低氧脅迫對黃瓜幼苗根系中抗氧化酶活性的影響

氧氣對于高等植物的生長和代謝過程中起著不可或缺的作用。它是自然界膜上氧化磷酸化和電子傳遞的最終受體，促進(jìn)ap和nad（p）的合成，并維持細(xì)胞生長所需的恢復(fù)力。低氧下,植物有氧呼吸受抑制,無氧呼吸增強(qiáng),乳酸脫氫酶(LDH)、丙酮酸脫羧酶(PDC)和乙醇脫氫酶(ADH)活性增加,促進(jìn)乳酸發(fā)酵和乙醇發(fā)酵,提高NADH的再氧化過程,維持細(xì)胞能荷,增強(qiáng)植株對低氧脅迫的適應(yīng)性;植物在脅迫條件下,體內(nèi)各種反應(yīng)能產(chǎn)生超氧自由基、過氧化氫等,對活性氧的清除是植物體在脅迫條件下較重要的保護(hù)機(jī)制,低氧脅迫下,植物體內(nèi)的SOD、POD和CAT等酶活性增加,可以提高植物對低氧脅迫的耐性。本試驗采用營養(yǎng)液水培,研究低氧脅迫對黃瓜根系無氧呼吸酶和抗氧化酶活性的影響,以探討黃瓜對低氧脅迫適應(yīng)的生理機(jī)制。1材料和方法1.1苗床處理和酶活性測定試驗于2004年9～11月在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)玻璃溫室內(nèi)進(jìn)行。以篩選出的抗低氧性較強(qiáng)的“綠霸春四號”和抗性較弱的“中農(nóng)8號”黃瓜(CucumissativusL.)為試材,種子經(jīng)消毒、催芽后,播于裝有石英砂的塑料盤中,在溫室內(nèi)育苗,晝溫27～30℃,夜溫16～18℃。從子葉展開到長出2片真葉時,每2d澆灌1次1/2倍Hoagland營養(yǎng)液,中間澆1次清水。當(dāng)幼苗2片真葉展平時,選整齊一致的幼苗定植于裝有1/2倍Hoagland營養(yǎng)液的水槽中,營養(yǎng)液pH值調(diào)至6.3±0.1。預(yù)培養(yǎng)2d后,將兩品種幼苗各分成兩部分,每部分各18株。其中一部分用溶氧調(diào)節(jié)儀(昆騰,美國生產(chǎn))控制營養(yǎng)液溶氧濃度(DO)保持在0.9～1.1mg/L(低氧處理);另外一部分用氣泵正常通入空氣(40min/h),維持營養(yǎng)液DO值為8.0mg/L左右(對照)。處理后0、2、4、6、8d,分別取各處理的根系,進(jìn)行酶活性和蛋白含量的測定;處理后6d,同時測定各處理植株的鮮重和干重。試驗重復(fù)3次。1.2測量1.2.1酶活性測定參照Mustroph和Albrecht的方法提取酶液,乳酸脫氫酶(LDH)活性測定參照Bergmeger的方法,乙醇脫氫酶(ADH)和丙酮酸脫羧酶(PDC)活性測定參照Waters等的方法,蛋白質(zhì)含量測定參照Bradford的考馬斯亮蘭G250法。以O(shè)D340每分鐘底物減少1μmol為一個酶活性單位(U),酶活性以U/mg蛋白表示。1.2.2抗氧化酶pod、過氧化氫酶cat活性測定超氧化物歧化酶(SOD)活性的測定參照李合生的方法,以抑制氮藍(lán)四唑(NBT)光還原50%為一個酶活性單位(U),酶的活性以U/mg蛋白表示;過氧化物酶(POD)活性按照曾韶西等的方法,測定470nmOD值的變化,以O(shè)D470每分鐘增加1為一個酶活性單位(U),酶活性以U/mg蛋白表示;過氧化氫酶(CAT)活性采用Dhindsa等的方法測定,以使OD240每分鐘減少0.1為一個酶活性單位(U),酶活性以U/gFW蛋白表示。所得數(shù)據(jù)均用SAS軟件進(jìn)行方差分析(P<0.05)。2結(jié)果與分析2.1不同抗低氧性生長強(qiáng)度對“綠霸春東南角”生長的影響低氧脅迫嚴(yán)重抑制了植株的生長,兩個黃瓜品種的鮮重和干重均顯著低于對照區(qū)(表1)?？沟脱跣暂^強(qiáng)的“綠霸春四號”生長受抑制程度明顯低于抗低氧性較弱的“中農(nóng)8號”。低氧脅迫下,“綠霸春四號”植株鮮重和干重為對照的63.1%和68.2%,而“中農(nóng)8號”則為對照的53.0%和67.9%。2.2低氧脅迫對“中農(nóng)8號”和“綠霸春東南角”幼苗根系ldh和pdc活性的影響對照栽培的黃瓜根系LDH、PDC和ADH活性變化不明顯,維持在一個較低的水平。低氧脅迫2d后,“中農(nóng)8號”幼苗根系LDH活性迅速上升,增加比率高,6d時達(dá)最大值,為對照植株的2.15倍,然后迅速降低,但第8d時仍顯著高于對照;“綠霸春四號”幼苗根系LDH活性增加比率低,并保持逐漸上升的趨勢,6d時,僅為對照植株的1.19倍。低氧脅迫后,幼苗根系PDC活性顯著提高,在脅迫2d時,“中農(nóng)8號”和“綠霸春四號”幼苗根系PDC活性均達(dá)最大值,分別比對照增加了0.87倍和2.02倍,在整個處理過程中“綠霸春四號”根系PDC活性增加幅度明顯高于“中農(nóng)8號”。與對照相比,低氧脅迫區(qū),幼苗根系A(chǔ)DH活性顯著提高,且在2d時達(dá)最大值,在整個處理期間,抗低氧性較強(qiáng)的“綠霸春四號”根系A(chǔ)DH活性均顯著高于抗低氧性較弱的“中農(nóng)8號”(圖1)。2.3低氧脅迫對“中農(nóng)8號”根系可溶性蛋白的影響低氧脅迫下,抗低氧性不同的兩個黃瓜品種根系內(nèi)可溶性蛋白含量均顯著低于通氣對照(圖2),耐低氧性較強(qiáng)的“綠霸春四號”幼苗根系可溶性蛋白含量隨低氧脅迫時間的延長而降低,而耐低氧性較弱的“中農(nóng)8號”根系可溶性蛋白含量在處理4d時略有增加,然后降低;低氧脅迫下,抗低氧性較強(qiáng)的“綠霸春四號”根系內(nèi)可溶性蛋白含量顯著高于抗低氧性較弱的“中農(nóng)8號”。2.4根系pod和cat活性低氧脅迫下,“中農(nóng)8號”和“綠霸春四號”幼苗根系中SOD、POD、CAT活性均呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢,且在整個處理過程中都顯著高于通氣對照(圖3),對照區(qū)的SOD、POD、CAT活性在處理過程中變化不明顯。低氧脅迫下,“中農(nóng)8號”和“綠霸春四號”根系SOD活性均在4d時達(dá)最大值,分別比對照增加了47.18%和82.77%;POD活性“中農(nóng)8號”和“綠霸春四號”分別在2d和4d達(dá)最大值,相同處理時間下,前者的POD活性小于后者;“中農(nóng)8號”和“綠霸春四號”根系CAT活性的測定結(jié)果變化趨勢與SOD、POD基本相同,處理2d時分別比對照增加了20.75%和52%?？傊?抗低氧性較強(qiáng)的“綠霸春四號”根系的SOD、POD和CAT活性顯著高于抗低氧性較弱的“中農(nóng)8號”。3低氧脅迫對黃瓜抗氧化酶系統(tǒng)的影響無氧呼吸是植物適應(yīng)低氧脅迫的一個重要的生理反應(yīng)。氧不足時植物有氧呼吸受抑制,啟動無氧呼吸,進(jìn)入發(fā)酵代謝,NADH在氧化過程中生成ATP,維持植物生長發(fā)育。本研究結(jié)果表明,低氧脅迫顯著抑制了黃瓜植株的生長,鮮重和干重顯著降低(表1),這與高洪波等在網(wǎng)紋甜瓜上的研究結(jié)果一致。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),低氧脅迫下幼苗根系LDH、PDC和ADH活性增加(圖1),這與前人在其他作物上的研究結(jié)果相一致。與抗低氧性較弱的“中農(nóng)8號”相比,“綠霸春四號”根系LDH活性增加緩慢,并且增加幅度較小,而PDC和ADH活性增加幅度較大(圖1),表明低氧脅迫下,抗低氧性較弱的“中農(nóng)8號”乳酸代謝顯著增加,體內(nèi)乳酸大量積累,細(xì)胞質(zhì)酸化,降低了對低氧脅迫的耐性,而“綠霸春四號”幼苗根系產(chǎn)生乳酸較少,細(xì)胞質(zhì)酸化程度較弱,而乙醇發(fā)酵能力增強(qiáng),提高了對低氧脅迫的耐性。植物體內(nèi)蛋白質(zhì)等含氮化合物的變化是反映環(huán)境脅迫下植物代謝變化較為敏感的生理指標(biāo)之一。無氧條件下,植物根系蛋白質(zhì)合成迅速被抑制。Saches等研究發(fā)現(xiàn),氧不足時,好氣性蛋白合成受抑制,而厭氧蛋白(ANP)合成加速。本試驗低氧脅迫下兩個黃瓜品種的根系,可溶性蛋白質(zhì)的含量顯著低于通氣對照,而且隨著脅迫時間的延長而降低,這與高洪波等在網(wǎng)紋甜瓜上的研究結(jié)果一致。逆境下,植物體內(nèi)氧化代謝紊亂,產(chǎn)生過多的ROS。ROS具有很高的活性,能夠破壞蛋白質(zhì)和核酸等大分子物質(zhì),擾亂植物組織正常的生理代謝。為清除或緩解ROS造成的傷害,植物細(xì)胞通過各種不同代謝途徑來清除ROS。SOD是O2?Ο2?主要的清除劑,它可將O2?Ο2?歧化為H2O2和O2,H2O2在過氧化氫酶(CAT)作用下又變成H2O和O2,從而控制脂質(zhì)氧化,減少膜系統(tǒng)的傷害。因此,細(xì)胞內(nèi)SOD與H2O2清除酶類的平衡,對植物抗逆境能力的提高至關(guān)重要。本研究結(jié)果表明,低氧脅迫下,黃