根際pH值對(duì)冬小麥葉片抗氧化酶活性和內(nèi)源激素含量的影響

王光濤 馮素偉 丁位華 胡喜貴 文昭普 茹振鋼

摘要：以半冬性小麥品種矮抗58（AK58）和百農(nóng)4199（BN4199）為材料進(jìn)行水培試驗(yàn)。結(jié)果表明，酸堿脅迫會(huì)抑制小麥地上部生物量的積累，尤其是酸脅迫下抑制效果最大。測(cè)定小麥葉片抗氧化酶活性發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照相比，超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）活性在酸性條件下降低;在堿性條件下SOD活性升高，而CAT活性降低，葉片丙二醛（MDA）含量變化趨勢(shì)與CAT活性相反。酸堿脅迫對(duì)小麥葉片激素含量有較大影響，酸脅迫會(huì)降低玉米素（ZT）、生長(zhǎng)素（IAA）含量，提高脫落酸（ABA）含量，而堿脅迫降低了IAA含量，提高了ZT和ABA含量。2個(gè)品種地上部干物質(zhì)量變化、葉片抗氧化酶活性、內(nèi)源激素含量和ZT/ABA、IAA/ABA的比值在酸堿脅迫下的變化趨勢(shì)基本一致。結(jié)果表明，酸堿脅迫下小麥地上部干物質(zhì)積累量與抗氧化酶活性和內(nèi)源激素水平有較大關(guān)系，小麥通過調(diào)整內(nèi)源激素含量來(lái)誘導(dǎo)抗氧化酶基因表達(dá)以適應(yīng)酸堿環(huán)境。

關(guān)鍵詞：冬小麥;pH值;抗氧化酶;內(nèi)源激素;酸堿脅迫

中圖分類號(hào)： S512.1+10.1 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2021）10-0071-05

小麥?zhǔn)俏覈?guó)重要的糧食作物，其生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成受土壤環(huán)境的影響較大[1]，特別是近幾年土壤酸化加劇，嚴(yán)重影響了糧食生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。小麥適宜在中性土壤中生長(zhǎng)，土壤過酸或過堿都會(huì)引起小麥的生理變化，從而影響其生長(zhǎng)狀態(tài)及代謝途徑。植物在生物及非生物脅迫下會(huì)積累活性氧（ROS）。植物具有固有的抗氧化能力，超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）等與其他的酶及非酶抗氧化分子對(duì)清除ROS具有重要的作用[3]。ROS產(chǎn)生和消除之間的不平衡會(huì)導(dǎo)致其在細(xì)胞內(nèi)的過度積累，對(duì)植物細(xì)胞造成損害，從而抑制植物生長(zhǎng)[4]。因此，研究酸堿脅迫下冬小麥葉片抗氧化酶活性變化，對(duì)生態(tài)抗逆育種具有重要作用。

植物激素幫助植物適應(yīng)不利環(huán)境條件，具有重要的作用[5]，一般認(rèn)為玉米素（ZT）、生長(zhǎng)素（IAA）為生長(zhǎng)促進(jìn)劑，脫落酸（ABA）為生長(zhǎng)抑制劑[6]。植物體內(nèi)的內(nèi)源激素的變化會(huì)影響植物的生理代謝途徑。研究發(fā)現(xiàn)，低溫[7-8]、鹽堿[9]、高溫[10]、干旱[11]等脅迫對(duì)小麥生長(zhǎng)及內(nèi)源激素的平衡有著重要的影響，而外源噴施ABA可以緩解脅迫對(duì)小麥生長(zhǎng)的抑制[12]。劉海英等研究發(fā)現(xiàn)，小麥根際生長(zhǎng)環(huán)境會(huì)影響地上部?jī)?nèi)源激素含量的變化[13]。然而，目前對(duì)不同pH值條件下小麥葉片內(nèi)源激素含量的變化研究鮮有報(bào)道。由于葉片是小麥吸收光能固定碳源的重要器官，因此從葉片入手研究不同pH值對(duì)小麥抗氧化酶活性以及內(nèi)源激素水平的變化規(guī)律，對(duì)研究小麥的抗酸堿脅迫機(jī)制具有重要意義。為此，本試驗(yàn)通過水培法模擬不同根際pH值環(huán)境，研究冬小麥生物量積累、葉片抗氧化酶活性、丙二醛（MDA）及內(nèi)源激素含量的變化，以期明確不同根際pH值對(duì)小麥生長(zhǎng)發(fā)育影響的生理基礎(chǔ)，為選育優(yōu)質(zhì)抗逆小麥品種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用黃淮麥區(qū)大面積栽培的2個(gè)半冬性小麥品種矮抗58（AK58）和百農(nóng)4199（BN4199），其均由河南科技學(xué)院小麥中心提供。試驗(yàn)于2019年10月在河南科技學(xué)院小麥中心進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取籽粒飽滿且大小一致的小麥種子，經(jīng)1% H2O2表面消毒24 h，蒸餾水沖洗干凈。將預(yù)先浸種的種子放入培養(yǎng)皿中。出苗后，將大小均勻的小麥幼苗移栽到Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中進(jìn)行水培培養(yǎng)。用營(yíng)養(yǎng)液（pH值為6.5）培養(yǎng)3 d后，設(shè)置3個(gè)pH值的營(yíng)養(yǎng)液：酸脅迫（pH值為4.0）、正常環(huán)境（pH值為6.5）和堿脅迫（pH值為9.0），溶液pH值分別用 1 mol/L HCl和1 mol/L NaOH調(diào)節(jié)。將植物培養(yǎng)在光/暗周期為14 h/10 h（光照度為20 000 lx），晝夜溫度為 22 ℃/19 ℃，相對(duì)濕度為60%的光照培養(yǎng)箱內(nèi)。每天定時(shí)更換營(yíng)養(yǎng)液并調(diào)節(jié)至對(duì)應(yīng)pH值，脅迫處理 15 d。保證每個(gè)指標(biāo)完全隨機(jī)選取10～20株幼苗進(jìn)行檢測(cè)。取樣時(shí)，小麥植株為3葉期幼苗。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 地上部干物質(zhì)積累 取植株地上部分，105 ℃ 殺青30 min，于80 ℃烘至恒質(zhì)量，稱干質(zhì)量。

1.3.2 葉片抗氧化酶及MDA含量測(cè)定 參照郝再彬等的方法測(cè)定小麥抗氧化酶活性及MDA含量，SOD活性采用氮藍(lán)四唑法，CAT活性采用鉬酸銨比色法，MDA含量采用硫代巴比妥酸法[14]。

1.3.3 內(nèi)源激素含量測(cè)定 內(nèi)源激素含量采用高效液相色譜法（HPLC）進(jìn)行測(cè)定，參照張玉瓊等的方法測(cè)定ZT、IAA、ABA等的含量[15]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SigmaPlot 12.0處理數(shù)據(jù)并作圖，使用SPSS 19.0軟件的最小顯著性差異法（LSD）分析數(shù)據(jù)差異性（P<0.05，P<0.01）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同pH值對(duì)小麥幼苗干物質(zhì)積累的影響

如圖1所示，根際pH值對(duì)小麥地上部干物質(zhì)積累有明顯影響。2個(gè)品種地上部干物質(zhì)積累量均表現(xiàn)為pH值為6.5處理>pH值為9.0處理>pH值為4.0處理。與正常環(huán)境相比，BN4199和AK58地上部干物質(zhì)量在pH值為4.0和pH值為9.0條件下分別下降26%和26%、16%和15%。

2.2 不同pH值對(duì)小麥幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

如圖2所示，不同根際pH值條件下2個(gè)品種的葉片SOD活性隨著根際pH值的升高而增加，CAT活性表現(xiàn)為pH值為4.0處理

2.3 不同pH值對(duì)小麥幼苗葉片MDA含量的影響

由圖3可知，2個(gè)品種MDA含量在不同pH值條件下表現(xiàn)一致，均為pH值為6.5處理

2.4 不同pH值對(duì)小麥幼苗葉片內(nèi)源激素含量的影響

如圖4所示，不同pH值條件下不同小麥品種葉片激素含量具有較大差異，且各激素含量表現(xiàn)不同。2個(gè)品種ZT、IAA、ABA的含量分別表現(xiàn)為pH值為4.0處理

2.5 不同pH值對(duì)小麥幼苗葉片內(nèi)源激素含量間比值的影響

由圖5可以看出，不同pH值條件下葉片ZT含量/ABA含量表現(xiàn)為pH值為4.0處理

2.6 相關(guān)性分析

如表1所示，SOD活性與ZT含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。CAT活性與IAA含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與ABA含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。地上部干物質(zhì)量與CAT活性和IAA含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與ABA含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3 討論與結(jié)論

根際pH值會(huì)影響礦物養(yǎng)分的有效性以及植物對(duì)離子的吸收[16]。研究發(fā)現(xiàn)不同脅迫條件抑制了大麥[17]、燕麥[18]、玉米[19-20]、水稻[21-22]的生長(zhǎng)發(fā)育。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，酸堿脅迫會(huì)抑制生物量的積累，酸脅迫不利于小麥植株干物質(zhì)積累，說(shuō)明酸脅迫抑制了小麥對(duì)養(yǎng)分的吸收，使生物量積累降低，而堿脅迫較酸脅迫有更強(qiáng)的營(yíng)養(yǎng)吸收能力。逆境條件下，植物體內(nèi)的ROS大量累積會(huì)破壞細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能[23]，進(jìn)而引發(fā)不飽和脂肪酸過氧化形成MDA，MDA的積累間接反映了植物受脅迫程度[24]。植物體內(nèi)的抗氧化酶系統(tǒng)會(huì)清除ROS，提高植物細(xì)胞的抗氧化能力[25]。楊舒貽等研究認(rèn)為，抗氧化酶活性的高低與植物耐脅迫能力有關(guān)[26]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，堿性條件下地上部生物量積累、抗氧化酶活性均高于酸性條件，而酸性條件下葉片的膜脂過氧化程度大于堿性條件。說(shuō)明酸堿脅迫下保持較高的抗氧化酶活性可以穩(wěn)定葉片生長(zhǎng)，提升小麥對(duì)不良根際酸堿環(huán)境的適應(yīng)。

植物激素在植物從胚胎形成到衰老的發(fā)育過程中起著重要作用[27]，長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為是調(diào)節(jié)植物發(fā)育和各種脅迫的耐受性或敏感性所必需的內(nèi)源分子[28]。郭美俊等研究認(rèn)為，植物內(nèi)源激素系統(tǒng)能夠調(diào)節(jié)植物對(duì)多變環(huán)境的適應(yīng)性，這種影響是多種激素協(xié)同變化的結(jié)果[29]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，堿脅迫下ZT、IAA含量高于酸脅迫，ABA含量低于酸脅迫。地上部干物質(zhì)量與IAA含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與ABA含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而堿性條件下的干物質(zhì)積累量大于酸性條件。說(shuō)明保持較高的生長(zhǎng)促進(jìn)型激素含量對(duì)小麥抵御逆境傷害以及生物量的積累有重要作用。Zhang等的研究表明，抗氧化酶系統(tǒng)與激素信號(hào)通路之間是雙向鏈接關(guān)系[30]。Sewelam等發(fā)現(xiàn)在不同脅迫條件下，植物組織中的ROS和ABA水平同時(shí)升高[31]。相關(guān)分析表明，SOD活性與ZT含量呈正相關(guān)關(guān)系;CAT活性與IAA含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與ABA含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。說(shuō)明脅迫刺激了內(nèi)源激素信號(hào)分子，誘導(dǎo)活性氧的產(chǎn)生以及抗氧化基因的表達(dá)，從而影響生物量的積累及生理代謝過程。有研究認(rèn)為，ZT含量/ABA含量與IAA含量/ABA含量反映了各種激素間的平衡關(guān)系[15]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與正常環(huán)境（pH值為6.5）相比，酸性條件下2個(gè)品種的ZT含量/ABA含量與IAA含量/ABA含量降低，堿性條件下ZT含量/ABA含量升高，IAA含量/ABA含量下降，且酸性條件下IAA含量/ABA含量的下降幅度大于堿性條件。說(shuō)明保持較高的ZT含量/ABA含量與IAA含量/ABA含量有利于植物抵御逆境的傷害，這可能是小麥在堿性條件下生物量積累大于酸性條件的生理原因之一。

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，堿性條件下小麥葉片抗氧化酶活性、ZT與IAA含量、內(nèi)源激素含量比值均高于酸性條件。這些結(jié)果表明，小麥在堿性條件下具有較強(qiáng)的耐受性。植物在逆境條件下的生理代謝反應(yīng)會(huì)影響植株生物量的積累，徐呈祥研究認(rèn)為生物量的積累反映了植物對(duì)脅迫的響應(yīng)[32]。2個(gè)品種在堿性條件下地上部干物質(zhì)積累量均高于酸性條件，進(jìn)一步說(shuō)明植物體內(nèi)的代謝變化及脅迫應(yīng)激反應(yīng)改變了生物量的積累。這些結(jié)論揭示了不同pH值對(duì)小麥抗氧化酶活性以及內(nèi)源激素水平變化的規(guī)律，可以為研究小麥抗酸堿脅迫機(jī)制提供參考依據(jù)。

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同根際pH值對(duì)小麥的地上部生物量積累、抗氧化酶活性和內(nèi)源激素含量變化有著顯著的影響。不同小麥品種耐酸堿能力具有較大差異，而耐酸堿性強(qiáng)的小麥通過調(diào)整內(nèi)源激素含量來(lái)誘導(dǎo)抗氧化酶基因表達(dá)以適應(yīng)酸堿環(huán)境。酸堿脅迫下保持內(nèi)源激素平衡和較高的抗氧化酶活性有利于保持小麥生長(zhǎng)。本試驗(yàn)探討了不同根際pH值對(duì)小麥的影響，為探索小麥的抗酸堿脅迫機(jī)制提供了一定的參考依據(jù)。但本試驗(yàn)僅從小麥地上部的生理變化進(jìn)行了研究，下一步還應(yīng)對(duì)根系與地上部相聯(lián)系，進(jìn)行深入分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]Baquy M A A，Li J Y，Xu C Y，et al. Determination of critical pH and Al concentration of acidic Ultisols for wheat and canola crops[J]. Solid Earth，2017，8（1）：1-15.

[2]Zhu Q C，Liu X J，Hao T X，et al. Modeling soil acidification in typical Chinese cropping systems[J]. Science of the Total Environment，2018，613/614：1339-1348.

[3]Mir M A，John R，Alyemeni M N，et al. Jasmonic acid ameliorates alkaline stress by improving growth performance，ascorbate glutathione cycle and glyoxylase system in maize seedlings[J]. Scientific Reports，2018，8：2831.

[4]Choudhury F K，Rivero R M，Blumwald E，et al. Reactive oxygen species，abiotic stress and stress combination [J]. The Plant Journal，2017，90（5）：856-867.

[5]Verma V，Ravindran P，Kumar P P. Plant hormone-mediated regulation of stress responses[J]. BMC Plant Biology，2016，16：86.

[6]李海洋，李愛學(xué)，王 成，等. 鹽脅迫對(duì)苗期向日葵內(nèi)源激素含量的影響[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2018，36（6）：92-97.

[7]李春燕，徐 雯，劉立偉，等. 低溫條件下拔節(jié)期小麥葉片內(nèi)源激素含量和抗氧化酶活性的變化[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2015，26（7）：2015-2022.

[8]張文靜，劉 亮，黃正來(lái)，等. 低溫脅迫對(duì)稻茬小麥根系抗氧化酶活性及內(nèi)源激素含量的影響[J]. 麥類作物學(xué)報(bào)，2016，36（4）：501-506.

[9]張 敏，蔡瑞國(guó)，李慧芝，等. 鹽脅迫環(huán)境下不同抗鹽性小麥品種幼苗長(zhǎng)勢(shì)和內(nèi)源激素的變化[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，28（1）：310-320.

[10]楊東清，王振林，倪英麗，等. 高溫和外源ABA對(duì)不同持綠型小麥品種籽粒發(fā)育及內(nèi)源激素含量的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，47（11）：2109-2125.

[11]馬 超，馮雅嵐，張 均，等. 外源茉莉酸甲酯對(duì)干旱脅迫下小麥花后內(nèi)源激素含量及產(chǎn)量形成的影響[J]. 植物生理學(xué)報(bào)，2017，53（6）：1051-1058.

[12]張 鑫. 外源ABA對(duì)花后干旱脅迫下小麥光能利用及同化物轉(zhuǎn)運(yùn)的影響[D]. 泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2019.

[13]劉海英，崔長(zhǎng)海，趙 倩，等. 施用有機(jī)肥環(huán)境下鹽脅迫小麥幼苗長(zhǎng)勢(shì)和內(nèi)源激素的變化[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，31（15）：4215-4224.

[14]郝再彬，蒼 晶，徐 仲. 植物生理實(shí)驗(yàn)[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

[15]張玉瓊，仲延龍，高翠云，等. 高效液相色譜法分離和測(cè)定小麥中的5種內(nèi)源激素[J]. 色譜，2013，31（8）：800-803.

[16]Hinsinger P，Bengough A G，Vetterlein D，et al. Rhizosphere：biophysics，biogeochemistry and ecological relevance[J]. Plant and Soil，2009，321：117-152.

[17]Movafegh S，Jadid R R，Kiabi S. Effect of salinity stress on chlorophyll content，proline，water soluble carbohydrate，germination，growth and dry weight of three seedling barley （Hordeum vulgare L.） cultivars[J]. Journal of Stress Physiology & Biochemistry，2012，8（4）：157-168.

[18]Qin Y，Bai J H，Wang Y Q，et al. Comparative effects of salt and alkali stress on photosynthesis and root physiology of oat at anthesis[J]. Archives Biological Sciences，2018，70（2）：329-338.

[19]Abd El-Ghany T M，Masrahi Y S，Mohamed A，et al. Maize （Zea mays L.） growth and metabolic dynamics with plant growth-promoting rhizobacteria under salt stresses[J]. Plant Pathology & Microbiology，2015，6：9.

[20]劉趙月，李蕊彤， 李晶，等. 鹽堿脅迫下京尼平苷對(duì)玉米種子萌發(fā)及根系A(chǔ)sA-GSH循環(huán)的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2020，36（4）：842-850.

[21]Zhang H，Liu X L，Zhang R X，et al. Root damage under alkaline stress is associated with reactive oxygen species accumulation in rice （Oryza sativa L.） [J]. Frontiers in Plant Science，2017，8：1580.

[22]鄒 禹，劉園園，錢寶云，等. 水稻高鹽脅迫下的酵母雙雜交文庫(kù)構(gòu)建及OsRPK1胞內(nèi)互作蛋白質(zhì)的篩選[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2019，35（4）：753-763.

[23]劉艷麗，劉桂珍，崔黨群. 鹽脅迫下不同品種小麥苗期抗氧化保護(hù)酶活性的變化[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（28）：18-20.

[24]高 婷，張 杰，馬瑞紅，等. NaCl脅迫對(duì)黑籽南瓜生長(zhǎng)和生理特性的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2020，48（6）：122-124，137.

[25]陳劉平，陳巧艷，李新華，等. NaCl脅迫對(duì)小麥苗期和灌漿期生理生化特性及產(chǎn)量性狀的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，47（13）：85-90.

[26]楊舒貽，陳曉陽(yáng)，惠文凱，等. 逆境脅迫下植物抗氧化酶系統(tǒng)響應(yīng)研究進(jìn)展[J]. 福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，45（5）：481-489.

[27]Durbak A，Yao H，Mcsteen P. Hormone signaling in plant development[J]. Current Opinion in Plant Biology，2012，15（1）：92-96.

[28]Ryu H，Cho Y G. Plant hormones in salt stress tolerance[J]. Journal of Plant Biology，2015，58：147-155.

[29]郭美俊，白亞青，高 鵬，等. 二甲四氯脅迫對(duì)谷子幼苗葉片衰老特性和內(nèi)源激素含量的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2020，53（3）：513-526.

[30]Zhang X H，Liu Y H，Liu Q，et al. Nitric oxide is involved in abscisic acid-induced photosynthesis and antioxidant system of tall fescue seedlings response to low-light stress[J]. Environmental and Experimental Botany，2018，155：226-238.

[31]Sewelam N，Kazan K，Schenk P M. Global plant stress signaling：reactive oxygen species at the cross-road[J]. Frontiers in Plant Science，2016，7：187.

[32]徐呈祥. 等滲透勢(shì)干旱、鹽、堿脅迫下5個(gè)棗品種及酸棗的生物學(xué)響應(yīng)與抗逆性[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32（12）：139-146.