全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2009, 35(3): 530−534 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2006CB100101); 教育部留学回国人员科研启动基金(2008890)资助。
第一作者联系方式: E-mail: zhaolq70@yahoo.cn; Tel & Fax: 0311-86268797
Received(收稿日期): 2008-09-26; Accepted(接受日期): 2008-10-25.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2009.00530
干旱胁迫下一氧化氮对小麦离体根尖离子吸收的影响
赵立群 1 刘玉良 1 孙宝腾 2 王彩琴 3
1 河北师范大学生命科学学院, 河北石家庄 050016; 2 南昌大学生命科学学院, 江西南昌 330031; 3 甘肃省人民医院药剂科, 甘肃兰
州 730000
摘 要: 为阐明干旱胁迫下一氧化氮(NO)对植物的保护机制, 利用干旱敏感性不同的 3个小麦(Triticum aestivum L.)
品种的离体根尖, 比较了 NO 对干旱胁迫的响应及其对离子吸收的影响。在干旱胁迫下, 耐旱品种陇春 8139 根尖中
大量产生 NO, K+和 Ca2+被大量吸收, 而 Cl−被排出体外, 质膜 H+-ATPase活性升高; 而干旱敏感品种甘麦 8号和定西
24的根尖中 NO、离子含量和质膜 H+-ATPase活性的变化呈相反趋势。NO供体硝普纳(SNP)处理使 3个品种根尖中
的 K+和 Ca2+含量增加, Cl−含量下降, 并能提高质膜 H+-ATPase活力; NOS抑制剂 Nω-nitro-L-arginine(LNNA)和 NO清
除剂 2-phenyl-4,4,5,5-tetramethyl-imidazoline-1-oxyl-3-oxide(PTIO)能够逆转这一效果。Na+含量在所有处理下都没有
明显变化。试验结果证明, NO能够通过调节质膜 H+-ATPase活力影响植物对离子的选择吸收, 从而提高耐旱性。
关键词: 干旱胁迫; 离子吸收; 一氧化氮; 质膜 H+-ATPase
Effect of Nitric Oxide on Ions Absorption in Excised Root Tips of Wheat Seed-
lings under Drought Stress
ZHAO Li-Qun1, LIU Yu-Liang1, SUN Bao-Teng2, and WANG Cai-Qin3
1 School of Life Sciences, Hebei Normal University, Shijiazhuang 050016, China; 2 School of Life Sciences, Nanchang University, Nanchang 330031,
China; 3 Department of Pharmacy, People’s Hospital of Gansu Province, Lanzhou 730000, China
Abstract: Longchun 8139 is a wheat (Triticum aestivum L.) cultivar grown in Dingxi in Northwest China, which has stably toler-
ance characteristics to drought stress in morphology, physiology, and genetics. To explain the protection mechanism of nitric oxide
to plants under drought stress, Longchun 8139 and two drought-sensitive cultivars Ganmai 8 and Dingxi 24 were used for testing
the adaptation to drought stress. The excised root tips (2±0.02 cm) from the seedlings were treated with 20% polyethylene glycol
(PEG)-6000 to simulate drought stress. In addition, the NO content in root tips was adjusted with 0.2 mmol L−1 sodium nitroprus-
side (SNP, as NO donor), and 0.3 mmol L−1 Nω-nitro-L-arginine (LNNA, a NO synthase inhibitor), and 0.4 mmol L−1
2-phenyl-4,4,5,5-tetramethyl-imidazoline-1-oxyl-3-oxide (PTIO, a specific NO scavenger) adding in culture medium. In the root
tips of Longchun 8139, the activity of NO synthase and NO content increased remarkably, the chloride (Cl−) content decreased,
whereas, the contents of calcium (Ca2+) and potassium (K+) increased, simultaneously, the activity of plasma membrane
H+-ATPase was activated under drought stress. However, in the root tips of Ganmai 8 and Dingxi 24, the changing patterns of the
parameters above were opposite. When applying SNP, changes of the contents of Ca2+ and K+, as well as the activity of plasma
membrane H+-ATPase were observed similar to those induced by PEG in drought-tolerant cultivar, Longchun 8139. These
changes in response to drought stress could be counteracted, such as, the promotion of Cl− content, the reductions of Ca2+ and K+
content, and the decrease of activity of plasma membrane H+-ATPase, if LNNA and PTIO were added in the culture medium. As
to Na+ content, no obvious variations were observed among all treatments. The results indicate that NO acts as the second mes-
senger in inducing drought resistance through influencing ions absorption, which is dependent on the increased activity of plasma
membrane H+-ATPase.
Keywords: Drought stress; Ion absorption; Nitric oxide; Plasma membrane H+-ATPase
干旱和半干旱地区占世界土地面积的三分之一,
在中国这一比例高达近二分之一。在小麦(Triticum
aestivum L.)生产中, 幼苗经常受到干旱胁迫, 导致
减产[1]。一氧化氮(nitric oxide, NO)作为一种生物活
性分子不仅与许多动物的生理活动紧密联系 [2], 而
且作为信号分子在植物细胞中也广泛存在[3]。NO在
第 3期 赵立群等: 干旱胁迫下一氧化氮对小麦离体根尖离子吸收的影响 531


哺乳动物细胞中由一氧化氮合酶(nitric oxide syn-
thase, NOS)催化合成。免疫印迹试验发现 , 类似
NOS 的蛋白也存在于植物细胞中, 其活性可以被哺
乳动物的 NOS 抑制剂 Nω-nitro-L-arginine (L-NNA)
所抑制[4]。
NO 与植物激素相互作用参与植物体中的许多
生理生化反应, 如代替红光诱导种子的萌发、影响
植物组织的生长和分化、促进植物细胞的衰老[3]。
NO还与干旱、盐、高温、低温和病虫害胁迫等密切
相关[5-8], 但是其作用机制尚不清楚。
陇春 8139 是我国西北定西地区的一个小麦品
种, 即使全生育期处于干旱环境中也能够正常生长
和繁殖, 在形态、生理和遗传上具有稳定的适应性
状[9], 是研究植物对干旱适应的理想材料。甘麦 8号
和定西 24作为当地的另外两个小麦品种, 对干旱相
对较为敏感[9]。本研究以这 3个小麦品种为试验材料,
分析 NO 处理对干旱胁迫条件下小麦根尖离子吸收
的影响, 为揭示小麦抗旱机制提供依据。
1 材料与方法
1.1 材料培养及处理
小麦品种陇春 8139(抗旱)和甘麦 8号、定西 24(干
旱敏感)均由甘肃省定西地区农科所提供。种子经
1%次氯酸钠灭菌 10 min后, 播于蛭石(沸水中煮 1 h)
中, 每 2 d浇一次自来水。7 d后, 切取(2 ± 0.02) cm
的幼苗根尖, 置含 25 mL White培养基[10]的 100 mL
锥形瓶中培养, 每瓶 20个根尖。将锥形瓶放在恒温
旋转振荡器中, 温度为 25℃, 转速为 100 r min−1。
离体培养根尖 24 h 后, 在培养基中添加 20%
polyethylene glycol (PEG)-6000模拟干旱胁迫, 添加
0.2 mmol L−1 SNP作为 NO供体以提高根尖中的 NO
含量, 添加 0.3 mmol L−1 LNNA 和 0.4 mmol L−1
2-phenyl-4,4,5,5-tetramethyl-imidazoline-1-oxyl-3-oxide
(PTIO)作为 NO 抑制剂以降低根尖中的 NO 含量。
处理 48 h 后, 收集根尖并用过量重蒸水冲洗 3 遍,
立即进行测定或于−70℃下保存备用。每组至少 3个
重复。
1.2 NOS活力和 NO含量测定
按 Murphy和 Noack[11]描述的方法测定 NOS活
力, 用每分钟每毫克蛋白质所转化的血红蛋白量表
示; 按 Song等[12]描述的方法测定 NO含量, 用每毫
升反应体系中每分钟每克鲜重所转化的血红蛋白量
表示。
1.3 组织含水量测定
样品经 80℃烘 48 h, 称干重, 组织含水量WC(%)
= (鲜重−干重)/鲜重×100。
1.4 膜透性和离子含量测定
以根尖的相对电导率作为膜透性指标[13]。样品
经 550℃加热 5 h后, 灰分溶解于少量硝酸中, 并用
无离子水定容至 25 mL。通过离子吸收光谱仪器
(Perkin-Elmer 2280, 荷兰)测定 K+、Na+和 Ca2+含量,
按照 Chen等[14]的方法计算 Cl−含量。
1.5 质膜 H+-ATPase活力测定
按照 Qiu和 Su[15]的方法提取质膜, 并进行一些
改进。取 5 g根尖在 10 mL缓冲液中[含 0.25 mol L−1
蔗糖、10%(W/V)甘油、0.5%(W/V) PVP、3 mmol L−1
EDTA、1 mmol L−1 DTT、1 mmol L−1 PMSF、15 mmol
L−1巯基乙醇和 25 mmol L−1 Tris-Mes (pH 7.6)]匀浆。
经两层纱布过滤后, 将滤液在 4oC下 13 000 × g离心
20 min。将沉淀悬浮于同上的缓冲液中, 在 80 000
× g下离心 30 min, 得到微粒体膜沉淀, 再次悬浮于
缓冲液[含 1 mmol L−1 DTT, 1 mmol L−1 PMSF, 25
mmol L−1 Tris-Mes (pH 7.6)]中, 按照 Qiu和 Su[15]的
方法测定质膜 H+-ATPase活力。
1.6 数据分析
用 Sigmplot软件统计分析数据及作图, 差异显
著性水平为 0.05 (P < 0. 05) (t测验)。
2 结果与分析
2.1 干旱胁迫下 NOS活力及 NO含量
在陇西 8139 的根尖中, 干旱胁迫使 NOS 活力
增加 49%, NO的释放量增加 89%。与之相反, 在甘
麦 8号和定西 24的根尖中, PEG处理使 NOS活力和
NO含量下降, 分别为对照的 67%、73%和 72%、76%
(P < 0. 05)。NO供体 SNP降低了 3个品种根尖中的
NOS活力, 陇春 8139的根尖中 PEG+SNP处理与单
加 SNP相比, NOS活力下降更多, 这可能归结于 NO
产生的反馈抑制效应。NO 的抑制剂 LNNA 明显抑
制了 NOS活力。PTIO则对 NOS活力稍有刺激, 但
是两者都降低了 NO的释放量(图 1)。
2.2 干旱胁迫下 NO对WC和 MP的影响
PEG处理 48 h后, 陇春 8139、甘麦 8号和定西
24 的培养根尖中的组织含水量都有所下降, 分别从
93%、95%和 93%下降为 81%、79%和 80%(P < 0.05)。
0.2 mmol L−1 SNP能够抵制 PEG的作用, 将组织含
水量恢复到接近对照的水平(图 2-A)。
532 作 物 学 报 第 35卷



图 1 小麦离体培养根尖中的 NOS活力(A)和 NO产量(B)
Fig. 1 NOS activities (A) and NO productions (B) in excised root tips of wheat seedlings



图 2 小麦离体培养根尖中的组织含水量(A)和膜透性(B)
Fig. 2 Water content (A) and membrane permeability (B) in excised root tips of wheat seedlings

在陇春 8139、甘麦 8号和定西 24 的根尖中相对
膜透性分别增加为处理前的 133%、161%和 169% (P
< 0.05), 但是 SNP可以缓解这一增加的趋势。
2.3 干旱胁迫下 NO对离子吸收的影响
干旱胁迫下, 在陇春 8139 的根尖中 K+和 Ca2+
含量比处理前分别增加 20%和 19%, 而 Cl−含量比处
理前下降 28%(图 3)。在甘麦 8号和定西 24的根尖中,
它们的含量变化趋势正好相反, K+和 Ca2+含量分别
下降 17%、21%和 20%、29%, 但是 Cl−的含量则分
别增加 37%和 19% (P < 0.05)。SNP处理使 3个品种
根尖中的 K+、Ca2+含量升高而 Cl−含量下降。SNP
的作用效果可以被 LNNA和 PTIO所逆转。Na+的含
量在各处理间没有明显的变化(图 3-B)。
2.4 干旱胁迫下NO对质膜H+-ATPase活力的影响
质膜 H+-ATPase活力受 PEG刺激, 在陇春 8139
的根尖中增加 48%, 而在甘麦 8号和定西 24的根尖
中分别下降 45%和 31% (P < 0.05)。SNP可以增加胁
迫条件下 3个品种根尖中的质膜 H+-ATPase活力, 而
LNNA和 PTIO则抑制了这种效果(图 4)。
3 讨论
NO 作为信号分子 , 与植物对外界的多种胁迫
反应密切相关[5]。干旱胁迫诱导耐旱小麦品种陇春
8139的根尖中NO的产生; 而在干旱敏感小麦品种甘
麦 8和定西 24的根尖中, NO不能被诱导产生(图 1)。
组织含水量和相对膜透性这两个指标反映了植

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图 3 小麦离体培养根尖中 K+(A)、Na+(B)、Cl−(C)和 Ca2+(D)的含量
Fig. 3 K+(A), Na+(B), Cl−(C) , and Ca2+(D) contents in excised root tips of wheat seedlings




图 4 陇春 8139、甘麦 8号和定西 24离体培养根尖中的质膜
H+-ATPase活力
Fig. 4 Plasma membrane H+-ATPase activity in excised root
tips of wheat seedlings
物组织的水分保持能力和膜的伤害程度。与甘麦 8号
和定西 24相比, 陇春 8139培养根尖在干旱胁迫下具
有较高的保水性和细胞完整性, 这显示出它较强的
耐旱性。SNP 作为 NO 的供体, 能够提高干旱胁迫
下小麦根尖的组织含水量, 减少了干旱引起的相对
膜透性的增加, 说明 NO 对植物组织具有保护效应,
暗示 NO可能影响质膜所调控的离子吸收。
离子在植物组织正常的生理生化活动中起重要
的作用, 稳定的离子浓度对于植物抵抗外界胁迫因
子至关重要。干旱胁迫会导致植物细胞质膜过氧化,
离子自由通过被破坏的质膜进出植物细胞, 破坏了
离子的动态平衡, 植物体的正常生长状况受到影响
甚至于逐渐地衰老、死亡[16-17]。另一方面, 植物在
长期的进化过程中形成了抵抗外界胁迫因子的保护
措施, 其中之一就是对离子的选择性吸收[16-17]。NO
对质膜具有保护作用, 所以 NO也有可能参与调节对
离子的选择性吸收, 从而诱导植物的耐旱性。为了
534 作 物 学 报 第 35卷

证明这一推论, 我们检测了干旱胁迫下离体培养根
尖中离子含量的变化。干旱胁迫诱导陇春 8139根尖
中 K+和 Ca2+离子含量的增加和 Cl−离子含量的下降。
SNP 对 3 个品种根尖的处理使它们的离子含量发生
了相同的变化趋势。LNNA和 PTIO降低根尖的 NO
含量(图 1), 也逆转了 NO对离子吸收的影响(图 3)。
这些结果说明在陇春 8139的根尖中, 干旱刺激所诱
导的 NO 诱导了离子的选择吸收。在甘麦 8 号和定
西 24的根尖中, 离子含量的变化与陇春 8139正相反,
这可能归结于干旱胁迫下 NO含量的下降(图 1)。
K+是保持细胞内部正常渗透势的重要离子, 较
高的K+离子浓度能够维持原生质体较高的含水量和
质膜 ATPase的活力[18], K+对受胁迫植物的光合系统
有保护作用[19], K+离子通道参与渗透胁迫的信号传
导[20], 因此 K+在植物抵抗干旱胁迫的过程中起着重
要的作用。Ca2+与植物细胞结构密切相关, 影响到
膜脂的透过率, 被认为是植物响应外界胁迫因子的
第二信使[21]。所以较高的 Ca2+含量, 对于植物抵抗
外界胁迫因子对生物膜的伤害具有积极的作用。高
的 Cl−浓度通过限制叶片蒸腾作用、气孔开张和水分
吸收造成植物组织内部的低水势[19], 对植物的正常
生长发育产生毒害。综上, 干旱刺激所产生的 NO,
诱导陇春 8139 根尖中有益离子 K+和 Ca2+的累积和
有害离子 Cl−外排。而在甘麦 8号和定西 24的根尖中,
NO 不能受干旱刺激产生, 所以不能对离子吸收产生
有效的调控, 这可能是它们对干旱较为敏感的原因。
质膜 H+-ATPase是植物体中的一个 p型质子泵,
它所产生的跨膜质子电动势梯度是离子过膜转运的
主要动力[22]。在陇春 8139根尖中, 它的活力受干旱
胁迫激活; 在甘麦 8号和定西 24根尖中则不能被激
活。SNP 在离体根尖中刺激它的活力, 这一效果被
LNNA 和 PTIO 所逆转(图 4), 可以认为干旱胁迫下
NO的产生导致了质膜 H+-ATPase活力的升高。
4 结论
NO 作为第二信使通过调节小麦幼苗的离子吸
收来抵抗外界的干旱胁迫 , 这依赖于增加的质膜
H+-ATPase活性。
References
[1] Chen S, Wang S, Altman A, Huttermann A. Genotypic variation
in drought tolerance of poplar in relation to abscisic acid. Tree
Physiol, 1997, 17: 797–803
[2] Anbar M. Nitric oxide: a synchronizing chemical messenger. Ex-
perientia, 1995, 51: 481–490
[3] Crawford N M, Guo F Q. New insights into nitric oxide metabo-
lism and regulatory function. Trends Plant Sci, 2005, 10: 195–200
[4] Pedroso M C, Durzan D J. Effects of different gravity environ-
ments on DNA fragmentation and cell death in Kalanchoe leaves.
Ann Bot, 2000, 86: 983–994
[5] Delledonne M, Xia Y J, Dixon R A, Lamb C. Nitric oxide func-
tions as a signal in plant disease resistance. Nature, 1998, 394:
585–588
[6] Beligni M V, Lamattina L. Nitric oxide counteracts cytotoxic
processes mediated by reactive oxygen species in plant tissue.
Planta, 1999, 208: 337–344
[7] Mata C G, Lamattina L. Nitric oxide induces stomatal closure and
enhances the adaptive plant responses against drought stress.
Plant Physiol, 2001, 126: 1196–1204
[8] Zhao L, Zhang F, Guo J, Yang Y, Li B, Zhang L. Nitric oxide
functions as a signal in salt resistance in the calluses from two
ecotypes of reed. Plant Physiol, 2004, 134: 849－857
[9] Li H, Zhang D Y. Morphological characteristics and growth re-
dundancy of spring wheat root system in semi-arid regions. J
Appl Ecol, 1999, 10: 26–30
[10] White P R. The Cultivation of Animal and Plant Cells. New York:
Ronald Press, 1963. pp 57–77
[11] Murphy M E, Noack E. Nitric oxide assay using hemoglobin
method. Methods Enzymol, 1994, 233: 240–250
[12] Song L, Ding W, Zhao M, Sun B, Zhang L. Nitric oxide protects
against oxidative stress under heat stress in the calluses from two
ecotypes of reed. Plant Sci, 2006, 171: 449–458
[13] Sairam R K, Srivastava G C. Changes in antioxidant activity in
subcellular fraction of tolerant and susceptible wheat genotypes in
response to long term salt stress. Plant Sci, 2002, 162: 897–904
[14] Chen S, Li J, Fritz E, Wang S, Huttermann A. Sodium and chlo-
ride distribution in roots and transport in three poplar genotypes
and under increasing salt stress. For Ecol Manage, 2002, 168:
217–230
[15] Qiu Q S, Su X F. The influence of extracellular-side Ca2+ on the
activity of the plasma membrane H+-ATPase from wheat roots.
Aust J Plant Physiol, 1998, 25: 923–928
[16] Zhang L, Deng X. Advances in studies on physiology and bio-
chemistry of wheat drought resistance. Agric Res Arid Areas,
2000, 18: 87–92
[17] Zhu J K. Plant and salt tolerance. Trends Plant Sci, 2001, 6:
66–71
[18] Qiu Q-S(邱全胜). Influence of K+ on the coupling between ATP
hydrolysis and proton transport by the plasma membrane
H+-ATPase from soybean hypocotyls. Acta Bot Sin (植物学报),
1999, 41(9): 962–966 (in Chinese with English abstract)
[19] Gupta A S, Berkowitz G A, Pier P A. Maintenance of
photosynthesis at low leaf water potential in wheat. Plant Physiol,
1989, 89: 1358–1365
[20] Zimmermann S, Ehrhardt T, Plesch G, Muller-Rober B. Ion chan-
nels in plant signaling. Cell Mol Life Sci, 1999, 55: 183–203
[21] Monroy A F, Sangwan V, Dhindsa R S. Low temperature signal
transduction during cold acclimation: protein phosphates 2A as
an early target for cold-inactivation. Plant J, 1998, 13: 653–660
[22] Michelet B, Boutry M. The plasma membrane H+-ATPase: A
highly regulated enzyme with multiple physiological functions.
Plant Physiol, 1995, 108: 1–6