不同预处理对PEG胁迫下水稻幼苗抗氧化系统的影响

2015-09-10 14:57陈美静刘倩雯张宝龙等
江苏农业科学 2015年8期
关键词:抗氧化酶预处理水稻

陈美静 刘倩雯 张宝龙等

摘要: 以模式植物水稻为材料,分别用蒸馏水、10%PEG、100 mmol/L NaCl、1 mmol/L SA、0.1 mmol/L ABA水溶液对水稻种子进行预处理,并以15%PEG模拟水分胁迫,分别测定PEG胁迫0、2、4、6 d时的抗氧化酶[超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、过氧化物酶(peroxidase,POD)、过氧化氢酶(catalase,CAT)]活性及丙二醛(MDA)、游离脯氨酸含量。结果显示,SOD、POD活性均随着PEG胁迫时间的延长呈上升趋势,CAT活性则呈先上升后下降的趋势;ABA、SA预处理均能在一定时间内显著提高PEG胁迫水稻SOD、POD、CAT活性,ABA预处理降低MDA含量,但对脯氨酸含量无显著影响。研究结果表明,ABA预处理可作为简单、有效的策略缓解水分对水稻的胁迫作用。

关键词: 水稻;PEG胁迫;预处理;抗氧化酶;过氧化产物

中图分类号: S511.01 文献标志码: A

文章编号:1002-1302(2015)08-0076-03

目前世界上的水稻种植面积达到了1.3亿hm2,其中亚洲占92%。我国是水稻种植大国,水稻是我国重要的粮食作物之一。水稻对水分的要求极高,而我国处于温带大陆性气候区,水分缺失是重要的限制因子 [1-2]。面对严峻的水资源短缺问题,研究水稻耐水分胁迫的响应机理、提高水稻的抗旱能力迫在眉睫 [3]。 植物受到PEG等非生物胁迫时会产生活性氧自由基(ROS),对细胞膜系统、蛋白质、脂类、核酸等生物大分子具有强烈的破坏作用 [4-5]。预处理是目前常用的提高植物抗逆性的有效方法之一 [6],Seo等曾研究NaCl胁迫下茉莉酸对水稻赤霉素、脱落酸的影响 [7];Cayuela等曾研究在NaCl胁迫下,用NaCl预处理番茄幼苗来提高番茄果实的产量 [8]。因此,预处理作为提高植物抗逆性的有效方法,应引起足够的重视。 本研究以水稻为试验材料,旨在从抗氧化酶、过氧化产物方面来研究当水稻面临PEG模拟胁迫时,预处理是否能够提高其抗旱能力。

1 材料与方法

1.1 材料准备

以模式植物水稻(Oryza sativa L.)为试验材料,品种为辽星一号,由沈阳农业大学稻作研究室提供。

精选水稻种子,分6组进行预处理。(1)对照组:无预处理;(2)蒸馏水组:用蒸馏水浸种;(3)PEG组:用10%PEG溶液浸种;(4)NaCl组:用100 mmol/L NaCl 溶液浸种;(5)SA组:用 1 mmol/L SA 溶液浸种;(6)ABA组:用0.1 mmol/L ABA 溶液浸种。用400 mL溶液(完全浸没种子)于室温下浸种18 h,然后用蒸馏水冲洗3~5次,铺开放在滤纸上阴干、备用。

将6组种子分别于28 ℃恒温箱(黑暗)中浸种24 h,催芽24~36 h,用Hoagland 完全营养液于人工气候箱(昼/夜温度为28 ℃/25 ℃、光照/黑暗时间为16 h/8 h、相对湿度80%、光照度3 000 lx)中培养,每组播种3盆,每天补充营养液,7 d后将6组水稻幼苗分别用含15%PEG的完全营养液模拟水分胁迫 6 d。并在胁迫前(0 d)和胁迫后2、4、6 d进行各项生理指标的测定。

1.2 生理指标的测定方法

超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性采用氮蓝四唑(NBT)光化还原法 [9]测定;过氧化物酶(peroxidase,POD)活性采用愈创木酚法 [10]测定;过氧化氢酶(catalase,CAT)活性采用紫外-可见分光光度法 [11]测定;丙二醛(MDA)、游离脯氨酸含量采用张志良等的方法 [12]测定。

1.3 数据的处理

试验数据采用SPSS 20.0、Excel软件相结合进行方差分析(ANOVA)、LSD检测,比较其差异显著性,所有数据指标均重复3次。

2 结果与分析

2.1 不同预处理对PEG胁迫下水稻幼苗抗氧化酶活性的影响

SOD、POD、CAT是清除植物体内活性氧的抗氧化酶,在水分胁迫条件下,抗氧化酶可以降低体内活性氧的积累,从而降低机体受伤害的程度 [13]。

由图1可见,在未进行PEG胁迫时,PEG预处理组SOD活性显著高于对照组及其他预处理组;随着胁迫时间的延长,除蒸馏水、SA预处理组呈先上升后下降趋势外,其他各处理组SOD活性总体呈上升趋势,而自始至终PEG预处理组SOD上升幅度并不明显。胁迫2 d时,除蒸馏水处理组外,各预处理组的SOD活性均显著高于对照组;胁迫4 d时,蒸馏水、SA、ABA处理组的SOD活性显著高于对照组;当胁迫时间达到6 d时,NaCl、ABA预处理组的SOD活性显著高于对照组。这些结果表明,在15%PEG胁迫条件下,预处理激活了水稻的ROS防御机制,使其通过提高SOD活性来保护水稻自身免受ROS的损伤。总体来看,PEG、NaCl、ABA预处理效果较好。

由图2可知,在无胁迫处理时,NaCl预处理POD活性低于对照组,其余各处理组POD活性与对照组间不存在显著差异;随着胁迫时间的延长,各处理组POD活性总体呈上升趋势。PEG胁迫2~4 d时,蒸馏水、ABA处理组POD活性显著高于对照组;当胁迫时间达到6 d时,仅ABA处理组的POD活性显著高于对照组。表明在PEG胁迫下,预处理激活了水稻的ROS防御机制,经过预处理的水稻幼苗抗逆能力更强,特别是蒸馏水、ABA预处理的效果更为明显。

由图3可知,在未受胁迫时,各处理组与对照间CAT活性不存在显著差异;随着胁迫时间的延长,除NaCl处理组CAT活性呈上升趋势外,其他各处理组呈现先上升后下降的趋势。罗英等研究表明,随着PEG胁迫时间的延长,SA预处理的凤仙花CAT活性呈先上升后下降的趋势 [14],本试验结果与之相似。在PEG胁迫2、4、6 d时,各处理组CAT活性变化趋势相似,SA、ABA处理组显著高于对照组,表明在15%PEG胁迫下,预处理激活水稻的ROS防御机制,通过提高CAT活性清除体内过多的过氧化氢来降低自身受伤害的程度,特别是SA、ABA预处理的效果较为明显。

2.2 不同预处理对PEG胁迫下水稻幼苗MDA含量的影响

植物在受PEG胁迫下会产生许多ROS,过多的ROS会使膜脂过氧化,MDA便是膜脂过氧化的产物,会损伤膜系统。由图4可知,在未进行PEG胁迫时,各处理组间MDA含量很低[CM(25]且不存在显著差异;胁迫2 d时,各处理组MDA含量与对照间不存在显著差异;胁迫4 d时,对照组MDA含量急剧升 高,蒸馏水、PEG、ABA预处理组MDA含量显著低于对照组;当胁迫时间达到6 d时,PEG、ABA预处理组的MDA含量显著低于对照组。结果表明,预处理特别是PEG、ABA处理可明显降低MDA含量,从而降低水稻膜脂过氧化的损伤程度。

2.3 不同预处理对PEG胁迫下水稻幼苗游离脯氨酸含量的影响

以PEG模拟水分胁迫会使植物在大量失水时产生渗透胁迫,脯氨酸作为一种有效的渗透调节物质,在植物体内的积累可以调节植物细胞的渗透势 [15]。由图5可知,随着胁迫时间的延长,脯氨酸含量呈上升趋势;在未受胁迫时,NaCl、SA处理的脯氨酸含量较高;随着胁迫时间的延长,对照组脯氨酸含量上升明显,蒸馏水处理组脯氨酸含量上升幅度最小,且含量最低;胁迫处理2 d时,蒸馏水、PEG处理组脯氨酸含量显著低于对照,NaCl、SA、ABA处理组脯氨酸含量与对照无显著差异;胁迫处理4 d时,蒸馏水、PEG、NaCl处理组脯氨酸含量显著低于对照。对照组的脯氨酸含量呈明显上升趋势,表明随着水稻受PEG胁迫程度加深,需要通过增加脯氨酸含量来维持自身水分平衡;胁迫2、4 d,预处理组特别是蒸馏水、PEG处理组的脯氨酸含量明显低于对照组,说明预处理明显提高了水稻的抗性。

3 结论

研究表明,提高植物体内抗氧化酶活性是提高植物抗逆性的有效途径之一 [16-17]。本研究表明,随着PEG胁迫时间的延长,SOD、POD活性呈上升趋势,经过预处理水稻幼苗SOD、POD活性明显高于对照组,表明预处理是一种抗旱锻炼,可提高水稻的抗旱能力;CAT活性多数呈现先上升后下降的趋势。刘晓辉等对西瓜幼苗的研究表明,在外施激素条件下,随着低温胁迫程度的增加,CAT活性呈先上升后下降的趋势 [18]。这可能由于随着PEG胁迫时间的延长,水稻体内积累的ROS过多,CAT来不及清除过多的过氧化氢,导致胁迫后期CAT活性下降 [19]。虽然在胁迫后期,CAT活性有所下降,但是经过SA、ABA预处理的水稻幼苗CAT活性均高于对照组,同样表明了预处理可以提高水稻的抗旱能力。整体来看,SA、ABA预处理对提高15%PEG胁迫下水稻幼苗的抗氧化酶活性效果更为明显,更能提高水稻的抗逆性。

植物在受到PEG等非生物胁迫时,会形成ROS,如果过量的ROS不能及时被清除,植物将会受到严重的氧化伤害 [20]。MDA是植物细胞膜脂过氧化作用的最终产物,对细胞膜具有毒害作用,是最常用的膜脂过氧化指标 [21]。Srivastava 等对芥菜的研究表明,在PEG胁迫下蒸馏水处理的MDA含量要低于对照,而ABA预处理却高于对照 [22]。本试验研究表明,随着PEG胁迫时间的延长,MDA含量呈明显的上升趋势,胁迫4、6 d,对照组MDA含量明显高于其他各预处理组,其中以ABA、PEG处理组的MDA含量最低,表明预处理,特别是PEG、ABA处理明显提高了水稻的抗性。

脯氨酸作为植物体内一种重要的渗透调节物质,在受到PEG胁迫时会大量积累,从而提高其渗透调节能力,对植物起到缓冲保护作用,可提高植物的抗逆性,因此许多人把脯氨酸的积累能力看作是植物抗旱性选择的基础 [23-24]。本试验结果表明,随着PEG胁迫时间的延长,脯氨酸含量呈明显的上升趋势。表明15%PEG引起渗透胁迫,植物体内脯氨酸含量增加以提高渗透调节能力。各预处理组脯氨酸含量明显低于对照组,表明随着胁迫时间的延长,经过预处理的水稻幼苗特别是蒸馏水、PEG预处理组并未感受到强烈的渗透胁迫,不需要大量增加脯氨酸来调节渗透势差,从而明显提高了水稻的抗逆性。

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