模拟干旱胁迫对发状念珠藻抗氧化酶系统和渗透调节物质的影响

周 娟，范红丽，白丽甜，郑 蕊，岳思君

(宁夏大学生命科学学院，宁夏银川 750021)



模拟干旱胁迫对发状念珠藻抗氧化酶系统和渗透调节物质的影响

周 娟，范红丽，白丽甜，郑 蕊，岳思君

(宁夏大学生命科学学院，宁夏银川 750021)

【目的】探讨模拟干旱胁迫对发状念珠藻抗氧化酶系统和渗透调节物质的影响。【方法】以发状念珠藻细胞为实验材料，用2%、4%、6%、8%、10%浓度的 PEG-6000模拟干旱胁迫，测定发状念珠藻氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)活性及胞外多糖(EPS)和脯氨酸(Pro)含量的变化。【结果】与对照处理相比，随着干旱胁迫程度的增加，发状念珠藻细胞的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)活性均呈现先上升后下降的趋势，细胞胞外多糖(EPS)和脯氨酸(Pro)含量呈增加趋势，但在高浓度的胁迫下，脯氨酸的含量呈现下降趋势。【结论】发状念珠藻在中度干旱胁迫下能够激活自身的抗氧化酶类以提高藻细胞的抗氧化能力，从而能消除或减轻活性氧毒害，而在重度干旱胁迫下，酶活降低，标志活性氧清除机制受到破坏，抗氧化能力降低。在干旱胁迫下，作为渗透调节物质的胞外多糖和脯氨酸表现出缓解干旱胁迫的效果，累积的脯氨酸和胞外多糖能够维持细胞内渗透平衡，保证细胞内正常的物质代谢，从而提高发状念珠藻对干旱胁迫的适应性。

发状念珠藻；干旱胁迫；抗氧化酶系统；渗透调节物质

0 引 言

1 材料与方法

1.1 材 料

实验选用的藻种为人工培养的发状念珠藻(Nostocflagelliforme)悬浮细胞，由实验室筛选。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

用聚乙二醇(PEG-6000)为胁迫介质模拟干旱实验，以BG110为基本培养基，设置PEG-6000的实验浓度分别为0、2%、4%、6%、8%、10%，取20 mL藻液接种于180 mL含有PEG-6000的BG110培养基中，以不含PEG-6000的培养液作为对照组。光照摇床培养至第8 d进行各项指标的测定。

1.2.2 测定指标

培养8 d后，每组三个重复，离心收集藻细胞(8 000 r，15 min)，用分析天平称取鲜重。 采用NBT光还原法测定SOD活性，采用愈创木酚法测定POD活性、采用紫外吸收法CAT活性测定活性，具体步骤参考史明科等[10]方法。以能抑制 NBT 50%的光化还原反应时加入的酶量为1个SOD酶单位。POD酶活性以1 min内A470变化0.01为1个酶活力单位(U) ，CAT酶活性用1 min内分解 H2O21 mg为1个酶活力单位(U) 。胞外多糖含量测定采用苯酚-硫酸法[11]；脯氨酸含量测定采用磺基水杨酸法[12]。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对发状念珠藻抗氧化酶系统的影响

2.1.1 SOD活性的影响

PEG模拟干旱胁迫对发状念珠藻中SOD活性影响明显。结果表明，发状念珠藻的SOD活性随干旱程度加剧呈现先增加后下降的趋势，当PEG浓度在2%～6%，SOD活性逐渐增大，说明此时藻细胞内清除自由基和抗氧化能力增加，在浓度为8%～10%，SOD活性呈现下降趋势，但酶活性均明显高于对照测定结果，说明此时干旱胁迫对细胞的伤害程度加剧，进一步抑制了SOD活性，但SOD依然能够有效缓解干旱诱导产生的氧化胁迫。图1

图1 干旱胁迫下发状念珠藻细胞SOD活性变化
Fig.1 Effect of drought stress on activity of SOD in Nostoc flagelliforme cell

2.1.2 POD活性的影响

干旱胁迫下POD活性表现出双峰变化，POD活性在2%和8%达到两个峰值。在2%的低浓度干旱胁迫时，POD 活性上升，说明此时膜脂氧化作用较轻，膜相对通透性增加较小。在4%和6%浓度时，POD活性缓慢下降，在干旱胁迫浓度为8%时达到另一个峰值，随后POD活性下降，此时膜脂过氧化作用过强，膜通透性增大，对细胞的伤害较大。图2

2.1.3 CAT活性的影响

随着PEG浓度的升高，干旱胁迫的加剧，CAT活性呈现先升高后下降的趋势，说明CAT在有效清除活性氧中发挥了作用，而CAT活性下降说明在高浓度的干旱胁迫下，细胞严重受损，同时CAT活性在一定程度上受到抑制，活力逐渐下降。图3

图2 干旱胁迫下发状念珠藻细胞POD活性变化

Fig.2 Effect of drought stress on activity of POD in Nostoc flagelliformecell

图3 干旱胁迫下发状念珠藻细胞CAT活性变化
Fig.3 Effect of drought stress on activity of CAT in Nostoc flagelliforme cell

2.2 干旱胁迫对发状念珠藻渗透调节物质的影响

2.2.1 胞外多糖含量的影响

在实验浓度范围内，胁迫处理的胞外多糖含量明显高于对照，且胞外多糖的含量随着干旱胁迫浓度的增大而增大，胞外多糖含量随干旱胁迫强度的变化说明，胞外多糖可能是发状念珠藻抵抗干旱逆境有关的物质，在干旱胁迫时对细胞起保护作用。图4

2.2.2 脯氨酸(Pro)含量的影响

当受到干旱胁迫时，细胞中游离脯氨酸含量会有很大的变化。当PEG浓度在2%～8%，脯氨酸含量呈现上升状态，随着胁迫浓度的增大，脯氨酸含量呈现下降趋势。说明干旱胁迫条件下，细胞会积累脯氨酸保护细胞免受伤害，但当胁迫浓度过高时，细胞膜氧化作用加强，膜系统进一步受到伤害，细胞膜渗透性增强，游离脯氨酸通过细胞膜渗透到培养液中，含量随之下降。图5

图4 干旱胁迫下发状念珠藻胞外多糖含量变化
Fig.4 Effect of drought stress on EPS content of Nostoc flagelliforme cell

图5 干旱胁迫下发状念珠藻脯氨酸含量变化
Fig.5 Effect of drought stress on Pro content of Nostoc flagelliforme

3 讨 论

干旱胁迫下，生物体内会产生大量的自由基，抗氧化酶能有效地清除细胞内活性氧自由基[13]。SOD、POD 和CAT 是活性氧清除酶系统中最重要的保护酶，SOD 能够催化氧自由基转变为H2O2，POD与CAT则能有效清除H2O2，减少细胞受到伤害[14]。在研究中，PEG起到水分胁迫作用，随着PEG胁迫浓度的升高，SOD、POD、CAT活性呈现先升高后降低的趋势，说明干旱胁迫诱导了发状念珠藻抗氧化保护酶系统清除自由基能力，在低浓度PEG胁迫下，抗氧化酶酶活随胁迫强度增加而提高，对活性氧具有防御作用，能有效清除活性氧，降低活性氧对细胞的损伤。但在高浓度PEG 胁迫下，细胞会产生更多的自由基，使细胞膜系统遭到破坏，加剧细胞受损程度，各类抗氧化酶在一定程度上受到抑制，活力逐渐下降。

渗透调节是植物抗旱的一种重要的生理机制，与植物耐旱性有密切关系[15]。在干旱胁迫下，脯氨酸、多糖等渗透调节物质能降低渗透势，还可以保护细胞许多重要代谢活动所需的酶类，保证细胞内正常生理功能[16]。研究结果表明，在模拟干旱胁迫下，胞外多糖和脯氨酸含量会随着胁迫浓度的增加而增加，说明干旱胁迫下细胞会通过促进积累胞外多糖和脯氨酸来增强其渗透调节能力，进而能够降低细胞渗透势，维持细胞的正常水分平衡。但当胁迫浓度过高时，脯氨酸含量会逐渐下降，说明高浓度PEG处理下细胞膜氧化作用加强，细胞膜渗透性增强导致脯氨酸渗透到培养液中。而多糖在高浓度下会持续积累，也说明脯氨酸和多糖之间存在相互补偿作用。

4 结 论

4.1 干旱胁迫会导致植物体内活性氧的累积，耐旱植物通过调节其抗氧化酶系统和渗透调节物质来维持平衡，显示出一定的耐旱能力。在干旱胁迫下发状念珠藻抗氧化酶活性和渗透调节物质的含量发生明显变化，在中度干旱胁迫下，随着PEG胁迫浓度的升高，发状念珠藻SOD、POD、CAT活性均呈现增加趋势，SOD活性由459.41U/g增加到2 134.01 U/g，POD活性由22.83 U/g增加到262.64 U/g，CAT活性由5.78 U/g增加到47.58 U/g，这些抗氧化酶活性的增加有效维的持了活性氧积累与清除的平衡，在重度干旱胁迫下，酶活性呈现下降趋势，SOD、POD、CAT活性分别下降到634.74 U/g、52.64 U/g、5.58 U/g，说明当遭受干旱胁迫时，发状念珠藻能通过增强抗氧化酶活性的方式来有效清除活性氧，调节活性氧代谢的平衡，降低细胞受伤害的程度。然而，随着细胞受伤害程度的加剧，活性氧大量累积会造成部分活性氧清除机制的破坏，抗氧化酶活性降低。同时，脯氨酸和胞外多糖的含量也发生了很大变化，胞外多糖含量呈上升趋势，由0.002 mg/mL上升到0.09 mg/mL。脯氨酸含量呈先上升后下降趋，由20.89 μg/g上升到39.04 μg/g，随后又下降到32.14 μg/g。胞外多糖和脯氨酸承担起调节细胞渗透势的作用，脯氨酸和多糖的累积可降低细胞水势、减少细胞由于脱水造成的伤害，增强发状念珠藻的耐旱能力。

4.2 干旱胁迫下的发状念珠藻有较强的活性氧清除能力，而且能通过增加渗透调节物质的含量来保持较高的渗透调节能力，因此渗透调节物质的大量累积及抗氧化酶系统的调节，是发状念珠藻对干旱胁迫适应的重要生理响应，也是发状念珠藻长期适应干旱环境的结果。

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Fund project:Supported by NSFC (Grant No. 31360025 and No. 31560418)

Effect of Simulated Drought Stress on Antioxidant System and Osmotic Regulation in Cells ofNostocflagelliforme

ZHOU Juan, FAN Hong- li, BAI Li-tian, ZHENG Rui, YUE Si-jun

(CollegeofLifeSciences,NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China)

【Objective】 The objective of this study is to explore the effect of different drought stress on antioxidant system activety and osmotic regulation substance contents ofNostocflagelliforme. 【Method】TheNostocflagelliformecells were used as experimental materials and PEG-6000 with different concertrations (0,2%, 4%, 6%, 8%, 10%) were used to simulate the water stress. And the change of superoxide dismutase (SOD)，peroxidase (POD), catalase (CAT) activrty and the content of extracellular polysaccharide (EPS), proline (Pro) ofNostocflagelliformewere determined. 【Result】The results showed that the contents ofNostocflagelliformeSOD, POD, CAT activity first increased，and then declined．The content of proline(Pro) and extracellular polysaccharide(EPS) always increased under the low drought treatment, but the proline content showed a trend of decline under the servere drought reatment 【Conclusion】The research illustrated under medium drought treatment the antioxidant enzyme of nostoc flagelliforme adjusted itself to increase its antioxidant capability. This can avoid active oxygen species injury. But under severe drought treatment, the capability has already fallen down obviously because some active oxygen scavenging was destroyed. Under drought stress treatment, extracellular polysaccharide and proline of osmotic regulation substances showed the effect of alleviating drought stress, and the accumulation of proline and extracellular polysaccharide could maintain intracellular osmotic balance and ensure normal metabolism in cells, which is likely to improve the adaptability ofNostocflagelliformeunder drought stress.

Nostocflagelliforme；drought stress；antioxidant enzyme system；osmotic regulation

10.6048/j.issn.1001-4330.2016.05.018

2015-12-04

国家自然科学基金项目(31360025,31560418)

周娟(1989 -)，女，宁夏人，硕士研究生，研究方向为微生物技术与工程，(E-mail):zhoujuanlee@163.com

岳思君(1972-)，男，宁夏人，副教授，硕士生导师，研究方向为微生物学、发酵工程，(E-mail):sijunyue@126.com

S188

A

1001-4330(2016)05-0915-06