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Antioxidant Enzymes Activities of Medicago sativa L.Seedling under Salt Stress

NaCl胁迫下紫花苜蓿幼苗抗氧化酶活性的研究



全 文 :第20卷 第1期
 Vol.20  No.1
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
   2012年  1月
  Jan.  2012
NaCl胁迫下紫花苜蓿幼苗抗氧化酶活性的研究
龙明秀1,许岳飞1,何学青1,廖允成2*
(1.西北农林科技大学动物科技学院,陕西 杨凌 712100;
2.西北农林科技大学农学院,陕西 杨凌 712100)
摘要:以紫花苜蓿品种金皇后(Medicago sativa L.‘Golden Empress’)为试验材料,用不同浓度NaCl(0,40,80,120
和160mmol·L-1)对其幼苗进行胁迫处理,分别对叶片和根部的超氧阴离子自由基(O2-·)、丙二醛(MDA)、过氧
化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸(Vc)和总抗氧化能力(T-AOC)等指标进行测
定,旨在揭示紫花苜蓿幼苗地上、地下部分对盐胁迫的反应及抗氧化防御机制,为苜蓿耐盐性评价及新品种选育提
供理论依据。结果表明:随着NaCl盐浓度增加,苜蓿根中O2-·和Vc先增加后减少,MDA含量和POD活性增加,
SOD,CAT和T-AOC活性减少;苜蓿叶片中 O2-·先增加后减少,MDA,Vc含量和SOD活性增加,POD,CAT和
T-AOC活性减少。综合表明,相对于地上部分来说,盐对苜蓿幼苗根系的伤害更大。
关键词:紫花苜蓿;盐胁迫;抗氧化作用;调节机制
中图分类号:Q945.78    文献标识码:A     文章编号:1007-0435(2012)01-0083-05
Antioxidant Enzymes Activities of Medicago sativa L.Seedling under Salt Stress
LONG Ming-xiu1,XU Yue-fei 1,HE Xue-qing1,LIAO Yun-cheng2*
(1.Colege of Animal Science and Technology,Northwest A&F University,Yangling,Shaanxi Provnice 712100,China;
2.Colege of Agronomy,Northwest A&F University,Yangling,Shaanxi Province 712100,China)
Abstract:To explore the responses of alfalfa(Medicago sativa L.‘Golden Empress’)to salt stress,pro-
vide the scientific evaluation of alfalfa salt tolerance,antioxidant defense mechanisms of alfalfa seedling
were treated.The antioxidant enzymes activities(Superoxide,MDA,POD,SOD,CAT,Vc and T-AOC)
in alfalfa leaves and roots under different NaCl stress(0,40,80,120and 160mmol·L-1)were meas-
ured.Results showed that both superoxide and Vc levels initialy increased then decreased while MDA and
POD increased but SOD,CAT and T-AOC decreased in alfalfa root.However,superoxide levels initialy
increased then decreased,MDA,Vc and SOD increased,POD,CAT and T-AOC decreased in leaves of al-
falfa under different NaCl stress.Comprehensive analysis showed that the roots of alfalfa seedlings experi-
enced more serious salt damage compared to aboveground parts.
Key words:Alfalfa;Salt stress;Antioxidant;Regulation mechanism
  紫花苜蓿(Medicago sativa L.)以“牧草之王”
著称,不仅产量高,且富含蛋白质,是“三聚氰胺事
件”后我国畜牧业特别是奶业发展的重要饲料蛋白
来源。优质牧草品种的抗逆性是决定一个品种在某
个地方能否成功生存和发挥优势生产潜力的重要评
价指标[1],一般包括品种的抗旱、抗寒、耐盐碱、抗病
虫害等能力。王榕楷等[3]认为,植物的耐盐性随个
体的发育阶段而变化,在萌发及幼苗期耐盐性最差,
其次是生殖期,而其他发育阶段对盐胁迫相对不敏
感[4~6]。可见,研究盐胁迫对紫花苜蓿萌发早期幼
苗生长的影响,以及其幼苗期的抗盐性,为建植优良
的人工草地提供重要指导作用。
本研究在紫花苜蓿幼苗期进行不同浓度 NaCl
处理,分别测定盐胁迫下地上部分和地下部分的各
项生理生化指标,旨在揭示紫花苜蓿幼苗地上和地
下各器官生理指标对盐胁迫的反应及抗氧化防御机
制,为更好地开发利用苜蓿资源提供科学依据,同时
为苜蓿耐盐性评价及新品种选育提供理论依据。
收稿日期:2011-08-09;修回日期:2011-11-11
基金项目:国家科技支撑计划项目(2011BAD17B05);国家公益性行业(农业)科技项目(200903060);西北农林科技大学唐仲英育种基金
(A212020901);陕西省农业攻关项目(2011K01-06)资助
作者简介:龙明秀(1971-),女,陕西宁强人,副教授,博士研究生,主要从事牧草栽培生理研究,E-mail:longmingxiu@nwsuaf.edu.cn;*通
信作者Author for correspondence,E-mail:yunchengliao@163.com
草 地 学 报 第20卷
1 材料与方法
1.1 试验材料及处理
供试材料为紫花苜蓿品种金皇后(Medicago
sativa L.‘Golden Empress’),引自美国,初始发芽
率为90%,由陕西杨凌金道种子公司提供。苜蓿种
子用98%浓硫酸处理1h,5% NaClO溶液消毒5
min,去离子水清洗5次后,选取100粒籽粒饱满的
种子置于铺有双层滤纸的直径9cm培养皿中,在人
工气候箱内(20±2)℃条件下暗培养3d,期间根据
种子吸胀情况适当补加蒸馏水。
在营养钵(底内径7cm,高9cm)内装满细沙,
浇透水后将发芽好的幼苗用镊子小心取出栽于营养
钵中(3株/盆),隔天浇一次1/4Hoagland营养液,
培养50d后将其分为5组,分别用0(CK),40,80,
120和160mmol·L-1的 NaCl(分析纯)溶液进行
处理,每处理重复5次。依据前人研究方法,分别于
NaCl处理10h后小心取出幼苗[7],冲洗残留泥沙,
分离叶片和根,准确称取0.5g,存放于-80℃冰箱
中保存备用。
1.2 苜蓿叶片和根测定指标及方法
膜质过氧化产物丙二醛(MDA)采用硫代巴比
妥酸法测定,称取剪碎的植物组织0.5g,加入2mL
10%三氯乙酸(TCA)和少量石英砂,研磨至匀浆,
再加8mL TCA进一步研磨,匀浆离心(4000×g)
10min,上清液为样品提取液。吸取离心的上清液
2mL(对照加2mL蒸馏水),加入2mL 0.5%硫代
巴比妥酸(TBA)溶液,混匀物于水浴锅的沸水浴中
反应30min,迅速冷却。在4℃,3000×g再离心10
min。然后,取上清液测定532nm,600nm和450
nm波长下的吸光值[8]。
超氧阴离子自由基(O2-·)产生速率采用Elst-
ner等[9]的方法测定,取1.0g植物叶片置入冰浴的
研钵中,加入50mmol·L-1磷酸缓冲液(pH7.8)5
mL,研磨成匀浆,在1000×g,4℃下离心10min,取
上清液再以15000×g,4℃下离心20min,第2次上
清液即为样品提取液。取提取液0.5mL,然后加入
50mmol·L-1磷酸缓冲液0.5mL,1mmol·L-1盐
酸羟胺1mL,混匀,置于25℃下1h后,各管再加入
17mmol·L-1对氨基苯磺酸1mL和7mmol·L-1
α-萘胺1mL,混匀,置于25℃显色20min,在530nm
波长处测定吸光度值。
取1.0g植物组织,在4℃用5mL预冷的磷酸
缓冲液(50mmol·L-1,pH7.8,含1mmol·L-1
EDTA,0.1%苯PMSF,1% PVP)在研钵中研磨至
匀浆,匀浆液于4℃,15000×g离心20min。取上
清液用于测定抗氧化酶粗提液,样品的蛋白质按照
Bradford[10]的方法测定,以牛血清蛋白(BSA)为标
准蛋白。总抗氧化能力(T-AOC)测定采用FRAP
法测定[11];抗坏血酸(Vc)采用二氯靛酚法测定[12];
过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法测定[13];超
氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑法测定[14];
过氧化氢酶(CAT)活性采用紫外分光光度法测
定[15]。
1.3 数据分析
本试验的测定指标值均以5次重复的平均值±
SE表示;数据使用SPSS 15.0统计软件处理,采用
one-way ANOVA进行单因素方差分析,应用Dun-
can法对平均值进行多重比较,用Sigmaplot 10.0
软件作图。
2 结果与分析
2.1 不同浓度NaCl胁迫下苜蓿植株体内O2-·和
MDA含量的变化
超氧阴离子属于活性氧的一种,有强氧化作用
和细胞毒害作用,植物体内大量聚集会对植物生长
发育产生伤害作用,严重时可以导致植物死亡。由
图1可知,苜蓿叶片中的O2-·水平随着盐胁迫浓度
的增加呈现先增加后减少的变化,80,120和160
mmol·L-1处理与对照相比均达到显著水平(P<
0.05),其中80mmol·L-1盐浓度处理下较对照高,40
mmol·L-1盐浓度与对照差异不显著(P>0.05)。
根和叶中O2-·变化趋势相似,与对照相比均达显著
水平(P<0.05),但叶片中含量明显低于根中。
植物器官衰老或在逆境下遭受伤害,往往发生
膜脂过氧化作用,MDA是膜脂过氧化的最终分解
产物,其含量可以反映植物遭受逆境伤害的程度。
盐胁迫下,苜蓿叶片和根中的MDA含量随着盐浓度
的增加而增加,40,80,120和160mmol·L-1处理下叶
中含量分别比对照增加13.32%,30.43%,33.42%
和42.39%(P<0.05)。但叶片中 MDA含量较低,
而根中水平较高,与超氧阴离子变化趋势一致。
48
第1期 龙明秀等:NaCl胁迫下紫花苜蓿幼苗抗氧化酶活性的研究
图1 不同盐浓度下苜蓿叶片和根系中超氧阴离子产生速率和 MDA含量变化
Fig.1 Superoxide production rate and MDA content of alfalfa leaves and roots under salt stress treatments
2.2 不同浓度 NaCl胁迫下苜蓿植株体内POD,
CAT和SOD活性的变化
由图2可知,0~160mmol·L-1盐胁迫下,苜
蓿叶片中SOD活性随着盐浓度的增加而增加,与对
照相比差异显著(P<0.05),160mmol·L-1处理
下比对照增加了27.0%。而根中的SOD活性随着
盐浓度增加反而减少,与对照相比差异达到显著水
平(P<0.05),盐浓度达到160mmol·L-1时,根中
SOD的活性比对照下降了38.94%,且叶片中SOD
活性明显低于根系中。
随着盐浓度的增加,苜蓿幼苗叶片中的 CAT
活性变化,除了160mmol·L-1处理与对照相比达
显著水平外(P<0.05),其余均不显著。而根中的
CAT活性随着盐浓度增加反而减少,与SOD下降
趋势相同,表明盐对苜蓿幼苗根系的伤害较大。同
样,苜蓿地上部叶片中的CAT活性低于地下根中
的活性(图2)。
过氧化物酶(POD)的主要作用是与SOD,CAT
和APX协同清除细胞中产生的活性氧,提高植物
的抗性。由图2可知,盐胁迫下苜蓿叶片中的POD
活性随着盐浓度的增加而增加,40,80,120和160
mmol·L-1处理分别比对照增加33.34%,53.8%,
77.4%和78.12%(P<0.05)。与此不同的是,盐胁
迫下苜蓿根中 POD 的活性变化不显著,除160
mmol·L-1处理与对照相比活性降低32.94%外
(P<0.05),其余3个处理与对照相比差异不显著。
2.3 不同浓度 NaCl胁迫下苜蓿植株体内 Vc和
T-AOC活性的变化
本试验结果表明(图3),苜蓿幼苗叶片中的Vc
含量随着盐浓度的增加而增加,其中处理120和
160mmol·L-1与对照相比分别增加69.39%和
86.86%(P<0.05),而40和80mmol·L-1盐浓度
处理与对照相比差异不显著;4种盐胁迫下,苜蓿幼
苗根中的Vc含量随着盐浓度的增加变化规律不尽
相同,但与对照相比变化均达到显著水平(P<
0.05);80mmol·L-1处理下 Vc含量比对照增加
193.08%,120和160mmol·L-1处理下反而减少。
总抗 氧 化 能 力 (total antioxidant capacity,
T-AOC)是有机体内所有抗氧化物质抗氧能力的总
和,植物在正常代谢过程中不同的抗氧化体系之间
相互起到协同作用、代谢补偿作用以及依赖作用。
盐胁迫下,叶片中的 T-AOC活性随着盐浓度的增
加而减少,处理120和160mmol·L-1分别比对照
减少 19.83% 和 42.24%(P<0.05)。根中的
T-AOC活性随着盐浓度的增加也呈显著下降趋势
(P<0.05)(图3)。
3 讨论与结论
钠盐是影响植物生长和产量的主要环境因子之
一,在盐胁迫下,植物的生长以及生理生化反应,诸
如光合作用、蛋白合成及降解、能量和脂类代谢等都
会受到抑制。活性氧 (reactive oxygen species,
ROS)包括过氧化氢(H2O2),超氧阴离子(O2-·),单
线氧(O12)等,这些活性氧不能被及时清除,就会破坏
细胞的完整性,造成细胞内大量 MDA积累,MDA是
膜脂过氧化的最终分解产物,其含量可以反映植物遭
受逆境伤害的程度[16]。本研究发现,苜蓿叶片中的
超氧阴离子水平随着盐浓度的增加而减少,而且
58
草 地 学 报 第20卷
MDA积累随着盐浓度增加而不断增加,可能原因是
当处于低浓度盐胁迫时,苜蓿的抗氧化物酶活性较
强,当盐浓度超过40mmol·L-1时植物抗性减弱,
MDA含量上升,这与前人研究结果相吻合[7]。
  植物在长期进化过程中,逆境适应机制比较完
善,主要包括植物体内POD,SOD和CAT等抗氧
化物酶类和抗氧化物质抗坏血酸、谷胱甘肽等物质。
而不同植物对致死盐浓度的耐受水平和生长降低率
不同。在同一浓度 NaCl处理下,盐不敏感谷子
(Setaria italica)幼苗中SOD酶的活性随盐浓度的
升高而升高,而盐敏感谷子幼苗中总SOD的活性逐
渐下降[17]。当植物生长的环境盐分超过植物所能
忍受的含量时,盐可能对植物生长和发育产生抑制,
甚至毒害或死亡。盐胁迫常导致植物体内大量氧自
由基积累,导致膜结构完整性被破坏、叶绿素降解、
蛋白变性甚至细胞死亡[18,19]。植物对盐胁迫的抗
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第1期 龙明秀等:NaCl胁迫下紫花苜蓿幼苗抗氧化酶活性的研究
逆表现为激活抗氧化酶的活性,及时清除活性氧,保
护细胞膜的完整性[20,21]。
SOD是一种诱导酶,受底物的诱导,盐胁迫促
进O2-·产生,诱导SOD活性显著升高。盐胁迫后,
紫花苜蓿抗氧化物酶POD,SOD和CAT等清除和
分解活性氧的酶活性显著增加,提高清除活性氧防
御系统的防御能力,从而缓解了盐胁迫对紫花苜蓿
的氧化伤害作用。本研究发现,盐胁迫下,苜蓿幼苗
叶片中SOD活性随着盐浓度增加而增加,而根中的
SOD活性则逐渐降低。可能的原因是,叶片当中猝
灭活性氧的能力强,而根中受盐胁迫较重,自由基产
生速率超过系统清除能力,细胞受到伤害较重,引起
根中SOD活性下降[22]。植物中CAT是清除H2O2
的关键酶,能催化 H2O2 转变为 H2O。本试验结果
表明,叶片中CAT活性伴随盐浓度增加而降低,可
能原因是,虽然CAT是一种清除过氧化氢的酶,但
是对过氧化氢的亲和力较低,且容易光失活或分
解[23,24]。POD在植物体内对清除活性氧有重要的
作用。紫花苜蓿受到逆境胁迫后,叶片当中POD活
性增加,可清除活性氧,保护细胞的完整性,减少细
胞损伤,也有一些研究认为POD活性与植物抗盐性
无关[25]。
总之,盐胁迫下,紫花苜蓿叶片和根中超氧阴离
子水平和膜质过氧化产物 MDA增加,抗氧化物酶
POD,SOD和CAT活性和抗氧化物质 Vc的含量
也随之增加。另外,紫花苜蓿叶片总抗氧化能力在
低浓度盐胁迫下变化不显著,根中的抗氧化能力随
着盐浓度的升高而下降。
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(责任编辑 李美娟)
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