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一氧化氮缓解盐胁迫对玉米生长的抑制作用

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一氧化氮缓解盐胁迫对玉米生长的抑制作用

  1. 1. zycnzj.com/ www.zycnzj.com 4期 张艳艳等: 一氧化氮缓解盐胁迫对玉米生长的抑制作用 455 一氧化氮缓解盐胁迫对玉米生长的抑制作用 张艳艳 刘 俊 刘友良* (南京农业大学生命科学学院,南京 21 009 5) 摘要:研究了一氧化氮(nitric oxide, NO)对 NaCl 100 敌草快(diquat)和白草枯(paraquat)两种除草剂引起 mmol/L 胁迫下玉米幼苗生长的影响。结果表明:0.1 的ROS介导的氧化伤害(Beligni和Lamattina 1999); ~200 µmol/L 的 NO 供体硝普钠(sodium nitroprusside, NO能够通过诱导小麦的气孔关闭来提高其抗旱性 SNP),特别是 100 µmol/L SNP 处理可以显著提高盐胁 迫下玉米幼苗的干物质积累速率。100 µmol/L 的 SNP (Mata 和 Lamattina 2001); NO 对盐胁迫下小麦叶片 处理还显著提高了叶绿素含量、植株体内 K+/Na+ 比和 的氧化损伤具有保护作用(阮海华等 2002)。低浓 (Spd+Spm)/Put 的比值,降低膜透性。推测 NO 对盐胁 度 NO 预处理水稻,能延缓其在盐胁迫和高温胁 迫下玉米生长抑制的缓解作用是由于 NO 促进根系对 迫下叶片叶绿素的降解、维持光系统Ⅱ的高活性 K + 的选择性吸收及其向地上部的运输,而降低对Na+ (Akio 等 2002)。但 NO 对盐胁迫下玉米生长的影 的吸收及其向地上部的运输,并促进 Put 向 Spd 和 Spm 响及其机理还未见报告,本研究报告了外源 NO 的转化。 对盐胁迫下玉米生长抑制的延缓作用,并初步探 关键词:一氧化氮;玉米;盐胁迫;多胺;离子 讨了相关机理。 中图分类号:Q 94 5 1  材料与方法 非生物逆境常是造成作物产量潜力不能充分 1.1  材料培养与处理 发挥的主要原因(Boyer 1982),而盐害又是主要的 供试玉米(Zea mays)品种为农大 108。种子经 逆境因素之一。盐胁迫使植物的光合过程受阻, 0.1% HgCl2 消毒 10 min, 漂洗干净,25℃浸种,催 生物量积累下降;活性氧(reactive oxygen species, 芽。挑选露白一致的种子用 Hoagland 溶液水培, RO S)过量产生,导致细胞内损伤,引起叶绿素 昼夜温度(25 ± 5)℃/(12 ± 5)℃,自然光照,每 降解 、膜透 性增 加、蛋白 质变 性、核酸 断裂 , 天通气 30 min。处理期间每天更换营养液。待玉 甚至细胞死亡(Scandalios 1993)。 米幼苗长至第二位叶片全展时取长势一致的用含 NO是生物体中一种重要的氧化还原信号分子 NaCl 100 mmol/L(一次性加入)的 Hoagland 溶液进 和毒性分子。在植物体内主要通过一氧化氮合酶 行胁迫处理,同时在溶液中加入不同浓度的 NO (nitric oxide synthase, NOS, EC 1.6.6.1/2)和硝酸还 供体硝普钠(sodium nitropprusside, SNP, Fluka)处 原酶(nitrate reductase, NR, EC 1.6.6.1/2)催化形成 理。在研究 N O 对叶绿素含量、膜透性、离子 (Wendehenne 等 2001,Yamasaki 等 1999)。NO 对 吸收分布和多胺含量影响的实验中,因 SNP 100 植物体有毒害和保护两方面的作用,其具体表现 µmol/L 最多降解生成 NO - 1 µmol/L 的副产物 2 视其浓度、作用部位及细胞的生理条件不同而 (Delledonne 1998),所以又设 NaNO 2 1 µmol/L 处 异。一方面,可以通过与效应分子反应而直接起 理作为其对照。处理 7 d 取第 2 位叶片进行各项指 作用或者通过改变细胞氧化还原电位差而间接起作 标的测定。每个实验均设 3 个重复。 用,参与植物生长、发育和对环境适应的信号转 1.2  生物量积累 导过程(Beligni 和 Lamattina 2001),另一方面,高 - 每重复取 8 株(包括地上部和地下部),自来水 浓 度 的 NO 与 O2·相互作用生成大量的过氧亚硝酸 冲洗数遍,蒸馏水洗净吸干,在 110℃杀青5 min 阴离子(ONOO - ),后者经质子化形成具有强氧化 性的过氧亚硝酸(HOONO),破坏生物大分子的结 200 3-12-31 收到,200 4-04-19 接受。 构与功能(Kelm 等 1997, Zhang 和 Liu 2004)。最近 国家自然科学基金项目(No.30370850)资助。 的研究结果表明:外源 NO 能缓解马铃薯由喷施 * 通讯作者(E-mail: zwslsh@public1.ptt.js.cn; Tel: 025-84395347)。 zycnzj.com/http://www.zycnzj.com/
  2. 2. zycnzj.com/ www.zycnzj.com 456 植物生理与分子生物学学报 30 卷 后于 80℃烘干至恒重。 1.6  多胺含量的测定 1.3  叶绿素含量测定 参照刘俊等(2002)方法。 参照 Arnon(1949)方法测定。 1.4  质膜透性的测定 2  结果 采用测相对电导率的方法(Scotti 和 Thu 1997)。 2.1 不同浓度的 NaCl 对玉米幼苗生长的影响 1.5 Na+ 、K + 含量的测定 从图 1(A)的结果可以看出,不同浓度的 NaCl 参照 Hunt (1982) 法,稍作改动。取鲜样2 胁迫玉米 7 d,其干物质积累速率有不同程度的下 g 以上,蒸馏水洗净吸干,在 110℃杀青5 min 后 降。和对照相比,NaCl 50 mmol/L 处理下降幅 于 8 0 ℃烘干至恒重,磨碎,1 mm 过筛。称取 度不大,100 mmol/L 的 NaCl 处理下降显著,而 50 mg 放于 50 mL 三角瓶中,加入 25 mL 0.5 mol/ 150、200 mmol/L 的 NaCl 处理干物质积累速率下 L 的盐酸,50℃振荡水浴 45 min, 过滤并用蒸馏水 降更为明显。选用 100 mmol/L NaCl 作为下面实 定容至 50 mL, 用日立 Z-8000 型原子吸收仪测定。 验的盐胁迫浓度。 图 1 不同浓度的 NaCl 处理对玉米幼苗干重(A)和不同浓度的 SNP 对盐胁迫下玉米干物质积累速率的影响(B) Fig.1  Effect of NaCl on dry weight (A) and effect of SNP on rate of dry matter accumulation (B) in maize seedlings under 100 mmol/ L NaCl stress for 7 d Different small letters above columns or points represent significance at P<0.05 according to Duncan’s mutiple range test. The same is used in Fig.2. 2.2  不同浓度的 NO 对盐胁迫下玉米干物质积累 叶片叶绿素的提高作用非常明显,甚至比正常情 速率的影响 况下生长的叶片叶绿素含量还要高。NO 在体内 100 mmol/L 的 NaCl 胁迫下,外施 0.1~200 - 会代谢为 NO2 ,所以这里设 NaNO2 为另一对照处 µmol/L 的 SNP 对玉米幼苗的干物质积累速率有不 理,结果表明 NaNO2 处理对叶绿素含量没有明显 同程度的提高,其中 0.1、1 µmol/L 的 SNP 处理 影响(图 2A)。 差异不显著(未在图中列出),50 µmol/L 及以上浓 盐胁迫下,玉米叶片质膜相对透性明显增 度处理效应都达显著水平,以 100 µmol/L 的 SNP 加,电解质大量外渗(图 2B); NO 处理后使相对电 处理效果最为明显(图 1B)。故选用 100 µmol/L 的 导率降低,达显著差异。说明外源 NO 使细胞膜 SNP 作为下面实验的 NO 处理浓度。 2.3  NO对盐胁迫下玉米叶片氧化损伤的保护作用 的离子渗漏减少,保护了细胞膜结构的完整性。 100 mmol/L 的 NaCl 胁迫 7 d,玉米叶片叶 NaNO2 处理的相对电导率与 NaCl 处理的幼苗没有 绿素含量明显降低;而外源 NO 对盐胁迫下玉米 显著差异。 zycnzj.com/http://www.zycnzj.com/
  3. 3. zycnzj.com/ www.zycnzj.com 4期 张艳艳等: 一氧化氮缓解盐胁迫对玉米生长的抑制作用 457 图 2 NO 对盐胁迫下玉米叶片叶绿素含量(A)和膜离子渗漏(B)的影响 Fig.2  Effect of NO on chlorophyll content (A) and electrolyte leakage (B) in leaves of maize seedlings subjected to 100 mmol/L NaCl stress for 7 d Ⅰ:Control;Ⅱ:NaCl;Ⅲ:NaCl+SNP 100 µmol/L;Ⅳ:NaCl+NaNO 2 1 µmol/L. 2.4  NO对NaCl胁迫下玉米幼苗无机离子吸收和 化更为明显。外施 NO 降低了各器官中 Na + 含量, 分配的影响 而提高了 K + 含量,从而提高了 K + /Na + (表 1)。而 盐胁迫下玉米幼苗根、茎、叶中 Na + 含量明 NaNO2 处理对各器官中离子含量没有明显的 显增加,K 含量显著降低,特别在根中这种变 + 影响。 表 1 NO 对 NaCl 胁迫下玉米幼苗根、茎、叶离子含量(mmol/g DW)的影响 Table 1 Effect of NO on content of Na+, K+ and K+/Na+ in maize seedlings under NaCl stress Root Stem Leaf Treatment +          Na K+ K+/Na + Na + K+ K+/Na + Na + K+ K+/Na + Control 0.09±0.01d 2.47±0.14a 26.64±0.52a 0.05±0.01b 1.55±0.24b 34.78±0.14a 0.05±0.01c 1.89±0.05a 42.09±2.73a NaCl 2.54±0.04a 0.32±0.03c 0.13±0.01c 2.12±0.11a 1.48±.003b 0.70±0.03c 1.38±0.13a 1.37±0.16b 0.99±0.03c NaCl+SNP 2.31±004c 0.65±0.01b 0.27±0.01b 2.01±0.08a 1.92±0.05a 0.90±0.01b 1.22±0.06b 1.57±0.23b 1.28±0.25b NaCl+NaNO2 2.42±003b 0.32±0.03c 0.14±0.01c 2.12±0.04a 1.45±0.02b 0.69±0.02c 1.32±0.03a 1.38±0.02b 1.04±0.05c Different small letters within the same column represent significance at P<0.05 according to Duncan’s mutiple range test. The same is used on Table 2. 2.5  NO 对盐胁迫下玉米叶片多胺含量的变化 比值;而 NaNO 2 对多胺含量和(Spd+Spm)/ Put 比 100 mmol/L 的 NaCl 处理 7 d,玉米幼苗叶 值都没有显著的影响。 片游离态多胺总量下降,外源 NO 处理可以显著 降低多胺的含量(表 2 )。盐胁迫使(Spd+Spm)/ Put 3  讨论 比值下降,外源 NO 显著提高了(Spd+Spm)/ Put 的 SNP 是 NO 的一种供体,Delledonne 等(1998) 表 2  NO 对盐胁迫下玉米幼苗叶片多胺含量(nmol/g FW)和(Spd+Spm)/Put 的影响 Table 2  Effect of NO on polyamine content (nmol/g FW) and (Spd+Spm)/Put ratio of maize leaves after 7 d of salt stress  Treatment Put Spd Spm Total content (Spd+Spm)/Put Control 98.58±6.00a 147.34 ±1 0.37a 49.18±9 .95a 295.10 ±1 7.13a 1.99±0 .28b NaCl 99.45±11.99a 127.80±4.49ab 54.39±5.88a 281.63±14.39ab 1.83±0.26b NaCl+SNP 56.38±6.70b 110.09±16.40b 55.93±1.40a 222.40±11.59c 2.94±0.61a NaCl+NaNO 2 96.50±7.63a 116.34±8.51b 52.49±3.10a 265.33±4.60b 1.76±0.18b zycnzj.com/http://www.zycnzj.com/
  4. 4. zycnzj.com/ www.zycnzj.com 458 植物生理与分子生物学学报 30 卷 报告 0.5 mmol/L 的 SNP 约能释放 2.0 µmol/L NO。 胁迫下大麦体内游离态 Spd、Spm 和 Put 的平衡与 我们的实验结果表明 0.1 mmol/L 的 SNP 处理(相当 其耐盐性关系密切,游离态 Put 向 Spd 和 Spm 转 于0.4 µmol/L的NO)能明显减轻盐胁迫对叶片的氧 化有利于提高植物的耐盐性。我们的实验结果显 化损伤,提高盐胁迫下玉米幼苗的干物质积累速 示:盐胁迫下,玉米幼苗叶片 Put 含量有所上升, 率(图 1B),而其主要副产物 NO- 没有这种效果(图 2 Spd 含量显著下降。外源 NO 处理降低了多胺的含 2B),说明 NO 能缓解盐胁迫对玉米生长的抑制。 量,特别是 Put 的含量, (Spd+Spm)/ Put 比值显著 叶绿体是植物进行光合作用的主要部位,也 上升(表 2),这可能是 NO 缓解盐胁迫的又一重要 是细胞中对盐敏感的细胞器(Cheeseman 1988)。叶 机制。 绿素酶是叶绿素降解代谢中唯一肯定起作用的酶, 参考文献 NaCl 能增强叶绿素酶活性,加速叶绿素分解。盐 胁迫下,植物细胞叶绿体和线粒体电子传递中泄 Akio U, Andre TJ, Takashi H, Teruhiro T, Tetsuko T (2002). Effects of hydrogen peroxide and nitric oxide on both salt 漏的电子增加,活性氧大量产生。蒋明义等 and heat stress tolerance in rice. Plant Sci, 163:515-523 (1994)证实渗透胁迫下叶绿素的降解主要由活性氧 Arnon DI (1949). Copper enzymes in isolated chloroplast: 的氧化损伤引起,而质膜电解质外渗的增加与脂 phenol oxidase in Beta vulgaris. Plant Physiol, 24:1-15 质过氧化速率呈显著正相关。本实验结果表明: Beligni MV, Lamattina L (1999). Nitric oxide protects against 外源 NO 显著提高了盐胁迫下叶绿素含量,降低 cellular damage produced by methylviologen herbicides 电解质渗漏(图 2A、B),从而缓解了盐胁迫带来 in potato plants. Nitric Oxide, 3 (3): 199-208 Beligni MV, Lamattina L (2001). Nitric oxide: a non-traditional 的氧化损伤,一定程度上保护了叶绿体和细胞膜 regulator of plant growth. Trends Plant Sci, 6:508-509 结构 的完 整。 Boyer JS (1982). Plant producitivity and environment. Science, 盐胁迫对植物造成的危害主要是离子毒害、 218:443-448 渗透胁迫和营养不平衡。淡土植物的耐盐性主要 Cheeseman JM (1988). Mechanism of salinity tolerance in 通过根系对离子的选择性吸收和盐分在器官、组 plants. Plant Physiol, 87:547-550 织及细胞层次上的区域化分布,从而减轻地上部 Delledonne M, Xia YJ, Dixon RA (1998). Nitric oxide function as a signal in plant disease resistance. Nature, 394(6693): (特别是叶片)盐分浓度的上升,维持光合功能是 585-588 植物耐盐的重要机理之一(刘友良和汪良驹 1998)。 Hunt J (1982). Dilute hydrochloric acid extraction of plant 盐胁迫下,玉米植株体内 Na + 含量明显上升,而 material for routine cation analysis. Commun Soil Sci Plant K+ 含量显著下降;外源 NO 则显著降低 Na+ 含量, Anal, 13(1):49-55 提高 K 含量,从而使 K /Na 大大上升,这种作 + + + Jiang MY(蒋明义),Yang WY(杨文英), Xu J(徐 江), Chen 用在根中表现的更为明显(表 1)。说明 NO 缓解盐 QY(陈巧云) (1994). Active oxygen damage effect of chlorophyll degradation in rice seedlings under osmotic 胁迫的机理之一可能是其促进根系对K + 的选择性 stress. Acta Bot Sin (植物学报), 36(4): 289-295 吸收及其向地上部的运输,而降低对 Na + 的吸收 Kelm M, Dahmann R, Wink D (1997). The nitric oxide/ 及其向地上部的运输。 superoxide assay. Insights into the biological chemistry 多胺(polyamine, PA)是植物体内一种重要的生 - of the NO/O2· interaction. J Biol Chem, 272(15): 9922- 理活性物质,在植物的生长发育、形态建成以及 9932 对环境的响应方面有重要的作用。腐胺(putricine, Liu J (刘 俊),Ji XJ (吉小佳),Liu YL (刘友良)( 2002). High performance liquid chromatography method for Put)、亚精胺(spermidine, Spd)和精胺(spermine, measuring polyamine content in plant tissue. Plant Physiol Spm)是植物体内较常见的 3 种多胺,与植物体对 Commun (植物生理学通讯), 38(6): 596-598 (in Chinese) 环境胁迫反应关系密切。多胺可以维持盐胁迫下 Liu YL (刘友良),Wang LJ (汪良驹)(1998). Responses to 大分子的构象,清除体内的活性氧,其中 Spd 和 salt stress in plants and its salt tolerance. In: Yu SW (余 Spm 的作用要比 Put 显著。Santa-Cruz 等(1997)指 叔文), Tang ZC (汤章城) (eds). Plant Physiology and Molecular Biology. Beijing: Science Press, 752-769 (in 出盐胁迫下抗性强的番茄叶片中(Spd+Spm)/ Put比 Chinese) 值高于抗性弱的品种。Zhao 等(2003)研究表明盐 zycnzj.com/http://www.zycnzj.com/
  5. 5. zycnzj.com/ www.zycnzj.com 4期 张艳艳等: 一氧化氮缓解盐胁迫对玉米生长的抑制作用 459 Mata CG, Lamattina L (2001) Nitric oxide induces stomatal unguiculata leaf discs subjected to osmotic stress. Plant closure and enhances the adaptive plant responses against Sci, 130: 11-18 drought stress. Plant Physiol, 126 (3): 1196-1204 Wendehenne D, Pugin A, Klessig DF (2001). Nitric oxide: Ruan HH (阮海华), Shen WB(沈文飚), Ye MB(叶茂炳) (2002). comparative synthesis and signaling in animal and plant NO protects wheat leaf against oxidation damage under cells. Trends Plant Sci, 6 (4): 177-183 salt stress. Chin Sci Bull (科学通报), 23: 1993-1997 (in Yamasaki H, Shaniohi SY, Takahashi S (1999). An alternative Chinese) pathway for nitric oxide production in plant: new feature Santa-Cruz A, Acosta M, Pérez-Alfocea F, Bolarin BC (1997). of and old enzyme. Trends Plant Sci, 4 (4): 128-129 Changes in free polyamine levels induced by salt stress in Zhang YY(张艳艳), Liu YL(刘友良)(2004). Source and function leaves of cultivated and wild tomato species. Physiol of nitric oxide in plants. Acta Bot Boreal Occident Sin (西 Plant, 101(1): 7-12 北植物学报), 24(5):921-929 (in English) Scandalios JG (1993). Oxygen stress and superoxide dismutases. Zhao FG, Sun C, Liu YL, Zhang WH (2003). Relationship Plant Physiol, 101(1): 7-12 between polyamine metabolism in roots and salt tolerance Scotti C, Thu PT (1997) Effect of abscisic acid pretreatment on of barley seedlings. Acta Bot Sin (植物学报),45(3):295- membrane leakage and lipid composition of Vigna 300 Nitric Oxide Alleviates Growth Inhibition of Maize Seedlings Under NaCl Stress ZHANG Yan-Yan, LIU Jun, LIU You-Liang* (College of Life Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China) Abstract: The effect of nitric oxide (NO) on age caused by NaCl stress through increasing K+ growth of maize seedlings under 100 mmol/L uptake and transport to shoots and decreasing NaCl stress was studied. The results showed that Na+ uptake and transport, and also through en- 0.1-200 µmol/L sodium nitroprusside (SNP), hancing the conversing of Put to Spd and Spm. especially 100 µmol/L SNP, increased dry accu- Key words: NO; maize; NaCl stress; polyamine; ion mulation in maize seedlings significantly (Fig. 1B), the chlorophyll content (Fig.2A), K+/Na+ ratio and (Spd+Spm)/Put ratio (Tables 1, 2), and This work was supported by National Natural Science Foundation of decreased electrolyte leakage (Fig.2B). These China (No.30370850). results suggest that NO may alleviate the dam- *Corresponding author (E-mail: zwslsh@public1.ptt.js.cn). zycnzj.com/http://www.zycnzj.com/

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