（蔬菜学专业论文）干旱胁迫对黄瓜幼苗光合特性及活性氧代谢的影响.pdfVIP

摘要 黄瓜对土壤的湿度条件要求较高，在实际生产中经常会因栽培管理不善受到 干旱胁迫的影响，造成减产和品质下降。干旱胁迫对植物的光合特性及活性氧代 谢均有较大影响，为了明确不同程度干旱胁迫条件下对黄瓜光合特性的变化，以 及光合速率和活性氧代谢的相关性，本研究以两个生态特性不同的黄瓜品种为实 验材料，采用土壤称重法模拟不同程度的干旱胁迫条件，并进行了干旱胁迫条件 喷施水杨酸( s a ) 减缓干旱胁迫的试验处理，处理过程中测定了黄瓜幼苗的光 合特性、活性氧代谢及氮代谢等生理指标。 不同程度干旱胁迫处理的试验结果表明：在中、重度干旱胁迫处理过程中， 黄瓜幼苗叶片的胞间c 0 2 浓度，蒸腾速率和气孔导度的变化与对照处理( c k ) 的差异较小，但净光合速率与较c k 显著下降；与c k 相比，两干旱胁迫处理的 活性氧超氧阴离子( o ；) 和过氧化氢( h 2 0 2 ) 逐渐积累，而超氧物歧化酶( s o d ) 、 过氧化氢酶( c a t ) 及过氧化物酶( p o d ) 等抗氧化酶活性在处理的前中期升高， 约1 2d 后的后期又低于c k ；干旱胁迫处理3d 以后，硝酸还原酶( n r ) 活性一 直低于c k ，但蛋白质含量在胁迫后期高于c k ，蛋白电泳分析也发现干旱处理 的3d 以后蛋白条带较c k 显著清晰；两干旱胁迫处理的丙二醛( m d a ) 的积累 显著大于c k ，脯氨酸( p r o ) 积累也高于c k ；相关性分析的结果表示，o ：产 生速率和m d a 含量与净光合速率和n r 活性呈负相关。这些试验结果说明，干 旱胁迫对黄瓜幼苗的光合成、活性氧及氮代谢具有显著影响，净光合速率及氮代 谢的下降主要是由于o ；的过多积累所造成的，各种抗氧化酶活性也会间接地影 响光合作用和氮代谢。 干旱胁迫喷施s a 的试验结果表明：在喷施s a 后，显著抑制了干旱胁迫下 黄瓜幼苗净光合速率的下降，对蒸腾速率和气孔导度的下降也有一定的抑制作 用；干旱胁迫下s a 处理可以减缓o ：积累，提高s o d 、c a t 和p o d 活性；s a 处理可以提高干旱胁迫下n r 活性，处理9d 以后的蛋白条带也较c k 清晰；喷 施s a 还能抑制m d a 和p r o 的积累。这些试验结果说明，s a 可以通过减少活性 氧的积累、提高抗氧化酶的清除效率，来缓解由于膜脂过氧化等造成的光合系统 破坏，从而提高黄瓜幼苗的抗旱能力。 关键词：干旱胁迫黄瓜幼苗光合特性活性氧代谢 a b s t r a c t c u c u m b e rr e q u i r e sh i g hs o i lm o i s t u r e ，i ta l m o s ts u 虢r sd r o u g h ts t r e s sb y c u l t i v a t i n ga n dm a n a g i n gi m p r o p e r l yi na c t u a lp r o d u c t i o n ，l e a d i n gt or e d u c t i o no f o u t p u ta n dl o wq u a l i t y d r o u g h ts t l e s si st h eo n eo fm o s ti m p o r t a n tf a c t o rw h i c h a h e c t i n gp h o t o s y n t h e s i sa n da c t i v ea x y g e nm e t a b o l i s mo fp l a n t s w et r i e dt os t u d yt h e e f i e c to fd r o u g h ts t r e s so np h o t o s y n t h e s i so fc u c u m b e ra n dc o n e l a t i o nb e t w e e nn e t p h o t o s y n t h e s i sr a t ea n da c t i v ea x y g e nm e t a b o l i s m w 色u s e dt w ov a r i e t i e sc u c u m b e r w h i c hh a dd i 廊r e n te c o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，s i m u l a t i n gd i a e r e n td r o u g h ts t r e s sb y w e i g h t i n gs o i ia n ds p r i n k l i n gs a i i c y l i c ( s a ) t oe a s ed r o u g h ts t r e s s t h ep h y s i o l o g i c a l i n d i c e so fp h o t o s y n t h e s i s ，a c t i v ea x y g e nm e t a b o l i s ma n dn i t r o g e nm e t a b 0 1 i s mo f c u c u m b e rs e e d l i n g sw e r em e a s u r e d i n t e r c e l l u l a r0 0 2c o n c e n t r a t i o n ， t r a n s p i r a t i o na n ds t o m a t a lc o n d u c t a n c eo f c u c u m b e rs e e d li n g sh a ds m a l ld i 能r e n c ew i t hc ki nm e d i u ma n ds e v e r ed r o u g h t s t r e s s ，b u tn e tp h o t o s y n t h e s i sr a t ew a sl o w e rt h a nc k ；s u p e i d e ( o ；) a n dh y d r o g e n p e r o x i d e ( h 2 0 2 ) o f 觚od r o u g h t s t r e s st r e a t m e n t sw e r eg r a d u a l l ya c c u m u l a t e d s u p e r o x i d ed i s m u t a s e ( s o d ) ，c a t a l a s e ( c a t ) a n dp e r o x i d a s e ( p o d ) w e r ei n c r e a s e d i np r o p h a s e ，b u tt h e yw e r el o w e rt h a nc ka r e r12d ；n i t r a t er e d u c t a s e ( 1 、丁r ) w a sl o w e r t h a nc ka f t e r3d ，b u tp r o t e i nc o n t e n t sw a sh i g h e rt h a nc ki na n a p h a s ea n dp r o t e i n b a n do fd r o u g h ts t r e s st r e a t m e n t sw a sm o r ec i e a rt h a nc ka r e r3di ns d s p a g eo f p r o t e i n ；m a l o n d i a l d e h y d e ( m d a ) o f t w od r o u 曲ts t r e s st r e a t m e n t sa c c u m u l a t e dm o r e t h a nc k ，p r a l i n e ( p r o ) w a sa c c u m u l a t e dm o r et h a nc k ，t o o ；o ； g e n e r a t i n gr a t ea n d m d aw e r en e g a t i v ec o r r e l a t i o nw i t hn e tp h o t o s y n t h e s i sr a t ea n dn r i ti n d i c a t e dt h a t d r o u g h t s t r e s s n o t a b l e l y a 疗e c t e d p h o t o s y n t h e s i s ， a c t i v e a x y g e nm e t a b o l i s ma n d n i t r o g e nm e t a b o l i s mo fc u c u m b e rs e e d l i n g s o ；a c c u m u l a t i n gm o r eh a dl e a d e dt o d e c l i n en e tp h o t o s y n t h e s i sr a t ea n dn i t r o g e nm e t a b o l i s m a n t i o x i d a n te n z y m e s a h e c t e dp h o t o s y n t h e s i sa n dn i t r o g e nm e t a b o l i s mi n d i r e c t l y a f t e rs at r e a t m e n tn e tp h o t o s y n t h e s i sr a t eo fc u c u m b e rs e e d l i n g sw a sd e c l i n e d r e t a r d e da n ds ah a dr e s t r a i n e dt h ed e c l i n eo ft r a n s p i r a t i o na n ds t o m a t a lc o n d u c t a n c e ； s at r e a t m e n t sc o u l dr e t a r d o ； a c c u m u i a t i n gu n d e rd r o u g h ts t r e s s ，i n c r e a s i n gs o d ， c a ta n dp o d a c t i v i t y ；i ta l s oc o u l dr e t a r dn ra c t i v i t ) r p r t e i nb a n d 、v a sm o r ec l e a r t h a nc ka r e r9d ；m d aa n dp r ow e r er e s t r a i n e db ys a t h er e s u l ts h o w e dt h a ts a c o u l di n c r e a s et h ea n t i - d r o u g h tc a p a b 订i t yo fc u c u m b e rs e e d l i n g st h o u g hr e d u c i n g a c t i v eo x y g e n ， i n c r e a s i n gt h ee l i m i n a t e de 衔c i e n c yo fa n t i o x i d a n te n z y m ea n d r e s t r a i n i n gp h o t o s y n t h e t i cs y s t e md a m a g eb ym e m b r a n e - l i p i dp e r o x i d a t i o n k e yw o r d s ： d r o u 曲ts t r e s s ，c u c u m b e rs e e d l i n g s ，p h o t o s y n t h e s i s ，a c t i v e o x y g e nm e t a b o l i s m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤连盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：列、i 香审 签字日期：2 d d 占年6 月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 孙醑角 i j翩签名：詹也才 签字日期：础年多月2 日签字日期：二。荸年：月乙日 第一章文献综述 1 1 植物与逆境 第一章文献综述 植物与环境是一个有机的统一体，植物的生长发育无时无刻不在与大自然进 行着物质和能量的交换。自然条件下的植物从环境中吸收水分、c 0 2 、矿质养分 等，并接受太阳光照、感应环境温度等，植物体内不停地进行着水分代谢、矿质 营养代谢、光合作用、呼吸作用等各种代谢活动，植物与环境处于一个动态平衡 的体系，只有保持这个动态平衡，植物与环境才可以正常和谐的发展【l ，2 1 。 然而，自然环境的温度、光照、湿度等因子一年四季变化激烈，昼夜变化幅 度也很大，植物并非总是生活在适宜的条件下，植物所需要的某种物理的、化学 的或生物的环境因子的水平经常会低于或超出植物的正常需要。如干旱、低温、 高温、盐碱、病虫、杂草以及大气、土壤和水体污染等【3 】，一旦植物与环境所处 的动态平衡平衡被打破，就会对植物的生长发育和各种代谢过程带来影响。 对植物生存和生长不利的环境因子总称为逆境( s t r e s s ) ，也称为胁迫【4 ，5 1 。 逆境会对植物造成伤害，严重时会导致死亡。逆境可使细胞脱水、膜系统破坏， 使各种代谢活动无序进行；逆境会使光合速率下降，同化物的形成减少，这主要 是由于组织缺水引起气孔关闭，叶绿体受伤，光合作用一些酶失活或变性；呼吸 作用也会受到较大的影响，其变化过程因逆境种类而异【6 】。 然而，生活在自然环境中的植物对环境胁迫又具有一定的抵抗能力，称为植 物的抗逆性，简称抗性。抗性是植物对不利环境的适应性反应，是在长期进化过 程中形成的。植物的抗逆性主要有两种形式：避逆性和耐逆性。前者是指植物对 不良环境在时间上或空间上的躲避；后者是指植物能通过自身的生理生化改变来 适应环境的能力l 7 | 。 由于环境因子的变化幅度很大，植物正常生长发育要求的环境条件范围较 小，植物体作为一个开放体系，无时不受到各种环境因子的胁迫作用。例如，植 物缺水干旱、过强或弱的光照、高低温度及缺少养分都会对植物的生长发育造成 不良影响峭j 。每年不同程度的自然灾害对全球农业生产都造成有很大损失，在诸 多胁迫中干旱造成的损失最大【9 】。据统计，地球上比较适宜于栽种作物的土地还 不足1 0 ，其余为干旱、半干旱、冷土和碱土【10 1 。中国土地面积的5 7 处于干 旱、半干旱地区，主要分布在华北、西北、内蒙古等地【1 1 】。 第一章文献综述 1 2 干旱胁迫 干旱是指因长期无雨或少雨而使土壤水分缺乏、空气干燥的气候现象【1 2 】。干 早胁迫通过影响作物的生长发育，造成作物严重减产，是影响植物生长发育的最 主要因子之一。近年来干旱对世界农业生产的威胁日趋严重，全球大约1 3 的陆 地面积被划归为干旱地区，而且集中分布于中纬度地带，世界上近一半国家都不 同程度地受到干旱的威胁，其中比较严重的有中东和北非地区各国，南部非洲的 纳米比亚和南非，澳大利亚中西部，南美的秘鲁和阿根廷，欧洲的西班牙，北美 的美国西南部和墨西哥北部，原苏联的中亚国家，亚洲的伊朗、巴基斯坦、蒙古 以及我国的西北和华北地区l l3 1 。 我国历史上很早以前就有旱灾的记载，从公元前2 0 6 年到1 9 4 8 年中，全国 共发生较大旱灾1 0 5 6 次。1 9 4 9 年以后干旱频率有所增加，从1 9 4 9 年到1 9 9 0 年， 全国农田平均受旱面积1 9 5 9 2 万h m 2 ，成灾面积7 6 8 9 万h m 2 ，受旱面积约占耕 地面积的1 9 3 1 4 】。我国干旱地区可分为：东北地区、黄淮海平原地区、西北 和内陆地区、长江中下游和太湖区、华南地区以及西南地区【1 5 】。我国干旱地区约 占全国土地面积的1 4 i l6 | ，不合理的开垦荒地，造成大面积土地沙漠化、盐渍化， 耕地面积减少，使农作物的生长环境越来越恶化，水资源严重不足也是我国制约 农业可持续发展的主要因素之一。 水是光合作用中的主要原料，是细胞原生质的主要成分，又是植物对物质的 吸收与运输的介剧1 7 j 。植物体内各种有机物的合成与分解等所有生理生化反应都 必须在水溶液的参与下进行。水维持细胞膨压，使植物保持固有的姿态，水能调 节植物的温度，使各种正常的生理活动得以进行【1 8 】。水还有调节土壤温度、影响 肥料分解和改善田问小气候等生态功能，研究植物水分生理是制定排灌措施的理 论基础【19 1 。 植物体的一切正常生命活动，只有在一定的细胞水分含量的状况下，才能进 行，否则，植物体的正常生命活动就会受阻，甚至停止【2 0 1 。在农业生产上，水是 决定收成有无的重要因子之一。植物体从环境中不断地吸收水分，以满足正常生 命活动的需要。但是，植物又不可避免地要丢失大量水分到环境中去，来保持一 个动态的水分平衡，如果植物蒸腾耗水大于吸收的水分时，细胞和组织紧张度下 降，植物生长生理功能收到干扰，植物组织内出现水分亏缺，过度的水分亏缺即 出现干旱胁迫( d r o u 曲ts t r e s s ) 。干旱会导致植物的一系列生理反应，在干旱胁迫 下植物会做出“适应性反应”。植物的适应性反应是指植物在受到某种环境因子 的胁迫后所做出的保护性反应【2 l 】。 植物对水分胁迫的适应是复杂的，不同植物或同一植物的不同品种其适应能 2 第一章文献综述 力和方式可能不同，同时它也受水分胁迫程度、出现的生理阶段、水分胁迫的持 续时间，不同生理过程对水分亏缺的敏感性等多种因素的影响。干旱胁迫对植物 的影响非常广泛，可以表现在生长发育的各个阶段，又可表现在植物生长、蒸腾 作用、光合作用、呼吸作用、物质合成与运输、酶的活性等具体的生理代谢过程 中。过度的干旱胁迫条会对植物造成伤害，膜透性改变、体内活性氧代谢失调， 植物会因细胞失水，而出现生理代谢紊乱，严重时叶片萎蔫，甚至部分器官或个 体死亡【2 2 】。干旱对植物的伤害表现在以下几方面【2 3 2 4 1 。 1 水分分配异常。干旱条件下，由于来自导管的水分供应不足，植物不同组织 不同器官间按水势高低重新分配水分。水势高的部位的水分流向水势低的部 位。 2 改变膜的结构及特性。当植物细胞失水，破坏了原生质膜脂类双分子层的排 列，原生质膜的透性增加，大量的无机离子、氨基酸和可溶性糖等分子被动 向组织外渗漏。严重影响了膜的正常功能。 3 抑制细胞扩大和分裂。植物生长分化涉及细胞的扩大和分裂，易受水分胁迫 抑制。植物细胞的生长是膨压引起的细胞壁不可逆扩展，干旱时，细胞不能 吸水膨胀，细胞扩大停止，同时细胞分裂也会受到影响，从而影响植物的生 长分化以及各种器官的发生和发育等发面。 4 破坏正常代谢。干旱时影响代谢的主要特点是抑制物质合成，加快分解，使 细胞缺少结构物质和执行各种生理功能的物质。例如，抑制光合作用，减少 同化物生产；呼吸作用失调；蛋白质、脂类和核酸等生物大分子的合成减弱， 分解加强等。 5 激素平衡发生变化。干旱条件下，脱落酸和乙烯含量增加，而生长素、赤霉 素和细胞分裂素含量明显减少，正常激素平衡受到破坏，使生长发育受到抑 制。 6 机械性损伤。细胞干旱脱水时，液泡收缩，对原生质产生一种向内的拉力， 使原生质及与其相连的细胞壁同时向内收缩，细胞壁由于收缩较慢而被拉成 很多折叠，原生质结构损伤：如果细胞骤然吸水复原，可引起细胞质、壁不 协调膨胀把粘在细胞壁上的原生质拉破，导致细胞死亡。 干旱对植物的生理影响是一个十分复杂的现象，图1 1 进行了概括。 第一章文献综述 r 细胞脱水 厂厂r 细胞膨压降低代谢零乱 膜透性改变机械损伤 妄蔼孔光i 厩乏霜乙烯细是域化脂膜、k 膜生长减少细胞气孔光合酶活呼吸酶活蛋白质、a b a 、乙烯细胞区域化脂膜、液泡膜 受抑间隙关闭性下降性增加核酸降解含量增加被破坏破裂 饥饿 的消耗 代谢 小受害程度 图1 1 干旱胁迫对植物引起的伤害5 】 f i g 1 一ld a m a g et op l a n tc a u s e db yd r o u g h ts t r e s s 1 3 干旱胁迫对光合作用的影响 大 光合作用是自然界中非常重要而又特殊的代谢过程，是太阳辐射能进入生态 系统并转化为化学能的主要形式，也是制约生态系统生物生产力的最重要的生理 过程【2 5 ，2 6 1 。光合作用是地球上唯一能够在常温、常压下发生的能量转化与物质合 成的生物化学反应。绿色植物进行的光合作用奠定了生态系统最基本的特征 能量流动与物质循环的基础。地球生物圈中从能量流动到生态体统的运转，光合 作用所起的作用最大，光合作用为异养生物提供食物来源和氧气，是异样生物赖 以生存的基础。植物作为地球生态系统中第一生产者每年通过光合作用同化的碳 素约2 1 0 t ，相当于贮存4 1 0 2 1j 的能量，并且释放出约5 3 5 1 0 t0 2 1 2 7 j ， 在对人类和其异养生物提供物质保障的同时，对固定大气中的c 0 2 、缓解全球温 室效应、净化空气、调节和维持大气的0 2 与c 0 2 的平衡起着举足轻重的作用，保 证了全球生态系统健康、有序的运行。 。 由于地球人口迅速膨胀，人类面临粮食危机、能源危机、资源危机和环境危 机等问题，地震、海啸、台风、洪水、干旱、土地沙漠化、酸雨等自然灾害频繁 发生，而目前全球干旱、半干旱地区的面积在不断的扩大，可供利用的水也岌岌 可危，引起人们的高度重视。在自然生长条件下的植物不停地进行光合作用，时 刻都收到各种环境胁迫的影响，而其中干旱胁迫是影响植物产量的重要因子之 4 第一章文献综述 。 水是光合作用不可缺少地原料，影响着光合作用。在水分胁迫中，干旱胁迫 是影响植物产量的重要因子之一，而植物的产量又与光合作用积累的同化产物息 息相关，因此，研究干旱胁迫对植物光合作用的影响具有重要意义【2 8 _ 2 9 】。到目前 为止，国内外研究己经表明干旱条件下植物的光合作用受到抑制，光合速率下降。 光合作用是受干旱胁迫影响最明显的生理过程之一1 3 0 】。在干旱胁迫下，缺水可使 植物光合速率下斟3 1 】，叶片气孔关闭，影响二氧化碳进入叶内，同时干旱使叶片 淀粉水解加强，糖类堆积，光合产物输出缓慢，从而影响光合作用的正常代谢过 程1 3 2 】。 干旱胁迫通过各种途径降低植物的光合能力。在轻度干旱的条件下，由于自 身渗透作用，光合速率变化不大，而在严重干旱条件下，光合作用下降明显p 卜3 5 j 。 干旱条件下，光合速率的下降与植物对光能和c 0 2 的利用有关系。土壤干旱程度 增加，叶片光补偿点、c 0 2 补偿点增高，光饱和点和c 0 2 饱和点下降，这表明干 旱胁迫使气孔关闭，叶肉细胞光合活性的下降，光能利用率降低【3 6 ，3 7 j 。干旱胁迫 不但降低植物的光合速率，还影响净光合速率的日变化【3 8 】。在正常条件下，植物 的净光合速率较高，“双峰”明显，有典型的“午休”现象；在轻度和中度的干 旱胁迫下，植株的净光合速率虽然有“双峰 和“午休”现象，但不明显，并 且光合速率下降；严重干旱胁迫下，“双峰”现象消失，光合作用基本停止，说 明干旱胁迫造成光合作用完全受刚”】。由于不同植物的净光合速率的日变化不 同，甚至同一植物在不同季节下净光合速率的日变化也有不同，有些植物光合速 率日变化有的有只有“单峰 ，有的没有“峰值”，干旱胁迫对峰值影响也有不 同，如干旱胁迫使欧李【4 0 】的日变化曲线由“单峰”型变为“双峰”型，最终导致 光合速率的降低。 干旱胁迫下植物光合速率会降低，但其作用机理仍未完全了解。早期关于水 分胁迫对光合作用地研究多集中于气孔，认为气孔关闭引起了c 0 2 亏缺，造成 光合速率的下降1 4 1 ，4 2 1 。但近来的研究表明，水分胁迫下由于气孔关闭而造成的气 孔导度的下降并非是光合速率下降的主要原因，非气孔因素显著的抑制了光合作 用【4 3 ，州。然而，仍有一些研究表明，水分胁迫下气孔导度的下降是光合作用的主 要限制因烈4 5 1 。干旱胁迫对植物光合作用的抑制一般认为包括气孔限制和非气孔 限制【4 刚，前者指干旱胁迫使气孔导度下降，c 0 2 进入叶片受阻而使光合下降从而 直接影响植物的光合作用，使植物的生长受阻；后者指随着植物叶片水势的降低， 光合速率下降有一个从气孔限制向叶肉细胞光合活性限制的转变过程，也就是向 非气孔因素转变的过程，表现为光合器官活性的下降。 第一章文献综述 1 3 1 气孔限韦0 气孔是控制叶片内外水蒸汽和c 0 2 扩散的门户，影响着蒸腾与光合作用。 气孔的调节机能主要表现在当水分供应充足并有利于进行快速c 0 2 同化时，气 孔导度趋于增加；而在有利于快速蒸腾，不利于光合时，气孔导度则趋于减小。 气孔的这种调剂方式，可使植物以有限的水分损耗，换取尽可能大的c 0 2 同化 量，从而使一天中对水分的利用达到最优化。 干旱胁迫能够引起气孔关闭，随着叶片水分散失和叶片水势下降，气孔开度 减小，气孔阻力增加，c 0 2 进入叶片受阻，导致植物光合速率下降。卢从明1 4 7 j 对水稻光合作用的研究表明，干旱胁迫1d 后，气孔导度的下降与光合速率降低 相一致；2 3d 后，气孔导度的下降幅度比光合速率大；当水分胁迫4 5d 后， 光合速率的下降幅度反过来比气孔导度大。这说明，轻度干旱导致气孔阻力增大， 光合速率降低，同时暗示着存在其它抑制光合作用进程的因素。气孔的关闭有利 于保持植物体内水分平衡，推迟水分亏缺发展到有害或致死程度的时间。但同时 又限制了c 0 2 的进入，减弱了光合作用。现在普遍认为，水分胁迫引起气孔关 闭有两种机制1 48 | 。一种是由于大气湿度的降低而引起的气孔关闭，称之为前馈式 反应，又称“预警系统”。实际上叶片发生前馈式反应时，叶片其他部位并没有发 生水分亏缺，从而防止了水分亏缺在整个叶片中发生，降低了产生伤害的可能性。 另一种是反馈式反应，是由于叶片水势下降而引起的气孔关闭。因此，气孔限制 是造成光合下降的首要原因。 1 3 2 非气孑l 限制 干旱胁迫对植物光合作用的影响比较复杂，它不仅会使光合速率降低，而且 还会抑制光合作用光反应中原初光能转换，电子传递，光合磷酸化和光合作用暗 反应过程1 4 9 1 ，干旱胁迫下叶绿体膨胀，排列紊乱，基质片层模糊，基粒间连接松 弛，类囊体片层解体，光合器官的超微结构遭到破坏，同时叶绿素含量下降，光 系统i ( p h o t o s y s t e mi ，p si ) 和光系统i i ( p h o t o s y s t e mi i ，p s i i ) 活性下降， 可变荧光( f v ) 逐渐消失，导致叶绿体代谢失调，最终导致光合作用下降。 许多研究表明，干旱胁迫对光合作用的抑制往往不是气孔因素所致，而是由 于干旱使叶绿体结构发生变化，植物膜系统遭受损伤，膜脂过氧化加剧而产生超 氧自由基，光合色素严重降解，光合电子传递系统遭到破坏，合成酶活性下降及 水解酶活性上升，从而导致光合速率下降【50 1 。在干旱胁迫刚开始时，气孔处在关 闭或半关闭状态，细胞间隙c 0 2 浓度下降；随着胁迫的加重，细胞间隙c 0 2 浓 度保持不变，或有增加。说明光合作用的下降不是由气孔关闭引起的，而主要是 第一章文献综述 非气孔限制导致的，即叶肉细胞光合活性降低的缘故【5 1 | 。 非气孔限制主要有：叶绿体结构的破坏、光合色素的下降、r u b p 羧化酶活 性受抑制、乙醇酸氧化酶活性下降、光合磷酸化活性下降、活性氧代谢的变化和 叶绿素荧光参数的变化等【5 2 1 。其中活性氧的变化可能破坏细胞的显微结构、亚显 微结构和并对其功能产生不同程度的伤害，从而影响光合速率的降低。在干旱胁 迫下，叶绿体内的氧会被活化成对细胞有伤害的活性氧，如超氧阴离子、羟基自 由基、单线态氧、过氧化氢等活性氧。在正常情况下，叶绿体内的活性氧产生与 清除处于平衡状态，叶绿体细胞不被伤害。但在干旱胁迫条件下，这种平衡被打 破，使活性氧增多【5 3 1 ，而叶绿体内主要的活性氧清除系统，如酶系统的超氧物歧 化酶( s u p e r o x i d ed i s m u t a s e ，s o d ) 、过氧化氢酶( c a t a l a s e ，c a t ) 、过氧化物 酶( p e r o x i d a s e ，p o d ) 及抗坏血酸过氧化物酶( a s c o r b a t ep e r o x i d a s e ，a p x ) 和 非酶系统的抗坏血酸( a s a ) 、谷光甘肽( g s h ) 等明显下降，不能及时消除这 些活性氧，引起膜脂过氧化，其产物丙二醛( m a l o n d i a l d e h y d e ，m d a ) 不断增加， 从而抑制蛋白质合成，破坏叶绿体细胞膜系统，叶绿体降解，进而影响叶片的光 合作用【5 4 】。 1 4 干旱胁迫对活性氧代谢的影响 虽然生命体的生存离不开氧，但氧也会被活化，形成对细胞有害的活性氧， 这种氧对植物潜在的危害性，是植物界普遍存在的重大矛盾问题。活性氧是通过 生物体内自身代谢产生的一类自由基，即超氧阴离子( o ；) 、羟基自由基( o h ) 、 过氧化氢( h 2 0 2 ) 、单线态氧( 1 0 2 ) 。 一般认为o ；的产生部位实在叶绿体类囊体膜p si 的还原侧。植物受到逆境 胁迫时，叶片中光合电子的传递可以保持相对较高的速率，但如果其c 0 2 的固 定受阻，导致固定速率大大的下斛5 5 】，电子传递和c 0 2 固定速率之间的不平衡， 可能导致电子传递链组分的过度减少，从而使电子更容易传递给0 2 ，从而使0 2 减少生成活性氧o ；、o h 、1 0 2 、h 2 0 2 等形式，他们可能对细胞结构和功能产生 不同伤害【5 6 】。叶绿体中的还原型组分例如黄素( f l a v i n s ) 、喋啶( p t e r d i n e s ) 、二 酚( d i p h e n o l s ) 和铁氧还蛋白( f e r r e d o x i n ) 等常常能将单电子传递给基态氧分子 形成o ；。1 9 7 4 年a s a d a 等人从光照下的菠菜叶绿体上，证明了分子氧的单价还 原生成o ；，这种氧单价还原是与p si 相联系。图1 2 表明，叶绿体p si 的电子 流向至少有三个途径，通常以途径c 为主，当n a d p + 供应受到限制时，电子流 转向增加途径a 和途径b ，这是将有较多的o ：产生。 7 第一章文献综述 图1 2 叶绿体p si 的电子流向和o j 的产生【5 7 】 f i g 1 - 2e l e c t r o nd i r e c t i o no fc h l o r o p l a s tp si a n dp r o d u c i n g o ； 0 2 一 o ； i ： ： ： ： ： 图1 3 类囊体膜o i 和h 2 0 2 的形成与转化过程5 8 】 f i g 1 - 3 t r a n s f 0 n n i n go ； a n dh 2 0 2i nt h et h y l a k o i dm e m b r a n e p si 形成的o ；既可以进入类囊体膜外的基质并通过酶促或非酶促的歧化反 应和2 一生成h 2 0 2 ，又可以在过剩的光强下，参与p s 捕光叶绿体符合蛋白 ( l h c pi i ) 的紫黄质( v i o a x a n t h i n ) 转化为玉米黄质( z e a x a n t h i n ) 的过程，并 将来自p si 的o i 在s o d 催化下转化为h 2 0 2 。同时，h 2 0 2 在抗坏血酸过氧化物酶 第一章文献综述 作用下形成0 2 ，并与抗坏血酸、谷胱甘肽和n a d p 的氧化还原偶联( 图1 3 ) 。 活性氧有很强的氧化能力，对许多生物功能分子有破坏作用。在正常情况下， 由于细胞内活性氧的产生与清除是处于一种动态平衡状态，活性氧水平很低，所 以不会引起伤害。植物体在长期进化过程中也相应形成了酶促和非酶促两大类保 护系统，赋予植物体以清除活性氧的能力，减轻或避免活性氧对细胞造成伤害， 从而表现出对氧化胁迫的抗性。植物细胞种活性氧的清除主要是通过有关的保护 酶和一些与活性氧反应产生稳定产物的有机分子承担【5 9 1 。细胞保护酶类如s o d 、 c a t 、p o d 和a p x ，天然的非酶有机分子如细胞色素、维生素e 、还原型谷胱甘 肽、抗坏血酸、甘露糖醇、氢醌、胡萝卜素、类黄酮、生物碱和半胱氨酸等。正 常情况下，s o d 的主要功能是清除o ；，催化超氧自由基发生歧化反应形成0 2 和 h 2 0 2 ，而p o d 和c a t 将h 2 0 2 催化除去【6 0 】。细胞中这几种保护酶的存在和活性的 增强，保持活性氧维持在一个低水平，防止细胞免于伤害或抗性加强的重要因素 专一【6 l 】 “一 o 植物在任何逆境的环境中，都会受到逆境的伤害，植物细胞的任何一部分都 有可能产生活性氧，如线粒体、叶绿体、内质网、过氧化体、乙醛酸体、微粒体、 质膜、细胞壁等。干旱对植物组织是一种重要的胁迫因子，它能干扰植物细胞中 活性氧产生与清除之间的平衡，导致植物细胞遭受氧化胁迫。当环境胁迫长期作 用于植株，产生的活性氧超出了活性氧清除系统的能力时，二者的平衡被破坏， 使活性氧积累，导致膜脂过氧化和脱脂化，丙二醛含量增加，膜脂成分改变，不 饱和指数下降，蛋白质变性，膜结构和功能改变，透性增强，进而引起一系列的 生理代谢变化，使植物收到伤害1 6 2 j 。在干旱胁迫条件下，对于不同的发育阶段， 植物响应策略不同，在胁迫强度较轻、胁迫时问较短、胁迫速度缓慢时，植物叶 片的s o d 、c a t 、p o d 以及抗氧化物质活性上升，膜脂过氧化作用较轻，膜相对 透性增加较小，在胁迫强度较重、胁迫时间较长、胁迫速度较快时，s o d 和c a t 以及抗氧化物质活性下降，脂质过氧化作用加强，膜透性增大【6 3 j 。 一般情况下，植物体内的s o d 活性与其抗氧化胁迫能力呈正相关畔j ，c a t 活性变化趋势与s o d 变化趋势相似，p o d 活性的变化比较复杂，没有同一的变化 模式。不同的干旱程度胁迫时，植物体内的各种酶的变化趋势也有所不同。蒋明 义等1 6 5 j 发现，在中度干旱胁迫下，水稻的s o d 活性呈上升趋势，在重度干旱胁迫 下，水稻的s o d 活性显著降低，在干旱胁迫后复水s o d 活性可以恢复；而抗旱品 种较不抗旱品种能维持较高的s o d 活性。王茅雁【6 6 j 研究表明，抗旱性强的玉米品 种在干旱处理一小时内，c a t 活性基本不变或增高，此后开始下降，但在处理 2 4 4 8 小时内降低幅度较小；而抗早性弱的品种在整个处理间c a t 活性一直下降， 而且降低幅度较大。p o d 活性的趋势是干旱条件下，抗旱品种叶片的p o d 活性上 第一章文献综述 升或维持较高水平，较不抗早的品种则p o d 活性下斛6 7 1 。 植物激素a b a 作为一种胁迫信号。在水分胁迫下明显增加，在整株水平和细 胞水平上调控植物对干旱的反应【6 引。目前关于a b a 诱导活性氧产生的研究已引 起重视，植物体内的活性氧主要存在于一些亚细胞包括叶绿体、线粒体、过氧化 物酶体、质膜n a d p h 氧化酶、细胞壁过氧化物酶以及质外体草酸盐氧化酶和氨 基氧化酶。已有研究证明a b a 诱导活性氧的产生是由质膜n a d p h 氧化酶将电子 从细胞质中n a d p h 转移给o ；，而形成超氧阴离子，然后经歧化作用后产生h 2 0 2 怕引。近年来，还原型谷胱甘肽被认为在植物抗逆氧化胁迫中占重要作用，各种自 由基和氧化剂能够氧化g s h 成g s s g ，谷胱甘肽还原酶g r 利用n a d p h 还原g s s g 为g s h 【7 0 1 。 1 5 干旱胁迫对黄瓜生育及生理代谢的影响 黄瓜是需水量大，抗早性差的蔬菜作物。一般来讲，种植黄瓜的地区都有较 好的水源条件，但这并不意味着黄瓜整个生育期间都能得到适时适量的水分供 应，黄瓜根系浅再生能力弱，地上部枝叶繁茂，连续结果，需水量大，易出现水 分供应不足的现象。缺水时黄瓜植株易表现生理功能不协调，气孔开度小，蒸腾 与光合作用受到抑制，致使黄瓜生长缓慢，植株矮小，果实发育不良，瓜条畸形 率高，单瓜重小，产量较低【7 l j ；而水分含量过高时表现为植株徒长，水分利用效 率低，水资源浪费严重，对增产效果不明显，同时也为有害病菌和害虫提供了适 宜生存和繁殖的环境条件，对黄瓜生产不利。冯嘉珥1 7 2 】对不同土壤水分对温室黄 瓜苗期生长与生理特性影响的研究表明，土壤含水量过高或过低均不利于培育黄 瓜壮苗。张宪法【7 3 j 对黄瓜结果期生长与生理特性在不同水分状况下的变化，结果 表明适宜的土壤水分有利于黄瓜植株生长和产量的提高，水分过高或过低均对生 长发育不利。韩建会等【7 4 】研究了不同时期的水分胁迫对日光温室黄瓜产量的影 响，这种影响可以通过水分生产进行描述，早期黄瓜需水量与产量有很大关系。 翟胜等1 75 j 研究发现黄瓜在结果期土壤含水量保持在8 0 9 0 时生物积累量和产 量明显升高。水分对黄瓜生产及生育的重要性显而易见，如何减少干旱胁迫对黄 瓜生长生育的影响和如何增强黄瓜的抗旱能力，已经越来越受到人们的重视。 目前，对于干旱胁迫的研究多集中在果树方面，一对于蔬菜上较少。而对于黄 瓜逆境生理的研究多集中在黄瓜的抗寒、抗冷性上，还有低温弱光、高温胁迫等 方面的研究。有关黄瓜干旱生理方面的研究已经有了一些报道，主要有水分胁迫 下黄瓜的生理反应，水分胁迫对黄瓜产量的影响等这几个方面。张晓萍等 7 6 j 研究 了苗期不同土壤水分状况秋黄瓜生理反应，结果表明苗期不同土壤水分状况影响 l o 第一章文献综述 秋黄瓜叶片的蒸腾和光合速率，显著影响了秋黄瓜的生长动态。黄清泉7 7 1 研究了 s a 对水分胁迫黄瓜幼苗叶片的生理过程的影响，在s a 处理后，黄瓜叶片中 r u b i s c o 含量及其基因转录水平显著高于未用s a 处理叶片，光合作用受影响较 小，s a 增强了植株对水分胁迫的抗性。 1 6 研究目的 虽然活性氧被人们总认为对植物机体是有害的，但是，事物总具有两面性， 活性氧也有积极的一方面，它们在光合作用中的意义就非同寻常1 7 引。光合电子传 递链中的f d 能将电子提供给0 2 产生o ；，随后o ；被歧化成h 2 0 2 ，而h 2 0 2 最终可 被抗坏血酸循环清除。以上整个过程被称为m e h l e 卜p e r o x i d a s e 循环i 珂j 。若将h 2 0 的光解、电子在p si i 中的传递包括进来，那么水的光解产生的电子经p s 流向 o ；和h 2 0 2 而不是n a d p h ，但a t p 合成所需的h + 浓度梯度依旧形成。这样，不仅 光合作用自身产生的o ；被清除了，更重要的是调节了光合作用中产生的能量 ( a t p ) 和还原力( n a d p h ) 之比，以满足不同代谢条件下对两者的需求。此 外m e h l e r - p e r o x i d a s e 循环还可以在强光下耗散叶绿体吸收的过量光能，避免光合 作用的光抑制效应。 活性氧虽然能够对光合电子传递链起直接的调节作用，但过多的活性氧对植 物体是有害的。1 0 2 特别容易与含碳碳双键的化合物如不饱和脂肪酸起反趔8 0 】， 它对类囊体的危害特别大，因为类囊体膜中多不饱和脂肪酸的含量很高，有些植 物类囊体膜中的不饱和脂肪酸甚至可占总脂肪酸的9 0 。蛋白质中的某些氨基 酸如胱氨酸、甲硫氨酸、酪氨酸和组氨酸也是1 0 2 的重要靶分子瞄。o h 几乎能 与所有的化合物起快速的反应，与o h 产生部位接近的分子将首先收到破坏。 s o d 将超氧阴离子变为h 2 0 2 时并没有使活性氧的毒性减少，因为h 2 0 2 比超氧 阴离子的寿命长的多，影响时间更长，而且它的氧化能力远远大于超氧阴离子， 很容易氧化带巯基的蛋白，因此毒性很大。h 2 0 2 的积累首先抑制c a l v i n 循环中 的酶【8 2 】：果糖1 ，6 二磷酸酶、甘油醛3 磷酸脱氢酶及核酮糖5 磷酸激酶，这些 酶都含有巯基活性中心。h 2 0 2 浓度高时核酮糖一l ，5 二磷酸羧化酶和c u z n s o d 也被抑制。c a l v i n 循环的阻断使光合反应所需的n a d p 十得不到补充，电子传递 链中流向0 2 的电子增加活性氧大量产生，最终导致光合机构的破坏。 、 目前，对于将黄瓜幼苗在干旱胁迫下光合作用与活性氧代谢之间关系的研究 还不多，本研究采用津优4 号和唐山秋瓜两个黄瓜品种，通过研究在干旱条件下 黄瓜幼苗光合特性、活性氧代谢和氮代谢的相关生理指标，探讨在不同干旱胁迫 条件下黄瓜幼苗的光合特性和活性氧代谢的相关指标之间的关系，对其相关性进 第一章文献综述 行分析。研究的主要内