水稻幼苗对渗透胁迫的响应

白晓霞，龚 晔

(榆林学院 生命科学学院, 陕西 榆林 719000)

水稻是我国最重要的粮食作物之一,播种面积约占我国粮食播种总面积的29%，总产量约占全国粮食总产量的42%[1]。据统计，我国农业用水约占总用水量的80%，而稻米用水量占农业用水量的65%以上。采用传统的水淹栽培方式，造成灌溉水以地表蒸发、淋失等途後损失率≥80%，水分利用率仅为30%～40%[2]。因此，中国作为水稻生产和消费大国, 开展节水、抗旱研究，对提高逆境条件下水稻的产量意义重大[3]。

干旱造成植物的伤害主要表现在多个方面，如植物细胞的生理脱水、光合作用受抑以及呼吸紊乱、进而整个植株代谢异常等，其本质是由植物的活性氧造成的质膜损伤与膜透性增加，研究表明,干旱能引起植物体内活性氧积累,从而导致膜脂过氧化，蛋白质、核酸等遭到破坏，生物膜受损[3]。但同时，植物在长期的自然进化过程中,形成了一定的自我调节机制，通过启动抗氧化防御系统来抵抗活性氧的伤害,如可通过提高渗透调节物质含量，来降低植物体内水势使其保持正常的根系吸水。

甘露醇是一种白色针状结晶固体，分子式为C6H14O6，易溶于水，溶液略呈碱性，是优良的不带电渗透物质，其最大的特点是亲水性强，溶于水后能产生强大渗透压[4]，因此，常常用作植物或种子的渗透调节物质来模拟干旱，使植物或种子处于水分胁迫之中，做出一定的自我调整以适应环境条件。实验研究“汉中雪糯”水稻在干旱条件下生化指标的变化,比较不同处理下水稻幼苗的生理生态适应性, 期望探索水稻对渗透胁迫的响应规律，为在分子水平揭示水稻对渗透的响应和适应机制提供依据与参考。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料：汉中雪糯(汉中太丰种业有限公司)。

1.2 实验方法

1.2.1 实验预处理 取颗粒饱满，色泽均一的水稻种子，用0.1% HgCL2灭菌10 min，再用无菌水清洗4～5次。吸水浸泡24 h后，分别取60粒种子播种在垫有两层滤纸的培养皿中，在生化培养箱下进行萌发试验(光强3 000 lx,光期12 h, 昼温28℃，夜温25℃)。定期补充水分和营养液(国际水稻所吉田昌)，培养至二叶期备用。

1.2.2 水分胁迫处理 选用生长健壮的幼苗，分别用0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 mol·L-1甘露醇进行处理(用蒸馏水处理作对照)，CK为对照组。每个浓度设置3个重复，于胁迫后第0 h、24 h、48 h取叶片进行生理指标测定。

1.2.3 测定项目及方法 SOD活性采用氮蓝四唑光还原法测定，POD活性采用愈创木酚法测定，可溶性糖含量的测定采用蒽酮比色法[5]。

试验数据用Excell 2010处理并绘图，用SPSS23.0进行比较分析。

2 结果与分析

2.1 甘露醇对水稻幼苗SOD活性的影响

作为细胞中普遍存在的一类金属酶，SOD是水稻抗氧化系统的第一道防线，它是活性氧的清除剂，可通过及时催化O2-与2个H2+发生歧化，反应形成H2O2和O2，使细胞免受活性氧的毒害。研究表明，酶活性越高，清除活性氧(ROS)的能力越强，植物的抗逆性也越强。

表1 不同处理后水稻幼苗OD值和相应的SOD活性

由图1可知，甘露醇处理后0h，即未经甘露醇处理时，各处理组水稻幼苗SOD活性变化不显著(P>0.05)，维持在5.84～5.94 u·g-1Fw之间。水稻幼苗经不同浓度甘露醇处理后，各实验组SOD活性均呈现逐渐升高趋势，且胁迫后24h，各处理组叶片中SOD活性分别达到CK的1.41、1.61、1.78、2.01、2.28倍，胁迫后48h分别达到CK的1.24、1.43、1.47、1.52、1.78倍，表明渗透胁迫激活了水稻体内的抗氧化防御机制。同时也表明胁迫时间从0到24h，再延长至48h，SOD活性呈现出先升高后降低的趋势，这说明植物的抗旱能力是有限的，水稻同样如此，在胁迫初期水稻的抗氧化系统功能较为完善，能够及时清除细胞体内的ROS，使植物免受伤害。但随着水分胁迫时间的延长，活性氧的产生速率超过了植物的正常清除速率，使细胞中未被及时清除的活性氧逐渐积累，当活性氧积累达到一定程度，对细胞膜系统又会造成一定程度的伤害，植物生理代谢受到影响，抑制了SOD的产生，最终导致水稻幼苗体内的SOD活性有所下降(表1)。

2.2 甘露醇对水稻幼苗POD活性的影响

POD可看作是一种诱导酶，能够催化以H2O2为氧化剂的氧化还原反应，在氧化其他物质的同时与CAT共同作用，以消除SOD作用产生过量的H2O2，从而使H2O2维持在一个较低的水平。POD活性随水稻生长发育进程以及环境条件的改变而变化。

同SOD活性变化情况相同，甘露醇处理后0 h，水稻幼苗各处理POD活性维持在8.0—9.4 u·g-1Fw.min-1，变化不显著(P>0.05)(图2)；胁迫后0—24 h内，各处理组水稻幼苗叶片随处理时间的延长POD活性持续升高，至胁迫后24 h，各组POD活性分别为CK的1.43、1.79、1.70、2.14、2.83倍；至胁迫后48 h，各组的POD活性分别为CK的1.28、1.49、1.47、1.77、2.25倍。(表2)这表明：一方面，相同时间内POD活性与甘露醇浓度呈正相关；另一方面，各处理组水稻幼苗叶片POD活性随时间的延长呈现出先升高后降低的趋势，胁迫后24 h叶片中POD活性与CK差异达到显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)水平，由于POD活性升高使得H2O2分解增强，从而减轻了甘露醇胁迫对水稻叶片的危害，这表明水分胁迫激活了水稻体内的抗氧化防御机制，使得POD活性升高，POD活性升高使得H2O2分解增强，从而减轻了甘露醇胁迫对水稻叶片的危害。甘露醇浓度越大，即渗透胁迫强度越大，POD活性上升越快，上升趋势越明显。这可能是由于水分胁迫强度大，植物体产生的ROS多，ROS经SOD作用产生了较多的H2O2，进而诱发机体产生较多的POD，从而减轻了植物体叶片细胞膜结构受到的伤害，增强了水稻叶片的抗旱性。

表2 不同处理后水稻幼苗叶片提取物OD470的变化

甘露醇胁迫后48 h的POD活性明显降低，但仍然比CK的POD活性高。这说明在胁迫后期，SOD清除ROS的速度低于ROS的产生速度。这可能是由于一方面，一定程度的渗透胁迫通过增强SOD合成水平或减少ROS的降解来提高SOD活性水平，而另一方面，长时间胁迫又可能使大量产生的ROS阻碍了POD的合成，从而导致POD活性有所降低，活性氧代谢持续增强，植物抗旱性降低。

2.3 甘露醇对水稻幼苗叶片可溶性糖含量的影响

与SOD、POD活性的变化规律相同，随着渗透胁迫时间的延长，可溶性糖含量呈现先升高后降低的趋势(表3)；另外，由图3知，水稻幼苗可溶性糖含量与甘露醇浓度呈正相关关系，这说明胁迫早期水稻通过提高自身可溶性糖含量来克服逆境，缓解渗透胁迫的影响；随着胁迫时间的延长，水稻细胞内未被及时清除的ROS含量升高，细胞膜系统在一定程度上遭受破坏，进而导致胁迫48 h后可溶性糖含量较胁迫24 h后有所下降，但仍然高于胁迫0 h后可溶性糖含量，这表明水分胁迫激活了水稻体内抗渗透胁迫的保护机制，通过生理调节反应来升高自身细胞渗透压、降低水势、缩小细胞内部与外界渗透压梯度，保证水稻生理代谢的持续进行[6]。

表3 不同处理后水稻幼苗叶片可溶性糖提取物OD625的变化

3 讨论与结论

(1)经甘露醇处理的水稻幼苗叶片膜脂的过氧化程度低于未经处理的水稻叶片，说明经甘露醇处理后的水稻植株抗性提高，能够通过自身的调控来有效降低丙二醛(MDA)的含量。

(2)渗透胁迫下水稻幼苗抗氧化酶类活性较对照组高，说明胁迫处理可以增强SOD、POD活性，可有效清除细胞内的ROS，减轻活性氧对细胞膜系统的毒害作用，从而提高水稻抗性。此研究结果与王有年[7]等的实验结果一致，随着水分胁迫程度的加深，抗氧化酶活性呈现先升高后降低的趋势。

(3) 渗透胁迫激活了水稻体内抗渗透胁迫的保护机制，通过生理调节反应来升高自身细胞渗透压、降低水势、缩小细胞内部与外界渗透压梯度，保证水稻生理代谢的持续进行。