鈣脅迫對(duì)金銀花生理生化特性的影響

謝元貴+劉濟(jì)明+廖小鋒+李鵬

摘要：以金銀花幼苗為試驗(yàn)材料，研究不同濃度（0、5、20、30、40、50 mmol/L）的外源鈣（Ca2+）對(duì)金銀花生理生化特性的影響。結(jié)果表明，經(jīng)過60 d鈣脅迫，0、30、40、50 mmol/L Ca2+下金銀花的可溶性蛋白、游離脯氨酸含量相對(duì)CK（5 mmol/L Ca2+）顯著增加；可溶性淀粉、可溶性糖含量變化不明顯，可溶性淀粉含量?jī)H缺鈣情況下顯著增加，可溶性糖含量只有（相對(duì)CK）0 mmol/L Ca2+顯著增加，50 mmol/L Ca2+顯著減少。隨著鈣離子濃度的增大，MDA含量、POD和SOD活性表現(xiàn)為先減少后增加的趨勢(shì)，根系活力變化則相反，CAT活性顯示逐漸增加趨勢(shì)。0、40、50 mmol/L Ca2+處理POD、SOD活性顯著增加，40、50 mmol/L Ca2+濃度與CK相比CAT活性顯著增加。在20 mmol/L Ca2+濃度下，金銀花MDA含量最小、根系活力最高，且能在30 mmol/L Ca2+濃度下良好生長(zhǎng)。研究認(rèn)為，金銀花可通過增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)（可溶性蛋白、游離脯氨酸）的含量及抗氧化酶間協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)高鈣脅迫較強(qiáng)的忍耐性和較好的適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：金銀花；鈣脅迫；根系活力；MDA；保護(hù)酶活性

中圖分類號(hào)： S567.7+90.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2017）17-0144-03

作者簡(jiǎn)介：謝元貴（1982—），男，碩士，副研究員、高級(jí)工程師，主要從事生態(tài)學(xué)、土地規(guī)劃與水土保持方面的研究。E-mail：yuangui_xie@163.com。

通信作者：劉濟(jì)明，博士，教授，主要從事植物生態(tài)學(xué)研究。E-mail：karst0623@163.com。貴州省是我國西南喀斯特地區(qū)中心區(qū)域，可溶性碳酸鹽巖出露面積達(dá)13萬km2，占全省土地總面積的73%，其生境極易退化，是我國六大脆弱生態(tài)系統(tǒng)之一[1-2]?？λ固氐貐^(qū)脆弱的獨(dú)特生境表現(xiàn)為N、P、K極度缺乏，是高Ca/Mg的土壤環(huán)境，其鈣元素的含量可達(dá)1%～3%[3]，是同緯度硅酸鹽地區(qū)土壤CaO含量的2～3倍，石灰土中CaO主要以交換態(tài)存在，鹽基離子中鈣離子占90%以上[4]。Ca是植物生長(zhǎng)必需的大量營養(yǎng)元素，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和生理功能，在植物生長(zhǎng)中有著重要的功能。研究表明，Ca可以通過提高細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核中Ca2+濃度、促進(jìn)磷酸鈣沉淀、提高離子吸收、參與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等方式直接參與植物抗寒[5]、熱害[6]、干旱[7]、抗病[8]、重金屬毒害[9]和鹽脅迫[10-11]等逆境。

金銀花（Lonicera japonica Thunb）別名忍冬，為忍冬屬（Lonacera）半常綠多年生藤本灌木。金銀花富含綠原酸、異綠原酸、木犀草苷等，具有良好的醫(yī)用和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，被作為國家重點(diǎn)治理名貴中藥材之一[12]。其根系發(fā)達(dá)，適應(yīng)性強(qiáng)，具有抗旱、耐澇、耐寒、耐瘠薄等特點(diǎn)，在貴州喀斯特地區(qū)具有較好的栽培前景。目前針對(duì)金銀花逆境適應(yīng)性的研究主要集中在干旱、重金屬、鹽（NaCl）脅迫等方面[13-16]，而關(guān)于Ca2+脅迫的研究卻鮮有報(bào)道。考慮到貴州喀斯特地區(qū)高鈣的土壤環(huán)境，為了探究金銀花對(duì)喀斯特地區(qū)高鈣環(huán)境的適應(yīng)方式，本試驗(yàn)選取金銀花高產(chǎn)品種“金翠蕾”，經(jīng)不同鈣濃度脅迫處理，研究金銀花對(duì)高鈣環(huán)境的生理生化適應(yīng)機(jī)制，為金銀花在貴州的推廣種植、喀斯特石漠化地區(qū)植被恢復(fù)和生態(tài)重建提供參考。

1材料與方法

1.1供試材料

2013年9月中旬從湖南隆回萬旺緣金銀花購銷有限公司選購“金翠蕾”灰氈毛忍冬銀花品種的幼苗，移栽于貴州大學(xué)林學(xué)院苗圃，統(tǒng)一水肥管理，作為試驗(yàn)材料（煉苗約15 d）。待金銀花苗恢復(fù)長(zhǎng)勢(shì)后，選擇長(zhǎng)勢(shì)較為一致的金銀花分別用蒸餾水和無菌水沖洗根系3次，植入另一石英砂基質(zhì)中（底部?jī)?nèi)徑24 cm，盆口內(nèi)徑29 cm，盆高22 cm），置于大棚內(nèi)培養(yǎng)。石英砂經(jīng)過10%的鹽酸浸泡24 h，并依次用蒸餾水和去離子水反復(fù)浸泡沖洗至pH值恒定。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

鈣脅迫試驗(yàn)時(shí)段設(shè)置為10月初至12月初，設(shè)置0、5、20、30、40、50 mmol/L等6個(gè)鈣離子濃度梯度，5 mmol/L Ca2+濃度的營養(yǎng)液作為對(duì)照（CK）。每處理3次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)3盆。采用Hoagland+Arnon微量元素營養(yǎng)液，僅將鈣濃度設(shè)為系列梯度，CaCl2作為鈣源，NaNO3作氮源。每盆每次澆灌150 mL營養(yǎng)液，每2 d澆灌1次，每澆灌2次營養(yǎng)液之后，用去離子水淋洗石英砂1次，以避免鹽分過多累積。試驗(yàn)過程中每10 d就要調(diào)換1次花盆位置，保證金銀花在大棚內(nèi)光照相對(duì)一致，脅迫處理時(shí)間為60 d。

1.3指標(biāo)及測(cè)試方法

金銀花葉片可溶性蛋白含量的測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán) G-250 染色法；可溶性糖與可溶性淀粉含量采用蒽酮比色法測(cè)定；游離脯氨酸含量采用酸性茚三酮顯色法測(cè)定；根系活力采用氯化三苯基四氮唑（TTC）法測(cè)定[17]。

采用TBA顯色法測(cè)定葉片丙二醛（MDA）含量；超氧化物歧化酶（SOD）活性利用NBT光還原法測(cè)定；過氧化氫酶（CAT）活性采用H2O2還原法測(cè)定[17]；過氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚氧化法測(cè)定[18]。

1.4數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，運(yùn)用SPSS17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2結(jié)果與分析

2.1干旱脅迫對(duì)金銀花滲透營養(yǎng)物質(zhì)的影響

由表1可見，在0 mmol/L鈣處理時(shí)，除游離脯氨酸外，金銀花葉片其他滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)均表現(xiàn)為較高的濃度。隨著Ca2+的增加，可溶性蛋白、可溶性淀粉和游離脯氨酸含量趨于先下降后升高再下降的趨勢(shì)，當(dāng)外源鈣的濃度為20 mmol/L時(shí)，可溶性蛋白、可溶性淀粉、可溶性糖的含量均最低，分別為 3.65、3.54、3.17 mg/g。CK的可溶性蛋白含量除極顯著高于20 mmol/L鈣處理，與30、40 mmol/L處理間差異不顯著，20 mmol/L 鈣處理顯著低于其他各處理。無鈣處理（0 mmol/L）可溶性淀粉含量略有增加，有鈣處理間差異不顯著。endprint

隨著鈣離子濃度的增加，可溶性糖含量表現(xiàn)為逐漸下降的趨勢(shì)，0、20、30、40 mmol/L試驗(yàn)組可溶性糖含量與CK差異不顯著，50 mmol/L鈣處理其含量為1.83 mg/g，顯著性低于CK（3.72 mg/g）。20 mmol/L鈣處理游離脯氨酸含量與CK差異不顯著，其他處理組極顯著高于CK，表現(xiàn)為鈣處理下隨著Ca2+濃度的增加游離脯氨酸含量逐漸累積的趨勢(shì)。

2.2外源鈣對(duì)金銀花根系活力與丙二醛（MDA）含量的影響

由圖1可看出，隨著外源鈣濃度的增加，金銀花根系活力顯現(xiàn)倒“V”型變化趨勢(shì)，20 mmol/L處理根活力極顯著地高于CK，其他處理則極顯著低于CK。除0與30 mmol/L鈣處理組間根系活力差異不顯著，其他處理間存在顯著差異。

隨著外源鈣濃度的增加，葉片MDA的含量呈現(xiàn)與根系活力變化相反的趨勢(shì)（圖2）。0 mmol/L Ca2+處理下顯著高于CK的MDA含量，而50 mmol/L Ca2+極顯著高于對(duì)照，20、30mmol/L Ca2+條件下極顯著低于CK。有鈣處理組中，50 mmol/L 鈣處理MDA的含量最高，顯著高于含有Ca2+的其他4個(gè)處理。

2.3干旱脅迫對(duì)金銀花抗氧化系統(tǒng)的影響

無鈣處理金銀花葉片SOD酶活性相對(duì)較高，低鈣處理下SOD酶活性大幅降低，隨著鈣離子濃度的增加葉片內(nèi)SOD活性又表現(xiàn)出逐步升高的變化趨勢(shì)（圖3）。0、30、40、50 mmol/L 鈣處理下SOD活性顯著大于CK，20 mmol/L鈣處理與CK差異不顯著。

CAT活性升高能及時(shí)清理Ca2+脅迫下植物細(xì)胞內(nèi)H2O2的累積，防止質(zhì)膜被破壞。圖4顯示，隨著Ca2+濃度的增加，低濃度（5～20 mmol/L）Ca2+處理金銀花葉片CAT活性變化不大，30～50 mmol/L Ca2+處理則顯著上升，50 mmol/L Ca2+處理活性最高，顯著高于其他各處理。

圖5顯示，鈣脅迫下金銀花葉片內(nèi)POD活性和SOD活性有類似的變化趨勢(shì)，0、30、40、50 mmol/L鈣處理下均極顯著大于CK，但20 mmol/L鈣處理與CK差異不顯著。

3討論

作為細(xì)胞質(zhì)膜的氧化產(chǎn)物MDA含量可以從側(cè)面反應(yīng)植物原生質(zhì)膜的受害程度[17]。經(jīng)過60 d的盆栽鈣脅迫處理，0、40、50 mmol/L 處理金銀花的MDA含量高于CK，20 mmol/L Ca2+條件下，MDA含量最低。說明0、40、50 mmol/L Ca2+脅迫下金銀花葉片細(xì)胞膜透性發(fā)生了一定程度的改變， 影響了植物的正常生長(zhǎng)， 20 mmol/L Ca2+條件下，

較有利于金銀花的生長(zhǎng)。

金銀花通過提高細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)的主要物質(zhì)來增加細(xì)胞質(zhì)濃度，維持正常的生理代謝。本試驗(yàn)中金銀花可溶性蛋白含量的升高，可能由于外源Ca2+進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)提高了鈣調(diào)蛋白的水平，同時(shí)鈣調(diào)蛋白又可以和其他蛋白（HSPs）結(jié)合，從而提高可溶性蛋白的含量[19-20]。從本試驗(yàn)看，游離脯氨含量的累積，能有效地提高細(xì)胞內(nèi)滲透壓，這與肖雯等的研究結(jié)果[21]相似。

植物在逆境條件下往往通過保護(hù)酶類之間的協(xié)同作用，以維持高的保護(hù)酶活性或抗氧化劑含量來清除積累的 O-2·[22] 。缺鈣條件下SOD、POD的活性較CK顯著增加，與董彩霞等對(duì)外源鈣對(duì)不同鈣敏感型番茄幼苗的保護(hù)酶活性的研究結(jié)果[23]一致；40、50 mmol/L Ca2+處理?xiàng)l件下，3種酶活性表現(xiàn)為不同程度的增加，從而加速對(duì)逆境條件下累積的 O-2· 清除，減緩高Ca2+處對(duì)植物的損害。鈣處理下金銀花SOD活性、CAT活性、POD活性不同程度提高，調(diào)節(jié)抗氧化系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)高Ca2+條件下產(chǎn)生的大量 O-2· 的清除，降低其對(duì)細(xì)胞原生質(zhì)膜的損害。

一定濃度的外源鈣能有效地增加植物的抗逆性[24-26]，本研究中金銀花主要是通過提高細(xì)胞內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)（可溶性蛋白和游離脯氨酸）的含量、不同程度提高抗氧化酶活性并利用保護(hù)酶間的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)高Ca2+環(huán)境較強(qiáng)的忍耐性和較好的適應(yīng)性。

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