全 文 ：文章编号:1000-694X(2010)03-0552-04
干旱对大豆叶片葫芦巴碱含量和渗透调节的影响
　　收稿日期:2009-07-06;改回日期:2009-08-18
　　基金项目:国家自然科学基金项目(30771746)和黑龙江省重大项目(GB07B306, GA06B302-5)共同资助
　　作者简介:王蕊(1982—),女(汉族),内蒙古赤峰人,主要从事植物生理学研究。
　　＊通讯作者:孙广玉(Emai l:sungy@vip.sina.com)
王 蕊 , 孙广玉＊
(东北林业大学 生命科学学院 , 黑龙江 哈尔滨 150040)
摘　要:以两个抗旱性不同的大豆品种绥农 14 号和黑农 38 号为研究材料 , 研究了土壤干旱胁迫下大豆叶片葫芦
巴碱含量的变化和渗透调节能力。结果表明 ,土壤干旱下两个大豆品种叶片水势 、渗透势和压力势降低 , 且绥农 14
号叶片的压力势在干旱胁迫下明显高于黑农 38号。干旱胁迫下两个大豆品种的渗透调节能力提高。在 0～ 8 d 干
旱期间 ,叶片的葫芦巴碱含量增加较快 , 脯氨酸含量增加较慢;在 8～ 12 d 干旱期间 , 叶片中葫芦巴碱含量下降 , 而
脯氨酸含量迅速增加。因此 ,葫芦巴碱在轻度干旱下可能起到渗透调节物质的作用 ,在严重干旱下该作用减弱。
关键词:葫芦巴碱;渗透调节;干旱;大豆
中图分类号:Q945.78 文献标识码:A
　　植物在干旱胁迫下 ,通过渗透调节作用 ,细胞会
主动积累一些有活性的 、无毒害作用的溶质 ,使渗透
势降低 , 使得植物在低渗透势生境中吸收水分 ,保
持一定膨压[ 1-3] ,维持一定的叶片生长率[ 4] ,因此 ,
植物渗透调节是植物在低水势状态下适应干旱逆境
的一种重要方式 。目前 ,干旱胁迫下 ,研究较多的有
机小分子渗透调节物质主要集中在脯氨酸 、游离氨
基酸和甘氨酸甜菜碱等[ 5-6] 。葫芦巴碱(trigonel-
line)是一种嘧啶甜菜碱 ,为烟碱的代谢产物[ 7] ,位于
植物细胞质中 ,符合渗透调节物质的条件[ 8] 。研究
表明 ,盐胁迫下植物叶片中葫芦巴碱含量增加两倍
以上 ,同脯氨酸和苷氨酸甜菜碱一样被认为是渗透
调节物质[ 9] 。但是 ,在干旱胁迫下 ,葫芦巴碱作为渗
透调节物质的研究报道较少。为此 ,以抗旱性不同
的两个大豆品种为试验材料 ,在模拟土壤自然干旱
的情况下 ,检测大豆叶片中的葫芦巴碱含量的变化 ,
探讨葫芦巴碱与植物渗透调节之间的关系 ,为葫芦
巴碱在植物抗旱生理学中的作用提供数据。
1　材料与方法
1.1　供试材料和处理方法
试验于 2007年在东北林业大学生命科学学院进
行。试验材料选用抗旱较强的大豆品种绥农 14号和
抗旱较弱的大豆品种黑农 38号 ,两个品种均由黑龙江
省农业科学院大豆研究所提供。大豆种子于2007年3
月播种于营养盆中 ,盆规格直径25 cm ,高 30 cm ,每盆
播种五粒大豆种子。盆栽土壤为草甸黑土。营养盆放
置在本校光合培养室中 ,培养大豆的光照强度 220 ～
250 μmol·m-2 ·s-1 ,白天照光 12 h ,昼夜温度25 ℃/
20 ℃。出苗后第三周时每盆保留健壮幼苗两株。
干旱处理:当大豆幼苗的第 5片三出复叶(V5
期)完全展开时 ,停止向营养盆中浇水 ,使土壤持续
干旱16 d。以水分充足的没有停止浇水的大豆为对
照(CK)。每天08:00—10:00取样测定各项指标 。
1.2　测定方法
1.2.1　渗透调节能力的测定
取叶片置蒸馏水中 8 h 吸水饱和 ,取出吸干表
面水分 ,放入塑料袋中密封 ,在液氮中冷冻 ,测定前
将样品取出融冰 ,剪碎 ,榨取汁液 。利用美国 WES-
COR公司生产的 5520型蒸汽压渗透压计测定细胞
汁液的 iC ,按下式计算饱和渗透势(Χ100s )[ 10]
Χ1 00s =-0.1013 RTiC
式中:R为气体常数 ,取 0.08314;T 为凯氏温度;T=
273+t;t为测定时的摄氏室温;iC为仪器显示的渗摩
尔浓度(Osm · kg-1)。按下式计算渗透调节能力
(OA):OA=Χ100s对照-Χ100 s处理 ,取 3个重复的平均值 。
1.2.2　叶片水势(Χw)、叶片压力势(Χp)和土壤含
水量的测定
　　利用 PSYPRO 型水势仪(WESCOR , USA)测
定大豆最上部完全展开叶的叶片水势(Χw),测定干
旱叶片时平衡时间在原来 30 min 的基础上延长到
1 h左右 ,使测定室中的水分达到稳定平衡。利用
第 30卷　第 3期
2010年 5月 　　　　　　　 　　　　　　
中　国　沙　漠
JOURNAL OF DESERT RESEARCH
　　　　　　　　　　　　　V ol.30　No.3
May 2010
5520 型蒸汽压渗透压计(WESCOR , USA)测定大
豆最上部完全展开叶的渗透势(Χs)。通过水势和
渗透势计算压力势(Χp):Χp =Χw -Χs 。在测定各
项指标的当天 ,利用称重法测定土壤含水量。
1.2.3　叶片脯氨酸含量的测定
脯氨酸测定采用酸性茚三酮比色法[ 11] 。
1.2.4　叶片葫芦巴碱的测定
称取叶片鲜样约 0.5 g 保存在暗中低温(4 ℃)
下待测 ,以 80∶20(V/V)的乙腈和水为流动相 ,在
高效液相色谱仪(Waters , USA)上按照孙广玉等[ 12]
方法进行测定。葫芦巴碱的纯化样品由中国药品生
物制品检定所提供(纯度为 99.9%)。
1.3　数据处理
运用 Excel和SPSS 软件对试验数据进行统计分
析 ,图中数据为 3次重复的平均值±标准差(SD),并
采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和最小显著
差异法(LSD)比较不同数据组间的差异 。
2　结果与分析
2.1　土壤干旱对土壤含水量 、叶片水势 、渗透势和
压力势的影响
　　图 1结果显示 ,在持续土壤干旱下 ,土壤含水量
逐渐降低 ,由正常浇水的 32.7%下降到土壤持续干
旱 16 d的11.3%,此时已是重度的土壤干旱。在土
壤含水量降低的同时 ,两个大豆品种的叶片 Χw 、Χs
和 Χp逐渐降低 ,但是 3个参数并没有同土壤含水量
的降低呈现线性关系。两个品种比较 ,干旱第 4天
到第 12天期间 ,绥农 14号的叶片压力势 Χp明显高
于黑农 38 号(P <0.01),这说明在干旱胁迫下 ,绥
农 14号叶片能通过积累渗透调节物质 ,降低渗透势
(图 1),保持叶片细胞一定膨压 。
2.2　土壤干旱对大豆渗透调节能力的影响
两个大豆品种在干旱情况下表现出一定的渗透
图 1　土壤干旱对土壤含水量 、大豆叶片水势 、渗透势和压力势的影响
Fig.1　Effects o f so il dr ought on soil w ater content , w ater po tential , o smotic potential
and pressur e in leaves of tw o soybean varie ties
调节能力(图 2),随着干旱天数的延长 ,OA 值逐渐增
大。黑农 38号在干旱第 8天时 OA值达到最大为 0.
242 Osm ·kg-1 ,之后开始降低;而绥农 14号在干旱第
12天时 OA值达到最大为 0.353 Osm·kg-1。两个品
种比较 ,干旱第 8天到第 16天 ,绥农 14号叶片的 OA
值明显高于黑农38号 ,二者之间达到显著差异水平(P
<0.05)。说明绥农 14号比黑农38号具有较高的渗透
调节能力 ,表现出明显的抗旱能力。
2.3　土壤干旱对大豆叶片葫芦巴碱含量和脯氨酸
含量的影响
　　在没有干旱的情况下 ,两个大豆品种的葫芦巴
碱含量明显不同 ,绥农 14号为 45.87 μg · g-1 FW ,
黑农 38号为 31.78 μg · g-1 FW ,两个品种之间达
到显著差异水平(P<0.01),与两个品种的抗旱性
有关 。图3表明 ,在从对照(正常浇水)到持续干旱
553　第 3 期 王 蕊等:干旱对大豆叶片葫芦巴碱含量和渗透调节的影响 　　　
图 2　土壤干旱对大豆叶片渗透调节能力的影响
Fig.2　Effects of soil drought on osmotic adjustment
capacity in leaves o f tw o soybean varieties
的第 8天 ,两个大豆品种叶片中的葫芦巴碱含量不断
增加 ,绥农14号由对照的 45.87μg · g-1FW 增加到
208.9μg · g-1 FW ,而黑农38号由对照的31.78μg·
g-1FW增加到109.3 μg · g-1 FW ,绥农 14号比黑农
38号增加的明显。干旱第 8天后 ,两个品种葫芦巴
碱含量开始降低 ,干旱到第 12天至第 16 天 ,两个品
种的葫芦巴碱含量没有达到显著差异水平 。
图 3 表明 ,干旱胁迫下两个大豆品种叶片中的
脯氨酸含量增加 ,这与其他研究者的结果相似[ 13] 。
绥农 14号在干旱 0 ～ 4 d之间 ,叶片脯氨酸增加缓
慢 ,干旱第 4天之后脯氨酸增加较快;黑农 38号在
干旱0 ～ 12 d之间 ,叶片脯氨酸增加缓慢 ,干旱第 12
天之后脯氨酸增加较快 。
图 3　土壤干旱对大豆叶片葫芦巴碱和脯氨酸含量的影响
F ig.3　Effec ts o f soil dr ought on trig one lline and proline contents in leaves o f two soybean varieties
3　讨论
植物在干旱胁迫下 ,保持正常生长或维持植物体
内的正常代谢 ,通过渗透调节可以维持植物的膨压。
植物可以降低体内的水分 ,或细胞体积变小 ,或增加体
内的溶质含量 ,实现渗透调节 ,也可以同时利用这 3个
途径来实现[ 14] 。本试验结果中(图 1),干旱发生后大
豆叶片水势下降 ,渗透调节能力增强(图 2),说明干旱
发生后大豆叶片通过体内水分的降低 ,相对增加细胞
内部的溶质浓度 ,使渗透势下降 ,提高渗透调节能力。
水分胁迫使植物体内合成和积累有机小分子物质 ,如
脯氨酸 ,可溶性糖 ,游离有机酸 ,游离氨基酸等 ,使细胞
浓度增加 ,渗透势下降[ 15-16] 。在本试验中脯氨酸被选
择作为渗透调节物质的指标 ,结果(图 3)表明干旱促进
了脯氨酸在大豆叶片内的积累 ,尤其是在严重干旱期
间有较多的脯氨酸积累。同时 ,抗旱性较强的绥农 14
号比抗旱性较弱的黑农38号积累更多的脯氨酸。
Evans等[ 17] 提出葫芦巴碱(trigonelline)具有植物
激素的特点之后 ,在逆境条件下 ,葫芦巴碱积累和代谢
的研究已经成为国际上研究的热点问题。根据现有的
资料 ,葫芦巴碱在植物体内积累 ,具有三方面的生理作
用[ 18] :①作为渗透调节物质保护细胞免受逆境(干旱、
盐渍化等)的危害;②作为细胞周期的调节物质 ,延长
G2期;③作为烟酸的储藏物质[ 19-20] 。 Tramontano
等[ 8]认为 ,在盐胁迫下豆科植物体内葫芦巴碱的积累 ,
渗透势下降 ,葫芦巴碱可作为渗透调节物质 ,Cho 等[ 21]
在 17个大豆品种上进行盐胁迫处理 ,得到相似的结
果 ,但是 ,品种之间存在较大差异 ,11个品种葫芦巴碱
含量在盐胁迫时增加。本试验结果(图 3)表明 ,短期的
持续干旱处理 ,即干旱的第 8天之前 ,两个大豆品种叶
片中葫芦巴碱含量迅速增加 ,干旱第 8天之后含量降
低。同抗旱性较强的绥农 14号脯氨酸含量变化比较 ,
在葫芦巴碱含量迅速增加的干旱期间 ,脯氨酸含量增
加速度较慢 ,在葫芦巴碱含量增加较慢的时期 ,脯氨酸
含量却迅速增加。结合两个品种的渗透调节能力的变
化(图2),可以初步得出在轻度干旱胁迫下大豆叶片膨
压的维持以积累葫芦巴碱为主 ,而在中度或重度干旱
胁迫下以积累脯氨酸为主。
除了葫芦巴碱在积累量上可降低渗透势维持膨压
外 ,Evans等[ 17]认为葫芦巴碱在豌豆的根系和幼苗分生
组织中可增加细胞周期中G2期的滞留时间 ,延缓细胞
的扩大 ,Mazzuca等[ 22] 利用外源葫芦巴碱证实了葫芦巴
碱可延缓细胞的扩大。因此 ,葫芦巴碱在干旱前期的快
速积累 ,延长了细胞周期 ,抑制细胞生长 ,细胞体积缩小 ,
554　　　　　　　　　　　　 　　　 中　国　沙　漠 　　　　　　　　　　　　　第 30卷　
使细胞体内的溶质浓度相对增加 ,从而实现渗透调节的。
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Effects of Soil Drought on Trigonelline Content and Capacity of Osmotic
Adjustment in Leaves of Two Soybean Varieties
WANG Rui , SUN Guang-yu
(College o f Li fe College , Northeast Forestry Universi ty , Harbin 150040 , China)
Abstract:Taking two soybean [ Glycine max(L.)Merrill] varieties with different drought resistance , Heinong No.
38and Suinong No.14grown in pots as the test material , this paper studied the changes of trigonelline contents and
capacity of osmotic adjustment in leaves under soil drought stress.The results showed that water potential , osmotic
potential and pressure potential in leaves of two soybean varieties decreased during soil drought stress , and pressure
potential in leaves of Suinong No.14was higher significantly than that of Heinong No.38during soil drought stress.
The capacity of osmotic adjustment in leavesof two soybean varietiesunder soil drought stress was enhanced.During
0 ～ 8 d drought , trigonelline contents in leaves of two soybean varieties increased rapidly , and proline contents in
leaves of two soybean varieties increased slowly;While during 8 ～ 16 d drought , trigonelline contents in leaves of
two soybean varieties decreased, and praline contents in leaves of two soybean varieties increased rapidly.It was
suggested that trigonelline increasing as the osmolyte could improve osmotic adjustment under moderate drought
stress , and trigonelline decreasing as the osmolyte weakened the contribution to osmotic adjustment.
Keywords:trigonelline;osmotic adjustment;drought;Glycine max(L.)Merrill
555　第 3 期 王 蕊等:干旱对大豆叶片葫芦巴碱含量和渗透调节的影响