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PEG干旱胁迫对植物的影响


第 26 卷第 3 期 2006年9月

河 南 林 业 科 技 Journal of Henan Forestry Science and Technology

Vol. 26 No. 3 Sep. 2 0 0 6

PEG 干旱胁迫对植物的影响
龚子端 ,李高阳 (1. 攀枝花学院生物与化学工程系,四川 攀枝花 617000; 2. 河南省林业科学研究院,郑州 450008)
摘 要:在我国特别是北方,水资源越来越贫乏。干旱条件下,植物的生理代谢会发生较大的变化,来尽量适 应干旱环境。聚乙二醇(PEG)是研究植物干旱胁迫的最好材料。本文就 PEG 胁迫或水分胁迫条件下,植物的 生理生化反应,植物内源激素的变化,对酶的变化的影响以及 PEG 对愈伤组织的生理生化反应作一综述。 关键词:PEG;内源激素;ABA;干旱胁迫;愈伤组织 中图分类号:S761.1 文献标识码:B 文章编号:1003-2036(2006)03-0021-03 通过对植物干旱胁迫的研究, 我们可以从中选取抗旱性 好的植株栽培。也可以从抗旱植株中获得抗旱基因, 并将抗 旱基因转入到其它经济作物,从而获得抗旱性能。 对 PEG 反复研究后得出的结论是, PEG 6000 诱导水份逆境 所得的效果与将土壤逐步干旱是一样的,唯 PEG 400 有毒 负作用。从上述资料看,PEG 用于模拟土壤干旱来研究植 物对水份亏缺的反应还是一种较为理想的渗透调节剂。
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1 PEG 是模拟干旱胁迫的最好材料
从 PEG 系的物理特性来看是一种惰性的非离子长链多 聚体,分子式为 HOCH2(CH2-O-CH2)xCH2OH,PEG 易溶 于水, 溶液的 PH 值由于多聚程度不同, 其变幅为 4.6~6.8。 较常用的 PEG6000 呈片状或粉末状,比重 1.074,在 20℃ 下水中的溶解度为 50℅DW。 PEG 的使用方法:现在常用的方法是按试验设计要求 把 PEG 直接加入水中或营养液中,这样才能比较真实地反 映植物遭受干旱胁迫的情况以及减少许多试验上的麻烦。 如 果研究干旱胁迫的材料是愈伤组织则将 PEG 按一定比例加 入到培养基中。在恒定水平上人为地设置土壤含水量为 10 %、20%或 30%的处理是相当武断的,也是不可能的。而 PEG 相当于一种渗透调节剂,以前人们选用甘露糖、葡聚 糖、甘露糖醇和山梨糖醇等作为渗透调节剂, 但由于这些化 合物能被植物组织和细胞吸收, 在平衡期间降低了组织的势 能,致使所测定的水势值与实际值不相符, 加上有的对植物 还有毒性作用, 所以把这些物质用于模拟植物干旱逆境均不 太理想。 近三十年间,越来越多的人认为,用 PEG 模拟植物干 旱逆境是可行的, 分子量 400~20000 的 PEG 看来都是令人 满意的渗透物。 Gergeley(1)用 PEG4000 在 800ml 培养液 如 中加入 16.0、35.2、52.8、84.8、110、117、131 和 152g 的 药品,并通过对苹果植株形态、 水份消耗和干物质累积等指 标的观察,用 PEG 诱导水份胁迫与对土壤控水的结果差不 多,并认为,110g 的 PEG4000 培养液相当于土壤田间持水 量为 75%下的水份状况。 但用 PEG 作渗透调节剂模拟干旱逆境也并不是十全十 美。有些人的研究表明,不纯的 PEG 特别是含磷的 PEG 对 植物有毒。Lagekwerff 等人(2)的研究认为,虽然分子量高 达 20000 的 PEG 也可以作为渗透调节剂来模拟干旱逆境, 但分子量为 6000 的 PEG,由于药品中有铝和锰的存在而带 有毒性。因此,他建议在使用 PEG 前应先通过离子交换树 脂以除去有毒物质。另有报道,PEG 的副作用还表现在使 植物对磷的吸收减少, 培养液中的含氧量降低。 也有个别报 道植物可吸收 PEG,rawlor(3)的研究表明,PEG 中的杂质 与毒性无任何关联。随后,他又用随机标记的 14C 对 PEG 进行了测定,认为 PEG1000、 4000~20000 能模拟干旱逆境 的原因是其可阻塞植物的输导组织。 Kaufmann 和 Eckard(4)
收稿日期:2006-06-20

2 PEG 胁迫对植物内源激素的影响
植物在 PEG 干旱胁迫条件下势必引起植物体内一系列 的生理生化反应以增强植物体的抗旱能力, 当然, 抗旱能力 不同的植物反应的程度不一样。 作为植物内源激素之一的脱 落酸(ABA)由于它在控制气孔关闭上的重要作用,一直是 在干旱条件下被研究的最多的激素, 它的变化规律和作用也 研究的比较清楚。 干旱引起内源脱落酸迅速累积, 但是因为 在加快合成的同时, 分解也会加快, 所以持续的干旱将会在 植物体内形成一个稳定或缓慢增加的脱落酸水平。 干旱引起 的脱落酸累积的生理效应, 主要是导致气孔关闭, 或增加离 子向木质部的运输, 试验证明外源的脱落酸, 可抑制已关闭 的气孔再开放, 并使已开放的气孔关闭。 植物在干旱时脱落 酸累积的作用还有: (1)抑制植物生长。根和地上部对脱落 酸的反映不一样, 根比地上部敏感, 也有报道地上部对脱落 酸更敏感。 诱导脯氨酸累积, (2) 因此干旱时脯氨酸的累积, 可能是对脱落酸增加的一种反映。 (3) 作为抗旱性激发机制 的一部分抑制了与活跃生长有关的基因, 并活化了与抗旱诱 (5) 导有关的基因。 (韩建民,1990) 有关干旱胁迫对内源吲 哚乙酸水平的效应的资料较少而且不一致。 植物体内可扩散 IAA 含量一般随土壤含水量的降低而降低, 但是有报道说巢 菜叶内的 IAA 含量在一个干旱周期内却增加了,和乙烯及 ABA 水平的变化相比,其变化较缓慢。乙烯在植物体内的 增加是植物组织对逆境包括干旱逆境的一种一般反应。 乙烯 是一种气态激素, 有人提出, 在干旱胁迫期间气孔的关闭可 能会限制乙烯从植株体内向外扩散,导致其内部的浓度增 加,但进一步研究表明,乙烯很容易从茎和叶子释放出来, 无论是散发出来, 还是积聚在体内都得到相似的结果,这表 明干旱胁迫增加了乙烯合成的速率。 (6) 胡章立(2002,深圳大学学报) 通过研究不同品种的 玉米在干旱胁迫条件下内源 ABA 和质膜 PMH+—ATPase 的 活性影响发现,胁迫处理会导致细胞内源脱落酸(ABA)含 量和质膜(PM)H+-ATPase 活性发生明显的变化;无论是 胁迫还是对照, 8413 玉米幼叶生长部位细胞内源 ABA 含 陕 量和 PMH+-ATPase 活性均高于陕 8410, 但在胁迫条件下, 这种差异更明显。 对玉米幼苗 24h 连续胁迫处理, 在多数情 况下,细胞内源 ABA 含量和 PMH+-ATPase 活性维持在一 般水平(但较对照高)且两者之间没有发现直接的相关性;

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但在胁迫 2h 处,细胞内源 ABA 含量出现峰值,此时 PMH -ATPase 活性则在较低的水平;在胁迫 4h 处,PMH+- ATPase 活性表现出很高的峰值, 而此时细胞内源 ABA 水平 则相对较低,两者在各自峰值处存在一定的负相关. 玉米幼苗在受到水分胁迫后, 最直接的影响就是玉米组 织的水分亏缺,从而导致组织相对含水量及膨压的变化,一 方而膨压是控制细胞 ABA 产生的重要参数,另一方面水分 胁迫会导致组织细胞质膜磷脂含量及组分的变化[] ,从而导 致 PMH+-ATPase 活性的变化。 (7) 郭秀林,李孟军(2002,作物学报) 等研究了小麦幼 + 苗在 PEG 胁迫条件下 Ca /CaM 的关系发现,钙离子螯合剂 EGTA?钙通道阻断剂异博啶(Vp)和 CaM 拮抗剂三氟啦嗪 (TFP)处理小麦幼苗,对 PEG 胁迫下根和叶片 ABA 和 CaM 含量的变化进行测定表明:EGTA?Vp 和 TFP 处理皆能促 进根和叶片 ABA 含量的提高。PEG 胁迫下不同浓度 EGTA 和 Vp 处理后 CaM 含量也不同程度地提高,TFP 处理可减 弱 PEG 对 CaM 含量升高地促进作用。这些结果暗示: Ca+/CaM 可能参与干旱信号 ABA 的信息传递过程,而 ABA 合成过程于胞质 Ca+浓度有关。干旱引起 ABA 合成可能与 胞质钙离子浓度有关, 而与 CaM 关系不大。 ABA 含量升高, 引发一系列基因包括 CaM 基因表达的结果。

以上研究都主要是针对作物在干旱胁迫下的生理生化 变化, 而以果树为材料的研究不多。 杨晓玲, 鲁玉哲等 (1996, (10) 河北农业科技师范学院学报) 以新红星苹果叶片为材料研 究了在干旱胁迫条件下多种酶的变化情况。 结果表明:干旱 胁迫初期,超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD) 活性及叶绿素含量升高, 以后又逐渐下降, 超氧化物歧化酶 (SOD)比过氧化物酶(POD)对干旱的反应灵敏;游离脯 氨酸和可溶性糖含量随干旱时间的延长呈上升趋势, 而可溶 性蛋白质含量呈下降趋势; 淀粉酶活性和还原糖含量在干旱 初期增加较多,以后有所下降,但仍高于对照。

4 干旱胁迫对植物愈伤组织生理生化影响
关于用 PEG 对愈伤组织进行干旱胁迫的研究比较少, 由于愈伤组织细胞都是处于脱分化的状态, 所以其细胞内的 代谢活动会发生一系列的变化。 对干旱胁迫的反应也会有所 不同。吴诗光,陈龙等(2001,华北农学报)研究了沙生芦 苇胚性愈伤组织 (SREC) 和水生芦苇胚性愈伤组织 (WREC) 对 PEG6000 的胁迫及外源 ABA 的生理响应,结果显示:10 %-30%的 PEG 胁迫使 2 种愈伤组织的游离脯氨酸(Pro) 含量升高、 质膜透性增大、 提高了保护酶 (SOD、 CAT、 POD) 的活性,降低了细胞相对含水量,SREC 的游高 Pro 含量和 保护酶活性的升高幅度大于 WREC,质膜透性和相对含水 量的变化前者小于后者、外源 ABA 对 WREC 的作用大干 SREC。 邵艳军,李广敏等(2000,华北农学报)比较了不同强 度的 PEG 干旱胁迫对两个抗旱性不同的冬小麦品种——花 84(抗旱)和冀麦 24(不抗旱)的幼胚愈伤组织的影响, 分析了其生理反应差异以及与抗旱性的关系, 结果表明: 经 24h 胁迫后两品种的膜透性均增大,冀麦 24 大于花 84;花 84 的愈伤组织经胁迫后,游离脯氨酸含量高于冀麦 24;二 者 POD 活性随胁迫强度的加重都迅速提高, 但冀麦 24 增幅 较高;另外,花 84 细胞的蛋白质抗 PEG 沉淀能力强,能在 干旱胁迫下保持较为正常的功能。 我们实验室现在对甘薯的 愈伤组织的淀粉酶进行干旱胁迫研究, 甘薯愈伤组织的淀粉 酶表达与其块根的淀粉酶表达完全不同。 愈伤组织有 4 种不 同大小淀粉酶(2 种α-淀粉酶和 2 种β-淀粉酶) ,而块 根只有一种β-淀粉酶 (2002, 植物生理与分子生物学学报) (13) 。对甘薯块根β-淀粉酶基因表达的研究表明,该基因 的表达受 ABA 的诱导(ohto 等,1992)(14)前文说过,在 。 PEG 胁迫条件下植物细胞内的 ABA 含量增加,所以从理论 上我们不难得出干旱胁迫下愈伤组织的淀粉酶含量会增加 的结论。当然,这需要得到实验的进一步证实。 尽管植物的抗旱性是受多基因调控的, 包括整株植物形 态解剖、结构上的特征,细胞生理学上的特性,基因与环境 的互作等因素, 用愈伤组织研究抗旱反映了细胞学上的一些 特征, 所以愈伤组织为试验材料是一条从细胞水平探求抗旱 机制的可行途径, 为进一步筛选抗旱植株, 人工种子的研制, 基因工程育种等提供了初步理论依据。
参考文献: [1] Gergely.Iet.al.Polyethylene glycol induced water stress effects on apple seedlings.J.Amer.Soc.Hort.Sci.,1980,105:854~857 [2] Lagerwerff J V et al. Control of osmotic pressure of culture solution with polyethylene glycol. Science, 1961, 133: 1186~1487 [3] Rawlor D W.Absorption of polyethylene glycol by plants and their effects on plant growth.New Physiol.,1970, 9: 501~513 [4] Kaufmann M R et al.Evaluation of water stress control with polyethylene glycol by analysis of guttation. Plant Physiol, 1971, 47:454~456

3 植物干旱胁迫对酶的变化的影响
虽然许多研究并非用 PEG 作为干旱胁迫的条件,但植 物在缺水的条件与干旱是十分类似的。 干旱胁迫条件下, 植 物生理功能的维持取决于细胞的持水能力。 叶片水势及相对 含水量是反映植物水分状况的两个重要参数, 它们在变化速 率上的差异, 反映出不同植物或不同品种对干旱胁迫的适应 能力。干旱胁迫对植物生理功能的影响, 明显地表现在由于 脱水使膜的构成或结构发生改变,从而导致质膜透性增加。 根据生物自由基-保护酶理论, 干旱胁迫会导致植物体内形 成过多的生物自由基,积累 MDA,细胞膜系统遭受破坏。 (8) 王志琴,戴国军等(2001,江苏农业研究) 通过研究 水分胁迫对稻茎中淀粉水解酶活性的影响过程发现: 在正常 土壤水分状况下,灌浆期α淀粉酶活性变化较小, 水分胁迫 明显提高α淀粉酶活性, 花后 28d 达到高峰。 β淀粉酶活性 变化与α淀粉酶活性变化相类似, 但水分胁迫对β淀粉酶活 性促进较小。 在灌浆期的稻茎中α淀粉酶活性和β淀粉酶活 性的变化与可溶性糖的变化趋势一致。 稻茎中可溶性糖含量 与α淀粉酶活性、β淀粉酶活性呈极显著正相关, 而与α糖 苷酶及淀粉磷酸化酶活性相关不显著。 这表明在水分胁迫下 稻茎中淀粉的快速降解与α淀粉酶活性和β淀粉酶活性增 加有关,且α淀粉酶活性的增加起主要作用。 虽然他们的研 究是直接依赖于水的变化作出的研究,但也不失为一种参 考。 (9) 洪法水,董振吉(1994,安徽农业科学) 在干旱胁迫 2+ 下不同 Ca 浓度对萌发小麦某些酶活性的影响的研究中发 现植物在干旱逆境下, 体内将产生大量的自由基。 而植物细 胞中的超氧化物歧化酶(SOD) 、过氧化氢酶和过氧化物酶 均具有清除自由基并防止自由基毒害的作用。干旱胁迫下, Ca2+ 处理浓度与萌发时过氧化物酶活性有密切的关系。用 0.l%~0.50%Ca2+处理种子都提高了过氧化物酶的活性, 其中 0.18%Ca2+处理 30h、0.20%Ca2+处理种子 30h、0.20% Ca2+处理 24h、0.24%Ca2+处理 18h、0.30%Ca2+处理 12H、 0.40%Ca2+处理 6h,酶活性最高。此后酶活性大大减弱,但 仍强于水浸泡种子的酶活性。 从上我们不难看出: 干旱胁迫 下小麦种子经 Ca2+处理后,可以提高种子α-淀粉酶、过氧 化物酶的活性。

第3期

龚子端等:PEG 干旱胁迫对植物的影响

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[5] 韩建民.抗旱性不同的水稻品种对渗透胁迫的反应及其与渗透调节 的关系(J).河北农业大学学报,1990,13(1) :17~21 [6] 胡章立.渗透胁迫对 ABA 及 PMH -ATPase 活性影响. 深圳大学学 报(理工版) ,2002,19(1) :54~59 [7] 郭秀林,李孟军,关军锋.PEG 胁迫下小麦幼苗 ABA 与 Ca 系..作物学报,2002,28(4) :537~540 [8] 王志琴,戴国钧,杨建昌. 水分胁迫对稻茎中碳的运转与淀粉水解 酶活性的影响.江苏农业研究,2001,22(3) :1~6 [9] 洪法水,董振吉. 干旱胁迫下不同 Ca 浓度对萌发小麦种子某些酶 活性的影响.安徽农业科学,1994,22(3) :229~231 [10] 杨晓玲,鲁玉哲,杜香华. 干旱胁迫下新红星苹果叶片一些生理指标
2+ (2+) +

的变化.河北农业技术师范学院学报,1996,10(3) :23~26 [11] 吴诗光,陈龙,刘怀攀.芦苇愈伤组织对渗透胁迫和 ABA 的若干生 理响应.华北农学报,2001,15(3) :64~67 [12] 邵艳军,李广敏. 水分胁迫对不同抗旱性冬小麦愈伤组织的影响. 华北农学报,2000,15(1) :47~52 [13] 张勇为,纳海燕,王大一.甘薯愈伤组织中的淀粉酶.植物生理与分 子生物学学报,2002,28(5) :375~378 [14] Masa-aki ohto,kyoko Nakamura-kito.Induction of expression of genes coding for sporamin and β-amylase by polygalacturonic acid in leaf-petiole cuttings of sweet potato. Plant Physiol.1992,99:422~427

/CaM 的关

(责任编辑:王文彬) (上接第 20 页) 伸长和增殖以及生根诱导所需要的培养基条件进行筛选和 比对,建立了优化的培养基技术体系, 基本上解决了南洋杉 优良单株常规无性繁殖困难的问题, 为下一步使用顶梢作为 外植体,建立快繁系统奠定了技术基础。
西北大学学报(自然科学版) ,2000,30(1) :55-59.15. [11] 甘烦远,彭丽萍,郑光植.云南红豆杉愈伤组织培养及其生产紫杉 醇的研究[J]. 生物工程学报,1999,(增刊):308-311.17. [12] 王水, 贾勇炯, 魏峰, 云南红豆杉的组织培养及植株再生[J]. 云 等. 南植物研究,1997,19(4) :407-410 刊) :308-311.18. [13] 肖尊安. 墨西哥红豆杉愈伤组织的诱导和器官发生[J]. 植物生理 学通讯,2000,36(6) :536-537.19. [14] 陈永勤,朱蔚华,吴蕴祺,等.不同种类红豆杉愈伤组织的诱导及 紫杉醇含量的差异[J].中草药, 2000,31(3) :216-218.20 [15] 张长河,廖衍慧,罗鹏. 三尖杉的组织培养-紫杉醇来源的新途径 [J]. 生物技术,1996,6(5) :17-18.21. [16] 胡之壁,周秀佳,郭济贤,等.三尖杉培养细胞中抗癌活性成分的 研究[J]. 植物学报,1995,37(6) :417-424.22. [17] 符文英,杜道林,符木均. 海南粗榧愈伤组织的诱导和培养[J]. 植 物生理学通讯,2004,40(1) :34-36.23. [18] 邢世岩.松属树种细胞、组织、器官培养名录[J]. 植物生理学通讯, 1990, (1) :75-79.24. [19] 顾淑荣,朱至清,赵敬芳. 白皮松和油松雌配子体愈伤组织的诱导 和分化[J]. 植物学报,1995,37(3) :217-221.25. [20] 祝朋芳,罗凤霞,陈长卿,等. 落叶松属树种的组织培养研究概述 [J]. 辽宁农业科学,2000, (5) :29~32.26. [21] 吴克贤,李伟,等. 长白落叶松组织培养的研究[J]. 林业科学, 1996,32(2) :125-133.27. [22] 孙敏,汤绍虎,陈安和,等. 银杉成熟胚离体培养及愈伤组织诱导 的研究[J]. 西南林学院学报,1994,14(3) :155-158.28. [23] 庞惠仙,张光飞,苏文华. 软叶杉的组织培养与快速繁殖研究[J]. 林业实用技术,2004, (3) :7-8.29. [24] 吴代坤. 秃杉组织培养技术研究[J]. 林业实用技术,2002, (10) : 11-13.30. [25] 辜夕容,石大兴. 圆柏组织培养繁殖研究[J],亚热带植物通讯, 2000,29(2) :40-42.31. [26] 齐力旺,杨云龙,韩素英. 侧柏的组织培养和植株再生[J]. 植物生 理学通讯,1995,(4):284-285.32. [27] 罗建勋. 南洋杉组织培养与快速繁殖的研究[J]. 园艺学报,1997, 24(1) :100-102.33.

5 展望
已经开展起来的松杉纲植物的组织培养多数是与其较 高的药用价值和观赏使用价值分不开的。 虽然用组织细胞培 养来解决这些植物资源在理论上有吸引力, 在研究中也确实 取得了令人满意的成绩, 但在分离稳定细胞系、 获得高产等 目标化合物或具有完整根系的成活幼苗上有困难。 因此, 许 多研究仅停留在实验室阶段, 与生产实际应用仍有一定的距 离。 另外, 值得提出分子生物学与生物工程研究相结合的潜 力不应被忽视,例如, 组织培养中有关某些药用成分生成的 多种关键酶的表达, 或将整个生物合成序列的基因密码转录 到微生物或细胞培养系统, 采用生物反应器进行合成等。 因 此,要得到高产目标化合物进入产业化,道路还很艰巨。
参考文献: [1] 齐力旺,韩素英,杨云龙,等.几种裸子植物胚乳愈伤组织的诱导[J]. 应用与环境生物学报,1997,3(1) :19-22. 1. [2] 张鸿,杨明惠. 国产红豆杉各部位紫杉醇含量分析[J]. 中草药, 2000,31(6) :434-436.2. [3] 于世选. 北红豆杉愈伤组织培养研究 I.叶片愈伤组织的诱导[J]. 生 物技术,1994,4(2) :30-32.3. [4] 蔡朝晖,高山林.东北红豆杉愈伤组织的诱导、生长及紫杉醇含量测 定.药物生物技术,1995,2(3) :11-14.4. [5] 刘丽萍,张立莹,贾景明,等.东北红豆杉组织培养的研究[J].沈阳 农业大学学报,1998,29(4) :302-305.6. [6] 刘铁燕,刘昀,赵彩凤,等. 东北红豆杉愈伤组织诱导及组织培养 研究[J]. 东北师大学报自然科学版,2002,34(2) :67-71.7. [7] 章国瑛,王晓,刘涤,等. 南方红豆杉的组织培养和紫杉醇的含量 测定[J]. 上海中医药杂志,1996, (11) :43-44.9. [8] 张宗勤,杨建英,吴耀武. 南方红豆杉组织培养及紫杉醇的产生[J]. 西北植物学报,1998,18(4) :488-492.10. [9] 苏应娟, 王艇, 杨礼香. 南方红豆杉芽愈伤组织的诱导和培养[J]. 中 草药,2001,32(7) :637-639.13. [10] 孙王君 , 胡正海. 红豆杉愈伤组织的诱导培养及紫杉醇的产生[J].

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