全 文 ：植物生理学通讯 第 40 卷 第 3期，2004 年 6 月 361
聚乙二醇在植物渗透胁迫生理研究中的应用
张立军1,* 樊金娟1 阮燕晔1 关义新2
1 沈阳农业大学生物科学技术学院，沈阳 110161；2 中国农业科学院作物育种栽培研究所，北京 100081
Application of Polyethylene Glycol in the Study of Plant Osmotic Stress
Physiology
ZHANG Li-Jun1,*, FAN Jin-Juan1, RUAN Yan-Ye1, GUAN Yi-Xin2
1College of Biological Science and Technology, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161; 2Institute of Crop Breeding
and Cultivation, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081
提要 介绍聚乙二醇(PEG)在调节培养液和固体培养基水势以及在水分胁迫和盐胁迫研究中的应用及应注意的问题，并
介绍 PEG 溶液水势的测定方法和水势计算公式。
关键词 聚乙二醇；植物；渗透胁迫；水势计算
收稿 2003-09-27 修定 2004-02-23
* E-mail: ljzhang@syau.edu.cn, Tel: 024-88443713
植物在生长发育过程中，经常会遇到由干旱
和高盐引起的渗透胁迫。受到渗透胁迫的植物脱
水，细胞膨压丧失，对植物产生许多不利效应：
发育受抑，生产力降低，甚至死亡。长期以来，
人们一直想通过揭示渗透胁迫伤害机理，寻找提
高植物抵抗胁迫能力的途径。但在研究过程中常
为一些客观因素所困扰：一是土壤的组分非常复
杂，作为实验系统常难以控制；二是有时难以将
渗透胁迫效应与土壤系统中的其它胁迫效应有效区
分开。因此，在植物渗透胁迫生理研究中，实
验能否在一个稳定而易于控制的模拟系统中进行就
显得十分重要。聚乙二醇(polyethylene glycol，
PEG)溶液培养则是人们在进行植物渗透胁迫研究
中一个常用而比较理想的系统。
1 PEG的性质
PEG 是乙醇聚合物，分子式为HOCH2 －[CH2 －
O－ CH2]n － CH2OH，分子量有200~20 000 不等。
常见商品的分子量在200~8 000之间，pH 5~7, 溶
于水，也溶于大多数有机溶剂。随着分子量的增
大，PEG 的物理性质也随之变化，从无色无味的
液体变为蜡状固体。由于 PEG 的性质特殊，在很
多行业中都有广泛的用途。如橡胶、纺织、金
属等行业中用作水溶性润滑剂、软化剂、不饱和
树脂等。PEG 分子有非离子化的长链，化学性质
不活泼[1]，对生物的毒性很小，所以也应用于制
药业、化妆品业和医疗中。在生物科学研究中
PEG 也有广泛的应用。例如，PEG 用于介导细胞
融合、DNA 转移，分离生物大分子[2]和测定生物
大分子的质量[3]，以及促进种子萌发[4~6]等。
2 PEG水分渗透胁迫研究中的应用
在研究植物对干旱和高盐的反应时需要低水
势处理。一般的做法是减少土壤或其它固体培养
基的水分供应，但在整个实验期间很难保持水势
的恒定和一致。而且有些试验，例如要求严格控
制培养基水势、需要在短时间内使植物体达到较
低水势、在实验过程中需要进行放射性标记的实
验不适合用固体培养基培养植物，而用液体培养
则较为合适。此外，在观察渗透胁迫对植物根系
生长和形态变化的影响时，溶液培养也有较大的
优势。
2.1 PEG溶液培养的特点及应用 用溶液培养对植
物进行渗透胁迫时，需要调节培养液的水势。如
果单从调节水势的角度考虑，无机盐、小分子的
糖、醇等都可以选用。但对土壤干旱来说，不
仅要使植物的细胞脱水，而且还要使细胞壁脱
水。因此，模拟土壤干旱的渗透物质，其分子
量要足够大，才能不透过细胞壁，产生与土壤干
旱相同的脱水效应。如果渗透调节物质透过细胞
壁，甚至透过细胞膜进入细胞内部，被代谢或产
生其它效应，将会使研究的问题复杂化。
Greenway [7]对液泡化和非液泡化的玉米组织进行渗
透胁迫时，发现复水后液泡化组织的代谢物外渗
速率迅速增大，而非液泡化的组织内含物外渗只
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有轻微的增加。因此，溶质是否能够透过细胞壁
对植物细胞的效应是不同的[8]。PEG 可作为渗透
调节物质[9]。实验表明，分子量在6 000及6 000
以上的 PEG 不能透过细胞壁。当细胞置于低水势
溶液中，细胞内水分流出，细胞体积变小，如
果溶质的分子量很小，可以透过细胞壁，则会引
起质壁分离(plasmolysis); 如果溶质的分子量很大，
不能透过细胞壁，水分的移出则会使细胞发生塌
陷(cytorrhysis)。Carpita 等[10]用溶质分子量不同的
溶液处理活体细胞时发现，甘露醇、PEG2000 引
起质壁分离，PEG6000 引起塌陷，PEG4000 既
引起质壁分离又导致塌陷。所以，高分子量的
P E G 是模拟土壤干旱理想的水势调节物质。
Rashmi和 Agarwal[11]在实验中还发现，用水势为
-1.7 和-2.1 MPa的 PEG6000(0.27 和 0.3 g·g -1水)和
甘露醇(0.3和 0.6 mol·L-1)处理水稻幼苗时，胁迫
诱导的脯氨酸含量增加，前者明显大于后者。
有人用PEG 产生渗透胁迫处理玉米[12,13]、水
稻[14 ]的幼苗时发现，各种植物表现出相同的特
征：丙二醛含量增加，叶中相对含水量(RWC)下
降，膜透性增高。此外，随着植物抗性生理研
究向细胞水平的深入，需要以离体的器官、组织
和细胞为试材进行研究。范建民和惠玉琴[15]以不
同苗龄的小麦离体叶片为材料，研究 PEG 对其衰
老的影响时，发现 PEG 加速小麦衰老。同样，在
细胞水平的研究中，PEG 也是一种很好的水势调
节物质。例如，Bajji 和Chaumont[16]就曾采用离
体组织研究渗透胁迫对细胞膜离子通道、水孔蛋
白和其它转运蛋白的影响。
近年来，随着分子生物学的发展，PEG 渗透
胁迫也用来研究基因的表达和调节[17]问题。在许
多植物中，蔗糖合成酶基因的表达受蔗糖所制
约。Déjardin等 [18]研究表明，拟南芥的蔗糖合成
酶基因(Sus1)表达由蔗糖所诱导外，还可以由透过
性溶质( 山梨醇、甘露醇) 和非透过性溶质
PEG8000所诱导。因而推断Sus1基因可能受渗透
势调节，而不是受蔗糖代谢物的调节。
2.2 PEG固体培养的特点及应用 在某些植物渗透
胁迫研究中需要在琼脂培养基上培养幼苗或离体组
织，并进行渗透胁迫处理。通常的方法是在培养
基中加入小分子的糖类、醇类物质或无机盐，如
蔗糖、甘露醇、山梨醇等进行渗透胁迫。但这
些物质不适合较长时间的渗透胁迫实验[19]。PEG
可以应用于长时间的植物渗透胁迫实验，但在配
制培养基的过程中，如果将 PEG 直接加入培养基
中会干扰琼脂糖凝固，从而限制 PEG 在固体培养
植物的渗透胁迫生理研究中的应用。Linossier 等[20]
在研究PEG和脱落酸对橡胶树(Hevea brasisliensis)
体细胞胚发育的影响时，向培养基中加入75 、140
和 178 g·L-1 的 PEG3350 溶液(其水势分别相当于
58、174和 290 mmol·L-1 的蔗糖溶液)，在制备培
养基时，将上述浓度浓缩 1 倍，在 120℃下灭菌
20 min 后，再分别与浓缩 1 倍的不含激素的 MH
(Mueller-Hinton)培养基等体积混合，配制时先将
P E G 溶液倒入到培养基中，然后再使培养基凝
固。但应该注意的是，PEG 经过高温灭菌后，水
势会发生变化，因此实验过程中应考虑到这种变
化的影响。van der Weele等[21]建立了一种简便的
方法，即将经无菌过滤的 PEG 溶液倒在已经凝固
的琼脂培养基上，平衡一夜后倒掉 PEG 溶液，再
接种植物材料。此法不仅能够满足实验对于水势
的要求，而且对植物没有毒害作用。
3 PEG在研究盐胁迫中水分胁迫的作用
虽然盐胁迫的一个主要效应是对植物产生渗
透胁迫，其对植物的伤害与土壤干旱有共同的机
制，但是盐胁迫还会产生离子毒害等其它效应。
无机盐离子分子量小，不仅能透过细胞壁，而且
可被细胞所吸收，在细胞内积累将会影响酶和其
它蛋白的稳定性。因此，在研究盐胁迫机理时应
将盐胁迫的渗透胁迫效应与其它效应区分开。
许多学者用PEG 进行研究时，发现植物体在
遭遇盐胁迫和渗透胁迫时，在许多反应上有差
异。Skrecky[22]用 –1.0 MPa 的非透过性溶质
P E G 8 0 0 0 和透过性溶质氯化钠处理假单胞菌
(Pseudomonas putda)后置于透射电镜下观察，发
现经 PEG 处理的细胞外膜出现断裂或皱褶，而用
氯化钠处理和未经处理的细胞中则没有。Bajji 和
Chaumont[16]用 29% PEG6000 和 300 mmol·L-1 氯化
钠(约 -1.5 MPa) 胁迫玉米幼苗时发现幼苗鲜重显
著降低，P E G 处理的降低程度大于氯化钠处理
的，而且 PEG 处理的叶中相对含水量降低，幼苗
转移到正常水势培养液中后，相对含水量恢复正
常；氯化钠胁迫的叶中相对含水量不降低，但在
转移到正常水势溶液中后，相对含水量则降低。
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假单胞菌的反式不饱和脂肪酸与顺式不饱和脂肪酸
的比值对 PEG8000、PEG200 和氯化钠渗透胁迫
呈不同的反应：在 -0.25 MPa 水势下，PEG200
和氯化钠处理的反式不饱和脂肪酸与顺式不饱和脂
肪酸的比值高于PEG8000 处理的；水势进一步下
降时，PEG8000 才诱导产生大量的反式饱和脂肪
酸，导致其与顺式不饱和脂肪酸的比值上升[22]。
马焕成和王沙生[23]用等渗透势的氯化钠和PEG 溶
液处理胡杨时发现，胡杨对渗透胁迫和盐胁迫有
不同的响应：处理1 d 后，受 -0.24 MPa 的氯化
钠胁迫的胡杨根中 ABA 含量比未经氯化钠胁迫的
处理增加 2.7 倍；而用相同水势的 PEG 处理没有
影响。李海云等[24]研究盐生植物滨藜(Atriplex
isatidea)、碱蓬(Suaeda salsa)、海蓬子(Salicomia
eucopca)、补血草(Limonium bicolor)种子萌发的抑
制因子时发现，虽然氯化钠和等水势的 PEG6000
都对种子萌发有抑制作用，但PEG6000 的抑制作
用大于氯化钠。这都说明非透过性的 PEG 胁迫和
盐胁迫有不同的机制。
总之，用PEG 产生渗透胁迫是盐胁迫生理研
究中的一个重要手段。在实验过程中，可以针对
不同的实验目的，用不同分子量的 PEG，产生不
同性质的渗透胁迫来研究细胞壁外脱水和细胞膜外
脱水效应。
4 PEG溶液水势的测定和计算
PEG 溶液水势可以用冰点下降法(freezing-
point depression)和水蒸气压亏缺法(vapor-pressure
deficit)测定[25,26]。但这两种测定方法的结果有较
大的差异。Williams和Shaykewich[27]发现PEG在
低浓度[ 50~150 g·(1 000 g) -1(水)]下，冰点下降法
的测定结果比水蒸气压亏缺法高(负的少) 2 6 % ~
44%；高浓度[300~400 g-1·(1 000 g) -1(水)]下比水
蒸气压亏缺法低(更负)14%~20%。PEG 在水溶液
中不遵循van’t Hoff 定律，对于给定的PEG水
势与摩尔浓度有关，但不成线性关系。在相同摩
尔浓度下，水势随着分子量的增大而降低。PEG
的水势可能主要受乙醇亚单位的衬质势控制。
虽然PEG 溶液的水势与摩尔浓度不呈线性关
系。但Michel和 Kaufmann[28]发现在一定范围内，
P E G 溶液水势随浓度和温度的变化，可用方程
Y=a[PEG]2 T+b[PEG]2 +c[PEG]T+d[PEG]描述，式
中 a、b、c、d 为常数。Michel 等[29]1983 年又
推导出如下经验公式，对 PEG 溶液的水势进行计
算或预测：Y PEG=1.29[PEG]2 T-140[PEG]2 -
4[PEG]。式中，YPEG 为 PEG 溶液的水势，单位
为bar；[PEG]为PEG浓度，单位为g·g-1(水); T为
温度(摄氏度)。此公式在PEG浓度0~0.8 g·g-1(水)、
温度 5~40℃的范围内可得到很好的预测结果，误
差在 5% 以内；但在预测高浓度 PEG 溶液的水势
时，误差增大。
甘露糖和葡聚糖的水势计算可参见文献 29。
应该注意的是，PEG 与低分子量溶质混合时
对水势的影响具有加成效应。例如将 P E G 与
K2SO 4、NaCl、甘露醇混合时，实测水势低于预
测水势(比预测水势更负，表 1)。这为培养液水
势预测带来了困难。但这个公式可应用在对水势
精确度要求不高的实验中，也可以在此基础上对
水势进行进一步的精确调节。
5 结束语
虽然PEG广泛应用于植物渗透胁迫的溶液培养
中，但还存在着一些问题。首先，氧气供应不
足，以致植物缺氧。这与一般溶液培养一样[18]。
在纯水中氧气的传递能力比空气中低104倍[31]，而
且在进行溶液培养时根系表面还存在着影响氧气扩
散的界面层[32]，层面层的厚度与搅拌程度和溶液
的粘度有关。溶液的粘度愈大，愈不利于氧气的
表1 盐和甘露醇对PEG溶液水势的影响[30]
PEG/g·g-1(水)
溶质 浓度/mol·L-1 0 0.2 0.3
实测水势/Mpa 加成效应/Mpa 实测水势/Mpa 加成效应/Mpa 实测水势/Mpa 加成效应/Mpa
0 － -0.31 － -0.67 －
K2SO 4 0.355 -2.00 － -3.20 0.89 -3.93 1.26
NaCl 0.410 -1.99 － -2.74 0.44 -3.28 0.62
甘露醇 0.731 -1.95 － -2.76 0.50 -3.37 0.75
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扩散。PEG 溶液的粘度较大，对根系的氧气供应
有较大的不利影响，从而增大了根系缺氧的可能
性。其次，对培养植物产生伤害。在培养过程
中，PEG 有时会进入组织内部，对植物尤其是植
物的根系产生不同程度的伤害[33 ]。此外，如果
PEG 本身纯度较低，其所含有的杂质也会对植物
产生一定的伤害作用[34]。这些都是我们在应用
PEG 的实验中需要加以注意的。
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