全 文 :书水分胁迫下扁穗牛鞭草根系保护酶活性变化
桂世昌,杨峰,张宝艺,张新全,黄琳凯,马啸
(四川农业大学动物科技学院,四川 雅安625014)
摘要:在水分胁迫下,以国审扁穗牛鞭草品种广益和重高为材料,研究2种牧草根系超氧化物歧化酶(SOD)、过氧
化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性和丙二醛(MDA)含量变化情况。结果表明,在水分胁迫期间,广益和重高
扁穗牛鞭草根系 MDA含量和SOD、POD、CAT活性迅速升高,在14d时达到最大值,之后 MDA含量和3种保护
酶活性均出现大幅度下降。研究还表明,初期 MDA含量上升主要是由水分胁迫引起的,而3种保护酶活性的上升
则主要是 MDA含量上升所致。14d后 MDA含量和3种保护酶活性的下降可能是由于2种扁穗牛鞭草在渡过干
旱阈值期后,表现出一定耐受性和适应性。在研究期间,重高扁穗牛鞭草根系 MDA含量始终高于广益,综合2种
扁穗牛鞭草萎蔫和枯萎状况,表明广益扁穗牛鞭草抗旱能力大于重高扁穗牛鞭草。
关键词:扁穗牛鞭草;保护酶;根系;抗旱性
中图分类号:Q945.78;S543+.9 文献标识码:A 文章编号:10045759(2010)05027805
扁穗牛鞭草(犎犲犿犪狉狋犺狉犻犪犮狅犿狆狉犲狊狊犪)属禾本科黍亚科牛鞭草属,为多年生根状茎禾草[1],喜温暖湿润气
候[2]。它是一种生长期长、生长速度快、再生力强和产量高的优质牧草[3]。不过扁穗牛鞭草由于结实率低(2个
国家审定品种“广益”、“重高”自然传粉结实率分别为7.8%和6.6%[4]),主要靠根茎和匍匐茎进行无性繁殖[3]。
关于扁穗牛鞭草种质资源[3]、光合特性[5]、化学除杂[6]、化感作用[7]、农艺性状[8]和根际微生物[9]等已进行广泛的
基础研究,而关于扁穗牛鞭草抗旱性研究还尚未见诸文献。近年来,西南地区受到干旱影响持续加重,2006年更
是遭遇特大干旱[10]。为了更好地利用扁穗牛鞭草,促进农业经济的发展,本研究分析2种国审扁穗牛鞭草在水
分胁迫下根系保护酶的变化,为进一步选育抗旱性扁穗牛鞭草提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试材料采自四川农业大学草学基地种植的国审品种“广益”和“重高”扁穗牛鞭草。材料种植于高1.2m,
直径0.1m的PVC管中。试验用土为大田的沙壤土(白垩纪灌口组紫色沙页岩风化的堆积物形成的紫色土),过
筛,去掉石块、杂质,土壤有机质含量14.53g/kg,速效氮含量101.45mg/kg,速效磷含量4.85mg/kg,速效钾含
量342.56mg/kg,pH值6.3。
1.2 试验方法
试验于2009年4月初-10月中旬在四川农业大学温室中进行。选取长势相近的茎段,每支PVC管种植3
段,定苗2段,每个品种种植20管。于6月下旬扁穗牛鞭草拔节期时浇透一次水,测定土壤含水量,并选取植株
须根系测定超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、丙二醛(MDA)。以后进行控水处
理(一直不浇水),每隔14d测定1次以上指标,共测定4次,每次各指标3个重复。
1.2.1 土壤水分测定 用环刀取待测根际土壤,称取铝质土盒的质量,再称取环刀中部土壤于土盒中,然后置于
105℃烘箱中,烘干12h,冷却后称量,进行计算,即可得土壤水分含量[11]。
1.2.2 SOD活性、CAT活性、POD活性、MDA含量 采用南京建成生物工程研究所研制SOD、CAT、POD、
MDA试剂盒进行测定。其中,SOD活性定义为:每mg组织蛋白在1mL反应液中SOD抑制率达50%时所对应
的SOD量为1个SOD活力单位(U/mg)。POD活性定义为:在37℃条件下,每mg组织蛋白每分钟催化产生1
278-282
2010年10月
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
第19卷 第5期
Vol.19,No.5
收稿日期:20090922;改回日期:20091116
基金项目:四川农业大学校级大学生创新性实验计划(081062628)和“十一五”国家科技支撑计划重点项目(2008BADB3B10)资助。
作者简介:桂世昌(1987),男,四川成都人,本科。Email:shichanggui@163.com
通讯作者。Email:zhangxq@sicau.edu.cn
μg的底物的酶量定义为1个酶活力单位(U/mg)。CAT活性定义为:每g组织蛋白中CAT每秒钟分解吸光度
为0.52的底物中的过氧化氢相对量为1个过氧化氢酶的活力单位(U/g)。MDA含量单位为每 mg蛋白所含
MDA纳摩尔量(nmol/mg)。
2 结果与分析
2.1 土壤含水量变化
广益和重高的土壤含水量都呈显著的下降趋势
(表1)。结果表明,控水期间造成了明显的土壤水分
胁迫。同时可以看出2个品种的土壤含水量变化基本
一致,没有明显的差异(表1),说明对2个品种所进行
的干旱胁迫处理是相一致的。方差分析表明,同一品
种中不同处理时间,土壤含水量差异极显著(犘<
0.01)。
2.2 SOD活性变化
在整个研究期间,2个扁穗牛鞭草品种根系SOD
活性存在着极显著的差异(犘<0.01)。水分胁迫初期,
表1 不同胁迫期内广益和重高土壤含水量
犜犪犫犾犲1 犜犺犲狊狅犻犾犿狅犻狊狋狌狉犲狑犺犲狉犲“犌狌犪狀犵狔犻”犪狀犱“犆犺狅狀犵犵犪狅”
犵狉犲狑犻狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋狊狋犪犵犲狊狅犳狑犪狋犲狉狊狋狉犲狊狊
品种
Cultivars
土壤含水量 Watercontentofsoil(%)
0d 14d 28d 42d
广益 Guangyi 17.96A 13.95A 7.45A 3.92A
重高Chonggao 18.83A 13.45A 7.61A 3.83A
注:同列不同字母表示差异显著(犘<0.05)。
Note:Differentlettersinsamecolumnsindicatethesignificantdiffer
enceat0.05level.
扁穗牛鞭草根系SOD活性明显加强(图1),在14d时达到最大值。其中广益SOD活性在14d时达到654.727
U/mg,是重高活性2倍。随着水分胁迫天数的增加,2种扁穗牛鞭草SOD活性均下降,呈明显抛物线趋势,在42
d时接近水分胁迫初始水平,广益略高于重高。
2.3 POD活性变化
2个品种在干旱胁迫下,根系POD初期活性都呈上升趋势。14d时,广益和重高POD活性都达到最大值,
且活性大致相同。随着时间推移,2种扁穗牛鞭草POD活性出现明显降低(图2)。重高在14~28d时出现降
低,幅度达到62%,比同期广益高15%。处理期间,2个品种POD活性差异不显著。
图1 水分胁迫下犛犗犇活性的变化
犉犻犵.1 犜犺犲犮犺犪狀犵犲狊犻狀犛犗犇犪犮狋犻狏犻狋狔狌狀犱犲狉狑犪狋犲狉狊狋狉犲狊狊
图2 水分胁迫下犘犗犇活性的变化
犉犻犵.2 犜犺犲犮犺犪狀犵犲狊犻狀犘犗犇犪犮狋犻狏犻狋狔狌狀犱犲狉狑犪狋犲狉狊狋狉犲狊狊
2.4 CAT活性变化
水分胁迫初期,重高和广益根系CAT活性增加,中后期根系CAT活性出现大幅度的下降(图3)。在整个水
分胁迫中,重高和广益扁穗牛鞭草CAT活性差异显著(犘<0.05),在0~14d期间,2种植物根系CAT都增加近
7.5倍,后期下降速度基本一致,42d时CAT活性接近处理初期水平。
2.5 MDA含量变化
水分胁迫初期,2种扁穗牛鞭草根系 MDA含量出现小幅上升。随着水分胁迫加剧,广益和重高根系 MDA
含量开始大幅下降,但在整个过程中重高 MDA含量始终高于广益(图4),差异极显著(犘<0.01)。水分胁迫14
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d时,重高和广益根系MDA含量都达到最大值,重高为广益的3倍。28~42d时,广益和重高MDA含量都出现
下降,重高 MDA含量仍高于广益,保持在45nmol/mg。
图3 水分胁迫下犆犃犜活性的变化
犉犻犵.3 犜犺犲犮犺犪狀犵犲狊犻狀犪犮狋犻狏犻狋狔狅犳犆犃犜狌狀犱犲狉狑犪狋犲狉狊狋狉犲狊狊
图4 水分胁迫下 犕犇犃含量的变化
犉犻犵.4 犜犺犲犮犺犪狀犵犲狊犻狀犮狅狀狋犲狀狋狊狅犳犕犇犃狌狀犱犲狉狑犪狋犲狉狊狋狉犲狊狊
3 讨论
水分胁迫是植物最易遭受的逆境胁迫,也是限制植物生长的重要因素。水分胁迫下,植物表现出多方面不适
应,生长减缓,光合速率下降[12],叶绿体消解[13],质膜受损,细胞内含物大量外渗等[14]。土壤是植物生长必须的
基质,为植物提供适宜生长的水肥气热条件[15]。因而植物对于土壤水分含量高低极为敏感,土壤水分含量高低
可以作为植物受干旱胁迫大小的表征条件之一。
在水分胁迫下,SOD、POD和CAT这3种酶是保护细胞膜免受自由基伤害的保护酶,保持较高水平酶活力,
可降低膜脂过氧化程度,减轻膜受到伤害的程度[16]。许多研究已经证明,这3种酶在水分胁迫下活性的高低与
植物抗旱性成正相关[1720]。SOD在其中主要是将O2-歧化为 H2O2,再通过POD和CAT将 H2O2 清除[21,22]。
在正常情况下,3种保护酶维持着自由基的平衡[23]。水分胁迫造成植物伤害的重要原因之一,就是细胞内O2-
的产生与清除失衡[24]。而植物体内过剩自由基的毒害之一是引发膜脂过氧化作用,造成膜系统的损伤,严重时
会导致植物细胞死亡。膜脂过氧化的最终产物丙二醛(MDA)又可与细胞膜上的蛋白质酶结合、交联,从而使之
失活,破坏生物膜的结构与功能。因此,MDA含量高低,可代表植物受到干旱胁迫的程度和膜脂过氧化程度[25]。
植物根系作为直接和土壤接触的器官,对于土壤水分的感受最为直接,同时也是植物在水分胁迫下最先作出
反应的器官,研究根系可较好反应植物对水分胁迫应激机理。在本研究中,选取植物根系进行研究,发现在水分
胁迫初期,2种扁穗牛鞭草广益和重高根系SOD、POD、CAT变化趋势相同,都有大幅度升高,这与对苜蓿
(犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪)[26]、草地早熟禾(犘狅犪狆狉犪狋犲狀狊犻狊)[27]、紫羊茅(犉犲狊狋狌犮犪狉狌犫狉犪)[27]、多年生黑麦草(犔狅犾犻狌犿狆犲
狉犲狀狀犲)[27]、玉米(犣犲犪犿犪狔狊)[28]的研究结果相吻合。而14d后出现下降可能有以下几个原因:一是由于产生大量
自由基,破坏SOD、POD和CAT产生机制[29,30],二是超出保护酶系统的清除能力[31],三是植物顺利渡过干旱阈
值期而产生耐受性。综合本试验全过程,结合扁穗牛鞭草在干旱胁迫下的宏观表现,笔者倾向于第3种原因。在
整个处理期间,SOD、POD和CAT3种保护酶先上升后下降,这与在柽柳(犜犪犿犪狉犻狓犮犺犻狀犲狀狊犻狊)[32]、大豆(犌犾狔犮犻狀犲
犿犪狓)[33]、夏玉米[33]研究相同。初期 MDA含量升高,可能是干旱胁迫对质膜损伤造成的。而同期3种保护酶与
MDA呈极显著相关的上升,则表明活性酶升高主要是由 MDA所诱导[34],而非干旱胁迫直接造成。在干旱胁迫
到14d时,广益和重高扁穗牛鞭草根系 MDA含量达到最大值,表明质膜受到过氧化伤害达到最大值。在28~
42d时,根系 MDA、SOD、POD、CAT开始出下降,结合2种扁穗牛鞭草叶片出现枯黄和萎蔫主要集中在25~35
d,而35d以后叶片变化不明显,主要是维持为主。这些现象出现可能与扁穗牛鞭草抗旱性反应阈值有关[35,36],
同时30d左右可能是扁穗牛鞭草抗旱性阈值期,是决定其抗旱大小的临界期,有重要的研究意义。至于后期扁
穗牛鞭草主要以维持为主,甚至广益出现部分叶片返青的现象则表明扁穗牛鞭草在顺利渡过干旱阈值期,对干旱
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胁迫产生较强的适应性和耐受性,这些宏观变化也与 MDA含量和3种保护酶活性下降的微观变化相一致。至
于在42d后是否还会出现 MDA含量和3种保护酶活性上升,则需要进一步延长试验观察期进行研究。在整个
处理期间,根系POD含量差异不显著,POD对于2种扁穗牛鞭草抗旱性贡献大小还需要做进一步的验证。
4 结论
综上所述,SOD、POD、CAT在水分胁迫下,先上升后下降,在14d时达到最大值,可能与扁穗牛鞭草在水分
胁迫下保持正常生长最长时间一致。广益扁穗牛鞭草 MDA含量远低于重高扁穗牛鞭草,从而膜损伤较少。结
合试验观察数据,重高在25d时开始出现萎蔫现象,广益在35d开始出现同样现象。试验结束时,重高大部分叶
片出现枯黄,广益仍保持绿色,表明广益扁穗牛鞭草的抗旱能力大于重高扁穗牛鞭草。
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犆犺犪狀犵犲狊犻狀狆狉狅狋犲犮狋犻狏犲犲狀狕狔犿犲犪犮狋犻狏犻狋犻犲狊犻狀犮犲犾狊狅犳犎犲犿犪狉狋犺狉犻犪犮狅犿狆狉犲狊狊犪狌狀犱犲狉狑犪狋犲狉狊狋狉犲狊狊
GUIShichang,YANGFeng,ZHANGBaoyi,ZHANGXinquan,
HUANGLinkai,MAXiao
(ColegeofAnimalScience&Technology,SichuanAgriculturalUniversity,Ya’an625014,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Twonationalvarieties“Guangyi”and“Chonggao”wereusedtostudythechangesofsuperoxidedis
mutase(SOD),peroxidaseisoenzyme(POD),catalase(CAT)andmalondialdehyde(MDA)inroots.The
resultsshowedthattheMDAcontentandtheactivitiesofsuperoxidedismutase,peroxidaseisoenzyme,and
catalaseintherootsincreasedduringwaterstress,withapeakat14days.Afterthat,thecontentofmalondi
aldehydeandtheactivitiesofthethreekindsofprotectiveenzymesdeclinedsignificantly.Thestudyalso
showedthattheinitialriseinthecontentofmalondialdehydewasmainlycausedbydroughtstress.However,
therisesinthethreekindsofprotectiveenzymesactivitiesmayresultfromtheriseofmalondialdehyde.After
14daysofdroughtstress,thereductionincontentofthethreeprotectiveenzymesmayduetotheirtolerance
andadaptabilityafterexperiencingthedroughtthresholdperiod.Duringthestudy,therootsof“Chonggao”
alwayshadahigherMDAthan“Guangyi”.Basedonthedroopingandwiltingstatusofthetwograsses,we
concludethat“Guangyi”hasagreaterdroughtresistancethan“Chonggao”.
犓犲狔狑狅狉犱狊:犎犲犿犪狉狋犺狉犻犪犮狅犿狆狉犲狊狊犪;protectiveenzyme;root;droughtresistance
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