GABA对小麦幼苗耐盐性的影响

GABA对小麦幼苗耐盐性的影响
李岩岩;肖雯;魏秀俭;郭尚敬
【摘要】以小麦为试验材料,研究了NaCl胁迫下外源GABA浓度对小麦发芽率、芽长、根长、鲜干重、相对电导率及其酶活性的影响.结果表明:与对照相比,GABA 浸种促进了小麦幼苗芽的生长,对根的生长影响较小;在GABA浓度为0.5 mmol·L-1条件下,小麦幼苗的发芽率及其鲜干重有明显的提高;相对电导率的测定结果显示,不同浓度GABA对膜都有不同程度的保护作用,在GABA浓度为0.5 mmol·L-1时效果最显著;对SOD、POD和 CAT这几种酶活性的测定结果显示,随着GABA浓度的增加其活性都有不同程度的增加;由此推断,外源GABA可以减轻盐胁迫对小麦幼苗造成的伤害,具有一定的生理保护作用.
【期刊名称】《甘肃农业大学学报》
【年(卷),期】2010(045)002
【总页数】5页(P53-57)
【关键词】小麦;GABA;盐胁迫
【作者】李岩岩;肖雯;魏秀俭;郭尚敬
【作者单位】甘肃农业大学生命科学技术学院,甘肃,兰州,730070;甘肃农业大学生命科学技术学院,甘肃,兰州,730070;聊城大学生命科学学院,山东,聊城,252059;聊城大学生命科学学院,山东,聊城,252059
【正文语种】中文
【中图分类】S512.1
盐胁迫是自然界中主要的非生物胁迫之一,土壤中Na+浓度过高会破坏植株体内的离子平衡,导致代谢紊乱,使植株的生长发育受到影响,经济产量的形成能力降低[1].
小麦是我国主要的粮食作物之一,当土壤盐分浓度高于3 g·kg-1时,其产量会严重下降[2-3].因此,增强小麦的耐盐性对提高其产量和品质具有重要意义.
γ-氨基丁酸(Gamma-aminobuty ric acid,GABA)是一种以自由态形式广泛存在于原核生物和真核生物体内的四碳非蛋白质氨基酸.在缺氧[4]、冷害[5]、热刺激[6]、机械刺激[7]、干旱[8]和盐胁迫[9]等逆境条件下,生物体内的GABA的含量均有明
显增加.GABA对植物抗逆性的提高具有一定的作用[10].给大麦的叶子施用C14标记的谷氨酸,检测缺氧条件下的谷氨酸代谢,当植物体中谷氨酰胺合成受阻、蛋白质
合成减少及降解加速的条件下,谷氨酸向GABA的转化量会增加[11].25～
200mmol·L-1的GABA可稳定和保护离体类囊体膜免受有盐存在时的冰冻损伤,
超过脯氨酸所具有的防冻作用[12-13].在盐胁迫条件下,细胞内的一些反应产生超氧自由基、过氧化氢和单线态氧等,从而引起抗氧化保护系统活性的变化[14].
本研究以小麦为试验材料,在盐胁迫条件下观察外源GABA对小麦种子萌发和幼苗
生长的影响,并对小麦的干鲜重及膜透性进行了分析,初步探讨了盐胁迫条件下外源GABA与SOD、POD和CAT活性之间的关系,为阐明GABA在植物抗逆响应中的作用机制提供了一定的科学依据.
1 材料与方法
1.1 材料及处理
试验所用的小麦品系为聊城大学生命科学学院选育的‘聊大091'.分别在0、100、200、300、400 mmo l·L-1盐浓度条件下测定小麦种子发芽率,以清水为对照;分
别用含有0.2 mm ol·L-1,0.5 mmo l·L-1,1 mmo l· L-1的 GABA 和200 mmol·L-1的 NaCl溶液处理小麦种子,第 3天计算发芽率,并测量胚芽和胚根的长度.选取籽
粒饱满,大小均匀的小麦种子,每个处理重复3次,每次100粒种子.小麦幼苗长到两叶一心时,在200 mmol·L-1 NaCl胁迫下用不同浓度的GABA(0、0.2、0.5、1 mm ol·L-1)处理 12 h 后取样 ,测定鲜重、干重、SOD、POD、CA T 和相对电导率.
1.2 测定方法
1.2.1 鲜、干重的测定取不同处理的小麦幼苗10株,10株幼苗均不去根,将根系小心地从土中取出,洗净后和地上部分一同测定其鲜重,取平均值;然后把称量后的植株于80℃烘干48 h,冷却后测定其干重,取平均值.
1.2.2 电导率的测定称取0.5 g鲜叶用去离子水反复冲洗,剪碎后放入具塞试管中加入10 m L去离子水,真空抽气 10 min,振荡,加塞,在室温下静置30min.用DDS-11A型电导仪测定溶液的电导率E1,然后将试管置沸水浴中10min,冷却后测定溶液总电导率E2,去离子水的电导率为E0.质膜相对透性可用以下公式计算:质膜相对透性P(%)=[(E1-E0)/(E2-E0)][15].
1.2.3 抗氧化酶活性的测定称取0.5 g鲜叶,用预冷的0.05mol·L-1磷酸缓冲液(pH 7.8)研磨成匀浆,在4 ℃、12 000 r·m in-1下离心15 min,取上清液测定抗氧化酶活性.超氧化物歧化酶(SOD)活性采用Giannopolitis等[16]的方法测定,以抑制氮蓝四唑(NBT)光化还原50%为1个酶活力单位(U);过氧化物酶(POD)活性按照曾韶西等[17]的方法测定,以D470每分钟增加0.01为1个酶活力单位(U);过氧化氢酶(CA T)活性采用 Dhindsa等[18]的方法测定,CAT活性以每分钟减少0.1个 A值所需的酶量为1个活力单位(U).SOD、POD、CAT活性均以U·g-1表示.
2 结果与分析
2.1 GABA对盐胁迫下小麦萌芽的影响
盐胁迫对小麦萌芽的影响如表1所示,随着盐浓长的增加小麦的发芽率逐渐降低.从表1可以看出,100mmol·L-1的NaCl浓度已经影响到小麦的正常萌发,其发芽率比
对照下降8%,NaCl浓度为200mmol·L-1时小麦种子的发芽率为(74±2)%,而300 mmol·L-1的 NaCl浓度下小麦种子的发芽率只有(52±2)%.因此,选择200 mmol·L-1的NaCl浓度为盐的胁迫处理浓度,研究GABA对盐胁迫的保护作用. GABA对盐胁迫下小麦发芽率的影响如表2所示.在200mmol·L-1的 NaCl胁迫下,不同浓度的GABA均对小麦种子的发芽率有不同程度的提高.随着GABA的浓度从0.2mmol·L-1增加到1 mmol·L-1,小麦种子的发芽率先提高后又有所下降,当GABA的浓度为0.5 mmol·L-1时,小麦种子的发芽率最高为(86±2)%.
表1 不同盐浓度对小麦种子发芽率的影响Tab.1 Effect of seed germination rate in wheat under different concentration stress of NaCl %处理发芽率H 2 O 96±2 100 mmo·L-1 NaCl 88±1 200 mmo·L-1 NaCl 74±2 300 mmo·L-1 NaCl 52±2 400mmo·L-1 NaCl 14±3
表2 200 mmol·L-1 NaCl胁迫下不同GABA浓度对小麦种子发芽率的影响Tab.2 Effect of different concentrations of GABA on wheat seed germination rate under concentration 200 mmol·L-1 of NaCl %处理发芽率H 2 O 96±2 200 mmo·L-1 74±2 200 mmo·L-1 NaCl+0.2 mmo1·L-1 GABA 80±2200 mmo· L-1 NaCl+0.5 mmo1·L-1 GABA 86±2 200 mmo·L-1 NaCl+1.0 mmo·L-1 GABA 82±3
2.2 NaCl胁迫下不同浓度GABA对小麦幼苗根长、芽长的影响
NaCl胁迫下不同浓度GABA对小麦幼苗根长、芽长的影响如图1所示.随着GABA浓度的增大,小麦根长呈增加后减小的趋势,且在浓度为0.2 mmol·L-1时的根长最大.这说明一定浓度的GABA可以促进小麦根的生长,但是GABA浓度的继续增加反而会抑制其生长.随着GABA浓度的增大,小麦幼苗芽长也随之增大,但各浓度间的增幅不大,当GABA浓度为1 mmol·L-1时小麦的芽长最大.
图1 不同浓度GABA对NaCl胁迫的小麦根长和芽长的影响Fig.1 Effect of
different concentration of GABA on root and bud in wheat under stress of NaCl
2.3 NaCl胁迫下GABA对小麦幼苗鲜干重的影响
NaCl胁迫下GABA对小麦幼苗鲜干重的影响如图2所示.在0～0.5 mmol·L-1的范围内,小麦幼苗的鲜重随GABA浓度的增大而增大,并在0.5 mmol·L-1时出现最大值;其后,随着GABA浓度的继续增大,小麦幼苗的鲜重反而减小.不同浓度的GABA对NaCl胁迫下小麦幼苗干重的影响不大.
图2 不同浓度 GABA对 NaCl胁迫的小麦鲜重和干重的影响Fig.2 Effect of different concentration of GABA on fresh and dry in wheat under stress of NaCl
2.4 NaCl胁迫下GABA对小麦幼苗相对电导率的影响
图3 不同浓度 GABA对 NaCl胁迫的小麦幼苗相对电导率的影响Fig.3 Effect of different concentration of GABA on conductance in wheat seedlings under stress of NaCl
NaCl胁迫下GABA对小麦幼苗相对电导率的影响如图3所示.NaCl胁迫条件下,小麦幼苗膜透性增加,细胞内含物有不同程度的外渗,导致电导率增加.小麦幼苗在NaCl胁迫的条件下,加入不同浓度的GABA后,电导率都有不同程度的下降,说明GABA对膜有一定的保护作用.当GABA浓度为0.5 mmol·L-1时小麦幼苗的相对电导率最小,说明该浓度下CABA对膜的保护作用最好.测定小麦幼苗在不同浓度NaCl胁迫过程中叶片相对电导率的变化,可以间接了解细胞膜完整性受到破坏的程度,是反映幼苗受盐胁迫伤害程度的一个重要指标.
2.5 NaCl胁迫下 GABA对小麦幼苗叶片 CAT、POD和SOD活性的影响
不同浓度的外源GABA加200 mmol·L-1 NaCl处理小麦幼苗叶片12 h后检测不同活性氧清除酶的活性变化,结果如图4所示.POD的活性随着GABA浓度的增高
而有所增加,但当浓度超过0.5 mmol·L-1时其活性又有下降的趋势;CAT、SOD的活性均随GABA浓度的增加而增加.
图4 不同浓度GABA对NaCl胁迫的小麦幼苗中SOD(A)、POD(B)和CAT(C)酶活性的影响Fig.4 Effect of different concentration of GABA on
SOD(A),POD(B)and CAT(C)activity in wheat seedlings under stress of NaCl 3 讨论与结论
盐胁迫下植物种子发芽的情况是表征耐盐能力的重要依据之一,与植物的生长相比,种子萌发更易遭受盐害.盐胁迫对种子萌发的抑制作用,妨碍了作物在盐渍地上的立苗,导致种子萌发慢,萌发率降低[19].目前,盐对植物种子萌发的抑制作用机理不是很清楚.秦忠彬等[20]认为盐分对水稻种子萌发期的影响在于限制了种子的生理吸水.闫先喜等[21]研究表明,大麦在种子吸胀过程中盐胁迫会破坏细胞膜,使细胞膜透性增大导致胞内溶液外渗.本实验表明,盐胁迫使种子萌发受阻,当盐浓度为100、200 mmol·L-1时小麦的发芽率受损伤程度差异不大,但超过300 mmo l·L-1时严重影响了小麦发芽率,所以选用盐浓度为200 mmol·L-1以至于对小麦不造成严重的伤害.NaCl浓度为200 mmol·L-1时,小麦的发芽率在加入不同浓度的GABA后都有不同程度的增加,但在GABA浓度为0.5 mmol·L-1时增加趋势较明显.田小磊等[12]在玉米上所做的研究结果表明,GABA的浓度为1 mmol·L-1时对发芽率有所提高,说明不同植物对GABA的敏感度不同.盐胁迫对小麦种子发芽过程芽及根的伸长有明显的抑制作用[23],而加入外源GABA后,小麦的根在GABA浓度低的时候比较敏感,而芽在GABA浓度为1 mmol·L-1的时候生长最好,表明同种植物的不同部位对GABA的敏感度也有差异.
植物组织在受到盐胁迫时,细胞膜的结构和功能首先被破坏,细胞膜透性增大,导致细胞液外渗.用电导仪测定外渗液电导率的变化,可反映出质膜受伤害的程度.本试验表明,GABA浓度在0.5 mmol·L-1时对膜的保护作用最明显.
植物对盐胁迫的响应之一就是保护酶活性的变化,如玉米[22]、果树[24]等在盐胁迫下保护酶活性均有不同程度的增加.在正常生长情况下,植物细胞内活性氧的产生和清除处于动态平衡,不会伤害细胞,而逆境胁迫会引发细胞内活性氧的过量产生并积累,从而打破了平衡,导致膜的过氧化和脱脂化使细胞结构和功能受到破坏.本试验也表明,盐胁迫可引起小麦幼苗中SOD、POD和CAT活性的提高.从而推测盐胁迫条件下,GABA可通过提高保护酶系统活性而缓解盐胁迫的伤害.
目前,GABA在植物体内的合成、转化以及代谢机制,逆境胁迫下GABA启动的信号转导等方面已开展了大量研究,但外源GABA对植物抗逆性提高的作用机理还需要进一步研究.
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