诸葛菜对水分胁迫的生理生化反应和调节适应能力

1、 第25卷第1期西南师范大学学报(自然科学版 2000年2月V ol . 25N o . 1Journal of S outhwest China Normal University (Natural Science Feb. 2000文章编号:100025471(2000 0120033205诸葛菜对水分胁迫的生理生化反应和调节适应能力李莉( 云西南师范大学生命科学学院, 重庆400715摘要研究了水分胁迫对诸葛菜叶片的水分状况、渗透调节能力以及活性氧代谢的影响. 结果表明:在水分胁迫下, 诸葛菜叶片相对含水量(RWC , 自由水含量(FWC 下降, 束缚水含量(BWC 上升; 可溶性糖,

2、脯氨酸, K +, Ca 2+含量均出现明显的增加, 具有一定的渗透调节能力; 随着水分胁迫的加剧, O 2-产生速率增加, 丙二醛(M DA 积累, 导致膜损伤, 质膜透性上升, 超氧化物歧化酶(S OD 、过氧化物酶(POD 活性均出现“先上升, 后下降”的趋势, 抗坏血酸(AsA 含量则降低, 表现出诸葛菜一定的适应性.关键词诸葛菜; 水分胁迫; 渗透调节; 膜脂过氧化; 膜保护体系; 适应中图分类号Q 5文献标识码:A诸葛菜(Orgchophragmus violaceus 是十字花科芸苔族诸葛菜属的一年生或二年生的草本植物. 近年来, 研究表明:诸葛菜是一种品质优良的油料作物新种源,

3、 是新型的蔬菜资源和饲料资源1. 诸葛菜喜好土壤深厚, 肥沃, 潮湿的环境2, 然而水分胁迫是植物最易遭受的胁迫之一, 全世界每年由于水分胁迫造成的粮食生产的损失几乎等于其他所有环境因子胁迫所造成的损失的总和. 目前, 尚未有对诸葛菜进行水分胁迫的研究. 在西南地区, 春旱较易发生, 而此时正值诸葛菜的开花期, 势必对其产量产生重大影响. 故通过人工控制水分模拟春旱来研究开花期的诸葛菜对水分胁迫的生理生化反应及调节适应能力, 以期为诸葛菜的栽培及推广提供理论依据.1材料与方法用1998年夏收获的重庆本地的诸葛菜种在自然条件下盆栽. 盆钵直径为25cm , 高为23cm , 盆土为西南师范大学生

4、态实验园地的紫色壤土. 10月2日播种, 于次年2月27日开花期时, 选择长势一致的植株共120盆, 移入遮雨棚内分为对照、轻度胁迫、中度胁迫、重度胁迫4个组, 每组均为30盆, 进行水分胁迫处理, 处理过程如下表所示:收稿日期:1999210227李莉, 女, 29岁, 硕士研究生.3国家自然科学基金重点资助项目子课题(编号:39330050 34西南师范大学学报(自然科学版 第25卷2月27日3月5日3月12日+-3月19日+-对照+轻度胁迫+中度胁迫+重度胁迫+-注:“+”表示浇水, “-”表示不浇水. 每次浇水都浇透.于最后一次浇水后的第三天进行取样, 取自第一片完全展开叶下数的第38

5、片功能叶进行分析测定.土壤含水量取土表下35cm 的土壤来测定, 叶片相对含水量(RWC 用饱和含水量法测定, 自由水含量和束缚水含量用阿贝氏折射仪法测定3; 可溶性糖含量用蒽酮硫酸水合热法测定4; 游离脯氨酸含量用磺基水杨酸法测定5; K +含量用美国M odelS A720钾电极测定, 样品前处理采用湿法灰化法6; 质膜相对透性用电导仪法测定6; 超氧离子自由基O 2-7测定; 丙二醛测定采用硫代巴比妥酸(T BA 比色法8; (S OD 8测定; 过氧化物酶活性用愈创木酚法3测定; 抗坏血酸(AsA 含量用6. 3次, 取平均值.2211对照, 轻度, 中度及重度胁迫4组的土壤含水量分别

6、为:23133%, 16192%, 10182%, 7173%.其相对应的叶片的相对含水量为:94107%, 87101%, 76135%, 64103%(图1 . 符合按Hsiao 10的标准划分的水分胁迫程度. 表明:随着土壤干旱胁迫的增加, 叶的相对含水量降低. 图1还表明:随着胁迫程度的加剧, 自由水含量降低, 而束缚水的含量则相对增加, 自由水含量与束缚水含量的比值也随之减小. 诸葛菜叶的上述指标的变化表现了诸葛菜植株对干旱胁迫的一种适应性反应.212水分胁迫对诸葛菜叶片渗透调节能力的影响21211水分胁迫对诸葛菜叶片有机溶质的影响试验结果表明(图2 , 在水分胁迫下, 诸葛菜叶片的

7、可溶性糖以及脯氨酸的含量都明显增多, 且胁迫愈重, 可溶性糖和脯氨酸积累愈多. 相关分析表明, 它们二者的含量的增加均与叶的相对含水量的降低呈显著的负相关(r 值分别是:-01988213, -01967783 , 反映出诸葛菜对水分胁迫的适应性变化.21212水分胁迫对诸葛菜叶片无机离子含量的影响图3显示:随着水分胁迫的加剧, RWC 的下降, K +, Ca 2+都明显的增加, K +在轻度, 中度, 重度胁迫下的含量分别为对照的1131, 1159, 2164倍; Ca 2+在轻度, 中度, 重度胁迫下的含量分别为对照的3192, 7116, 10161倍, Ca 2+在不同的水分胁迫下

8、增加幅度远大于K +的增加幅度.213水分胁迫对诸葛菜叶膜脂过氧化和膜保护体系的影响21311水分胁迫对诸葛菜叶片膜脂过氧化水平的影响O 21-由图4所示, 诸葛菜叶片的质膜相对透性随RWC 的下降显著的增加; 膜脂过氧化的中间产物的产生速率及最终产物丙二醛(MDA 含量也随之显著地上升. 统计分析表明:RWC 的下降与膜透性、O 21-产生速率及丙二醛含量的上升呈显著的负相关(r 值分别为01961033, 019741053, 019740913 ; 膜透性的上升和O 21-产生速率、MDA 含量的增加呈显著的正相关(r 值分别是019810273,019941683 . 说明在水分胁迫下

9、膜的选择透性的丧失, 电解质渗漏增加和由O 21-产生速率增加, MDA 的积累所诱导的膜脂过氧化作用加强密切相关.21312水分胁迫对诸葛菜叶的膜保护体系的影响超氧化物歧化酶(S OD , 过氧化物酶(POD 是植物防御活性氧伤害的重要酶. 试验结果(图5 表 第1期李莉等:诸葛菜对水分胁迫的生理生化反应和调节适应能力35明, 随着叶的RWC 的降低, S OD , POD 活性表现出先增加后降低的趋势, 这说明一定强度的胁迫可能使诸葛菜叶片的保护酶S OD , POD 产生一定的适应性变化, 活性上升, 但严重的胁迫则可能抑制了S OD , POD 活性, 而使之降低.抗坏血酸(AsA 是

10、非酶促防御系统中的重要抗氧化剂, 图6表明, 在不同的水分胁迫下, 诸葛菜叶片的AsA 含量明显下降, 这与Price 等在11种非旱生植物中观察到的结果一致11. AS A 含量的降低与的RWC 降低呈显著的正相关, 说明诸葛菜叶片的AsA 对水分胁迫比较敏感 .图1Fig 11E ffects of water stress on water statusin Orgchorphragmus violaceus leaves 图2水分胁迫对诸葛菜叶片有机溶质的影响Fig 12E ffects of water stress on organic solutes in Orgchorphra

11、gmus violaceus leaves图3水分胁迫对诸葛菜叶片K +,Ca 2+含量的影响Fig 13E ffects of water stress on contents of K +Ca 2+in Orgchorphragmus violaceus leaves 图4水分胁迫对诸葛菜叶片质膜相对透性, 超氧离子自由基产生速率, MDA 含量的影响Fig 14E ffects of water stress on relative membrane permcability , the rate of O 2-production and MDAcontent in Orgchorph

12、ragmus violaceus leaves3讨论在土壤水分胁迫下, 诸葛菜叶片的RWC 降低, 自由水含量减少, 束缚水含量相对增加. 在植物体内自由水的含量制约着代谢强度, 而束缚水的含量则与植物的抗性大小有密切关系12, 由诸葛菜叶的水分状况的变化趋势可反映出:诸葛菜通过减少自由水含量, 降低其代谢强度; 增加束缚水含 36西南师范大学学报(自然科学版 第25卷量, 增强抗逆性以适应水分胁迫 .图5水分胁迫对诸葛菜叶片SOD , POD 活性的影响Fig 15E ffects of water stress on activity of SOD ,POD in Orgchorphrag

13、mus violaceus leaves 图6含量的影响E content in leaves. , 降低渗透势, 维持膨压13, 参与渗透调节的溶质主要是可溶性糖、K +, Ca 2+等无机离子14. 诸葛菜在干旱条件下均出现了可溶性糖, , K +, Ca 2+的积累, 表现出了一定的渗透调节能力, 具有一定的适应性, 但可能其渗透调节能力有限, 故随着水分胁迫的加剧, 诸葛菜叶片RWC 仍迅速降低.质膜相对透性的大小是膜伤害的重要标志, MDA 是脂质过氧化的主要产物之一, 其积累是活性氧毒害作用的表现, 它的含量常被作为判断膜脂过氧化作用的一种主要指标15. 诸葛菜叶片在水分胁迫下,

14、膜透性上升, 丙二醛含量, 自由基产生速率都明显增加, 并且膜透性增大与O 21-产生速率、MDA 含量的上升呈显著的正相关, 表明水分胁迫造成诸葛菜叶片的膜损伤, 这种损伤是由于膜脂过氧化作用的结果. 植物细胞中活性氧的清除主要是通过抗氧化酶和抗氧化物质担负. 在保护酶系中S OD 能将O 21-清除为H 2O 2, 而POD , C AT 可把H 2O 2变为H 2O , 由于它们协调一致的作用, 可使活性氧维持于一个较低水平15. 试验表明, 诸葛菜叶片在水分胁迫下, S OD 活性先随水分胁迫强度的增加而上升, 在达到重度胁迫时活性则下降, 这与张木清等16在甘蔗叶, 蒋明义等15在水

15、稻中观察到的结果相似. 这可能是在一定强度胁迫下, 一定量的O 2-积累诱导诸葛菜叶片S OD 酶活性提高, 以适应胁迫的影响, 但过度干旱则可能抑制S OD 酶的活性, 使其降低. 诸葛菜叶片的POD 活性变化有与S OD 相似的趋势, 这可能与S OD 是POD 的协同保护酶有关. AsA 是植物体内重要的抗氧化剂之一, 它可还原O 21-, 清除1OH , 猝灭1O 2及歧化H 2O 2, 还可再生V E 17. 在水分胁迫下, 植物体内AsA 的降低是一种普遍现象17, 诸葛菜叶片的AsA 同样也出现了降低. 尽管诸葛菜叶片S OD , POD 活性在轻度胁迫、中度胁迫时上升, 表现出

16、一定适应能力, 但叶片的膜透性、MDA 含量和O 21-产生速率并未有所降低, 这可能是由于诸葛菜的清除活性氧的能力有限, 使活性氧仍保持较高水平; 另外单一的抗氧化酶或抗氧化物不足以抵御水分亏缺诱导的氧化伤害, 需要整个防御体系的协调配合. 由于AsA 具有多种氧化功能, AsA 水平的降低可作为植物抗氧化能力总体衰退的指标18, 在水分胁迫下, 诸葛菜叶片的AsA 含量的急剧降低也可能代表诸葛菜叶片的整个抗氧化能力的降低, 因而导致膜脂过氧化加剧, 膜系统受伤.Ca 2+在生理学上有防止膜损伤和渗漏, 稳定膜结构和维持膜的完整性等方面的作用19, 干旱胁迫下维持细胞的完整性需要更高的Ca

17、2+浓度20. 在试验中, 水分胁迫下诸葛菜叶片Ca 2+含量迅速的增加除了对维持细胞膨压起着渗透调节作用外, 可能对减轻膜脂过氧化所造成的膜损伤和渗漏, 维持膜结构的稳定性还具有重要的适应性意义.总之, 诸葛菜尽管在渗透调节能力以及膜保护体系方面对水分胁迫具有一定的适应性, 但这种适 第1期李莉等:诸葛菜对水分胁迫的生理生化反应和调节适应能力应能力有限, 正说明它是一种中生性植物, 故诸葛菜应栽培于较湿润的环境中.参考文献1肖龙, 罗鹏. 诸葛菜的研究现状与开发前景. 西北植物学报, 1994, 14(3 :2372412李新华. 诸葛菜的营养成分及作为新型蔬菜的评价. 植物资源与环境, 1

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22、gical and biochemical responses and adaptivecapacity to w ater stress in Orgchorphragmus violaceusLi Li Zhong Zhangcheng(School of life science , s outhwest China normal university , Chongqing , 400715Miao Shili(S outh Florida , W ater management Distract , 24680 Long Y un (School of life science , s outhwest China normal university , Chongqing , 400715ABSTRACTThe effects of water stress on osm otic adjustment , membrane lipid peroxidation and endogenous protective sys 2tem in Orgchorphragmus violaceus leaves were studied. The results showed that under water str