全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2013, 49 (12): 1393~1399 1393
收稿 2013-08-12　　修定 2013-09-10
资助 江苏省自然科学基金面上项目(BK2010344)、作物生物学
国家重点实验室开放基金(2011KF11)、江苏省博士后基
金(1102132C)和国家博士后基金(2011M500867)。
致谢 山东农业大学生命科学学院孟庆伟教授对本研究工作大
力支持。
* 通讯作者(E-mail: weihongsun2009@163.com; Tel: 0511-
88797059)。
干旱胁迫下CO2浓度升高对转StAPX番茄植株耐旱能力的影响
孙卫红1,*, 孙禛禛1, 吴秋霞1, 刘汉玄2, 陈梅1, 陈喆1
江苏大学1食品与生物工程学院, 2农业工程学院, 江苏镇江212013
摘要: 在干旱胁迫伴随大气CO2浓度以及升高的CO2浓度(加倍)条件下, 以过量表达番茄类囊体膜抗坏血酸过氧化物酶基因
(StAPX)的转基因番茄为试材, 探明干旱胁迫下CO2浓度升高对转基因及其野生型番茄植株清除活性氧及耐旱能力的影
响。结果表明: 升高的CO2浓度明显增加了干旱胁迫下植物的光合水平; 升高的CO2浓度明显降低了干旱导致的植物体内
H2O2和O2·ˉ的积累, 影响了干旱胁迫下番茄植株的水-水循环系统的活性氧清除酶活性和小分子抗氧化物质含量; 干旱胁迫
下即使伴随升高的CO2浓度, 测试番茄植株体内的渗透调节物质含量变化也不太明显; 升高的CO2浓度明显降低了干旱胁
迫下的植物细胞膜伤害程度; 干旱胁迫下, 升高的CO2浓度对转基因番茄株系比对野生型植株的影响更加明显。结果证明
干旱逆境下, 升高的CO2浓度能够在一定程度上进一步提高转基因番茄植株的耐旱性。
关键词: 干旱胁迫; 升高的CO2浓度; 转基因番茄植株; 耐旱能力
Effects of Elevated CO2 Concentration on Drought Tolerance in Transgenic To-
mato Plants under Drought Stress
SUN Wei-Hong1,*, SUN Zhen-Zhen1, WU Qiu-Xia1, LIU Han-Xuan2, CHEN Mei1, CHEN Zhe1
1College of Food and Biological Engineering, 2Institute of Agricultural Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu
212013, China
Abstract: In this study, transgenic tomato plants over-expression of StAPX were tested under drought stress,
companied with atmosphere and elevated (doubled) CO2 concentration. The influences of elevated CO2 concen-
tration on the ROS-scavenging ability and the drought tolerance in transgenic and wild tomato plants under
drought stress were studied. It was found that elevated CO2 concentration increased the photosynthetic level in
plants under drought stresses. Elevated CO2 concentration reduced the accumulation of H2O2 and O2·ˉ , and influ-
enced antioxidant enzyme activities of water-water cycle system and small molecule antioxidant substance con-
tents in tomato plants under drought stress conditions. Osmotic adjustment substances contents in tested plants
changed little even at elevated CO2 concentration under drought stresses. Elevated CO2 concentration reduced
the damage of cell membrane under drought stresses. The influence degree of elevated CO2 concentration on
transgenic lines was more outstanding than that in wild tomato plants. The results showed that elevated CO2
concentration can increase the tolerance of transgenic tomato plants to drought stress to some extent.
Key words: drought stress; elevated CO2 concentration; transgenic tomato plants; drought tolerance
干旱胁迫是目前降低全球作物产量的非生物
胁迫中最主要影响因素之一 ( Z h a n g和C h e n
2005)。当干旱胁迫伴随高CO2浓度时, “CO2施肥”
效果会受到限制(Parry等2004)。在干旱胁迫下, 由
于植物叶片气孔关闭引起CO2同化的限制, 导致同
化力的过剩从而产生过多的活性氧物质(ROS)。
ROS是一类化学性质极其活泼的含氧物质, 包括超
氧阴离子自由基(O2¯· )、过氧化氢(H2O2)、羟基自
由基(·OH)等, 过量的ROS会破坏植物细胞结构及
细胞组分, 甚至引起植物死亡。
植物叶绿体往往是逆境ROS产生和攻击的最
初部位, 因为从光合电子传递系统逃逸的电子会
与分子氧结合产生O2¯· 等ROS物质。同时, 在叶绿
体中, 植物体自身存在着O2¯· 和H2O2的产生与清除
的动态平衡(Mittler 2002): 即超氧化物歧化酶
植物生理学报1394
(SOD)催化两分子的O2¯· 形成O2和H2O2, 然后由抗坏
血酸过氧化物酶(APX)催化H2O2转化为H2O, 此过
程称为水-水循环。此循环能快速地清除生成部位
的ROS, 否则, 积累的H2O2会通过Haber-Weiss反应
生成氧化性质极强的·OH, ·OH能够氧化并破坏几
乎所有的细胞组分。研究表明过量表达SOD和
APX同工酶在植物抵御逆境胁迫过程中起着关键
作用(Badawi等2004; Kavitha等2008; Saxena等
2011)。
干旱胁迫限制植物生长并影响作物产量, 而
适量升高的CO2浓度能够提高植物的光合能力和
水分利用效率。升高CO2浓度是否影响干旱胁迫
下植物ROS清除系统的活性及其植物耐旱性？本
研究以转StAPX的番茄植株及野生型植株为研究
对象, 阐明CO2浓度增加对于干旱胁迫下番茄植株
活性氧清除能力的影响以及植株耐旱能力的影响,
为未来CO2浓度升高条件下干旱、半干旱地区番
茄的抗逆育种及栽培提供理论依据。
材料与方法
1 植物材料与胁迫处理
以转StAPX番茄植株T2代及野生型番茄(Sola-
num lycopersicum cv. ‘中蔬6号’)植株为材料。播种
于30 cm直径含营养土的塑料盆中(一棵一盆), 于
温室(15~30 ℃, 16 h光照)中生长。转基因番茄种
苗经PCR检测验证后用于逆境处理及相关实验, 基
因转化方法及株系获得见Sun等(2013)。
待种苗生长至6周大小时进行胁迫处理。处
理期间CO2浓度利用Telair7001 CO2检测仪(Hoyt
Electrical Instrument Works Inc., New Hampshire,
USA)连续监测。实验在2个规格完全相同的人
工气候室内进行 , 一个为大气CO 2浓度 (≈350
µmol·mol-1), 另一个为升高的CO2浓度[≈(700±50)
µmol·mol-1], 由带减压阀控制的压缩CO2钢瓶来实
现。水分处理采用限制浇灌方法: 中度干旱胁迫
为限制灌水, 土壤相对持水量(WRC)约65%; 重度
干旱胁迫为限制灌水, WRC约50%; 对照为正常浇
灌, WRC约80% (早期验证此为番茄植株生长最佳
水分条件)。处理后第7天取样, 至少重复3次, 叶片
取样后迅速在液氮中冷冻并保存于–80 ℃超低温
冰箱中待测。所有试验样品测定每处理至少重复
3次, 结果以平均值±标准误差表示。
2 方法
2.1 干旱胁迫下番茄植株光合水平的测定
采用便携式光合作用系统(CIRAS-2, PP Sys-
tems, Boston, USA)测定植株净光合速率(Pn)。待
测植株在光照强度100 µmol·m-2·s-1光量子通量密度
(PPFD)条件下适应30 min, 然后在800 μmol·m-2·s-1
PPFD适应15 min后, 最后于叶温25 ℃、氧气含量
21%、CO2浓度360 μmol·mol
-1条件下测定Pn值。
采用脉冲调制式便携荧光仪(FMS2, Hansatech,
Norfolk, UK)测定光系统II最大光化学量子产量
(Fv/Fm)。将番茄植株在800 μmol·m
-2·s-1 PPFD光下
(25 ℃)适应30 min, 打远红光(3 000 µmol·m-2·s-1 PPFD)
3 s后暗适应15 min, 测定Fo、Fm、Fv/Fm等参数。
2.2 干旱胁迫下番茄叶片ROS含量测定
O2¯· 含量测定时, 将2.0 g叶片于加入10% (M/V)
TCA的研钵中研磨, 研磨混合物以4 000×g离心10
min。取上清液并加入10 mmol·L-1氯化羟胺于25
℃温浴20 min。再加入17 mmol·L-1 ρ-氨基苯磺酸
和7 mmol·L-1 α-萘胺, 于25 ℃温浴20 min。在以上
混合物中加入乙醚并以1 500×g离心5 min。最后
吸取上清液并测定530 nm处的吸光值。
H2O2含量测定参照Sairam和Srivastava (2002)
的方法进行。
2.3 干旱胁迫下番茄叶片抗氧化酶活性测定
SOD活性测定根据Giannopolitis和Ries (1977)
的方法进行。tAPX活性参照Amako等(1994)的方
法进行测定。
2.4 干旱胁迫下番茄叶片抗氧化小分子物质含量
的测定
抗坏血酸(AsA)含量的测定根据Kampfenkel
等(1995)的方法进行。谷胱甘肽(GSH)含量参照
Law等(1983)的方法进行测定。
2.5 干旱胁迫下番茄叶片渗透调节物质含量测定
游离脯氨酸含量的测定参照赵世杰等(2002)
的方法进行。总蛋白含量的测定根据Bradford
(1976)的方法进行。可溶性糖含量的测定参照赵
世杰等(2002)的方法进行。
2.6 干旱胁迫下番茄叶片质膜伤害度测定
丙二醛(MDA)含量及质膜伤害度测定参照
Sun等(2010)方法进行。以相对电子渗透率表示细
胞质膜伤害度, 伤害度(%)=(最初处理叶片电导
率)/(最终煮沸叶片电导率)×100。
孙卫红等: 干旱胁迫下CO2浓度升高对转StAPX番茄植株耐旱能力的影响 1395
实验结果
1 干旱胁迫伴随CO2变化条件下番茄植株光合水
平的变化
干旱胁迫下测试植株的Pn下降, 且在大气CO2
条件下比在升高CO2时植株的Pn降低更明显(图
1-A)。干旱胁迫下番茄植株的Fv/Fm有所下降, 但
在升高CO2时Fv/Fm下降缓慢。与对照(80% WRC)
相比, 在50% WRC干旱胁迫下大气CO2野生型、
大气CO2转基因型、升高CO2野生型和升高CO2转
基因植株的Fv/Fm分别降低了58.76%、40.11%、
47.43%和26.32% (图1-B)。
2 干旱胁迫伴随CO2变化条件下番茄植株H2O2和
O2¯· 含量变化
干旱胁迫下野生型番茄植株的H2O2含量明显
高于转基因植株, 在升高CO2时几乎所有测试植株
的H2O2含量均低于大气CO2时的含量。与对照
(80% WRC)相比, 在50% WRC干旱胁迫下大气CO2
野生型、大气CO2转基因型、升高CO2野生型和升
高CO2转基因植株叶片的H2O2含量分别增加了
175.92%、99.00%、133.01%和57.14% (图2-A)。
干旱胁迫伴随无论是大气CO2还是升高CO2条件
下, 野生型番茄植株的O2¯· 含量均明显高于转基因
植株。在50% WRC干旱胁迫下大气CO2野生型、
大气CO2转基因型、升高CO2野生型和升高CO2转
基因植株叶片的O2¯· 含量分别比其对照(80% WRC)
增加了354.50%、230.19%、294.74%和140.82%
(图2-B)。
图1 干旱胁迫伴随CO2变化条件下番茄植株中光合水平的变化
Fig.1 Changes of photosynthetic capacity in tomato plants under drought stresses companied with CO2 change
图2 干旱胁迫伴随CO2变化条件下番茄植株中H2O2和O2¯· 含量变化
Fig.2 Changes of H2O2 and O2¯· contents in tomato plants under drought stresses companied with CO2 change
植物生理学报1396
3 干旱胁迫伴随CO2变化条件下番茄植株APX和
SOD活性变化
在65% WRC和50% WRC干旱胁迫下测试番
茄植株的APX和SOD活性均有增加, 而且转基因
植株的酶活性明显高于野生型。与大气CO2条件
相比, 测试植株在升高CO2条件下的酶活性略有增
强。在50% WRC干旱胁迫下大气CO2野生型、大
气CO2转基因型、升高CO2野生型和升高CO2转基
因植株叶片的APX活性比对照植株(80% WRC处
理)分别升高了72.36%、72.45%、89.87%和100.00%
(图3-A)。其SOD活性分别升高了23.81%、36.17%、
31.91%和41.05% (图3-B)。
4 干旱胁迫伴随CO2变化条件下番茄植株AsA和
GSH含量变化
随着干旱胁迫程度加剧, 升高CO2时测试植
株的总AsA含量高于大气CO2条件下的含量。在
50% WRC干旱胁迫下大气CO2野生型、大气CO2
转基因型、升高CO2野生型和升高CO2转基因植
株叶片的总AsA含量比对照植株(80% WRC处理)
分别升高了8.33%、23.45%、23.03%和51.83%
(图4-A)。随着干旱胁迫程度加剧, 测试植株的
GSH含量有所增加, 但在升高CO2时测试植株的
GSH含量比大气CO 2条件下的变化不明显 (图
4-B)。
图3 干旱胁迫伴随CO2变化条件下番茄植株中APX和SOD活性变化
Fig.3 Changes of APX and SOD activities in tomato plants under drought stress companied with CO2 change
图4 干旱胁迫伴随CO2变化条件下番茄植株中AsA和GSH含量变化
Fig.4 Changes of AsA and GSH contents in tomato plants under drought stress companied with CO2 change
孙卫红等: 干旱胁迫下CO2浓度升高对转StAPX番茄植株耐旱能力的影响 1397
5 干旱胁迫伴随CO2变化条件下番茄植株渗透调
节物质含量变化
干旱胁迫伴随大气CO2及升高CO2条件下, 测
试植株的游离脯氨酸及可溶性糖含量比对照略有
增加, 且转基因植株高于野生型, 但总体变化不明
显(图5-A、B)。测试植株的总蛋白含量随着干旱
胁迫以及CO2升高而略有增加(图5-C)。
6 干旱胁迫伴随CO2变化条件下番茄叶片膜脂伤
害变化
测试植株叶片的MDA含量随着干旱胁迫程
度的加剧而明显增加, 但是在升高的CO2时测试植
株叶片的MDA含量低于大气CO2时的MDA含量,
而且干旱胁迫下野生型植株的MDA含量均明显高
于转基因植株。在50% WRC干旱胁迫下大气CO2
野生型、大气CO2转基因型、升高CO2野生型和升
高CO2转基因植株的MDA含量分别比对照植株
(80% WRC处理)增长了178.08%、109.21%、
155.22%和72.79% (图6-A)。
图6 干旱胁迫伴随CO2变化条件下番茄植株叶片膜脂伤害
变化
Fig.6 Changes of plasma-membrane injury in tomato plants
under drought stress companied with CO2 change
在50% WRC干旱胁迫下大气CO2野生型、大
气CO2转基因型、升高CO2野生型和升高CO2转基
因植株叶片的膜伤害度分别是其对照(80% WRC)
的209.40%、142.23%、157.14%和54.64% (图
6-B)。
图5 干旱胁迫伴随CO2变化条件下番茄植株中渗透调节物
质含量变化
Fig.5 Changes of osmotic adjustment substances contents
in tomato plants under drought stress companied with CO2
change
植物生理学报1398
讨　　论
ROS是植物细胞代谢过程中产生的强毒副产
品, 可以直接造成膜脂过氧化(Mittler 2002)。图2
所示, 在水分胁迫伴随升高CO2条件下番茄植株
ROS含量低于大气CO2条件下的含量, 可能是由于
升高的CO2部分弥补了干旱条件下气孔导度下降
引起的胞间CO2浓度下降, 提升了植物的光合能力
(图1), 而且升高的CO2能增加作为PSI电子受体的
NADP+的利用效率, 从而限制电子流传递给分子
氧而避免形成过多的ROS。同时, 转基因番茄植株
中过量表达的APX具有较强的清除ROS能力, 所以
其在升高CO2条件下体内ROS含量积累更明显低
于野生型(图2、3)。
CO2浓度影响Rubisco的催化能力并调节光合
电子传递速率, 从而影响植物光合水平。图1所示,
在大气CO2条件下的干旱逆境中, 番茄植株的Pn和
Fv/Fm降低比在升高CO2条件下更明显, 说明干旱胁
迫下升高CO2能够提高番茄植株的光合水平。同
时, 在干旱胁迫下野生型比转基因番茄植株的Pn和
Fv/Fm降低更明显, 表明过量表达StAPX能有效减轻
植物在干旱胁迫下的光氧化损伤(图1)。其他的研
究结果也证明水-水循环系统能够维持植物体内
ROS的平衡及补偿逆境胁迫引起的光合水平的下
降(Zhou等2004; Saxena等2011)。
水-水循环系统表明了叶绿体中氧化胁迫最
初产生部位的ROS清除机制存在的重要性。作为
叶绿体内清除ROS的首道防线, SOD歧化O2¯· 成O2
和H2O2。植物体内过氧化氢酶和过氧化物酶可催
化H2O2成为H2O, 但是定位在植物叶绿体中清除
H2O2的主要是APX。实验结果显示在干旱胁迫下
测试番茄植株的APX和SOD活性高于非胁迫条件
下的酶活性(图3)。同时, 干旱胁迫下, 番茄植株的
总AsA和GSH含量有所增加(图4), 其中还原性AsA
含量在干旱胁迫下略有降低(图未显示), 说明有更
多的AsA作为电子供体参与APX对ROS的清除过
程并不断再生新的AsA。以上结果表明番茄植株,
尤其是转基因植株在干旱胁迫下能够充分利用
ROS清除酶和小分子抗氧化物质保持ROS产生和
清除之间的平衡。在较高的CO2条件下植物通过
光合电子传递系统的调控作用而产生更多的NA-
DPH, NADPH是清除ROS的AsA-GSH循环系统不
可缺少的能量, 而且能促进APX催化过程中电子
供体AsA的再生(Long等2004)。因此, 在逆境胁迫
伴随升高CO2条件下, 植物具有更强的清除ROS能
力, 当然在过量表达StAPX的转基因植株中清除
ROS能力更显著(图2~4)。
渗透调节也是植物适应逆境胁迫的防御机制
之一, 低分子量的渗透调节物质的积累能使植物
细胞在失水条件下维持一定的膨压。然而, 渗透
调节物质在某些植物(如番茄、水稻等)中的积累
量较少(李国龙等2010)。本实验结果表明干旱胁
迫下测试番茄植株叶片内脯氨酸和可溶性糖等渗
透调节物质含量增加极少(图5)。因此, 番茄植株
可能主要依赖于其他保护途径来抵御干旱胁迫,
如清除ROS的抗氧化酶类以及小分子抗氧化物质
等(图3、4)。
干旱逆境会诱发植物氧化胁迫, 造成膜结构
和功能的破坏。实验结果表明, 随着干旱胁迫程
度加剧, 番茄叶片质膜透性加大, MDA含量升高。
但转基因植株的质膜受伤害程度轻于野生型, 而
且升高CO2可在一定程度上减轻番茄植株在干旱
胁迫下的膜伤害度(图6), 说明转基因番茄通过提
高ROS清除能力减轻干旱对膜脂的过氧化, 且这一
作用在高CO2浓度时更明显, 因为较高的胞间CO2
浓度促进更多的电子流向碳同化, 降低了ROS积
累, 减轻了植物膜脂过氧化。
叶绿体是植物在逆境下氧化胁迫主要攻击的
部位, ROS清除系统最重要的功能是迅速清除叶绿
体部位产生的O2¯· 和H2O2。本研究结果显示干旱胁
迫下提高CO2浓度对番茄植株ROS清除系统的酶
活性影响明显, 转基因番茄植株通过其ROS清除能
力的提高来减轻干旱对植物膜脂的过氧化和光合
的抑制作用。因此适度升高CO2浓度能够提高干
旱胁迫下番茄植株尤其是转基因植株的抗性。
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