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盐诱导氧化胁迫与杨树耐盐性研究

王瑞刚  
【摘要】: 胡杨是非常有价值的造林绿化树种。在我国西北干旱盐碱的荒漠和戈壁地带,胡杨是惟一能够形成森林的高大乔木树种。在固定沙丘、农田林网建设方面胡杨更具有不可替代的作用。胡杨具有很强的抗盐性,然而其潜在的应用价值还远没有得到开发利用。近年来从植物生理、生化和分子生物学等方面对胡杨的耐盐机理进行了较为系统的研究,而关于盐诱导的氧化胁迫与杨树耐盐性的研究却很少,而且也不深入。盐诱导的氧化胁迫在植物抗盐性中的作用越来越受到重视。为此,我们以耐盐的胡杨和不耐盐的群众杨、I-214杨为材料,对NaCl胁迫下根、叶和质外体中的盐离子、活性氧(ROS)、抗氧化酶活性及其同功酶、丙二醛(MDA)和电解质外渗率的变化进行动态分析,揭示了活性氧调控在胡杨耐盐中的作用;并通过短期盐胁迫和抑制剂处理,初步阐明了盐诱导的氧化胁迫信号与树木耐盐性的关系。主要结论如下: 1.在长期盐胁迫下,群众杨叶片的CO_2同化速率严重下降,而胡杨则维持在一个较高且稳定的水平。Pn-Ci曲线显示,盐胁迫(12d)降低了两种杨树叶片的CO_2的饱和点(CSP)、CO_2饱和点的Pn(CSPn)和羧化效率(CE),却提高了CO_2的补偿点(CCP)。相似的是,盐胁迫也降低了两种杨树叶片的光饱和点(LSP)、光饱点的Pn(LSPn)和表观量子产率(AQY),但盐胁迫对群众杨叶片光反应的抑制作用显著高于胡杨。叶绿素荧光的数据显示,长期盐胁迫(12d)对群众杨叶片光适应和暗适应的荧光参数有显著的影响:(1)由于盐诱导的初始荧光(Fo)的升高和最大荧光(Fm)的显著下降导致了PSII最大荧光量子产率的下降;(2)在光适应的叶片上,盐胁迫降低了光化学猝灭(qP),却提高了非光化学猝灭(qN)。相反,胡杨叶片的叶绿素荧光参数则没有相应的变化。说明同样的盐胁迫对胡杨光合作用的抑制明显弱于群众杨。 2.光合作用受阻与盐离子在叶片中的大量积累造成的膜伤害有关。我们的结果显示,长期盐胁迫下,群众杨叶片中盐离子大量积累,特别是叶绿体中盐离子的积累,是导致叶片光合作用受阻的主要原因。盐离子的积累与电解质外渗率和MDA含量的增加成正相关,这可能是由于盐诱导的氧化胁迫造成了膜质过氧化的加剧,膜质过氧化的加剧又导致膜渗透性增加的结果。耐盐的胡杨则不同,由于叶片和叶绿体中积累了较少盐离子,基本没有造成膜质过氧化,从而维持了膜系统的稳定性。 3.实验结果显示,膜质过氧化的加剧与ROS的调控有关。在盐胁迫的前期,胡杨一方面可以通过诱导下部叶片变黄脱落来减少盐诱导的水分胁迫,从而延缓盐离子的根冠运输,而叶片脱落与超氧阴离子自由基(O_2~-·)增加促进乙烯合成有关;另一方面胡杨能及时地提高上部叶片抗氧化酶的活性(抗坏血酸过氧化物酶(APX),过氧化物酶(POD),过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽还原酶(GR)),有效地控制了O_2~-·和H_2O_2的积累,避免了氧化伤害,保护了膜系统的稳定性。而群众杨则不能很快的感知盐胁迫并作出相应的反应。随着盐胁迫的进行,群众杨叶片中盐离子大量积累,光合受阻,并诱导了ROS(O_2~-·和H_2O_2)大量积累,尽管抗氧化酶的活性也明显的升高,但都不足以有效的控制ROS的伤害,从而使叶片出现了伤害症状,随着叶片中伤害面积的增加,其超氧化物歧化酶(SOD)和POD活性显著下降,加剧了膜质过氧化和膜透性的增加。而胡杨则不同,尽管也有盐离子在叶片中大量积累,但其能够通过及时地提高抗氧化酶的活性,有效的控制了盐诱导的ROS的积累,从而有效地避免了氧化损伤,维持了膜的稳定性。值得注意的是,与群众杨和I-214杨相比,胡杨在盐胁迫初始阶段就能大幅度上调SOD、POD活性,迅速阻止叶片中活性氧的积累,避免其对膜的伤害.这是典型的植物抗逆的预警机制. 4.通过对长期盐胁迫下根组织中ROS和抗氧化酶活性变化的研究,结果显示,胡杨根组织能迅速感知盐胁迫,并上调抗氧化酶的活性来减少盐诱导的氧化损伤,长期盐胁迫下又能保持高水平的抗氧化酶系统,很好的控制了ROS的水平,避免了氧化损伤,维持膜的稳定性,从而减少了盐离子的吸收运输。而群众杨在盐胁迫初期不能迅速上调抗氧化酶的活性,长期盐胁迫下,抗氧化酶活性又降低,造成了氧化损伤,破化了膜系统,更促使了盐离子的积累。 5.利用压力室的方法获取质外体溶液和H_2O_2的细胞化学染色,进一步研究了质外体中ROS和抗氧化酶活性的的变化。结果显示,随着盐胁迫的进行,群众杨质外体中盐离子大量积累,诱导了ROS(O_2~-·和H_2O_2)大量积累,尽管抗氧化酶的活性也明显的升高,但仍不足以有效的控制ROS的伤害,从而使叶片出现了伤害症状。而胡杨则不同,尽管也有盐离子在叶片中积累,但其能通过及时提高抗氧化酶的活性,控制盐诱导的ROS的积累,从而有效地避免了氧化损伤,维持了膜的稳定性。这些结果都表明抗氧化胁迫在两种杨树的耐盐性中起了重要的作用。 6.通过低盐短期胁迫和抑制剂实验,我们发现,盐诱导的ABA信号转导途径与树木耐盐性密切相关,耐盐的胡杨能快速的感知盐胁迫,提高ABA的含量,诱导气孔关闭,即缓和了盐诱导的渗透胁迫,又减少了盐离子的吸收和根冠运输,而在此过程中ROS起到中间环节作用,并且ROS诱导的抗氧化防御的上调能有效的避免盐诱导的氧化损伤。不耐盐的群众杨对盐胁迫反应迟钝,不能很快适应环境,可能是其不耐盐的主要原因之一。 总之,胡杨耐盐性的获得可能是由于提高了抗氧化胁迫能力。一方面,在长期盐胁迫下,胡杨不仅能通过诱导O_2~-·上调,促进乙烯的合成,诱导落叶来减少蒸腾;而且能有效控制叶组织、根组织和质外体中ROS水平,避免氧化损伤,维持膜系统的稳定性。另一方面,盐诱导的氧化胁迫信号在胡杨耐盐性中起重要的作用,既能诱导气孔关闭,减少蒸腾,又能减少氧化损伤。


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