧
光仪(德国 Walz 公司)对各处理组山葡萄叶片的荧光
参数进行测定ꎮ 获得的主要参数包括:初始荧光
(Fo)、PSⅡ最大光化学效率(Fv / Fm)、PSⅡ实际光化
学效率(ΦPSⅡ)、光化学淬灭系数(qP)、非光化学淬
灭(NPQ)、保护性热耗散(ΦNPQ)和非调节性能量耗
散(ΦNO)ꎮ
1􀆰 2􀆰 3   丙 二 醛 含 量 的 测 定   叶 片 丙 二 醛
(malondialdehydeꎬ MDA ) 含量测定参照 Heath 和
Packer[8]报道的方法ꎮ
1􀆰 2􀆰 4  酶液制备与活性测定   超氧化物歧化酶
(Superoxide dismutaseꎬSOD)和抗坏血酸过氧化物酶
(Ascorbate peroxidaseꎬAPX)酶液的制备及活性测定参
照 Yang等[9]方法ꎮ
以上各指标均重复测定 3 次以上ꎮ
1􀆰 3  数据分析
利用 SAS 9􀆰 0 软件进行数据单因素方差分析
(One ̄Way ANOVA)ꎬ数据差异显著性基于最小显著差
异法(LSD)在 P < 0􀆰 05 水平上进行多重比较ꎬ作图采
用 Sigmaplot10􀆰 0 软件ꎮ
2  结果与分析
2􀆰 1  外源 NO对 NaCl胁迫下山葡萄植株的影响
由图 1 可见ꎬ外源 NO 有效缓解了盐胁迫对山葡
萄植株造成的伤害ꎮ 与施加 SNP 处理组(C + S + N)
相比ꎬ未施用 SNP 处理的山葡萄植株在 NaCl 胁迫(C
+ N)下明显表现出受害症状ꎬ从下部叶片开始叶缘出
现红色斑点ꎬ边缘干枯ꎮ
图 1  外源 NO对 NaCl胁迫下山葡萄植株的影响
Fig. 1  Effect of exogenous NO on amur grape under salt stress
868
  6 期 外源 NO对 NaCl胁迫下山葡萄叶片叶绿素荧光和抗氧化酶活性的影响
2􀆰 2  外源 NO 对 NaCl 胁迫下山葡萄叶片叶绿素含
量的影响
NaCl胁迫(C + N)下山葡萄叶片的叶绿素 a、叶绿
素 b、总叶绿素含量及叶绿素 a / b 值显著下降ꎬ较对
照 ( C ) 分别降低了 17􀆰 53% 、 20􀆰 91% 、 7􀆰 41% 和
14􀆰 66% ꎮ 除叶绿素 b外ꎬSNP处理组(C + S + N)的山
葡萄叶片叶绿素 a、总叶绿素含量和叶绿素 a / b 值均
显著高于 C + N 处理组(图 2)ꎮ 可见外源 NO 抑制了
盐胁迫下山葡萄叶片叶绿素含量的减少ꎮ
2􀆰 3  外源 NO 对 NaCl 胁迫下山葡萄叶片叶绿素荧
光参数的影响
外源 NO对 NaCl 胁迫下山葡萄叶片叶绿素荧光
参数的影响如表 1 所示ꎮ NaCl胁迫处理(C + N)使山
葡萄叶片的 Fv / Fm、ΦPSⅡ和 qP 显著下降ꎬ与对照
(C)相比分别降低了 57􀆰 86% 、73􀆰 61%和 39􀆰 03% ꎬ而
Fo较对照(C)显著增加了 63􀆰 22% ꎻC + N 处理也降低
了 NPQ和 ΦNPQꎬ但 ΦNO 增加显著ꎮ 施加 SNP 处理
组(C + S + N)山葡萄叶片的 Fv / Fm、ΦPSⅡ、qP、NPQ
和 ΦNPQ均高于 C + N 处理组ꎬ但 Fo和 ΦNO 下降显
著ꎮ 说明盐胁迫对山葡萄叶片 PSⅡ产生了不可逆伤
害ꎬ而施用 SNP可缓解盐胁迫对 PSⅡ的损伤ꎮ
2􀆰 4  外源 NO 对 NaCl 胁迫下山葡萄叶片丙二醛含
量的影响
丙二醛(MDA)是膜脂过氧化产物之一ꎬ其含量高
低与植株受逆境胁迫的伤害程度呈正相关ꎮ 从图 3 可
知ꎬNaCl处理(C + N)使山葡萄叶片的 MDA含量较对
照(C)显著增加了 77􀆰 43% ꎮ 相对于 C + N 处理组ꎬ
SNP处理组(C + S + N)山葡萄叶片的 MDA 含量显著
降低了 36􀆰 83% ꎮ 由此可见ꎬ外源 NO减轻了盐胁迫对
细胞膜系统的损伤ꎮ
图 2  外源 NO对 NaCl胁迫下山葡萄叶片叶绿素含量的影响
Fig. 2  Effects of exogenous NO on chlorophyll content in amur grape leaves under salt stress
968
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表 1  外源 NO处理对 NaCl胁迫下山葡萄叶片叶绿素荧光参数的影响
Table 1  Effects of exogenous NO on chlorophyll fluorescence parameters in amur grape leaves under salt stress (mean ± SD)
处理
Treatment
叶绿素荧光参数 Chlorophyll fluorescence parameters
Fo Fv / Fm ΦPSII qP NPQ ΦNO ΦNPQ
C 0􀆰 174 ± 0􀆰 024b 0􀆰 802 ± 0􀆰 043a 0􀆰 451 ± 0􀆰 068a 0􀆰 579 ± 0􀆰 058a 0􀆰 776 ± 0􀆰 014a 0􀆰 250 ± 0􀆰 017b 0􀆰 680 ± 0􀆰 026a
C + N 0􀆰 284 ± 0􀆰 004a 0􀆰 338 ± 0􀆰 005b 0􀆰 119 ± 0􀆰 031b 0􀆰 353 ± 0􀆰 087b 0􀆰 560 ± 0􀆰 069a 0􀆰 637 ± 0􀆰 031a 0􀆰 363 ± 0􀆰 031c
C + S + N 0􀆰 200 ± 0􀆰 010b 0􀆰 679 ± 0􀆰 044a 0􀆰 296 ± 0􀆰 042a 0􀆰 435 ± 0􀆰 035ab 0􀆰 689 ± 0􀆰 077a 0􀆰 327 ± 0􀆰 064b 0􀆰 593 ± 0􀆰 031b
    注:同列数据后不同小写字母表示不同处理之间差异达显著水平(P < 0􀆰 05)ꎮ
Note: The different small letters after data indicate the significance at P < 0􀆰 05 level.
图 3  外源 NO对 NaCl胁迫下山葡萄叶
片丙二醛含量的影响
Fig. 3  Effects of exogenous NO on MDA
content in amur grape leaves under salt stress
图 4  外源 NO对 NaCl胁迫下山葡萄叶片 SOD和 APX活性的影响
Fig. 4  Effects of exogenous NO on SOD and APX activities in amur grape leaves under salt stress
2􀆰 5  外源 NO 对 NaCl 胁迫下山葡萄叶片抗氧化酶
活性的影响
超氧化物歧化酶( SOD)和抗坏血酸过氧化物酶
(APX)是叶绿体中清除活性氧的重要酶类ꎮ 从图 4 可
以看出ꎬ经 NaCl 处理(C + N)的山葡萄叶片 SOD 和
APX活性与对照 ( C)差异显著ꎬ二者分别下降了
53􀆰 05%和 62􀆰 87% ꎮ 添加 SNP(C + S + N)后ꎬ盐胁迫
下山葡萄叶片 SOD和 APX 活性的下降幅度受到显著
抑制ꎮ 说明外源 NO对活性氧造成的光系统损伤有保
护作用ꎮ
3  讨论
有报道指出ꎬ添加外源一氧化氮(NO)能够缓解盐
胁迫下水稻幼苗叶绿素的降解[10 - 11]ꎮ 在本研究中ꎬ50
mmol􀅰L - 1 NaCl 胁迫处理 7 d 后ꎬ山葡萄叶片叶绿素
含量和叶绿素 a / b值均显著下降ꎬ而外源添加 NO后
盐胁迫下山葡萄叶片的叶绿素含量增加显著(图 2)ꎬ
盐害胁迫症状明显减轻(图 1)ꎬ表明 NO 抑制了叶绿
素降解ꎮ 这与 Uchida 等[5]的研究结果一致ꎮ 究其原
因ꎬLaxalt等[12]认为可能与 NO 减轻盐胁迫下植株体
内活性氧积累ꎬ保护叶绿体膜结构的完整性有关ꎮ
光合机构叶绿体及其类囊体膜上的光系统Ⅱ(PS
Ⅱ)对逆境胁迫非常敏感ꎬ叶绿素荧光为光合作用的
078
  6 期 外源 NO对 NaCl胁迫下山葡萄叶片叶绿素荧光和抗氧化酶活性的影响
良好探针ꎬ通过分析叶绿素荧光参数变化将有助于了
解逆境胁迫损伤植物光合机构的不同位点和程
度[13 - 14]ꎮ 在本研究中对 NaCl胁迫下山葡萄叶片叶绿
素荧光参数分析结果显示ꎬ初始荧光(Fo)升高ꎬPSⅡ
最大光化学效率(Fv / Fm)下降(表 1)ꎬ说明盐胁迫引
起山葡萄光抑制现象发生ꎬ抑制了 PSⅡ的活性ꎮ 另
外ꎬ盐胁迫下山葡萄叶片的 PSⅡ实际光化学效率
(ΦPSⅡ)和光化学淬灭系数(qP)下降(表 1)ꎬ导致 PS
Ⅱ受体一侧的 QA向 QB电子传递受到抑制ꎬ光合电子
传递以分子态氧为受体的支路反应增强ꎬPSⅡ反应中
心捕获激发能效率下降ꎮ 这与葛江丽等[15]对盐胁迫
下甜高粱 PSⅡ功能影响的研究结果一致ꎮ 同时ꎬ盐胁
迫导致山葡萄叶片非光化学猝灭 (NPQ)下降ꎮ 而
NPQ主要由保护性热耗散(ΦNPQ)和非调节性能量耗
散(ΦNO)组成ꎮ 其中 ΦNPQ与高能态猝灭有关ꎬ并且
参与了叶黄素循环的保护过程[16]ꎻΦNO 与光抑制和
光破坏有关[17]ꎮ 进一步研究发现ꎬ盐胁迫使山葡萄叶
片的非调节性能量耗散(ΦNO)升高而保护性热耗散
(ΦNPQ)下降(表 1)ꎬ由此推测ꎬΦNPQ 的下降可能是
造成山葡萄热耗散能力下降和光抑制现象发生的主要
原因ꎬ最终导致山葡萄光合机构出现损伤ꎮ 这在黄
瓜[18]和平邑甜茶幼苗[2]的研究中均得到证实ꎮ 施加
SNP 后ꎬ盐胁迫下山葡萄叶片 Fv / Fm、ΦPSⅡ、qP 和
ΦNPQ升高ꎬ同时伴有 Fo和 ΦNO 的显著下降(表 1)ꎬ
说明外源 NO可能通过启动叶黄素循环的热耗散机制
减轻盐胁迫引起的光抑制ꎬ增强了光化学能的形成ꎬ从
而有效缓解了盐胁迫对山葡萄光合机构的伤害ꎬ维持
了 PSⅡ的正常功能ꎮ
盐胁迫引起的植株叶绿素含量降低和电子传递受
阻会导致体内产生和积累大量活性氧[19 - 20]ꎬ造成叶绿
体膜脂过氧化ꎬ损伤膜系统ꎮ 姚广等[21]研究发现定位
在叶绿体中的抗氧化酶 SOD 和 APX 能清除活性氧ꎬ
从而保护光合机构免受活性氧伤害ꎮ 本试验中ꎬ经
NaCl胁迫处理后ꎬ山葡萄叶片 SOD 和 APX 活性大幅
降低(图 4)ꎬ导致 MDA 含量显著增加(图 3)ꎬ引发山
葡萄叶片叶绿体膜脂过氧化ꎮ 通过施加外源 NOꎬ盐
胁迫下山葡萄叶片的活性氧清除酶活性被显著提高
(图 4)ꎬ进而减少了膜脂过氧化产物 MDA含量的积累
(图 3)ꎬ这也可能是 NO 提高盐胁迫下山葡萄叶片叶
绿素含量和增强电子传递效率的主要原因之一ꎮ
4  结论
NaCl胁迫损伤山葡萄光合机构的结构和功能ꎬ抑
制了 PSⅡ活性ꎮ 施加外源 NO可显著增加叶绿体中活性
氧清除关键酶 SOD与 APX活性ꎬ减少膜脂过氧化损伤ꎬ
保护了叶绿体膜系统的稳定ꎬ从而提高叶片叶绿素含
量ꎻ另外ꎬ外源 NO 还可通过启动叶黄素循环的热耗散
机制缓解盐胁迫对山葡萄光合机构的伤害ꎬ进而保持
PSⅡ较高活性ꎬ增强植株光合电子传递效率ꎬ这可能是外
源 NO提高植物耐盐性的主要生理机制之一ꎮ
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Effects of Exogenous Nitric Oxide on Chlorophyll Fluorescence and
Antioxidant Enzymes Activity in Amur Grape
(Vitis Amurensis Rupr) Leaves under Salt Stress
ZHAO Ying  AI Jun  WANG Zhen ̄xing  QIN Hong ̄yan  ZHANG Qing ̄tian  SHEN Yu ̄jie
( Institute of Special Wild Economic Animal and Plant Scienceꎬ Chinese Academy of Agricultural Sciencesꎬ Changchunꎬ Jilin  130122)
Abstract:To evaluate the role of nitric oxide (NO) in plant salt toleranceꎬ this study was conducted in nutrient solution
to investigate the effects of exogenous sodium nitroprusside (SNP)ꎬ an NO donorꎬ on chlorophyll contentꎬ chlorophyll
fluorescence parameters and antioxidant enzymes activity in Vitis amurensis ‘Shuangfeng’ 1 ̄year cutting seedling under
50 mmol􀅰L - 1 NaCl stress. The results showed that exogenous NO significantly promoted the activity of superoxide
dismutase ( SOD ) and ascorbate peroxidase ( APX ) in Vitis amurensis leavsꎬ which led to the decrease of
malondialdehyde (MDA)ꎬ thus protected chloroplast memberance stability and increased chlorophyll content. On the
other handꎬ exogenous NO increased photochemical efficiency of photosystem II ( Fv / Fm )ꎬ actual photochemical
efficiency (ΦPSII)ꎬ photochemical quenching coefficient ( qP) and regulated thermal energy dissipation (ΦNPQ)
under NaCl stress. Howeverꎬ the minimal fluorescence (Fo) and decreased photo damage (ΦNO) in Vitis amurensis
leaves were decreased. These results indicated that NO enhanced the tolerance of Vitis amurensis seedlings to NaCl stress
through the protecting mechanism of thermal dissipation which alleviated photo inhibition caused by salt stressꎬ
improving photochemical electron transport efficiency and maintaining the normal function of PSII to some extent.
Key words:Amur grapeꎻ Salt stressꎻ Nitric oxideꎻ Chlorophyll fluorescenceꎻ Antioxidant enzymes
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