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      豆梨葉片應(yīng)對(duì)干旱脅迫生理響應(yīng)機(jī)制研究

      2015-06-09 14:20:32蔣學(xué)莉史鋒厚李新芝劉海一盧克成沈永寶
      江蘇林業(yè)科技 2015年1期
      關(guān)鍵詞:透性質(zhì)膜脯氨酸

      蔣學(xué)莉,史鋒厚*,李新芝,劉海一,仲 磊,盧克成,沈永寶

      (1.南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,江蘇 南京 210037;2.江蘇省林木種苗管理站,江蘇 南京 210036)

      豆梨葉片應(yīng)對(duì)干旱脅迫生理響應(yīng)機(jī)制研究

      蔣學(xué)莉1,史鋒厚1*,李新芝2,劉海一2,仲 磊2,盧克成2,沈永寶1

      (1.南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,江蘇 南京 210037;2.江蘇省林木種苗管理站,江蘇 南京 210036)

      以豆梨1(2)-0嫁接品種苗木為實(shí)驗(yàn)材料,進(jìn)行盆栽水分遞減模擬干旱脅迫處理,對(duì)處于不同干旱狀態(tài)下的苗木葉片生理指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定,探究豆梨葉片應(yīng)對(duì)干旱脅迫生理響應(yīng)機(jī)制。結(jié)果表明:干旱脅迫導(dǎo)致豆梨葉片細(xì)胞膜系統(tǒng)受損傷,使得膜脂過(guò)氧化,葉片細(xì)胞將啟動(dòng)滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)和氧自由基清除酶促系統(tǒng)。隨著干旱脅迫的加劇,各品種葉片質(zhì)膜透性逐漸增大;脯氨酸含量持續(xù)升高,升高值可達(dá)十幾倍;膜脂過(guò)氧化程度逐漸增強(qiáng),丙二醛大量累積;氧自由基清除系統(tǒng)SOD和POD活性變化呈先升高后降低的趨勢(shì),前期活性升高由于植物細(xì)胞自身保護(hù)應(yīng)激機(jī)制,后期的活性降低則源于干旱脅迫已傷及酶供體,導(dǎo)致酶活性下降。

      豆梨;干旱脅迫;生理響應(yīng)

      干旱對(duì)于植物分布與進(jìn)化以及植物利用等發(fā)揮著制約性影響作用,植物應(yīng)對(duì)干旱逐漸形成保護(hù)性應(yīng)激機(jī)制。葉片細(xì)胞中分布大量功能性細(xì)胞器及酶供體,可以根據(jù)環(huán)境信號(hào)調(diào)控生理代謝功能,積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),促進(jìn)酶促自由基清除系統(tǒng)等,產(chǎn)生保護(hù)性機(jī)制,減少外界環(huán)境因素的傷害。

      豆梨(Pyrus calleryana)為薔薇科梨屬落葉喬木,為我國(guó)原生梨屬樹種,常用作栽培梨樹的嫁接砧木,也是極具發(fā)展?jié)摿Φ膱@林綠化樹種。豆梨具有生長(zhǎng)適應(yīng)性強(qiáng)、耐干旱貧瘠的特點(diǎn),但國(guó)內(nèi)外關(guān)于干旱脅迫對(duì)豆梨樹木影響的研究報(bào)道并不多見(jiàn),該文以不同豆梨品種苗木為研究材料,實(shí)施干旱脅迫處理,測(cè)定苗木葉片生理指標(biāo),探討豆梨葉片應(yīng)對(duì)干旱脅迫的生理響應(yīng)機(jī)制。

      1 材料與方法

      1.1 供試材料

      供試材料為鹽城林場(chǎng)提供的豆梨1(2)-0嫁接品種苗,為由美國(guó)引進(jìn)的‘Autumn Blaze’、‘Glen’s Form’、‘Redspire’、‘Fauriei’、‘Bradford’、‘Jaczam’等6個(gè)豆梨品種。每個(gè)品種苗木規(guī)格基本一致,苗木生長(zhǎng)健壯,根系發(fā)達(dá)。

      2013年3月初,在江蘇乾景天園苗木有限公司基地(江蘇省句容市天王鎮(zhèn)竹園村),將苗木分別進(jìn)行盆栽,盆栽容器規(guī)格高徑為25 cm×30 cm,盆栽基質(zhì)為基地就地所取大田土,每盆容器裝填基質(zhì)2.5 kg,每盆種植苗木1株,每個(gè)品種種植20盆,各品種苗木按照常規(guī)方法進(jìn)行管理,于6月中旬選取生長(zhǎng)相對(duì)一致的8株苗木進(jìn)行干旱處理?;|(zhì)中含有機(jī)質(zhì)(重鎘酸鉀容量法)5%,水解氮(堿解擴(kuò)散法)121 mg/kg,有效磷(P2O5)(NaHCO3法)27 mg/kg,速效鉀(K2O)(NH4Ac浸提法)11.7 mg/kg。田間持水量21%,pH6.7。

      1.2 干旱脅迫處理

      干旱脅迫試驗(yàn)采用盆栽水分遞減法進(jìn)行。根據(jù)Hsiao TC[1]方法,將土壤干旱情況分為適宜水分、輕度干旱、中度干旱和重度干旱4個(gè)梯度,土壤相對(duì)含水量(RWC)分別為田間持水量的75%~80%,55%~60%,40%~45%和30%~35%,分別表示為W1,W2,W3和W4。根據(jù)稱重法和土壤相對(duì)含水量測(cè)定法相結(jié)合將土壤水分調(diào)至W1后,停止水分供應(yīng),由于植物蒸騰和土壤水分散失,土壤含水量降低,逐漸到達(dá)W2,W3,W4狀態(tài)。2013年6月15日,將所有盆栽苗木移入通風(fēng)遮雨的塑料棚內(nèi),土壤含水量調(diào)至W1(對(duì)照),進(jìn)行干旱脅迫處理;以后每隔3 d測(cè)定土壤含水量,監(jiān)測(cè)土壤相對(duì)含水量分別至W2(6月27日)、W3(7月6日)、W4(7月15日)狀態(tài)后,每個(gè)品種均選擇頂端第4,5片功能葉混合取樣,-70℃冰箱保存后測(cè)定各相關(guān)指標(biāo)。

      1.3 生理指標(biāo)測(cè)定

      葉片質(zhì)膜透性指標(biāo)測(cè)定參照張志良[2]的方法;丙二醛(MDA)含量測(cè)定參照張憲政等[3]的方法;脯氨酸含量測(cè)定參照鄒琦[4]的方法;超氧化物歧化酶(SOD)測(cè)定參照鄒琦[4]的方法;過(guò)氧化物酶(POD)測(cè)定采用張志良[2]的方法。各指標(biāo)測(cè)定設(shè)重復(fù)3次。

      1.4 數(shù)據(jù)分析處理

      各指標(biāo)測(cè)定結(jié)果采用EXCEL和SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

      2 結(jié)果與分析

      根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì),將各測(cè)定指標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的方差分析,結(jié)果見(jiàn)表1。

      表1 各測(cè)定指標(biāo)方差分析結(jié)果

      2.1 干旱脅迫對(duì)葉片質(zhì)膜透性的影響

      結(jié)果見(jiàn)圖1,在對(duì)照情況下,各品種葉片質(zhì)膜透性即存在差異;隨著干旱脅迫的加劇,各品種質(zhì)膜透性逐漸增大,葉片質(zhì)膜的傷害程度逐漸增強(qiáng)。Autumn Blaze品種葉片質(zhì)膜受傷害程度最大,質(zhì)膜透性增大4.71倍,其他品種依次為Glen’s Form(4.29倍)>Redspire(3.87倍)>Jaczam(3.31倍)>Fauriei(3.17倍)>Bradford(3.00倍)。方差分析(見(jiàn)表1)表明:不同豆梨品種細(xì)胞質(zhì)膜透性差異達(dá)極顯著水平,各品種在不同干旱脅迫條件下的差異達(dá)極顯著水平,品種和干旱脅迫程度間存在極顯著的交互作用。各品種在不同干旱脅迫條件下,葉片質(zhì)膜透性增幅存在差異,不同豆梨品種葉片質(zhì)膜完整程度應(yīng)對(duì)輕度、中度和重度等不同干旱脅迫所表現(xiàn)出的響應(yīng)存在差異。

      2.2 干旱脅迫對(duì)葉片脯氨酸含量的影響

      結(jié)果見(jiàn)圖2,干旱脅迫導(dǎo)致豆梨葉片脯氨酸大量積累,各品種在不同干旱脅迫條件下所積累的脯氨酸并不相同。輕度干旱時(shí),葉片脯氨酸含量增大幅度分別為Jaczam(2.27倍)>Redspire(1.98倍)>Fauriei(1.84倍)>Glen’s Form(1.67倍)>Autumn Blaze(1.56倍)>Bradford(1.50倍);干旱脅迫加劇,脯氨酸積累速度增大,至重度干旱時(shí),相比對(duì)照,各品種脯氨酸累積增幅依次為Autumn Blaze(18.70倍)>Glen’s Form(17.27倍)>Redspire(9.69倍)>Fauriei(7.35倍)>Bradford(6.92倍)>Jaczam(5.54倍)。方差分析(見(jiàn)表1)表明,不同豆梨品種脯氨酸含量差異達(dá)極顯著水平,各品種在不同干旱脅迫條件下的差異達(dá)極顯著水平,品種和干旱脅迫程度間存在極顯著的交互作用。脯氨酸具有滲透調(diào)節(jié)作用,對(duì)于平衡細(xì)胞內(nèi)外電解質(zhì)具有重要作用,不同豆梨品種在不同干旱脅迫階段表現(xiàn)出不同的適應(yīng)性。

      圖1 不同干旱脅迫下豆梨葉片質(zhì)膜透性

      圖2 不同干旱脅迫下豆梨葉片脯氨酸含量

      2.3 干旱脅迫對(duì)葉片丙二醛含量的影響

      結(jié)果見(jiàn)圖3,干旱脅迫導(dǎo)致豆梨葉片細(xì)胞內(nèi)自由基大量積累,膜質(zhì)過(guò)氧化形成大量MDA,各豆梨品種均隨干旱脅迫的加劇而產(chǎn)生大量MDA,致使對(duì)植物體的傷害程度逐漸增強(qiáng);至重度干旱時(shí),各品種葉片MDA產(chǎn)生量相比對(duì)照依次增加,即Autumn Blaze(2.07倍)>Glen’s Form(1.59倍)>Bradford(1.54倍)>Fauriei(1.52倍)>Jaczam(1.47倍)>Redspire(1.30倍)。方差分析(見(jiàn)表1)表明,不同豆梨品種MDA含量差異達(dá)極顯著水平,各品種在不同干旱脅迫條件下的差異達(dá)極顯著水平,品種和干旱脅迫程度間存在極顯著的交互作用。干旱脅迫加劇,導(dǎo)致葉片細(xì)胞膜質(zhì)過(guò)程化程度增強(qiáng),MDA含量不斷增大。

      圖3 不同干旱脅迫下豆梨葉片丙二醛含量

      2.4 干旱脅迫對(duì)葉片超氧化物歧化酶和過(guò)氧化物酶活性的影響

      干旱脅迫對(duì)切片SOD的影響結(jié)果見(jiàn)圖4。干旱處理開始至輕度干旱階段,豆梨各品種葉片SOD活性呈上升趨勢(shì),各品種葉片SOD活性升高趨勢(shì)依次為Bradford(20%)>Jaczam(18%)>Fauriei(14%)=Redspire(14%)>Glen’s Form(9%)>Autumn Blaze(5%);隨著干旱脅迫加劇,各品種葉片SOD活性不斷降低,相比輕度干旱時(shí)降幅依次為Autumn Blaze(61%)>Redspire(60%)=Bradford(60%)>Jaczam(59%)=Glen’s Form(59%)>Fauriei(58%),各品種葉片SOD活性降幅差異并不大。方差分析(見(jiàn)表1)表明,不同豆梨品種葉片SOD活性差異達(dá)極顯著水平,各品種在不同干旱脅迫條件下的差異達(dá)極顯著水平,品種和干旱脅迫程度間存在極顯著的交互作用。

      干旱脅迫對(duì)葉片POD影響的結(jié)果見(jiàn)圖5。干旱處理開始至輕度干旱階段,豆梨各品種葉片POD活性呈上升趨勢(shì),各品種葉片POD活性增幅依次為Fauriei(20%)>Bradford(16%)>Jaczam(14%)>Redspire(5%)>Glen’s Form(3%)>Autumn Blaze(1%);隨著干旱脅迫程度加劇,各品種葉片POD活性不斷降低,相比輕度干旱時(shí)降幅依次為Jaczam(87%)>Fauriei(86%)>Bradford(85%)>Redspire(77%)>Glen’s Form(75%)>Autumn Blaze(71%)。方差分析(見(jiàn)表1)結(jié)果表明,不同豆梨品種葉片POD活性差異達(dá)極顯著水平,各品種在不同干旱脅迫條件下的差異達(dá)極顯著水平,品種和干旱脅迫程度間存在極顯著的交互作用。

      圖4 不同干旱脅迫下豆梨葉片SOD活性

      圖5 不同干旱脅迫下豆梨葉片POD活性

      3 討論與結(jié)論

      目前,季節(jié)性干旱成為影響植物生存的制約性因素。水分是植物生存和生長(zhǎng)的重要條件,缺水會(huì)導(dǎo)致植物停止生長(zhǎng)甚至死亡,然而植物應(yīng)對(duì)干旱缺水已經(jīng)逐漸演化出了相應(yīng)的對(duì)策,包括植物本身的生理響應(yīng)機(jī)制。

      在干旱脅迫條件下,細(xì)胞膜系統(tǒng)通常被認(rèn)為是受到干旱傷害的最初和關(guān)鍵部位[5]。干旱脅迫使得葉片膜系統(tǒng)透性增大,引起物質(zhì)外漏,且在一定范圍內(nèi),細(xì)胞質(zhì)膜透性隨著干旱脅迫的加劇而增大[6-7]。本試驗(yàn)中,豆梨各品種葉片質(zhì)膜透性均隨干旱脅迫的加劇而增強(qiáng),但在輕度干旱狀態(tài)下,各品種質(zhì)膜透性增加幅度相對(duì)小于中度和重度干旱脅迫。分析原因,認(rèn)為與顏淑云等的研究結(jié)論相似[7],葉片細(xì)胞膜相對(duì)透性在一定土壤含水量范圍內(nèi)比較穩(wěn)定,植物通過(guò)自身的生理代謝反應(yīng)來(lái)應(yīng)對(duì)干旱的不利影響,當(dāng)含水量下降到一定程度時(shí),膜系統(tǒng)將受損。陳少瑜等提出抗性較強(qiáng)樹種細(xì)胞膜較為穩(wěn)定[8],因此,根據(jù)不同豆梨品種質(zhì)膜受傷害程度,可以推斷各品種抗旱性的強(qiáng)弱。

      植物葉片受干旱脅迫時(shí),細(xì)胞為維持膨壓以及正常的生理功能,會(huì)啟動(dòng)滲透調(diào)節(jié)機(jī)制,以增強(qiáng)自身保水及主動(dòng)吸水能力[7]。干旱脅迫可導(dǎo)致脯氨酸含量增加,且隨著干旱脅迫的加劇,其含量將急速增加,這是植物對(duì)干旱環(huán)境的適應(yīng)[9]。葉片脯氨酸含量增加作為抗旱性評(píng)價(jià)的絕對(duì)指標(biāo)已經(jīng)應(yīng)用于多種植物抗旱性的研究[5,10],但Demiral等提出相左的意見(jiàn),認(rèn)為脯氨酸積累是脅迫造成的代謝紊亂的伴隨結(jié)果[11]。在本試驗(yàn)中,各豆梨品種葉片中脯氨酸含量均隨著干旱脅迫加劇而升高,輕度干旱時(shí)已導(dǎo)致其含量呈倍數(shù)升高,至重度干旱時(shí),升高值甚至可達(dá)十幾倍,這與紫穗槐幼苗干旱脅迫研究中的結(jié)果相似[7]。

      干旱脅迫誘發(fā)植物體內(nèi)產(chǎn)生更多活性氧,導(dǎo)致膜脂過(guò)氧化和膜脂脫氧化,產(chǎn)物MDA積累,蛋白和核酸的降解,造成傷害[12]。當(dāng)植物體內(nèi)MDA含量大量增加時(shí),植物細(xì)胞受到較嚴(yán)重的破壞[13]。在本試驗(yàn)中,各品種葉片MDA含量隨著干旱脅迫程度加劇持續(xù)升高,這與霍紅等[5]的研究結(jié)論一致。輕度干旱對(duì)于植物已經(jīng)有所傷害,但對(duì)于膜脂氧化傷害程度并不嚴(yán)重;隨著干旱加劇,膜系統(tǒng)受傷害程度逐漸加強(qiáng),這與王國(guó)富的研究結(jié)論一致,其指出重度干旱使MDA含量增加較為顯著,具有持續(xù)、快速累加的效應(yīng),持續(xù)重度干旱將導(dǎo)致較重的傷害[14]。

      植物抗旱性一般與酶促防御系統(tǒng)的各類酶的活性呈正相關(guān),植物的抗旱能力和受到的傷害程度與這些保護(hù)酶的活性變化密切相關(guān)[15-16]。在本試驗(yàn)中,輕度干旱均使豆梨葉片中的SOD活性增強(qiáng)和產(chǎn)生量增大,這對(duì)于消除因干旱所產(chǎn)生的超氧自由基具有促進(jìn)作用,是植物細(xì)胞正常的應(yīng)激反應(yīng)[17]。干旱脅迫增強(qiáng)導(dǎo)致過(guò)氧化物酶體受到傷害,致使SOD產(chǎn)生量減少,同時(shí)因歧化反應(yīng)消耗,表現(xiàn)為SOD活性降低。豆梨葉片POD活性隨著干旱脅迫的加劇,呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì),與沙棗、栓皮櫟干旱脅迫研究所獲結(jié)論一致[18-19]。當(dāng)豆梨苗木受到干旱脅迫時(shí),細(xì)胞內(nèi)的酶促系統(tǒng)對(duì)于逆境所導(dǎo)致的超量過(guò)氧化氫進(jìn)行清除,葉片內(nèi)的POD活性增強(qiáng),但不同品種間表現(xiàn)出差異性;隨著干旱脅迫程度增強(qiáng),豆梨葉片細(xì)胞器和質(zhì)膜受到傷害,過(guò)氧化物酶體遭到破壞,POD產(chǎn)生逐漸被抑制,表現(xiàn)為POD活性逐漸降低。根據(jù)季孔庶等[20]關(guān)于抗旱性強(qiáng)的基因型在干旱脅迫下SOD、POD活性較高的論述,依據(jù)豆梨葉片SOD和POD活性的變化分別推斷各品種的抗旱性,但排序并不一致,分析原因清除自由基的各種保護(hù)酶作為1個(gè)鏈?zhǔn)奖Wo(hù)酶體系,活性氧的清除需要整個(gè)酶促防御系統(tǒng)協(xié)同進(jìn)行,單個(gè)酶活性的增減并非意味著活性氧清除能力的同步提高[21]。

      植物對(duì)水分虧缺的反應(yīng)是各器官之間通過(guò)代謝和信號(hào)傳遞進(jìn)行復(fù)雜的交流互動(dòng)的結(jié)果[22],植物應(yīng)對(duì)干旱所做出的響應(yīng)也是復(fù)雜的系統(tǒng)過(guò)程。豆梨苗木在受到干旱脅迫時(shí),葉片細(xì)胞接受信號(hào),啟動(dòng)滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)和氧自由基酶促保護(hù)體系,細(xì)胞以自身生理代謝調(diào)整適應(yīng)初期干旱脅迫,同時(shí),干旱脅迫促使葉片細(xì)胞膜脂過(guò)氧化,質(zhì)膜透性增大,丙二醛積累;隨著干旱的加劇,豆梨體內(nèi)所產(chǎn)生的氧由基及代謝中間產(chǎn)物逐漸積累,對(duì)于細(xì)胞器和質(zhì)膜產(chǎn)生傷害,導(dǎo)致細(xì)胞功能性傷害,膜質(zhì)過(guò)氧化程度急速增強(qiáng),膜系統(tǒng)受傷害程度加劇,丙二醛加速積累,酶保護(hù)系統(tǒng)難以抵抗干旱脅迫而受到損傷,細(xì)胞器、質(zhì)膜等結(jié)構(gòu)損傷和功能喪失、毒性物質(zhì)積累使得細(xì)胞逐漸死亡,表現(xiàn)為葉片受傷害程度加強(qiáng),以致植物體受損嚴(yán)重。

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      S661.9

      A

      10.3969/j.issn.1001-7380.2015.01.005

      1001-7380(2015)01-0023-05

      2015-01-03;

      2015-01-11

      國(guó)家林業(yè)局948項(xiàng)目“豆梨優(yōu)良品種及選育技術(shù)引進(jìn)”(2011-4-42);江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)

      蔣學(xué)莉(1989-),女,江蘇泗陽(yáng)人,在讀研究生,研究方向:林木種苗學(xué)。

      *通信作者:史鋒厚(1981-),男,山東兗州人,副教授,博士,研究方向:林木種苗學(xué)、林木新品種選育。

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