小麥根系滲透脅迫的生理響應(yīng)及小麥抗旱性的影響因素

小麥根系滲透脅迫的生理響應(yīng)及小麥抗旱性的影響因素

原生質(zhì)膜（pm）由高度活躍的樹(shù)脂和含有蛋白質(zhì)分子的混合樹(shù)脂組成。在正常的膜功能中，它是一個(gè)角質(zhì)狀態(tài)，并且有選擇的滲透性。當(dāng)逆境作用于植物時(shí),細(xì)胞原生質(zhì)膜最先受到影響,發(fā)生反應(yīng)。王洪春總結(jié)各種抗性生理中存在的許多共同反應(yīng)后指出,逆境下細(xì)胞質(zhì)膜透性的變化比其他生理反映出現(xiàn)早,它的變化可以導(dǎo)致細(xì)胞間和細(xì)胞內(nèi)各種微環(huán)境發(fā)生變化,因此認(rèn)為細(xì)胞透性變化是環(huán)境脅迫作用的關(guān)鍵。劉友良(1987)也認(rèn)為原生質(zhì)膜透性的改變可能是對(duì)脅迫的原初反應(yīng)。自20世紀(jì)70年代起,逆境下膜傷害機(jī)理研究開(kāi)始向膜結(jié)構(gòu)和酶活性集中,其中膜酶研究較多的是質(zhì)膜ATPase。植物原生質(zhì)膜上的功能蛋白H+-ATPase(PMH+-ATPase)被認(rèn)為是高等植物生命活動(dòng)中的主宰酶(MasterEnzyme),調(diào)節(jié)許多的生理過(guò)程;質(zhì)膜Ca2+-ATPase(PMCa2+-ATPase)是高等植物細(xì)胞質(zhì)膜上的主動(dòng)Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)之一,可為Ca2+和鈣調(diào)素(CaM)激活,它對(duì)維持細(xì)胞內(nèi)低濃度Ca2+起作用。王洪春總結(jié)認(rèn)為,質(zhì)膜透性的變化不是質(zhì)膜ATPase活性變化的結(jié)果。但有研究表明,低溫脅迫下PMH+-ATPase活性下降,認(rèn)為低溫脅迫導(dǎo)致膜上離子泵活性喪失或下降,從而導(dǎo)致細(xì)胞主動(dòng)吸收能力喪失,于是細(xì)胞內(nèi)溶物漏出,并且據(jù)此得出PMH+-ATPase可能是冷害原初位點(diǎn)的看法。近年的研究發(fā)現(xiàn),水分脅迫下PMH+-ATPase活性升高或下降,PMCa2+-ATPase活性下降或升高,結(jié)論很不一致,可能與所用材料品種、組織器官及脅迫強(qiáng)度等的差異有關(guān)。水分脅迫下這些功能蛋白酶的活性與膜透性及植物抗旱性間的關(guān)系少有報(bào)道。植物適應(yīng)逆境條件可能存在某些共同的機(jī)制。滲透脅迫傷害的原初作用點(diǎn)可能和冷害一樣,也在原生質(zhì)膜的酶蛋白上。本研究以兩個(gè)抗旱性不同的小麥品種為試材,采用脅迫、復(fù)水、再脅迫的處理,探討滲透脅迫下其根系質(zhì)膜透性、質(zhì)膜ATP酶(包括PMH+-ATPase和PMCa2+-ATPase)活性變化及其間的關(guān)系,旨在為逆境條件下質(zhì)膜ATPase作用的研究提供參考。1材料和方法1.1aetivuml.品種選用抗旱性不同的冬小麥(TriticumaetivumL.)品種,即抗旱品種(陜合6號(hào))和干旱敏感品種(鄭引1號(hào))為材料,材料由西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院提供。1.2種子脅迫處理種子用2g/L氯化汞消毒10min,漂洗后于25℃下吸水5h后置于25℃溫箱中萌發(fā),選萌發(fā)一致的種子置尼龍網(wǎng)上培養(yǎng)。取生長(zhǎng)7d的幼苗用-1.0MPa聚乙二醇6000(PEG6000)溶液進(jìn)行根際脅迫處理,處理分為脅迫(簡(jiǎn)寫(xiě)為T(mén),下同)24,48,72h,復(fù)水(簡(jiǎn)寫(xiě)為Rw,下同)24,48,72h,再脅迫(簡(jiǎn)寫(xiě)為T(mén)r,下同)24,48,72h,以未脅迫處理正常供水的材料為對(duì)照。取全部地下部為測(cè)試材料。1.2.1根膜滲透性的測(cè)定采用高俊鳳方法測(cè)定電滲率計(jì)算質(zhì)膜透性。為比較處理間及品種間的差異,以對(duì)照質(zhì)膜透性換算為100%,分析不同處理下的質(zhì)膜相對(duì)透性。1.2.2根系中神經(jīng)膜的分離和精制兩相分配法分離純化質(zhì)膜,不同處理間以相同干重的材料稱(chēng)取鮮重。1.2.3測(cè)定蛋白質(zhì)含量采用Bradford的方法并有改進(jìn)(添加TritonX-100),蛋白質(zhì)含量單位為μg蛋白/g(DW),以牛血清蛋白作標(biāo)堆曲線。1.2.4pmh+-atpase活性的測(cè)定參照Ames及Surowy和Sussman方法,反應(yīng)介質(zhì)中加與不加Na3VO4(終濃度為1.0mmol/L)引起的酶活之差即為PMH+-ATPase的活性,比活單位為μmolPi/mg蛋白/min。1.2.5pmh+-atpase活性和pmca2+-atpase活性的比較參照李楊瑞方法,比活單位μmolPi/mg蛋白/min。為比較處理間及品種間的PMH+-ATPase活性和PMCa2+-ATPase活性差異,以對(duì)照PMH+-ATPase活性和PMCa2+-ATPase活性換算為100%,比較不同處理下的PMH+-ATPase活性和PMCa2+-ATPase活性變化趨勢(shì)。2結(jié)果與分析2.1復(fù)水后peg透性的變化圖1顯示,受PEG滲透脅迫的小麥根系質(zhì)膜透性增大,干旱敏感品種鄭引1號(hào)增加幅度比抗旱品種陜合6號(hào)平均高約70%,隨著脅迫時(shí)間延長(zhǎng)(至72h),兩品種小麥根系質(zhì)膜透性均下降;復(fù)水后,兩者均可恢復(fù),說(shuō)明PEG滲透脅迫72h還未造成膜的不可逆損傷。復(fù)水后抗旱品種陜合6號(hào)的質(zhì)膜透性較干旱敏感品種鄭引1號(hào)恢復(fù)快,保持較低的水平。PEG再脅迫造成質(zhì)膜透性的再次升高的增幅均較前次低,干旱敏感品種鄭引1號(hào)增幅較抗旱品種陜合6號(hào)大(至脅迫48h平均高出97%);再脅迫48h后透性雖然數(shù)值有所下降,但隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)均呈增大趨勢(shì),品種間差異也縮小(減小到40%左右)。表明復(fù)水至72h時(shí)質(zhì)膜結(jié)構(gòu)和功能并未完全修復(fù),PEG再脅迫72h質(zhì)膜透性即呈現(xiàn)不可逆增大趨勢(shì),從而造成細(xì)胞質(zhì)膜的不可逆?zhèn)?。?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還顯示,在對(duì)照的正常水分條件下,干旱敏感品種鄭引1號(hào)的質(zhì)膜透性為18.64%,低于抗旱品種陜合6號(hào)的24.74%。2.2干旱和復(fù)水對(duì)小麥根系pmh+-atpase活性的影響在正常水分條件下,干旱敏感品種鄭引1號(hào)PMH+-ATPase活性比抗旱品種陜合6號(hào)高約51%(表1),這與呂金印和高俊鳳的報(bào)道一致。PEG滲透脅迫初期,兩品種的PMH+-ATPase活性均升高,抗旱品種陜合6號(hào)的活性增高幅度大于干旱敏感品種鄭引1號(hào);隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),及復(fù)水和再脅迫時(shí),除陜合6號(hào)在脅迫72h略高出對(duì)照20%之外,兩者的PMH+-ATPase活性均受到顯著抑制(圖2)。正常水分條件下,干旱敏感品種鄭引1號(hào)PMCa2+-ATPase活性比抗旱品種陜合6號(hào)略高(表1),這與呂金印和高俊鳳的報(bào)道一致。圖3變化趨勢(shì)顯示,PEG滲透脅迫初期,不同抗旱性小麥根系PMCa2+-ATPase活性均升高,抗旱品種陜合6號(hào)升高的幅度顯著高于干旱敏感品種鄭引1號(hào);而隨著脅迫時(shí)間延長(zhǎng),陜合6號(hào)的PMCa2+-ATPase活性仍呈上升趨勢(shì),且復(fù)水后可恢復(fù),再脅迫下又升高。干旱敏感品種鄭引1號(hào)則表現(xiàn)出隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)PMCa2+-ATPase活性下降,復(fù)水與再脅迫下一直處于低水平。3反復(fù)脅迫對(duì)質(zhì)膜透性活性的影響有研究指出,在較嚴(yán)重干旱條件下,高粱抗旱品種質(zhì)膜透性的變化比不抗旱品種的小;且在一定的水分脅迫范圍內(nèi),質(zhì)膜透性先升后降,當(dāng)超過(guò)一定脅迫強(qiáng)度,質(zhì)膜透性的增加則意味著細(xì)胞膜系統(tǒng)已受到嚴(yán)重破壞。楊鵬輝等的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),在PEG脅迫下,抗旱性強(qiáng)的大豆品種其質(zhì)膜透性低,抗旱性弱的品種則高。我們的研究結(jié)果也表明,在正常水分條件下,干旱敏感品種鄭引1號(hào)的質(zhì)膜透性低于抗旱品種陜合6號(hào);而在滲透脅迫下,干旱敏感品種鄭引1號(hào)增加幅度比抗旱品種陜合6號(hào)高,證實(shí)了細(xì)胞質(zhì)膜透性的變化與小麥的抗旱性有關(guān)。我們的復(fù)水實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明,抗旱品種陜合6號(hào)的質(zhì)膜透性較干旱敏感品種鄭引1號(hào)恢復(fù)快,并且顯示出一較低的質(zhì)膜透性水平,可能是抗旱品種陜合6號(hào)質(zhì)膜脅迫后修復(fù)的一種表現(xiàn),是在恢復(fù)脅迫下可溶性物質(zhì)大量外滲造成的損失而減少了物質(zhì)的外滲量,這也是一個(gè)值得進(jìn)一步研究的問(wèn)題。反復(fù)脅迫不利于質(zhì)膜結(jié)構(gòu)和功能的完全修復(fù),易導(dǎo)致質(zhì)膜透性的不可逆?zhèn)?。在正常水分條件下,干旱敏感品種鄭引1號(hào)的質(zhì)膜透性低、PMH+-ATPase和PMCa2+-ATPase活性高于抗旱品種陜合6號(hào),這可能是由其遺傳特性決定的。但在脅迫條件下,抗旱品種陜合6號(hào)的質(zhì)膜透性變化比不抗旱品種鄭引1號(hào)的小,PMH+-ATPase和PMCa2+-ATPase活性均升高。在質(zhì)膜還未受到不可逆損傷、復(fù)水條件下膜透性完全修復(fù)的情況下,PMH+-ATPase表現(xiàn)出對(duì)滲透脅迫最敏感,已較早受到抑制,顯示其功能受損比細(xì)胞質(zhì)膜透性嚴(yán)重受傷害早,且不易恢復(fù);同時(shí)說(shuō)明PMH+-ATPase活性降低與細(xì)胞質(zhì)膜透性改變無(wú)直接關(guān)系,PMH+-ATPase可能是滲透脅迫傷害的原初作用點(diǎn),而并非如劉友良(1987)所認(rèn)為的原生質(zhì)膜透性的改變可能是對(duì)脅迫的原初反應(yīng)的觀點(diǎn)。PMH+-ATPase活性在滲透脅迫初期的升高可能是植物對(duì)脅迫的適應(yīng)性反應(yīng),其在脅迫下的作用機(jī)制有待深入研究。PMCa2+-ATPase活性對(duì)脅迫的響應(yīng)與PMH+-ATPase不同,滲透脅迫初期其在抗旱品種陜合6號(hào)中升高的幅度顯著高于干旱敏感品種鄭引1號(hào),隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),在干旱敏感品種鄭引1號(hào)中活性較早受到抑制而難以恢復(fù),在抗旱品種陜合6號(hào)中則始終能保持高活性,表現(xiàn)出其活性強(qiáng)弱與小麥的抗旱性有關(guān)。從在復(fù)水時(shí)干旱敏感品種鄭引1號(hào)的質(zhì)膜相對(duì)透性可恢復(fù)現(xiàn)象,顯示PMCa2+-ATPase活性與質(zhì)膜相對(duì)透性之間也無(wú)直接關(guān)系。同時(shí),上述結(jié)果也表明,雖然細(xì)胞質(zhì)膜透性的變化與小麥的抗旱性有關(guān),但質(zhì)膜透性變化不是PMATPase活性變化所致,這與王洪春的觀點(diǎn)一致。滲透脅迫條件下膜透性變化機(jī)制是否是質(zhì)膜相變、膜脂和膜蛋白含量改變或