肌醇和Ca2+对大白菜幼苗生长发育的协同作用研究.docx

肌醇和Ca2+对大白菜幼苗生长发育的协同作用研究 摘 要：肌醇及钙在植物生长发育中均起到重要作用，为了进一步分析两者协同作用对作物生长发育的影响，以不同浓度的肌醇结合钙处理大白菜幼苗，分析了其对大白菜生长的促进效果。试验结果表明，不同浓度肌醇和钙处理后，显著提升大白菜的生物量，效果强于单一因子处理，地上部叶绿素含量及地下部根系活力也与外源肌醇及钙浓度呈正相关，SOD活性在肌醇及钙处理后也呈上升趋势，且明显促进了植株对钾离子和钙离子的吸收，但镁离子含量无明显变化。 关键词：钙；肌醇；生长发育；大白菜 中图分类号：S634.1 文献标识码：A 文章编号：1001-3547（2017）14-0065-07 肌醇即环己六醇，在人、动物等生长发育过程中具重要作用，同时，作为一种水溶性维生素在医药、食品饲料等行业内被广泛使用。在动物细胞内，肌醇常常是以磷脂酰肌醇的形式存在，在植物细胞中肌醇是重要的小分子调节物质，参与植物生长发育的多个生理生化过程，如参与植物抗逆反应、促进生长素和细胞壁的形成，协助种子脱水等多个过程。其形体与在动物中有所不同，常以六磷酸盐的形式存在。有研究表明，在植物细胞中，肌醇在维持植物内膜系统的完整中起到重要作用，常作为底物用来合成磷脂酰肌醇和磷脂酰肌醇磷酸。此外，其还参与到膜系统的物质运输过程，从而进一步影响植物的正常生长发育、对应逆境胁迫的信号转导进程。 钙作为胞内生理反应的重要第二信使，能通过与钙调素结合而激活一系列的胞内生理生化反应，如激素合成、活性氧动态平衡。钙同时还是植物生长必需的矿质营养，通过稳定细胞壁、细胞膜结构及诱导特异基因的表达来提高植物对逆境的抗 性，因此人们利用外施钙的方法来提高植物的抗旱性，并且在苜蓿、玉米、龙眼和番茄等作物上得以应用68。可见肌醇及钙在植物正常生长发育和抗逆过程中均起到重要的作用，但将两者联合应用的研究目前还比较少见，大白菜是十字花科芸薹属的基本种之一，为我国乃至全球最重要的蔬菜作物之一， 有重要的经济价值和植物分类学地位。本研究拟通过外源肌醇结合钙处理研究其对大白菜幼苗生长发育的作用，为进一步提高大白菜产量提供科学依据。 1 材料与方法 1.1 试验材料 试验材料为大白菜，品种为亮春（淮安市?r业科学研究院蔬菜研究中心提供）。将大白菜根系泥巴洗尽，避免损伤，用蒸馏水培养一周后，挑选大小一致的参与试验。设置6个处理，1个对照，3个重复，共21盆，每盆10株苗，用Hoagland 不完全营养液（不含Ca2+）浇灌，培养一周后，将如下不同浓度的肌醇和Ca2+混合液喷施于大白菜幼苗，具体处理浓度为：CK：蒸馏水；2.5 mg/L肌醇+200 mg/L Ca2+；2.5 mg/L肌醇+400 mg/L Ca2+；2.5 mg/L肌醇+800 mg/L Ca2+；5.0 mg/L肌醇+200 mg/L Ca2+； 5.0 mg/L肌醇+400 mg/L Ca2+；5.0 mg/L肌醇+800 mg/L Ca2+。 处理后5 d，随机抽取植株叶片进行生理生化指标的测定，并进行数据统计分析。 1.2 生物量的测定 将大白菜收获后，从根颈将其分为地上部和地下部，对地上部分进行称量；干质量测定需将鲜品置于105烘箱中杀青10 min，再于80烘干至恒重后称量。 1.3 叶绿素含量的测定 采用丙酮浸提分光光度法测定。将叶片用剪刀剪成细条，称0.5 g 左右，放入刻度试管中，加丙酮乙醇混合提取液10 mL，密封于室温暗处24 h 后取3 mL 在波长663、645 nm 下比色，测定3 次，根据叶绿素含量与光密度（OD）值的关系（叶绿素含量=8.02OD663+20.2OD645）计算样品叶绿素含量。 1.4 根系活力测定 采用四氮唑法（TTC法）测定。称取根尖样品0.5 g，放入10 mL 烧杯中，加入0.4% TTC 溶液和磷酸缓冲液的等量混合液10 mL，把根充分浸没在溶液内，在37下暗保温13 h，此后加入1 mol/L 硫酸2 mL，终止反应。将根取出，吸干水分后与乙酸乙酯34 mL 和少量石英砂一起在研钵内磨碎，以提出三苯基甲腙（TTF）。将研磨液移入试管，并用少量乙酸乙酯把残渣洗涤3 次，最后加乙酸乙酯至总量为10 mL，用分光光度计在波长485 nm 下比色，测定3 次。以空白试验作参比测出吸光度。 1.5 超氧化物歧化酶（SOD）活性的测定 采用氮蓝四唑（NBT）还原法测定SOD活性，参照李合生等方法，3 mL的反应体系中包含50 mmol/L PBS 7.8、13 mmol/L Met、75 mol/L NBT、2 mol/L核黄素、10 mmol/L EDTA以及30 L酶粗提液。在 5 000 lx的光强下照射15 min后测定A560，其中以不照光管为空白对照管，以PBS代替酶液为对照管。SOD活性单位以抑制NBT光化还原的50%为一个酶活单位（U）。 1.6 离子含量的测定 称取烘干后的叶片，每个样12 g，于研钵中研磨成粉末，置于坩埚中。先用电炉加热灼烧成灰，然后放入马弗炉中，设置温度为550，灰化4 h左右，以尽可能除去易挥发的基体和有机物。灰化完成后，待温度稍冷却，将坩埚夹出，放在瓷盘里，趁热加入1 mL硝酸。随后在PET瓶中定容到20 mL左右，利用美国（Pekin-Elmer）LSSOB LS55 荧光分光光度计测定K、Ca、Mg离子含量。 2 结果与分析 2.1 不同浓度肌醇与钙处理后对大白菜幼苗生物量的影响 如图1所示，低浓度（2.5 mg/L）肌醇结合不同浓度Ca2+处理后对大白菜地上部鲜质量影响并不显著，只在400 mg/L Ca2+浓度下略有上升，肌醇浓度增加到5.0 mg/L后，Ca2+对大白菜生长的促?M作用进一步增加，且随着Ca2+浓度的升高，5.0 mg/L肌醇+800 mg/L Ca2+处理后地上部鲜质量增加了50%以上。 与地上部相比，肌醇与钙处理对大白菜地下部的影响更为明显，2.5 mg/L肌醇即对地下部生长有明显的促进作用，且随着Ca2+浓度的增加，促进作用显著增加，当Ca2+浓度达到800 mg/L后，地下部鲜质量为0.43 g，达到对照组鲜质量的2倍以上。但肌醇浓度增加到5.0 mg/L后，促生作用与2.5 mg/L时区别不大。不同处理组下大白菜地上部及地下部干质量的变化趋势与鲜质量相类似，表明肌醇及Ca2+对植株含水量影响不大（图2）。 2.2 不同浓度肌醇与钙处理后对大白菜地上部叶绿素含量的影响 图3结果表明，低浓度（2.5 mg/L）肌醇结合不同浓度钙处理后对大白菜地上部叶绿素含量影响显著，且随着Ca2+含量的增加呈现先升高后降低的趋势，在400 mg/L Ca2+浓度下叶绿素含量达到最大值，为2.84 mg/g（FW），较对照组处理增长了50%以上；5.0 mg/L肌醇处理对叶绿素的影响并不明显，与对照组相比略有上升，上升幅度随着Ca2+浓度的增加而增加，但均未达到显著水平。 2.3 不同浓度肌醇与钙处理后对大白菜地下部根系活力的影响 如图4所示，肌醇结合不同浓度钙处理对大白菜地下部根系活力影响极显著，低浓度（2.5 mg/L）肌醇处理下，对根系活力的促进作用，随着Ca2+浓度的增加而增加，尤其在800 mg/L Ca2+处理下，根系活力由对照组的0.18 g?g-1?h-1上升到1.23 g?g-1?h-1，增加了近6倍；肌醇浓度增加到5.0 mg/L后，Ca2+对大白菜生长的促进作用进一步增加，3个不同浓度的Ca2+处理对根系活力均有明显的提升效果。 2.4 不同浓度肌醇与钙处理后对大白菜地上部及地下部SOD酶活性的影响 结果表明（图5），低浓度（2.5 mg/L）肌醇结合不同钙浓度处理后对大白菜地上部SOD活性的影响随着Ca2+浓度的升高而增加，400、800 mg/L Ca2+处理后SOD活性较对照组增加了85%左右，差异达到显著水平，5.0 mg/L肌醇处理下SOD活性进一步增加，且在3种不同Ca2+浓度处理组之间无明显区别，与对照组SOD活性相比，均提升了90%以上。 与地上部相比，肌醇结合不同浓度钙处理对地下部的影响有明显的不同，表现为在低浓度肌醇处理后，钙的浓度效应并不显著，各钙浓度处理组之间无显著差异，对SOD的活性普遍增加了60%左右，但在5.0 mg/L肌醇处理下，不同Ca2+浓度处理组差异明显，随着Ca2+浓度的增加，SOD活性也显著升高，在800 mg/L Ca2+离子处理下，活性达到最大值。 2.5 不同浓度肌醇与钙处理后对大白菜地上部及地下部K+、Ca2+、Mg2+含量的影响 肌醇及外源钙处理后对地上部及地下部K+、Ca2+含量产生明显的影响，由表1可知，无论地上部及地下部，肌醇及钙处理后都促进了植株对K+、Ca2+的吸收，且促进效果随着肌醇及钙浓度的增加而增强，其中5.0 mg/L肌醇结合800 mg/L钙处理后，地下部对K+的吸收提高了约50%，对Ca2+的吸收提高了近2.5倍；地上部对K+、Ca2+的吸收均提高了2倍以上。与K+、Ca2+相比肌醇与钙处理对Mg2+吸收则无明显效果，各处理组之间无显著差异。 3 讨论与结论 3.1 肌醇及钙处理对大白菜生物量、叶绿素含量及根系活力的影响 关于外源钙施加后能够提高作物生长发育水平及提升抗逆能力的研究已有广泛报道79，14，但结合肌醇后的协同作用的研究较为少见。本研究表明，与单独的钙或肌醇处理相比，二者复合后对作物的促生效果更加明显。 一定浓度的外源肌醇处理有助于保护叶绿体膜结构，维持植株中较高的叶绿素含量，从而维持盐胁迫下的光合速率，这与本研究的结果一致。钙能促进叶绿素合成已在多个研究中被报道15，16，而钙离子作为植物体重要的营养元素和信号分子，能缓解外界胁迫对植物叶绿素的损伤，从而缓解多种逆境环境对植物的为害。本研究表明，通过复合肌醇及外源钙处理后能够显著增加大白菜植株地上部叶绿素含量。作为植物养分吸收和水分转用的主要器官，根系同时还负责多种物质的合成和转运。本研究发现，肌醇结合钙处理后对大白菜根系活力有显著的提升效果，且提升能力与钙和肌醇浓度呈正相关，这与关昕昕等以小白菜为材料的研究结果颇为一致。 叶片光合色素及根系活力与整体植株生长发育具有密切的关系，多项研究均报道外源钙的施加能够通过促进光合色素及根系活力等指标，从而提高植物的生物量19，20。本研究发现植株干质量及鲜质量在外源肌醇及钙的共同作用下呈上升趋势，与根系活力和叶绿素含量变化趋势一致。 3.2 肌醇及钙处理对大白菜SOD活性的影响 研究发现，外源施加适宜浓度的肌醇还可以促进细胞产生更多的脯氨酸，增加细胞膜的渗透性，在渗透调节水平上协同缓解低温对玉米的伤害；此外，钙也能减少自由基对植物细胞膜系统的伤害，例如外源Ca2+处理可以提高植物胞内超氧化物歧化酶（SOD）的活性，降低膜脂化物丙二醛的含量，从而保护膜结构的完整性等。可见，肌醇及外源钙对植物膜系统均有一定的保护作用，本研究的结果也表明在二者的复合作用下，大白菜植株地上部及地下部SOD酶活性呈现明显的上升趋势。抗氧化酶是植物体内清除ROS的重要酶类，其中SOD是清除ROS的第一道防线，催化超氧阴离子自由基O2?-发生歧化反应生成H2O2和O2，从而清除细胞内过量的O2?-。 3.3 肌醇及钙处理对大白菜离子吸收的影响 钾在植物细胞中含量非常丰富，其在细胞内对维持细胞的电化学平衡，催化多个酶促反应等过程，同时与其他阳离子相互作用，调节细胞的渗透平衡等方面具有重要作用。?离子在植物内参与植物的生长、发育以及对环境刺激的响应等多个生命过程，本研究发现外源肌醇及钙处理后能够显著促进大白菜地上部及地下部钾离子和钙离子的吸收，从而进一步促进作物生长。有研究表明，培养基质中钙离子浓度的提高能够促进植株对钙、钾离子的吸收，与本研究的结果颇为一致。有报道发现钙过量时则会拮抗其他元素的吸收进而影响植物的生长，可见外源钙的施加需注意剂量效应。镁在植物的生长发育中扮演重要角色，参与植物多个生理反应过程中，同时镁还是叶绿素形成及进行光合作用的主要成分，直接影响植物内糖及蛋白质的合成，它在植物体生长过程中至关重要，缺少会给植物生长带来不可弥补的为害。有趣的是，本研究发现大白菜地上部及地下部在钙与肌醇的复合处理后对其含量均无明显的影响，推测可能与钙离子的竞争性吸收有关，但仍需进一步深入研究。 参考文献 郭元飞，甘立军，朱昌华，等.肌醇对水稻幼苗抗寒性的影响J.江苏农业学报，2014，30（6）：1 216-1 221. 高亢，杜娟，侯名语，等.肌醇磷脂信号组分调节花粉发育和花粉管生长的研究进展J.植物学报，2013，48（2）： 210-218. 于明艳，王玺，张葳葳，等.低温逆境下肌醇包衣对玉米种子的萌发及幼苗生长的影响J.玉米科学，2009，17（3）：80-82. 姚慧，夏凯.肌醇对玉米幼苗低温胁迫伤害的缓解效应J.作物杂志，2014（4）：133-138. 袁红梅，文栋，赵丽娟，等.外源肌醇对玉米耐盐性的影响J.黑龙江农业科学，2014（1）：17-20. 廉洁，谷建田，张喜春.氯化钙对低温胁迫下番茄幼苗的影响J.中国农学通报，2015，31（16）：47-51. 关昕昕，严重玲，刘景春，等.钙对镉胁迫下小白菜生理特性的影响J.厦门大学学报：自然科学版，2011，50（1）：132-137. 郑青松，王仁雷，刘友良.钙对盐胁迫下棉苗离子吸收分配的影响J.植物生理学报，2001，27（4）：325-330. 林啸，高素萍，雷霆，等.镉胁迫下外源钙对白菜氧化应激和NO含量的影响J.农业环境科学学报，2014，33（9）：1 699-1 705. 董守坤，赵坤，刘丽君，等.干旱胁迫对春大豆叶绿素含量和根系活力的影响J.大豆科学，2011，30（6）：949-953. 董雅致，徐克章，崔喜艳，等.不同年代大豆品种根系活力的变化及其与植株生物量的关系J.植物生理学报， 2015，51（3）：345-353. 许力，李姣，宋文强，等.水杨酸通过提高抗氧化酶活性及基因表达缓解番茄低钾胁迫J.华北农学报，2016，31（1）：96-101. 丁能飞，傅庆林，刘琛，等.外源氯化钙对盐胁迫下西兰花抗氧化酶系统及离子吸收的影响J.中国农学通报，2010，26（6）：133-137. 李青云，葛会波，胡淑明.NaCl胁迫下外源腐胺和钙对草莓幼苗离子吸收的影响J.植物营养与肥料学报，2008，14（3）：540-545. 刘小龙，李霞，钱宝云.外源Ca2+对PEG 处理下转C4型PEPC基因水稻光合生理的调节J.植物学报，2015，50（2）：206-216. 申加枝，张新富，王玉，等.钙过量对茶树幼苗叶绿素组成及钙、镁吸收的动态影响J.山东农业科学，2014，46（6）：85-88. 张会慧，秀丽，许楠，等.外源钙对干旱胁迫下烤烟幼苗光系统功能的影响J.应用生态报，2011，22（5）：1 195-1 200. 杨传杰，罗毅，孙林甘，等.水分胁迫对覆膜滴灌棉花根系活力和叶片生理的影响J.干旱区研究，2012，29（5）：802-810. 李琰，崔蕾，雷嘉敏，等.不同浓度有机物对雷公藤不定根生长和次生代谢产物含量的影响J.植物科学学报，2014，32（2）：174-180. 严蓓，孙锦，束胜，等.外源钙对NaCl胁迫下黄瓜幼苗叶片光合特性及碳水化合物代谢的影响J.南京农业大学学报，2014，37（1）：31-36. 李萍，韩涛，李丽萍，等.超声波结合钙处理对桃果实采后活性氧代谢的影响J.林业科学，2007，43（8）：36-40. 赵昕，杨小菊，石勇，等.盐胁迫下荒漠共生植物红砂与珍珠的根茎叶中离子吸收与分配特征J.生态学报， 2014，34（4）：963-972. 魏翠果，陈有君，蒙美莲，等.钙对NaCl胁迫下马铃薯脱毒苗离子吸收、分布的影响J.植物营养与肥料学报， 2015，21（4）：993-1 005. 刘静，赵海涛，盛海君，等.铁对太湖常见藻类生长及Ca2+、Mg2+离子吸收的影响J.环境科学与技术，20