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Exogenous salicylic acid on alleviating salt stress in alfalfa seedlings

外源水杨酸对苜蓿幼苗盐胁迫的缓解效应



全 文 :书外源水杨酸对苜蓿幼苗盐胁迫的缓解效应
周万海,师尚礼,寇江涛
(甘肃农业大学草业学院 草业生态系统教育部重点实验室 甘肃省草业工程实验室 中-美草地畜牧业可持续研究中心,甘肃 兰州730070)
摘要:为明确外源水杨酸提高苜蓿抗盐的生理生化机制,以“甘农3号”苜蓿品种为材料,在150mmol/LNaCl胁
迫条件下,采用叶面喷施方法,研究外源水杨酸(salicylicacid,SA)对苜蓿幼苗生长、有机渗透调节物质含量及抗氧
化系统的影响。结果表明,盐胁迫显著抑制了苜蓿幼苗生长,盐胁迫下添加0.25mmol/L外源SA后,苜蓿幼苗的
株高、根长、鲜重,植株叶绿素含量显著升高,叶片和根系中游离脯氨酸、丙二醛(MDA)含量显著降低,可溶性蛋白
含量显著增加;叶片中超氧化物歧化酶(SOD)、愈创木酚过氧化物酶(GPX)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性显
著升高,过氧化氢酶(CAT)活性、抗坏血酸(AsA)和还原型谷胱甘肽(GSH)含量未发生变化;根系中 GPX活性、
AsA和GSH含量显著升高,SOD、CAT和APX活性则未发生变化,说明外源SA处理能调控苜蓿幼苗有机渗透调
节物质含量和抗氧化保护系统,缓解盐胁迫对苜蓿植株的伤害。
关键词:苜蓿;盐胁迫;水杨酸
中图分类号:S816;Q945.78  文献标识码:A  文章编号:10045759(2012)03017106
  盐分是影响作物生产力的主要环境因子之一[1],全世界大约20%的土地和50%的灌溉地受盐渍化影响[2]。
苜蓿(犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪)是多年生优质豆科牧草,在我国干旱和半干旱地区被广泛种植,但由于不合理的灌溉和
耕作措施,土壤盐渍化问题日益突出,严重影响苜蓿生产。盐胁迫使植物细胞内正常的电子传递链被阻断,导致
活性氧代谢失调,引起细胞结构和功能破坏,影响植物正常生长发育[3],为减缓由活性氧引起的毒害作用,植物
体形成了复杂的抗氧化系统从而能更好地适应逆境条件[4],但这仅是植物体的早期反应。通过添加外源物质调
控植物体抗氧化组分是解决非生物逆境胁迫对植物伤害行之有效的方法[5,6]。水杨酸(salicylicacid,SA)是植物
莽草酸代谢途径中的一种酚类衍生物,参与植物细胞信号传导,不仅影响植物的种子萌发、生长、开花、气孔关闭、
离子吸收与转运、细胞膜透性、光合作用及生长速率等一系列生理生化过程,还可作为激活植物抗性反应的信号
分子调控相关基因表达提高植物抗性[7];到目前,SA在重金属、臭氧、紫外辐射、高温、低温、干旱、盐渍等非生物
胁迫下对不同植物的保护作用已有研究[8]。然而,根据植物种类、处理浓度及逆境条件不同,SA对植物具有保
护或伤害的双重作用[9]。苜蓿耐盐性已有一些报道[1012],但通过添加外源SA对盐胁迫下苜蓿幼苗生长及其抗
逆生理特性的影响报道较少。本研究通过添加外源SA对NaCl胁迫下苜蓿幼苗生长、叶绿素含量、可溶性蛋白
含量、游离脯氨酸含量和抗氧化系统的影响,探讨SA诱导苜蓿耐盐响应的生理机制,为合理利用水杨酸解决苜
蓿栽培中的盐害问题和培育抗盐苜蓿品种提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 材料与处理
试验于2011年5-9月在甘肃农业大学培养室内进行,供试苜蓿品种为甘农3号(犕.狊犪狋犻狏犪cv.Gannong
No.3),选取健康、饱满的种子,用0.1% HgCl2 溶液消毒5min,蒸馏水冲洗3~4次,浸种催芽后,播种于装有
蛭石的营养钵中,每盆播种10株,在光照培养室内培养(光照强度为400μmol/m
2·s,温度为白天24℃、16h,夜
间20℃、8h;相对湿度为60%~70%)。在幼苗生长期间浇1/2Hoagland完全营养液,生长35d后进行处理;挑
选生长一致、长势良好的植株,分为两部分:一部分用0.25mmol/LSA溶液(内含0.02%吐温-20)每天均匀喷
第21卷 第3期
Vol.21,No.3
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA   
171-176
2012年6月
收稿日期:20120120;改回日期:20120220
基金项目:牧草种质资源保护利用(NB2130135)和国家牧草产业技术体系专项(CARS35)资助。
作者简介:周万海(1979),男,甘肃武威人,讲师,在读博士。Email:zhouwanhai@gsau.edu.cn
通讯作者。Email:shishl@gsau.edu.cn
施叶片的正、反面,以叶片附着1层小液珠为准,另一部分喷施蒸馏水[13]。同时把喷施SA溶液和喷施蒸馏水的
一半植株用含有150mmol/LNaCl的1/2Hoagland完全营养液浇灌基质作为盐胁迫处理,试验共设4个处理:
1)CK;2)SA(0.25mmol/LSA);3)NaCl(150mmol/LNaCl);4)NaCl+SA(150mmol/LNaCl+0.25mmol/L
SA),处理期间每天用含有NaCl的溶液(对照不含NaCl)浇透1次。试验采用随机区组设计,每处理12盆,重复
3次。处理第15天取样测定各项指标,每个处理取6个重复。
1.2 测定方法及指标
1.2.1 生长指标测定 株高、根长和鲜重测定采用常规法,用直尺测量幼苗株高和根长;每处理随机抽取3盆幼
苗,用蒸馏水冲洗干净,吸干表面水分后称重。
1.2.2 生理生化指标测定 参考邹琦[14]的方法测定叶绿素含量;根系和叶片中可溶性蛋白含量用考马斯亮蓝
G250法测定[14];游离脯氨酸含量采用酸性茚三酮染色法测定[14];丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量采用硫
代巴比妥酸法测定[14]。酶液的提取参考AzevedoNeto等[15]的方法,称取苜蓿叶片(0.20g)和根系(0.15g),用
4mL预冷的提取缓冲液(100mmol/L磷酸缓冲液,pH7.0,0.1mmol/LEDTA)研磨成匀浆,匀浆液用4层纱
布过滤,滤液在12000r/min下离心15min,上清液用于酶活性测定,以上所有操作均在4℃条件下进行;超氧化
物歧化酶(superoxidedismutase,SOD)活性测定参照 Giannopolitis和 Ries[16]的方法,过氧化氢酶(catalase,
CAT)活性测定参照Beers和Sizer[17]的方法,抗坏血酸过氧化物酶(ascorbateperoxidase,APX)活性测定参照
Nakano和Asada[18]的方法,愈创木酚过氧化物酶(guaiacolperoxidase,GPX)活性测定参照 Urbanek等[19]的方
法。苜蓿根系和叶片抗坏血酸(ascorbicacid,AsA)含量测定参考Law等[20]的方法,还原型谷胱甘肽(reduced
glutathione,GSH)含量测定参考Griffith[21]的方法。
1.3 数据处理
用Excel2003软件处理数据和绘图,SPSS15.0软件进行统计分析,用Duncan’s新复极差法进行差异显著
性检验(犘<0.05)。
2 结果与分析
2.1 外源SA对盐胁迫下苜蓿生长的影响
NaCl处理对苜蓿生长有显著抑制作用(犘<
0.05)(表1),与CK相比,NaCl处理的苜蓿植株鲜重、
根长和株高分别降低26.80%,20.96%和26.20%。
正常条件下添加0.25mmol/LSA对甘农3号苜蓿生
长有一定的促进作用,植株鲜重、根长和株高分别比对
照增加9.9%,23.6%和21.8%。NaCl+SA处理下
苜蓿幼苗株高、根长和鲜重分别比单一 NaCl处理增
加28.9%,17.6%和16.4%,差异达显著水平(犘<
0.05),表明外源SA能有效缓解盐胁迫对苜蓿生长的
抑制效应。
表1 外源犛犃对盐胁迫下苜蓿生长的影响
犜犪犫犾犲1 犈犳犳犲犮狋狊狅犳犲狓狅犵犲狀狅狌狊狊犪犾犻犮狔犾犻犮犪犮犻犱狅狀犵狉狅狑狋犺
狅犳犪犾犳犪犾犳犪狊犲犲犱犾犻狀犵狊狌狀犱犲狉狊犪犾狋狊狋狉犲狊狊
处理
Treatment
鲜重
Freshweight
(g/盆Pot)
株高
Plantheight
(cm)
根长
Rootlength
(cm)
CK 11.92±1.44b 10.32±2.31b 18.61±3.28b
SA 13.08±1.96a 12.63±2.58a 23.14±4.26a
NaCl 8.71±1.99d 7.61±1.22c 14.73±2.83d
NaCl+SA 10.14±2.11c 9.86±2.01b 17.35±3.76c
 注:同列不同字母表示差异显著(犘<0.05)。
 Note:Valuesfolowedbydifferentletterswithinthesamecolumnin
dicatesignificantdifference(犘<0.05).
2.2 外源SA对盐胁迫下苜蓿叶绿素含量的影响
150mmol/LNaCl处理导致苜蓿叶片叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量分别较CK下降53.6%,56.9%
和51.1%(犘<0.05)(图1)。外源SA的添加有利于叶绿素的合成,SA处理中,苜蓿叶片叶绿素a、叶绿素b和
类胡萝卜素含量分别较CK增加65.5%,74.3%和39.6%(犘<0.05);NaCl+SA处理中,叶绿素a、叶绿素b和
类胡萝卜素含量分别是CK的1.2,1.7和0.9倍,是NaCl处理的2.5,3.2和1.9倍(犘<0.05),说明SA抑制了
盐胁迫诱导的叶绿素和类胡萝卜素的降解。
2.3 外源SA对盐胁迫下苜蓿幼苗可溶性蛋白和游离脯氨酸含量的影响
150mmol/LNaCl处理导致苜蓿叶片和根系中可溶性蛋白含量较对照分别增加15.3%和47.7%(犘<
271 ACTAPRATACULTURAESINICA(2012) Vol.21,No.3
0.05),SA处理对叶片和根系中可溶性蛋白含量均无
图1 外源犛犃对盐胁迫下苜蓿叶绿素含量的影响
犉犻犵.1 犈犳犳犲犮狋狊狅犳犲狓狅犵犲狀狅狌狊狊犪犾犻犮狔犾犻犮犪犮犻犱狅狀犮犺犾狅狉狅狆犺狔犾
犮狅狀狋犲狀狋犻狀犪犾犳犪犾犳犪狊犲犲犱犾犻狀犵狊狌狀犱犲狉狊犪犾狋狊狋狉犲狊狊
   不同字母表示差异显著(犘<0.05),下同。Thedifferentlettersmean
thesignificantdifferenceat犘<0.05,thesamebelow.
显著影响(犘>0.05)(图2),NaCl+SA处理下苜蓿叶
片和根系中可溶性蛋白含量分别比 NaCl处理增加
25.3%和18.8%(犘<0.05),表明逆境条件下,外源
SA处理对苜蓿植株蛋白代谢具有调控作用。150
mmol/LNaCl处理下苜蓿叶片和根系中游离脯氨酸
含量分别是对照的1.45和2.43倍(犘<0.05),但
NaCl+SA处理的叶片和根系中游离脯氨酸含量分别
比NaCl处理降低22.0%和28.4%(犘<0.05)。此
外,盐胁迫下苜蓿根系比叶片能够积累更多的可溶性
蛋白和游离脯氨酸,这可能与根系最先受到盐离子冲
击有关。
2.4 外源SA对盐胁迫下苜蓿幼苗膜脂过氧化产物
含量的影响
MDA是植物逆境胁迫下产生的一种膜脂过氧化
产物,其含量高低反应植物受伤害的程度[22]。NaCl处理下甘农3号苜蓿叶片和根系中 MDA含量显著升高(表
2),SA单独处理时,叶片和根系中的 MDA含量与对照无显著差异(犘>0.05),NaCl+SA处理下,叶片和根系中
的 MDA含量分别比NaCl处理下降9.7%和8.2%(犘<0.05),说明添加外源SA能够有效减缓盐胁迫对苜蓿幼
苗的伤害作用。另外,MDA含量在各处理中均表现为根系>叶片,表明根系较叶片更容易受到伤害。
图2 外源犛犃对盐胁迫下苜蓿可溶性蛋白和游离脯氨酸含量的影响
犉犻犵.2 犈犳犳犲犮狋狊狅犳犲狓狅犵犲狀狅狌狊狊犪犾犻犮狔犾犻犮犪犮犻犱狅狀狊狅犾狌犫犾犲狆狉狅狋犲犻狀犪狀犱狆狉狅犾犻狀犲犮狅狀狋犲狀狋犻狀犪犾犳犪犾犳犪狊犲犲犱犾犻狀犵狊狌狀犱犲狉狊犪犾狋狊狋狉犲狊狊
2.5 外源SA对盐胁迫下苜蓿幼苗抗氧化系统的影响
逆境胁迫下,为避免活性氧诱导的细胞伤害,植物会利用抗氧化系统中的抗氧化酶和非酶抗氧化物清除活性
氧,从而保护植物体的生理机能。150mmol/LNaCl胁迫下,苜蓿叶片的4种抗氧化酶活性均有不同程度增加
(表2),根系中CAT和APX活性显著升高,而SOD和GPX活性未发生明显变化。正常条件下用0.25mmol/L
SA处理甘农3号苜蓿发现除根系中GPX活性显著升高(犘<0.05)外,叶片和根系中的其他酶均无显著变化
(犘>0.05);盐胁迫下添加SA则导致苜蓿叶片中SOD、GPX、APX活性及根系中 GPX活性显著升高(犘<
0.05),但叶片中CAT及根系中SOD、CAT和APX活性无显著变化(犘>0.05);对非酶抗氧化物含量的分析表
明,单一盐胁迫及与SA复合处理下,苜蓿叶片中AsA和GSH含量未发生变化,但根系中AsA和GSH含量显
著增加,特别是NaCl+SA处理下根系中AsA和GSH含量分别比胁迫处理增加68.1%和50.9%,表明盐胁迫
下,苜蓿叶片和根系表现出不同的抗氧化机制。
371第21卷第3期 草业学报2012年
表2 外源犛犃对盐胁迫下苜蓿幼苗抗氧化系统的影响
犜犪犫犾犲2 犈犳犳犲犮狋狊狅犳犲狓狅犵犲狀狅狌狊狊犪犾犻犮狔犾犻犮犪犮犻犱狅狀犕犇犃犪狀犱犪狀狋犻狅狓犻犱犪狋犻狏犲狊狔狊狋犲犿犻狀犪犾犳犪犾犳犪狊犲犲犱犾犻狀犵狊狌狀犱犲狉狊犪犾狋狊狋狉犲狊狊
抗氧化系统 Antioxidativesystem 项目Item CK NaCl SA NaCl+SA
超氧化物歧化酶
Superoxidedismutase(Unit/min·mg蛋白Protein)
叶Leaf 110.2±9.1c 158.3±10.6b 113.8±7.2c 300.1±9.8a
根Root 82.6±7.4a 76.1±5.9a 82.4±9.2a 82.7±4.7a
过氧化氢酶
Catalase(nmolH2O2/min·mg蛋白Protein)
叶Leaf 8.7±0.5c 11.5±0.2a 8.6±0.3c 8.9±0.2c
根Root 9.6±0.7b 17.8±0.6a 9.5±0.4b 8.7±0.4b
愈创木酚过氧化物酶 Guaiaculperoxidase
(μmolH2O2/min·mg蛋白Protein)
叶Leaf 0.075±0.015c 0.133±0.032b 0.071±0.011c 0.205±0.058a
根Root 1.355±0.067c 1.409±0.039c 1.732±0.024b 1.986±0.075a
抗坏血酸过氧化物酶 Ascorbateperoxidase
(nmolH2O2/min·mg蛋白Protein)
叶Leaf 94.6±3.2b 95.1±2.5b 93.2±4.7b 99.8±2.9a
根Root 31.4±1.9b 52.6±4.4a 35.4±3.5b 30.8±3.7b
抗坏血酸 Ascorbicacid(μmol/gFW) 叶Leaf 0.44±0.02a 0.46±0.07a 0.49±0.10a 0.42±0.12a
根Root 0.28±0.13c 0.69±0.09b 0.33±0.14c 1.16±0.23a
谷胱甘肽Reducedglutathione
(μmol/gFW)
叶Leaf 0.57±0.11a 0.44±0.18b 0.55±0.09a 0.61±0.17a
根Root 0.39±0.03c 0.57±0.12b 0.42±0.08c 0.86±0.16a
丙二醛 Malondialdehyde(nmol/gFW) 叶Leaf 163.3±4.9c 299.4±5.6a 168.8±3.8c 270.4±6.3b
根Root 183.6±5.7d 329.5±9.6a 195.4±7.3c 302.5±8.1b
 注:同行不同字母表示差异显著(犘<0.05)。
 Note:Valuesfolowedbydifferentletterswithinthesamerowindicatesignificantdifference(犘<0.05).
3 讨论
盐胁迫对植物的光合及生长有抑制作用[23,24]。本试验中苜蓿幼苗在NaCl处理下叶绿素含量显著降低,生
长受到严重抑制,添加SA后,苜蓿叶绿素含量、根长、株高和鲜重显著提高,表明外源SA对盐胁迫下苜蓿幼苗
的生长和叶绿素合成具有促进效应,这可能与SA能调控植物组织内的氮代谢和光合功能有关[25]。
积累游离脯氨酸是植物在逆境条件下的普遍反应,但其在抗逆性方面的作用仍存在争议[26]。一些研究认为
游离脯氨酸含量的增加能调控植物渗透势,降低盐分离子对酶活性的抑制,提高植株的耐性[27];亦有研究认为,
植物体内脯氨酸的积累量是反映植物所受胁迫强弱的指标[26]。本试验中,NaCl处理显著促进了苜蓿植株叶片
和根系中游离脯氨酸的积累,添加SA则导致其含量显著降低,表明苜蓿叶片脯氨酸积累是受胁迫伤害的结果,
SA能调控植株脯氨酸代谢,有效减缓盐胁迫对苜蓿植株的伤害。胁迫条件下积累蛋白是植物的一种适应机制,
这些蛋白除能调控膜的透水性外[28],在一定程度上还代表植物体光合性能[29]。本试验中,NaCl处理和NaCl+
SA处理均导致苜蓿植株根系和叶片中可溶性蛋白含量显著升高,且NaCl+SA处理下可溶性蛋白的积累量显
著高于NaCl处理,表明外源SA能促进盐胁迫下苜蓿植株蛋白合成,维持苜蓿植株的水分运输和叶片光合功能,
从而促进植株生长并提高其耐盐性。
在正常生理条件下,植物体内活性氧代谢由于受酶促系统(如SOD、CAT和POD等)和非酶促系统(如
AsA和GSH)调控而处于动态平衡,而逆境条件下这种平衡被破坏,从而引起植株氧化伤害。盐胁迫下,植物能
够成活的机制之一就是诱导抗氧化防御系统,因此,植物耐性提高必将与其抗氧化系统密切相关[30]。本试验中
NaCl胁迫下苜蓿叶片SOD、CAT和GPX活性升高,是植物保护酶系统应激反应的表现;添加SA后,苜蓿叶片
中SOD、GPX和APX活性显著增加,有效降低膜脂过氧化产物 MDA含量,表明SA能激活叶片抗氧化酶活性,
有效清除活性氧,从而缓解盐胁迫导致的氧化伤害。但根系中抗氧化酶对盐胁迫和SA调控不敏感,表明根系和
叶片有不同的抗氧化机制。此外,有研究认为SA通过诱导植物积累H2O2 抑制CAT和(或)APX的活性,随后
H2O2 作为胁迫信号,诱导抗氧化系统发生变化[31];本试验中NaCl和SA复合处理使苜蓿根系中SOD、CAT和
APX活性以及叶片中CAT的活性受到抑制,这与菜豆(犘犺犪狊犲狅犾狌狊狏狌犾犵犪狉犻狊)中的研究结果一致[32],但与水稻[6]
(犗狉狔狕犪狊犪狋犻狏犪)中的研究结果相反。表明外源SA处理对植物抗氧化系统的影响,可能与处理的植物种类、组织
471 ACTAPRATACULTURAESINICA(2012) Vol.21,No.3
类型、处理浓度以及胁迫因子有关。此外,在盐胁迫和SA调控中,H2O2 的变化以及作用机制,还有待进一步研
究。
AsA和GSH是抗氧化系统的重要组成部分,可直接清除植物体内过量的自由基从而维持细胞功能,其变化
反映了植物对环境变化的响应[16]。盐胁迫及添加SA后,苜蓿叶片中ASA和GSH含量未发生明显变化,但根
系中ASA和GSH含量显著增加,这有利于苜蓿幼苗根系抵御高盐胁迫,从而对细胞起到一定保护作用。综上
表明盐胁迫下苜蓿植株叶片抗氧化系统以抗氧化酶为主,而根系则以非酶抗氧化物为主。
4 结论
综上所述,在盐胁迫下,甘农3号苜蓿叶绿素含量降低、膜脂过氧化加剧,生长受到抑制,外源SA处理对甘
农3号苜蓿的抗性有一定程度的诱导作用,能缓解盐胁迫对苜蓿植株的伤害,这主要是由于SA处理促进了叶绿
素的生物合成,保护了植物组织的光合作用,同时调控游离脯氨酸和可溶性蛋白质含量,促进抗氧化酶活性,降低
细胞膜脂过氧化程度,维持正常的细胞代谢活性,这些因素共同作用缓解了盐胁迫对苜蓿幼苗生长的抑制作用。
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犈狓狅犵犲狀狅狌狊狊犪犾犻犮狔犾犻犮犪犮犻犱狅狀犪犾犲狏犻犪狋犻狀犵狊犪犾狋狊狋狉犲狊狊犻狀犪犾犳犪犾犳犪狊犲犲犱犾犻狀犵狊
ZHOU Wanhai,SHIShangli,KOUJiangtao
(ColegeofGrasslandScience,GansuAgriculturalUniversity,KeyEcosystemLaboratoryoftheMinistry
ofEducation,PrataculturalEngineeringLaboratoryofGansuProvince,SinoUSCenterfor
GrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Inordertomakeclearthephysiologicalandbiochemicalmechanismsofexogenoussalicylicacid(SA)
onsaltresistantcapabilityofalfalfa,犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪cv.GannongNo.3wasusedasmaterialtostudythe
effectofexogenousSAonalfalfaseedlinggrowth,organicosmoticregulationsubstancecontentsandantioxi
dizationsystemonconditionof150mmol/LNaClstressusingfoliarapplication.Theresultindicatedthat150
mmol/LNaClsaltstresshadconspicuousinhibitoryeffectonalfalfaseedlinggrowth,whilesignificantincrease
inshootheigth,rootlength,freshweightandplantchlorophylcontentwerefoundwhen0.25mmol/Lexoge
nousSAhadbeenapplicated,togetherwithsignificantdecreaseinfreeprolineandmalondialdehyde(MDA)
contentsinleavesandrootsandincreaseinsolubleprotein;superoxidedismutase(SOD),guaiacolperoxidase
(GPX)andascorbateperoxidase(APX)activitiesinleaveswerefoundsignificantlyincreased,andnochange
wasfoundincatalase(CAT),ascorbicacid(AsA)andreducedglutathione(GSH);fortheroot,GPXactivi
ty,AsAandGSHcontentswerefoundincreased,andnochangewasfoundinSOD,CATandAPXactivities,
indicatingthatexogenousSAcouldregulateorganicosmoticregulationsubstancesandprotecttheantioxidiza
tionsysteminalfalfaseedling,andaleviatetheinjureofsaltstressonalfalfaplants.
犓犲狔狑狅狉犱狊:alfalfa;saltstress;salicylicacid
671 ACTAPRATACULTURAESINICA(2012) Vol.21,No.3