不同预处理对PEG胁迫下水稻幼苗抗氧化系统的影响

陈美静　刘倩雯　张宝龙等

摘要： 以模式植物水稻为材料，分别用蒸馏水、10%PEG、100 mmol/L NaCl、1 mmol/L SA、0.1 mmol/L ABA水溶液对水稻种子进行预处理，并以15%PEG模拟水分胁迫，分别测定PEG胁迫0、2、4、6 d时的抗氧化酶[超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、过氧化物酶（peroxidase，POD）、过氧化氢酶（catalase，CAT）]活性及丙二醛（MDA）、游离脯氨酸含量。结果显示，SOD、POD活性均随着PEG胁迫时间的延长呈上升趋势，CAT活性则呈先上升后下降的趋势；ABA、SA预处理均能在一定时间内显著提高PEG胁迫水稻SOD、POD、CAT活性，ABA预处理降低MDA含量，但对脯氨酸含量无显著影响。研究结果表明，ABA预处理可作为简单、有效的策略缓解水分对水稻的胁迫作用。

关键词： 水稻；PEG胁迫；预处理；抗氧化酶；过氧化产物

中图分类号： S511.01 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2015）08-0076-03

目前世界上的水稻种植面积达到了1.3亿hm2，其中亚洲占92%。我国是水稻种植大国，水稻是我国重要的粮食作物之一。水稻对水分的要求极高，而我国处于温带大陆性气候区，水分缺失是重要的限制因子 [1-2]。面对严峻的水资源短缺问题，研究水稻耐水分胁迫的响应机理、提高水稻的抗旱能力迫在眉睫 [3]。 植物受到PEG等非生物胁迫时会产生活性氧自由基（ROS），对细胞膜系统、蛋白质、脂类、核酸等生物大分子具有强烈的破坏作用 [4-5]。预处理是目前常用的提高植物抗逆性的有效方法之一 [6]，Seo等曾研究NaCl胁迫下茉莉酸对水稻赤霉素、脱落酸的影响 [7]；Cayuela等曾研究在NaCl胁迫下，用NaCl预处理番茄幼苗来提高番茄果实的产量 [8]。因此，预处理作为提高植物抗逆性的有效方法，应引起足够的重视。 本研究以水稻为试验材料，旨在从抗氧化酶、过氧化产物方面来研究当水稻面临PEG模拟胁迫时，预处理是否能够提高其抗旱能力。

1 材料与方法

1.1 材料准备

以模式植物水稻（Oryza sativa L.）为试验材料，品种为辽星一号，由沈阳农业大学稻作研究室提供。

精选水稻种子，分6组进行预处理。（1）对照组：无预处理；（2）蒸馏水组：用蒸馏水浸种；（3）PEG组：用10%PEG溶液浸种；（4）NaCl组：用100 mmol/L NaCl 溶液浸种；（5）SA组：用 1 mmol/L SA 溶液浸种；（6）ABA组：用0.1 mmol/L ABA 溶液浸种。用400 mL溶液（完全浸没种子）于室温下浸种18 h，然后用蒸馏水冲洗3～5次，铺开放在滤纸上阴干、备用。

将6组种子分别于28 ℃恒温箱（黑暗）中浸种24 h，催芽24～36 h，用Hoagland 完全营养液于人工气候箱（昼/夜温度为28 ℃/25 ℃、光照/黑暗时间为16 h/8 h、相对湿度80%、光照度3 000 lx）中培养，每组播种3盆，每天补充营养液，7 d后将6组水稻幼苗分别用含15%PEG的完全营养液模拟水分胁迫 6 d。并在胁迫前（0 d）和胁迫后2、4、6 d进行各项生理指标的测定。

1.2 生理指标的测定方法

超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活性采用氮蓝四唑（NBT）光化还原法 [9]测定；过氧化物酶（peroxidase，POD）活性采用愈创木酚法 [10]测定；过氧化氢酶（catalase，CAT）活性采用紫外-可见分光光度法 [11]测定；丙二醛（MDA）、游离脯氨酸含量采用张志良等的方法 [12]测定。

1.3 数据的处理

试验数据采用SPSS 20.0、Excel软件相结合进行方差分析（ANOVA）、LSD检测，比较其差异显著性，所有数据指标均重复3次。

2 结果与分析

2.1 不同预处理对PEG胁迫下水稻幼苗抗氧化酶活性的影响

SOD、POD、CAT是清除植物体内活性氧的抗氧化酶，在水分胁迫条件下，抗氧化酶可以降低体内活性氧的积累，从而降低机体受伤害的程度 [13]。

由图1可见，在未进行PEG胁迫时，PEG预处理组SOD活性显著高于对照组及其他预处理组；随着胁迫时间的延长，除蒸馏水、SA预处理组呈先上升后下降趋势外，其他各处理组SOD活性总体呈上升趋势，而自始至终PEG预处理组SOD上升幅度并不明显。胁迫2 d时，除蒸馏水处理组外，各预处理组的SOD活性均显著高于对照组；胁迫4 d时，蒸馏水、SA、ABA处理组的SOD活性显著高于对照组；当胁迫时间达到6 d时，NaCl、ABA预处理组的SOD活性显著高于对照组。这些结果表明，在15%PEG胁迫条件下，预处理激活了水稻的ROS防御机制，使其通过提高SOD活性来保护水稻自身免受ROS的损伤。总体来看，PEG、NaCl、ABA预处理效果较好。

由图2可知，在无胁迫处理时，NaCl预处理POD活性低于对照组，其余各处理组POD活性与对照组间不存在显著差异；随着胁迫时间的延长，各处理组POD活性总体呈上升趋势。PEG胁迫2～4 d时，蒸馏水、ABA处理组POD活性显著高于对照组；当胁迫时间达到6 d时，仅ABA处理组的POD活性显著高于对照组。表明在PEG胁迫下，预处理激活了水稻的ROS防御机制，经过预处理的水稻幼苗抗逆能力更强，特别是蒸馏水、ABA预处理的效果更为明显。

由图3可知，在未受胁迫时，各处理组与对照间CAT活性不存在显著差异；随着胁迫时间的延长，除NaCl处理组CAT活性呈上升趋势外，其他各处理组呈现先上升后下降的趋势。罗英等研究表明，随着PEG胁迫时间的延长，SA预处理的凤仙花CAT活性呈先上升后下降的趋势 [14]，本试验结果与之相似。在PEG胁迫2、4、6 d时，各处理组CAT活性变化趋势相似，SA、ABA处理组显著高于对照组，表明在15%PEG胁迫下，预处理激活水稻的ROS防御机制，通过提高CAT活性清除体内过多的过氧化氢来降低自身受伤害的程度，特别是SA、ABA预处理的效果较为明显。

2.2 不同预处理对PEG胁迫下水稻幼苗MDA含量的影响

植物在受PEG胁迫下会产生许多ROS，过多的ROS会使膜脂过氧化，MDA便是膜脂过氧化的产物，会损伤膜系统。由图4可知，在未进行PEG胁迫时，各处理组间MDA含量很低[CM（25]且不存在显著差异；胁迫2 d时，各处理组MDA含量与对照间不存在显著差异；胁迫4 d时，对照组MDA含量急剧升 高，蒸馏水、PEG、ABA预处理组MDA含量显著低于对照组；当胁迫时间达到6 d时，PEG、ABA预处理组的MDA含量显著低于对照组。结果表明，预处理特别是PEG、ABA处理可明显降低MDA含量，从而降低水稻膜脂过氧化的损伤程度。

2.3 不同预处理对PEG胁迫下水稻幼苗游离脯氨酸含量的影响

以PEG模拟水分胁迫会使植物在大量失水时产生渗透胁迫，脯氨酸作为一种有效的渗透调节物质，在植物体内的积累可以调节植物细胞的渗透势 [15]。由图5可知，随着胁迫时间的延长，脯氨酸含量呈上升趋势；在未受胁迫时，NaCl、SA处理的脯氨酸含量较高；随着胁迫时间的延长，对照组脯氨酸含量上升明显，蒸馏水处理组脯氨酸含量上升幅度最小，且含量最低；胁迫处理2 d时，蒸馏水、PEG处理组脯氨酸含量显著低于对照，NaCl、SA、ABA处理组脯氨酸含量与对照无显著差异；胁迫处理4 d时，蒸馏水、PEG、NaCl处理组脯氨酸含量显著低于对照。对照组的脯氨酸含量呈明显上升趋势，表明随着水稻受PEG胁迫程度加深，需要通过增加脯氨酸含量来维持自身水分平衡；胁迫2、4 d，预处理组特别是蒸馏水、PEG处理组的脯氨酸含量明显低于对照组，说明预处理明显提高了水稻的抗性。

3 结论

研究表明，提高植物体内抗氧化酶活性是提高植物抗逆性的有效途径之一 [16-17]。本研究表明，随着PEG胁迫时间的延长，SOD、POD活性呈上升趋势，经过预处理水稻幼苗SOD、POD活性明显高于对照组，表明预处理是一种抗旱锻炼，可提高水稻的抗旱能力；CAT活性多数呈现先上升后下降的趋势。刘晓辉等对西瓜幼苗的研究表明，在外施激素条件下，随着低温胁迫程度的增加，CAT活性呈先上升后下降的趋势 [18]。这可能由于随着PEG胁迫时间的延长，水稻体内积累的ROS过多，CAT来不及清除过多的过氧化氢，导致胁迫后期CAT活性下降 [19]。虽然在胁迫后期，CAT活性有所下降，但是经过SA、ABA预处理的水稻幼苗CAT活性均高于对照组，同样表明了预处理可以提高水稻的抗旱能力。整体来看，SA、ABA预处理对提高15%PEG胁迫下水稻幼苗的抗氧化酶活性效果更为明显，更能提高水稻的抗逆性。

植物在受到PEG等非生物胁迫时，会形成ROS，如果过量的ROS不能及时被清除，植物将会受到严重的氧化伤害 [20]。MDA是植物细胞膜脂过氧化作用的最终产物，对细胞膜具有毒害作用，是最常用的膜脂过氧化指标 [21]。Srivastava 等对芥菜的研究表明，在PEG胁迫下蒸馏水处理的MDA含量要低于对照，而ABA预处理却高于对照 [22]。本试验研究表明，随着PEG胁迫时间的延长，MDA含量呈明显的上升趋势，胁迫4、6 d，对照组MDA含量明显高于其他各预处理组，其中以ABA、PEG处理组的MDA含量最低，表明预处理，特别是PEG、ABA处理明显提高了水稻的抗性。

脯氨酸作为植物体内一种重要的渗透调节物质，在受到PEG胁迫时会大量积累，从而提高其渗透调节能力，对植物起到缓冲保护作用，可提高植物的抗逆性，因此许多人把脯氨酸的积累能力看作是植物抗旱性选择的基础 [23-24]。本试验结果表明，随着PEG胁迫时间的延长，脯氨酸含量呈明显的上升趋势。表明15%PEG引起渗透胁迫，植物体内脯氨酸含量增加以提高渗透调节能力。各预处理组脯氨酸含量明显低于对照组，表明随着胁迫时间的延长，经过预处理的水稻幼苗特别是蒸馏水、PEG预处理组并未感受到强烈的渗透胁迫，不需要大量增加脯氨酸来调节渗透势差，从而明显提高了水稻的抗逆性。

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