全 文 ：文章编号 :100028551 (2005) 062456205
高 pH 值和铁素对毛白杜鹃和迎红杜鹃
根系 Fe3 + 还原酶活性的影响 3
孙振元1 　徐文忠2 　赵梁军3 　刘淑兰3
(11 中国林业科学研究院林业研究所Π国家林业局林木培育重点实验室 ,北京　100091 ;
21 中国科学院植物研究所 ,北京　100093 ; 31 中国农业大学 ,北京　100094)
摘 　要 :以耐碱性不同的两种杜鹃花 (毛白杜鹃和迎红杜鹃) 的组培苗为材料 ,对其根系 Fe3 + 还
原酶活性与铁素和 pH值间的关系进行研究 ,结果表明 :培养最初阶段高 pH 值 (NaHCO3 提供)
与铁素共同诱导根系 Fe3 + 还原酶活性增加 ;Fe3 + 对根系 Fe3 + 还原酶活性的诱导作用具有类似
于代谢途径中的底物诱导效应 ;在 10d 的缺铁处理中 ,迎红杜鹃根系 Fe3 + 还原酶活性增加 ,而
毛白杜鹃没有增加 ,说明缺铁对酶活性的诱导存在种间差异 ;杜鹃花根系 Fe3 + 还原酶活性与
植物耐碱性存在正相关。
关键词 :高 pH值 ; 毛白杜鹃 ;迎红杜鹃 ; 根系 Fe3 + 还原酶 ;耐碱性
THE EFFECTS OF HIGH2pH AND IRON ON ROOT Fe3 + REDUCTASE ACTIVITY OF
Rhododendron mucronatum AND Rhododendron simsii
SUN Zhen2yuan1 　XU Wen2zhong2 　ZHAO Liang2jun3 　LIU Shu2lan3
( 11 Research Institute of Forestry , Chinese Academy of ForestryΠKey Laboratory
of Forest Cultivation , State Forestry Administration , Beijing , 100091 ;
21 Institute of Botany , Chinese Academy of Science , Beijing , 100093 ;31 China Agricultural University , Beijing , 100094)
Abstract : The regenerated tissue culture seedlings of Rhododendron mucronatum and R . simsii , which had
different alkalinity2tolerance , were used to study the relationship between the root ferric reductase activity and iron
and high2pH. The results indicated that : (1) High2pH (provided by NaHCO3 ) combined with iron element induced
the increase of root ferric reductase activity during the beginning of treatment . The induction of Fe3 + on the root
ferric reductase activity was very similar as the effect of substrate induction in some metabolic pathway ; (2) The root
ferric reductase activity of R . simsii increased ,however , that of R . mucronatum didn’t increase during ten days
Fe2deficiency treatment . This results showed that the induction of the root ferric reductase activity by Fe2deficiency
is different between different species ; (3) There was positive relativity between root ferric reductase activity and
alkalinity2resistance of Rhododendron.
Key words : high2pH ; Rhododendron mucronatum ; Rhododendron simsii ; root Fe3 + reductase activity ; alkalinity2
tolerance
收稿日期 :2005207211
基金项目 :林业部重点项目“杜鹃花良种选育及耐碱性研究 (96 - 12)”
作者简介 :孙振元 (1964 - ) ,男 ,河北献县人 ,研究员 ,博士生导师 ,从事园株植物品种改良与分子育种 ,Email :sunzy @caf . ac. cn。
杜鹃花 ( Rhododendron L. )品种繁多 ,仅我国就有 530 种。其花色泽艳丽、花形多样且花期长 ,树型
亦千姿百态 ,具有“花中之王”的桂冠。更是高山地区优良的水土保持植物[1 ] 。然而 ,大部分杜鹃花为典
654　 核 农 学 报　2005 ,19 (6) :456～460Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
型的酸性植物 ,对土壤 pH值要求很严 (pH值 415～610) ,稍遇弱碱 ,叶片即会焦枯脱落 ,以致生长停止而
死亡。我国北方由于土壤大部分偏碱 ,地下水 pH 值高 ,杜鹃花很难实现露地栽培[2 ] 。这样大大的限制
其社会、环境、经济价值在我国北方的实现。
研究表明 ,碱性环境 (石灰质土壤)对植物的影响主要通过降低铁、锰、镁等元素的可溶性和改变有
效价态而产生的。由于 pH值和氧分压的影响 ,土壤中的铁素几乎都是以难溶的 Fe3 + 形式存在 ,而被植
物直接吸收利用的只能是 Fe2 + [3～6 ] 。在双子叶植物中 ,为了克服缺铁 ,植物根系往往发生一系列的生理
及生态变化 ,如根系 Fe3 + 还原酶活性提高、净质子分泌量增加等 ,普遍认为植物的 Fe3 + 还原酶活性与铁
高效性 ( Iron2efficient)具有极大的正相关 ,可作为筛选铁高效型品种的依据[7～10 ] 。许多实验室利用碳酸
氢盐 (HCO -3 )建立的高碱性筛选环境 ,开展铁高效型基因品种的筛选[11～13 ] 。但关于杜鹃花的根系对高
碱性 (石灰质土壤)环境的反应以及抗碱机理和耐碱适应性机制等还没见过报道。本试验拟通过对两种
不同耐碱性的杜鹃花毛白杜鹃和迎红杜鹃栽培品种进行高 pH、缺铁以及不同价态的铁素处理 ,观察和
分析其根系 Fe3 + 还原酶活性的变化 ,探索杜鹃花抗碱机理 ,也为耐碱品种的筛选提供理论依据。
1 　材料与方法
111 　植物品种
毛白杜鹃 ( Rhododendron mucronatum ) 栽培品种 ,只能在 pH610 以下的土壤中生长。迎红杜鹃
( Rhododendron simsii)栽培品种 ,在 pH615～710 的土壤中生长。
112 　供试植物的培养
为了获得均匀一致的试验材料 ,且使试验在严格可控的条件下进行 ,本试验采用生根组培苗和水培
环境。组培苗经 10d 的锻炼后 ,转入水培营养液中进行水培。营养液成份为 KH2 PO4 0125 mmolΠL、
(NH4 ) 2 SO4 015 mmolΠL、K2 SO4 015 mmolΠL、MgSO4·7H2O 015 mmolΠL、CaSO4·2H2O 015 mmolΠL、Na2 Fe2EDTA
100 molΠL、H3BO3 4613 molΠL、MnSO4 ·4H2O 915 molΠL、ZnSO4 ·7H2O 018 molΠL、CuSO4 ·5H2O 013 molΠL 和
(NH4 ) 2Mo7O24·4H2O 0102 molΠL。
113 　试验方法
11311 　材料处理 　取两种杜鹃花根系生长一致的组培移栽苗 , 种植于 500 ml 的瓷盆中 ,每盆 8 株 ,生
长在光照培养箱里 ,培养条件为温度 25 ±1 ℃,光强 2000～3000 lx ,光照时间 12hΠd ,营养液用电动气泵连
续通气 ,处理期间不更换营养液 ,但每天调整 pH值 2 次。试验设以下 5 种处理 , Ⅰ:水培营养液 ,pH 515
(本处理作为对照) ; Ⅱ:不含 Fe2 + 2EDTA 的水培营养液 + 100 molΠL Fe3 + 2EDTA ,pH 515 ; Ⅲ:不含 Fe2 + 2
EDTA 的水培营养液 ,pH515 ; Ⅳ:水培营养液 + 10 mmolΠL NaHCO3 ,pH 810 ; Ⅴ:不含 Fe2 + 2EDTA 的水培营
养液 + 10 mmolΠL NaHCO3 ,pH 810。每处理设 5 次重复。
11312 　根系 Fe3 + 还原酶活性的测定 　用改进的 Bienfait 等人[14 ] 的方法进行测定[15 ] 。用去离子水冲洗
待测植株的根系 ,尔后放入饱和 CaSO4 溶液中浸泡 5min ,用去离子水冲洗干净后将根系浸没在试管的反
应液中 ,每处理重复 3 次。在光照下连续通气 ,反应 2h 后取出待测植株 ,吸干根表残液并称量鲜重。反
应液用 722 光栅分光光度计在 52313 nm 波长处比色 (空白为未加植株的混合液 ,读取 OD 值 ,按下列公
式计算还原力 :
还原力〔molΠ(g·t)〕= ODΠ(FW ×8650) ×106
式中 8650 为 Fe2 + - 联吡啶的摩尔吸光系数 (molΠLΠcm) ;FW 为根鲜重 ;还原力单位 t 为反应时间 ,本
实验反应时间为 2h。
2 　结果与分析
21 1 　缺铁处理对杜鹃花根系 Fe3 + 还原酶活性的影响
754　6 期 高 pH值和铁素对毛白杜鹃和迎红杜鹃根系 Fe3 + 还原酶活性的影响
图 1A 显示 ,毛白杜鹃在 10d 的培养过程中 ,缺铁处理 (处理 III) 的 Fe3 + 还原酶一直低于对照 (处理
I) 。从图 1B 可以看出 ,迎红杜鹃在 10d 的培养过程中 ,经缺铁处理的 Fe3 + 还原酶活性在 2～8d 一直远
高于对照 ,但在第 8～10 天时 ,缺铁处理的 Fe3 + 还原酶活性急剧下降。
比较图 1A 和图 1B 可以看出 ,缺铁诱导迎红杜鹃 Fe3 + 还原酶活性增加 ,且处在较高水平 ;相反 ,缺
铁处理的毛白杜鹃 Fe3 + 还原酶活性降低。这说明了两种杜鹃在对缺铁的适应机理上有明显的差异。
图 1 　缺铁培养对毛白杜鹃和迎红杜鹃根系 Fe3 + 还原酶活性的影响
Fig. 1 　The effect of no Fe on the root Fe3 + reductase activity of R . mucronatum and R . simsii
212 　Fe3 + 对杜鹃花根系 Fe3 + 还原酶活性的影响
由图 2A 显示 ,毛白杜鹃根系在含 100 molΠL Fe3 + (处理 II) 营养液中 ,第 2d 所测的 Fe3 + 还原酶活性
值低于对照 (处理 I) ,尔后几天逐渐升高 ,在第 6 天的处理 II 根系 Fe3 + 还原酶活性已经明显高于对照 ,
到第 10 天处理 II 根系 Fe3 + 还原酶活性虽已有所下降 ,但仍维持较高的水平。而从图 2B 可以看出 ,迎
红杜鹃在处理 II培养液中 ,其根系 Fe3 + 还原酶活性在 10d 的培养过程中的变化趋势与毛白杜鹃很相似
性 ,只是迎红杜鹃根系 Fe3 + 还原酶活性高于毛白杜鹃根系 Fe3 + 还原酶活性。
比较图 2A 和图 2B ,Fe3 + 对杜鹃花根系 Fe3 + 还原酶活性的影响具有共同的特性 ,即逐步诱导根系
Fe3 + 还原酶活性增加 ,然后降低并维持在一定的水平 ,这非常类似于代谢途径中的底物诱导效应 ,从时
间上来看 ,这种诱导效应不是一个迅速的过程 ,因而可以推测 Fe3 + 的诱导作用可能发生在转录或翻译
水平上影响根系 Fe3 + 还原酶的表达。
图 2 　Fe3 + 对毛白杜鹃和迎红杜鹃根系 Fe3 + 还原酶活性的影响
Fig. 2 　The effect of Fe3 + on root Fe3 + reductase activity of R . mucronatum and R . simsii
213 　Na HCO3 对杜鹃花根系 Fe3 + 还原酶活性的影响
854 核　农　学　报 19 卷
从图 3A 可知 ,毛白杜鹃在含 10 mmolΠL NaHCO3 的营养液中 (处理 IV) ,根系 Fe3 + 还原酶活性第 2～6
天迅速增加 ,在第 6 天达到最高值 ,到第 8～10 天表现出下降的趋势 ;在缺铁同时含 10 mmolΠL NaHCO3
(处理 V) ,在前 6d 的培养中根系 Fe3 + 还原酶活性与对照 (处理 I)变化趋势基本一致 ,只是在第 8 天后有
所增加。NaHCO3 对迎红杜鹃根系 Fe3 + 还原酶活性的影响如图 3B 所示 ,在处理 IV 中 ,从第 2 天到第 10
天根系 Fe3 + 还原酶活性都比对照高 ,并一直保持在较高水平 ;处理 V 根系 Fe3 + 还原酶活性从第 2 天直
到第 10 天都保持着较稳定的低于对照的水平。
尽管两种杜鹃花根系 Fe3 + 还原酶活性在含有 Fe2 + (处理 I)和缺铁处理 (处理 III)都表现出较大的差
异 ,但 NaHCO3 对两种杜鹃花根系 Fe3 + 还原酶活性的影响具有共同的特点 ,即 : ①NaHCO3 在 Fe2 + 存在
(由于 Fe2 + 在高碱条件下很少以还原态形式存在 ,也可称为铁素)情况下诱导杜鹃花根系 Fe3 + 还原酶活
性的增加 , ②在缺铁 (不含铁素)的条件下 ,NaHCO3 不能诱导杜鹃花根系 Fe3 + 还原酶活性的增加 ,甚至
降低了根系 Fe3 + 还原酶活性。这表明 HCO -3 不能直接影响于根系 Fe3 + 还原酶活性或含量的变化 ,而必
须通过铁素间接地或与铁素一起作用于根系 Fe3 + 还原酶活性变化。
图 3 　NaHCO3 对毛白杜鹃和迎红杜鹃根系 Fe3 + 还原酶活性的影响
Fig. 3 　Effect of NaHCO3 on the root Fe3 + reductase activityof R . mucronatum and R . simsii
3 　讨论
311 　缺铁条件能诱导双子叶植物根系发生、Fe3 + 还原酶活性的提高等一系列生理适应性反应[16 ] 。本试
验中 ,迎红杜鹃经缺铁处理后 ,第 2 天已很明显的表现出根系 Fe3 + 还原酶活性增强 ,并在以后的几天内
都维持一个较高的水平 ,到第 8 天时才下降 ,低于含 Fe2 + 营养液的对照处理 (图 1A) 。但是 ,对毛白杜鹃
进行缺铁处理后 ,在 10d 的培养过程中 ,其根系 Fe3 + 还原酶活性一直低于含 Fe2 + 的对照处理 ,没有上升
的趋势 (图 1A) 。垂叶榕 ( Ficus benjamina)在进行缺铁处理第 56 天才出现根系 Fe3 + 还原酶活性升高[17 ] ,
菜豆缺铁处理到 6～8d 有最高的 Fe3 + 还原酶活性[18 ] 。因此 ,对于毛白杜鹃来说 ,是否 10d 的缺铁培养时
间过短 ,还是缺铁确实难以诱导根系 Fe3 + 还原酶活性的提高 ,尚需进一步的研究。
312 　根系 Fe3 + 还原酶的直接作用底物是 Fe3 + ,各种螯合 Fe3 + 或 Fe3 + 复合物都必须由该酶还原为 Fe2 +
后跨膜运输进入细胞质[19～21 ] 。在研究根系 Fe3 + 还原酶活性的试验中 ,大多数以 Fe3 + (如 Fe3 + 2EDTA) 作
为铁素直接来源培养植物或在缺铁处理试验中作对照处理 ,因而难以研究 Fe3 + 作为催化底物是否对还
原酶活性存在影响。本试验的材料由于是生根组培苗经过锻炼后的水培移栽苗 ,一直以 Fe2 + ( Fe2 + 2
EDTA)作为铁素的直接来源 ,在转入 Fe3 + 作为唯一的铁素来源的处理中培养 ,观测根系 Fe3 + 还原酶的作
用底物 Fe3 + 对酶活性的影响。尽管两种杜鹃花根系 Fe3 + 还原酶活性相差很大 ,但 Fe3 + 对两种杜鹃花根
系 Fe3 + 还原酶活性的影响具有共同的特性 ,即逐步诱导根系 Fe3 + 还原酶活性增加 ,然后降低并维持在
一定的水平 ,这非常类似于代谢途径中的底物诱导效应。从时间上来看 ,这种诱导效应不是一个迅速升
954　6 期 高 pH值和铁素对毛白杜鹃和迎红杜鹃根系 Fe3 + 还原酶活性的影响
高的过程 ,因而 Fe3 + 的诱导作用可能在转录或翻译水平上影响根系 Fe3 + 还原酶基因的表达 ,从而诱导
根系总的 Fe3 + 还原酶活性增加。
313 　在石灰质土壤中存在的一个重要因子 HCO -3 。很多人认为 HCO -3 是诱导植物缺铁失绿的最重要
因素[22～26 ] ,而 HCO -3 对根系 Fe3 + 还原酶活性的影响如何却未见报道。本试验就在缺铁处理的基础上增
加一个因子即 HCO -3 ,比较 HCO -3 对两种杜鹃花根系 Fe3 + 还原酶活性的影响。结果表明 NaHCO -3 在
Fe2 + (铁素)存在情况下诱导杜鹃花根系 Fe3 + 还原酶活性的增加 ;在缺铁的条件下 ,NaHCO -3 降低了根系
Fe3 + 还原酶活性 (如迎红杜鹃) 。因此 ,铁素和 HCO -3 可能共同作用激活根系 Fe3 + 还原酶的活性 ,而且这
种作用在抗碱性不同的两个种间不存在差异性。
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