大豆幼苗中葡萄糖—6—磷酸脫氫酶對干旱脅迫的生理響應

王華華+黃俊駿+楊麗丹

摘要：以2種抗旱性不同的大豆品種（ZD11、YD24）為試驗材料，用聚乙二醇（PEG）模擬干旱脅迫條件，探討不同干旱脅迫條件下葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（G6PDH）活性的動態變化及其在抗旱性中的可能作用。結果顯示，干旱脅迫增強了2種大豆品種中G6PDH的活性，而且抗旱品種YD24比對照品種ZD11提高的幅度大，提示了G6PDH可能參與了大豆的抗旱性響應;進一步研究結果顯示，G6PDH抑制劑處理進一步提高了干旱脅迫下大豆根中相對電導率、丙二醛含量;另外，G6PDH抑制劑處理進一步抑制了主根的生長以及側根的數量。這些結果表明，干旱脅迫下G6PDH在增強大豆的抗旱性中可能起著重要的作用。

關鍵詞：大豆;干旱脅迫;葡萄糖-6-磷酸脫氫酶;抗旱機制;抗旱性

中圖分類號： S565.101;Q946.5 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）04-0102-03

收稿日期：2014-04-25

基金項目：國家自然科學基金（編號：U1204305）;河南省基礎與前沿技術研究項目（編號：132300410455）;河南省教育廳科學技術研究重點項目（編號：13A180515）;河南師范大學博士啟動課題（編號：11126、11129）。

作者簡介：王華華（1980—），男，湖北漢川人，博士，副教授，主要從事植物逆境生理研究。E-mail：hhwang04@163.com。

干旱是目前制約植物生長和農作物產量的主要逆境因素之一，已成為農作物生產上長期存在的主要非生物脅迫因素，嚴重影響了農作物的產量和質量[1]。在我國，尤其是干旱和半干旱地區，缺水問題一直是限制農業生產的最主要因素之一，即使是降水較多的地區也普遍存在季節性和非周期性干旱問題，因此了解干旱脅迫下作物的抗性有著重要的意義。戊糖磷酸途徑（PPP）是葡萄糖降解的1個主要代謝途徑，其產生的大量還原型輔酶Ⅱ（NADPH）可以為生物合成提供主要的還原力，其中間代謝物亦可為許多生物合成提供原料[2]。葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（G6PDH，分類號EC1.1.1.49）是PPP的關鍵酶，也是限速酶，在植物中廣泛存在。有研究表明，PPP參與了植物生長發育的調節和環境脅迫響應，如營養饑餓、鹽脅迫、金屬脅迫、病原菌侵染等[3-5]。雖然現有的研究結果表明，植物G6PDH參與了多種環境脅迫的應答，但是干旱脅迫下大豆中的G6PDH對干旱脅迫的響應及其調節作用仍然不清楚。本研究以2種抗旱性強弱不同的大豆品種（ZD11、YD24）為試驗材料，探討了干旱脅迫下G6PDH活性的動態變化過程及其在抗旱性中的可能作用，以期為進一步揭示干旱脅迫下大豆的抗旱機制以及培育抗旱品種提供線索。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試大豆（Glycine max）品種為抗旱性弱的周豆11（ZD11，對照）和抗旱性強的豫豆24（YD24），大豆種子由河南省周口市農業科學院提供。

1.2 材料培養

挑選大小一致的大豆種子，用5%次氯酸鈉消毒15 min后，用自來水反復沖洗干凈，放入水中浸泡2 h，使種子充分吸脹，然后將種子于恒溫箱內25 ℃黑暗條件下萌發2 d。挑選萌發一致的大豆種子，將其種在放有蛭石的托盤內，并用1/4 Hoagland溶液澆灌。培養條件：溫度25 ℃，14 h光周期，光照度150 μmol（m2·s），相對濕度控制在70%。

1.3 材料處理

用聚乙二醇（PEG）6000模擬干旱脅迫處理，將萌發后的種子取出、洗凈后轉移到盛有不同濃度PEG（0、3%、6%、9%、12%、15%）、25 mmol/L氨基葡萄糖-6-磷酸（GN6P）的溶液中進行不同處理。處理一定時間后收集大豆主根，用于各項指標的測定。

1.4 測定方法

處理完成后收集大豆幼苗的主根用于各項指標的測定。G6PDH提取及活性的測定參照Esposito等的方法[6]，G6PDH的活性根據NADPH產生的速率來測定;相對電導率、丙二醛（MDA）含量測定參照Wang等的方法[7];主根長度、側根數量的測定采用相機對處理后的大豆根部進行拍照記錄，其中根長用ImageJ軟件進行分析，每個處理至少分析30條根，所測指標均選用大豆的主根為試驗材料，測定時至少重復3次，取平均值。

2 結果與分析

2.1 不同干旱脅迫水平對G6PDH活性的影響

如圖1所示，用不同濃度PEG（0～15%）處理大豆24 h，隨著PEG濃度的增加，2種大豆根中G6PDH活性均表現出先增加后降低的趨勢，對照品種ZD11在9%PEG處理下達到最大值，與對照（PEG濃度為0）相比增加了82.7%;抗旱品種YD24在12%PEG處理下達到最大值，與對照（PEG濃度為0）相比增加了117.9%，且抗旱品種YD24的G6PDH活性始終比抗旱性較弱品種ZD11高。從表形上看，用15% PEG處理時，ZD11植株表現出明顯的萎蔫現象，而YD24則無明顯萎蔫現象。根據以上試驗結果，后續試驗選定中等脅迫程度（9% PEG）作為干旱脅迫處理的濃度。

為了進一步查明干旱脅迫下大豆根中G6PDH活性的動態變化過程，本試驗檢測了干旱脅迫下G6PDH活性變化的時間過程。如圖2所示，在正常營養液培養條件下，2個大豆品種中的G6PDH活性差異并不明顯（即處理開始時）;但在干旱脅迫條件下，隨著處理時間的延長，ZD11、YD24根中G6PDH活性均表現為先上升后下降，其中ZD11品種在處理36 h時達到最大值，與對照（處理開始時）相比增加了1238%;YD24品種則在處理48 h時達到最大值，與對照（處理開始時）相比增加了166.3%;隨著處理時間的進一步延長，G6PDH活性有所下降，但仍比對照的高，且抗旱性品種YD24在各個時間點的G6PDH活性均要高于抗旱性較弱品種ZD11，表明在干旱條件下，抗旱性品種YD24可能通過提高G6PDH的活性來抵御干旱脅迫對大豆植株造成的傷害。

2.2 干旱脅迫下G6PDH抑制劑對相對電導率、丙二醛含量的影響

相對電導率、丙二醛含量是反映植物受傷害程度常用的

2個重要指標[8]。為了進一步證實干旱脅迫下大豆根中G6PDH活性的增加與植物抗旱性有關，本試驗運用G6PDH抑制劑處理，檢測干旱脅迫下YD24大豆品種中相對電導率、丙二醛含量的變化情況。如圖3、圖4所示，干旱脅迫（9% PEG）處理48 h明顯提高了大豆根中相對電導率、丙二醛含量，分別比對照（未用PEG處理）增加了109.2%、57.1%;干旱脅迫條件下，用G6PDH抑制劑氨基葡萄糖-6-磷酸（GN6P）處理，使得大豆根中相對電導率、丙二醛含量均進一步明顯提高，分別增加了55.6%、36.4%，說明抑制G6PDH活性會加劇大豆植株遭受干旱脅迫所造成的氧化傷害程度，表明大豆幼苗通過增加G6PDH活性來抵抗干旱脅迫環境，避免植株遭受嚴重的氧化傷害，從而達到增強植株對干旱耐受性的目的。

2.3 干旱脅迫下G6PDH抑制劑對主根生長、側根數量的影響

根系是植物感受干旱脅迫信號的主要位點，土壤中水分的含量直接影響根系的發育[9]。為了進一步查明大豆根中G6PDH在植物抗旱性中的調節作用，本試驗運用G6PDH抑制劑處理，檢測了干旱脅迫下YD24大豆品種中主根長度和側根數量的變化情況。如圖5、圖6所示，干旱脅迫（9% PEG）處理48 h明顯抑制了主根生長、側根數量，分別比對照降低了22.6%、30.3%;G6PDH抑制劑GN6P處理進一步抑制了干旱脅迫條件下主根生長和側根數量，與干旱脅迫相比分別降低了47.9%、33.0%。這些結果表明，干旱脅迫下G6PDH參與調節了大豆根的生長發育過程。

3 討論與結論

干旱脅迫條件會引起植物細胞質膜的損傷、細胞內容物的損傷、色素的破壞、自由基的增加等，最終導致細胞內的氧化還原平衡的變化，使細胞遭到氧化傷害。然而，為了維持細胞的氧化還原平衡及正常的生理生化狀態，細胞會做出適應性反應，如細胞內超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶的活性增加以消除自由基，維持細胞內的氧化還原平衡;另外還會產生1種對干旱脅迫的適應性反應，就是增加還原力，還原力的產生離不開磷酸戊糖途徑的主要調節酶G6PDH[10]。

本研究結果表明，隨著干旱脅迫程度的增加和脅迫時間的延長，2種大豆品種根中G6PDH活性均表現出先增加后降低的趨勢，可能是隨著干旱脅迫程度加重，植物體受到的氧化傷害更嚴重，導致G6PDH活性開始下降，其維持細胞氧化還原能力的減弱不足以抵消氧化破壞的能力，植株就可能呈負增長狀態。干旱脅迫下加入G6PDH抑制劑GN6P處理，大豆根中相對電導率、丙二醛含量均進一步增加也證明了這點。G6PDH被抑制可使得遭受干旱脅迫的植株氧化傷害程度加劇，表明G6PDH參與了大豆抗旱性的調節。

為了進一步探討G6PDH在大豆抗旱性中的調節作用，本試驗檢測了G6PDH對大豆主根生長和側根數量的影響。植物對環境特別是水分因子變化的響應主要通過根系進行，植物為了適應環境，提高競爭效率，吸收較多的養分和水分，根系表現出明顯的可塑性[11]。由于根的伸長使植物從土壤中吸收到水分，因此根對干旱逆境的不同反應通常被認為是作物對干旱條件的適應性指標。Hoecker等認為，增加根長是增大根系吸收表面積的有效途徑[12];然而Gullo等更加強調側根的作用，植物的主根數基本固定，但側根數量不受限制，水分脅迫條件下，植物可通過各級側根的加速分生和分枝而進行補償生長，提高根吸收表面積[13]。本試驗發現，在干旱脅迫條件下，大豆主根生長和側根數量均受到顯著抑制，G6PDH抑制劑GN6P處理則進一步增加了這種抑制效果，表明G6PDH增強大豆的抗旱性可能是通過調節大豆根系的生長發育來實現的。然而，對于G6PDH調節根系發育的機理還有待進一步的深入研究。

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