低氧胁迫对黄瓜幼苗根系中抗氧化酶活性的影响

低氧胁迫对黄瓜幼苗根系中抗氧化酶活性的影响

氧气对于高等植物的生长和代谢过程中起着不可或缺的作用。它是自然界膜上氧化磷酸化和电子传递的最终受体，促进ap和nad（p）的合成，并维持细胞生长所需的恢复力。低氧下,植物有氧呼吸受抑制,无氧呼吸增强,乳酸脱氢酶(LDH)、丙酮酸脱羧酶(PDC)和乙醇脱氢酶(ADH)活性增加,促进乳酸发酵和乙醇发酵,提高NADH的再氧化过程,维持细胞能荷,增强植株对低氧胁迫的适应性;植物在胁迫条件下,体内各种反应能产生超氧自由基、过氧化氢等,对活性氧的清除是植物体在胁迫条件下较重要的保护机制,低氧胁迫下,植物体内的SOD、POD和CAT等酶活性增加,可以提高植物对低氧胁迫的耐性。本试验采用营养液水培,研究低氧胁迫对黄瓜根系无氧呼吸酶和抗氧化酶活性的影响,以探讨黄瓜对低氧胁迫适应的生理机制。1材料和方法1.1苗床处理和酶活性测定试验于2004年9～11月在南京农业大学玻璃温室内进行。以筛选出的抗低氧性较强的“绿霸春四号”和抗性较弱的“中农8号”黄瓜(CucumissativusL.)为试材,种子经消毒、催芽后,播于装有石英砂的塑料盘中,在温室内育苗,昼温27～30℃,夜温16～18℃。从子叶展开到长出2片真叶时,每2d浇灌1次1/2倍Hoagland营养液,中间浇1次清水。当幼苗2片真叶展平时,选整齐一致的幼苗定植于装有1/2倍Hoagland营养液的水槽中,营养液pH值调至6.3±0.1。预培养2d后,将两品种幼苗各分成两部分,每部分各18株。其中一部分用溶氧调节仪(昆腾,美国生产)控制营养液溶氧浓度(DO)保持在0.9～1.1mg/L(低氧处理);另外一部分用气泵正常通入空气(40min/h),维持营养液DO值为8.0mg/L左右(对照)。处理后0、2、4、6、8d,分别取各处理的根系,进行酶活性和蛋白含量的测定;处理后6d,同时测定各处理植株的鲜重和干重。试验重复3次。1.2测量1.2.1酶活性测定参照Mustroph和Albrecht的方法提取酶液,乳酸脱氢酶(LDH)活性测定参照Bergmeger的方法,乙醇脱氢酶(ADH)和丙酮酸脱羧酶(PDC)活性测定参照Waters等的方法,蛋白质含量测定参照Bradford的考马斯亮兰G250法。以OD340每分钟底物减少1μmol为一个酶活性单位(U),酶活性以U/mg蛋白表示。1.2.2抗氧化酶pod、过氧化氢酶cat活性测定超氧化物歧化酶(SOD)活性的测定参照李合生的方法,以抑制氮蓝四唑(NBT)光还原50%为一个酶活性单位(U),酶的活性以U/mg蛋白表示;过氧化物酶(POD)活性按照曾韶西等的方法,测定470nmOD值的变化,以OD470每分钟增加1为一个酶活性单位(U),酶活性以U/mg蛋白表示;过氧化氢酶(CAT)活性采用Dhindsa等的方法测定,以使OD240每分钟减少0.1为一个酶活性单位(U),酶活性以U/gFW蛋白表示。所得数据均用SAS软件进行方差分析(P<0.05)。2结果与分析2.1不同抗低氧性生长强度对“绿霸春东南角”生长的影响低氧胁迫严重抑制了植株的生长,两个黄瓜品种的鲜重和干重均显著低于对照区(表1)。抗低氧性较强的“绿霸春四号”生长受抑制程度明显低于抗低氧性较弱的“中农8号”。低氧胁迫下,“绿霸春四号”植株鲜重和干重为对照的63.1%和68.2%,而“中农8号”则为对照的53.0%和67.9%。2.2低氧胁迫对“中农8号”和“绿霸春东南角”幼苗根系ldh和pdc活性的影响对照栽培的黄瓜根系LDH、PDC和ADH活性变化不明显,维持在一个较低的水平。低氧胁迫2d后,“中农8号”幼苗根系LDH活性迅速上升,增加比率高,6d时达最大值,为对照植株的2.15倍,然后迅速降低,但第8d时仍显著高于对照;“绿霸春四号”幼苗根系LDH活性增加比率低,并保持逐渐上升的趋势,6d时,仅为对照植株的1.19倍。低氧胁迫后,幼苗根系PDC活性显著提高,在胁迫2d时,“中农8号”和“绿霸春四号”幼苗根系PDC活性均达最大值,分别比对照增加了0.87倍和2.02倍,在整个处理过程中“绿霸春四号”根系PDC活性增加幅度明显高于“中农8号”。与对照相比,低氧胁迫区,幼苗根系ADH活性显著提高,且在2d时达最大值,在整个处理期间,抗低氧性较强的“绿霸春四号”根系ADH活性均显著高于抗低氧性较弱的“中农8号”(图1)。2.3低氧胁迫对“中农8号”根系可溶性蛋白的影响低氧胁迫下,抗低氧性不同的两个黄瓜品种根系内可溶性蛋白含量均显著低于通气对照(图2),耐低氧性较强的“绿霸春四号”幼苗根系可溶性蛋白含量随低氧胁迫时间的延长而降低,而耐低氧性较弱的“中农8号”根系可溶性蛋白含量在处理4d时略有增加,然后降低;低氧胁迫下,抗低氧性较强的“绿霸春四号”根系内可溶性蛋白含量显著高于抗低氧性较弱的“中农8号”。2.4根系pod和cat活性低氧胁迫下,“中农8号”和“绿霸春四号”幼苗根系中SOD、POD、CAT活性均呈现先上升后下降的变化趋势,且在整个处理过程中都显著高于通气对照(图3),对照区的SOD、POD、CAT活性在处理过程中变化不明显。低氧胁迫下,“中农8号”和“绿霸春四号”根系SOD活性均在4d时达最大值,分别比对照增加了47.18%和82.77%;POD活性“中农8号”和“绿霸春四号”分别在2d和4d达最大值,相同处理时间下,前者的POD活性小于后者;“中农8号”和“绿霸春四号”根系CAT活性的测定结果变化趋势与SOD、POD基本相同,处理2d时分别比对照增加了20.75%和52%。总之,抗低氧性较强的“绿霸春四号”根系的SOD、POD和CAT活性显著高于抗低氧性较弱的“中农8号”。3低氧胁迫对黄瓜抗氧化酶系统的影响无氧呼吸是植物适应低氧胁迫的一个重要的生理反应。氧不足时植物有氧呼吸受抑制,启动无氧呼吸,进入发酵代谢,NADH在氧化过程中生成ATP,维持植物生长发育。本研究结果表明,低氧胁迫显著抑制了黄瓜植株的生长,鲜重和干重显著降低(表1),这与高洪波等在网纹甜瓜上的研究结果一致。试验结果发现,低氧胁迫下幼苗根系LDH、PDC和ADH活性增加(图1),这与前人在其他作物上的研究结果相一致。与抗低氧性较弱的“中农8号”相比,“绿霸春四号”根系LDH活性增加缓慢,并且增加幅度较小,而PDC和ADH活性增加幅度较大(图1),表明低氧胁迫下,抗低氧性较弱的“中农8号”乳酸代谢显著增加,体内乳酸大量积累,细胞质酸化,降低了对低氧胁迫的耐性,而“绿霸春四号”幼苗根系产生乳酸较少,细胞质酸化程度较弱,而乙醇发酵能力增强,提高了对低氧胁迫的耐性。植物体内蛋白质等含氮化合物的变化是反映环境胁迫下植物代谢变化较为敏感的生理指标之一。无氧条件下,植物根系蛋白质合成迅速被抑制。Saches等研究发现,氧不足时,好气性蛋白合成受抑制,而厌氧蛋白(ANP)合成加速。本试验低氧胁迫下两个黄瓜品种的根系,可溶性蛋白质的含量显著低于通气对照,而且随着胁迫时间的延长而降低,这与高洪波等在网纹甜瓜上的研究结果一致。逆境下,植物体内氧化代谢紊乱,产生过多的ROS。ROS具有很高的活性,能够破坏蛋白质和核酸等大分子物质,扰乱植物组织正常的生理代谢。为清除或缓解ROS造成的伤害,植物细胞通过各种不同代谢途径来清除ROS。SOD是O2∸Ο2∸主要的清除剂,它可将O2∸Ο2∸歧化为H2O2和O2,H2O2在过氧化氢酶(CAT)作用下又变成H2O和O2,从而控制脂质氧化,减少膜系统的伤害。因此,细胞内SOD与H2O2清除酶类的平衡,对植物抗逆境能力的提高至关重要。本研究结果表明,低氧胁迫下,黄