Na2CO3胁迫对水稻幼苗光合荧光及抗氧化酶的影响

1Na2CO3胁迫对水稻幼苗光合、荧光及抗氧化酶的影响*李娇1,卜宁1，辛世刚2，罗爽1,李雪梅1（1.沈阳师范大学化学与生命科学学院,沈阳110034;沈阳师范大学实验中心,沈阳110034）摘要：本文采用不同浓度（0、5、10、15和20mM）Na2CO3溶液对水稻幼苗进行胁迫处理，研究水稻光合荧光及抗氧化能力的变化情况。随Na2CO3胁迫浓度的增加，叶绿素含量、净光合速率以及水分利用效率逐渐降低；PSⅡ的潜在活性和PSII最大光化学效率显著下降；超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶活性呈现先增加后降低的变化趋势；电导率、丙二醛以及游离脯氨酸含量均呈上升趋势；根系总吸收面积、活跃吸收面积表现为明显的下降趋势。总之，在Na2CO3胁迫下,低浓度的Na2CO3会诱导抗氧化酶活性，高浓度的Na2CO3对水稻的生长有显著的抑制作用。关键词：Na2CO3胁迫；水稻；光合作用；荧光参数；抗氧化酶中图分类号:Q943.2文献标志码:A0引言土壤的盐化和碱化严重影响全球93200万公顷土地，使亚洲约10000万公顷土地生产力降低[1]。水稻属于不耐盐的甜土植物[2]，受盐碱危害的稻田，地表水土的pH值大约在8.0以上，个别灌溉井水的pH值在9.0左右。水稻种子萌发后对盐碱极为敏感，芽尖枯黄，迟迟不能冒青，直到死亡。幼苗期自叶尖端逐渐向基部，由下部叶片向新叶逐渐枯黄，根系发育不良，根尖变黑褐色，秧苗全株枯焦死亡[3]。与此同时，盐碱胁迫也会改变植物一系列的生理生化过程，如干扰植物组织及细胞的离子平衡、降低叶绿素含量等[4-6]，同时也使植物体内活性氧积累,引发膜脂过氧化,导致细胞膜结构损伤[7]；植物会增加游离脯氨酸、可溶性蛋白等渗透调节物质的含量，以降低细胞的渗透势，提高保水能力[8]。预计到2050年，将有超过50％的耕地会变得盐碱化[9]。因此,水稻在发芽期和幼苗期的耐盐碱性是盐碱稻区水稻早期生长阶段不可忽视的抗逆性状,应引起足够的重视[10]。本文以水稻为实验材料，用Na2CO3模拟盐碱胁迫，探讨盐碱胁迫对水稻幼苗光合荧光及抗氧化能力的影响，揭示水稻对盐碱环境的适应机理，以期对盐碱地区水稻的耐盐碱性遗传改良提供一些理论依据。1材料与方法1.1材料及处理供试水稻（OryzasativaL.）品种为辽星一号，由沈阳农业大学水稻研究所提供。选取籽粒饱满整齐的水稻种子，于28℃恒温浸种24h后，于30℃催芽24h。取发芽的水稻种子，整齐摆放在含纱网的塑料烧杯上，烧杯内装满Hoagland营养液进行水培。于人工气候箱（昼夜温度*课题资助：国家自然科学基金（31270369，31070285）资助项目，沈阳师范大学实验中心主任基金（SY201102）资助项目，沈阳师范大学大学生课题资助项目。作者简介:李娇(1988-).辽宁盘锦人.女.硕士研究生.研究方向:生物化学与分子生物学。通讯作者:李雪梅(1967-).河北三河.博士.教授.研究方向:植物逆境生理;E-mail:[e-mail]。228℃/26℃；光照16h；80%相对湿度；光强3000lux）中培养6天，生长过程中每天定时定量补充营养液。6天后换用分别含0、5、10、15和20mMNa2CO3的Hoagland营养液进行胁迫处理，各处理重复3次。胁迫处理6天后开始测定各项生理指标。1.2测定指标叶绿素含量采用乙醇丙酮法测定；利用Li-6400便携式光合仪测定光合参数；利用连续激发式荧光仪(PocketPEA,Hansatech，英国)测定荧光参数；超氧化物歧化酶(SOD)活性采用NBT光化还原法测定[11]；过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法测定[11]；过氧化氢酶(CAT)活性采用紫外分光光度计法测定[12]；电导率采用DDS-11A型电导率仪测定[11]；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸显色法测定[11]；根系总吸收面积和活跃吸收面积采用甲烯蓝吸附法测定[11]；游离脯氨酸含量采用茚三酮比色法测定[11]。1.3数据处理统计分析采用方差分析(one-wayANOVA)，数据以平均值±标准误(mean±SE)表示。2结果与分析2.1Na2CO3胁迫对水稻叶绿素含量、净光合速率及水分利用效率的影响随着Na2CO3胁迫浓度的增加，水稻幼苗叶片叶绿素含量逐渐降低，20mM与0～10mMNa2CO3胁迫间表现为显著差异（图1）。15mMNa2CO3胁迫已经显著降低叶片净光合速率（Pn），水分利用效率（净光合速率与蒸腾速率的比值）随胁迫浓度增加略有提高，但未达显著水平，随浓度增加到20mMNa2CO3时WUE已显著下降（图1）。王波等[13]研究表明，在重度盐碱胁迫下燕麦的WUE呈现先增加后降低的变化趋势，与本研究结果基本一致。babaaa00.61.21.805101520Na2CO3浓度(mM)Chla+b含量(mg/gFW)aaabbc0246805101520Na2CO3浓度(mM)Pn(μmol/m2s)babaaa00.71.42.12.805101520Na2CO3浓度(mM)WUE(μmol/mol)图1Na2CO3胁迫对水稻叶片叶绿素(Chla+b)含量、净光合速率(Pn)及水分利用效率(WUE)的影响2.2Na2CO3胁迫对水稻叶片荧光参数的影响PSII最大光化学效率（Fv/Fm）在非环境胁迫条件下极少变化，不受物种和生长条件的影响，正常生长条件下该参数为0.8或略高；Fv/Fo表示PSⅡ的潜在活性，正常情况下该参数为4或略高[14]。当水稻幼苗受到5mMNa2CO3胁迫，Fv/Fo低于4，而Fv/Fm低于0.8，说明此时叶片光合反应中心的活性有所下降，胁迫浓度增加到10mM时，上述两个参数与对照相比呈显著降低，并随胁迫浓度增加而下降（图2）。3ccbaba01234505101520Na2CO3浓度（mM）Fv/Foccbaba0.60.650.70.750.80.8505101520Na2CO3浓度(mM)Fv/Fm图2Na2CO3胁迫对水稻叶片荧光参数(Fv/Fo、Fv/Fm)的影响2.3Na2CO3胁迫对水稻叶片抗氧化酶活性的影响随着Na2CO3胁迫浓度的增加，水稻叶片SOD、POD和CAT活性呈先增加后降低的变化趋势（图3）。在低浓度Na2CO3胁迫下，SOD和POD活性显著升高，但随着胁迫增加，二者活性逐渐下降。在5mMNa2CO3胁迫下POD活性无显著变化，但浓度增加到10mM时POD活性呈现迅速下降趋势。有研究表明抗氧化酶活性的提高是一种急性解毒措施，是使细胞免受毒害的调节反应，但其调节能力是临时的、有限的，当细胞长时间受到胁迫，细胞内的活性物质包括酶类也会受到损伤而使活性下降[15]。符秀梅等[16]也曾报道过SOD和POD活性在一定范围内与盐胁迫强度呈正相关，在高盐胁迫下，SOD和POD活性明显下降。bababc05101520253005101520Na2CO3浓度(mM)CAT活性(U/gFWmin)bbbaa02468101205101520Na2CO3浓度(mM)POD活性(U/gFWmin)abababab0510152025303505101520Na2CO3浓度(mM)SOD活性(U/gFW)图3Na2CO3胁迫对水稻叶片抗氧化酶活性的影响2.4Na2CO3胁迫对水稻叶片电导率、丙二醛及脯氨酸含量的影响植物在逆境条件下会产生许多自由基，过多的自由基会引发膜脂的过氧化作用，其产物MDA会严重损伤细胞膜系统。因此，MDA含量反映出膜脂过氧化的程度。与此同时，细胞膜的通透性增强，一些渗透物质流出，导致电导率增加。在Na2CO3胁迫下，水稻叶片MDA含量和电导率的变化趋势基本一致，即随着Na2CO3浓度的增加而增加，显著高于对照组（图4）。这说明Na2CO3胁迫导致细胞膜损伤，且随着胁迫增加，损伤程度不断加剧。在Na2CO3胁迫下植物因大量失水会受到渗透胁迫，植物体内最有效的一种渗透调节物质脯氨酸含量会积累以调节细胞的渗透势。低浓度Na2CO3胁迫对脯氨酸含量影响不明显，在15和20mMNa2CO3胁迫下，脯氨酸含量增加显著（图4），说明在高浓度Na2CO3胁迫下，植物体内积累的脯氨酸含量更多，受到的伤害更严重。张永锋等[17]报道随着盐碱胁迫浓度的增大，苜蓿叶片中脯氨酸含量逐渐升高。4aaabb015304560759005101520Na2CO3浓度(mM)电导率(μs/cm)aababbb01530456005101520Na2CO3浓度(mM)丙二醛含量(μmol/gFW)abccc00.30.60.91.21.51.805101520Na2CO3浓度(mM)脯氨酸含量(μg/gFW)图4Na2CO3胁迫对水稻叶片电导率、丙二醛及脯氨酸含量的影响2.5Na2CO3胁迫对水稻根系吸收面积的影响根系总吸收面积能反映根系吸收水分和养分的能力，根系活跃吸收面积则能在一定程度上反映根系活力的情况[18]。随着Na2CO3胁迫浓度的增加而呈降低的变化趋势（图5），在5和10mMNa2CO3胁迫下，水稻幼苗根系总吸收面积和根系活跃吸收面积与对照相比无不显著，在15和20mMNa2CO3胁迫下，二者迅速降低，与对照相比差异显著。aaabb0102030405005101520Na2CO3浓度(mM)根系总吸收面积（m2/株）bbabaa051015202505101520Na2CO3浓度(mM)根系活跃吸收面积(m2/株)图5Na2CO3胁迫对水稻根系吸收面积的影响3讨论Yang等[19]研究发现随着盐碱胁迫增强，光合色素含量以及光合参数急剧下降。本研究也得出相似的结果，即光合色素含量、Pn以及WUE随胁迫浓度增大逐渐降低。土壤盐分过多使RuBP羧化酶活性降低，叶绿体趋于分解，光合色素生物合成受阻，气孔关闭，使光合速率下降[20]。王波等[13]研究表明，在重度盐碱胁迫下燕麦的WUE增加，是由于燕麦吸水困难，不得不关闭气孔，降低蒸腾，以维持自身生存对水分的需要，从而使WUE升高。但重度胁迫会显著降低光合，从而使WUE降低。当植物受到环境胁迫后，Fv/Fm和Fv/Fo会发生明显变化，是反映胁迫程度的良好指标和探针。Na2CO3胁迫降低Fv/Fm和Fv/Fo，表明胁迫抑制了PSII的活性。Fv/Fm的降低可能是由于PSII供体侧失活导致的[21]。植物受到胁迫时活性氧（Reactiveoxygenspecies，ROS）浓度会增加，抗氧化酶类（主要包括SOD、POD和CAT）活性会增加以清除植物体内过多的ROS，缓解伤害，维持植物正常的生长发育[22]。但是，当环境胁迫达到一定程度时，抗氧化酶类来不及清除过多的ROS，过剩的ROS会对抗氧化酶系统造成损5伤，导致抗氧化酶活性降低[23]。本研究发现在Na2CO3胁迫下，SOD、POD和CAT活性均随着Na2CO3浓度的增加而呈先增加后降低的趋势，说明低浓度的Na2CO3会诱导植物体内抗氧化酶的活性，而高浓度则会抑制抗氧化酶的活性。过多的ROS还会引发膜脂过氧化作用，同时导致膜透性增大，电导率增加。本研究表明在低浓度Na2CO3胁迫下植物叶片的电导率及丙二醛含量变化不显著，而高浓度Na2CO3胁迫导致二者显著增加，说明高浓度的Na2CO3胁迫对植物叶片的伤害增大。该实验结果与张娜等[24]报道的在环境胁迫下植物叶片的相对电导率及丙二醛含量均随着胁迫程度的加剧而增加相一致。脯氨酸在胁迫下会大量积累，降低细胞渗透势，缓解水分流失对植物造成的伤害。韩玉静等[25]研究发现，盐碱胁迫下羊草幼苗通过积累大量的脯氨酸降低羊草体内的水势伤害，提高羊草的吸水能力，提高植株抗盐碱能力。本研究中高浓度的Na2CO3使水稻叶片内脯氨酸含量迅速积累，调节植物的渗透势，维持植物体的水分平衡。根系吸收面积大，活力强，有利于根系吸收水分及营养物质，为植物地上部分的生长提供必需的养料，促进植物地上部分的生长。本研究表明高浓度Na2CO3胁迫减少了根系的吸收面积，这说明水稻幼苗通过降低根系总吸收面积来减