況帥,馮迪,宋科,孟霖,宋文靜
1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所,山東 青島 266101;2 青島市華測檢測技術(shù)有限公司,山東 青島 266101
鉀是植物生長發(fā)育所必須的三大營養(yǎng)元素之一,直接參與作物光合作用、維持離子穩(wěn)態(tài)和物質(zhì)合成等一系列生理過程,同時鉀離子作為植物代謝過程多種酶合成的輔助因子,對調(diào)節(jié)酶活性抵抗外界脅迫起到重要作用,如果植物長期處于鉀饑餓狀態(tài)下,會使其生長受到抑制,嚴(yán)重時會導(dǎo)致植物死亡[1-3]。研究表明在正常生理條件下,植物體內(nèi)代謝產(chǎn)生的活性氧自由基會被植物自身的酶促防御系統(tǒng)及時清除,使整個活性氧系統(tǒng)始終處于動態(tài)平衡之中[4-5]。當(dāng)處于低鉀脅迫狀態(tài)時,植物會通過增加過氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)等抗氧化酶的活性來清除因脅迫而過量積累的活性氧自由基,但如果活性氧自由基積累量超過清除能力就會產(chǎn)生超量積累,那些未能被清除的活性氧會使細(xì)胞原生質(zhì)膜發(fā)生過氧化反應(yīng)生成丙二醛(MDA),引起細(xì)胞膜上蛋白質(zhì)、受體和酶的失活,導(dǎo)致細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)被破壞并喪失功能[6-13]。
近年來隨著針對低鉀脅迫對作物體內(nèi)活性氧及抗氧化酶系統(tǒng)影響的研究不斷深入,作物對抗逆性的響應(yīng)機(jī)制逐漸成為新的研究熱點,與煙草同科的番茄也是高需鉀量的作物,其在此方面的研究也較多,但在煙草上相關(guān)的研究還較少。本試驗在充分學(xué)習(xí)借鑒同科作物相關(guān)研究的基礎(chǔ)上,著重研究耐低鉀煙草品種和鉀敏感型煙草品種在低鉀脅迫條件下,幼苗表型特征、MDA含量、活性氧含量和抗氧化酶活性的變化,為發(fā)掘植物根系對鉀素吸收的潛力從而提高鉀肥利用率提供理論支撐。
本研究對中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所種質(zhì)資源庫所收集提供的226份不同基因型煙草材料,通過水培和大田試驗進(jìn)行遴選鑒定,篩選出耐低鉀基因型煙草品種NC89和不耐低鉀基因型(低K敏感)煙草品種云煙1號[14-17]。
將消毒后的NC89和云煙1號裸種分別播種于塑料培養(yǎng)盒中,基質(zhì)為經(jīng)高壓滅菌鍋120℃滅菌的育苗土。播種后將其置于光照培養(yǎng)箱內(nèi),設(shè)置晝、夜各12h,溫度分別為28℃、22℃。待幼苗出土25d后,選取長勢一致的煙苗,用清水洗凈根部基質(zhì),用海綿包裹煙苗根莖結(jié)合處并固定在KT板上,轉(zhuǎn)移至裝有15 L清水的塑料周轉(zhuǎn)箱中培養(yǎng)2d,待緩苗后分處理進(jìn)行試驗。
試驗分為CK(正常供鉀)和LK(低鉀)兩個處理,每個品種的每個處理選取兩個KT板(每板15株煙苗)的煙苗進(jìn)行試驗,試驗營養(yǎng)液選用改良后的霍格蘭營養(yǎng)液成分為:N 3.75 mmol/L、P 0.25 mmol/L、K 2 mmol/L、Mg 0.25 mmol/L、Ca 3.75 mmol/L、Fe(Fe-EDTA)20.00 μmol/L、Mn 9.00 μmol/L、B 46.00 μmol/L、Zn 0.80 μmol/L、Cu 0.30 μmol/L、Mo 0.5 μmol/L。對照處理營養(yǎng)液K含量為2 mmol/L,低鉀處理營養(yǎng)液K含量為0.1 mmol/L,其他成分均相同。營養(yǎng)液在配置好后用0.1 mol/L的HCl調(diào)pH至6.0,每3 d更換一次。自煙苗開始處理后至煙苗生長到第7 d四葉一心時取樣,取樣時每個品種的每個處理分成3個重復(fù)送檢測公司分地上部和地下部進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的檢測。
植物組織:按照組織質(zhì)量(g):提取液體積(mL)為 1:10 的比例稱取 0.10 g 樣品, 加入 1 mL 提取液),進(jìn)行冰浴勻漿。8000 g,4℃離心 10 min,取上清,置冰上待測。測定步驟:1、吸取 0.3 mL 試劑于1.5 mL 離心管中,再加入 0.1 mL 樣本, 混勻。2、95℃水浴中保溫 30 min(蓋緊,防止水分散失),置于冰浴中冷卻,10000 g,25℃,離心 10 min。 3、吸取 200 μL 上清液于微量石英比色皿或 96 孔板中,測定 532 nm 和 600 nm 處的吸光度。
植物組織:按照組織質(zhì)量(g):提取液體積(mL)為 1:10 的比例稱取0.10 g組織,加入 1 mL 提取液進(jìn)行冰浴勻漿,然后,10000 g,4℃,離心 20 min,取上清置于冰上待測;超氧陰離子(O2-)產(chǎn)生速率的測定:分光光度計/酶標(biāo)儀預(yù)熱 30 min,波長至530 nm測定;過氧化氫(H2O2)含量的測定:分光光度計/酶標(biāo)儀預(yù)熱 30 min,波長至 415 nm測定。
植物組織:按照組織質(zhì)量(g) :提取液體積(mL)為 1:10 的比例稱取0.10 g 組織, 加入 1 mL 提取液,進(jìn)行冰浴勻漿。8000 g,4℃離心 10 min,取上清,置冰上待測。
SOD的測定:分光光度計/酶標(biāo)儀預(yù)熱 30 min,波長至 560 nm測定。
POD的測定:分光光度計/酶標(biāo)儀預(yù)熱 30 min,波長至 470 nm測定。
CAT的測定:分光光度計/酶標(biāo)儀預(yù)熱 30 min,波長至 240 nm測定。
總抗氧化能力 (T-AOC) 的測定:分光光度計/酶標(biāo)儀預(yù)熱 30 min,波長至 593 nm測定。
采用SPSS 15.0軟件在P≤0.05下進(jìn)行。
由圖1可知,與正常供鉀處理相比,處理7 d時,在低鉀脅迫處理條件下耐低鉀型煙草品種NC89和鉀敏感型煙草品種云煙1號根系的生物量均降低且差異顯著,但云煙1號根系生物量的降低幅度要大于NC89, 烤煙品種NC89和云煙1號根系生物量的降幅分別為15.26%和18.78%。
圖1 低鉀脅迫對煙草幼苗根系生物量的影響(7 d)Fig.1 Effect of K+ deficiency on dry weight in different tobacco cultivars at the seedling stage
由圖2可知,與正常供鉀處理相比,處理7 d時,在低鉀脅迫條件下耐低鉀型煙草品種NC89和鉀敏感型煙草品種云煙1號的總根長和總體積均下降,且呈顯著差異。NC89和云煙1號總根長的降幅為22.46%和35.22%;烤煙品種NC89和云煙1號根系總體積的降幅為24.47% 和40.94%。
圖2 低鉀脅迫對煙草幼苗總根長和根系體積的影響(7 d)Fig.2 Effect of K+ deficiency on total length and total volume of the roots in different tobacco cultivars at the seedling stage
由圖3可知,與正常供鉀處理相比,處理7 d時,在低鉀處理條件下兩個品種地上部和根系中MDA含量均有所增加且各自呈顯著差異。地上部,NC89和云煙1號中MDA含量的增幅分別為7.16%和10.91%;根系中,NC89和云煙1號MDA含量的增幅分別為12.93%和30.32%。
圖3 低鉀脅迫對煙草幼苗中MDA含量的影響(7 d)Fig.3 Effect of K+ deficiency on MDA in different tobacco cultivars at the seedling stage
由圖4可知,與正常供鉀處理相比,處理7 d時,在低鉀處理條件下兩個品種地上部和根系中O2-的產(chǎn)生速率均有所增加,其中只有云煙1號根系的增加量差異顯著,而云煙1號地上部和NC89中O2-產(chǎn)生速率的增加量均無顯著差異。與正常供鉀處理相比,在低鉀處理條件下兩個品種地上部和根系中H2O2的含量都有所下降,其中地上部兩個品種的下降量均差異顯著,而根系中兩個品種均差異不顯著。
圖4 低鉀脅迫對煙草幼苗中O2-的產(chǎn)生速率和H2O2含量的影響(7 d)Fig.4 Effect of K+ deficiency on O2- and H2O2 in different tobacco cultivars at seedling stage
由圖5可知,與正常供鉀處理相比,處理7 d時,在低鉀處理條件下烤煙品種NC89地上部SOD、POD、CAT和T-AOC的活性均顯著增加,烤煙品種云煙1號地上部POD和CAT活性顯著增加;烤煙品種NC89根系SOD、POD和CAT活性顯著增加,而云煙1號根系中SOD和CAT顯著。結(jié)果表明,低鉀脅迫下,不耐低K基因型(低K敏感)煙草品種云煙1號總抗氧化能力下降,而耐低K基因型煙草品種NC89有更多的抗氧化酶參與調(diào)控來適應(yīng)外界脅迫環(huán)境。
圖5 低鉀脅迫對煙草幼苗SOD、POD、CAT和T-AOC活性的影響(7d)Fig.5 Effect of K+ deficiency on the activities of SOD, POD, CAT and T-AOC in different tobacco cultivars at seedling stage
不同鉀基因型品種篩選研究表明[14-18],耐低鉀基因型品種對提高土壤鉀營養(yǎng)以及充分利用土壤中鉀素有很大潛力。牛佩蘭等[14]研究了26個不同基因型烤煙鉀積累效率的差異及遺傳表現(xiàn),證實耐低鉀基因型烤煙的鉀積累效率是鉀敏感基因型的3倍以上,這種基因型烤煙對提高煙葉鉀含量、降低生產(chǎn)成本、節(jié)約資源有著重要意義。楊鐵釗等[15]在2006年對烤煙根系鉀積累和干物質(zhì)積累動態(tài)研究表明,耐低鉀煙草基因型品種根系吸鉀量大、鉀積累量高、活性強(qiáng)。本文對中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所種質(zhì)資源庫所收集提供的226份不同基因型煙草材料中初步遴選出K326、NC71、NC89、中煙103、云煙一號、翠碧一號、G23和RG11共8個不同鉀基因型烤煙品種,通過水培和大田試驗進(jìn)行遴選鑒定,獲得不耐低鉀煙草品種(云煙1號) 和耐低鉀煙草品種 (NC89),研究表明,在低鉀脅迫處理條件下, NC89和云煙1號根系的生物量、總根長和總體積都顯著下降,但云煙1號下降的幅度均大于NC89,因此在低鉀脅迫條件下NC89比云煙1號受到的生長抑制更小。
Epstein[19]研究認(rèn)為植物鉀吸收受鉀離子吸收轉(zhuǎn)運體和鉀離子通道兩種機(jī)制支配,轉(zhuǎn)運體在低濃度下起作用,而鉀離子通道主要在高濃度下起作用。當(dāng)外界鉀離子濃度在0.1~0.2 mmol/L區(qū)間時,鉀吸收主要依靠轉(zhuǎn)運體(低鉀濃度)來完成的。已有的研究報道[20-21],在不同植物中,數(shù)個KUP/HAK/KT 轉(zhuǎn)運體作為高親和的鉀離子轉(zhuǎn)運體參與了低鉀條件下鉀的吸收。Song等[22]研究表明,低鉀脅迫條件下,煙草高親和鉀轉(zhuǎn)運體基因NtHAK1和NtHKT1在烤煙品種云煙一號的下調(diào)水平相對于烤煙品種NC89來說更加顯著;這揭示烤煙品種云煙一號對低鉀脅迫信號更為敏感,耐低鉀能力弱的原因。
當(dāng)植物處于低鉀脅迫生長環(huán)境,會產(chǎn)生大量的ROS,超量的ROS會引起細(xì)胞質(zhì)膜的脫脂化和過氧化,導(dǎo)致細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能的破壞,嚴(yán)重時會抑制作物生長[4-5,23]。MDA是植物細(xì)胞質(zhì)膜過氧化的最終產(chǎn)物,其含量的高低可以直接反映出細(xì)胞膜的損傷程度和植物抗逆性的強(qiáng)弱[24]。本試驗的結(jié)果顯示,在低鉀脅迫處理條件下,鉀敏感型煙草品種云煙1號地上部和地下部中MDA含量和O2-產(chǎn)生速率的增加量均大于耐低鉀型煙草品種NC89,這表明低鉀脅迫條件對耐低鉀品種NC89造成的影響更小,也反映出NC89的抗逆性更高,這一結(jié)果與兩品種在低鉀脅迫條件下表型特征和抗氧化酶活性的變化相符,同時試驗結(jié)果也與李凱龍等[3]所做的研究結(jié)果相一致。
植物體內(nèi)的抗氧化酶系統(tǒng)則是抵御ROS的最主要途徑[3]。針對因ROS過量積累造成的氧化逆境,植物細(xì)胞可以誘導(dǎo)抗氧化酶系統(tǒng)生成SOD、POD和CAT等多種抗氧化酶,抗氧化酶可以將O2-和H2O2分解成活性較低的物質(zhì),以此來抵御ROS引起的氧化損傷[25]。SOD活性的高低也是反映植物抗逆性的重要指標(biāo)[26]。有相關(guān)研究認(rèn)為,植物葉綠體內(nèi)SOD對O2-的清除作用占到了90%[27]。在清除O2-過程中產(chǎn)生的H2O2在過量積累時同樣也會對細(xì)胞膜造成過氧化損傷,抗氧化酶CAT和POD的主要作用就是清除植物組織中多余的H2O2,將其進(jìn)一步分解為O2和H2O,以達(dá)到保護(hù)細(xì)胞免受氧化損傷[28]。本試驗結(jié)果表明,在低鉀脅迫時耐低鉀品種NC89對過量產(chǎn)生的O2-有更好的清除能力,而鉀敏感型煙草云煙1號對過量產(chǎn)生的O2-的分解能力較弱,導(dǎo)致植物組織內(nèi)O2-的積累量增加進(jìn)而引起植物細(xì)胞的過氧化損傷。與正常供鉀處理相比,在低鉀處理條件下兩個品種地上部和根系中POD和CAT的含量均有所增加,其中除云煙1號根系中POD的增長量未達(dá)顯著差異外,其余各項的增長量均呈顯著差異。與正常處理相比,在低鉀脅迫下NC89地上部和根系中T-AOC的含量均有所增加,其中地上部的增加量差異顯著;云煙1號地上部和根系中T-AOC的含量都有所降低,但均差異不顯著,這一結(jié)果與韓宇等[29]的研究結(jié)果一致。
在低鉀脅迫下,耐低鉀型煙草品種比鉀敏感型煙草品種體內(nèi)的抗氧化酶活性更強(qiáng),因此其可以更有效的清除因脅迫產(chǎn)生的活性氧,從而防止由低鉀脅迫引起的過氧化導(dǎo)致的損傷,使其在低鉀脅迫下能夠維持正常的生長發(fā)育。
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