硅對干旱脅迫下番茄根系細胞超微結(jié)構(gòu)及線粒體活性氧代謝的影響

1、園 藝學報 2014, 41 （12）： 2419-2426http: / www. ahs. ac. cnActa Horticulturae SinicaE-mail: HYPERLINK mailto: 硅對干旱脅迫下番茄根系細胞超微結(jié)構(gòu)及線粒 體活性氧代謝的影響曹逼力，劉燦玉，徐 坤*（山東農(nóng)業(yè)大學園藝科學與工程學院，作物生物學國家重點實驗室/農(nóng)業(yè)部黃淮地區(qū)園藝作物生物學與種質(zhì)創(chuàng)制重點 實驗室，山東泰安271018）摘 要：以番茄品種金棚1號為試材，采用水培方法，研究了 PEG-6000模擬干旱脅迫條件下，硅對根系細胞超微結(jié)構(gòu)及線粒體活性氧代謝的影響。結(jié)果表明，隨干旱脅迫時間的延長，番

2、茄植株根系 活力逐漸降低，丙二醛（MDA）含量逐漸升高，細胞線粒體超氧陰離子生成速率和過氧化氫（H2O2）含 量亦逐漸升高，而超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）及過氧化氫酶（CAT）活性在脅迫初期 迅速增強，達峰值后又快速降低；施硅處理顯著抑制了干旱脅迫引發(fā)的上述變化。干旱脅迫處理12 d時， 施硅較不施硅處理番茄根系的MDA含量、超氧陰離子生成速率和H2O2含量分別降低了25.14%、8.34% 和20.25%，而根系活力、SOD活性、POD活性和CAT活性分別提高了 139.62%、243.19%、65.53%和 125.55%。施硅處理還減輕了干旱脅迫導致的根系細胞質(zhì)壁分離程

3、度，緩解了線粒體、細胞核、生物膜等 的損傷。關(guān)鍵詞：番茄；硅；干旱；細胞超微結(jié)構(gòu)；線粒體；活性氧代謝中圖分類號：S 641.2 文獻標志碼：A文章編號：0513-353X（2014）12-2419-08Effects of Silicon on Ultrastructure and Active Oxygen Metabolism in Mitochondria of Tomato Roots Under Drought StressCAO Bi-li，LIU Can-yu，and XU Kun*（College of Horticulture Science and Engineering

4、， Shandong Agricultural University， State Key Laboratory of Crop Biology， Key Laboratory of Biology and Genetic Improvement of Horticultural Crops in Huang-Huai Region ， Ministry of Agriculture， Taian，Shandong 271018， China）Abstract： The effects of silicon on ultrastructure and active oxygen metabol

5、ism in root mitochondria were studied with a tomato（ Solanum lycopersicum）cultivarJinpeng 1in cultured hydroponics under PEG-6000 simulated drought. The results showed that with the extension of drought stress， the root activity of tomato plants gradually decreased. Malondialdehyde（MDA）content， mito

6、chondrial superoxide anion（|）productivity rate and hydrogen peroxide（H2O2）content gradually increased， but the activities of superoxide dismutase （SOD）， peroxidase （POD）and catalase （CAT）rapidly increased in the early stage of drought stress， and then rapidly decreased after peak. The application of

7、 silicon significantly effected the change of the related indicators caused by drought stress. After 12 days of drought stress， the content of收稿日期：2014-10-17；修回日期：2014-12-04基金項目：山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項資金項目(SDAIT-02-022-05)* 通信作者 Author for correspondence (E-mail： HYPERLINK mailto:xukun xukun)MDA, uiul ）. ：i

8、 roots u同wli silicon were ilir d；l 、iiiieo v hhou： silicon hy 25.14%, 8.34%, 20.25%, respectively. But root activity, SOD activity, POD activity and CAT activity were higher by 139.62%, 243.19%, 65.53%, 125.55%, respectively. In addition, the application of silicon not only reduced plasmolysis of to

9、mato root cells, but also relieved the damage of mitochondria, nuclei and biofilms.Key words： tomato； silicon； drought； cell ultrastructure； mitochondria； active oxygen metabolism植物根系作為土壤水分的直接吸收器官，可對干旱脅迫迅速作出應激反應（桂世呂等，2010； 劉艷等，2010）。干旱主要破壞根系的滲透調(diào)節(jié)功能、保護酶系統(tǒng)及膜系統(tǒng)，尤其膜系統(tǒng)通常被認 為是干旱脅迫損傷的原初關(guān)鍵部位（孫涌棟等，2008）。干旱脅迫

10、下植物體內(nèi)過量的自由基引起膜 脂過氧化，產(chǎn)生的MDA可與蛋白質(zhì)交聯(lián)、結(jié)合，使細胞膜失活，嚴重時會致使植物細胞死亡（桂 世呂 等，2010）。在細胞程序性死亡的過程中線粒體起著重要作用（Loeffler & Kroemer, 2000）。 由于線粒體既能進行氧化磷酸化，生成ATP，又能產(chǎn)生活性氧，造成脂質(zhì)過氧化（趙云罡和徐建興， 2001），所以維持細胞線粒體的結(jié)構(gòu)完整和正常生理功能具有重要的生物學意義。干旱脅迫下根系細胞內(nèi)的線粒體膜結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，主要與膜脂過氧化傷害有關(guān)（Smith et al., 1982； Yamamoto et al., 2002）。衛(wèi)星等（2010）報道，干旱脅迫下水曲

11、柳根系線粒體內(nèi)&。2和MDA 含量增加，線粒體膜裂解。而植物在抵御干旱脅迫過程中，甜菜堿、脯氨酸、有機酸、保護酶及鉀、 硅等可通過調(diào)節(jié)不同的代謝途徑發(fā)揮作用（Farooq et al., 2009），其中硅元素既可影響細胞的結(jié)構(gòu)（Romero-Aranda et al., 2006），也可調(diào)節(jié)相關(guān)生理代謝（Maet al., 2004）。Isa等（2010）研究發(fā) 現(xiàn)，水稻對硅的吸收沉積增加了細胞壁的強度和剛性；同時加入外源硅還可顯著提高干旱脅迫下小 麥（Gong et al., 2005）、草坪草（杜建雄和劉金榮，2010）、黃瓜（周秀杰 等，2010）的SOD、POD 和。人丁活性，降低小

12、麥（Pei et al., 2010）、水稻（明東風 等，2012）在干旱脅迫下葉片的H2O2 和MDA含量，從而增加生物膜的穩(wěn)定性。錢瓊秋等（2006a, 2006b）研究發(fā)現(xiàn)，硅能顯著降低鹽 脅迫下黃瓜根系線粒體的H2O2和MDA含量，增強線粒體抗膜脂過氧化能力，維持膜的完整性。番茄（Solanum lycopersicum ）雖然對硅的吸收速率較低（Takahashi et al., 1990），但作者研究 發(fā)現(xiàn)，水培番茄添加適量的硅，可顯著促進幼苗生長，提高光合速率和水分利用效率（曹逼力等， 2013）；梁永超等（1993）的研究也表明，番茄在砂培、土培條件下施用硅肥，植株生長勢均較對

13、照 增強，產(chǎn)量提高30%以上。為了探討硅在維持番茄根系細胞結(jié)構(gòu)與功能中的作用，采用水培方法研 究了硅對PEG模擬干旱脅迫下番茄根系細胞超微結(jié)構(gòu)、根系活力及活性氧代謝的影響，旨在明確硅 緩解植物干旱脅迫的生理機制。1材料與方法1.1材料培養(yǎng)與處理試驗于2013年810月在山東農(nóng)業(yè)大學園藝實驗站日光溫室進行，供試番茄品種為金棚1 號，采用1/2Hoagland營養(yǎng)液水培育苗。溫室內(nèi)環(huán)境進行常規(guī)調(diào)節(jié)，晴天午間光強1 400 - 1 800 四mol m-2 s-1,#/夜溫度2832 C/1821 C,相對濕度67%92%。待幼苗長至約4葉1心時 移至直徑15 cm、高15 cm的塑料盆中，以泡沫板

14、固定幼苗，每盆定植1株，每2d更換一次全量 Hoagland營養(yǎng)液。待幼苗長至8葉1心時選取生長一致的番茄幼苗進行如下處理：對照：Hoagland 營養(yǎng)液；PEG： Hoagland營養(yǎng)液 + 1% PEG-6000； PEG + Si： Hoagland營養(yǎng)液 + 1% PEG-6000 + 1.2mmol L-1 Si，試驗所用硅源為Na2SiO3 9H2O。每處理90盆，分成3組，隨機區(qū)組排列。分別于 試驗處理0、1、3、5、8和12 d時11： 00時取樣測定相關(guān)代謝指標，采用鄧肯氏新復極差法檢驗 數(shù)據(jù)差異顯著性。于試驗處理12 d時取根樣制片，觀察根系細胞超微結(jié)構(gòu)。1.2測試指標與方

15、法番茄根系活力以TTC法（李合生 等，2000）測定。根系線粒體制備參考楊玖英等（2004）和錢瓊秋等（2006b）的方法進行，具體操作步驟如下：4 C超純水洗凈待測根系，稱取20甘，加入4 C提取液內(nèi)含0.4 mmol L-1甘露醇，0.7%聚乙烯毗 咯烷酮（PVP），0.1%牛血清蛋白（BSA），2 mmol L- 1乙二胺四乙酸（EDTA），0.05% 0巰基乙醇 的50 mmol L-1 Tris-HC1，pH7.450 mL，在4 C下迅速搗碎成糊狀，經(jīng)4層紗布過濾收集濾液， 濾液經(jīng)1 000 x g離心15 min取上清液；為去除細胞核殘骸再3 000 x g離心15 min，最后

16、取上清液 于12 000 x g下離心15 min，所得沉淀為粗制線粒體。用15 mL 4 C提取液將沉淀洗滌3次，再經(jīng)（20%、36%、52%、60%）蔗糖梯度離心，最后提取的線粒體用保存液（內(nèi)含5 mmol L-1的EDTA， 0.05 mmol L-1 的PBS，pH 7.4）懸浮。分別取線粒體懸浮液，用NBT還原法（Gioniannopolitis & Ries，1977）測定SOD活性，用愈 創(chuàng)木酚法（Kochba et al.，1977 ）測定POD活性，按Dhindsa等 （1982 ）的方法測定CAT活性，采 用羥胺氧化法（Rauckman et al.，1979）測定超氧陰離

17、子產(chǎn)生速率，按Patterson等（1984）的方法 測定H2O2含量，用硫代巴比妥酸法（Cavalcanti et al.，2004）測定MDA含量。測定上述指標時以 線粒體蛋白（mg）表示線粒體量，用Bradford （1976）的方法測定蛋白含量。選取不同處理番茄根系側(cè)根根尖，截取12 mm小段，迅速浸入裝有2.5%戊二醛溶液（pH 7.5） 的小玻璃瓶中，經(jīng)抽氣至根樣沉至瓶底固定24h后取出，經(jīng)磷酸緩沖液沖洗后，再以0.1%鋨酸固 定2 h，再次以磷酸緩沖液沖洗，經(jīng)乙醇多級脫水后，用環(huán)氧丙烷置換，再進行Epon812環(huán)氧樹脂 滲透包埋。采用美國RMC Power-Tome-XL型超薄切

18、片機切片，醋酸鈾和檸檬酸鉛雙染，于Hitachi H-7650透射電子顯微鏡下觀察根系細胞超微結(jié)構(gòu)。2結(jié)果與分析2.1干旱脅迫下硅對番茄根系活力及線粒體膜質(zhì)過氧化水平的影響圖1表明，隨干旱脅迫時間的延長，番茄幼苗根系活力逐漸降低，但培養(yǎng)液中加硅則顯著抑制了 根系活力的下降，如干旱脅迫3d時，模擬干旱脅迫的PEG處理比對照降低了46.72%，而PEG + Si處理下降了 18.71%,至脅迫12 d時，二者分別比對照下降了85.65%和65.62%。根系膜脂過氧化產(chǎn) 物MDA含量的變化與根系活力相反，亦即隨干旱脅迫天數(shù)的增加MDA含量顯著升高，脅迫至12 d 時，PEG處理和PEG + Si處理

19、分別比對照增加了5.37和3.77倍，但PEG + Si處理較PEG處理降 低了 25.14%，表明培養(yǎng)液加硅降低了番茄根系膜質(zhì)過氧化程度，有效緩解了干旱脅迫引起的傷害。2.2干旱脅迫下硅對番茄根系線粒體超氧陰離子產(chǎn)生速率、過氧化氫（H2O2）含量的影響圖2顯示，干旱脅迫導致番茄根系超氧陰離子產(chǎn)生速率及H2O2含量顯著增加，且隨干旱脅迫 天數(shù)的增加，增幅顯著提高，但PEG + Si處理的增幅顯著低于PEG處理。表明培養(yǎng)液加硅可有效 降低番茄幼苗根系超氧陰離子和H2O2的生成。圖2硅對干旱脅迫下番茄根系線粒體超氧陰離子產(chǎn)生速率和H2O2含量的影響Fig. 2 Effects of silicon

20、 onp”，： . i ition rate and H2O2 content in mitochondria of tomato root under drought stress2.3干旱脅迫下硅對番茄根系線粒體SOD POD和。人丁活性的影響圖3硅對干旱脅迫下番茄根系線粒體SOD、POD和CAT活性的影響Fig. 3 Effects of silicon on activities of SOD，POD and CAT inmitochondria of tomato root under drought stress由圖3可知，試驗處理過程中，對照根系 線粒體SOD POD和。人丁活性

21、較為穩(wěn)定，而 PEG處理、PEG + Si處理的相關(guān)酶活性在干旱 脅迫前期均迅速升高，至3d時達峰值時，PEG 處理的SOD、POD和。人丁活性較對照分別增 加 308.18%、154.68% 和 174.75%，但較 PEG + Si 處理分別降低了 22.48%、16.99% 和 14.31%； 之后，盡管PEG處理、PEG + Si處理的相關(guān)酶 活性均呈降低趨勢，但PEG處理下降速率顯著 高于PEG + Si處理，尤其在脅迫5 d后表現(xiàn)為 甚，至12 d時，PEG處理的SOD、POD圖3硅對干旱脅迫下番茄根系線粒體SOD、POD和CAT活性的影響Fig. 3 Effects of sil

22、icon on activities of SOD，POD and CAT inmitochondria of tomato root under drought stress2.4干旱脅迫下硅對番茄根系細胞超微結(jié)構(gòu)的影響從圖4可以看出，干旱脅迫12 d時，對照和PEG + Si處理番茄植株根系細胞的液泡體積較小 且數(shù)量較多（圖4, A、C），而PEG處理根系細胞中的液泡體積較大且數(shù)量較少，并有明顯的質(zhì)壁 分離現(xiàn)象（圖4, B）。對照的根系細胞線粒體完好，呈圓形或橢圓形（圖4, D），PEG處理的根系 細胞線粒體損傷嚴重，崎突膨脹變形且線粒體膜部分破潰（圖4, E），PEG + Si處理的根系

23、細胞線 粒體損傷較輕，雖崎突有輕微膨脹，但線粒體膜較為完好（圖4, F、I）。對照的根系細胞質(zhì)體完好， 呈圓形或橢圓形（圖4, D、G），PEG + Si處理的根系細胞質(zhì)體大多完好，僅少數(shù)質(zhì)體外膜部分自 溶（圖4, F、I），而PEG處理的根系細胞質(zhì)體嚴重扭曲變形（圖4, H）。對照的根系細胞細胞核清 晰（圖4, A、G），PEG + Si處理的根系細胞細胞核輕微腫脹變形（圖4, C）但PEG處理的根系 細胞細胞核核膜松散、解體，表明損傷已較為嚴重（圖4, E、H）。PECt 卜 si20() ntnPECt 卜 si20() ntn圖4硅對干旱脅迫下番茄根系細胞超微結(jié)構(gòu)的影響CW：細胞壁；E

24、：嗜鋨顆粒；M：線粒體；N：細胞核；P：質(zhì)體；V：液泡。Fig. 4 Effects of silicon on ultrastructure of tomato roots under drought stressCW： Cell wall； E： Eosinophilia osmium particle； M： Mitochondria； N： Nucleus； P： Plastid； V： Vacuole.3討論植物在遭受逆境脅迫時，線粒體中的電子傳遞受阻，電子漏出呼吸鏈與氧反應生成活性氧，大 量積累的活性氧破壞線粒體內(nèi)膜的完整性甚至是線粒體的活性氧防御系統(tǒng)（馬懷宇和楊洪強，2006），

25、 但在生成活性氧的同時，其自身也存在較為完善的活性氧清除系統(tǒng)，如SOD、POD和CAT等活性 氧酶促清除系統(tǒng)（白團輝等，2008），以及還原型抗壞血酸（AsA）、還原型谷胱甘肽（GSH）、類 胡蘿卜素、a生育酚等小分子活性物質(zhì)的非酶促清除系統(tǒng)（杜秀敏等，2001），以維持活性氧代 謝平衡，但嚴重逆境脅迫可導致SOD、POD和CAT活性的下降（葛體達 等，2005）。本試驗結(jié)果 表明，隨著干旱脅迫時間的延長，番茄根系線粒體超氧陰離子產(chǎn)生速率、H2O2含量逐漸升高，SOD、 POD和CAT活性在脅迫初期亦迅速升高，但在脅迫中后期則迅速降低，表明較長的脅迫時間破壞 了SOD、POD和CAT等保護酶的

26、動態(tài)平衡，因此，盡管線粒體膜脂過氧化產(chǎn)物MDA含量在干旱 脅迫過程中持續(xù)增加，但前期增加緩慢，后期增加較快。本研究中發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下施硅處理顯著 增強了番茄根系線粒體SOD、POD、CAT活性，降低了超氧陰離子產(chǎn)生速率以及H2O2和MDA含 量，表明外源硅較好地維持了干旱脅迫下番茄根系線粒體活性氧的代謝平衡，有效保護了生物膜， 緩解了干旱脅迫對番茄根系線粒體的損傷。與之相似，Schmidt等(1999)研究表明，葉面噴施硅 酸鹽提高了干旱脅迫下剪股穎葉片的SOD活性。李清芳等(2007)研究也證實，外源硅通過提高玉 米葉片SOD、POD和CAT活性，降低MDA含量，緩解干旱脅迫造成的傷害。杜建

27、雄和劉金榮(2010) 發(fā)現(xiàn)，硅可提高草坪草葉片抗氧化酶的活性，減輕活性氧的積累，降低MDA含量，緩解了干旱脅 迫誘導的氧化損傷。外源硅還可促進黃瓜植株SOD、POD、CAT的活性升高(Ma et al.，2004)。此 外，Romero-Aranda等(2006)發(fā)現(xiàn)，番茄加硅培養(yǎng)后，硅在細胞壁的沉積和輸導組織中Si nH2O 較強的親水性，減輕了組織的生理干旱程度，可避免細胞過度脫水，從而減輕了活性氧的產(chǎn)生。干 旱條件下施硅也有利于保持水稻(Agarie et al.，1998)和小麥(Gong et al.，2003)葉片較高的水勢。 本試驗也證實，干旱脅迫下加硅處理的番茄根系細胞質(zhì)壁分

28、離程度顯著低于不加硅處理。植物遭受逆境脅迫，其細胞相關(guān)生理功能可能因細胞器結(jié)構(gòu)損傷而降低甚至喪失(Shao et al.， 2008)。Liang(1998)研究發(fā)現(xiàn)，加入外源硅可減輕鹽脅迫下大麥葉綠體的結(jié)構(gòu)損傷，利于保護葉 綠體膜的完整性，徐呈祥等(2007)在蘆薈上也得出了相同的結(jié)論。本試驗結(jié)果表明，加硅不僅減 輕了根系細胞的質(zhì)壁分離，還有利于防止細胞結(jié)構(gòu)的損傷以及線粒外膜、核膜的自溶和細胞核的解 體?？梢?，干旱脅迫下施用外源硅，不僅可提高番茄根系線粒體活性氧清除酶的活性，減輕活性氧 積累和膜脂過氧化程度，還有利于維持根系細胞及重要細胞器結(jié)構(gòu)的完整性，進而提高了植株的抗 旱性。Refere

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