全 文 ：植物生理学通讯 第 46 卷 第 10 期, 2010 年 10 月1020
收稿 2010-07-15 修定 　2010-08-19
资助 国家自然科学基金(30870138)和国家海洋 “863” 重点项
目(2 00 7AA0 91 70 1)。
* 通讯作者(E-mail: bswang@sdnu.edu.cn; Tel: 0531-
8 6 1 8 0 1 9 7 )。
盐诱导的依赖叶黄素循环的热耗散提高了小麦的耐盐性
王倩, 高雪, 彭建云, 王宝山 *
山东师范大学生命科学学院逆境植物重点实验室, 济南 250014
提要: 以小麦抗盐品种 ‘DK961’和盐敏感品种 ‘LM15’为材料, 探讨盐胁迫条件下叶黄素循环与膜脂过氧化的关系。结果
表明: 200 mmol·L-1 NaCl处理后二者地上部分鲜重、含水量、K+含量显著下降, Na+含量、Na+/K+比、丙二醛含量显著升
高, 膜透性显著增大, ‘LM15’的变化幅度均明显大于 ‘DK961’, 而 ‘LM15’脱环氧化状态(A+Z)/(A+Z+V)的增加明显小于
‘DK961’。这表明盐胁迫下 ‘DK961’通过增加依赖叶黄素循环的热耗散减轻了膜脂过氧化, 提高其耐盐性。
关键词: 小麦; 盐胁迫; 膜脂过氧化; 叶黄素循环; 耐盐性
Salt-Induced Xanthophyll Cycle-Dependent Thermal Dissipation Improved Salt
Tolerance of Wheat (Triticum aestivum L.)
WANG Qian, GAO Xue, PENG Jian-Yun, WANG Bao-Shan*
Key Laboratory of Plant Stress Research, College of Life Sciences, Shandong Normal University, Jinan 250014, China
Abstract: In this paper, the relationship between lipid peroxidation and xanthophyll cycle was examined using
salt-tolerant wheat (Triticum aestivum) variety ‘Dekang 961’ (‘DK961’) and salt-sensitive variety ‘Lumai 15’
(‘LM15’) under short-term NaCl stress. The results showed that the shoot fresh weight, water content and K+
content all significantly decreased in both cultivars treated with 200 mmol·L-1 NaCl for 3 d, while Na+ content,
Na+/K+ ratio, malondialdehyde (MDA) content as well as membrane permeability significantly increased. The
changing degree in ‘LM15’ was much higher than that in ‘DK961’. However, deoxy cyclic state (A+Z)/(A+Z+V)
increased more in ‘DK961’ than in ‘LM15’. These results suggested that ‘DK961’ is more salt-tolerant than
‘LM15’ partly via increasing a xanthophyll cycle-dependent thermal dissipation to maintain a low level of lipid
peroxidation.
Key words: wheat; salt stress; lipid peroxidation; xanthophyll cycle; salt tolerance
盐胁迫是自然界中一种主要的非生物胁迫, 是
影响作物产量的重要因素之一。盐胁迫条件下, 光
系统II (PSII)氧化侧的放氧复合物的功能受到损害,
使它向PSII反应中心提供的电子数量减少(Sharkey
和 Badger 1982), 并能阻断 PSII还原侧从中心质体
醌 QA 向泛醌 QB 的电子传递。这些变化降低了植
物对光量子的有效吸收、传递和利用, 从而降低了
光能转化为生物化学能的效率, 产生过剩的激发
能。这种光胁迫导致的过剩激发能会引发超氧阴
离子和 H2O2 等活性氧的产生(Xu等 2000), 启动膜
脂过氧化(董发才等 2002)、抑制光合作用等(王弋
博等 2005; Peng 等 2004; 赵可夫 1993)。膜脂和
膜蛋白是自由基攻击的对象。特别是膜脂, 由于含
不饱和脂肪酸多, 容易导致自由基链式反应诱导不
饱和脂肪酸过氧化, 导致细胞膜受损伤, 使质膜透
性增大。
目前, 人们对光破坏防御机制的研究一方面是
依靠叶黄素循环的能量耗散过程, 另一方面就是与
D1 蛋白周转有关的防御机制(张娟等 2008)。洪双
松和许大全(1997)提出依赖叶黄素循环的非辐射能
量耗散是小麦防御光破坏的主要机制。Havaux等
(1991)用二硫苏糖醇(DTT)抑制强光胁迫下的豌豆
叶片中玉米黄质的生成, 结果脂类降解加重, 表明
玉米黄质对脂类有保护作用。而缺失叶黄素循环
的拟南芥突变体, 能在一定程度上增加类囊体膜的
热稳定性。这些结果说明叶黄素循环组分玉米黄
质直接或间接的耗能作用部分地避免过多自由基的
植物生理学通讯 第 46 卷 第 10 期, 2010 年 10 月 1021
产生, 减轻对膜脂和膜蛋白的伤害, 起到一定的保
护和调节作用(吴长艾等 2001)。盐胁迫条件下, 小
麦是否通过依赖叶黄素循环的热耗散减少自由基的
产生, 减轻膜质及膜蛋白的伤害来提高自身的耐盐
性尚未见报道。
本实验以耐盐性不同的小麦品种(抗盐品种
‘DK961’和盐敏感品种‘LM15’)为材料, 研究了盐胁
迫下幼苗生长、丙二醛(malondialdehyde, MDA)含
量、叶黄素循环组分的变化及其与耐盐性之间的
关系, 表明短期盐诱导的依赖叶黄素循环的热耗散
增加了小麦的耐盐性。这些结果为进一步研究叶
黄素循环在小麦耐盐机理中的作用奠定了基础。
材料与方法
1 材料与处理
供试材料为小麦(Triticum aestivum L.)耐盐品
种 ‘ 德抗 961’ (‘DK961’), 盐敏感品种 ‘ 鲁麦 15’
(‘LM15’)。
选取籽粒孢满的小麦种子, 用流水冲洗干净后
播种于装有干净细砂的塑料盆内, 每盆 16 粒。萌
发 2 d 后, 每天 9:00 用 1/2Hoagland 溶液浇灌。待
小麦幼苗长出2片真叶时, 每盆保留10株长势一致
的幼苗, 分别用 1/2Hoagland 溶液(对照)和含 200
mmol·L-1 NaC1的1/2Hoagland溶液进行处理。NaC1
处理每 12 h 递增 50 mmol·L-1, 达到终浓度后每天
9:00 用 200 mmol·L-1 浇灌, 浇灌量为细砂持水量的
3 倍, 过多的盐溶液从盆底部小孔渗出, 以保持盆
中处理液浓度的恒定。培养室的昼夜温度为白天
(25±2) ℃, 晚上(20±2) ℃, 光照时间13 h·d-1, 白天最
高光照强度约 600 μmol·m-2·s-1, 相对湿度 60%~
80%。达终浓度后继续处理 3 d, 取样进行有关指
标分析。
2 鲜重、干重及含水量的测定
取小麦地上部分, 蒸馏水快速冲洗表面的灰尘,
用吸水纸吸干表面水分后称量其鲜重, 然后将称量
完鲜重的材料放入信封中, 于 105 ℃杀青 15 min,
然后于 80 ℃烘至恒重, 分别称其干重。每个处理
5 个重复。计算含水量(%)=(鲜重- 干重)/ 鲜重 ×
10 0%。
3 叶片中Na+和K+含量的测定
参照王宝山和赵可夫(1995)的方法测定叶片中
Na+、K+ 和Cl- 含量。分别称取不同处理的小麦幼
苗叶片干材料各 0.05 g, 置于用双蒸水洗净的坩埚
中, 于高温电炉中 500 ℃灰化 12 h 后, 用少许浓硝
酸溶解, 双蒸水定容至 50 mL, 用火焰光度计(Cole-
Parmer Instrument Company, Chicago, 2655-00)测
定 K+ 和 Na + 的含量。每个处理 5 个重复。
4 MDA及相对电导率的测定
采用硫代巴比妥酸(TBA)法(赵世杰等2002)测
定 MDA。将叶片剪成 0.5 cm 的小段, 称取 0.5 g
放入研钵中, 加入少许石英砂和 2 mL 5% 的三氯
乙酸(TCA), 研成匀浆, 再用 3 mL 5% 的三氯乙酸
分 2 次冲洗研钵, 合并提取液于离心管中, 3 000×g
离心 10 min后测上清体积, 取上清 2 mL, 加 0.67%
硫代巴比妥酸 2 mL, 混匀, 于 100 ℃水浴中30 min,
冷却后离心, 取上清在 450、532、600 nm 波长
下测吸光度。计算组织中 M DA 含量[μmol ·g- 1
(FW)]=[6.45 (A532-A600)-0.56A450]×V/G。式中, V
为提取液体积(L); G 为植物材料鲜重(g)。
采用相对电导率的方法(侯福林 2004)测定叶
片质膜相对透性。取功能叶片, 用自来水冲洗干净
并用吸水纸吸干, 将叶片切成 1 cm小段, 用双蒸水
迅速冲洗 2 次, 并用吸水纸吸干, 称取定量(0.2 g)
样品放入青霉素小瓶中, 加双蒸水(每 0.1 g样品加
2 mL 双蒸水), 真空渗透, 抽放气 3 次, 渗入后静置
1~2 h 使离子外渗, 用电导率仪测定试管溶液的电
导值(原电导值), 将样品于高温水浴杀死(100 ℃,
5 min), 冷至室温, 再测电导值(总电导值)。相对
电导率(%)= 原电导值 / 总电导值 ×100%。
5 叶黄素循环组分的测定
将叶片平行并列放好, 用直径为 0.5 cm 的打
孔器取叶圆片 15 个, 放入研钵中, 加 3.5 mL 100%
的丙酮、少许石英砂和 CaCO3, 于弱光和低温(0~
4 ℃)下研磨, 在 0~4 ℃下经10 000×g离心15 min后,
取上清液, 用高效液相色谱法(赵世杰等1995)分析
紫黄质(violaxanthin, V)、花药黄质(antheraxanthin,
A)、玉米黄质(zeaxanthin, Z)的含量, 以(A+Z)/
(A+Z+V)表示脱环氧化状态。
6 数据处理
所得数据均用 Excel 进行统计分析。
植物生理学通讯 第 46 卷 第 10 期, 2010 年 10 月1022
实验结果
1 盐胁迫对不同小麦品种幼苗生长和含水量的影响
由表 1 看出, 与对照相比, 200 mmol·L-1 NaCl
处理 3 d, 两个品种的地上部分鲜重和含水量都显
著下降, ‘LM15’ 分别下降了 18.60% 和 1.07%, 而
‘DK961’ 仅下降了 8.46% 和 0.75%。但是, 200
mmol·L-1 NaCl 处理对两个品种地上部分干重却没
有显著影响。
2 盐胁迫对不同小麦品种幼苗叶片离子含量的影响
叶片Na+/K+比可以作为小麦等单子叶植物耐
盐性强弱的重要指标。由表2可看出, 与对照相比,
200 mmol·L-1 NaCl 处理 3 d, 两个品种幼苗叶片的
Na+和Na+/K+都显著升高, ‘LM15’分别升高了4.28
倍和 16.58 倍, ‘DK961’ 分别为 3.32 倍和 12.67 倍;
K+ 含量显著下降, ‘LM15’ 和 ‘DK961’ 分别下降了
表 1 NaCl处理对不同品种小麦幼苗生长和含水量的影响
Table 1 Effects of NaCl treatment on the growth and water content in seedlings of different wheat cultivars
鲜重 /g 干重 /g 含水量 /%
品种
对照 NaCl 处理 对照 NaCl 处理 对照 NaCl 处理
‘LM15’ 1.72±0.13 1.40±0.05** 0.21±0.01 0.21±0.01 87.54±0.55 86.60±0.36**
‘DK961’ 1.30±0.08 1.19±0.07* 0.16±0.01 0.15±0.01 88.02±0.26 87.36±0.65*
　　表中数据为 5 个重复的平均值 ±SD; * 和 ** 分别表示各处理与对照相比差异显著(P<0.05)和差异极显著(P<0.01)。表 2、图 1、
图 2 同此。
表 2 NaCl处理对不同品种小麦幼苗叶片 Na+ 和 K+ 含量及 Na+/K+ 比的影响
Table 2 Effects of NaCl treatment on leaf Na+ and K+ contents and Na+/K+ ratio in seedlings of different wheat cultivars
Na+ 含量 /mmol·g-1 (DW) K+ 含量 /mmol·g-1 (DW) Na+/K+ 比
品种
对照 NaCl 处理 对照 NaCl 处理 对照 NaCl 处理
‘LM15’ 0.18±0.02 0.95±0.07** 0.50±0.02 0.15±0.04** 0.36±0.04 6.33±0.64**
‘DK961’ 0.19±0.03 0.82±0.04** 0.74±0.01 0.25±0.03** 0.24±0.01 3.28±0.19**
70.00% 和 66.22%。
3 盐胁迫对不同小麦品种幼苗叶片膜脂过氧化及
膜透性的影响
MDA含量是膜脂过氧化的主要指标。为了比
较不同耐盐性小麦品种在盐胁迫后MDA含量和膜
透性之间的关系, 分析耐盐小麦品种‘DK961’和盐
敏感品种‘LM15’在盐处理3 d后幼苗叶片MDA含
量和质膜透性(图 1)。与对照相比, ‘LM15’ 在盐处
理 3 d 后 MDA 含量和质膜透性均显著增加, 分别
增加了 72.50% 和 22.90%, 而 ‘DK961’ 的增加量分
别为 8.20% 和 10.10%。
4 盐胁迫对不同小麦品种幼苗叶黄素循环组分的
影响
相同NaCl胁迫下耐盐小麦品种 ‘DK961’叶片
MDA含量和质膜透性显著低于盐敏感品种‘LM15’,
那么叶黄素循环组分是否发生适应性变化？由图2
显示, 盐胁迫 3 d 后, 与对照相比, 两个品种小麦脱
环氧化状态(A+Z)/(A+Z+V)都显著增加, ‘DK961’增
加了 53.30%, 而 ‘LM15’ 仅增加 21.96%, ‘DK961’
(A+Z)/(A+Z+V)的增加是 ‘LM15’的近 2倍。A和Z
的含量与能量耗散呈正相关, 说明两个品种小麦能
量耗散均显著增加, ‘DK961’ 热耗散的增加比
‘LM15’ 更为显著。
植物生理学通讯 第 46 卷 第 10 期, 2010 年 10 月 1023
讨　　论
盐胁迫干扰细胞离子平衡, 使细胞丧失Ca2+和
K+ (Peng 等 2004), 从而引起细胞内 Na+ 浓度升高,
导致植物生长抑制(赵可夫 1993; 王弋博等 2005)。
小麦耐盐性强弱与叶片Na+浓度呈负相关, 耐盐性
大小取决于植株的拒Na+能力(Schachtman等1989;
Schachtman 和 Munns 1992)。200 mmol·L-1 NaCl
胁迫下两个小麦品种的地上部分鲜重和含水量都显
著下降(表1), Na+含量和Na+/K+比显著升高, K+含
量显著下降(表 2)。说明盐胁迫对两个小麦品种的
生长都产生了不同程度的抑制, 并且干扰了其离子
平衡。并且无论是生长抑制程度还是 Na+/K+ 比增
加量, ‘DK961’ 均明显小于 ‘LM15’。说明在同样
的盐胁迫条件下‘DK961’比‘LM15’更耐盐, 这与我
们之前的实验结果一致(彭建云等 2008; 王芳和王
宝山 2010)。
盐胁迫对植物的伤害与活性氧自由基引发的
膜脂过氧化有关(柯玉琴和潘廷国 1999; 陈洁和林
栖凤 2003)。膜脂过氧化产物 MDA的含量可在一
定程度上反映膜损伤程度。本实验发现盐处理3 d
后两个小麦品种叶片细胞膜的稳定性均遭到破坏,
MDA含量增多, 膜透性增大(图 1)。前人的研究表
明类囊体膜中的类胡萝卜素可以通过猝灭单线态
氧, 清除自由基来减少脂类的过氧化作用(Krinsky
1979; Burton 和 Ingold 1984; Lim等 1992)。叶黄
素循环广泛存在于高等植物、蕨类、苔藓和一些
藻类植物中, 位于类囊体膜上(吴长艾等 2001)。小
麦主要通过依赖叶黄素循环的非辐射能量耗散来防
御光破坏(洪双松等 1997)。叶黄素循环有 3 种组
分: 紫黄质、花药黄质和玉米黄质(董高峰等 1999)。
植物在暗中和弱光下, 叶黄素循环组分以紫黄质为
主, 当叶片吸收的光能超过光合作用所利用的量时,
产生过剩光能, 紫黄质两次脱环化分别形成花药黄
质和玉米黄质, 花药黄质和玉米黄质的含量与能量
耗散呈正相关(Eskling 等 1997)。
对豌豆的研究发现, 强光胁迫下光保护剂(玉米
黄素)能抵御所产生的危害性物质并迅速向类囊体膜
提供脂类和其他成分(Havaux 等 1991)。Sarry 等
(1994)发现, 生长在 23 ℃下的土豆叶片于 3 ℃下进
行光处理只产生很少量的玉米黄素, 同时产生较多
的乙烷; 而在23 ℃下进行光处理产生大量的玉米黄
素, 乙烷则被强烈抑制, 从而使膜脂过氧化作用降
低。Tardy和Havaux (1997)用强光(100 μmol·m-2·s-1)处
理大麦叶片诱导玉米黄质的生成, 为类囊体膜迅速
提供脂类, 降低了膜的流动性, 说明叶黄素循环组
图 1 NaCl处理对不同品种小麦幼苗叶片
MDA 含量(A)和质膜透性(B)的影响
Fig.1 Effects of NaCl treatment on leaf MDA content (A)
and plasma membrane permeability (B) in seedlings
of different wheat cultivars
图 2 NaCl处理对不同品种小麦幼苗叶片
叶黄素循环组分的影响
Fig.2 Effects of NaCl treatment on leaf xanthophyll cycle
components in seedlings of different wheat cultivars
植物生理学通讯 第 46 卷 第 10 期, 2010 年 10 月1024
分玉米黄质的增加与防止脂类过氧化有着密切的联
系。本实验发现, 短期盐胁迫条件下两个小麦品种
(A+Z)/(A+Z+V)都显著增加, ‘DK961’比对照增加了
53.30%, 而‘LM15’只增加了21.96%, ‘DK961’依赖
叶黄素循环的热耗散增加明显高于 ‘LM15’(图 2)。
而与 ‘DK961’ 相比, ‘LM15’ 在盐处理 3 d 后 MDA
含量和质膜透性增加更为显著, 分别为‘DK961’的
8.84倍和2.27倍, 相同盐胁迫条件下 ‘DK961’膜损
伤的程度更小。这些结果表明, 耐盐小麦 ‘DK961’
通过增加叶黄素循环组分玉米黄质直接或间接地耗
散部分过剩光能, 避免过多自由基的产生, 减轻了
盐胁迫对膜脂和膜蛋白的伤害, 从而减少了 MDA
的产生, 起到了一定的保护作用, 提高了耐盐性。
参考文献
陈洁, 林栖凤(2003). 植物耐盐生理及耐盐机理研究进展. 海南大
学学报(自然科学版), 1 (2): 177~182
董发才, 苗琛, 荆艳彩, 宋纯鹏, 杨惠娟, 安国勇(2002). 小麦根系
过氧化氢的积累与耐盐性的关系. 武汉植物学研究, 20 (4):
293~298
董高峰, 陈贻竹, 蒋跃明(1999). 植物叶黄素与非辐射能量耗散.
植物生理学通讯, 35 (2): 141~144
洪双松, 许大全(1997). 小麦和大豆叶片荧光参数对强光响应的
差异. 科学通报, 42 (7): 753~756
侯福林(2004). 植物生理学实验教程. 北京: 科学出版社, 90
柯玉琴, 潘廷国(1999). NaCl 胁迫对甘薯叶片叶绿体超微结构及
一些酶活性的影响. 植物生理学报, 25 (3): 229~233
彭建云, 綦翠华, 陈敏, 阎留华, 范海, 王宝山(2008). 盐处理对不
同抗盐性小麦幼苗叶绿素荧光参数的影响. 安徽农业科学,
36 (10): 3970~3972
王宝山, 赵可夫(1995 ). 大麦叶片中 Na +、K+ 提取方法的比较.
植物生理学通讯, 31: 50~52
王芳, 王宝山(2010). NaCl 处理对耐盐性不同小麦胚芽鞘 Na +、
K+ 含量的影响. 延边大学农学学报, 32 (1): 1~3
王弋博, 李勃, 未丽, 杨亚军, 李三相, 王建平(2005). 外源甜菜碱
对两种玉米耐盐性影响的研究. 兰州大学学报(自然科学版),
41 (2): 34~37
吴长艾, 孟庆伟, 邹琦(2001). 叶黄素循环及其调控. 植物生理学
通讯, 37: 1~5
张娟, 姜闯道, 平吉成(2008). 盐胁迫对植物光合作用影响的研究
进展. 农业科学研究, 29 (3): 74~80
赵可夫( 1 9 9 3 ) . 植物抗盐生理. 北京: 中国科学技术出版社,
230~232
赵世杰, 孟庆伟, 许长成, 韩红岩, 邹琦(1995). 植物组织中叶黄素
循环组分的高效液相色谱分析法. 植物生理学通讯, 3 1 :
438~442
赵世杰, 史国安, 董新纯主编(2002). 植物生理学实验指导. 北京:
中国农业科学技术出版社, 130~144
Burton GW, Ingold KU (1984). β-Carotene: an unusual type of
lipid antioxidant. Science, 224: 569~573
Eskling M, Arvidsaon PO, Akerlund HE (1997). The xanthophyll
cycle, its regulation and components. Plant Physiol, 100:
806~816
Havaux M, Gmsrecki WI, Dupont I, Leblanc RM (1991). Increased
heat emission and its relationship to the xanthophyll cycle
in pea leaves exposed to strong light stress. J Photochem
Photobiol B: Biol, 8: 361~370
Krinsky NI (1979). Carotenoid protection against oxidation. Pure
Appl Chem, 51: 649~660
Lim BP, Nagao A, Yerao J, Tanaka K, Suzuki T, Takama K (1992).
Antioxidant activity of xanthophylls on peroxyl radical-
mediated phospholipid peroxidation. Biochem Biophys Acta,
1126: 178~184
Peng YH, Zhu YF, Mao YQ, Wang SM, Su WA, Tang ZC (2004).
Alkali grass resists salt stress through high K+ and an endoder-
mis barrier to Na+. J Exp Bot, 55: 939~949
Sarry JE, Montillet JL, Sauvaire Y, Havaux M (1994). The pro-
tective function of the xanthophyll cycle in photosynthesis.
FEBS Lett, 353: 147~150
Schachtman DP, Bloom AJ, Dvorak J (1989). Salt-tolerant Triti-
cum×Lophopyrum derivatives limit the accumulation of
sodium and chloride ions under saline-stress. Plant Cell
Environ, 12: 47~55
Schachtman DP, Munns R (1992). Sodium accumulation in leaves
of Triticum species that differ in salt tolerance. Aust J Plant
Physiol, 19: 331~340
Sharkey TD, Badger MR (1982). Effects of water stress on pho-
tosynthetic electron transport, photophosphorylation, and
metabolite levels of Xanthium strumarium mesophyll cells.
Planta, 156: 199~206
Tardy F, Havaux M (1997). Thylakoid membrane fluidity and
thermostability during the operation of the xanthophyll
cycle in higher-plant chloroplasts. Biochim Biophys Acta,
1330: 179~193
Xu CC, Li LB, Kuang TY (2000). The inhibited xanthophylls
cycle is responsible for the increase insensitivity to low tem-
perature photoinhibition in rice leaves fed with glutathione.
Photosynth Res, 65 (2): 107~114
Yamoto HY (1979). Biochemistry of the violaxanthin cycle in
higher plants. Pure Appl Chem, 51: 639~648