全 文 ：第 15 卷 第 4 期
Vol. 15 No. 4
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2007 年 7 月
Jul. 2007
文章编号: 1007-0435( 2007) 04-0299-07
苜蓿叶片及根系对水分亏缺的生理生化响应
李文娆1, 3, 4, 张岁岐1, 2* , 山 仑1, 2, 4
( 1. 中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西 杨凌 712100;
2.西北农林科技大学, 陕西 杨凌 712100; 3.中国科学院研究生院, 北京 100039;
4. 河南大学生命科学学院, 河南 开封 475001)
摘要: 利用 PEG-6000 模拟研究水分胁迫(s= - 0. 2 MPa) 48 h,后复水48 h,阿尔冈金和陇东苜蓿( Med icago sati-
v a L . )品种幼苗根系与叶片的渗透调节作用及抗氧化酶活性的变化。结果表明: 叶片的渗透调节能力及抗氧化酶
活性均强于根系;受到水分胁迫后, 叶片与根系水势、渗透势及饱和渗透势明显下降并随着时间的延长而逐渐降
低;但抗氧化酶( SOD、POD 和 CAT )活性显著增强并随着胁迫的延续而保持高活性; 细胞膜相对透性在胁迫中后
期逐渐增大, MDA 开始累积; 叶片脯氨酸、可溶性糖、K + 和可溶性蛋白含量随着胁迫时间的延长亦逐渐累积,根系
可溶性糖含量逐渐显著升高,脯氨酸含量没有明显变化,而可溶性蛋白和 K+ 含量呈现下降趋势; 复水后产生一定
的恢复补偿效应,但叶片生理代谢未能恢复到正常水平; 陇东与阿尔冈金苜蓿抗氧化酶活性间存在差异, 且二者对
水分胁迫的适应能力亦略有差别。
关键词: 紫花苜蓿; 干旱胁迫和复水; 渗透调节; 氧化酶活性
中图分类号: S812; Q945; Q946 文献标识码: A
Physiological and Biochemical Responses of Leaves and Roots
of Alfalfa (Medicago sativa L. ) to Water Stress
LI Wen-rao
1, 3, 4
, ZHANG Su-i qi
1, 2*
, SHAN Lun
1, 2, 4
( 1. S tate Key Lab. of Soil Erosion and Drylan d Farmings on Loes s Plateau, In st itute of Soil an d Water Conservat ion ,
Chin ese Academy of Sciences and Minist ry of Edu cation, Yan gling, Shaan xi Province 712100, Chin a;
2. Northw es t Sc-i T ech University of Agr iculture and Forest ry, Yan gling, Shaanx i Province 712100, China;
3. Gradu ate School, C hinese Academy of S cien ces , Beijing 100039, China;
4. College of Life S cien ces , H en an University, Kaifeng, H enan Provin ce 475001, China)
Abstract: T he changes of o smot ic adjustment and ant-i ox idat ive enzyme act iv it ies in seedling leaves and
roots of tw o cult iv ar s o f alfalfa ( Med icago sativa L. cv. Longdong and M . sativa L. cv. A lgonquin) w as
studied under w ater stress mimicked by PEG-6000 so lut ion ( s= - 0. 2 M Pa, st ress period 48 h, then re-
hydrat ion 48 h) . T he results show that the osmot ic adjustment capability and ant-i ox idat iv e enzymes act iv-
ity w er e st ronger in leaves than those in roots. Water potent ial, osmot ic potent ial, and saturated o smo tic
potential in r oots and leaves w ere signif icant ly decreased along w ith the prog ress of w ater st ress. H ow ev-
er, the act iv it ies of ant-i oxidat ive enzymes ( SOD, POD, and CAT ) in both leaves and r oots signif icantly
increased under w ater st ress and maintained high act iv ity during period of w ater st ress, the membrane per-
meability and MDA increased obviously since middle per iod of w ater str ess. Simultaneously, the contents
of f ree pro line, so luble sugar , K + , and so luble protein in leaves accumulated gradually w ith the pro gress
of w ater st ress. Soluble sugar content in roots w as increased gr adually under w ater st ress and the contents
收稿日期: 2007-01-09; 修回日期: 2007-05-14
基金项目: 中国科学院知识创新工程重要方向项目( KZCX3- SW-444 和 KSCX2- YW- N-003)和中国科学院水土保持研究所领域前沿科研
专项经费资助项目( SW05101)
作者简介: 李文娆( 1980-)女,内蒙古通辽市人,博士研究生, 研究方向为植物水分生理生态, E-m ail: w rli2004 @ 126. com; * 通讯作者:
Author for correspondence, E-m ail : sqzhang@ ms. isw c. ac. cn
草 地 学 报 第 15卷
of K + and soluble pr otein w ere declined g radual ly, w hile no significant changes fo r f ree proline content.
After r ehydration, physiolog ical metabolism in leaves did not recover to the contro l level although the re-
pair and compensat ion mechanism w as induced. In addit ion, there w ere dif ferences in ant-i oxidat ive enzyme
act ivities and endur ing capability to w ater st ress betw een tw o tested alfalfa cultivars.
Key words: Alfalfa; Water st ress and rehydrat ion; Osmot ic adjustment ; A nt-i o xidat ive enzyme act iv ity
干旱胁迫给植物带来的影响是多方面的, 植物
对水分亏缺的反映亦是复杂的。伴随着地上与地下
的协同反应,植物会产生一系列的适应性变化,如在
组织与器官水平上通过迅速关闭气孔、减小叶面积
等减小蒸腾失水,通过加速根系吸水、促进根系伸长
生长等增强水分的吸收等;在细胞与分子水平上, 通
过累积渗透调节物质如脯氨酸等维持细胞膨压, 通
过增强活性氧清除酶系活性等启动抗氧化机制和促
进抗逆蛋白(如 LEA 蛋白等)的超量表达等 [ 1~ 3] 来
减缓或减轻干旱逆境所带来的伤害。渗透调节是植
物抗旱的主要生理机制之一, 而活性氧的酶促清除
系统则是植物体抗氧化作用的第一道防线。现已经
在许多植物研究中得到证实[ 1] 。
紫花苜蓿 (M edicago sat iva L. ) (下称苜蓿) ,
是高产、优质、抗旱、适应性强的多年生豆科牧草 [ 4]。
主要分布在干旱半干旱地区[ 5] ,因而水分短缺成为
限制其生长的主要环境因子, 尤其在多变的水分环
境下, 苜蓿的产量和质量都会受到明显的影响。在
过去几十年里, 人们对干旱胁迫下苜蓿渗透调节物
质(如脯氨酸、K+ 和可溶性糖等)的产生与变化规律
及抗氧化酶( SOD、POD 和 CAT 等)对活性氧的清
除机制进行研究[ 5~ 10] , 但主要集中在地上部, 对根
系生化生理反应的研究还很缺乏。植物的抗旱性是
一种综合适应机制,仅依靠研究地上部的反应难以
揭示作物整体抗旱性的本质[ 11]。土壤干旱首先直
接影响到根系的生理代谢, 进而影响到整个植株的
生命活动,根系在植物整体抗旱性中起着十分重要
的作用,因而研究根系对水分逆境的生理生化反应
能更好地揭示植物抗旱性的本质[ 3, 11, 12] 。
1 材料与方法
1. 1 实验材料培养及处理
以陇东(M . sat iv a L. cv. Longdong)及阿尔冈
金(M . sat iv a L. cv. Algonquin)苜蓿为材料。种
子经 0. 1%的 H gCl2 溶液消毒 30 m in 后, 放入直径
18 cm 的培养皿内, 25 培养箱内纸上萌发。待子
叶展开后移入步入式植物生长箱(加拿大产 PGV-
36型) , 1/ 2 Hoag land营养液( pH : 5. 5~ 6. 0)培养,
白天光照 260 mo l photons m- 2 s- 1 , 光暗周期
12/ 12 h,昼夜温度 23/ 18 , 相对湿度 65%。7~ 8
片展开叶时始实验。利用 PEG-6000模拟干旱胁迫,
胁迫水势- 0. 2 MPa, 胁迫时间 12、24和 48 h, 复水
48 h, 3次重复,以正常植株为对照。取植株倒数 2~
4叶位叶片及整株根系进行相关指标测定。
1. 2 实验方法及指标测定
1. 2. 1 切取叶片及根系(从根茎处断开) , 1 份迅速
使用压力室(美国产 3005型)测定其水势; 1 份放入
- 40 低温冰箱内 48h 后, 使用 Wescor-5500型蒸
汽压渗透计测得渗透势; 1份放在蒸馏水中遮光密
闭饱和 1夜后也放入- 40 冰箱中冷冻保存 48 h,
用于测定饱和渗透势。渗透调节能力= 对照饱和渗
透势- 处理饱和渗透势 [ 14]。
1. 2. 2 取新鲜材料,放入 10 mL 去离子水中,用电
导率仪( DDS307型)测得煮沸前后电导值, 求得细
胞质膜相对透性( = 材料杀死前电导值/材料杀死后
电导值)。
1. 2. 3 取适量材料放入烘箱, 120 杀青 30 min
后, 80 烘干至衡重( 24 h以上)备用。
1. 2. 3. 1 蒽酮比色法测可溶性糖含量: 用 80%乙
醇溶液 80 水浴中充分提取样品。取 2 mL 上清
液,加入 5 mL 蒽酮-硫酸试剂, 煮沸 10 m in, 冷却后
620 nm 下测定吸光度。
1. 2. 3. 2 考马斯亮兰 G-205染色法测可溶性蛋白
含量:取研磨样品 3 mL , 5000 rpm 下离心 10 min,
取上清液 0. 1 mL, 加入 0. 9 mL 蒸馏水和 5 mL 考
马斯亮兰 G-205试剂, 595 nm 下测定吸光度。
1. 2. 3. 3 酸性茚三酮比色法测游离脯氨酸含量:取
样品并加入 5 mL 磺基水杨酸试剂, 煮沸 15 min。
冷却后取滤液 2 mL, 加入冰醋酸和酸性茚三酮各
2 mL,沸水浴中显色 30 min,冷却后加入甲苯 5 mL,
摇动萃取1 h,取甲苯层 520 nm 下测定吸光度。
1. 2. 3. 4 原子吸收法测 K+ 含量:称取样品 0. 5000 g
左右,放如硝化试管中,加入浓硫酸 5 mL,在硝化炉
上( 360 )煮至透明。冷却后用蒸馏水定容至 100
300
第 4期 李文娆等:紫花苜蓿叶片及根系对水分亏缺的生理生化响应
mL,用原子吸收仪完成测定。
1. 2. 4 用 pH= 7. 8的磷酸缓冲液冰浴下提取材料,
使得终体积为 10 mL, 10000 rpm 下离心 15 m in, 上
清液为酶粗提取液。分别使用氮蓝四唑还原法、愈
创木酚法和紫外吸收法测得超氧化物歧化酶活性、
过氧化物酶活性和过氧化氢酶活性,具体方法见参
考文献[ 13]。其中,以每克鲜重样品每小时所抑制氮
蓝四唑( NBT) )的光还原量为一个 SOD酶活性单位;
以每克鲜重样品每小时所抑制愈创木酚的氧化量为
一个 POD酶活性单位;以每克鲜重样品每分钟分解
的过氧化氢( H 2O2 )的量为一个 CA T 酶活性单位。
1. 2. 5 2-硫代巴比妥酸比色法测丙二醛含量: 取新
鲜样品以 2 ml 0. 05 moL/ L pH7. 8磷酸缓冲液为介
质研磨成匀浆。取提取液 2 mL 并加入 2 mL 0. 5%
硫代巴比妥酸溶液, 煮沸 10 min,冷却后 3000 rpm
下离心 15 min, 取上清液测定 532 nm、600 nm 和
450 nm下吸光度。
1. 2. 3、1. 2. 4和 1. 2. 5方法具体操作及计算见
参考文献[ 13] 。
1. 3 数据处理
用 T he SAS System fo r Window s V8 软件对
数据进行方差分析处理, 并用 SPSS Inc. SigmaPlot
8. 0 fo r Windows 绘制相关图表。
2 结果与分析
2. 1 水分胁迫对游离脯氨酸含量的影响
受到水分胁迫后,叶片脯氨酸含量随着胁迫时
间的延长而不断上升,其中阿尔冈金叶片变化明显,
而根系则仅在胁迫 24 h后发生了微弱的增加,最终
在复水过程中没有产生明显变化,但根系的脯氨酸
含量在胁迫前即远远高于叶片。胁迫 48 h, 供试苜
蓿叶片脯氨酸含量达到最大值, 分别为对照的 7. 82
和 1. 74倍。复水后,阿尔冈金叶片脯氨酸含量与胁
迫 48 h相比明显回降,达到对照的 5. 74倍;陇东亦
恢复到了对照的 1. 24倍(图 1)。
2. 2 水分胁迫对可溶性糖和可溶性蛋白含量的影响
水分胁迫后, 陇东根系可溶性糖含量变化最为
显著,而阿尔冈金叶片可溶性糖含量没有明显变化
(图 2Ⅰ)。随着胁迫时间的延长, 供试苜蓿根系可
溶性糖含量不断上升, 在胁迫 48 h 达到最大值:分
别为对照的 2. 15和 10. 01倍;其中陇东叶片可溶性
糖含量则在胁迫 24 h 达到最大值(为对照的 2. 04
倍)后开始下降。复水后,供试苜蓿根系可溶性糖含
量仅恢复到了对照的 1. 12和 1. 93 倍; 而陇东叶片
可溶性糖含量则恢复到了对照水平。
图 1 水分胁迫对供试苜蓿叶片和根系游离
脯氨酸含量的影响
F ig . 1 Effect o f water stress and rehydration on fr ee
pro line content in leaves and roots o f two alfalfa cultiva rs
注:竖线代表标准误( n3) ;不同大、小写字母间差异显著 ( P <
0. 05) ,下同
Note: Bars represented standard errors ( n3) , an d means with
the s ame let ter are not s ignifi can tly diff erent ( P < 0. 05 ) w here the
capital let ter s stand for Algonquin an d th e small let ters s tand for
Longdong. Th e same as follow ing f igures
阿尔冈金叶片可溶性蛋白含量随着胁迫时间的
延长而持续增加, 而陇东叶片在胁迫后 48 h 才发生
显著变化, 此时二者均达到最大值, 分别为对照的
1. 80和 1. 44倍,但复水后均显著回降到对照水平
(为对照的 1. 32和 1. 13 倍) ;供试苜蓿根系可溶性
蛋白含量则随着水分胁迫时间的延长而持续下降,
胁迫 48 h 达到最小值(分别为对照的 50. 48%和
52. 82% ) ,但复水后均明显回升,其中陇东根系恢复
到了对照水平。
2. 3 水分胁迫对钾离子(K+ )含量的影响
随着胁迫时间的延长, 供试苜蓿叶片 K + 含量
逐渐增加,在胁迫 48 h 达到最大值,分别比对照增
加 21. 64%和 22. 91%; 根系 K + 含量则随着胁迫时
间的延长逐渐下降, 在胁迫 48 h 降到最低值, 分别
较对照减少了 34. 82% 和 44. 74%。复水 48 h 后,
叶片及根系 K+ 含量均有明显恢复, 但仅叶片恢复
到对照水平(图 3)。
301
草 地 学 报 第 15卷
图 2 水分胁迫对供试苜蓿叶片和根系可溶性糖(Ⅰ)与可溶性蛋白含量(Ⅱ)的影响
Fig . 2 Effect of w ater stress and rehydration on the contents o f so luble sugar (Ⅰ) and soluble pro tein (Ⅱ)
in leaves and roo ts of tw o alfalfa cultivars
图 3 水分胁迫对供试苜蓿叶片和根系 K+ 含量的影响
Fig . 2 Effect o f wat er stress and rehydration on K +
content in leaves and roots o f two alfalfa cultiv ars
2. 4 水分胁迫对水势、渗透势和饱和渗透势的影响
受到水分胁迫后, 叶片和根系的水势、渗透势和
饱和渗透势(表 1)都随着时间的延长而持续下降,
即产生了渗透调节作用;但叶片的下降幅度显著大
于根系,即叶片的渗透调节能力远强于根系; 同时,
品种间渗透调节能力略显区别: 叶片及根系间均是
陇东> 阿尔冈金, 即二者间,陇东可能有着更强的渗
透调节能力。复水后, 根系及叶片的渗透调节能力
都有所下降,且根系恢复到了对照水平(图 4)。
渗透调节是植物在干旱逆境下降低渗透势、维
持细胞膨压、抵御伤害的一种重要生理机制。不同
植物对胁迫的反应不同, 同一植物不同部位的反应
亦各异,因而在不同植物、同一植物不同组织细胞内
累积的渗透调节物质种类存在差别。结合图1~ 3
图 4 水分胁迫对供试苜蓿叶片和根系水势 (Ⅰ) 和渗透势 (Ⅱ) 的影响
Fig. 4 Effect of w ater str ess and rehydration on w ater pot entia l (Ⅰ) and o smo tic potential (Ⅱ)
in leaves and roo ts of tw o alfalfa cultivars
302
第 4期 李文娆等:紫花苜蓿叶片及根系对水分亏缺的生理生化响应
和表 1可知, 脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白及 K +
对渗透调节作用的贡献在叶片中是: K + > 可溶性糖
> 可溶性蛋白> 脯氨酸;在根系中则是:可溶性蛋白
> K
+
> 可溶性糖> 脯氨酸。
表 1 水分胁迫对供试苜蓿叶片及根系饱和渗透势( MPa)和渗透调节能力的影响
Table 1 Effect of w ater stress and rehydration on saturated osmotic pot ential ( MPa) and osmotic adjustment of alfalfa
供试材料
Material s
胁迫时间 St res s tim e( h)
0 12 24 48 RH
阿尔冈金叶片 AL Ⅰ - 0. 06 0. 0039a - 0. 12 0. 0042b - 0. 18 0. 0033c - 0. 22 0. 0057d - 0. 10 0. 0021b
Ⅱ 0. 000e 0. 060 0. 0021c 0. 119 0. 0065b 0. 160 0. 0082a 0. 051 0. 0020d
陇东叶片 LL Ⅰ - 0. 06 0. 0024A - 0. 13 0. 0017C - 0. 18 0. 0041D - 0. 26 0. 0045E - 0. 11 0. 0024B
Ⅱ 0. 000E 0. 069 0. 0026C 0. 122 0. 0065B 0. 196 0. 0064A 0. 049 0. 0049D
阿尔冈金根系 AR Ⅰ - 0. 05 0. 0021A - 0. 10 0. 0021B - 0. 12 0. 0021C - 0. 15 0. 0033D - 0. 06 0. 0024A
Ⅱ 0. 000 D 0. 046 0. 0005C 0. 073 0. 0026B 0. 0102 0. 0005A 0. 011 0. 0005D
陇东根系 LR Ⅰ - 0. 06 0. 0021a - 0. 11 0. 0016b - 0. 14 0. 0012c - 0. 16 0. 0024d - 0. 07 0. 0021a
Ⅱ 0. 000d 0. 053 0. 0005c 0. 080 0. 0015b 0. 101 0. 0012a 0. 011 0. 0033d
注:Ⅰ指饱和渗透势,Ⅱ指渗透调节能力(叶片与根系分别分析) ( P < 0. 05)
Notes: Ⅰ andⅡ repres ented saturated osmot ic potent ial an d th e abilit y of osmot ic adjustment , respect ively; leaf an d root w as analy ses
separately. Th e different let ters in th e same row indicate the signif icant dif f erence at P < 0. 05 level
图 5 水分胁迫对供试苜蓿叶片和根系 SOD 活性(Ⅰ)、
POD活性(Ⅱ) 和 CAT活性 (Ⅲ) 的影响
F ig . 5 Effect o f water st ress and rehydrat ion on SOD
activ ity (Ⅰ) , POD activ ity (Ⅱ) , and CAT activ ity (Ⅲ)
in leaves and ro ots of tw o alfalfa cult ivar s
2. 5 水分胁迫对抗氧化酶活性的影响
2. 5. 1 研究证明,干旱胁迫的间接影响之一是氧化
胁迫[ 2]。苜蓿叶片及根系 SOD活性随着胁迫时间
的延长而不断增强,但根系活性明显弱于叶片, 且陇
东较阿尔冈金变化更为显著。胁迫 48 h, 供试苜蓿
叶片和根系 SOD活性分别为 478. 38、157. 32、895.
88和 136. 31unit g- 1 FW h- 1 , 较胁迫前分别增
加了 27. 09%、51. 41%、203. 52%和 47. 57%。复水
后则分别恢复到对照的 1. 09、1. 38、2. 19和 1. 14倍
(图 5 Ⅰ)。
2. 5. 2 叶片及根系的 POD活性也随着胁迫时间的
延长而显著增强。阿尔冈金叶片 POD 活性在胁迫
12 h达到最大值( 859. 28 unit g- 1 FW h- 1 ) , 并
保持较高活性,根系 POD活性在胁迫 24 h 达到最
大值( 704. 19 unit g- 1GFW h- 1 )后略有下降;陇
东叶片及根系 POD活性虽然亦随着胁迫时间的延
长而持续增加, 但在 48 h 才达到最大值( 526. 17和
424. 93 unit gFW- 1 h- 1 )。复水后, 阿尔冈金根
系 POD活性恢复到对照水平(为对照的 1. 02倍) ,
陇东叶片及根系 POD活性未能恢复到对照水平(为
对照的 1. 36和 1. 94倍) ,而阿尔冈金叶片 POD活性
则略低于对照(为对照的 94. 92%) (图 5Ⅱ)。
2. 5. 3 受到干旱胁迫后, 阿尔冈金叶片和根系
CAT 活性分别在胁迫 12 h 和 24 h达到峰值( 675.
65和 265. 90 unit gFW- 1 min- 1 ) , 以后渐次下
降;陇东叶片和根系 CAT 活性亦随着胁迫时间的
延长而持续增强, 但胁迫 48 h 后,仅分别比对照增
加了 50. 89%和 44. 80%。复水后, 阿尔冈金叶片、
陇东叶片及根系的 CAT 活性均有显著回降, 但未
恢复到对照水平, 分别为对照的 1. 16、1. 31和 1. 41
303
草 地 学 报 第 15卷
倍,而阿尔冈金根系 CAT 活性则降到了对照的 76.
37% (图 5 Ⅲ)。
结合前述, 根系抗氧化酶活性弱于叶片, 且受到
干旱胁迫后, 阿尔冈金 POD 与 CAT 活性变化较陇
东苜蓿强烈,即供试苜蓿间不同抗氧化酶种类活性
的强度存在明显差异。
2. 6 水分胁迫对细胞膜相对透性及膜脂过氧化程
度的影响
供试苜蓿叶片及根系细胞质膜相对透性在胁迫
初期没有发生明显变化, 但随着胁迫时间的延长最
终显著增大,其中根系的变化较叶片显著。供试苜
蓿叶片和根系细胞质膜相对透性在胁迫 48 h 后分
别为对照的 2. 77、6. 80、1. 75和 1. 46倍。复水后,
根系细胞质膜相对透性均恢复到对照水平,而叶片则
仅恢复到对照的 2. 12和 5. 80倍(图 6Ⅰ)。
叶片及根系 MDA 含量在胁迫初期未发生明显
变化, 但随着胁迫的延续而逐渐累积, 其中根系
MDA 含量变化幅度明显大于叶片。胁迫 48 h, 叶
片和根系 MDA含量均达到最大值,分别为对照的
3. 64、1. 84、2. 30和 1. 79倍; 复水后, 叶片 MDA 含
量仅分别下降到对照的 2. 36和 1. 65倍, 而根系则
恢复到对照水平。
图 6 干旱胁迫对供试苜蓿叶片和根系细胞质膜相对透性 (Ⅰ) 和MDA含量 (Ⅱ) 的影响
Fig . 6 Effect o f wat er stress and rehydration on membrane permeabilit y (Ⅰ) and MDA content (Ⅱ)
in leaves and roo ts of tw o alfalfa cultivars
3 讨论与结论
3. 1 连续的干旱胁迫使得苜蓿叶片与根系渗透调
节能力逐渐增强,但根系始终弱于叶片,且二者具有
不同的渗透调节物质种类和渗透调节能力。分析认
为,应对干旱逆境, 叶片渗透调节能力强于根系, 这
与同化物在叶片中合成、运输时就近分配、优先参
与叶片渗透调节作用有关。受到干旱胁迫后苜蓿植
株的另一种表现就是启动活性氧清除系统以清除过
量的活性氧自由基,维持细胞膜的完整性和植株的
正常生长代谢。
干旱胁迫使得叶片 K+ 含量逐渐累积, 以利于
叶片细胞维持正常膨压; 但根系 K+ 含量在受到干
旱胁迫后则呈下降趋势(图 3) ,可能是根系中 K + 转
移到了生长较为迅速的叶片。田福平等 [ 8]曾报道,
受到干旱胁迫后的苜蓿生长点的 K + 含量最高。
干旱胁迫促进了大分子碳水化合物的分解, 使
得可溶性糖含量上升累积而成为苜蓿叶片与根系的
共同渗透调节物质。但是可溶性蛋白含量在叶片中
升高而在根系中下降, 认为是:干旱胁迫使得叶肉细
胞蛋白水解酶类活性增强,加速分解蛋白质形成游
离氨基酸, 促使不溶性蛋白向可溶性蛋白的转
化[ 1 6] ,从而使得可溶性蛋白含量增加; 而干旱条件
下,根细胞内一些可溶性蛋白与细胞内的束缚水特
异性结合(作为脱水保护剂) ,同时,对干旱敏感的酶
类的分解快于逆境蛋白酶的合成[ 17] , 并且, 光合产物
合成、运输与分配在干旱条件下受阻,从而造成了根
系可溶性蛋白由于合成前体物质缺乏而合成受阻。
3. 2 游离脯氨酸的累积被认为是植物受旱的标志之
一,但在本实验中,叶片在受到干旱胁迫后游离脯氨
酸虽逐渐累积, 但含量始终小于根系,而根系游离脯
氨酸含量几乎没有发生改变。游离脯氨酸在叶片中
的累积是其降解或氧化被抑制和合成被促进的原
因[ 18] ;亦可能因可溶性蛋白含量的下降等原因使得
根系游离脯氨酸没有明显变化。结合前述( 2. 4) ,不同
渗透调节物质对苜蓿叶片及根系渗透调节作用的贡献
304
第 4期 李文娆等:紫花苜蓿叶片及根系对水分亏缺的生理生化响应
率存在显著不同,同时,叶片渗透调节能力强于根系。
3. 3 苜蓿根系与叶片 SOD、POD 和 CAT 活性均
随着胁迫时间的延长而不断增强,但根系活性明显
弱于叶片; 陇东 SOD活性在胁迫过程中高于阿尔冈
金,而阿尔冈金 POD 和 CAT 活性高于陇东。随着
抗氧化酶活性的增强, 叶片及根系 MDA 含量及细
胞质膜相对透性在胁迫中后期才逐渐增大, 且根系
的变化幅度明显大于叶片。胁迫初期( 12 h) , 由于
抗氧化酶活性的迅速增强,没有造成活性氧累积, 使
得细胞膜保持相对完整性;但随着胁迫的延续,活性
氧的产生超出植株清除系统的能力,细胞膜遭到破
坏, M DA 含量迅速增加, 最终可能诱发膜脂过氧
化。叶片与根系间及供试品种间不同抗氧化酶种类
存在着活性上的差异和清除能力上的差别, 因而使
得其在细胞膜完整性的维持和抵抗过氧化能力上存
在差异(叶片各抗氧化酶活性高于根系,而 MDA 含
量则是根系高于叶片)。抗氧化酶活性变化的不一
致性也说明,在清除活性氧的途径方面,植株可能调
动了体内其它的活性氧清除系统[ 7]。
3. 4 复水后,植株产生一定的补偿修复机制, 细胞
内物质的合成与分解代谢比例重新发生变化, 合成
酶类活性提高, 活性氧清除与产生之间重新趋于平
衡[ 19] ,各值均恢复到对照水平,使得细胞物质代谢趋
于正常水平。其中陇东叶片脯氨酸、可溶性糖和可溶
性蛋白含量,根系可溶性蛋白含量,渗透势、饱和渗透
势、细胞质膜相对透性和 K+ 含量均恢复到对照水平。
说明苜蓿根系具有更广泛的干旱适应范围[ 20]。
陇东和阿尔冈金苜蓿是黄土高原地区主要栽培
品种,在过去的研究中对二者耐旱能力尚无统一定
论,本实验结果表明,叶片及根系间渗透调节能力均
是陇东> 阿尔冈金(表 1) ; 同时, 受到水分胁迫后,
阿尔冈金根系和叶片 MDA 增加量及变幅均大于陇
东,其叶片细胞质膜相对透性也始终大于陇东叶片,
因此,阿尔冈金受到的伤害程度大于陇东; 另外, 陇
东叶片和根系 POD和 CAT 活性随着胁迫延续而
持续增强,说明对氧化伤害有着持续的抵抗能力, 因
而二者间陇东可能有更强的耐旱能力。
综上所述, 连续的干旱胁迫下,苜蓿根系与叶片
产生了不同的生理生化适应性变化,具有不同的渗
透调节物质种类,其中叶片的渗透调节能力大于根
系,抗氧化酶活性强于根系,但是根系则相对具有更
广泛的干旱适应范围。旱后复水使得苜蓿产生一定
的生理生化补偿效应, 但未能使其完全恢复到正常
水平。另外,在苜蓿叶片及根系中脯氨酸对渗透调
节的贡献率均是最小,因此,脯氨酸是否可作为根系
干旱逆境特征物,尚有待进一步研究证实。
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(责任编辑 孟昭仪)
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