全 文 ：第 18 卷 第 5 期
Vol. 18 No. 5
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2010 年 9 月
Sep. 2010
干旱胁迫对苣荬菜抗氧化酶和渗透调节物质的影响
时丽冉, 刘志华
(衡水学院生命科学系, 河北 衡水 053000)
摘要: 为探究野生苣荬菜( Sonchus brachyotus DC. )抗旱能力, 用盆栽控制浇水模拟干旱的方法, 研究了不同程度
干旱胁迫下苣卖菜幼苗对干旱胁迫的响应。结果表明: 随着干旱胁迫程度的加深, 苣荬菜叶片相对含水量逐渐降
低,质膜透性、丙二醛( MDA )含量升高,轻度干旱胁迫下以上 3种指标与对照相比差异不显著( P< 0. 05)。超氧化
物歧化酶( SOD)、过氧化物酶( POD)、过氧化氢酶( CAT )活性升高, SOD, POD 活性在重度干旱条件下稍有下降, 但
仍高于对照。可溶性有机渗透调节物质脯氨酸、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量持续上升, 尤以脯氨酸上升幅度最
大,重度干旱时达对照的11. 06 倍,表明苣荬菜有一定的抗旱能力。
关键词:苣荬菜; 干旱胁迫;相对含水量; 质膜透性;丙二醛; 抗氧化酶;渗透调节物质
中图分类号: S332. 4; Q946 文献标识码: A 文章编号: 1007-0435( 2010) 05-0673-05
Influences of Drought Stress on Antioxidative Activity and
Osmoregulation Substance of Sonchus brachyotus DC.
SHI L-i ran, LIU ZH-i hua
( Departm ent of Life Science, Hengsh ui U nivers ity, H engshu i, Hebei Province 053000, China)
Abstract: T o study the drought- resistant ability of S onchus brachyotus DC. , physiolog ical indexes of Son-
chus br anchyotus DC. seedlings w ere measured in drought St ress under po t culture experiments simulat ing
dif ferent soil w ater regimes. Results show ed that under w ater st ress, relat ive w ater content ( RWC) of
leaves gr adually decreased, w hile the permeability of plasma membr ane and malondialdehyde( MDA) con-
tent increased. T her e w as no signif icant dif ference betw een treatments and contr ol under the light drought
st ress ( P< 0. 05) . Catalase( CAT) act ivities w ere increased under drought st ress. Activit ies of bo th super-
oxide dismutase ( SOD) and perox idase( POD) w ere init ially increased but decreased slight ly dur ing drought
st ress. Both, how ever, w ere st ill higher than that of contro l. F ree pr oline, soluble sugar and soluble pro-
tein contents cont inue to increase during drought st ress. Proline content of t reated seedling s w as increased
( 11. 06 t imes) compared w ith the contro l plants under severe drought str ess. Results show ed that Sonchus
br anchyotus DC. had high adaptability to drought st ress.
Key words: Sonchus br anchyotus DC. ; Dr ought st ress; Relat iv e w ater content ; P lasma membrane permea-
bility; Malondialdehyde; Ant io xidat ive; Osmoregulat ion substance
干旱是世界性环境问题, 全球干旱半干旱耕地
占世界总耕地面积的 42. 9%, 我国干旱半干旱地区
面积占总耕地面积的 48% [ 1]。干旱严重影响植物
的生长发育,造成生物产量降低。并且使生态环境
日益恶化。在生存资源、环境与农业可持续发展之
间的矛盾日益突出的今天, 加强对植物干旱生理学
的基础研究,深入了解干旱胁迫对植物的伤害机理
及植物细胞对干旱胁迫的应答, 开发优良的抗旱种
质资源,具有重要的意义。
苣荬菜 ( S onchus br achyotus DC. ) 属菊科
( Compositae)苣荬菜属( Sonchus L. ) ,多年生草本。
广泛分布于中国北方地区,含多种对人体有益的成
分,营养价值高,并且有很好的药用保健价值[ 2] ,是一
种集观赏、食用、药用于一身的野生植物,具有重要的
生态和经济价值。有关苣卖菜的研究多集中在生物
学特征、利用价值以及栽培技术[ 3] ,而有关苣荬菜在
干旱条件下的生理变化及抗旱能力的研究还很少。
本试验通过研究野生苣荬菜在不同干旱程度胁迫下
收稿日期: 2010-01-04;修回日期: 2010- 06-17
基金项目:河北省科学技术研究与发展计划项目( 07220118)资助
作者简介:时丽冉,女( 1970- ) , 硕士,副教授,主要从事植物抗性生理和细胞学研究, E-mail: slr701212@ 163. com
草 地 学 报 第 18卷
叶片抗氧化能力和可溶性有机渗透调节物质含量的
变化,探讨苣荬菜的抗旱机理,为更好地开发和利用
这种宝贵的野生植物资源提供理论依据。
1 材料与方法
1. 1 实验材料
2009年 4月从衡水湖湿地自然保护区挖取生
长势一致处于营养生长期的野生苣荬菜幼苗以及土
壤,移栽到花盆内进行培养, 每盆保留 3 株, 自然条
件培养 1个月后进行干旱处理。通过控制浇水的方
法控制土壤含水量,使土壤水分含量分别为田间持
水量( 24. 6%)的 75% ~ 80% (对照, Contro l) , 65%
~ 70% (轻度干旱 LD) , 40% ~ 50% (中度干旱
MD) , 35% ~ 40%(重度干旱 SD)。培养条件为( 28
2) / ( 17 2) , 湿度 50% ~ 60%, 自然光照。
干旱处理 20 d后,分别进行各项生理指标的测定。
1. 2 实验方法
叶片相对含水量( RWC)采用称重法,相对电导
率法测定质膜透性, 硫代巴比妥酸法测定丙二醛
( MDA)含量,酸性茚三酮法测定脯氨酸含量, 蒽酮
比色法测定可溶性糖含量, 可溶性蛋白含量用考玛
斯亮蓝法[ 4] 。
超氧化物歧化酶( SOD)活性( U g- 1 Fw )测定
用 NBT 光化还原法, 1 个酶活性单位定义为将
NBT 的还原抑制到对照的 50%所需的酶量。过氧
化氢酶( CAT )活性( U g- 1 Fw )测定用紫外分光光
度法,以 1 min 内 A 240减少 0. 1的酶量为 1个活性
单位( U)。过氧化物酶( POD)活性( U g- 1 Fw )测
定用愈创木酚法,以 1 min A 470变化 0. 01为 1个酶
活力单位( U) [ 5] 。
每个处理 3次重复。
1. 3 数据统计
Excel 2003作图,用 SPSS 11. 5进行统计分析,
LSR法检验差异显著性。
2 结果与分析
2. 1 不同程度干旱处理对苣荬菜叶片相对含水量
(RWC)的影响
干旱胁迫下苣荬菜叶片 RWC 逐渐降低, 轻度
干旱处理降低较少, 为对照的 95. 4%, 差异不显著
(图 1) ;中度和重度干旱处理下分别下降到对照的
72. 3%和 47. 8% , 差异达到显著水平 ( P < 0. 05)。
表明植物在干旱胁迫下会造成根系吸水困难。
图 1 不同程度干旱胁迫对苣荬菜相对含水量的影响
Fig. 1 Effect of drought st ress on r elative w ater
content of Sonchus brachyotus DC.
2. 2 不同程度干旱处理下苣荬菜质膜透性和MDA
含量的变化
由图 2可知,轻度干旱胁迫引起质膜相对电导
率变化不显著,而中度和重度干旱胁迫下苣荬菜叶
片相对电导率显著升高, 最高达到对照的 1. 64倍,
说明中度和重度干旱已对苣荬菜质膜系统造成伤
害,选择透性能力降低。MDA 的变化规律与质膜
透性相同,不同程度干旱胁迫下分别是对照的 1. 12,
1. 21, 1. 48倍(图 3) ,虽然中度和重度干旱处理下苣
荬菜 MDA含量与对照相比差异显著,但上升幅度
并不很大,表明干旱对苣荬菜没有造成严重伤害。
图 2 不同程度干旱胁迫对苣荬菜质膜透性的影响
F ig . 2 Eff ect o f dr ought str ess on cell membrane
permeability of Sonchus brachyotus DC.
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第 5期 时丽冉等:干旱胁迫对苣荬菜抗氧化酶和渗透调节物质的影响
图 3 不同程度干旱胁迫对苣荬菜丙二醛含量的影响
F ig . 3 Effect of dr ought stress on MDA content
of Sonchus brachyotun DC.
2. 2 不同程度干旱处理下苣荬菜抗氧化酶活性的
变化
由图 4、图 5 可知, 干旱胁迫下苣荬菜 SOD,
CA T 2种抗氧化酶活性呈现先升高后降低的规律。
轻度干旱下 2种酶的活性已开始升高, 中度干旱时
急剧上升, SOD活性达对照的 1. 99倍, CA T 活性
达到对照的 3. 43倍。重度干旱下 SOD 和 CAT 活
性有所下降,但仍处于较高水平。不同程度干旱胁
迫下 POD活性与前 2种酶相比有所不同(图 6) , 表
现为一直上升的趋势, 且轻度干旱胁迫下与对照相
比活性上升差异不显著, 但随着水分供应减少,
POD活性显著上升,并且在重度干旱胁迫下达到最
高,是对照的 1. 40倍。
图 4 不同程度干旱胁迫对苣荬菜超氧
化物歧化酶活性的影响
F ig . 4 Effect o f dr ought stress on SOD
act ivities of Sonchus brachyotun DC.
2. 3 不同程度干旱处理下苣荬菜有机渗透调节物
质含量的变化
干旱条件下植物吸水困难,植物抵御水分胁迫
最重要的方式是渗透调节。而增强细胞渗透调节能
力的关键是细胞中渗透调节物质的主动积累[ 6] 。脯
氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白等有机物质是植物在干
旱逆境下普遍积累的渗透调节物质。本试验表明,
随着干旱程度的加剧,这 3种渗透调节物质含量不
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草 地 学 报 第 18卷
断上升,其中尤以脯氨酸表现突出,在 3种干旱条件
下积累量分别达到对照的 3 倍、7. 59 倍和 11. 06
倍。相比之下, 可溶性糖和可溶性蛋白含量虽然也
呈上升趋势,但上升幅度较小,在轻度干旱胁迫下与
对照差异不显著,重度干旱胁迫下可溶性糖含量是
对照的 1. 26 倍, 可溶性蛋白是对照的 1. 29 倍(图
7, 8, 9)。说明在渗透胁迫下, 苣荬菜叶片中起渗透
调节作用的主要物质是脯氨酸。
3 讨论
干旱胁迫下, 很多植物能够进行相关抗旱基因
的表达,随之产生一系列生理、生化及形态结构等方
面的变化,从而显现出抗旱性的综合性状 [ 7]。因此
任何单一的生理指标都不能作为评价植物抗旱性能
的标准。经过大量的实验证明, 认为叶片相对含水
量、植物质膜过氧化程度、抗氧化酶活性及渗透调节
物质是评价植物抗旱性的有效评价体系。
RWC能间接反映植物在干旱胁迫下水分亏缺
下的程度。对披碱草( Elymus dahur icus T urcz. )、
老芒麦( Elymus sibi ri cus L. )以及草地早熟禾( Poa
p ratensis L. )等的研究表明, 干旱胁迫造成植物叶
片 RWC 的下降, 且随干旱程度的加深下降幅度增
大[ 8 , 9]。苣荬菜在轻度干旱处理下叶片 RWC 下降
幅度不大,与对照相比无显著差异,但中度和重度干
旱已造成叶片 RWC较大幅度的下降。表明苣荬菜
可能通过降低渗透势或减少蒸腾等手段来保持水
分,减缓水分胁迫。
质膜是植物在逆境胁迫中首先受到伤害的原初
位点,干旱胁迫时, 植物体内活性氧自由基大量产
生,进而引发或加剧了膜脂过氧化产生丙二醛, 造成
植物细胞膜系统受到破坏。大量研究表明,干旱诱
导的膜脂过氧化是造成植物细胞膜受到损伤的关键
因素[ 10]。MDA对细胞具有很强的毒性, 能够严重
破坏膜和细胞中诸如蛋白质、核酸许多生物功能分
子,并造成生物膜的结构与功能的破坏,其含量的高
低和细胞膜脂透性的变化反映了植物受到干旱胁迫
后细胞膜脂过氧化作用的强弱和细胞质膜被破坏的
程度[ 11] , 且随胁迫强度的增加及时间的延长而增
加。干旱胁迫下苣荬菜质膜透性和 MDA 含量随水
分亏缺的程度加深而逐步上升, 证明了前人的观点。
但只有到了中度干旱胁迫时苣荬菜才出现显著的变
化,表明苣荬菜能忍耐一定程度的水分亏缺。
植物细胞在长期进化过程中形成了防御活性氧
离子毒害的保护酶系统。即超氧化物歧化酶
( SOD)、过氧化氢酶 ( CAT )、过氧化物酶 ( POD)等
各种酶类,以维持植物体内活性氧离子代谢的动态
平衡。这些保护酶在清除超氧自由基、过氧化氢、过
氧化物以及阻止或减少羟基自由基形成等方面起重
要的作用,且 CAT, SOD对脂质过氧化引起的DNA
损伤有一定程度的保护作用。酶活性越高,植物的
抗逆性越强[ 12] 。
干旱胁迫下植物的抗氧化酶活性有显著的变
化,孔兰静等 [ 13]对 3种观赏草的研究表明, 干旱处
理使蒲苇 ( Cor tader ia sel loana Schrat. )、狼尾草
( Pennisetum alop ecuroides L. )和弯叶画眉草 ( Er-
ag rosti s cur vula Schr ad. )的 SOD, POD, CAT 活性
大幅度上升,且抗旱性越强活性越高; 石永红等[ 14]
对 6个坪用多年生黑麦草 ( L ol ium p er enne L. )的
抗旱性研究表明, 随干旱胁迫程度的加深,黑麦草中
SOD, CAT 呈现先上升后下降的趋势。本研究显
示,苣荬菜在不同程度的干旱胁迫下能保持较高的
抗氧化酶活性,以清除过多的活性氧,降低干旱引起
的氧化损伤, 重度干旱胁迫下 SOD, POD 活性有所
降低,可能是因为严重干旱已开始对苣荬菜造成损
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第 5期 时丽冉等:干旱胁迫对苣荬菜抗氧化酶和渗透调节物质的影响
伤, SOD, POD清除超氧阴离子和过氧化物能力降
低。但 CAT 活性一直呈上升趋势, 清除过量的
H 2O2 ,表明不同植物中 3种抗氧化酶能力有所差
异。
干旱胁迫下苣荬菜叶片中脯氨酸含量急剧上
升,可溶性糖和可溶性蛋白也增加,这些渗透调节物
质首先能够降低渗透势, 保证苣荬菜可以从外界继
续吸水,维持渗透压,使细胞内各种生理活动正常进
行。从试验数据可以看出, 干旱胁迫引起苣荬菜脯
氨酸大量积累, 陈亚鹏等 [ 15]的研究也表明植物体内
的脯氨酸含量与抗旱性之间存在密切关系, 其含量
随干旱胁迫的加深而积累。脯氨酸作为一种理想的
渗调物质和防脱水剂,具有分子量低、高度水溶性,
在生理 pH 范围内无静电荷及低毒性等特性, 以游
离状态存在于植物体中, 并通过调节降低细胞水势
并保持膨压,并在清除 ROS、增强抗氧化能力、稳定
大分子结构、降低细胞酸性以及解除氨毒等方面起
重要作用[ 16, 17] 。
陈忠等[ 18]研究表明可溶性蛋白质与调节植物
细胞的渗透势有关,抗旱性越强的植物体内的可溶
性蛋白质含量越高。高含量的可溶性蛋白质有助于
维持植物细胞较低的渗透势水平、增强耐脱水能力、
保护细胞结构并且延缓衰老, 以抵御干旱胁迫引起
的伤害。康俊梅等 [ 19]对苜蓿(M edicag o sativa L. )
叶片的研究结果表明可溶性蛋白质含量的变化与干
旱胁迫的强度有直接关系, 随着干旱胁迫强度的增
加,某些可溶性蛋白质的变化在量上表现为先增多
后减少趋势。陈成升等[ 20] 对冬小麦( Tr i ti cum aes-
tivum )的研究表明,可溶性蛋白质含量随干旱程度
的加剧和时间的延长先增加后降低。苣荬菜干旱胁
迫下可溶性蛋白表现为一直上升,表明干旱条件下
苣荬菜大量胁迫蛋白被诱导, 是对水分胁迫的一种
适应。
在干旱逆境中可溶性糖作为小分子渗透调节剂
参与渗透调节, 并且与可溶性蛋白具有正相关性, 因
为植物体内的可溶性蛋白质大多是参与各种代谢的
酶类,可溶性糖的合成与这些酶的数量和稳定性直
接相关,本研究表明, 随干旱程度的加深, 苣荬菜叶
片中可溶性糖呈现上升的趋势, 与前人对蒲苇和狼
尾草[ 13] 、冬小麦[ 20] 的研究一致。
4 结论
苣荬菜是一种适应性很广的野生植物, 具地下
横走的匍匐茎, 有利于在水分亏缺环境中吸收水分。
从苣荬菜在干旱胁迫下各生理指标的综合表现看,
苣荬菜能够保持高水平的抗氧化酶活性, 减少活性
氧的毒害,同时积累合成有机渗透调节物质以降低
渗透势,避免渗透胁迫对自身的伤害,对水分胁迫有
较强的适应能力。作为营养价值丰富的野生蔬菜,
苣荬菜适合在干旱半干旱地区推广种植。
参考文献
[ 1] 武维华.植物生理学[ M ] .北京:科学出版社, 2003. 35-112
[ 2] 贺士元.河北植物志(第 3卷) [ M ] .石家庄:河北科学技术出版
社, 1991. 200-201
[ 3] 陈叶.苣荬菜的利用价值及栽培[ J ] .特种经济动植物, 2002, 9:
34-35
[ 4] 邹琦.植物生理学实验指导[ M ] .北京:中国农业出版社, 2000.
11-174
[ 5] 王学奎.植物生理生化实验原理与技术[ M ] .第 2 版,北京: 高
等教育出版社, 2006. 167-173
[ 6] K. A. Sh ackel , K . W. Fos ter, A . E. H all . Gen otypic diff er-
ences in leaf osm ot ic potent ial am ong grain sorgh um cu lt ivars
grow n under irrigat ion an d drought [ J] . Crop Science, 1982,
22: 1121-1125
[ 7] 赵雅静,翁伯琦,王义祥,等.植物对干旱胁迫的生理生态响应
及其研究进展[ J] .福建稻麦科技, 2009, 27( 2) : 45-50
[ 8] 祁娟,徐柱,王海清,等.披碱草与老芒麦苗期抗旱性综合评价
[ J] .草地学报, 2009, 17( 1) : 36-42
[ 9] 杜建雄,师尚礼,刘金荣, 等.干旱胁迫和复水对草地早熟禾 3
个品种生理特性的影响[ J] .草地学报, 2010, 18( 1) : 73-77
[ 10] Pau k K P. Th om pson J E. Invit ro sim ulat ion of senes cen ce-re-
lated m embrane dam age by oz on e- induced lipid proxidat ion[ J ] .
Natu re, 1980, 283: 504-506
[ 11] 陈少裕.膜脂过氧化与植物逆境胁迫 [ J ] .植物学通报, 1989, 6
( 4) : 211-217
[ 12] Bowler C, Van M, Inz c D. Superoxide dism utas e and st ress tol-
erance[ J] . Annu al Review Plant Physiology an d Plant Molecu-
lar Biology, 1992, 43: 83-116
[ 13] 孔兰静,李红双,张志国.三种观赏草对土壤干旱胁迫的生理响
应[ J] .中国草地学报, 2008, 30( 4) : 40-45
[ 14] 石永红,万里强,刘建宁,等.干旱胁迫对 6个坪用多年生黑麦
草品种抗旱性的影响[ J] .草地学报, 2009, 17( 1) : 52-57
[ 15] 陈亚鹏,陈亚宁,李卫红,等.干旱胁迫下胡杨脯氧酸累积特点
分析[ J] .干旱区地理, 2003, 26( 4) : 420-424
[ 16] 吴诗光,陈龙,殷贵鸿,等.灌浆期干旱对高产小麦某些生理生
化特性的影响[ J] .河南农业科学, 2001, 9: 6- 7
[ 17] Tang Zh angchen g. T he accum ulation of f ree proline and it s
roles in w ater- st res sed sorghum seedlin gs[ J] . Acta Phytophys-
iologica S inica, 1989, 15(1) : 105-110
[ 18] 陈忠,苏维埃,汤章城.豌豆热激蛋白 npc60对酶的高温保护功
能及其机理[ J] .科学通报, 1999, 44( 20) : 2171-2175
[ 19] 康俊梅,杨青川, 樊奋成. 干旱对苜蓿叶片可溶性蛋白的影响
[ J] .草地学报, 2005, 13( 3) : 199-202
[ 20] 陈成升,谢志霞,刘小京,等.等渗盐分、干旱胁迫下冬小麦叶片
部分渗透调节物质的动态变化 [ J ] . 植物研究, 2009, 29 ( 6 ) :
708-713
(责任编辑 米 佳)
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