菠菜對(duì)海水脅迫響應(yīng)的生理機(jī)制研究.pdf

1、海洋面積占地球表面積的70％，蓄水量達(dá)1.34×1018m3，約為地球水資源的96.8％，利用海水進(jìn)行作物生產(chǎn)，是解決人類食物問題的有效途徑。菠菜(Spinacia olerancea L.)是一種中等耐鹽作物，其耐鹽臨界值為2ds.m-1，利用海水栽培菠菜的可行性較大。本文以2個(gè)耐性性不同的菠菜品種為試材，采用水培方法，研究了菠菜對(duì)海水脅迫響應(yīng)的生理機(jī)制。主要結(jié)果如下：
　　 在14個(gè)供試菠菜品種中，‘荷蘭3號(hào)’對(duì)海水脅迫的耐

2、性最強(qiáng)，而‘圓葉菠菜’最敏感；40％的海水濃度是鑒定菠菜耐海水能力的適宜濃度。用含40％海水的營(yíng)養(yǎng)液栽培菠菜，菠菜的綜合品質(zhì)沒有明顯變化。
　　 海水脅迫對(duì)‘荷蘭3號(hào)’單株干重影響不大，而顯著降低‘圓葉菠菜’的單株干重；并使2個(gè)品種植株的葉片和根系丙二醛(MDA)含量增加，質(zhì)膜透性增大，葉片光合色素含量降低，但‘荷蘭3號(hào)’的變化幅度（葉片MDA除外）小于‘圓葉菠菜’。海水脅迫下，短期內(nèi)2個(gè)品種由于氣孔限制引起葉片胞間CO2濃度(

3、Ci)降低，凈光合速率(Pn)下降；長(zhǎng)期脅迫下，‘荷蘭3號(hào)’Pn恢復(fù)到對(duì)照水平，而‘圓葉菠菜’同化力下降，Pn降低。葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)分析表明，海水脅迫對(duì)‘荷蘭3號(hào)’光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)影響不大，實(shí)際光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)明顯升高，而使‘圓葉菠菜’qP和ΦPSⅡ下降；‘荷蘭3號(hào)’初始熒光(Fo)的下降幅度和非光化學(xué)猝滅系數(shù)(qN)上升幅度比‘圓葉菠菜’大；2個(gè)菠菜品種的最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）均下降，但‘荷蘭3號(hào)’光抑制程度(1-q

4、P/qN)的升高幅度比圓葉菠菜小。這些結(jié)果說(shuō)明，海水脅迫下，2個(gè)耐性不同的菠菜品種植株都產(chǎn)生了光合作用的光抑制和光氧化傷害，使膜質(zhì)過(guò)氧化和葉綠素(Chl)含量降低，但海水脅迫對(duì)耐性強(qiáng)的品種影響較小。
　　 海水脅迫下，菠菜植株的表觀量子效率(AQY)和飽和光強(qiáng)下的Pn均顯著下降，天線耗散能量(D)的比率和非光化學(xué)瘁滅系數(shù)(NPQ)上升；NPQ和葉黃素脫環(huán)氧化狀態(tài)(DES)的動(dòng)態(tài)變化、日變化隨海水脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)及光合有效輻射（PA

5、R）的變化而呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，并且二者之間具有多項(xiàng)式回歸關(guān)系；抗壞血酸(AsA)處理顯著提高了菠菜葉片的NPQ和DES，而二硫蘇糖醇(DTT)處理卻使其顯著降低；且海水敏感品種‘圓葉菠菜’葉片的AQY和飽和光強(qiáng)下Pn的降低幅度大于耐海水品種‘荷蘭3號(hào)’，而D、NPQ和DES的升高幅度小于后者。這些結(jié)果說(shuō)明，海水脅迫下菠菜植株受到了光合作用的光抑制，非輻射能量耗散增強(qiáng)，葉黃素循環(huán)是其熱耗散的主要途徑；耐海水品種‘荷蘭3號(hào)’由于葉黃素

6、循環(huán)活性較高，能夠?qū)⑤^多的過(guò)剩光能耗散，有效降低了過(guò)剩光能對(duì)光合器官的損害。
　　 海水脅迫下，2個(gè)菠菜品種葉綠體內(nèi)超氧陰離子自由基(O2-)、過(guò)氧化氫(H2O2)等ROS大量積累，MDA含量升高，膜系統(tǒng)受到了損傷；耐海水品種‘荷蘭3號(hào)’葉綠體內(nèi)清除ROS主要依賴于超氧化物歧化酶(SOD)、抗壞血酸過(guò)氧化物酶(APX)和谷胱甘肽還原酶(GR)，對(duì)ROS的清除能力較強(qiáng)，并且氧化型谷胱甘肽(GSSG)還原為還原型谷胱甘肽(GSH)運(yùn)

7、轉(zhuǎn)正常，維持了葉綠體內(nèi)合適的氧化還原環(huán)境；而海水敏感品種‘圓葉菠菜’葉綠體清除ROS主要依賴SOD和過(guò)氧化物酶(POD)，清除能力有限，從而造成ROS大量積累，對(duì)葉綠體的傷害較大，并且葉綠體內(nèi)GSH/GSSG顯著下降，適宜的氧化還原環(huán)境被破壞，耐性降低。
　　 海水脅迫下，菠菜葉綠體內(nèi)ROS積累，ROS通過(guò)降低膽色素原脫氨酶(PBGD)活性，使Chl生物合成步驟的膽色素原(PBG)向尿卟啉原Ⅲ(UroⅢ)的轉(zhuǎn)化受阻，從而導(dǎo)致菠菜

8、葉片Chl含量降低。海水脅迫下，耐海水品種‘荷蘭3號(hào)’由于葉黃素循環(huán)活性較高，可以將較多的過(guò)剩光能以非輻射能量的方式耗散，降低了光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)反應(yīng)中心由激發(fā)態(tài)能量誘發(fā)的ROS對(duì)Chl合成的阻抑作用，并且對(duì)葉綠素酶(Chlase)活性沒有明顯影響；而海水敏感品種‘圓葉菠菜’葉黃素循環(huán)活性較低，ROS對(duì)Chl合成的阻抑作用較大，并且Chlase活性顯著升高，加速了Chl降解，進(jìn)一步降低了Chl含量，表明較高的葉黃素循環(huán)活性通過(guò)降低葉綠體

9、內(nèi)ROS水平來(lái)減輕對(duì)Chl合成的阻抑程度，并防止了Chlase活性升高，從而使Chl含量維持在較高的水平。
　　 海水脅迫下，光氧化劑甲基紫精(MV)進(jìn)一步使2個(gè)菠菜品種葉綠體內(nèi)O2-產(chǎn)生速率加快、H2O2含量提高、膜質(zhì)過(guò)氧化加重，活性氧清除劑AsA明顯降低了菠菜葉綠體內(nèi)ROS水平，緩解了由MV造成的嚴(yán)重的膜質(zhì)過(guò)氧化傷害。海水脅迫下，2個(gè)菠菜品種葉片葉綠素b(Chlb)、葉綠素a(Chla)及其合成前體物質(zhì)原葉綠素酸(Pchl)

10、、鎂原卟啉Ⅸ(Mg-ProtoⅨ)、原卟啉Ⅸ(ProtoⅨ)和尿卟啉原Ⅲ(UroⅢ)含量明顯降低，而膽色素原(PBG)和δ-氨基酮戊酸（ALA）積累，Chl合成受到阻礙，并且‘圓葉菠菜’的受阻程度大于‘荷蘭3號(hào)’；MV進(jìn)一步加劇了這種受阻程度，而AsA部分緩解了由海水脅迫和MV造成的阻礙作用。上述結(jié)果說(shuō)明，由海水脅迫誘導(dǎo)的菠菜葉綠體內(nèi)ROS與Chl代謝密切相關(guān)，不僅通過(guò)葉綠體膜的氧化傷害使Chl降解，而且使Chl合成的PBG向UroⅢ轉(zhuǎn)

11、化步驟受阻。耐海水品種‘荷蘭3號(hào)’葉綠體清除ROS主要通過(guò)SOD和AsA-GSH循環(huán)系統(tǒng)，清除能力較強(qiáng)，減輕了ROS對(duì)葉綠體膜的氧化損傷和Chl合成的受阻程度，并且海水脅迫對(duì)其Chlase活性的影響較?。欢Ｋ舾衅贩N‘圓葉菠菜’葉綠體清除ROS主要依賴于SOD和POD，對(duì)ROS的清除能力有限，從而導(dǎo)致了ROS大量積累，葉綠體膜的氧化損傷和Chl合成的受阻程度嚴(yán)重，并且海水脅迫顯著提高了Chlase活性，加劇了Chl降解。
　　

12、 海水脅迫下，菠菜植株體內(nèi)的離子平衡被打破；可溶性糖、游離氨基酸和Cl耐2個(gè)菠菜品種植株滲透調(diào)節(jié)的相對(duì)貢獻(xiàn)較大。耐海水品種‘荷蘭3號(hào)’植株體內(nèi)可溶性糖含量大量積累；根系和葉柄向葉片選擇性運(yùn)輸較高含量的K+、Ca2+、Mg2+和SO42-而運(yùn)輸?shù)腘a+和Cl較少；植株體內(nèi)蛋白質(zhì)分解和游離氨基酸積累量較低；甜菜堿和脯氨酸對(duì)維持根系和葉片滲透平衡中發(fā)揮了重要作用；質(zhì)膜H+-ATPase和液泡膜H+-ATPase活性、葉綠體Ca2+-ATPas

13、e和Mg2+-ATPase活性維持較高水平，離子外排和區(qū)域化能力較強(qiáng)。而海水敏感品種‘圓葉菠菜’植株體內(nèi)蛋白質(zhì)分解，離子選擇性吸收和運(yùn)輸比率較低，植株體內(nèi)積累了大量的游離氨基酸、Na+和Cl-，并且胞內(nèi)離子外排和區(qū)域化能力低。上述結(jié)果說(shuō)明，根系和葉柄向葉片選擇性運(yùn)輸較高含量的K+、Ca2+、Mg2+和SO42-，是提高耐海水能力的離子選擇性吸收策略；在應(yīng)對(duì)海水誘導(dǎo)的滲透脅迫中，提高植株可溶性糖、甜菜堿和脯氨酸含量并降低可溶性蛋白降解和游