小麦根系渗透胁迫的生理响应及小麦抗旱性的影响因素

小麦根系渗透胁迫的生理响应及小麦抗旱性的影响因素

原生质膜（pm）由高度活跃的树脂和含有蛋白质分子的混合树脂组成。在正常的膜功能中，它是一个角质状态，并且有选择的渗透性。当逆境作用于植物时,细胞原生质膜最先受到影响,发生反应。王洪春总结各种抗性生理中存在的许多共同反应后指出,逆境下细胞质膜透性的变化比其他生理反映出现早,它的变化可以导致细胞间和细胞内各种微环境发生变化,因此认为细胞透性变化是环境胁迫作用的关键。刘友良(1987)也认为原生质膜透性的改变可能是对胁迫的原初反应。自20世纪70年代起,逆境下膜伤害机理研究开始向膜结构和酶活性集中,其中膜酶研究较多的是质膜ATPase。植物原生质膜上的功能蛋白H+-ATPase(PMH+-ATPase)被认为是高等植物生命活动中的主宰酶(MasterEnzyme),调节许多的生理过程;质膜Ca2+-ATPase(PMCa2+-ATPase)是高等植物细胞质膜上的主动Ca2+转运系统之一,可为Ca2+和钙调素(CaM)激活,它对维持细胞内低浓度Ca2+起作用。王洪春总结认为,质膜透性的变化不是质膜ATPase活性变化的结果。但有研究表明,低温胁迫下PMH+-ATPase活性下降,认为低温胁迫导致膜上离子泵活性丧失或下降,从而导致细胞主动吸收能力丧失,于是细胞内溶物漏出,并且据此得出PMH+-ATPase可能是冷害原初位点的看法。近年的研究发现,水分胁迫下PMH+-ATPase活性升高或下降,PMCa2+-ATPase活性下降或升高,结论很不一致,可能与所用材料品种、组织器官及胁迫强度等的差异有关。水分胁迫下这些功能蛋白酶的活性与膜透性及植物抗旱性间的关系少有报道。植物适应逆境条件可能存在某些共同的机制。渗透胁迫伤害的原初作用点可能和冷害一样,也在原生质膜的酶蛋白上。本研究以两个抗旱性不同的小麦品种为试材,采用胁迫、复水、再胁迫的处理,探讨渗透胁迫下其根系质膜透性、质膜ATP酶(包括PMH+-ATPase和PMCa2+-ATPase)活性变化及其间的关系,旨在为逆境条件下质膜ATPase作用的研究提供参考。1材料和方法1.1aetivuml.品种选用抗旱性不同的冬小麦(TriticumaetivumL.)品种,即抗旱品种(陕合6号)和干旱敏感品种(郑引1号)为材料,材料由西北农林科技大学生命科学学院提供。1.2种子胁迫处理种子用2g/L氯化汞消毒10min,漂洗后于25℃下吸水5h后置于25℃温箱中萌发,选萌发一致的种子置尼龙网上培养。取生长7d的幼苗用-1.0MPa聚乙二醇6000(PEG6000)溶液进行根际胁迫处理,处理分为胁迫(简写为T,下同)24,48,72h,复水(简写为Rw,下同)24,48,72h,再胁迫(简写为Tr,下同)24,48,72h,以未胁迫处理正常供水的材料为对照。取全部地下部为测试材料。1.2.1根膜渗透性的测定采用高俊凤方法测定电渗率计算质膜透性。为比较处理间及品种间的差异,以对照质膜透性换算为100%,分析不同处理下的质膜相对透性。1.2.2根系中神经膜的分离和精制两相分配法分离纯化质膜,不同处理间以相同干重的材料称取鲜重。1.2.3测定蛋白质含量采用Bradford的方法并有改进(添加TritonX-100),蛋白质含量单位为μg蛋白/g(DW),以牛血清蛋白作标堆曲线。1.2.4pmh+-atpase活性的测定参照Ames及Surowy和Sussman方法,反应介质中加与不加Na3VO4(终浓度为1.0mmol/L)引起的酶活之差即为PMH+-ATPase的活性,比活单位为μmolPi/mg蛋白/min。1.2.5pmh+-atpase活性和pmca2+-atpase活性的比较参照李杨瑞方法,比活单位μmolPi/mg蛋白/min。为比较处理间及品种间的PMH+-ATPase活性和PMCa2+-ATPase活性差异,以对照PMH+-ATPase活性和PMCa2+-ATPase活性换算为100%,比较不同处理下的PMH+-ATPase活性和PMCa2+-ATPase活性变化趋势。2结果与分析2.1复水后peg透性的变化图1显示,受PEG渗透胁迫的小麦根系质膜透性增大,干旱敏感品种郑引1号增加幅度比抗旱品种陕合6号平均高约70%,随着胁迫时间延长(至72h),两品种小麦根系质膜透性均下降;复水后,两者均可恢复,说明PEG渗透胁迫72h还未造成膜的不可逆损伤。复水后抗旱品种陕合6号的质膜透性较干旱敏感品种郑引1号恢复快,保持较低的水平。PEG再胁迫造成质膜透性的再次升高的增幅均较前次低,干旱敏感品种郑引1号增幅较抗旱品种陕合6号大(至胁迫48h平均高出97%);再胁迫48h后透性虽然数值有所下降,但随着胁迫时间的延长均呈增大趋势,品种间差异也缩小(减小到40%左右)。表明复水至72h时质膜结构和功能并未完全修复,PEG再胁迫72h质膜透性即呈现不可逆增大趋势,从而造成细胞质膜的不可逆伤害。实验数据还显示,在对照的正常水分条件下,干旱敏感品种郑引1号的质膜透性为18.64%,低于抗旱品种陕合6号的24.74%。2.2干旱和复水对小麦根系pmh+-atpase活性的影响在正常水分条件下,干旱敏感品种郑引1号PMH+-ATPase活性比抗旱品种陕合6号高约51%(表1),这与吕金印和高俊凤的报道一致。PEG渗透胁迫初期,两品种的PMH+-ATPase活性均升高,抗旱品种陕合6号的活性增高幅度大于干旱敏感品种郑引1号;随着胁迫时间的延长,及复水和再胁迫时,除陕合6号在胁迫72h略高出对照20%之外,两者的PMH+-ATPase活性均受到显著抑制(图2)。正常水分条件下,干旱敏感品种郑引1号PMCa2+-ATPase活性比抗旱品种陕合6号略高(表1),这与吕金印和高俊凤的报道一致。图3变化趋势显示,PEG渗透胁迫初期,不同抗旱性小麦根系PMCa2+-ATPase活性均升高,抗旱品种陕合6号升高的幅度显著高于干旱敏感品种郑引1号;而随着胁迫时间延长,陕合6号的PMCa2+-ATPase活性仍呈上升趋势,且复水后可恢复,再胁迫下又升高。干旱敏感品种郑引1号则表现出随着胁迫时间的延长PMCa2+-ATPase活性下降,复水与再胁迫下一直处于低水平。3反复胁迫对质膜透性活性的影响有研究指出,在较严重干旱条件下,高粱抗旱品种质膜透性的变化比不抗旱品种的小;且在一定的水分胁迫范围内,质膜透性先升后降,当超过一定胁迫强度,质膜透性的增加则意味着细胞膜系统已受到严重破坏。杨鹏辉等的研究结果发现,在PEG胁迫下,抗旱性强的大豆品种其质膜透性低,抗旱性弱的品种则高。我们的研究结果也表明,在正常水分条件下,干旱敏感品种郑引1号的质膜透性低于抗旱品种陕合6号;而在渗透胁迫下,干旱敏感品种郑引1号增加幅度比抗旱品种陕合6号高,证实了细胞质膜透性的变化与小麦的抗旱性有关。我们的复水实验进一步表明,抗旱品种陕合6号的质膜透性较干旱敏感品种郑引1号恢复快,并且显示出一较低的质膜透性水平,可能是抗旱品种陕合6号质膜胁迫后修复的一种表现,是在恢复胁迫下可溶性物质大量外渗造成的损失而减少了物质的外渗量,这也是一个值得进一步研究的问题。反复胁迫不利于质膜结构和功能的完全修复,易导致质膜透性的不可逆伤害。在正常水分条件下,干旱敏感品种郑引1号的质膜透性低、PMH+-ATPase和PMCa2+-ATPase活性高于抗旱品种陕合6号,这可能是由其遗传特性决定的。但在胁迫条件下,抗旱品种陕合6号的质膜透性变化比不抗旱品种郑引1号的小,PMH+-ATPase和PMCa2+-ATPase活性均升高。在质膜还未受到不可逆损伤、复水条件下膜透性完全修复的情况下,PMH+-ATPase表现出对渗透胁迫最敏感,已较早受到抑制,显示其功能受损比细胞质膜透性严重受伤害早,且不易恢复;同时说明PMH+-ATPase活性降低与细胞质膜透性改变无直接关系,PMH+-ATPase可能是渗透胁迫伤害的原初作用点,而并非如刘友良(1987)所认为的原生质膜透性的改变可能是对胁迫的原初反应的观点。PMH+-ATPase活性在渗透胁迫初期的升高可能是植物对胁迫的适应性反应,其在胁迫下的作用机制有待深入研究。PMCa2+-ATPase活性对胁迫的响应与PMH+-ATPase不同,渗透胁迫初期其在抗旱品种陕合6号中升高的幅度显著高于干旱敏感品种郑引1号,随着胁迫时间的延长,在干旱敏感品种郑引1号中活性较早受到抑制而难以恢复,在抗旱品种陕合6号中则始终能保持高活性,表现出其活性强弱与小麦的抗旱性有关。从在复水时干旱敏感品种郑引1号的质膜相对透性可恢复现象,显示PMCa2+-ATPase活性与质膜相对透性之间也无直接关系。同时,上述结果也表明,虽然细胞质膜透性的变化与小麦的抗旱性有关,但质膜透性变化不是PMATPase活性变化所致,这与王洪春的观点一致。渗透胁迫条件下膜透性变化机制是否是质膜相变、膜脂和膜蛋白含量改变或