摘 要:【目的】美國(guó)劍麻(Agave americana)是一種熱帶地區(qū)重要的?具有高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的景天科酸代謝植物(CAM)植物,研究其干旱適應(yīng)性可為CAM植物的耐旱機(jī)制研究提供理論依據(jù)?【方法】通過(guò)對(duì)美國(guó)劍麻進(jìn)行1.0mmol/L NaHS(NS)?10% PEG(聚乙二醇,PEG10)?20% PEG(PEG20)?1.0mmol/L NaHS+10%PEG (NS+PEG10)?1.0mmol/L NaHS+20%PEG(NS+PEG20)的處理,以不添加PEG和NaHS的處理為對(duì)照,研究美國(guó)劍麻組培苗對(duì)PEG滲透脅迫的響應(yīng),以及滲透脅迫下H2S供體NaHS對(duì)其滲透調(diào)節(jié)和抗氧化特性的影響?【結(jié)果】美國(guó)劍麻組培苗在20%PEG高濃度處理下仍然存活,具有一定的抗旱能力?但植株仍出現(xiàn)了鮮重下降(PEG20降低了16.6%)?超微結(jié)構(gòu)變化?丙二醛(MDA)?H2O2含量增加(PEG20分別提高了4.0倍和33.5%)等受害癥狀和氧化脅迫反應(yīng)?然而美國(guó)劍麻可以通過(guò)增加脯氨酸?可溶性糖的水平調(diào)節(jié)滲透壓,降低脅迫強(qiáng)度?在高濃度PEG存在下,NaHS通過(guò)降低脯氨酸和H2O2含量(NS+PEG20較PEG20處理分別下降了21.2%和36.4%),減少脯氨酸和H2O2的過(guò)度積累,通過(guò)調(diào)節(jié)超氧歧化酶(SOD)等5種抗氧化酶活性,提高還原型谷胱甘肽(GSH)含量清除活性氧和活性羰基物,降低美國(guó)劍麻的脂質(zhì)過(guò)氧化水平,增強(qiáng)其抗逆性?【結(jié)論】美國(guó)劍麻本身具有一定的耐旱性,H2S能夠通過(guò)調(diào)控美國(guó)劍麻的滲透調(diào)節(jié)和抗氧化水平,使其更加適應(yīng)干旱的環(huán)境?
關(guān)鍵詞:美國(guó)劍麻；滲透脅迫；硫化氫；抗旱性；滲透調(diào)節(jié)；抗氧化作用
龍舌蘭科劍麻屬(Agave)植物,原產(chǎn)于墨西哥中部和美國(guó)西南部的沙漠和干旱地區(qū),我國(guó)華南及西南各省區(qū)皆有引種栽培[1-2]?劍麻屬植物葉含有高質(zhì)量?豐富的纖維,供制船纜?繩索?麻袋等,還可用于生產(chǎn)生物燃料?纖維和釀酒[3],其葉片液汁含有劍麻皂苷元,具有殺菌抗炎?解熱鎮(zhèn)痛?增強(qiáng)免疫等功效[4-5],因此劍麻是熱帶地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)作物[2,6]?劍麻的光合作用類型屬于景天科植物酸代謝(Crassulacean acid metabolism, CAM)途徑,能夠長(zhǎng)期在干旱和極端高溫地區(qū)?不可開(kāi)墾的巖石土壤上生長(zhǎng),其氣孔晚上開(kāi)放,吸收CO2,白天關(guān)閉,進(jìn)行碳同化固定CO2合成糖類?CAM中羧化酶活性的晝夜分離,導(dǎo)致其具有較高的水利用效率,比C3植物高6.0倍,比C4植物高2倍[7]?將CAM光合作用途徑轉(zhuǎn)移到C3作物中,可提高C3作物水分利用效率[8]?因此深入探究CAM植物光合作用及抗旱相關(guān)的調(diào)控機(jī)制,可以為合理開(kāi)發(fā)利用CAM植物資源?提高經(jīng)濟(jì)效益?實(shí)現(xiàn)CAM工程化等方面提供重要的線索和新思路[9]?
硫化氫(H2S)是繼一氧化氮(NO)和一氧化碳(CO)之后發(fā)現(xiàn)的第3個(gè)氣體信號(hào)分子[10]?研究表明,內(nèi)源性硫化氫能夠在沒(méi)有受體的情況下穿過(guò)細(xì)胞膜,參與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),是一種新型氣體遞質(zhì)信號(hào)物質(zhì)[11]?H2S可以調(diào)節(jié)植物種子萌發(fā)?側(cè)根發(fā)生?氣孔開(kāi)放?逆境脅迫響應(yīng)及適應(yīng)性等多種生理代謝過(guò)程[12-13]?適宜的外源硫化氫可促進(jìn)植物種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)[14]?外源添加NaHS促進(jìn)了多種植物的根系產(chǎn)生,如0.2mM NaHS處理調(diào)節(jié)了桃樹(shù)(Prunus persica)苗的根構(gòu)型,增加了側(cè)根數(shù)量[15],再如H2S能促進(jìn)秋茄(Kandelia obovata)根系的形態(tài)建成,且誘導(dǎo)作用呈劑量依賴性[16]?外源NaHS的添加也有助于植物適應(yīng)逆境和增強(qiáng)抗性,如提高青錢(qián)柳(Cyclolocarya paliurus)[17]?板栗(Castanea mollissima)和煙草(Nicotiana tabacum)抗氧化酶的活性[18-19]?但H2S對(duì)CAM植物,特別是劍麻的生長(zhǎng)和逆境適應(yīng)性影響還未見(jiàn)報(bào)道?本研究以美國(guó)劍麻組培苗為試驗(yàn)材料,在離體培養(yǎng)條件下,探究滲透脅迫下H2S供體NaHS對(duì)美國(guó)劍麻組培苗生長(zhǎng)及抗氧化性能的影響,為劍麻的抗旱性機(jī)制和H2S在逆境中的作用機(jī)制研究提供理論依據(jù)?
1 材料與方法
1.1 材料來(lái)源及組培苗培養(yǎng)
本研究美國(guó)劍麻的無(wú)菌苗來(lái)自于南京林業(yè)大學(xué)組培室,從培養(yǎng)30d的美國(guó)劍麻叢生芽中分出單芽,接種在MS+0.5mg/L6-BA+0.1mg/LNAA的芽伸長(zhǎng)培養(yǎng)基上?培養(yǎng)1個(gè)月后,芽苗長(zhǎng)至3～4cm時(shí),將其接種在MS+0.5mg/LNAA培養(yǎng)基中進(jìn)行生根培養(yǎng),生長(zhǎng)60d左右(高約6～7cm),選出長(zhǎng)勢(shì)較一致的組培苗,進(jìn)行NaHS及PEG(聚乙二醇6000)處理?
1.2 NaHS和PEG處理
NaHS和PEG(聚乙二醇)處理:設(shè)置0mmol/L NaHS+0% PEG(CK,對(duì)照組)?1.0mmol/L NaHS(NS)?10%PEG(PEG10)?20%PEG(PEG20)?1.0mmol/L NaHS+10%PEG(NS+PEG10)?1.0mmol/L NaHS+20%PEG(NS+PEG20)共6組?先將各處理的PEG按照相應(yīng)的濃度添加到不含調(diào)節(jié)劑的MS半固體培養(yǎng)基中(含0.4%瓊脂,3.0%蔗糖),pH調(diào)至5.8左右,120℃高壓滅菌20min,滅菌后待培養(yǎng)基溫度降至35℃左右,立即將過(guò)濾滅菌后的NaHS添加相應(yīng)的培養(yǎng)基中,待培養(yǎng)基凝固且冷卻至室溫后,選擇生長(zhǎng)較一致?長(zhǎng)勢(shì)良好的美國(guó)劍麻無(wú)菌苗,接種于上述培養(yǎng)基中,每瓶放入2株苗,每個(gè)處理15瓶,培養(yǎng)15d,期間定期觀察,至15d時(shí),將苗木從培養(yǎng)基中取出,用清水洗凈培養(yǎng)基,用濾紙吸干水分,拍照?稱重后剪取葉片混合,一部分用于生理指標(biāo)測(cè)定,一部分用于電鏡觀察,3次重復(fù)?
培養(yǎng)室中溫度控制在(25±2)℃,光照強(qiáng)度55mmol/(m2·s),光照時(shí)間14h/10h(光照/黑暗)?
1.3 指標(biāo)測(cè)定
相對(duì)電導(dǎo)率(REC)?丙二醛(MDA)?H2O2?可溶性糖(SS)(蒽酮比色法)?可溶性蛋白質(zhì)含量(Pr,馬斯亮藍(lán)法)測(cè)定均參照文獻(xiàn)[20]法?超氧歧化酶(SOD,NBT法)?過(guò)氧化氫酶(CAT,紫外吸收法)?過(guò)氧化物酶(POD,愈創(chuàng)木酚法)?抗壞血酸過(guò)氧化物酶(APX)?脯氨酸(Pro)均參照文獻(xiàn)[21]法?谷胱甘肽還原酶(GR)?谷胱甘肽(GSH)含量參照文獻(xiàn)[22]法?
1.4 透射電鏡觀察
選取3～4mm3的劍麻葉片,參照文獻(xiàn)[22]法制片,并使用JEM-1400透射電子顯微鏡(JEOL Ltd.)觀察并拍照?
1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析
采用Excel 2019對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,SPSS21.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,方差分析采用Duncan新復(fù)極差法(P<0.05為差異顯著性)?
2 結(jié)果與分析
2.1 PEG與NaHS處理對(duì)美國(guó)劍麻組培苗生長(zhǎng)的影響
滲透脅迫下添加1.0mmol/L NaHS后,美國(guó)劍麻的生長(zhǎng)表現(xiàn)不同?從圖1中可以看出,與對(duì)照相比,PEG處理顯著降低了美國(guó)劍麻的單株鮮質(zhì)量,高濃度PEG抑制強(qiáng)度大于低濃度,PEG20處理單株鮮重比對(duì)照降低了16.6%(P<0.05)?而NS+PEG20處理組的單株鮮重較對(duì)照組增加了21.7%,較PEG20組增加了54.9%,說(shuō)明添加1.0mmol/L NaHS可以減緩滲透脅迫,甚至可以消除PEG的影響?單施NaHS也提高了美國(guó)劍麻組培苗的單株鮮質(zhì)量?
不同小寫(xiě)字母表示在0.05水平上差異顯著(P<0.05)?下同?
圖1 NaHS對(duì)PEG滲透脅迫下美國(guó)劍麻鮮質(zhì)量的影響
2.2 PEG與NaHS處理對(duì)美國(guó)劍麻組培苗超微結(jié)構(gòu)的影響
在透射電鏡下可看出美國(guó)劍麻葉肉細(xì)胞沒(méi)有柵欄組織和海綿組織的劃分?對(duì)照植株葉片的維管束鞘細(xì)胞完整,體積小,細(xì)胞質(zhì)濃厚,部分細(xì)胞有細(xì)胞核和線粒體,有的還沒(méi)有形成,周圍的葉肉細(xì)胞體積大,有的有葉綠體存在(圖2a)?20%PEG處理的維管束細(xì)胞結(jié)構(gòu)與對(duì)照相似,但維管束鞘細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)內(nèi)含物減少,細(xì)胞質(zhì)濃度低,葉肉細(xì)胞葉綠體數(shù)量減少,有的細(xì)胞壁出現(xiàn)裂痕(箭頭方向,圖2b)?20%PEG+NaHS處理的美國(guó)劍麻維管束鞘細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整,細(xì)胞核大,細(xì)胞質(zhì)濃厚,葉肉細(xì)胞內(nèi)有較多葉綠體,維管束周圍葉肉細(xì)胞體積減小?與對(duì)照相比,葉肉細(xì)胞結(jié)構(gòu)稍微有所損壞,部分細(xì)胞壁也出現(xiàn)了裂痕,但相對(duì)于20%PEG處理的傷害程度小,說(shuō)明NaHS能夠緩解滲透脅迫對(duì)美國(guó)劍麻的細(xì)胞傷害(圖2c)?
圖2 NaHS對(duì)滲透脅迫下美國(guó)劍麻葉片超微結(jié)構(gòu)的影響
2.3 PEG與NaHS處理對(duì)美國(guó)劍麻組培苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響
NaHS對(duì)滲透脅迫下美國(guó)劍麻可溶性糖含量的影響如圖3所示?添加PEG和NaHS的5個(gè)處理都顯著提高了可溶性糖含量,其中NS和PEG10處理可使美國(guó)劍麻可溶性糖含量極顯著提高,分別比對(duì)照組提高了174.1%和104.9%(P<0.05)?而NS+PEG10的處理盡管較對(duì)照高,但比單獨(dú)10%PEG處理降低了44.8%?同樣,PEG20和NS+PEG20處理也都高于對(duì)照,但低于10%PEG和NaHS單獨(dú)處理,兩者間無(wú)顯著差異(P>0.05)(圖3a)?NaHS和PEG5個(gè)處理組也都顯著促進(jìn)了美國(guó)劍麻組培苗脯氨酸的積累(圖3b)?但與可溶性糖的變化不同,以PEG20處理的美國(guó)劍麻脯氨酸含量達(dá)到峰值,較對(duì)照組提高了3.4倍(P<0.05);但NS+PEG20處理的脯氨酸積累較單獨(dú)PEG20處理的下降了21.2%(但比對(duì)照提高了2.5倍),說(shuō)明適宜濃度的NaHS處理能夠緩解高強(qiáng)度滲透脅迫造成的脯氨酸含量的過(guò)度積累?PEG10處理和NS+PEG10處理之間沒(méi)有顯著差異(都遠(yuǎn)高于對(duì)照)(圖3b)?
圖3 NaHS對(duì)PEG滲透脅迫下美國(guó)劍麻葉片可溶性糖?脯氨酸和可溶性蛋白質(zhì)含量的影響
單獨(dú)添加NaHS和NS+PEG處理下也都顯著提高了美國(guó)劍麻的可溶性蛋白含量,NS?NS+PEG10?NS+PEG203個(gè)處理分別比對(duì)照提高了2.4?2.2?3.8倍,說(shuō)明添加NaHS能提高美國(guó)劍麻的滲透調(diào)節(jié)能力?但單獨(dú)添加10%～20%PEG美國(guó)劍麻的蛋白質(zhì)含量稍高于對(duì)照,與對(duì)照之間沒(méi)有差異(P>0.05)(圖3c)
2.4 PEG與NaHS處理對(duì)劍麻組培苗MDA和H2O2含量的影響
NaHS對(duì)PEG滲透脅迫下美國(guó)劍麻組培苗MDA含量的影響見(jiàn)圖4a?PEG20處理的美國(guó)劍麻MDA含量高于PEG10處理的,但兩者之間沒(méi)有顯著差異,分別是對(duì)照組的3.8倍和4.0倍(P<0.05)?而10%PEG添加1.0mmol/L NaHS后MDA含量顯著下降,NS+PEG10比PEG10降低了47.64%(P<0.05)?而NS+PEG2與PEG20處理的之間沒(méi)有差異?單獨(dú)添加1.0mmol/L NaHS處理的MDA含量盡管有所提高,但與對(duì)照之間沒(méi)有顯著差異(P>0.05)?
NaHS對(duì)滲透脅迫美國(guó)劍麻H2O2含量的變化見(jiàn)圖4b,PEG10和PEG20處理的劍麻組培苗中H2O2含量都顯著高于對(duì)照,分別比對(duì)照提高了20.6%和33.5%(P<0.05)?而在NS+PEG10,NS+PEG20處理的H2O2含量都顯著低于PEG10和PEG20處理的,分別比PEG10和PEG20降低了22.4%以及36.4%,說(shuō)明PEG脅迫下添加NaHS會(huì)降低美國(guó)劍麻組培苗H2O2積累?單獨(dú)添加1.0mmol/LNaHS處理的H2O2含量稍有下降,但與對(duì)照之間沒(méi)有顯著差異?
圖4 NaHS對(duì)滲透脅迫下美國(guó)劍麻組培苗MDA和H2O2含量的影響
2.5 PEG與NaHS處理對(duì)美國(guó)劍麻組培苗抗氧化酶活性的影響
抗氧化酶如SOD?POD?CAT?APX?GR活性在PEG滲透脅迫下添加NaHS后對(duì)美國(guó)劍麻組培苗的活性的影響見(jiàn)圖5?對(duì)SOD酶來(lái)說(shuō),單獨(dú)NaHS與兩種濃度PEG處理都使美國(guó)劍麻SOD活性出現(xiàn)下降,分別降低了24.6%?14.9%以及12.9%,但只有單獨(dú)NS處理的與對(duì)照有顯著差異(P<0.05)?在兩種濃度PEG處理的基礎(chǔ)上加入NaHS后,SOD活性都有提高,NS+PEG10與NS+PEG20組分別提高了16.3%?26.9%,達(dá)到對(duì)照水平(圖5a)?
圖5 NaHS對(duì)滲透脅迫下美國(guó)劍麻組培苗抗氧化酶SOD?POD?CAT?APX?GR活性和GSH含量的影響
POD活性在1.0mmol/L NaHS與10%PEG處理組與對(duì)照沒(méi)有明顯差異;但NS+PEG10處理則能顯著提高美國(guó)劍麻的POD活性,比PEG10處理提高了4.5倍,比對(duì)照提高了3.2倍(P<0.05)?PEG20處理的POD活性比對(duì)照提高了3.15倍,在此基礎(chǔ)上添加NaHS使POD活性顯著提高,NS+PEG20處理較PEG20處理提高了65.9%,比對(duì)照提高了4.9倍(P<0.05,圖5b)?
10%PEG和20%PEG單獨(dú)處理都顯著地降低了美國(guó)劍麻組培苗CAT的活性,分別比對(duì)照下降了16.3%和68.8%(P<0.05)?而在單獨(dú)PEG處理的基礎(chǔ)上添加NaHS都顯著地提高了CAT的活性,NS+PEG10與NS+PEG20分別比單獨(dú)處理提高了33.9%和170.5%(P<0.05),特別是NS+PEG20處理的效果非常顯著?單獨(dú)添加NaHS與對(duì)照的CAT活性沒(méi)有顯著差異(圖5c)?
NaHS對(duì)滲透脅迫下美國(guó)劍麻APX活性的影響與CAT活性的變化趨勢(shì)相似,也是兩種濃度的PEG處理美國(guó)劍麻組培苗APX活性顯著地下降,PEG10與PEG20別比對(duì)照組分別降低了33.3%和47.2%?在兩種濃度PEG處理的基礎(chǔ)上加入NaHS后,美國(guó)劍麻APX活性顯著地提高,NS+PEG10與NS+PEG20分別比單獨(dú)PEG10?PEG20處理提高了61.1%和33.3%(P<0.05),且都高于對(duì)照組?但單獨(dú)NaHS處理更顯著提高了APX的活性,比對(duì)照提高了97.2%(圖5d)?
除了單獨(dú)NaHS處理時(shí)美國(guó)劍麻組培苗的APX活性與對(duì)照沒(méi)有顯著差異外,其他4個(gè)處理都顯著提高了GR的活性,且在PEG處理的同時(shí)添加NaHS后,APX的活性比單獨(dú)處理的活性更高,其中NS+PEG10處理使得美國(guó)劍麻GR活性達(dá)到最大值,比PEG10處理提高了110.8%,比對(duì)照提高了2.2倍(P<0.05)?而NS+PEG20處理較PEG20處理提高了32.1%,比對(duì)照提高了1.9倍(圖5e)?
對(duì)抗氧化劑GSH含量來(lái)講,10%PEG和20%PEG兩種處理都稍稍提高了美國(guó)劍麻GSH的含量,但與對(duì)照之間都沒(méi)有顯著差異(P>0.05),而在NS+PEG10?NS+PEG20處理后GSH含量都顯著提升,較單獨(dú)PEG10?PEG20處理組分別提高了35.7%和71.5%(P<0.05)?單獨(dú)添加NaHS美國(guó)劍麻組培苗的GSH含量卻出現(xiàn)了下降(圖5f)
3 討論
劍麻屬植物具有耐干旱瘠薄的特點(diǎn),本研究也證實(shí)這一點(diǎn),美國(guó)劍麻組培苗在20%PEG高濃度處理下仍然存活,較其他植物如板栗?煙草?楊樹(shù)等耐性強(qiáng)[18-19,23]?但在高濃度滲透脅迫下單株鮮質(zhì)量較對(duì)照顯著降低,說(shuō)明其生長(zhǎng)受到了抑制,添加1.0mmol/L NaHS可緩解這種脅迫?從超微結(jié)構(gòu)來(lái)看,20%PEG脅迫后,其葉肉細(xì)胞的體積較對(duì)照變小,細(xì)胞壁出現(xiàn)裂痕,細(xì)胞受害明顯,但添加H2S供體NaHS后,細(xì)胞的受害程度降低,維管束及維管束鞘細(xì)胞質(zhì)濃厚,說(shuō)明H2S能通過(guò)維持維管束的結(jié)構(gòu)起到保水和儲(chǔ)水的功能,緩解滲透脅迫?干旱情況下葉片解剖結(jié)構(gòu)的變化在CAM植物中也有發(fā)現(xiàn),如火龍果氣孔密度和氣孔大小均降低[24],八寶景天等植物出現(xiàn)異質(zhì)細(xì)胞?細(xì)胞壁加厚現(xiàn)象[25]?
滲透脅迫下植物會(huì)主動(dòng)積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來(lái)降低細(xì)胞中的滲透勢(shì),穩(wěn)定細(xì)胞結(jié)構(gòu),是其適應(yīng)環(huán)境脅迫的保護(hù)機(jī)制之一[26]?本研究中添加10%～20%PEG可顯著提高可溶性糖和脯氨酸的含量,但20%PEG處理的可溶糖含量較10%PEG的低,而脯氨酸含量在20%PEG處理下顯著高于10%PEG;PEG處理下可溶性蛋白含量與對(duì)照比沒(méi)有顯著變化,這些結(jié)果表明美國(guó)劍麻在低滲透脅迫下可通過(guò)可溶性糖和脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)調(diào)節(jié)滲透壓,適應(yīng)脅迫環(huán)境,而高濃度下(20%PEG)可溶性糖含量降低,脯氨酸過(guò)度積累,可能是美國(guó)劍麻受到干旱脅迫傷害的表現(xiàn),這些現(xiàn)象與干旱脅迫下白槍桿?越橘等植物的表現(xiàn)相似[27-28]?
本研究中10%PEG+NaHS處理的美國(guó)劍麻與單獨(dú)10%PEG處理相比其脯氨酸和可溶性糖含量并沒(méi)有顯著增加,說(shuō)明低滲透脅迫下,美國(guó)劍麻本身就可通過(guò)滲透調(diào)節(jié)作用適應(yīng)干旱,不需要NaHS來(lái)緩解脅迫,這與干旱脅迫下外源硫化氫也沒(méi)有提高燕麥可溶糖水平的結(jié)果一致[29]?而20%PEG+NaHS處理后脯氨酸含量較單獨(dú)PEG處理顯著降低,說(shuō)明NaHS可通過(guò)調(diào)控脯氨酸的過(guò)度積累緩解滲透脅迫對(duì)美國(guó)劍麻的傷害,使其適應(yīng)干旱環(huán)境?研究表明,逆境情況下脯氨酸的過(guò)度積累會(huì)導(dǎo)致呼吸鏈電子的超載而外滲,破壞生物大分子的結(jié)構(gòu)[30],因此高脅迫強(qiáng)度下脯氨酸的積累值越大說(shuō)明植物受滲透脅迫的強(qiáng)度越大,硫化氫可能通過(guò)改善植物代謝和生化水平,使?jié)B透調(diào)節(jié)物質(zhì)處于合適的水平,提高抵抗?jié)B透脅迫的能力,增強(qiáng)干旱脅迫的耐受性[31]?
嚴(yán)重的滲透脅迫進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致植物的氧化脅迫,產(chǎn)生活性氧(ROS,Reactive oxygen species,如O2.−,H2O2)和活性羰基物(Reactive carbonyl species, RCS,如丙烯醛?丙二醛和等),細(xì)胞內(nèi)高濃度的活性氧和活性羰基物會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜脂過(guò)氧化[32])?丙二醛(MDA)是膜脂過(guò)氧化的主要產(chǎn)物,也是一種RCS,其含量能夠反應(yīng)植物受氧化損傷的程度?本研究中,隨著滲透脅迫的增強(qiáng),美國(guó)劍麻的H2O2和MDA含量都顯著增加,說(shuō)明美國(guó)劍麻在滲透脅迫下產(chǎn)生一定的活性氧(包括H2O2)導(dǎo)致膜脂過(guò)氧化傷害,而PEG處理添加NaHS均能顯著降低劍麻H2O2的含量,低濃度PEG(10%)處理添加NaHS也能降低MDA的含量,而高濃度PEG添加NaHS后MDA的降低程度不大?可見(jiàn)適宜濃度NaHS可以有效緩解滲透脅迫對(duì)美國(guó)劍麻細(xì)胞膜的損傷?這些結(jié)果與烤煙?板栗中結(jié)果類似,但各植物處理采用NaHS的濃度有所不同[18-19],這可能是由于植物本身不同的抗逆性決定的?
抗氧化酶SOD?POD?CAT?APX和GR是重要的ROS和RCS的清除劑,在細(xì)胞的Habere-Weiss反應(yīng)和AsA-GSH循環(huán)(Foyer-Halliwell-Asada cycle)中維持著ROS和RCS的穩(wěn)態(tài)[33]?SOD?POD?CAT主要參入Habere-Weiss反應(yīng),而APX將Habere-Weiss反應(yīng)和AsA-GSH循環(huán)交聯(lián)在一起,利用AsA作為電子供體,催化H2O2生成DHA(單脫氫抗壞血酸)和H2O?GR是清除ROS并將GSSG轉(zhuǎn)化為還原型谷胱甘肽(GSH)的關(guān)鍵酶,維持著GSH的穩(wěn)態(tài)[34]?另外GSH也參入HO.的清除,并將其轉(zhuǎn)變成各種RCS而起到解毒的作用?而H2S與NO介導(dǎo)的信號(hào)上游組分相交聯(lián)[35],NO.又可與HO.交聯(lián),構(gòu)成整個(gè)植物體的氧化脅迫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑?
本研究中SOD?CAT?APX3個(gè)抗氧化酶在10%～20%PEG處理下都較對(duì)照出現(xiàn)顯著下降,特別是20%PEG處理的CAT酶及10%～20%PEG處理的APX酶活性下降極為顯著,聯(lián)系到H2O2含量的增加,說(shuō)明PEG處理對(duì)美國(guó)劍麻組培苗造成了一定的氧化脅迫,20%處理更嚴(yán)重些?但20%PEG處理顯著提高了POD?GR酶的活性,說(shuō)明美國(guó)劍麻在SOD?CAT?APX活性下降的情況下,可通過(guò)增強(qiáng)POD?GR抗氧化酶活性提高美國(guó)劍麻的抗氧化性能,這與板栗?白桿槍在干旱性情況下酶活性的變化不完全一樣,這可能與植物本身的抗逆性能力和遺傳特性差異有關(guān)[18,27]?本研究中在PEG+NAHS處理后都非常顯著地提高了這5個(gè)酶活性和GSH的含量,特別是POD?APX?GR的活性甚至都超過(guò)了對(duì)照,這說(shuō)明美國(guó)劍麻在干旱脅迫下啟動(dòng)了Habere-Weiss反應(yīng)和AsA-GSH循環(huán),外源H2S通過(guò)調(diào)節(jié)抗氧化酶活性清除O2.-和H2O2,降低了MDA水平?另外H2S還通過(guò)與NO.信號(hào)的交聯(lián),提高了GSH(還原型谷胱甘肽)的水平,進(jìn)而對(duì)活性羰基物(RCS)進(jìn)行了清除和解毒[36],減輕干旱脅迫對(duì)美國(guó)劍麻的傷害作用,促進(jìn)其抗逆性?這些結(jié)果在干旱脅迫下硫化氫促進(jìn)板栗?烤煙中的抗氧化酶活性一致[18-19],說(shuō)明硫化氫能夠提高植物的抗旱性具有普遍性?
綜上所述,美國(guó)劍麻組培苗在20%PEG高濃度處理下仍然存活,有一定的抗旱能力,但在脅迫狀態(tài)下仍出現(xiàn)鮮質(zhì)量減少?H2O2和MDA含量增加,產(chǎn)生氧化脅迫,這種脅迫可通過(guò)增加脯氨酸和可溶性蛋白的水平調(diào)節(jié)滲透壓來(lái)緩解?在PEG存在情況下,H2S供體NaHS通過(guò)降低脯氨酸水平減少其在干旱脅迫下的過(guò)度積累;通過(guò)調(diào)節(jié)SOD?CAT?APX?POD?GR酶活性啟動(dòng)抗氧化系統(tǒng),降低H2O2等活性氧物質(zhì)的積累,提高抗氧化水平;還通過(guò)提高GSH(還原型谷胱甘肽)水平清除活性羰基物(RCS),降低美國(guó)劍麻的脂質(zhì)過(guò)氧化水平,增強(qiáng)其抗逆性,使其更加適應(yīng)干旱的環(huán)境?
參考文獻(xiàn)
[1]SOMERVILLE C,YOUNGS H,TAYLOR C, et al. Feedstocks for lignocellulosic biofuels[J].Science,2010,329(5993):790–792.DOI:10.1126/science.1189268.
[2]陳莉莎.我國(guó)劍麻種質(zhì)資源纖維強(qiáng)力性能研究[J].中國(guó)麻業(yè)科學(xué),2023,45(1):33–40,48.CHEN L S. Research of fiber strength of sisal germplasm resources in China[J].Plant Fiber Sci China,2023,45(1):33–40,48.DOI:10.3969/j.issn.1671-3532.2023.01.005.
[3]FIGUEREDO-URBINA C J ,ÁLVAREZ-RÍOS G D ,GARCÍA-MONTES M A, et al. Morphological and genetic diversity of traditional varieties of agave in Hidalgo State, Mexico[J]. PLoS One,2021,16(7):e0254376.DOI:10.1371/journal.pone.0254376.
[4]BARRETO S M A G,CADAVID C O M,MOURA R A O, et al. In vitro and in vivo antioxidant activity of Agave sisalana agro-industrial residue[J].Biomolecules,2020,10(10):1435.DOI:10.3390/biom10101435.
[5]MARONE M P,CAMPANARI M F Z,RAYA F T, et al. Fungal communities represent the majority of root-specific transcripts in the transcriptomes of Agave plants grown in semiarid regions[J].PeerJ,2022,10:e13252.DOI:10.7717/peerj.13252.
[6]HUANG X,XIAO M,XI J G, et al. De novo transcriptome assembly of Agave H11648 by illumina sequencing and identification of cellulose synthase genes in Agave species[J].Genes,2019,10(2):103.DOI:10.3390/genes10020103.
[7]WINTER K, HOLTUM J A M. Crassulacean acid metabolism: A continuous or discrete trait?[J].New Phytol,2015,208(1):73–78.DOI:10.1111/nph.13446.
[8]LIU D G,HU R B,ZHANG J, et al. Overexpression of an Agave phospho enol pyruvate carboxylase improves plant growth and stress tolerance[J].Cells,2021,10(3):582.DOI:10.3390/cells10030582.
[9]李俊璋,秦源,肖強(qiáng),等.景天酸代謝植物分子生物學(xué)研究進(jìn)展及應(yīng)用潛力[J].園藝學(xué)報(bào),2022,49(12):2597–2610.LI J Z,QIN Y,XIAO Q, et al. Recent advances in molecular biology of crassulacean acid metabolism plants and the application potential of CAM engineering[J].Acta Hortic Sin,2022,49(12):2597–2610.DOI:10.16420/j.issn.0513-353x.2021-0835.
[10]WANG C L,DENG Y Z,LIU Z S, et al. Hydrogen sulfide in plants: Crosstalk with other signal molecules in response to abiotic stresses[J].Int J Mol Sci,2021,22(21):12068.DOI:10.3390/ijms222112068.
[11]GAO S H,WANG Y F,ZENG Z, et al. Integrated bioinformatic and physiological analyses reveal the pivotal role of hydrogen sulfide in enhancing low-temperature tolerance in alfalfa[J].Physiol Plant,2023,175(2):e13885.DOI:10.1111/ppl.13885.
[12]GARCÍA-CALDERÓN M,VIGNANE T,FILIPOVIC M R, et al. Persulfidation protects from oxidative stress under nonphotorespiratory conditions in Arabidopsis[J].New Phytol,2023,238(4):1431–1445.DOI:10.1111/nph.18838.
[13]RAZA A,TABASSUM J,MUBARIK M S, et al. Hydrogen sulfide:An emerging component against abiotic stress in plants[J].Plant Biol,2022,24(4):540-558.DOI:10.1111/plb.13368.
[14]牟雪姣,張遠(yuǎn)兵,吳燕,等.外源 H2S 緩解黃瓜種子萌發(fā)過(guò)程中干旱脅迫傷害的生理機(jī)制[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2018,27(9):1328-1334.MU X J,ZHANG Y B, WU Y, et al. Physiological mechanism of exogenous H2S in alleviating drought stress-induced injury in germination of cucumber seed[J] .Acta Agric Boreali Occidentalis Sin ,2018,27(9):1328–1334.DOI:10.7606/j.issn.1004-1389.2018.09.013.
[15]WU X L,DU A Q,ZHANG S H, et al. Regulation of growth in peach roots by exogenous hydrogen sulfide based on RNA-Seq[J].Plant Physiol Biochem,2021,159:179–192.DOI:10.1016/j.plaphy.2020.12.018.
[16]LI H,GHOTO K,WEI M Y, et al. Unraveling hydrogen sulfide-promoted lateral root development and growth in mangrove plant Kandelia obovata:Insight into regulatory mechanism by TMT-based quantitative proteomic approaches[J].Tree Physiol,2021,41(9):1749–1766.DOI:10.1093/treephys/tpab025.
[17]CHEN P,YANG W X,MINXUEWEN, et al. Hydrogen sulfide alleviates salinity stress in Cyclocarya paliurus by maintaining chlorophyll fluorescence and regulating nitric oxide level and antioxidant capacity[J].Plant Physiol Biochem,2021,167:738–747.DOI:10.1016/j.plaphy.2021.09.004.
[18]孫曉莉,張?chǎng)螛s,田壽樂(lè),等.外源硫化氫處理對(duì)板栗幼苗干旱脅迫抗性的影響[J].北方園藝,2017(15):7–12.SUN X L,ZHANG X R,TIAN S L, et al. Effect of exogenous hydrogen sulfide on resistance of drought stress of chestnut seedlings[J].North Hortic,2017(15):7–12.DOI:10.11937/bfyy.20165060.
[19]李冬,申洪濤,王艷芳,等.干旱脅迫下外源硫化氫對(duì)烤煙幼苗光合熒光參數(shù)及抗氧化系統(tǒng)的影響[J].西北植物學(xué)報(bào),2019,39(9):1609–1617.LI D,SHEN H T,WANG Y F, et al. Effect of exogenous hydrogen sulfide on photosynthetic fluorescence parameters and antioxidantsystem of flue-cured tobacco seedlings under drought stress[J]. Acta Bot Boreali Occidentalia Sin,2019, 39(9):1609–1617.DOI:10.7606/j.issn.1000-4025.2019.09.1609.
[20]李合生.植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2000.LI H S.Principles and techniques of plant physiological biochemical experiment[M].Beijing: Higher Education Press,2000.
[21]陳建勛,王曉峰.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M].2版.廣州:華南理工大學(xué)出版社,2006.CHEN J X, WANG X F.Experimental instruction of plant physiology[M].2nd ed.Guangzhou: South China University of Technology Press,2006.
[22]CHEN Y, YUAN B L, WEI Z H, et al. The ion homeostasis and ROS scavenging responses in ‘NL895’ poplar plantlet organs under in vitro salinity stress[J].In Vitro Cell Dev Biol -Plant,2018,54(3):318–331.DOI:10.1007/s11627-018-9896-z.
[23]魏子涵,袁斌玲,陳茜,等.聚乙二醇處理對(duì)‘717’雜交楊組培苗的影響[J].森林與環(huán)境學(xué)報(bào)2017,37(4):412–417.WEI Z H,YUAN B L CHEN X, et al. Effect of polyethylene glycol treatment on hybrid poplar ( Populus tremula × P. alba ‘717-1B4’) in vitro culture[J].Journal of Forest and Environment.2017,37(4):412–417.DOI:10.13324/j.cnki.jfcf.2017.04.005.
[24]王荔,張雪,趙曉珍,等.火龍果對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)性研究[J].熱帶作物學(xué)報(bào),2020,41(11):2237-2244.WANG L,ZHANG X,ZHAO X Z, et al. Drought adaptability of Hylocereus undatus[J].Chin J Trop Crops,2020 ,41(11):2237–2244.DOI:10.3969/j.issn.1000-2561.2020.11.013.
[25]申艷梅.景天科植物耐旱性及其機(jī)理的研究[D].呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2010.SHENY M .Studies on drought resistance and the physiological mechanism in species SedumL.[D].Hohhot:Inner Mongolia Agricultural University,2010.
[26]黎遠(yuǎn)東,江海霞,謝麗瓊.植物鹽脅迫適應(yīng)性機(jī)制研究進(jìn)展[J].植物遺傳資源學(xué)報(bào),2022,23(6):1585-1593.LI Y D,JIANG H X,XIE L Q.Review of plant adaptation mechanism to salt stress[J].J Plant Genet Resour,2022,23(6):1585–1593.DOI:10.13430/j.cnki.jpgr.20220518003.
[27]茶曉飛,董瓊,段華超,等.干旱下白槍桿幼苗生物量及生理活性物質(zhì)對(duì)鈣添加的適應(yīng)性調(diào)節(jié)[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào),2023,38(3):10–17.CHA X F,DONG Q, DUAN H C, et al. Adaptive regulation of biomass and physiologically active substances in response to calcium addition in Fraxinus malacophylla seedlings under drought[J].J Northwest For Univ,2023,38(3):10–17.DOI:10.3969/j.issn.1001-7461.2023.03.02.
[28]李林宇,馬靖恒,張璐瑤,等.6-BA預(yù)處理對(duì)干旱脅迫下越橘生理特性的影響[J].分子植物育種,2023:1–11.(2023-03-20).LI L Y, MA J H,ZHANG L Y, et al. Effects of 6-BA pretreatment on physiological characteristics of blueberry under drought stress[J/OL].Mol Plant Breed,2023:1–11.(2023-03-20).https://kns.cnki.net/kcms/detail/46.1068.S.20230318.1247.004.html.
[29]劉建新,劉瑞瑞,劉秀麗,等.外源硫化氫對(duì)鹽堿脅迫下裸燕麥光合碳代謝的調(diào)控[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2023,47(3):374–388.LIU J X,LIU R R,LIU X L, et al. Regulation of exogenous hydrogen sulfide on photosynthetic carbon metabolism in Avena nude under salinealkaline stress[J].Chin J Plant Ecol,2023,47(3):374–388.
[30]張林,陳翔,吳宇,等.脯氨酸在植物抗逆中的研究進(jìn)展[J].江漢大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2023,51(1):42-51.ZHANG L,CHEN X,WU Y, et al. Research progress of proline in plant stress resistance[J].J Jianghan Univ (Nat Sci Ed) ,2023,51(1):42–51.DOI:10.16389/j.cnki.cn42-1737/n.2023.01.006.
[31]CHEN J,SHANG Y T,WANG W H, et al. Hydrogen sulfide-mediated polyamines and sugar changes are involved in hydrogen sulfide-induced drought tolerance in Spinacia oleracea seedlings[J].Front Plant Sci,2016,7:1173.DOI:10.3389/fpls.2016.01173.
[32]YALCINKAYA T,UZILDAY B,OZGUR R, et al. The roles of reactive carbonyl species in induction of antioxidant defence and ROS signalling in extreme halophytic model Eutrema parvulum and glycophytic model Arabidopsis thaliana[J].Environ Exp Bot,2019,160:81–91.DOI:10.1016/j.envexpbot.2019.01.009.
[33]FENG K,LU J L,CHEN Y, et al. The coordinated alterations in antioxidative enzymes,PeCu/ZnSOD and PeAPX2 expression facilitated in vitro Populus euphratica resistance to salinitystress[J].Plant Cell Tiss Organ Cult,2022,150(2):399–416.DOI:10.1007/s11240-022-02292-7.
[34]PANDA A,RANGANI J,PARIDA A K.Cross talk between ROS homeostasis and antioxidative machinery contributes to salt tolerance of the xero-halophyte Haloxylon salicornicum [J].EnvironExp Bot,2019,166,1–19.https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2019.103799.
[35]MUKHERJEE S,CORPAS F J.Crosstalk among hydrogen sulfide (H2S),nitric oxide (NO) and carbon monoxide (CO) in root-system development and its rhizosphere interactions: Agaseous interactome[J].Plant Physiol Biochem ,2020,155:800–814.DOI:10.1016/j.plaphy.2020.08.020.
[36]ZHOU X R,JOSHI S,PATIL S, et al. Reactive oxygen, nitrogen,carbonyl and sulfur species and their roles in plant abiotic stress responses and tolerance[J].J Plant Growth Regul,2022,41(1):119–142.DOI:10.1007/s00344-020-10294-y.
文章摘自：沈瑒,狄晶晶,陳穎,馮凱,陸錦玲,胡宇辰．H2S供體NaHS對(duì)滲透脅迫下美國(guó)劍麻干旱適應(yīng)性及抗氧化特性的影響[J/OL].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).https://link.cnki.net/urlid/32.1161.s.20231208.1742.002
