根际pH值对冬小麦叶片抗氧化酶活性和内源激素含量的影响

王光涛 冯素伟 丁位华 胡喜贵 文昭普 茹振钢

摘要：以半冬性小麦品种矮抗58（AK58）和百农4199（BN4199）为材料进行水培试验。结果表明，酸碱胁迫会抑制小麦地上部生物量的積累，尤其是酸胁迫下抑制效果最大。测定小麦叶片抗氧化酶活性发现，与对照相比，超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）活性在酸性条件下降低;在碱性条件下SOD活性升高，而CAT活性降低，叶片丙二醛（MDA）含量变化趋势与CAT活性相反。酸碱胁迫对小麦叶片激素含量有较大影响，酸胁迫会降低玉米素（ZT）、生长素（IAA）含量，提高脱落酸（ABA）含量，而碱胁迫降低了IAA含量，提高了ZT和ABA含量。2个品种地上部干物质量变化、叶片抗氧化酶活性、内源激素含量和ZT/ABA、IAA/ABA的比值在酸碱胁迫下的变化趋势基本一致。结果表明，酸碱胁迫下小麦地上部干物质积累量与抗氧化酶活性和内源激素水平有较大关系，小麦通过调整内源激素含量来诱导抗氧化酶基因表达以适应酸碱环境。

关键词：冬小麦;pH值;抗氧化酶;内源激素;酸碱胁迫

中图分类号： S512.1+10.1  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2021）10-0071-05

小麦是我国重要的粮食作物，其生长发育和产量形成受土壤环境的影响较大[1]，特别是近几年土壤酸化加剧，严重影响了粮食生产和农业的可持续发展[2]。小麦适宜在中性土壤中生长，土壤过酸或过碱都会引起小麦的生理变化，从而影响其生长状态及代谢途径。植物在生物及非生物胁迫下会积累活性氧（ROS）。植物具有固有的抗氧化能力，超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）等与其他的酶及非酶抗氧化分子对清除ROS具有重要的作用[3]。ROS产生和消除之间的不平衡会导致其在细胞内的过度积累，对植物细胞造成损害，从而抑制植物生长[4]。因此，研究酸碱胁迫下冬小麦叶片抗氧化酶活性变化，对生态抗逆育种具有重要作用。

植物激素帮助植物适应不利环境条件，具有重要的作用[5]，一般认为玉米素（ZT）、生长素（IAA）为生长促进剂，脱落酸（ABA）为生长抑制剂[6]。植物体内的内源激素的变化会影响植物的生理代谢途径。研究发现，低温[7-8]、盐碱[9]、高温[10]、干旱[11]等胁迫对小麦生长及内源激素的平衡有着重要的影响，而外源喷施ABA可以缓解胁迫对小麦生长的抑制[12]。刘海英等研究发现，小麦根际生长环境会影响地上部内源激素含量的变化[13]。然而，目前对不同pH值条件下小麦叶片内源激素含量的变化研究鲜有报道。由于叶片是小麦吸收光能固定碳源的重要器官，因此从叶片入手研究不同pH值对小麦抗氧化酶活性以及内源激素水平的变化规律，对研究小麦的抗酸碱胁迫机制具有重要意义。为此，本试验通过水培法模拟不同根际pH值环境，研究冬小麦生物量积累、叶片抗氧化酶活性、丙二醛（MDA）及内源激素含量的变化，以期明确不同根际pH值对小麦生长发育影响的生理基础，为选育优质抗逆小麦品种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验选用黄淮麦区大面积栽培的2个半冬性小麦品种矮抗58（AK58）和百农4199（BN4199），其均由河南科技学院小麦中心提供。试验于2019年10月在河南科技学院小麦中心进行。

1.2 试验设计

选取籽粒饱满且大小一致的小麦种子，经1% H2O2表面消毒24 h，蒸馏水冲洗干净。将预先浸种的种子放入培养皿中。出苗后，将大小均匀的小麦幼苗移栽到Hoagland营养液中进行水培培养。用营养液（pH值为6.5）培养3 d后，设置3个pH值的营养液：酸胁迫（pH值为4.0）、正常环境（pH值为6.5）和碱胁迫（pH值为9.0），溶液pH值分别用 1 mol/L HCl和1 mol/L NaOH调节。将植物培养在光/暗周期为14 h/10 h（光照度为20 000 lx），昼夜温度为 22 ℃/19 ℃，相对湿度为60%的光照培养箱内。每天定时更换营养液并调节至对应pH值，胁迫处理 15 d。保证每个指标完全随机选取10～20株幼苗进行检测。取样时，小麦植株为3叶期幼苗。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 地上部干物质积累 取植株地上部分，105 ℃ 杀青30 min，于80 ℃烘至恒质量，称干质量。

1.3.2 叶片抗氧化酶及MDA含量测定 参照郝再彬等的方法测定小麦抗氧化酶活性及MDA含量，SOD活性采用氮蓝四唑法，CAT活性采用钼酸铵比色法，MDA含量采用硫代巴比妥酸法[14]。

1.3.3 内源激素含量测定 内源激素含量采用高效液相色谱法（HPLC）进行测定，参照张玉琼等的方法测定ZT、IAA、ABA等的含量[15]。

1.4 数据处理

采用SigmaPlot 12.0处理数据并作图，使用SPSS 19.0软件的最小显著性差异法（LSD）分析数据差异性（P<0.05，P<0.01）。

2 结果与分析

2.1 不同pH值对小麦幼苗干物质积累的影响

如图1所示，根际pH值对小麦地上部干物质积累有明显影响。2个品种地上部干物质积累量均表现为pH值为6.5处理>pH值为9.0处理>pH值为4.0处理。与正常环境相比，BN4199和AK58地上部干物质量在pH值为4.0和pH值为9.0条件下分别下降26%和26%、16%和15%。

2.2 不同pH值对小麦幼苗叶片抗氧化酶活性的影响

如图2所示，不同根际pH值条件下2个品种的叶片SOD活性随着根际pH值的升高而增加，CAT活性表现为pH值为4.0处理

2.3 不同pH值对小麦幼苗叶片MDA含量的影响

由图3可知，2个品种MDA含量在不同pH值条件下表现一致，均为pH值为6.5处理

2.4 不同pH值对小麦幼苗叶片内源激素含量的影响

如图4所示，不同pH值条件下不同小麦品种叶片激素含量具有较大差异，且各激素含量表现不同。2个品种ZT、IAA、ABA的含量分别表现为pH值为4.0处理

2.5 不同pH值对小麦幼苗叶片内源激素含量间比值的影响

由图5可以看出，不同pH值条件下叶片ZT含量/ABA含量表现为pH值为4.0处理

2.6 相关性分析

如表1所示，SOD活性与ZT含量呈显著正相关关系。CAT活性与IAA含量呈显著正相关关系，与ABA含量呈极显著负相关关系。地上部干物质量与CAT活性和IAA含量呈极显著正相关关系，与ABA含量呈显著负相关关系。

3 讨论与结论

根际pH值会影响矿物养分的有效性以及植物对离子的吸收[16]。研究发现不同胁迫条件抑制了大麦[17]、燕麦[18]、玉米[19-20]、水稻[21-22]的生长发育。本试验发现，酸碱胁迫会抑制生物量的积累，酸胁迫不利于小麦植株干物质积累，说明酸胁迫抑制了小麦对养分的吸收，使生物量积累降低，而碱胁迫较酸胁迫有更强的营养吸收能力。逆境条件下，植物体内的ROS大量累积会破坏细胞膜的结构和功能[23]，进而引发不饱和脂肪酸过氧化形成MDA，MDA的积累间接反映了植物受胁迫程度[24]。植物体内的抗氧化酶系统会清除ROS，提高植物细胞的抗氧化能力[25]。杨舒贻等研究认为，抗氧化酶活性的高低与植物耐胁迫能力有关[26]。本试验发现，碱性条件下地上部生物量积累、抗氧化酶活性均高于酸性条件，而酸性条件下叶片的膜脂过氧化程度大于碱性条件。说明酸碱胁迫下保持较高的抗氧化酶活性可以稳定叶片生长，提升小麦对不良根际酸碱环境的适应。

植物激素在植物从胚胎形成到衰老的发育过程中起着重要作用[27]，长期以来被认为是调节植物发育和各种胁迫的耐受性或敏感性所必需的内源分子[28]。郭美俊等研究认为，植物内源激素系统能够调节植物对多变环境的适应性，这种影响是多种激素协同变化的结果[29]。本试验发现，碱胁迫下ZT、IAA含量高于酸胁迫，ABA含量低于酸胁迫。地上部干物质量与IAA含量呈极显著正相关关系，与ABA含量呈显著负相关关系，而碱性条件下的干物质积累量大于酸性条件。说明保持较高的生长促进型激素含量对小麦抵御逆境伤害以及生物量的积累有重要作用。Zhang等的研究表明，抗氧化酶系统与激素信号通路之间是双向链接关系[30]。Sewelam等发现在不同胁迫条件下，植物组织中的ROS和ABA水平同时升高[31]。相关分析表明，SOD活性与ZT含量呈正相关关系;CAT活性与IAA含量呈显著正相关关系，与ABA含量呈极显著负相关关系。说明胁迫刺激了内源激素信号分子，诱导活性氧的产生以及抗氧化基因的表达，从而影响生物量的积累及生理代谢过程。有研究认为，ZT含量/ABA含量与IAA含量/ABA含量反映了各种激素间的平衡关系[15]。本试验发现，与正常环境（pH值为6.5）相比，酸性条件下2个品种的ZT含量/ABA含量与IAA含量/ABA含量降低，碱性条件下ZT含量/ABA含量升高，IAA含量/ABA含量下降，且酸性条件下IAA含量/ABA含量的下降幅度大于碱性条件。说明保持较高的ZT含量/ABA含量与IAA含量/ABA含量有利于植物抵御逆境的伤害，这可能是小麦在碱性条件下生物量积累大于酸性条件的生理原因之一。

本试验发现，碱性条件下小麦叶片抗氧化酶活性、ZT与IAA含量、内源激素含量比值均高于酸性条件。这些结果表明，小麦在碱性条件下具有较强的耐受性。植物在逆境条件下的生理代谢反应会影响植株生物量的积累，徐呈祥研究认为生物量的积累反映了植物对胁迫的响应[32]。2个品种在碱性条件下地上部干物质积累量均高于酸性条件，进一步说明植物体内的代谢变化及胁迫应激反应改变了生物量的积累。这些结论揭示了不同pH值对小麦抗氧化酶活性以及内源激素水平变化的规律，可以为研究小麦抗酸碱胁迫机制提供参考依据。

本试验发现，不同根际pH值对小麦的地上部生物量积累、抗氧化酶活性和内源激素含量变化有着显著的影响。不同小麦品种耐酸碱能力具有较大差异，而耐酸碱性强的小麦通过调整内源激素含量来诱导抗氧化酶基因表达以适应酸碱环境。酸碱胁迫下保持内源激素平衡和较高的抗氧化酶活性有利于保持小麦生长。本试验探讨了不同根际pH值对小麦的影响，为探索小麦的抗酸碱胁迫机制提供了一定的参考依据。但本试验仅从小麦地上部的生理变化进行了研究，下一步还应对根系与地上部相联系，进行深入分析。

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