UV—B辐射和干旱胁迫对烟草逆境生理指标的影响

沈嘉　郭东锋　姜超强　杨波　姚忠达　祖朝龙

摘 要 以2个烤烟品种（红花大金元和K326）为供试作物，研究增强UV-B辐射、干旱及交叉胁迫对烟草活性氧水平、膜质过氧化、膜稳定性、抗氧化酶活性等逆境生理指标的影响，旨在揭示植物对紫外和干旱交叉胁迫的适应机制。结果表明：UV-B辐射和干旱胁迫可导致烟草H2O2含量上升，膜稳定性相应下降。当2种胁迫同时发生时，烟草氧化损伤程度低于单因子胁迫或处于2种单因子胁迫之间。产生这种交叉适应性的原因可能是UV-B辐射诱导的抗氧化酶活性增强和干旱诱导的渗透调节物含量增加产生叠加作用，增强了植株的抗氧化能力，从而缓解了彼此对植物体造成的氧化损伤。红大品种获得交叉适应性的能力高于K326。

关键词 UV-B辐射；干旱；烟草；逆境生理

中图分类号 TS411 文献标识码 A

植物在野外生长时不可避免的受到各种环境胁迫影响，如干旱、极端温度、强光、重金属、辐射、空气污染等。当多种胁迫同时发生时，一种胁迫因子可能会改变植物对其他胁迫因子的敏感性，称为交叉适应性（Cross Adaptation）[1]。逆境交叉适应性存在某些共同的生理基础，植物可以通过调节系统调节物质、活性氧清除系统等的变化，增强植物的逆境交叉耐受性或适应性。但不同植物对于逆境交叉胁迫的耐受性或适应性发展过程中，各种生理生化指标的变化不尽相同[2]。

随着全球变暖的加速和人类活动对臭氧层的破坏，干旱和UV-B辐射增强已成为植物生长最常遭遇的环境胁迫，对作物生产的影响也越发明显[3]。由于干旱胁迫常常与UV-B胁迫同时发生，人们开始关注增强UV-B辐射和干旱胁迫对植物的复合影响。结果发现，干旱是与UV-B辐射复合作用最明显的环境因子，如Kilian等[4]发现拟南芥在UV-B辐射和干旱胁迫下的基因表达具有高度重叠性。Teramura[5]、Tian[6]等分别发现UV-B辐射和干旱胁迫对大豆和小麦光合性能和生长的抑制有叠加作用；Sangtarash等[7]发现增强UV-B辐射环境使干旱胁迫对Stellaria longipes叶面积和干物质积累的抑制作用增强。相反，Balakumar等[8]报道UV-B辐射和干旱胁迫同时发生时豇豆的生长速率高于单独胁迫；Schmidt等[9]发现UV-B-干旱交叉胁迫对拟南芥叶片含水量的维持有改善效果；Alexieva等[10]研究表明豌豆和小麦在UV-B-干旱交叉胁迫下比UV-B辐射单独胁迫时获得更多的生长量，He等[11]发现干旱胁迫处理后小麦对UV-B胁迫抗性增强，反之相同。这些不尽相同的试验结果表明干旱胁迫和UV-B胁迫对植物的影响确实存在交互作用。

有关植物逆境交叉胁迫引起耐受性或适应性的研究已有大量报道，但主要集中在水稻、玉米等作物、部分蔬菜及果树方面[2]，且关于其产生机制的报道目前并不多见。本试验以对环境敏感性不同的2个烤烟品种（红花大金元和K326）为模式作物，研究增强UV-B辐射、干旱及交叉胁迫下保护性酶、渗透调节物及相关逆境生理指标的变化，目的在于从氧化胁迫及抗氧化反应方面初步探讨植物对UV-B辐射和干旱产生交叉适应性的相关机制，为探索有效的抗逆栽培技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验在中国科学技术大学烟草与健康研究中心试验温室开展。供试材料为烟草栽培品种红花大金元和K326。烟草包衣种子播撒于装有育苗基质的泡沫漂盘中，漂浮法培养至成苗（约60 d）。蒸馏水洗净根部基质，移栽至装有粗石英砂（粒径2.3 mm）的塑料钵中（直径9 cm，高10 cm，底部无孔），每钵1株。塑料钵中注入1/4浓度Hoagland营养液培养3 d，后转为1/2浓度Hoagland营养液培养，每2 d更换营养液。培养期间温室内平均昼/夜温度为34 ℃/23 ℃，相对湿度65%～85%，自然光照，光周期约14 h/d。20 d后挑选长势一致植株开始增强UV-B辐射与模拟干旱处理。

1.2 方法

1.2.1 试验设置 试验设置增强UV-B处理，PEG6000模拟干旱处理和增强UV-B-干旱复合处理。UV-B辐射处理方法为将UV-B灯管（南京华强生产，297 nm，30 W）平行悬挂于植株上方，用0.13 mm 醋酸纤维素膜包裹灯管过滤280 nm以下波长UV-B线。调整灯管与烟株的距离，同时使用UV-B照度计（北京师范光电设备研究所生产）测量植株顶端辐射强度，使之达到试验要求。光照时间为每日10 ： 00～16 ： 00。模拟干旱处理方法为将营养液中加入相应浓度的聚乙二醇6000（PEG6000）。具体处理方法如表1所示。

1.2.2 生理指标测定 7 d后收获各处理植株完全展开叶，洗净表面尘土后进行生化分析。每处理收获5株，单独测定作为重复。烟草叶片游离脯氨酸含量采用酸性茚三酮显色法[12]。丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法测定[12]。膜稳定指数（MSI）测定参照Hichem等[13]的方法。过氧化氢（H2O2）含量测定参照Patterson等[14]的方法。过氧化物酶活性采用愈创木酚法测定，超氧化物岐化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性采用检测试剂盒测定（南京建成生产）。

1.3 数据统计

试验数据由Excel 2007进行初步处理，SPSS13.0进行方差分析（ANOVA），采用Duncan法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 过氧化氢

H2O2是最主要也是最稳定的ROS，可以代表系统内ROS的整体水平。图1-A、B表明，无论在UV-B胁迫还是在干旱胁迫下，烟草叶片的H2O2浓度都比对照显著升高，且UV-B胁迫升高幅度大于干旱胁迫。交叉胁迫对H2O2浓度的影响在2个品种中表现不同：在红大品种中，交叉胁迫植株H2O2浓度维持与干旱胁迫一致水平；而在K326品种中与UV-B胁迫植株保持一致。

2.2 膜脂过氧化反应

2种环境胁迫都能造成红大品种（图1-C）叶片中MDA含量显著升高，其中UV-B胁迫升高108.39%，干旱胁迫升高67.30%，而在交叉胁迫中叶片MDA含量与对照无显著差异。说明单因子胁迫可导致红大品种发生不同程度的膜脂过氧化反应（UV-B胁迫>干旱胁迫），而交叉胁迫有助于提高红大对膜脂过氧化的抗性。K326品种（图1-D）UV-B胁迫植株MDA含量提高148.52%，而干旱胁迫植株与对照无显著差异，说明K326对干旱胁迫有一定耐受能力。交叉胁迫对K326品种氧化损伤的修复作用不明显，MDA含量与UV-B胁迫无差异。

为了研究烟草在胁迫环境下ROS水平对膜脂过氧化反应的影响，本研究建立了MDA含量和H2O2的相关性方程（图2-A）。结果表明，2个品种在环境胁迫下叶片膜脂过氧化产物和H2O2浓度呈显著线性正相关（R2达到0.9以上），但K326品种的斜率小于红大，表明K326对氧化胁迫的耐受性大于红大。

2.3 膜稳定性

膜稳定性指数（MSI）分析结果（图1-E、F）表明：在UV-B胁迫和干旱胁迫下，2个品种烟草的膜系统稳定性显著降低，其中UV-B胁迫对膜的损伤效果更大。2品种之间比较，在UV-B胁迫下K326品种膜稳定性低于红大，在干旱胁迫下相反，说明K326品种对UV-B胁迫更敏感，而红大品种对干旱胁迫更敏感。当交叉胁迫发生时，红大品种膜稳定性虽然比对照降低，但降低幅度小于单因子胁迫，而在K326品种中这种复合影响不明显。

相关性分析结果表明（图2-B），烟草叶片膜系统的稳定性与H2O2呈显著负相关，说明可以通过活性氧水平评价膜系统的稳定性。从线性方程来看，红大的膜系统更容易在H2O2过量积累时受到氧化损伤。

2.4 游离脯氨酸

图1-G和图1-F表明，烟草在干旱胁迫下叶片内游离脯氨酸含量显著增加，而UV-B胁迫对游离脯氨酸含量无显著影响。在交叉胁迫中，叶片脯氨酸含量保持与干旱胁迫相同水平，说明脯氨酸在叶片中的积累主要取决于干旱胁迫环境。

2.5 保护性酶系统

增强UV-B辐射处理中，2个烟草品种CAT和SOD活性显著提升；POD活性在红大品种中比对照略有上升但差异不显著，而在K326品种中几乎不变。当遭受干旱胁迫时，红大品种SOD和CAT活性受到明显抑制，而POD活性比对照略有提升；K326品种所有被测定的酶活性下降（图3）。在交叉胁迫处理中，所有酶活性变化几乎与增强UV-B辐射处理保持一致。这一结果表明当环境中UV-B辐射增强和干旱胁迫同时发生时，UV-B辐射对保护性酶活性的影响大于干旱胁迫。

3 讨论与结论

活性氧（ROS）是植物生理代谢过程中的正常产物，普通环境下在植物体内维持较低水平。当植物遭受生物或非生物胁迫环境时，组织内ROS产生-清除系统平衡被打破而过度积累，引发膜脂过氧化，最终致使植物组织氧化损伤或细胞程序性死亡[15]。丙二醛含量和膜稳定性指数常常被人们用来衡量植物的氧化损伤程度[13]。为了研究ROS水平与氧化损伤程度之间的关系，笔者建立了ROS代表物质H2O2含量与MDA含量及MSI的相关方程，结果发现胁迫环境下膜脂过氧化程度与ROS水平呈显著正相关，而膜的稳定性与ROS水平呈显著负相关。

在本研究中，当2种胁迫单独发生时，烟草表现出一定程度的氧化损伤特征，如H2O2含量显著上升（图1-A、B），MDA含量上升，膜稳定性下降。当2种胁迫同时发生时，烟草氧化损伤程度并非2种单独胁迫的加和，而是低于单因子胁迫或处于2种单因子胁迫之间。因此可以推断增强UV-B辐射和干旱能够缓解彼此对植物造成的氧化损伤，即诱导植物产生交叉适应性。这种现象2个品种中表现不一致：红大品种获得交叉适应性的能力强于K326。除了烟草，植物对增强UV-B辐射和干旱胁迫的交叉适应性在豇豆[8]、拟南芥[9]、小麦[10]和胡枝子[3]等物种中同样存在。

植物抗性与抗氧化能力相关联，酶系统和非酶系统的抗氧化水平在一定程度上决定植物对逆境的适应能力[16]。SOD、CAT和POD是酶保护系统的重要成员，研究结果表明：SOD处于抵御活性氧伤害的第一道防线，主要清除对植物毒性较大的O2·- ，将其转化成为毒性较小的H2O2，CAT和POD进一步将H2O2转化为无毒的H2O和O2，防御脂膜过氧化，维持系统内自由基平衡[17]。本试验中红大品种无论在正常环境还是在胁迫环境中，3种酶活性均高于K326，因而具有更高的抗氧化能力和抗逆性。与此相对应的是在相同胁迫下红大氧化损伤水平低于K326（图1）。SOD和CAT活性在烟草遭受UV-B胁迫时上升，在干旱胁迫时下降。交叉胁迫中，3种酶活性几乎都维持与UV-B单因子胁迫相同水平。说明UV-B是触发烟草抗氧化酶活性增强的主要因素。脯氨酸是植物最主要的渗透调节物，还可作为自由基清除剂、膜的稳定剂和细胞质内酶的保护剂，从而对各种逆境胁迫起保护作用[18]。本研究中叶片脯氨酸含量在烟草遭受干旱胁迫和交叉胁迫时显著升高，而在UV-B单因子胁迫时几乎不受影响。表明干旱是造成脯氨酸含量上升的主要诱因。这一结果与许多研究保持一致，脯氨酸含量的升高也被认为是典型的渗透胁迫反应[19-21]。郝敬红等[22]认为这是由于干旱胁迫初期氮素同化被加快，而持续胁迫又会降低蛋白合成酶的活性，提高蛋白水解酶的活性而造成。

综上所述，烟草在UV-B-干旱交叉胁迫时所受的氧化损伤低于单独胁迫。产生这中交叉适应性的原因可能是UV-B辐射诱导的抗氧化酶活性增强和干旱诱导的渗透调节物含量增加产生叠加作用，缓解了彼此对植物体造成的氧化损伤。然而，这种交叉适应性在不同品种中表现不一致，从氧化损伤水平来看，红大品种获得交叉适应性的能力高于K326。

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