Ca2+對鹽脅迫下白刺生理生化的影響

1、外源Ca2+對鹽脅迫下白刺的生理生化影響摘要：為探討Ca2+與鹽生植物耐鹽性的關(guān)系，以唐古特白刺(Nitraria tangutorum Bobr)為試驗材料，研究不同濃度外源Ca2+對鹽脅迫下白刺的生理生化影響，結(jié)果表明，鹽濃度不高于300mmol/L時，施加一定濃度Ca2+（15mmol/L）可增加白刺葉片相對含水量，提高葉片水勢與根系活力，降低電解質(zhì)外滲率，減少丙二醛含量，增加脯氨酸的積累，同時提高SOD、POD保護(hù)酶活性，且均隨Ca2+濃度的增加呈上升趨勢。而高濃度Ca2+（15mmol/L）對白刺各生理生化指標(biāo)均表現(xiàn)出不同程度的抑制作用，影響白刺的正常代謝活動。說明一定濃度的Ca2+

2、（15mmol/L）能有效緩解鹽脅迫（NaCl300mmol/L）對白刺造成的傷害，高鹽脅迫下外施Ca2+緩解作用不明顯，甚至表現(xiàn)為抑制作用。關(guān)鍵詞：鹽脅迫；Ca2+；白刺；生理生化Physiological and Biochemical Effects of Exogenous Ca2+ on Nitraria tangutorum Bobr under salt stressAbstract:Key words:鈣是植物必需的一種礦質(zhì)營養(yǎng)元素，它對維持細(xì)胞壁、細(xì)胞膜以及膜結(jié)合蛋白的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)無機(jī)離子運輸，且作為細(xì)胞內(nèi)生理生化反應(yīng)的第二信使偶聯(lián)外信號，調(diào)控多種酶活性等都具有重要的作用1-

3、2。外源鈣對許多植物的鹽害效應(yīng)具有緩解作用，當(dāng)植物受到鹽脅迫時，植物能夠通過提高細(xì)胞質(zhì)游離Ca2+的濃度，抑制活性氧物質(zhì)的生成，保護(hù)細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)，維持正常的光合作用，從而在作物對鹽脅迫的感受、傳遞、響應(yīng)和適應(yīng)過程中發(fā)揮作用3-5。朱曉軍等研究表明，外源Ca2+能有效改善水稻的光合作用，降低丙二醛含量和細(xì)胞膜透性，增強(qiáng)保護(hù)酶活性6。NaCl 脅迫條件下，營養(yǎng)液中加施CaCl2可有效防護(hù)脅迫所致的氧化損傷，維持較高的SOD 活性，進(jìn)而維持較高的光合效率、光系統(tǒng)的功能7。外加Ca2+能通過提高擬南芥對鹽脅迫的適應(yīng)而增加K+含量、脯氨酸含量并降低丙二醛的含量，增強(qiáng)植物抗離子、滲透和氧化等脅迫的能力，

4、從而緩解鹽對擬南芥幼苗的傷害，提高擬南芥的耐鹽性8。Cabañero等9研究認(rèn)為，Ca2+能夠很好地維持水通道蛋白的活性功能，進(jìn)而保證鹽脅迫下細(xì)胞水分代謝的平衡。可見外源鈣是在離子選擇吸收、膜系統(tǒng)的保護(hù)及光合功能的維護(hù)等多方面起到了對鹽脅迫傷害的保護(hù)作用。但外源鈣的緩解作用也有一定的限制性, 即適宜的Ca2+濃度可以促進(jìn)植物的生長，緩解鹽害效應(yīng)，但外源Ca2+濃度較高時，其促進(jìn)作用減弱，甚至抑制植物的生長10。目前對Ca2+對植物耐鹽性的調(diào)控作用研究集中在作物及非鹽生植物11-14，且主要集中在對植物的緩解效應(yīng)上，對鹽生植物的研究尚未見報道。本研究以鹽生植物唐古特白刺（Nitrari

5、a tangutorum Bobr）一年生苗為試驗材料，探究不同濃度外源Ca2+對鹽脅迫下白刺的生理生化影響，探討Ca2+對植物耐鹽性的調(diào)控作用，以期為Ca2+與植物耐鹽性相關(guān)研究奠定基礎(chǔ)。1. 材料與方法1.1 材料材料為唐古特白刺（Nitraria tangutorum Bobr）一年生實生苗，種子購自吉林省白城市林科院。1.2 試驗材料培養(yǎng)與處理1.2.1 材料的培養(yǎng)2012年3月將經(jīng)溫水浸種24h后的種子播種于裝有純凈河沙的穴盤中育苗，待幼苗長出4-5片真葉時，定植到10cm×10cm的塑料花盆中，培養(yǎng)。2013年5月選取長勢一致的一年生實生苗，用清水浸泡去除根際泥土，再用蒸

6、餾水漂洗干凈，并用去離子水沖洗后種植于15cm×15cm的塑料花盆中，栽培基質(zhì)為純凈河沙，每盆3株，用1/2Hoagland全營養(yǎng)液澆灌培養(yǎng)，待充分緩苗后，進(jìn)行鹽脅迫處理。1.2.2 材料的處理對白刺進(jìn)行NaCl 鹽脅迫處理，脅迫濃度設(shè)100,200,300,400mmol/L四個梯度，CaCl2分別設(shè)0,5,10,15,20mmol/L五個濃度，采用完全隨機(jī)試驗設(shè)計，共設(shè)20個處理，每1盆為一個處理，每個處理3個重復(fù)共60盆。將NaCl和CaCl2按設(shè)計濃度加入到Hoagland 營養(yǎng)液中，澆灌處理。為防止鹽激效應(yīng)，各處理都以1/2 Hoagland +50mmol/L NaCl

7、作起始濃度，每天遞增50mmol/L15，達(dá)到預(yù)設(shè)濃度后，按各處理NaCl及CaCl2濃度連續(xù)處理7d，每天澆灌一次，澆灌量為細(xì)沙持水量的2倍(每盆約200ml)，約2/3的溶液流出，從而將以前累積于細(xì)沙中的鹽沖洗掉，以保持鹽濃度的恒定。在處理結(jié)束后的第2d取樣測定相關(guān)指標(biāo)。1.2.3 相關(guān)指標(biāo)的測定參照高俊鳳16的方法，烘干稱重法測定葉片相對含水量，阿貝折射儀（WAY-2WAJ型，上海）測定葉片水勢，TTC還原法測定根系活力，電導(dǎo)儀（DDS-11A型，上海）測定質(zhì)膜透性，硫代巴比脫酸法測定丙二醛含量，磺基水楊酸法測定脯氨酸含量，NBT法測定SOD活性，愈創(chuàng)木酚法測定POD活性。1.2.4 數(shù)

8、據(jù)處理采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖，SPSS 17.0進(jìn)行顯著性分析。2. 結(jié)果與分析2.1 外源Ca2+對鹽脅迫下白刺葉片相對含水量的影響圖1外源Ca2+對鹽脅迫下白刺葉片相對含水量的影響Fig.1 Effects of exogenous Ca2+ on the leaf relative water contentof Nitraria tangutorum Bobr under salt stress由圖1可以看出，隨著外源Ca2+濃度升高，葉片相對含水量逐漸增加，這種變化隨著NaCl濃度的增加而逐漸減弱，NaCl 濃度達(dá)400mmol/L 時，隨外源Ca2+濃度的增加，

9、葉片相對含水量逐漸降低，在Ca2+濃度為15mmol/L 時，降到最低為60.42%，后又略有增加，各處理間葉片相對含水量差異不顯著，即外源Ca2+對鹽脅迫下葉片相對含水量沒有顯著影響。2.2 外源Ca2+對鹽脅迫下白刺葉片水勢的影響圖2外源Ca2+對鹽脅迫下白刺葉片水勢的影響Fig.2 Effects of exogenous Ca2+ on leaf water potentialof Nitraria tangutorum Bobr under salt stress由圖2可以看出，隨著Ca2+濃度的增加，不同鹽處理下白刺葉片的水勢均有不同程度的升高，這種趨勢在鹽濃度為300mmol/L

10、 時最為明顯，以濃度為15mmol/L 達(dá)到最高，比不添加Ca2+時增加193.75%，而在Ca2+濃度達(dá)到20mmol/L 時，不同濃度鹽處理下葉片水勢較15mmol/L使均下降，但仍高于不外施Ca2+時的水勢，說明一定濃度的外源Ca2+能提高葉片水勢，減輕鹽脅迫帶來的水分虧缺，提高植物抗性。2.3 外源Ca2+對鹽脅迫下白刺根系活力的影響圖3外源Ca2+對鹽脅迫下白刺根系活力的影響Fig.3 Effects of exogenous Ca2+ on root activityof Nitraria tangutorum Bobr under salt stress由圖3可以看出，低鹽(10

11、0mmol/L NaCl)脅迫下白刺根系活力隨Ca2+濃度升高而升高。隨鹽濃度升高，根系活力均在Ca2+濃度為15mmol/L時最大，隨后降低。說明鹽脅迫下添加外源Ca2+能有效提高白刺根系活力，提高植物對不良環(huán)境的抗性。2.4 外源Ca2+對鹽脅迫下白刺細(xì)胞膜透性的影響圖4外源Ca2+對鹽脅迫下白刺細(xì)胞膜透性的影響Fig.4 Effects of exogenous Ca2+ on cell membrane permeabilityof Nitraria tangutorum Bobr under salt stress由圖4可以看出，隨著Ca2+濃度的增加，電解質(zhì)外滲率均有不同程度的降低

12、，100、200、300mmol/L NaCl處理下均在Ca2+濃度為20mmol/L時分別比不添加Ca2+時顯著降低19.69%、56.08%、16.41%，400mmol/L NaCl處理后，電解質(zhì)外滲率則在Ca2+濃度為15mmol/L時降低至70.30%，說明外源Ca2+能緩解鹽脅迫對細(xì)胞膜的傷害，降低電解質(zhì)外滲率。2.5 外源Ca2+對鹽脅迫下白刺葉片丙二醛含量的影響圖5外源Ca2+對鹽脅迫下白刺丙二醛含量的影響Fig.5 Effects of exogenous Ca2+ on MDA contentof Nitraria tangutorum Bobr under salt st

13、ress由圖5可以看出，外源Ca2+明顯降低了鹽脅迫下MDA的含量，與不添加Ca2+相比，100、200、300mmol/L NaCl脅迫下MDA含量在Ca2+濃度為15mmol/L時降至最低，隨后升高，400mmol/L NaCl下MDA含量則在Ca2+為10mmol/L時比不添加Ca2+降低了44.59%，隨后逐漸上升。由此說明一定濃度的外源Ca2+能降低鹽脅迫下膜質(zhì)受傷害的程度，增強(qiáng)植物對鹽環(huán)境的抗性。而Ca2+濃度過高時，也對植物造成一種脅迫，即離子毒害，膜脂過氧化程度增加，丙二醛含量增加。2.6 外源Ca2+對鹽脅迫下白刺葉片脯氨酸含量的影響圖6外源Ca2+對鹽脅迫下白刺脯氨酸含量的

14、影響Fig.6 Effects of exogenous Ca2+ on proline contentof Nitraria tangutorum Bobr under salt stress由圖6可以看出，隨著鹽濃度的升高，脯氨酸含量顯著增加，保證了白刺較強(qiáng)的耐鹽性。隨Ca2+濃度的升高，不同鹽處理下的脯氨酸含量均有不同程度的升高， 100、200mmol/L 鹽處理下脯氨酸含量的積累速率大于300、400mmol/L 鹽處理。由此說明，外源 Ca2+能有效促進(jìn)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)脯氨酸的合成與積累，降低鹽脅迫對植物的傷害。2.7 外源Ca2+對鹽脅迫下白刺葉片SOD活性的影響圖7外源Ca2+對鹽

15、脅迫下白刺SOD活性的影響Fig.7 Effects of exogenous Ca2+ on SOD activityof Nitraria tangutorum Bobr under salt stress由圖7可以看出，外源Ca2+濃度不高于15mmol/L 時，隨著Ca2+濃度的升高，SOD活性均呈現(xiàn)不同程度的升高，且隨鹽濃度升高，SOD活性增加的幅度逐漸增大。100mmol/L NaCl處理下，SOD活性則隨著Ca2+濃度的升高持續(xù)增加，其他鹽處理下SOD活性則在Ca2+濃度為20mmol/L 時降低。由此說明，一定濃度的外源Ca2+能有效提高鹽脅迫下植物體內(nèi)SOD活性，有效清除植物

16、體內(nèi)的氧自由基，提高植物的抗鹽性，以15mmol/L Ca2+效果為佳。 2.8 外源Ca2+對鹽脅迫下白刺葉片POD活性的影響圖8外源Ca2+對鹽脅迫下白刺POD活性的影響Fig.8 Effects of exogenous Ca2+ on POD activityof Nitraria tangutorum Bobr under salt stress由圖8可以看出，隨著Ca2+濃度增加，不同鹽處理下白刺葉片的POD活性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。100、200mmol/L NaCl 處理下，POD活性在Ca2+濃度為15mmol/L時達(dá)到最大值， 300、400mmol/L NaCl 處理下

17、則在Ca2+濃度為10mmol/L 時均達(dá)到最大值，后又略有下降。由此說明，一定濃度的Ca2+能有效提高植物體內(nèi)POD活性，以抑制膜內(nèi)不飽和脂肪酸的過氧化作用，維持細(xì)胞質(zhì)膜的穩(wěn)定性和完整性，以Ca2+濃度為10、15mmol/L效果為佳。2.9 生理指標(biāo)與NaCl濃度和Ca2+濃度間的方差分析表1生理指標(biāo)與NaCl濃度和Ca2+濃度間的方差分析Tab.1 Effect of NaCl content, Ca2+ content and the interaction effects on different physiological indexes of Nitratia tangutoru

18、m Bobr脅變指標(biāo)NaCl濃度Ca2+濃度NaCl濃度*Ca2+濃度FPFPFP葉片相對含水量2.8910.047NS1.3540.267NS1.2770.270NS葉片水勢21.7090.000*51.1720.000*1.0330.458NS根系活力147.8720.000*14.7470.000*3.5510.001*電解質(zhì)外滲率22.0850.000*6.3450.006*5.1730.000*丙二醛含量33.6920.000*55.2000.000*7.5060.000*脯氨酸含量417.6480.000*20.4880.000*1.3500.230NSSOD活性6.1270.00

19、2*9.9330.000*0.8080.641NSPOD活性14.4090.000*1.1990.326NS0.5920.835NS“*”表示差異極顯著，P<0.01（*:significant difference P<0.01）；“NS”表示差異不顯著，P>0.05（NS: not significant）方差分析表明(表1)， 不同NaCl濃度和Ca2+濃度以及兩者間的交互作用對白刺根系活力、細(xì)胞膜的電解質(zhì)外滲率、丙二醛含量的影響均達(dá)到極顯著水平(p < 0.01)，對葉片相對含水量無顯著影響; 不同鹽濃度和Ca2+濃度對葉片水勢、脯氨酸含量及SOD活性的影響均達(dá)

20、到極顯著水平(p < 0.01)，交互作用則沒有顯著影響。只有鹽濃度對POD活性有顯著影響，Ca2+濃度及交互作用對POD活性無顯著影響。3. 討論Epstein (1987) 指出, 在非鹽脅迫條件下植物體正常生長所需的鈣, 在鹽分脅迫條件下變得不足17 , 這可能與鹽離子抑制植物體對Ca2+的吸收和利用有關(guān)。鹽脅迫對植物的傷害, 很大程度上是通過破壞質(zhì)膜的完整性和鈣信號系統(tǒng)正常發(fā)生和傳遞18-19。因而施加一定濃度的外源鈣，可以緩解因鈣不足造成的礦質(zhì)營養(yǎng)脅迫，增加質(zhì)膜的穩(wěn)定性和鈣信號系統(tǒng)的正常發(fā)生和傳遞, 從而維持細(xì)胞內(nèi)離子平衡。本研究結(jié)果表明，鹽濃度不高于300mmol/L時，施加

21、一定濃度Ca2+（15mmol/L）可增加葉片相對含水量，提高葉片水勢，且隨著Ca2+濃度的增加均呈上升趨勢，減輕鹽分脅迫導(dǎo)致的水分虧缺和由此帶來的次生傷害。鹽濃度達(dá)400mmol/L時，隨Ca2+濃度升高，葉片相對含水量呈先升高后波動性變化的趨勢，葉片水勢則呈先上升后降低的趨勢，這可能是因為過高的Ca2+與基質(zhì)中過高的Na+相互競爭，形成離子毒害，影響了植物體對水分的吸收與利用。丙二醛(MDA) 是膜脂過氧化作用的主要產(chǎn)物之一，其含量是判斷膜脂過氧化程度的一個重要指標(biāo)20。本研究表明，鹽濃度不高于300mmol/L 時，外施15mmol/L Ca2+可以有效提高根系活力，降低電解質(zhì)外滲率，抑

22、制丙二醛的積累，即抑制膜脂過氧化作用, 從而減輕膜脂過氧化對細(xì)胞的傷害，促進(jìn)脯氨酸的合成，減緩鹽脅迫造成的滲透脅迫傷害，此結(jié)果與在非鹽生植物番茄4、蕎麥11、水稻21、小麥22上的研究結(jié)果一致。說明Ca2+對鹽生、非鹽生植物具有相同的調(diào)控作用，在一定濃度的范圍內(nèi)均能明顯緩解鹽脅迫對植物的傷害，提高植物的抗性。而Ca2+對脯氨酸的積累的調(diào)節(jié)可能與離子吸收有關(guān)，從而引起Ca2+信號系統(tǒng)反應(yīng)，進(jìn)一步調(diào)控了脯氨酸的合成與講解過程23。鹽濃度達(dá)400mmol/L時，隨著Ca2+濃度升高，脯氨酸合成整體呈增加趨勢，但差異不顯著，說明外施Ca2+不能有效緩解高鹽濃度引起的滲透脅迫，過高的Ca2+（15mmo

23、l/L）形成離子毒害，反而促進(jìn)了丙二醛的積累，這可能是Ca2+濃度過高時，會同磷酸反應(yīng)形成沉淀而擾亂以磷酸為基礎(chǔ)的能量代謝，膜脂過氧化引起。根系活力則呈先增加后降低的趨勢，但變化幅度較小，說明一定濃度的外源Ca2+能輕微緩解高鹽脅迫對白刺根系造成的傷害，而高濃度Ca2+則與高鹽濃度一起互作，降低了白刺的根系活力。鹽脅迫下白刺的保護(hù)酶SOD、POD活性隨著Ca2+濃度的增加呈先上升后下降的趨勢。保護(hù)酶活性的增加，可有效清除生物體內(nèi)的氧自由基，降低膜脂過氧化，減少MDA的積累，維持植物體內(nèi)的代謝平衡，減輕膜結(jié)構(gòu)的損傷程度。隨著Ca2+濃度的增加，SOD活性除100mmo/L NaCl 處理下呈持續(xù)

24、增加趨勢，其余處理均在Ca2+濃度15mmo/L 時降低，且Ca2+濃度對SOD活性有顯著影響，POD活性則在Ca2+濃度10mmol/L 時呈不同趨勢的降低，但各處理間差異不顯著，這與Ca2+對水稻抗氧化保護(hù)酶活性的影響有所差異24，可能是白刺作為典型的鹽生植物，鹽脅迫下啟動體內(nèi)抗氧化保護(hù)酶系統(tǒng)，Ca2+在一定程度上促進(jìn)了酶反應(yīng)，提高了酶活性，但其對酶活性的影響幅度則小于對非鹽生植物酶活性的影響。參考文獻(xiàn)：1余叔文，湯章城，植物生理與分子生物學(xué)(第二版)M.北京:科學(xué)出版社,1998年.2 Bush D S .Calcium regulation in plant cells and its

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