花生幼苗期呼吸酶活性对渍涝的响应

刘振宏，蒋 薇，刘登望*，李 林*，张 昊

(1. 湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128； 2. 湖南农业大学旱地作物研究所，湖南 长沙 410128)

水是作物生长发育的重要生理生态因子，对作物的区域分布和生产水平存在巨大影响。在降雨量较大，排水设施较差或水位波动剧烈的地区经常发生渍涝危害。渍涝是世界作物生产的主要非生物逆境胁迫之一。据统计，全球10%的灌溉土地受到洪涝灾害的影响，这可能会降低高达20%的农作物产量[1]。近50年来，我国多年平均洪涝灾害受灾面积约占全国播种总面积的6.4%，约为920万hm2[2]，其中长江中下游地区和黄淮海平原受渍涝灾害的影响面积最大，约占全国总受灾面积75%以上[3]。随着全球气候变化异常加剧，渍涝等灾害更加频繁，近年我国的洪涝灾害也有面积增大、危害加重趋势。

渍涝害发生后，土壤水分过多，氧气含量骤然减少，首先造成植株根际缺氧，根系的呼吸作用、营养物质吸收严重受阻，继而引起地上部分损伤甚至死亡[4]，包括光合作用减弱[5]，抑制植株生长分化、荚果发育[6-8]，最终影响产量和品质[9-10]。然而，对于渍涝下花生根系的呼吸生理研究尚未见报道。本研究拟采用耐渍涝能力不同的品种，在不同时间和深度的渍涝胁迫程度下，测定几种关键性呼吸酶活性，旨在探明不同耐性品种的呼吸途径差异。

1 材料方法

1.1 试验材料

试验所用土壤取自湖南农业大学耘园试验基地大田沙土。本试验选取3个经过验证在大田条件下具有耐涝性差异的花生栽培品种(Arachishypogaea)，分别为豫花15(耐涝)、中花8号(较耐涝)、中花4号(不耐涝)为供试品种[10-11]。

1.2 试验设计

1.2.1 苗期试验材料的准备

将沙土洗净后，用10%过氧化氢消毒。选取各品种大小均匀、籽仁饱满的优良种子，分别在3个大塑料盆中湿润培养。待种子芽长约等于种子长度时，按品种将种芽植入容量为700 mL的塑料盆中央，芽尖朝下，籽仁顶部埋深3 cm，每盆植入5株，呈均匀环状分布，进行正常水分培养，待植株长出四叶一心时开始以下处理。

1.2.2 淹水深度试验

参照大田发生渍涝害时的水体深度情形，对幼苗设置3种不同深度的渍涝处理：A组为全株淹没(简称全淹，水体将幼苗植株完全淹没3 cm以上)；B组为根部淹没(简称半淹，水体高于幼苗根部土壤层约1 cm)；C组为正常水分(对照)。

1.2.3 淹水时长试验

将上述试验的A、B组材料，各分为6个淹水时长梯度处理，分别为24 h、48 h、72 h、96 h、120 h、168 h。C组仍作为正常水分对照。试验期间，培养室温度为昼25 ℃/夜20 ℃，每天光照14 h，照度240μmol·m-2·s-1。

1.3 样本采集与测定方法

选取完整根系，自来水冲洗后，蒸馏水洗净，滤纸吸干水分，用于测定。

1.3.1 琥珀酸脱氢酶SDH活性的测定

采用SDH试剂盒测定，由南京建成生物工程研究所提供。

酶比活性(U/mg prot)=[(ΔOD值/0.01)/反应时间min]/样品中蛋白毫克数

1.3.2 乳酸脱氢酶LDH活性的测定

采用LDH试剂盒测定，由南京建成生物工程研究所提供。

酶活性(U/L)=[OD(U)-OD(C)]/[OD(S)-OD(B)]×CS×N×1000，CS=2 mmol/L，N=1。

1.3.3 乙醇脱氢酶ADH活性的测定

采用紫外分光光度计法(汤章城)[12]。

酶活性(U/mg)=(ΔOD值/0.01)/反应时间min。

2 结 果

2.1 有氧呼吸途径酶活性差异

琥珀酸脱氢酶(SDH)是参与三羧酸循环的关键酶。从图1可知，在半淹处理下，3个品种幼苗根系SDH活性随处理时间延长有起伏变化。其中，豫花15号SDH活性变化最大，在96 h有最大峰值，较正常水分处理高出6.38倍；中花8号SDH活性变化曲线较豫花15号平缓，其峰值分别出现在48 h和120 h，120 h出现最大峰值，较正常水分高出252.00%；中花4号SDH活性最低，96 h

图1 不同品种苗期半淹、全淹SDH活性变化情况Fig. 1 The changes of SDH activity of different peanut varieties in seedling stage under half and whole waterlogging condition

有最大活性，较正常水分处理高34.60%。中花4号SDH最大活性值活性较中花8号、豫花15号分别低29.78%和88.78%。全淹处理下，SDH活性变化曲线呈不规则的W型。3个品种SDH活性在24 h、72 h和168 h均为低谷，其中豫花15号48 h和120 h为峰值，120 h出现最大峰值，较正常水分高36.56%；中花4号、中花8号48 h和96 h为峰值，96h出现最大峰值，分别较正常水分高30.29%和143.00%。3个品种SDH活性峰值以豫花15号最高，较中花8号、中花4号分别高54.82%、70.39%。3个品种SDH活性均以半淹高于全淹，豫花15号半淹较全淹最大峰值高440.18%，中花8号和中花4号分别高33.67%和3.30%。

2.2 厌氧呼吸途径酶活性差异

2.2.1 乳酸脱氢酶(LDH)活性

乳酸脱氢酶是底物不完全氧化时的关键呼吸酶。图2得出，在半淹情况下，3个品种LDH活性均出现不同程度升高和回落。其中，中花4号变幅最大，中花8号次之，二者均在72 h出现最大峰值，较正常水分分别高117.00倍和46.70倍，豫花15号活性变化最小，且峰值较其他2个品种滞后24 h，在96 h处达到峰值，高出正常水分8.47倍。在全淹情况下，3个品种LDH活性也均出现不同程度升高和回落。其中，中花4号变幅最大，中花8号次之，二者均在72 h出现最大峰值，分别较正常水分处理高196.00倍和46.98倍；豫花15号活性变化最小，且峰值较其他2个品种要滞后24 h，在96 h达到峰值，较正常水分高38.02倍。中花4号LDH活性最大峰值较中花8号分别高出7.05倍、9.35倍。3个品种LDH活性最大峰值较正常水分处理涨幅均以全淹高于半淹，中花4号、中花8号、豫花15号分别高66.64%、0.58%和312.00%。

图2 不同品种苗期半淹、全淹LDH活性变化情况Fig. 2 The changes of LDH activity of different peanut varieties in seedling stage under half and whole waterlogging condition

图3 不同品种苗期半淹、全淹ADH活性变化情况Fig. 3 The changes of ADH activity of different peanut varieties in seedling stage under half and whole waterlogging condition

2.2.2 乙醇脱氢酶(ADH)活性

乙醇脱氢酶也是厌氧呼吸关键酶。从图3可知，在半淹情况下，3个品种ADH活性均出现不同程度升高和回落。各品种均在72 h出现最大峰值，中花4号、中花8号、豫花15号活性较正常水分分别高4.60倍、4.00倍、3.33倍，中花4号比中花8号、豫花15号分别高出40.00%、115.00%。在全淹情况下，3个品种ADH活性也出现不同程度升高和回落。各品种最大峰值均出现在72 h，中花4号、中花8号、豫花15号较正常水分分别高11.60倍、7.75倍、3.00倍，中花4号较中花8号、豫花15号分别高出80.00%、425.00%。3个品种ADH活性最大峰值较正常水分涨幅均以全淹高于半淹，其中中花4号、中花8号分别高125.00%、75.00%，豫花15号反而低7.69%。

3 讨 论

呼吸是生命活动的最基本过程。植物的呼吸作用分为有氧呼吸和无氧呼吸。正常情况下，植物多进行有氧呼吸，该途径中植物体内的葡萄糖生成丙酮酸，进入三羧酸循环(TAC)被完全氧化生成CO2和水，并释放大量能量，琥珀酸脱氢酶(SDH)是三羧酸循环的限速酶；而当植物处于外界氧气供应不足的逆境情况下，为了短期内维持植物体的机能，植物将会进行无氧呼吸，此时葡萄糖生成的丙酮酸在三羧酸循环中不完全氧化，而产生乳酸和乙醇，并低效、少量释放能量。丙酮酸位于无氧和有氧分解的交界点上，在无氧情况下，丙酮酸在乳酸脱氢酶的催化作用下，被途径中生成的NADH还原为乳酸；或者在丙酮酸脱羧酶作用下脱羧生成乙醛，再在乙醇脱氢酶的作用下，将乙醛转变成乙醇。若长期进行无氧呼吸，将使得乳酸和乙醇在植株体内大量积累，最终造成植株中毒死亡。

本试验条件下，花生苗期湿涝胁迫与正常水分比较，根系SDH活性降低，但LDH、ADH活性升高。同一品种在相同淹涝时间下，其SDH活性全淹低于半淹，而LDH、ADH相反。这一结果与李林等[13]、刘登望等[14]、Subbaiah等[15]、Andrewa等[16]结论一致，且ADH活性高低与品种耐涝性呈负相关。在淹涝初期花生根系SDH活性较高，LDH和ADH活性较低；随淹涝时间延长，在一定时间范围内，SDH活性逐渐下降，在96～120 h出现最高峰值，LDH和ADH活性会逐步上升，均在72 h出现最高峰值；当淹涝时间超过120 h后，三种酶活性均下降至很小。这一变化趋势与前人在其他植物的结论既有相似[17-19]，又有不同[20-23]，可能与植物种类、淹涝生育时期、淹涝程度等差异有关。

根据SDH、LDH和ADH之间的相互作用，可以推测出这样一种关系[24-27]：在淹涝初期，由于植物体内还有氧气留存，三羧酸循环在短期内还可以维持将丙酮酸完全氧化的状态，所以此时的有氧呼吸大于无氧呼吸，SDH活性较高，而LDH和ADH的活性维持较低水平；在淹涝中期，植物体内留存的氧气已基本上被消耗完，植物为了维持代谢生长，无氧呼吸逐渐取代有氧呼吸，SDH活性逐渐降低，LDH和ADH活性上升。但是由于无氧呼吸同样会产生丙酮酸，所以当有丙酮酸产生时，三羧酸循环的运行水平高，SDH活性高，当丙酮酸含量低时，三羧酸循环运行水平低，SDH活性低，但是由于长时间的无氧呼吸使得植物体内的乳酸和乙醇不断积累，影响到植株的整体生活力，所以SDH的起伏峰值随着时间的延长一个比一个低；在淹涝后期，植株的整体生活力下降，大量的乳酸和乙醇积累使得无氧呼吸逐渐不能维持，此时SDH活性下降，LDH和ADH活性也下降。

致谢：感谢湖南农业大学作物生理与分子生物学省部共建重点实验室屠乃美教授、李海林老师、刘红梅老师、周双鹏与孙媛同学在分析测试工作中给予的指点和帮助。