小麦幼苗响应干旱与UV-B胁迫的生理生化反应研究

1、小麦幼苗响应干旱与小麦幼苗响应干旱与UV-B胁迫的生理生化反应研究胁迫的生理生化反应研究 贺立恒贺立恒 2010-11-18山西农业大学山西农业大学研究背景研究背景1.影响农作物生产的两大环境胁迫因子影响农作物生产的两大环境胁迫因子环境污染臭氧层破坏UV-B辐射增加全球气候变暖水资源短缺干旱加剧2. 研究作物对干旱和研究作物对干旱和UV-B胁迫反应机制以及胁迫反应机制以及建立提高作物抗逆性技术策略已成为现代建立提高作物抗逆性技术策略已成为现代农业的重要研究议题。农业的重要研究议题。3. 干旱和UV-B胁迫在小麦全生育期时常相继或合并发生，已成为制约小麦生产（特别是旱地小麦生产）的两大逆境因子。

2、4. 已有许多报道对小麦抗旱机理进行了探讨, 少数研究也开始关注UV-B辐射对小麦生长发育和产量的影响, 但小麦抵御干旱和UV-B胁迫的分子机制, 特别是特别是对双重逆境复合胁迫的反应机制还未全面认识。研究内容研究内容干旱，UV-B辐射以及干旱和UV-B辐射互作对小麦幼苗生长和发育的影响; 小麦幼苗对干旱，UV-B辐射以及二者复合胁迫的生理生化反应机制; 不同小麦基因型对干旱，UV-B辐射以及二者复合胁迫的反应差异;建立操作简单，成本较低的提高小麦抵御干旱及UV-B逆境胁迫的有效途径。 汇报提纲汇报提纲1、不同基因型小麦幼苗对干旱与不同基因型小麦幼苗对干旱与UV-B 以及以及二者复合胁迫的反应

3、机制二者复合胁迫的反应机制2、H2O2种子处理法提高小麦幼苗抵御干旱胁种子处理法提高小麦幼苗抵御干旱胁迫的效应研究迫的效应研究第一部分第一部分不同基因型小麦幼苗对干旱与不同基因型小麦幼苗对干旱与UV-B 以及二者复合胁迫的反应机制以及二者复合胁迫的反应机制 以小麦幼苗为试材，重点回答以下问题：干旱与UV-B对小麦幼苗生长与发育的影响在胁迫下小麦幼苗自身H2O2的累积进程在胁迫下小麦幼苗抗氧化酶体系的表达在胁迫下小麦幼苗抗氧化代谢物的变化材料与方法材料与方法抗旱品种（R）：晋麦47 水地品种（S）：舜麦1718干旱胁迫诱导 ： PEG-6000(聚乙二醇) (-0.5MPa)UV-B（ ：280

4、-320nm）辐射源：HPQ水银灯 光通量：64.4 mol m-2s-1 （2h/d） 辐射强度: 0. 15 W/ m2 处理设置：Control, UV-B, D, Pre-U+D, Pre-D+U, U+D测定小麦幼苗的生长发育相关性状指标，抗氧化酶系，抗氧化代谢物等。 结果与分析结果与分析1 1、干旱与干旱与UV-BUV-B对小麦幼苗生长与发育的影响对小麦幼苗生长与发育的影响株高，鲜重，干重，叶面积，叶片相对含水量，叶绿素含量与对照相比，所有胁迫均不同程度抑制了小麦幼苗的生长。其中以UV-B单因子的胁迫效应最显著。即UV-B胁迫的抑制效应大于干旱、以及与干旱互作的抑制效应。抑制效应存

5、在基因型差异。就同一胁迫而言，胁迫对水地品种的抑制效应大于旱地品种。在相继胁迫下，前胁迫是干旱 (Pre-D+U) 比前胁迫是UV-B (Pre-U+D）抑制效应大；水地品种在同时胁迫 (U+D) 下比相继胁迫(Pre-U+D）或(Pre-D+U)抑制效应更大，而旱地品种正好相反。UV-B胁迫显著影响小麦幼苗的叶绿素的含量；而干旱胁迫显著降低植株的相对水分含量。 2 2、胁迫下胁迫下H2O2在小麦幼苗中的积累进程在小麦幼苗中的积累进程H2O2广泛参与了作物的多种逆境胁迫反应，是细胞过氧化反应的重要分子。在我们实验所设置的各胁迫处理条件下，H2O2在小麦幼苗细胞内累积有无变化以及如何变化？UV-

6、B胁迫诱导H2O2上升幅度大于干旱胁迫，且峰值出现早于干旱胁迫。 同一胁迫条件下，处理结束时水地品种H2O2上升幅度大于抗旱品种。在胁迫过程中H2O2在抗旱品种中上升快，下降也快；在水地品种中上升慢，下降也慢。导致在处理结束时，水地品种中H2O2的量显著高于抗旱品种。Pre-D+U诱导H2O2 第二次上升的幅度大于Pre-U+D处理。相比较于单因子胁迫，在相继胁迫中，前胁迫缓解了后胁迫对H2O2 的积累。而且这种缓解作用在前胁迫是UV-B的情况下更显著。R1: drought-resistant genotype treated by preD+U stresses. S1: drought-

7、susceptible genotype treated by preD+U stresses. R2: drought-resistant genotype treated by preU+D stresses. S2: drought-susceptible genotype treated by preU+D stresses. Resistant genotype (R) and susceptible genotype (S) were indicated. Vertical bars are standard errors (S.E.) of means.复合胁迫下，水地品种显示出

8、更高的H2O2积累水平， H2O2上升速度慢，峰值高，而抗性品种上升快，峰值低。说明在复合胁迫下水地品种植株的受胁迫抑制的程度比较重。在处理结束时，水地品种H2O2含量显著高于抗旱品种。 3 3、胁迫引起的抗氧化酶系的应激表达、胁迫引起的抗氧化酶系的应激表达胁迫催化了SOD（超氧化物歧化酶）的活性，激活其将一部分超氧离子分解形成H2O2，而CAT（过氧化氢酶）则具有清除H2O2的作用 。在本实验各处理条件下，这两种酶活性是如何变化的？SODUV-B比干旱胁迫诱导了更高的SOD活性。在同一胁迫下，水地品种SOD 上升慢，峰值高；而抗旱品种上升快，峰值低。在处理结束时，Pre-D+U比PreU+D

9、过程显示了更高的SOD活性。CATUV-B比干旱诱导了更活跃的CAT的活性表达。水地品种CAT活性明显低于抗旱品种。在处理结束时，PreU+D比Pre-D+U显示了较活跃的CAT活性。水地品种中SOD上升慢，在达到峰值后仍保持一个较高的水平至处理结束。抗旱品种SOD则上升快，但峰值相对较低峰值过后缓慢下降至处理结束。CAT在水地品种中峰值较高，峰值过后下降快；而在抗旱品种中峰值较低，相对保持一个较高的水平至处理结束。 4 4、在胁迫下小麦、在胁迫下小麦幼苗抗氧化代谢物的变化幼苗抗氧化代谢物的变化脯氨酸 （Proline） 脯氨酸被认为是广泛参与植物各种胁迫反应的化合物。 抗坏血酸（AsA）与脱

10、氢抗坏血酸（DHA） 抗坏血酸和脱氢抗坏血酸的比值（AsA/DHA）是反映细胞氧化状态的另一指标。脯氨酸对干旱胁迫更敏感。PreU+D, PreD+U,U+D与干旱处理结果相似。抗旱品种脯氨酸含量明显高于水地品种。AsA/DHA是反映细胞氧化状态。就不同胁迫比较而言比值越高反映植株在胁迫下的抗逆性越强。从图中可知，各处理均引起AsA/DHA比值的提高，且这一比值在两个基因型品种差异不明显，说明AsA广泛而深入地参与了植株的抗逆反应。与单因子胁迫相比，复合胁迫下这一比值更高。小结小结1）干旱和UV-B胁迫均抑制小麦幼苗的生长发育, 而且UV-B的抑制作用大于干旱。叶绿素含量对UV-B胁迫反应敏感

11、, 然而叶片相对水分含量(RWC)则对干旱胁迫反应敏感。2) 与干旱处理相比, UV-B辐射引起细胞产生较多的H2O2, 在胁迫处理下, H2O2在抗旱品种中上升快,峰值低, 而在水地品种中上升慢,但峰值高。3)在胁迫下SOD活性在两种基因型中均快速上升,但在抗旱品种中峰值低, 峰值过后, 下降快。而在水地品种中峰值高, 峰值过后, 减低慢。相反, CAT活性在抗旱品种中上升早，峰值高，且能保持较高水平至胁迫结束。但在水地品种中上升慢，峰值低。4)在胁迫处理结束时，H2O2在水地品种中含量明显高于抗旱品种，这与两个抗氧化酶活性在不同基因型背景中的差异表达相关。5）在各种处理条件下，抗坏血酸（A

12、sA）和脱氢抗坏血酸（DHA）的比值（AsA/DHA） 均增加，且在两种基因型间无明显差异。在两种胁迫同时处理下， AsA/DHA的值相应高于干旱和UV-B胁迫相继处理，表明复合胁迫比单一因子胁迫对AsA/DHA影响大。6）无论是分别进行单因子胁迫，还是两种胁迫相继或同时处理，干旱均比UV-B诱导产生较多的脯氨酸，且抗旱品种反应比水地品种更明显。说明脯氨酸在更大程度上优先参与了植株抵御干旱胁迫的反应。7）干旱和UV-B胁迫分别处理小麦幼苗，均可诱导植株产生抗逆性，从而减轻第二次胁迫对植株生长发育的负作用。UV-B诱导的对随后干旱胁迫的抗性高于干旱诱导的对UV-B胁迫的抗性。8）就不同基因型而言

13、，干旱和UV-B同时进行的复合胁迫处理比相继胁迫处理对抗旱品种生长抑制效应小，但对水地品种的抑制效应大。表明抗旱品种更能抵御多种逆境的胁迫。9）上述分析亦揭示出植物不同防御体系及组分能差异地响应干旱和UV-B胁迫及其互作。第二部分第二部分H2O2预处理种子提高小麦幼苗抗旱性研究预处理种子提高小麦幼苗抗旱性研究本章我们试图探索并建立一个简便有效可行的方法在一定程度上提高小麦幼苗抵御干旱或UV-B胁迫的有效方法。种子处理是首选的方法之一。种子处理剂的选择：H2O2。H2O2 既是在各种胁迫条件下所产生的超氧化分子，对植物细胞构成危害。但同时已有不少研究证明， H2O2 也是一种参与信号传导的分子。

14、细胞内适量的H2O2存在对维持其自身正常的生理代谢具有不可替代的作用。那么，这种特殊的分子能否通过适宜的利用途径来刺激小麦植株对干旱与UV-B 的抗性呢？研究内容研究内容u H2O2预处理种子对种子的萌发以及胁迫 下小麦幼苗生长的影响u H2O2预处理种子对小麦幼苗细胞膜的影响u H2O2预处理种子对小麦幼苗抗氧化酶系 及抗氧化化合物活性表达的影响这里我只汇报H2O2处理种子对提高小麦抗旱性的研究。研究结果如下：用H2O2（20，40，60，80，100，120 mM）对小麦种子进行浸种处理6小时，然后检测小麦种子萌发和幼苗生长发育以及抗旱性表达。干旱胁迫诱导：PEG-6000 (-0.5MP

15、a)研究H2O2预处理小麦种子提高小麦幼苗抗旱性能的机理和简易有效的种子处理方法。试验方法试验方法1、不同浓度的、不同浓度的H2O2处理种子对小麦幼苗地上处理种子对小麦幼苗地上部干重的影响部干重的影响随着H2O2处理浓度的提高，小麦幼苗地上部干重的值随之增大。当增大到最大值对应的处理浓度80mM时，干重的积累随之下降。且这种变化在两种基因型上的表现是一致的。80mM是种子处理的最适浓度。结果与分析结果与分析2 2、干旱胁迫下、干旱胁迫下H2O2预处理预处理种子对小麦幼苗种子对小麦幼苗 生长指标的影响生长指标的影响H2O2处理种子提高了在干旱胁迫下小麦幼苗的生长量处理种子提高了在干旱胁迫下小麦幼

16、苗的生长量 3、H2O2处理种子减小了由干旱胁迫导致的处理种子减小了由干旱胁迫导致的小麦幼苗细胞膜损伤小麦幼苗细胞膜损伤与对照相比，H2O2处理种子明显减小了干旱胁迫对小麦幼苗的细胞损伤。4、H2O2预处理种子提高了小麦幼苗体内预处理种子提高了小麦幼苗体内 抗氧化酶系的表达抗氧化酶系的表达与对照相比，H2O2处理种子明显提高了干旱胁迫对小麦幼苗酶活性的表达。小结小结H2O2预处理种子提高了小麦种子的发芽率与幼苗的生长速度。H2O2预处理种子降低了干旱对小麦幼苗细胞膜的损伤程度，提高了小麦幼苗体内抗氧化酶系活性的表达。对于不同基因型小麦品种， H2O2预处理种子抗旱效果对抗旱品种的效应高于水地品

17、种。80mM H2O2 预处理种子的方法可以提高小麦幼苗的抗旱能力，是一种简便、有效、可行的提高小麦抗旱性的方法。 结论与讨论结论与讨论 干旱和UV-B胁迫均抑制了小麦幼苗的生长。在单胁迫下，UV-B胁迫的抑制效应大于干旱。在相继胁迫下，前胁迫可诱导小麦幼苗的抗性反应，缓解后胁迫的危害。UV-B诱导的抗性比干旱诱导的抗性强。复合胁迫抑制效应水地品种大于旱地品种。 小麦幼苗可在细胞水平、生理生化及基因水平差异地形成应对干旱和UV-B胁迫的防御机制。比如，叶绿素含量对UV-B胁迫反应敏感，而叶片相对含水量则对干旱胁迫反应敏感。3) 干旱与UV-B胁迫下，H2O2在水地品种中积累多于抗旱品种，说明水

18、地品种更容易受这两种胁迫的伤害。SOD 与CAT 酶活性的协同表达，决定着细胞内H2O2积累水平。胁迫下，CAT活性在抗旱品种中明显高于在水地品种，而SOD则相反。说明就不同基因型相比较，水地品种比旱地品种更容易受干旱与UV-B胁迫的危害。4) 适量H2O2处理种子可提高小麦幼苗的抗旱能力，是一种简便有效可行的提高小麦抗逆性的方法。综上所述, 研究结果表明：不同基因型小麦幼苗在不同逆境胁迫下细胞生理生化反应和生长指标差异表达，说明不同基因型在不同胁迫下具有各自相应的防御机制。在UV-B 辐射和干旱胁迫下, 株高、叶片含水量、叶面积、鲜重和干重均呈下降趋势,光合作用色素含量下降, SOD( 超氧

19、化物歧化酶) 和CAT( 过氧化氢酶) 活性升高, Pr o( 脯氨酸) 和AsA( 抗坏血酸) 含量升高; 但在二者相继或复合协同胁迫下, 各项指标比单胁迫下均有所提高, 证明在双重胁迫下, 幼苗具有较强抵抗力，这可能是在干旱胁迫下脯氨酸( Pr o) 和抗坏血酸( AsA) 显著增加增强了植株对UV-B 辐射胁迫的抵抗力。 同时在U V-B 胁迫下植株产生大量的抗氧系统酶, 因而有利于清理对干旱胁迫产生的有毒物质, 同时有些活性蛋白等物质的产生将会增加细胞内渗透压, 有利于保持水分, 增强植物抗旱能力。特别地， 在双重胁迫下, 植株受影响的程度并非单因子胁迫的加和, 而是低于两者之和, 表明小麦幼苗对两种胁迫因子作用有交叉适应现象( cross-adaptation