干旱胁迫对三种草本植物生理生化特性的影响

作者:未知

  摘要:以播娘蒿(Descurainia sophia)、荠菜(Capsella bursa-pastoris (Linn.) Medic.)和小麦(Triticum aestivum L.)为供试植物,通过水培试验研究在干旱胁迫下3种植物的相对电导率、游离脯氨酸、可溶性蛋白质、丙二醛含量以及过氧化物酶、超氧化物歧化酶活性的变化规律。结果表明,干旱胁迫下,播娘蒿、荠菜和小麦的相对电导率、丙二醛、游离脯氨酸含量均呈持续递增趋势,3种植物相对电导率大小排序为小麦、荠菜、播娘蒿。干旱胁迫下,3种植物体内可溶性蛋白质指标与过氧化物酶、超氧化物歧化酶及丙二醛均呈先升后降的趋势。播娘蒿、荠菜体内游离脯氨酸累积量与相对电导率间呈极显著、显著正相关,均具有良好的线性回归关系。3种植物对干旱胁迫均具有一定的耐性和抗性,且播娘蒿和荠菜的抗旱性强于小麦。
  关键词:干旱胁迫;播娘蒿(Descurainia sophia);荠菜(Capsella bursa-pastoris (Linn.) Medic.);小麦(Triticum aestivum L.);生理生化特性
  中圖分类号:S181         文献标识码:A
  文章编号:0439-8114(2019)06-0088-04
  DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.06.019           开放科学(资源服务)标识码(OSID):
  Abstract: Using sophia(Descurainia sophia), shepherd′s purse (Capsella bursa-pastoris (Linn.) Medic) and wheat (Triticum aestivum L.) as experimental plant,through the hydroponic experiments, the contents of relative conductivity, free proline, soluble protein, peroxidase(POD), superoxide dismutase(SOD), malondialdehyde(MDA) in sophia, shepherd′s purse, Wheat under drought dress were studied. The results showed as follow: under drought stress, the relative conductivity, malondialdehyde and free proline of sophia, shepherd′s purse and wheat showed a continuous increasing trend. The relative conductivity of the three plants were wheat>shepherd′s purse>sophia. Under drought stress, the indexes of soluble protein, peroxidase and superoxide dismutase in the three plants showed a trend of rising first and then decreasing. There was a significant positive correlation between free proline accumulation and relative conductivity in sophia and shepherd′s purse. There was a good linear relationship between the two indicators. The results showed that all the three plants had certain tolerance and resistance to drought stress, and the drought resistance of sophia and shepherd′s purse was stronger than that of wheat.
  Key words: drought stress(Descurainia sophia); sophia; shepherd′s purse (Capsella bursa-pastoris (Linn.) Medic.); wheat(Triticum aestivum L.); physiological and biochemical characteristics
  干旱是世界农业面临的最严重的问题之一,干旱胁迫所导致的作物减产超过其他环境胁迫所造成减产的总和[1]。近几年来大范围内周期性降水分布失衡以及用水不当都加重了干旱胁迫的程度,干旱胁迫对植物的影响主要体现在对细胞活性、器官和组织功能的影响上[2]。受到干旱胁迫后,植物体活性氧增加、细胞渗透调节物质变化、个体及群体光合作用受到抑制,最终植物个体或群体生长受抑,形态发生变化,生物量或产量受到影响。小麦是主要的粮食作物,百农矮抗58发芽率较高;荠菜和播娘蒿均属于农田中常见杂草且常伴随小麦、玉米等农作物生长,在农田生态系统中竞争力较强,易与农作物产生竞争,但均具有药物价值,3种植物均属于草本植物。目前,关于干旱胁迫对植物生理特征影响方面的研究对象大部分是单一物种[3-5],缺乏农田生态系统中不同物种的生理特性与干旱胁迫响应方面的研究。因此,本研究选取小麦、播娘蒿和荠菜3种草本植物为研究对象,采用水培试验,研究干旱胁迫下植物的生理生化变化特征,以期为揭示3种物种对干旱胁迫的响应机制提供科学依据。   1  材料与方法
  1.1  试验设计
  供试的播娘蒿(ML)、小麦(HG)和荠菜(LL)种子均由新乡学院提供,且均为一年生植物种子。水培试验于2017—2018年在新乡学院植物生态学实验室进行。挑选饱满、大小均一的供试种子经15%过氧化氢浸种消毒10 min后,用去离子水冲洗数3~4次,移至铺有两层灭菌滤纸的周转箱中,于20 ℃光照培养箱中黑暗条件下催芽,待种子露白后移至石英砂中培养。当播娘蒿、小麦和荠菜各自出现第二片真叶时,选择健壮且长势一致的幼苗,定植于装有5.0 mmol/L Hoagland营养液的培养箱(38 cm×32 cm×27 cm)中,每箱30株,待四叶一心时进行干旱胁迫处理。
  干旱胁迫处理为5个不同浓度梯度的PEG-6000渗透胁迫液,浓度梯度分别为0(CK)、5%(P1)、10%(P2)、20%(P3)和30%(P4)。每种植物5个不同浓度处理,每处理设置3个重复。分别于PEG-6000胁迫24 h时测定播娘蒿、小麦和荠菜的生理生化指标。
  1.2  指标测定
  3种植物叶片分别测定6项生理指标:相对电导率使用电导仪测定;游离脯氨酸含量采用酸性茚三酮法测定[6];可溶性蛋白质含量采用考马斯亮蓝染色法测定[7];过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法测定;超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑光化还原法测定;丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸(TAB)比色法测定[6]。
  1.3  数据处理
  采用Excel软件进行数据分析,采用Duncan新复极差法进行显著性检验,采用Sigmaplot 10.0软件作图。
  2  结果与分析
  2.1  干旱胁迫对3种植物相对电导率的影响
  从图1可以看出,随着干旱胁迫浓度的增加,播娘蒿、小麦和荠菜的相对电导率持续升高,且3种草本植物的叶片电导率大小排序为小麦、荠菜、播娘蒿。在胁迫浓度范围内,播娘蒿、小麦和荠菜的相对电导率变化范围分别为30.95%~38.45%、31.38%~43.19%和31.25%~40.43%,当胁迫浓度为P4(30%PEG-6000)时,播娘蒿小麦和荠菜的电导率分别比对照(CK)增加24.25、37.67和29.38个百分点,由此可知,3种草本植物中,干旱胁迫后小麦的相对电导率增幅最大。
  2.2  干旱胁迫对3种植物游离脯氨酸含量的影响
  由图2可知,随着干旱胁迫浓度的增加,播娘蒿和荠菜体内游离脯氨酸含量均呈持续上升的趋势,小麦则呈先升后降的趋势。干旱胁迫浓度范围内,播娘蒿和荠菜体内游离脯氨酸含量变化范围分别在0.25~1.03 mg/g和0.34~0.92 mg/g,当胁迫浓度为P4(30%PEG-6000)时,播娘蒿和荠菜分别为对照(CK)的4.20倍和2.70倍,表明干旱胁迫有助于刺激播娘蒿和荠菜叶片细胞内分泌谷氨酸,从而合成游离脯氨酸。然而,在干旱胁迫浓度范围内,小麦体内游离脯氨酸含量则呈先升后降的趋势,当胁迫浓度为P2(10%PEG-6000)时出现峰值,此时游离脯氨酸含量为0.84 mg/g,比对照(CK)增加了450.66%,表明低浓度胁迫有助于小麦体内形成游离脯氨酸,而高浓度胁迫不利于小麦体内游离脯氨酸的合成。分析表明,小麦对外界干旱胁迫的耐性和抗性较差,而播娘蒿和荠菜的抗性较高。
  2.3  干旱胁迫对3种植物可溶性蛋白质含量的影响
  由图3可以看出,随着干旱胁迫浓度的增加,播娘蒿、小麦和荠菜体内可溶性蛋白质含量均呈先升后降的趋势,且3种植物均在P2(10%PEG-6000)浓度时出现峰值,其可溶性蛋白质含量分别为4.22、2.57、2.99 mg/g。总的来说,低浓度的干旱胁迫有助于播娘蒿、小麦和荠菜体内可溶性蛋白质的形成,当外界干旱胁迫超出植物的抗性阈值时,植物体内可溶性蛋白质含量下降。
  2.4  干旱胁迫对3种植物过氧化物酶活性的影响
  由图4可知,随着干旱胁迫浓度的增加,播娘篙、小麦和荠菜体内的过氧化物酶活性均呈先升后降趋势。干旱胁迫浓度范围内,播娘篙、小麦和荠菜过氧化物酶活性变化范围分别在605.15~2 289.61 U/g、366.43~1 186.37 U/g和228.30~924.63 U/g。播娘篙、小麦和荠菜均在胁迫浓度为P3(20%PEG-6000)时,表现出最大值,此时相对于对照(CK)最大增幅分别为280.00%、224.04%和305.26%。总体表明,3种草本植物对干旱胁迫均具有一定的耐性和抗性,低浓度干旱胁迫均有助于3种草本植物过氧化物酶活性的产生,且更有助于荠菜体内过氧化物酶活性的产生。
  2.5  干旱胁迫对3种植物超氧化物歧化酶活性的影响
  由图5可以看出,随着干旱胁迫浓度的升高,播娘蒿、荠菜和小麦的超氧化物歧化酶活性均呈先升后降的趋势。小麦和荠菜均在P2(10%PEG-6000)時体内超氧化物歧化酶活性达到最高,表现为435.99±43.68 U/g和479.28±47.82 U/g,相对于对照最大增幅分别为32.22%和30.87%。播娘蒿则在P3(20%PEG-6000)时表现出最大值514.38±299.68 U/g。研究表明,低浓度干旱胁迫有助于播娘蒿、荠菜和小麦体内超氧化物歧化酶活性的增强,但高浓度干旱胁迫则会造成超氧化物歧化酶活性的降低。
  2.6  干旱胁迫对3种植物丙二醛含量的影响
  由图6可以看出,随着干旱胁迫浓度的增加,播娘蒿、小麦和荠菜体内丙二醛含量均呈持续递增的趋势,其变化范围分别在0.46~0.87 μmol/L、0.25~1.16 μmol/L和0.52~0.99 μmol/L,当胁迫浓度为P4(30%PEG-6000)时,其丙二醛含量达到峰值。总体研究表明,干旱胁迫会造成播娘蒿、小麦和荠菜体内丙二醛含量的持续增加,有利于刺激植物体内丙二醛的产生。   2.7  植物相对电导率与游离脯氨酸累积量的关系
  以相对电导率作自变量,游离脯氨酸累积量为因变量进行相关假设测验,计算回归方程,从表1可以看出,播娘蒿、荠菜体内游离脯氨酸累积量与相对电导率之间呈极显著、显著正相关,均具有良好的一元线性回归关系,其P值分别为0.004和0.019。然而,小麦体内相对电导率和游离脯氨酸累积量间相关性不显著。研究表明,植物相对电导率和游离脯氨酸累积量间存在一定的线性回归关系,其中播娘蒿和荠菜尤为显著。
  3  小结与讨论
  随着干旱胁迫浓度的增加,3种植物相对电导率和游离脯氨酸累积量总体均呈持续递增趋势。这与秦峰梅等[8]在黄菖蒲,张小艾等[9]在二月兰,原海燕等[10]在喜盐鸢尾上的研究结论相似。生物膜结构和功能的稳定性与植物的抗逆性密切相关,盐碱及干旱胁迫对细胞膜造成了伤害,导致渗透物质大量外流,引起相对电导率升高。游离脯氨酸积累是植物为了对抗干旱胁迫而采取的一种保护性措施,在干旱条件下,植物体内脯氨酸含量会增加,从而增强了植物的渗透调节作用,同时游离脯氨酸的偶极性保护了膜蛋白结构的完整性,增强了膜的柔韧性[11],Stewart等[12]研究了失水条件下植物细胞累积脯氨酸的生理生化机制,认为干旱下脯氨酸累积的原因可能是合成加强、降解受抑、消耗减少导致的,因为干旱下蛋白质合成减弱,因而抑制了脯氨酸掺入蛋白质的过程。干旱胁迫下,播娘蒿、荠菜和小麦相对电导率排序为小麦、荠菜、播娘蒿,表明3种植物抗旱性强弱排序为播娘蒿、荠菜、小麦。干旱胁迫下,抗旱性强的植物比抗旱性弱的植物相对电导率上升慢,相对生长率下降慢,组织或细胞受损轻[13-15],游离脯氨酸累积量上升慢[16,17]。因此,播娘蒿、荠菜体内游离脯氨酸累积量与相对电导率之间呈极显著、显著正相关,且存在一定的线性回归关系。
  植物在长期进化过程中形成了受遗传性制约的逆境适应机制,活性氧代谢在其中占据重要地位,是植物对逆境胁迫的原初反应。在盐碱、干旱等逆境胁迫期间,植物通过增强保护酶活性来清除活性氧自由基,从而维持细胞膜的稳定性和完整性。本研究表明,干旱胁迫下,播娘蒿、荠菜和小麦体内可溶性蛋白质、POD和SOD均呈先升后降的趋势。可溶性蛋白质作为植物细胞的主要渗透物质之一,在受到逆境胁迫时,细胞内可溶性蛋白质含量提高,增加细胞渗透浓度和功能蛋白质的数量,有助于维持细胞的正常生理代谢;低浓度干旱胁迫时,活性氧作为第二信使,启动植物细胞的防御反应,播娘蒿、荠菜和小麦通过分泌抗氧化酶来有效地清除自由基,防御着膜脂过氧化,从而维持细胞的正常代谢[18,19]。但在高浓度干旱胁迫下,植物生物膜脂氧化加剧,破坏了细胞膜结构的完整性。
  丙二醛(MDA)是膜脂过氧化作用的主要产物之一,具有很强的细胞毒性,对膜和细胞中的许多生物功能分子如蛋白质、核酸和酶等均有很强的破坏作用,并参与破坏生物膜的结构与功能。MDA含量高低和细胞质膜透性变化是反映细胞膜脂过氧化作用强弱和质膜破坏程度的重要指标[20]。本研究表明,干旱胁迫下,小麦、荠菜和播娘蒿体内MDA含量均呈持续递增趋势,这与张永锋等[21]在紫花苜蓿、邹春静等[22]在云杉上的研究结果一致,表明外界干旱胁迫会持续导致播娘蒿、小麦和荠菜生物膜脂过氧化不断加剧,植物受伤害程度在不断增加。
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