菠菜對海水脅迫響應(yīng)的生理機制研究.pdf

1、海洋面積占地球表面積的70％，蓄水量達1.34×1018m3，約為地球水資源的96.8％，利用海水進行作物生產(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，研究了菠菜對海水脅迫響應(yīng)的生理機制。主要結(jié)果如下：
　　 在14個供試菠菜品種中，‘荷蘭3號’對海水脅迫的耐

2、性最強，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‘荷蘭3號’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’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；長期脅迫下，‘荷蘭3號’Pn恢復到對照水平，而‘圓葉菠菜’同化力下降，Pn降低。葉綠素熒光動力學分析表明，海水脅迫對‘荷蘭3號’光化學猝滅系數(shù)(qP)影響不大，實際光化學效率(ΦPSⅡ)明顯升高，而使‘圓葉菠菜’qP和ΦPSⅡ下降；‘荷蘭3號’初始熒光(Fo)的下降幅度和非光化學猝滅系數(shù)(qN)上升幅度比‘圓葉菠菜’大；2個菠菜品種的最大光化學效率（Fv/Fm）均下降，但‘荷蘭3號’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)果說明，海水脅迫下，2個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)過氧化和葉綠素(Chl)含量降低，但海水脅迫對耐性強的品種影響較小。
　　 海水脅迫下，菠菜植株的表觀量子效率(AQY)和飽和光強下的Pn均顯著下降，天線耗散能量(D)的比率和非光化學瘁滅系數(shù)(NPQ)上升；NPQ和葉黃素脫環(huán)氧化狀態(tài)(DES)的動態(tài)變化、日變化隨海水脅迫時間的延長及光合有效輻射（PA

5、R）的變化而呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，并且二者之間具有多項式回歸關(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和飽和光強下Pn的降低幅度大于耐海水品種‘荷蘭3號’，而D、NPQ和DES的升高幅度小于后者。這些結(jié)果說明，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，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’由于葉黃素

6、循環(huán)活性較高，能夠?qū)⑤^多的過剩光能耗散，有效降低了過剩光能對光合器官的損害。
　　 海水脅迫下，2個菠菜品種葉綠體內(nèi)超氧陰離子自由基(O2-)、過氧化氫(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’葉綠體內(nèi)清除ROS主要依賴于超氧化物歧化酶(SOD)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)和谷胱甘肽還原酶(GR)，對ROS的清除能力較強，并且氧化型谷胱甘肽(GSSG)還原為還原型谷胱甘肽(GSH)運

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和過氧化物酶(POD)，清除能力有限，從而造成ROS大量積累，對葉綠體的傷害較大，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’由于葉黃素循環(huán)活性較高，可以將較多的過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Chl合成的阻抑作用，并且對葉綠素酶(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，進一步降低了Chl含量，表明較高的葉黃素循環(huán)活性通過降低葉綠體

9、內(nèi)ROS水平來減輕對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)進一步使2個菠菜品種葉綠體內(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造成的嚴重的膜質(zhì)過氧化傷害。海水脅迫下，2個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’；MV進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)果說明，由海水脅迫誘導的菠菜葉綠體內(nèi)ROS與Chl代謝密切相關(guān)，不僅通過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’葉綠體清除ROS主要通過SOD和AsA-GSH循環(huán)系統(tǒng)，清除能力較強，減輕了ROS對葉綠體膜的氧化損傷和Chl合成的受阻程度，并且海水脅迫對其Chlase活性的影響較小；而海水敏感品種‘圓葉菠菜’葉綠體清除ROS主要依賴于SOD和POD，對ROS的清除能力有限，從而導致了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個菠菜品種植株滲透調(diào)節(jié)的相對貢獻較大。耐海水品種‘荷蘭3號’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輸較高含量的K+、Ca2+、Mg2+和SO42-而運輸?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。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)果說明，根系和葉柄向葉片選擇性運輸較高含量的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)對海水誘導的滲透脅迫中，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