湛 瑊劉登望李 林蔣 薇劉振宏

水分是影響農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育、區(qū)域分布和生產(chǎn)水平的最重要生理生態(tài)因子之一,而漬澇是世界作物生產(chǎn)的主要非生物逆境脅迫之一。在降水量較大、水位波動(dòng)劇烈或排水設(shè)施較差的地區(qū)常會(huì)遭遇漬澇的危害。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球10%的灌溉耕地受到漬澇災(zāi)害影響,導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量損失高達(dá)20%[1-2]。近50年來(lái),我國(guó)農(nóng)作物多年平均洪澇災(zāi)害受災(zāi)面積約占全國(guó)播種總面積的6.4%,約為920萬(wàn)hm2,其中長(zhǎng)江中下游地區(qū)和黃淮海平原受漬澇災(zāi)害的影響面積最大,約占全國(guó)總受災(zāi)面積75%以上[3-4]。隨著全球氣候異常變化加劇,漬澇等災(zāi)害將更加頻繁發(fā)生,近年我國(guó)的洪澇災(zāi)害也有面積增大、危害加重趨勢(shì)。

植物的呼吸作用是其新陳代謝的重要途徑之一,其途徑和強(qiáng)弱直接影響到生長(zhǎng)發(fā)育。漬澇災(zāi)害發(fā)生后,過(guò)多的土壤水分必然導(dǎo)致氧氣含量驟然減少,最直接的傷害是造成植株根際環(huán)境缺氧,根系的呼吸作用、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)包括水分吸收嚴(yán)重受阻,繼而引起地上部分損傷甚至死亡,最終影響產(chǎn)量和品質(zhì)[5-10]?；ㄉ鸀槲覈?guó)重要的油料作物之一,濕澇是我國(guó)南方地區(qū)花生芽苗期頻發(fā)的災(zāi)害。目前花生水分脅迫的研究以干旱居多,有關(guān)漬澇下花生種子發(fā)芽期呼吸生理的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究擬采用耐漬澇能力不同的3個(gè)品種,測(cè)定漬澇脅迫下幾種關(guān)鍵性呼吸酶活性的動(dòng)態(tài)變化,試圖初步探明不同耐漬澇性品種的呼吸途徑差異及機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選取3個(gè)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證[10]在大田條件下,具有耐澇性差異的花生栽培品種(ArachishypogaeaL.)豫花15(耐澇)、中花8號(hào)(較耐澇)、中花4號(hào)(不耐澇)為供試品種。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

精選后的種子用10%過(guò)氧化氫消毒15 min后,蒸餾水漂洗4次。將種子放在具2層濕濾紙的無(wú)菌培養(yǎng)皿中(直徑13 cm),每皿中均勻分散擺放25粒種子,加入蒸餾水,要求水深達(dá)到皿口最高處,以便浸沒(méi)種子。為避免種子浮在水面,均用2層消毒的透氣紗布覆蓋在水面上。培養(yǎng)皿不加蓋、25℃培養(yǎng)箱中暗培養(yǎng)。

設(shè)置浸泡時(shí)間分別為6(對(duì)照)、12、24、48、72、96、120、144、168 h后排除水分,移到濕潤(rùn)培養(yǎng)皿中正常發(fā)芽,每24 h加水1次,加水程度以保持培養(yǎng)皿中濾紙濕潤(rùn)即可,重復(fù)3次,每24 h觀測(cè)記錄一次,并選取已發(fā)芽的種子(當(dāng)胚根長(zhǎng)達(dá)到3 mm長(zhǎng)度時(shí),設(shè)定為正常發(fā)芽的記載標(biāo)準(zhǔn))進(jìn)行測(cè)定。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

琥珀酸脫氫酶(SDH)活性和乳酸脫氫酶(LDH)活性的測(cè)定分別采用SDH和LDH試劑盒測(cè)定,均由南京建成生物工程研究所提供。乙醇脫氫酶(ADH)活性的測(cè)定采用紫外分光光度計(jì)法(湯章城等[11])。

2 結(jié)果與分析

2.1 淹水條件對(duì)不同品種發(fā)芽期有氧呼吸途徑主要酶活性的影響

圖1可見(jiàn),在種子發(fā)芽階段持續(xù)淹水脅迫下,3個(gè)品種的SDH活性均呈現(xiàn)從高向低的起伏狀下降趨勢(shì),其中,豫花15號(hào)的SDH活性最先變化,在12 h有最大峰值,之后呈下降趨勢(shì),在72 h有所回升,到96 h達(dá)第二峰值, 144 h出現(xiàn)第三峰值。中花8號(hào)在6～72 h內(nèi)都為活性上升趨勢(shì),并在72 h達(dá)最大峰值,之后逐步下降,在168h回升,是其觀測(cè)周期內(nèi)的第二峰值。中花4號(hào)在24～48 h內(nèi)活性驟增,48 h達(dá)到其最大峰值,之后呈逐漸下降趨勢(shì)直至觀測(cè)結(jié)束。三個(gè)品種的SDH最大活性值以豫花15號(hào)最高。

圖1 不同花生品種發(fā)芽期琥珀酸脫氫酶(SDH)比活性變化Fig.1 The changes of SDH activity in seed germination stage of different peanut varieties under waterlogging tolerance condition

2.2 發(fā)芽期淹水條件下不同品種厭氧呼吸呼吸途徑酶活性差異

2.2.1 乳酸脫氫酶(LDH)活性

圖2可見(jiàn),在種子發(fā)芽階段持續(xù)淹水脅迫下,3個(gè)品種的LDH活性呈中高、前后均低的起伏狀變化趨勢(shì),說(shuō)明短期(6～48 h)淹水不足以誘導(dǎo)LDH活性,而過(guò)度淹水(96～168 h)則抑制LDH活性。其中,中花4號(hào)的LDH活性在6～72 h呈上升趨勢(shì),72～96 h內(nèi)轉(zhuǎn)為下降,96 h之后又有所回升。中花8號(hào)的LDH活性在72 h處達(dá)最大峰值,此前的12 h、此后的120 h出現(xiàn)2個(gè)小高峰。豫花15號(hào)的LDH活性變化趨勢(shì)與中花4號(hào)相似。3個(gè)品種的LDH活性最大峰值相比,以豫花15號(hào)最高。

圖2 不同花生品種發(fā)芽期乳酸脫氫酶(LDH)活性變化Fig.2 The changes of LDH activity in seed germination stage of different peanut varieties under waterlogging tolerance condition

2.2.2 乙醇脫氫酶(ADH)活性

圖3可見(jiàn),種子發(fā)芽階段持續(xù)淹水脅迫下,3個(gè)品種的ADH活性均呈現(xiàn)與SDH截然不同、與LDH相似的單峰狀變化趨勢(shì),最高峰均出現(xiàn)在72 h,峰值以中花8號(hào)最高,豫花15號(hào)最低,僅為前二者的1/3,說(shuō)明耐澇品種的ADH活性不易被缺氧所誘導(dǎo),而敏感品種能被快速誘導(dǎo)。其中,中花4號(hào)的ADH活性在發(fā)芽期淹水階段的前期(12 h)、中期(72 h)、后期(96 h)均最高,96 h之后活性極低至無(wú);中花8號(hào)的ADH在48 h、72 h處急劇上升達(dá)到最大值,此前此后均極低;豫花15號(hào)的ADH活性也集中出現(xiàn)在24～96 h,此前此后均極低。

圖3 不同花生品種發(fā)芽期乙醇脫氫酶(ADH)活性變化Fig.3 The changes of ADH activity in seed germination stage of different peanut varieties under waterlogging tolerance condition

3 討 論

植物的呼吸作用分為有氧、無(wú)氧呼吸兩種。在正常供氧情況下,植物多進(jìn)行有氧呼吸,在有氧呼吸途徑中葡萄糖被氧化生成丙酮酸,然后進(jìn)入三羧酸循環(huán)(TAC),被完全氧化生成CO2和H2O,并釋放能量,琥珀酸脫氫酶(SDH)是TAC循環(huán)的限速酶,其活性的高低直接影響到三羧酸循環(huán)的運(yùn)行效率。而當(dāng)植物處于缺氧逆境脅迫條件下,植物體為了維持短期的生活機(jī)能,將會(huì)進(jìn)行無(wú)氧呼吸來(lái)產(chǎn)生能量,此時(shí)葡萄糖生成的丙酮酸在TAC循環(huán)中不會(huì)被完全氧化,并低效、少量地釋放能量。丙酮酸在乳酸脫氫酶的催化作用下,被途徑中生成的NADH還原為乳酸;或者在丙酮酸脫羧酶作用下脫羧生成乙醛,再在乙醇脫氫酶的作用下轉(zhuǎn)變成乙醇。若長(zhǎng)期進(jìn)行無(wú)氧呼吸,將使得乳酸和乙醇在植株體內(nèi)大量積累,最終將造成植株中毒死亡。

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),3個(gè)花生品種正常供水時(shí)SDH活性高于濕澇脅迫,但LDH、ADH活性很低。在種子發(fā)芽階段6～168 h淹水脅迫下,3個(gè)品種的SDH活性均呈現(xiàn)從高向低的起伏狀下降趨勢(shì),與前人關(guān)于淹水玉米根系SDH活性下降的結(jié)論相似[12];LDH活性能被缺氧脅迫迅速誘導(dǎo),呈中高、前后低的起伏狀變化趨勢(shì),說(shuō)明短期(6～48h)淹水不足以誘導(dǎo)LDH活性規(guī)律變化,而過(guò)度淹水(96～168 h)則抑制LDH活性,這與喜樹(shù)、黃瓜幼苗受澇漬脅迫后大幅升高的情形相似[17-18];ADH活性也能被缺氧脅迫迅速誘導(dǎo),呈單峰狀變化趨勢(shì),與前人在其他植物中得出的ADH活性持續(xù)上升的結(jié)論總體相似[14-18],但與彭克勤等[22]的水稻ADH先降低后升高的結(jié)論有所不同,這可能與植物所處生長(zhǎng)階段、淹澇時(shí)間長(zhǎng)短密切相關(guān),與植物種類(lèi)不同也有一定聯(lián)系。3個(gè)品種相比較,豫花15號(hào)的SDH、LDH活性峰值最大,ADH活性峰值最低;中花8號(hào)的SDH活性峰值最低、LDH活性峰值居中、ADH活性峰值最高,中花4號(hào)的SDH活性峰值較高、LDH活性峰值最低、ADH活性峰值高。說(shuō)明耐澇品種的有氧呼吸活性強(qiáng),乳酸發(fā)酵強(qiáng)度也高,乙醇發(fā)酵強(qiáng)度弱,而敏感品種的乙醇發(fā)酵活性易被誘導(dǎo)升高,這也說(shuō)明不同耐澇性品種呼吸途徑的復(fù)雜性。這一結(jié)果與前人研究結(jié)論一致[19-22]。

不同氧氣條件下,植物呼吸途徑的改變是其適應(yīng)環(huán)境的重要機(jī)制[23-26]。本試驗(yàn)中,根據(jù)SDH、LDH和ADH三者活性隨淹澇時(shí)間的變化趨勢(shì),推測(cè)在不同供氧條件下的一種互動(dòng)關(guān)系及可能機(jī)制,在淹澇初期,由于花生種子體內(nèi)還有留存的氧氣,TAC循環(huán)在短期內(nèi)尚可維持將丙酮酸完全氧化的狀態(tài),所以此時(shí)的有氧呼吸活性大于無(wú)氧呼吸,SDH活性較高,而LDH和ADH的活性尚未得到大幅誘導(dǎo)啟動(dòng),維持在較低水平上;在淹澇中期,花生種子體內(nèi)殘留的氧氣基本上已被消耗殆盡,種子為了維持代謝生長(zhǎng),無(wú)氧呼吸逐漸取代有氧呼吸,SDH活性持續(xù)降低,LDH和ADH活性迅速上升。但是由于無(wú)氧呼吸同樣會(huì)產(chǎn)生丙酮酸,所以當(dāng)有丙酮酸產(chǎn)生時(shí),三羧酸循環(huán)的運(yùn)行水平高,SDH的活性高,當(dāng)丙酮酸含量低時(shí),三羧酸循環(huán)的運(yùn)行水平低,SDH的活性低。

致謝：感謝湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)作物生理與分子生物學(xué)省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室屠乃美教授、李海林老師、劉紅梅老師、周雙鵬與孫媛同學(xué)在分析測(cè)試工作中給予的幫助。