全 文 :文章编号: 1001-4675(2006)02-0309-05
10种藜科盐生植物的抗盐生理生化特征
孙 黎 , 刘士辉 , 师向东 , 肖 敏 , 汤照云 , 朱红伟 , 陈建中
(石河子大学 生命科学学院 ,新疆 石河子 832003)
摘 要:对新疆荒漠地区 10 种藜科盐生植物的抗盐生理生化特性进行了研究。结果表明:盐生植物组功能叶中的
平均脯氨酸(Pro)含量 、丙二醛(MDA)含量 、有机酸含量 、超氧化物歧化酶(SOD)及过氧化物酶(POD)活性明显高
于非盐生植物对照组 ,可溶性糖含量和膜透性低于对照组 ,肉质性与对照相比有高有低。资料表明 , 盐生植物与非
盐生植物在许多生理生化特性上存在较明显的差异。初步分析了这些指标间的相关性及其抗盐生理意义 ,研究结
果可为盐生植物的抗盐机理提供一定的理论参考。
关键词:藜科;盐生植物;生理生化;新疆
中图分类号:Q945.12 文献标识码:A
新疆是中国荒漠化大区 ,也是中国最大的盐土
区 ,盐渍化面积达 1.10×107 hm2 ,约占全国盐渍土
面积的 1/3 ,新疆土地面积的 6.6%。现有耕地 1/3
次生盐渍化 ,成为农业低产的主要原因 。长期以来 ,
关于如何提高植物的抗盐性 ,增加在盐胁迫下农作
物的产量一直是人们关注的焦点。盐渍化土壤是栽
培植物的有害环境 ,但对许多盐生植物却是适生环
境。新疆的盐生植物资源非常丰富 , 其中以藜科
(Chenopodiaceae)植物最多 ,这些植物长期处于干旱
和高盐的环境中 ,在结构和生理上形成了许多与其
生境相适应的特点。研究盐生植物的耐盐机理 ,对
有效地改良盐碱地 、改善生态与环境 、开发抗盐碱种
质资源具有重要意义 。
植物的抗盐性状涉及生理生化多方面的因素 ,
是一个多基因控制的极为复杂的反应过程 ,而且不
同植物甚至同一种类不同品种的植物 ,对盐胁迫的
反应及其适应机制也不尽相同。许多研究证实 ,盐
渍造成的伤害和活性氧损伤有关。大量研究表明 ,
随着盐胁迫的加强 ,植物体内的 SOD(超氧化物歧
化酶)活性 、MDA(丙二醛)和脯氨酸(Pro)含量增
加〔1 ~ 3〕。Sandaliou〔4〕提出 ,要提高植物抗活性氧的
能力 ,一是要维持植物体内最高的 SOD水平 ,二是
体内的几种抗氧化酶类之间保持良好的平衡和协调
表达 。
本研究以 10种藜科盐生植物为材料 ,研究其在
自然生长条件下 ,保护酶系统(SOD ,POD)、渗透调节
物质(Pro 、有机酸 、可溶性糖)、膜脂过氧化产物
(MDA)、膜透性及肉质性在抗盐生理中的意义 ,分析
指标间的相关性 ,探讨其抗盐的可能机制 ,为进一步
研究盐生植物对盐渍环境的适应机理提供理论依据。
1 材料和方法
1.1 材料
实验材料于 2004 年 9月采自新疆石河子市北
泉镇一带的盐渍化环境。其生境特点是气候干旱 、
日照强烈 、年平均气温高 、降水量少 、蒸发量大 ,土壤
含盐量为 1.0%~ 3.0%。
供试的 10 种藜科盐生植物为盐爪爪属
(Kalidium Moq.)的盐爪爪(K .foliatum Moq.);
盐角草属 (Salicornia L .)的盐角草(S .europaea
L .);猪毛菜属(Salsola L.)的费尔干猪毛菜 (S .
ferganica Drob.);碱蓬属(Suaeda Forsk.)的碱蓬
(S .glauca Bge.)、盐地碱蓬(S .salsa Pall.)、亚麻
叶碱蓬(S .l inifolia Pall.)和高碱蓬(S .al tissima
Pall.);滨藜属 (Atriplex L.)的异苞滨藜 (A.
micrantha C.A.Mey.)和鞑靼滨藜 (A.tatarica
L .);雾冰藜属 (Bassia All.)的钩刺雾滨藜 (B.
hyssopi fol ia O.Kuntze)。材料取其功能叶和幼嫩的
同化枝 。对照为菠菜(Spinacia oleracea L.)和白车
轴草(Tri folium repens L.)2 种非盐生植物 ,取幼
嫩的叶片。
第 23卷 第 2期
2006年 6月
干 旱 区 研 究
ARID ZONE RESEARCH
Vol.23 No.2
Jun. 2006
收稿日期:2005-08-16; 修订日期:2006-02-25
基金项目:石河子大学科学技术研究发展计划项目(ZRKX2005070)
作者简介:孙黎(1971-),女 ,山东人 ,硕士 ,讲师 ,主要从事植物学方面的研究和教学工作.E-mail:sunlishz@126.com
DOI :10.13866/j.azr.2006.02.020
表 1 抗盐生理生化指标测定结果
Tab.1 Measured results of salt-tolerant physiological and biochemical parameters of the test plants
分组 中文名 肉质性 膜透性 %
可溶性糖
(μg·g -1Dw -1)
有机酸
‰
Pro
(μg·g-1DW -1)
MDA
(μmo l·g-1DW -1)
POD
(U·g-1DW -1)
SOD
(U·g -1DW-1)
盐
生
植
物
HG
盐爪爪 5.29±0.11 8.54±0.27** 124.01±2.5 16.57±0.61 189.23±5.6* 2.89±0.04** 60.18±2.6** 3609.54±17.3**
盐角草 6.17±0.13 7.38±0.19** 50.33±1.2* 19.06±0.73* 145.66±3.4* 12.60±0.45** 38.87±1.5** 5148.12±22.1**
费尔干猪毛菜 3.28±0.17 6.75±0.15** 68.75±1.4* 46.54±1.2** 120.04±2.7* 2.77±0.02** 43.56±1.8** 4435.68±16.8**
碱蓬 4.61±0.08 10.57±0.33* 149.03±3.1 36.67±1.1** 292.06±6.4* 1.66±0.02* 26.82±1.5** 3227.05±13.6**
盐地碱蓬 2.92±0.03 9.39±0.29** 58.87±2.1* 38.58±1.1** 189.27±5.1* 5.85±0.04** 21.90±1.1** 3285.67±13.5**
亚麻叶碱蓬 4.72±0.07 5.40±0.12** 123.66±2.7 37.64±1.4** 432.03±9.5** 6.88±0.06** 32.89±1.5** 3678.28±14.5**
高碱蓬 5.08±0.10 6.58±0.14** 52.81±1.5* 39.69±1.3** 477.04±9.8** 2.83±0.02** 44.67±1.8** 3623.53±15.7**
钩刺雾滨藜 4.50±0.06 7.39±0.20** 21.84±0.9* 35.86±1.4** 310.06±7.6** 5.74±0.03** 76.42±2.6** 4131.90±15.3**
异苞滨藜 3.06±0.03 11.35±0.35* 55.88±1.8* 24.82±1.0* 106.06±2.3* 2.65±0.01** 42.06±2.1** 3762.71±11.4**
鞑靼滨藜 6.21±0.15 8.26±0.24** 41.23±1.5* 44.08±1.8** 112.41±3.2* 3.14±0.03** 55.38±2.4** 4357.06±12.5**
平均 4.58±0.06 8.16±0.22** 74.43±2.3* 33.95±1.2** 186.94±5.4* 4.70±0.04** 44.28±2.2** 3925.95±13.6**
对
照
CK
菠菜 5.36±0.12 16.33±0.47 112.34±2.4 11.48±0.38 84.33±2.3 0.89±0.003 15.39±0.56 754.86±7.3
白车轴草 4.67±0.08 19.25±0.53 129.0±2.7 12.97±0.45 95.56±2.5 1.20±0.009 17.28±0.77 893.12±8.5
平均 5.02±0.09 17.79±0.49 120.67±2.5 12.23±0.43 89.95±2.9 1.05±0.005 16.34±0.75 823.99±7.5
注:*表示 0.05水平差异显著 , **表示 0.01水平差异极显著
1.2 测定项目和方法
肉质性测定 ,采用 70 ℃杀青 ,然后 105 ℃干燥
烘干 ,计算鲜重和干重之比〔5〕;膜透性用(DDS -
11A)电导法〔6〕;可溶性糖含量测定用蒽酮比色
法〔6〕;有机酸含量测定用酸碱滴定法〔7〕;脯氨酸
(Pro)含量测定用茚三酮比色法〔8〕;MDA 含量测定
用硫代巴比妥酸法〔9〕;过氧化物酶(POD)活性测定
用愈创木酚法〔10〕 ,以 470 nm 波长下光密度每分升
高 0.01为 1个酶活性单位;SOD 活性测定用氮蓝
四唑(NBT)法〔11〕 ,以抑制 NBT 光氧化还原 50%的
酶量为 1个活力单位 。
对同一植物的每个测定指标均设 3个重复 ,取
3次重复的平均值 。
2 结果与分析
2.1 可溶性糖 、有机酸和脯氨酸含量在渗透调节中
的作用
盐分的次生胁迫作用主要是渗透胁迫。植物通
过2种渗透调节方式来适应这种次生胁迫:一是在
细胞中吸收和积累无机盐;二是在细胞中合成有机
溶质 。合成的有机物质大体上可以分为:氨基酸类 、
有机酸类 、可溶性碳水化合物类和糖醇类〔5〕 。
比较盐生植物可溶性糖含量发现 ,碱蓬略高于
对照 ,盐爪爪和亚麻叶碱蓬与对照相当 ,其余 7种植
物的可溶性糖含量均比对照低 ,差异达显著水平(P
<0.05)。有报道指出 ,可溶性糖是许多非盐生植物
的主要渗透调节剂〔5〕 ,对细胞膜和原生质胶体有稳
定作用 ,还可在细胞内无机离子浓度高时起保护酶
类的作用 ,对于盐生植物特别是双子叶盐生植物来
说 ,可溶性糖在渗透调节中则不起主要作用〔12〕 。而
朱学艺〔13〕等在研究河西走廊不同生态型芦苇的可
溶性糖含量时发现 ,沙芦叶片中可溶性糖含量明显
高于水芦 ,而盐芦和过渡态芦苇则与水芦相近 ,认为
与盐渍胁迫不同 ,可溶性糖的积累是芦苇在干旱胁
迫中的适应性反应 。
相反 ,盐生植物组游离脯氨酸含量的平均值比
对照高 ,二者差异达到显著水平(P <0.05)。其中 ,
高碱蓬 、亚麻叶碱蓬和钩刺雾滨藜与对照的差异达
极显著水平(P <0.01)。目前研究认为 ,许多植物
在盐分胁迫下都可积累大量的脯氨酸 ,它不仅作为
渗透调节剂降低细胞质的水势 ,维持胞质的水分状
况 ,还是一种保护剂 ,使胞内大分子物质免受盐离子
的毒害〔14〕。王龙强等〔15〕发现 ,盐地一年生 、三年生
和四年生宁夏枸杞营养器官中脯氨酸含量远大于对
照 。肖强等〔2〕发现 ,随着盐度的增加 ,互花米草叶片
中脯氨酸含量增加呈上升趋势 。本研究表明 ,盐生
植物的脯氨酸含量均明显高于对照 ,说明脯氨酸含
310 干 旱 区 研 究 23 卷
量可作为藜科植物抗盐生理的一项重要参考指标 。
有机酸在盐生植物对盐渍生境适应中的作用也
十分重要。盐生植物从盐渍生境中吸收阳离子 ,一
部分被同时吸收来的阴离子平衡 ,另一部分也被内
部合成的有机阴离子平衡 。比较有机酸含量发现 ,
盐生植物的平均有机酸含量高于对照 ,二者差异达
极显著水平(P <0.01), 说明有机酸是盐生植物的
重要渗透调节剂 ,有机酸在平衡阳离子及控制细胞
中的 pH 有一定作用。
2.2 SOD , POD ,MDA及膜透性在抗盐生理中的作
用与相关性
SOD和 POD在植物抵抗盐害过程中 ,起防止 、
中断膜脂过氧化 , 对细胞膜系统损伤起保护作
用〔16 , 17〕。研究发现 ,供试盐生植物的 SOD 和 POD
活性都非常高 ,与对照相比差异均达到极显著水平
(P <0.01)。原因可能是盐分胁迫时 ,盐生植物体
内产生的氧自由基数量较多 ,为了抵抗盐分对植物
造成的伤害 ,SOD和 POD的活性增加 ,以便清除氧
自由基 ,减少膜脂过氧化。但同时其叶或同化枝中
的MDA 含量也较高 ,平均值与对照相比差异极显
著(P <0.01)。其主要原因可能是盐胁迫下 ,虽然
SOD ,POD酶系统的功能加强 ,但其调节能力有限 ,
因而体内还是积累了过剩的氧自由基。这些氧自由
基又引起膜脂的过氧化 , 产生了大量的 MDA , 使
MDA含量上升〔3〕 。膜系统的修复与 SOD , POD 活
性的提高有一定的关系 ,贾恢先等报道〔18〕 ,盐节木
(Halocnemum strobilaceum M.B.)等典型盐生植物
在高盐环境中 ,其茎 、叶的 MDA含量均明显高于对
照(小麦),而且 SOD也相应较高 ,SOD活性和MDA
含量保持着一定的相关性 ,即膜损伤和膜修复之间
存在着一定的动态平衡。SOD 与 POD 相比 , SOD
活性与对照的差异更显著 ,说明在抵御盐分胁迫的
保护酶系统中 , SOD比 POD更重要。
MDA与膜透性是一对矛盾的统一体 ,膜透性直
接反映膜伤害的程度 , MDA间接表示膜受损状况 ,
并兼有反馈作用〔19〕 。盐生植物在保持较高的 SOD ,
POD及 MDA含量的同时 ,膜透性却处在较低水平 ,
与对照相比差异极显著(P <0.01), 说明盐分胁迫
对盐生植物质膜的伤害程度较小。
2.3 肉质化程度与抗盐性
某些盐生植物是通过肉质化方式来适应盐渍环
境的 ,如真盐生植物盐角草 、碱蓬 、盐爪爪等。此类
植物一方面从外界吸收盐离子 ,另一方面叶或茎不
断肉质化 ,用以吸收储存大量的水分 ,稀释体内的盐
分 ,同样使体内盐浓度保持在植物能正常生长的范
围之内。而泌盐盐生植物 ,在发育过程中则形成了
盐腺或盐囊泡 ,用以排除体内多余的盐分 ,维持正常
的生理环境 ,如补血草属 、滨藜属等〔20〕 。研究发现 ,
滨藜属植物虽然可以利用盐囊泡排盐 ,但叶片的肉
质化程度也较高 ,说明肉质化的增加也是该属植物
排盐的一个主要方面。但盐生植物与对照相比 ,在
肉质性方面的差异不显著(P >0.05), 说明肉质性
与抗盐性之间并无明显的相关性 。
3 讨 论
植物在正常代谢及胁迫条件下 ,细胞内的各种
反应能产生超氧自由基 、过氧化氢和单线态氧等。
在保护细胞膜 、抵抗盐分胁迫所造成的氧化逆境过
程中 , 对活性氧的清除是植物体重要的保护机
制〔2 1〕 。因而在长期进化过程中 ,植物为保护自身免
受伤害形成了一整套相应的抗氧化保护系统 ,SOD ,
POD和 CAT(过氧化氢酶)是这一系统中重要的组
成部分 。SOD能将 O2 -歧化为 H2O 2 ,抑制 Haber-
Weiss反应 ,再由 POD将 H2O 2 分解为 H2O ,将有毒
的超氧阴离子转变为无毒的 H2O ,使细胞内自由基
维持在一个低水平 , 防止细胞受自由基的伤害。
SOD和 POD活性的提高在一定程度上减轻了膜脂
过氧化的程度 ,但 SOD 和 POD对膜系统的保护作
用有一定的限度 ,即保护酶活性升高不足以弥补膜
脂过氧化作用所引起的伤害 ,表现为盐生植物与对
照相比保持较高的 MDA水平 。
植物对盐分胁迫的反应涉及到体内一系列生理
生化变化 ,其防御能力的变化取决于保护酶类和多
种渗透调节剂的彼此协调。在盐胁迫下 ,由于外界
渗透压较低 ,植物吸收水分困难 ,细胞会发生水分亏
缺现象。植物为了避免这种伤害 ,会主动积累一些
无机离子和有机渗透调节剂 ,降低细胞的渗透势 ,从
而使水分顺利地进入植物体内 ,保证植物正常生理
活动的进行 。Pro是许多植物在盐分胁迫时大量积
累的有机小分子物质 ,原因是在盐胁迫下 ,蛋白质分
解作用加强 , Pro 的合成作用也明显加强 。另外 ,脯
氨酸氧化酶在盐胁迫下易失活 ,导致 Pro 在植物体
内大量积累。但 Pro 的积累是盐胁迫的结果 ,还是
植物耐盐的原因仍是一个有争议的问题 ,值得进一
步研究。本研究还发现 ,有机酸也是盐生植物重要
3112 期 孙 黎等:10 种藜科盐生植物的抗盐生理生化特征
的有机渗透调节剂。不同的植物中 ,合成积累的有
机渗透调节剂的种类和比例不尽相同 ,表现出不同
的抗盐生理生化特征 ,如高碱蓬和亚麻叶碱蓬叶或
同化枝中积累较多的 Pro 。盐角草的 SOD活性和
MDA含量较高 , 费尔干猪毛菜的有机酸含量较高
等 ,说明不同植物对盐害产生了不同的响应〔22〕 。
总之 ,盐生植物保护酶系统中的 SOD 和 POD
对抵御和清除活性氧 ,阻抑膜脂过氧化 ,维持膜系统
的稳定性起着重要作用 。同时 ,低水平的质膜透性
在一定程度上维持了质膜的完整性 ,有效地防止了
电解质外渗。Pro 和有机酸的积累是盐生植物对盐
胁迫的重要响应过程 ,可以作为其抗盐性的生理参
数。
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Salt-tolerant Physiological and Biochemical Properties of Ten
Species of Chenopodiaceae Halophytes Growing in Deserts , Xinjiang
SUN Li , LIU Shi-hui , SHI Xiang-dong , XIAO Min , TANG Zhao-yun ,
ZHU Hong-wei , CHEN Jian-zhong
(College of L ife Science , S hihez i University , Shihezi 832003 , Xinjiang , China)
Abstract: The area of the regions w ith saline soil in Xinjiang is as large as 1.1×107 hm2 , it occupies 1 3 of the
total in China and 6.6%of the land area of Xinjiang.Secondary soil salinization occurs in 1 3 areas under culti-
vation , and secondary soil salinization is one of the main causes resulting in low yield of crops in Xinjiang.Saline
soil is harmful for growing crops but suitable fo r the g row th of halophytes.The species of Chenopodiaceae halo-
phy tes is the most in Xinjiang , so to research the mechanism of salt tolerance of halophytes is of signif icance for
improving saline soil and ecological environment and developing the germplasm resources of salt tolerance of halo-
phy tes.In this paper , the salt-tolerant phy siological and biochemical propert ies of ten species of Chenopodiaceae
halophytes growing in deserts , Xinjiang , are researched.The test plants include Kalidium fol iatum Moq.,
Salicornia europaea L., Salsola ferganica Drob., S uaeda glauca Bge., S .salsa Pall., S .lini folia Pall.,
S .altissima Pall., Atriplex m icrantha C.A.Mey ., A.tatarica L .and Bassia hyssopi fol ia O.Kuntze.The
results show that the average values of the contents of MDA , f ree praline , organic acids , SOD and POD activity
of function leaves of Chenopodiaceae halophy tes are higher than that of the non-halophy tes , but the average val-
ues of the contents of soluble sugar and cell membrane permeability are low er.These reveal that there are some
differences in many physiological and biochemical propert ies between halophy tes and non-halophytes.The co rre-
lations and the salt-tolerant physiological signif icances of these indexes are primarily studied.The results can
provide the references for researching the mechanisms of salt resistance in halophy tes.
Key words: Chenopodiaceae;halophy te;physiological property;biochemical property .
3132 期 孙 黎等:10 种藜科盐生植物的抗盐生理生化特征