麦类作物学报 2023,43(7):911-919
J o u r n a l o fT r i t i c e a eC r o p
s d o i :10.7606/j
.i s s n .1009-1041.2023.07.12网络出版时间:2023-05-12
网络出版地址:h t t p
s ://k n s .c n k i .n e t /k c m s /d e t a i l /61.1359.S .20230511.1841.021.h t m l 铝胁迫下不同小麦基因型根尖多胺含量变化与耐铝性的关系
收稿日期:2022-08-05  修回日期:2022-09-16
基金项目：高校优秀青年人才支持计划重点项目(g x y q Z D 2021096)；安徽省级质量工程项目(2021j y
x m 0429)；中国学位与研究生教育学会农林学科工作委员会研究生教育管理课题(2021-N L Z X -Y B 71)
；安徽农业大学研究生质量工程项目(2020y j s j y
01)第一作者E -m a i l :y u y a n
_917@163.c o m 余燕1,2，周茂润1，董嘉1，丁茂文1，岳文丽1，周可金1，孙成亮2，林咸永2
(1.安徽农业大学农学院，安徽合肥230036;2.浙江大学环境与资源学院，浙江杭州310058
)摘 要：为探明铝胁迫下多胺种类和含量变化与小麦耐铝性的关系，以小麦耐铝基因型西矮麦1号和铝
敏感基因型扬麦5号为试验材料，分析了对照和铝胁迫(30μm o l ㊃L -1A l C l 3)条件下，两个小麦基因型幼苗根尖多胺种类和含量㊁根系伸长㊁氧化损伤和活性氧产生等指标的差异㊂结果表明，随铝胁迫时间的延长，小麦幼苗根系伸长量逐渐降低，但西矮麦1号显著高于扬麦5号㊂铝胁迫24h 后,2个小麦基因型根尖铝含量㊁膜脂过氧化程度㊁E v a n sb l u e 吸收量㊁活性氧含量均显著升高，且西矮麦1号各指标均显著低于扬麦5号㊂铝胁迫下2个小麦基因型根尖腐胺总量随铝胁迫时间的延长均不同程度增加，西矮麦1号根尖腐胺总量增加时间明显早于扬麦1号，且前者增加幅度明显高于后者㊂相反，根尖亚精胺总量随铝胁迫时间的延长显著降低，西矮麦1号的降幅明显小于扬麦5号㊂添加腐胺合成抑制剂(D -A r g )显著加剧了铝诱导的氧化损伤，且对西矮麦1号的加剧作用较明显㊂这说明铝诱导的小麦多胺水平变化与耐铝性密切相关，腐胺总量的增加可能是
耐铝的重要机制，而亚精胺总量的降低可能与小麦铝敏感性有关㊂
关键词：铝胁迫；小麦；多胺；氧化损伤；活性氧
中图分类号:S 512.1;S 311    文献标识码:A    文章编号:1009-1041(2023)07-0911-09
A s s o c i a t i o nb e t w e e nP o l y a m i n e sC h a n g eP r o f i l e s a n dA l u m i n u m T o l e r a n c e o fT w oD i f f e r e n t i a lW h e a tG e n o t y p
e s Y UY a n 1,
2,Z H O U M a o r u n 1,D O N GJ i a 1,D I N G M a o w e n 1,Y U E W e n l i 1,Z H O U K e j
i n 1,S U NC h e n g l i a n g 2,L I NX i a n y o n g
2
(1.C o l l e g e o fA g r o n o m y ,A n h u iA g r i c u l t u r a lU n i v e r s i t y
,H e f e i ,A n h u i 230036,C h i n a ;2.C o l l e g e o fE n v i r o n m e n t a l a n dR e s o u r c eS c i e n c e ,Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ,H a n g z h o u ,Z h e j i a n g 3
10058,C h i n a )A b s t r a c t :T o i n v e s t i g a t e t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n p o l y a m i n
e s c h a n g e p r o f i l e s a n d a l u m i n u m (A l )t o l e r -a n c e i nw h e a t s e e d l i n g s ,a nA l t o l e r a n tw h e a t g e n o t y p eX i a i m a i 1a n da nA l s e n s i t i v e g e n o t y p eY a n g
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e ,a n d r e a c t i v e o x y g e ns p e c i e s (R O S )o
f t h e t w ow h e a t
g e n o t y p
e su n d e r30μm o l ㊃L -1A l s t r e s sw e r e s t u d i e d .T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e r o o t e l o n g a t i o no fw h e a t s e e d l i n g sd e c r e a s e d g r a d u a l l y w
i t h t h e p r o l o n g a t i o no f a l u m i n u m s t r e s s t i m e ,b u t t h er o o te l o n g a t i o no fX i a i m a i 1w a ss i g n i f i c a n t l y h i g
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K e y w o r d s:A l u m i n u ms t r e s s;W h e a t;P o l y a m i n e s;O x i d a t i v e d a m a g e;R e a c t
i v e o x y g e n s p e c i e s
全球约30%的土地面积和50%的潜在可耕地是p H值低于5.5的酸性土壤，铝毒是酸性土壤上作物生长最主要的限制因子[1-3]㊂铝毒害后植物表现出的最典型症状是根系生长受阻，根尖是铝毒害的原初位点[4]㊂铝毒害会造成植物体一系列生理生化过程紊乱，如抑制养分吸收㊁干扰激素平衡和植物细胞信号转导[5-7]㊂铝胁迫会引起植物体内活性氧(r e a c t i v eo x y g e ns p e c i e s,R O S)代谢失衡，对植物造成氧化损伤[7-9]㊂植物在铝胁迫下可通过诱导有机酸分泌㊁提高根际p H值㊁改变细胞壁特性和质膜功能等机制抵御铝的毒害[10-11]，但目前关于在对铝胁迫的适应过程中植物体内多胺㊁一氧化氮等信号分子的调控机制尚不清楚[12-15]㊂
多胺是植物体中重要的生理活性物质，可对逆境胁迫作出快速反应，进而启动合成和分解过程，参与调节植物对逆境的适应性[16-18]㊂植物体内常见的多胺包括腐胺(p u t r e s c i n e,P u t)，亚精胺(s p e r m i d i n e,S p d)和精胺(s p e r m i n e,S p m)[19-20]㊂外源添加适量多胺或者通过分子手段调控其代谢途径可在一定程度上缓解植物逆境损伤[21-24]㊂关于多胺对植物铝胁迫的响应也有一些研究报道㊂研究发现，铝胁迫可诱导水稻根系中P u t大量积累，这可能是其抑制水稻根系伸长的原因[25]㊂而西洋梨[12]和红芸豆[26]中S p d或P u t的积累有助于增强植株耐铝性，但也有人认为P u t与红云衫细胞悬浮液的耐铝性无关[27]㊂在番红花中，外源P u t㊁S p d和S p m处理均能显著缓解铝对植株根系伸长的毒害作用[28]㊂由此可见，铝胁迫下植物体内多胺含量变化及其作用并不完全一致，在农作物上也多采用单一品种进
行研究㊂本试验以前期筛选的耐铝性差异显著的2个小麦基因型为研究材料，分析了铝胁迫下小麦根尖多胺种类和含量的变化及其与铝耐性的关系，以期进一步阐明
小麦耐铝性的生理生化机制㊂
1材料与方法
1.1植物材料与培养
本试验以前期筛选的耐铝性差异显著的2个小麦基因型西矮麦1号(耐性)和扬麦5号(敏感)为研究材料[29]㊂种子消毒清洗后用去离子水浸种过夜，然后用湿润的纱布包裹置于25ħ培养箱中避光催芽过夜㊂将发芽的种子转移到悬浮于0.5mm o l㊃L-1C a C l2(p H4.3ʃ0.1)溶液的塑料筐上进行培养㊂营养液的p H用浓度为0.1 m o l㊃L-1的H C l或N a O H进行调节，且每天更换营养液㊂控制培养室的光照强度为300μm o l㊃m-2㊃s-1，光照和温度设置为白天12h/25ħ和夜晚12h/22ħ，相对湿度为70%㊂3d后选取长势一致的小麦幼苗进行处理㊂试验设置无铝对照(C K)和30μm o l㊃L-1A l C l3处理(A l)，在铝胁迫不同时间取根尖进行测定㊂
1.2测定指标与方法
1.2.1根系伸长量和铝含量的测定
将3d苗龄且长势一致的小麦幼苗转移在含0或30μm o l㊃L-1A l C l3的0.5mm o l㊃L-1 C a C l2(p H4.3ʃ0.1)溶液中处理3㊁6㊁12和24 h㊂用直尺分别量取铝胁迫前后的小麦主根长度，各处理重复测定20株㊂根系伸长量即处理前后的根长度差㊂小麦根尖铝含量依据Y u等[14]的方法测定，将处理后的小麦根尖0~10mm部分(约0.15g)用刀片迅速切下，用0.5mm o l㊃L-1 C a C l2(p H4.3ʃ0.1)溶液冲洗3次后放入含10 m L2m o l㊃L-1H C l溶液的离心管中震荡浸提24h，然后用I C P-M S(A g i l e n t7500A,C a l i f o r n i a, U S A)测定㊂
1.2.2根尖H2O2和O2-·含量的测定
小麦根尖H2O2和O2-㊃含量根据Y u等[30]分
㊃219㊃麦类作物学报第43卷
别采取与硫酸钛和羟胺反应生成黄或粉红物
质的方法比进行测定㊂
1.2.3 根尖M D A 含量和E v a n sB l u e 吸收量的
测定
脂质过氧化程度通常以M D A 含量为指标，细胞膜的完整性采用E v a n sb l u e 吸收量的方法
进行测定[
31
]㊂1.2.4 组织染和显微观察
根尖H 2O 2的分布采用3
,3'-二氨基联苯胺(3,3'-d i a m i n o b e n z i d i a n ,D A B )进行染观
察,O 2-㊃
的分布采用荧光探针d i h y f r o e t h i d i u m (D H E )进行染观察，总R O S 的分布采用荧光
探针2',7'-二氯荧光黄双乙酸盐(D C F H -D A ;B e -y o t i m e ,J i a n g
s u ,C h i n a )进行染观察，根尖铝的含量采用苏木精染方法进行观察[
14,30
]
㊂根尖膜脂过氧化程度和细胞完整性分别采用S c h i f f  s
r e a g e n t (S i g
m a -A l d r i c h )和E v e n sb l u e 染观察[
30
]㊂1.2.5 多胺含量的测定
多胺采用高效液相谱法进行测定[
32-33]
㊂小麦根尖用5%(w /v )预冷的高氯酸(p
e r c h l o r i c a c i d ,P C A )
在冰上充分研磨成匀浆，冰浴浸提1h 后,12000g 4ħ下离心20m i n
㊂沉淀用5%P C A 进一步提取,
离心，重复两次，分别收集三次所得上清液和沉淀㊂
取混匀的上清液1m L 装入安瓿瓶中,
加入12m o l ㊃L -1H C l 封口，在110ħ下酸解18h ㊂
酸解后，在70ħ下干燥后重溶于5%P C A 中,
然后取上清液加入1m L2m o l ㊃L -1N a O H 和10μ
L 苯甲酰氯原液进行衍生，涡旋20s 混匀,37ħ反应25m i n 后加入2m L 饱和N a C l 混匀中止反
应，加入2m L 的乙醚萃取苯甲酰化的多胺，离心后取1m L 乙醚相真空干燥，再次加入1m L 乙醚
reactive oxygen species (ros)混匀干燥(重复2~3次)，直到没有明显的苯甲酰
味为止㊂最后，加入200μL 甲醇涡旋溶解㊂
经0.22μm o l
㊃L -1滤膜过滤后，放入棕液相谱瓶内用高效液相谱仪(A g
i l e n t1200,U S A )检测㊂进样量为10μL ，谱柱为E l i p
s e X D B -C 18反向谱柱(4.6mm ˑ150mm 5
μ
m ;A g i l e n t ,U S A )，柱温30ħ，流动相为65%的甲醇，流速0.6m L ㊃m i n -1
㊂用紫外检测器于254n m 处检测㊂以P u t ㊁S p d ㊁S p m (S i g
m a -A l d r i c h
)样品做标准曲线，检测方法同样品㊂沉淀用5%P C A 反复洗涤(2~3次)
除去残留的可溶性多胺，然后装入安瓿瓶中，加入12m o l
㊃L -1H C l 封口,110ħ下酸解18h ㊂酸解后,
过滤除去碳化物质,70ħ下干燥后，重溶于5%P C A ，然后按照上述方法进行衍生和测定㊂上清液和沉淀中
含量相加即为多胺总量，单位为μm o l ㊃g -1F W ㊂1.3 数据分析与作图
使用D P S18.10数据处理系统进行统计分析，处理间差异显著性运用L S D 法比较，采用O r i g i n P r o 2022作图㊂2 结果与分析
2.1 铝胁迫对小麦根系伸长和根尖铝积累量的影响
铝胁迫6h 可显著抑制两个小麦基因型的根系伸长，且随着铝胁迫时间的延长，两个基因型根
系伸长的受抑程度均逐渐增大(图1)
㊂扬麦5号的根系伸长量始终低于西矮麦1号，且基因型之间的差异随着铝胁迫时间的延长而逐渐增大㊂铝胁迫24h 后，扬麦5号和西矮麦1号的根系伸长量分别为对照的30.21%和47.15%㊂铝胁迫下，扬麦5号根尖的铝积累量及苏木精染深度均显
著高于西矮麦1号(图2
)㊂
这表明铝胁迫对小麦  图柱上不同字母表示处理间差异显著(P <0.05
)㊂下图同㊂D i f f e r e n t l e t t e r s o n t h e c o l u m n s i n d i c a t e s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s a m o n g t h e t r e a t m e n t s a t 0.05l e v e l .T h e s a m e i n t h e f o l l o w i n g f i g
u r e s .图1 铝胁迫对两个基因型小麦根系伸长的影响
F i g .1 E f f e c t s o f a l u m i n u ms t r e s s o n r o o t e l o n g a t i o no f t w ow h e a t g e n o t y p e s d i f f e r i n g
i na l u m i n u mt o l e r a n c e ㊃
319㊃第7期
余燕等：铝胁迫下不同小麦基因型根尖多胺含量变化与耐铝性的关系
根系造成了毒害，且扬麦5号根系生长受抑制程
度更严重㊂
2.2 铝胁迫对小麦根系氧化损伤和活性氧产生的影响
铝胁迫24h 后扬麦5号和西矮麦1号根尖
M D A 含量分别较C K 增加了147.20%和
67.12%(图3A ),E v a n sb l u e 吸收量分别增加了
226.96%和196.14%(图3B )㊂S c h i f f  s r e a g e n t 染后，铝胁迫24h 后两个基因型小麦根尖染程度均不同程度增加，说明铝胁迫加剧了小麦根系膜脂过氧化，其中扬麦5号膜脂过氧化程度更严重(图3C )㊂从E v a n s b l u e 吸收的染结果(
图图2 铝胁迫下两个不同基因型小麦根尖铝积累情况
F i g .2 A l u m i n u ma c c u m u l a t i o n i n r o o t t i p s i n t h e s e e d l i n g s o f t w ow h e a t g e n o t y p
e
s 图3 铝胁迫对两个小麦基因型根尖膜脂过氧化程度和细胞膜完整性的影响
F i g .3 E f f e c t s o f a l u m i n u ms t r e s s o n t h e l i p i d p e r o x i d a t i o na n dm e m b r a n e i n t e g r i t y i n r o o t t i p s o f t w ow h e a t g e n o t y p
e s ㊃419㊃麦 类 作 物 学 报                  第43卷
3D )看，铝胁迫24h 后扬麦5号根尖着更深,
进一步说明其E v a n s b l u e 吸收量更大,
细胞膜完整性的破坏程度更严重㊂
铝胁迫后2个小麦基因型根尖活性氧含量均
显著增加(图4)㊂在对照条件下,2个小麦基因型
根尖H 2O 2(图4A )和O 2-㊃
(
图4B )含量没有显著差异，而1铝胁迫24h 后，扬麦5号根尖H 2O 2
和O 2-㊃的含量及西矮麦1号根尖O 2-
㊃
的含量均显
著增加㊂组织染后，两个基因型的根尖D A B
染深度和D H E ㊁D C H F -D A 荧光强度较C K 明
显加深，且扬麦5号的H 2O 2㊁O 2-
㊃以及总活性氧
积累显著高于西矮麦1号(图4C )
㊂这说明铝胁迫促进了小麦根系活性氧的积累，且在敏感基因型中表现较明显
㊂
图4 铝胁迫对两个小麦基因型根尖活性氧产生的影响
F i g .4 E f f e c t s o f a l u m i n u ms t r e s s o n r e a c t i v e o x y g e n s p e c i e s p r o d u c t i o n i n r o o t t i p s o f t w ow h e a t g e n o t y p
e s 2.3 铝胁迫对小麦根系多胺含量的影响
在C K 条件下，小麦根尖P u t 含量以及S p d 含量较低且相对稳定，而S p m 未被检测到(可能由于含量低于检测限)；在铝胁迫下,2个基因型根尖P u t 总量随铝胁迫时间的延长均不同程度增
加，而S p
d 总含量则呈降低趋势(图5)㊂铝胁迫6h 时西矮麦1号的P u t 含量显著增加，在胁迫12
h 时达到峰值32.11μm o l ㊃g -1
F W ，约为C K 的
2倍；扬麦5号的P u t 总量仅在胁迫12h 后比C K 增加约26.92%㊂与P u t 含量表现相反，铝胁迫后S p d
含量随铝胁迫时间延长而逐渐下降，铝胁迫24h 时扬麦5号和西矮麦5号分别较C K
下降46.24%和24.90%(图5B )㊂这表明铝胁迫诱导的多胺水平差异性变化可能是两个小麦基因型耐铝性不同的重要原因㊂
2.4 外源多胺及合成抑制剂对小麦根系伸长和氧化损伤的影响
不同浓度和不同种类的多胺对铝诱导的小麦根系伸长的抑制作用效果不同(图6)㊂其中,0.5~10mm o l ㊃L -1P u t 处理均不同程度地缓解了铝胁迫对小麦根系伸长的抑制；当P u t 浓度为2
mm o l ㊃L -1时，缓解效果最佳，扬麦5号和西矮麦1号的根系伸长量分别为C K 的76.05%和85.00%，分别比铝单独处理高152.96%和89.23%，对扬麦5号根系伸长受抑的缓解程度更大㊂而S p d 和S p m 不仅无缓解效果，甚至较低的浓度就加剧铝毒程度(图6B 和C )㊂㊃
519㊃第7期
余燕等：铝胁迫下不同小麦基因型根尖多胺含量变化与耐铝性的关系