1. 引言
盐胁迫是指土壤中盐分过高，超过了植物所能耐受的范围，对植物生长和发育造成不利影响的环境因素。盐胁迫主要是由于土壤中的盐分浓度过高，其中包括氯化钠(NaCl)、硫酸钠(Na2SO4)、硫酸镁(MgSO4)等盐类物质。盐渍化是土壤盐分累积的过程，通常发生在干旱地区或者排水不良的地区[1]。土壤盐渍化的主要原因包括长期的过度灌溉、土壤蒸发过剩、土壤排水不畅等。盐渍化会使土壤中盐分浓度增加，加剧了盐胁迫的程度，严重影响了土壤的肥力和植被的生长，是全球土地退化的主要形式之一[2]。为了应对土壤盐渍化问题，需要采取有效的土壤改良措施，如合理施肥、提高作物耐盐能力、选用耐盐植物等。
春小麦(Spring Wheat)是在春季播种并在同年秋季或夏季成熟的小麦品种，广泛种植于世界各地的温暖和寒冷地区。由于其适应性强和生长周期短的特点，春小麦成为了许多地区重要的农作物之一。然而，全球范围内的土壤盐碱化问题严重影响了农作物的生长和产量，其中包括春小麦。植物在生长过程中受到高盐环境的影响，对植物生长和发育会产生负面效果[3]。盐胁迫会导致植物产生大量的活性氧自由基，如超氧根离子(O2−)、过氧化氢(H2O2)等，引发氧化应激反应。这些活性氧自由基会损害细胞膜、DNA、蛋白质等生物大分子，导致细胞损伤和死亡[4]。盐胁迫会干扰植物对营养元素的吸收和利用，导致营养元素的缺乏或积累，影响植物的生长和发育。
在盐胁迫条件下，细胞膜受损导致的氧化应激会促进脂质氧化反应的进行，从而增加丙二醛的产生量。盐胁迫导致植物丙二醛含量升高的机制主要与氧化应激和脂质氧化反应有关。这种现象也是植物对盐胁迫的一种生理适应反应，但长期高含量的丙二醛可能会对植物的生长和发育产生负面影响[5]。植物体内过氧化氢含量在低浓度时，可以作为信使介导细胞信号传导的多种应答反应，但高浓度过氧化氢会打破活性氧的产生与清除的动态平衡状态，生成大量的丙二醛，从而改变生物膜流动性，造成植物细胞脂质过氧化，引起细胞膜功能紊乱，最终对植物正常生长产生危害[6]。
谷胱甘肽(GSH)是一种重要的抗氧化分子，在植物的生理过程中扮演着关键角色[7]。盐胁迫是影响植物生长和产量的主要因素之一，因此研究外源谷胱甘肽对盐胁迫下春小麦幼苗抗氧化酶活性的影响具有重要意义。
2. 材料与方法
2.1. 试验材料
本次试验在商洛学院生物医药与食品工程学院植物营养学实验室进行，材料为商麦1619，由商洛学院生物医药与食品工程学院植物营养学实验室提供。
试验试剂：次氯酸钠、谷胱甘肽、氮蓝四唑、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、甲硫氨酸、核黄素、愈创木酚、过氧化氢等。
试验仪器：研钵、显微天平、培养皿、低温离心机、可调节移液器、水浴锅、紫外分光光度计等。
2.2. 试验方法
试验设置4个不同浓度水平的谷胱甘肽植物调节剂和150 mmol/L的盐胁迫水平。谷胱甘肽植物调节剂浓度设置为0.5 g/L、1 g/L、1.5 g/L、2 g/L。每个处理10株，3个重复。本试验共设置6种处理(见表1)：CK，正常培养土；S0，150 mmol/L盐胁迫；S1，0.5 g/L GSH + 150 mmol/L盐胁迫；S2，1.0 g/L GSH + 150 mmol/L盐胁迫；S3，1.5 g/L GSH + 150 mmol/L盐胁迫；S4，2.0 g/L GSH + 150 mmol/L盐胁迫。通过外源施加谷胱甘肽溶液，研究外源谷胱甘肽对盐胁迫下春小麦幼苗抗氧化系统的影响。
挑选饱满一致的种子并用1%的次氯酸钠消毒30 min，再用蒸馏水浸泡30 min，选择消毒后颗粒饱满的小麦种子置于铺有1层滤纸的培养皿中，加少量蒸馏水润湿，用锡箔纸包住培养皿，放入4℃冰箱中春化5 h，转入25℃恒温培养箱中黑暗培养24 h。挑选发芽一致的种子转移至对照组和150 mmol/L盐胁迫水平的基质土中培养，待第一叶长出(4~5 cm)，分别用不同浓度谷胱甘肽处理小麦幼苗，GSH溶液喷洒量根据植株大小有所差异，以叶片均匀打湿为准。选取谷胱甘肽处理10 d后的小麦幼苗叶片，用纯水冲洗3~5次，将表面擦干后用于各逆境生理指标含量的测定，分别测定各处理浓度下小麦幼苗抗氧化酶SOD、POD、CAT活性、过氧化氢含量、丙二醛含量五项指标。
Table 1. Treatment numbers of different concentrations of glutathione
表1. 不同浓度谷胱甘肽的处理编号
模拟盐胁迫浓度(mmol·L−1) |
喷施谷胱甘肽浓度(g·L−1) |
处理组编号 |
0 |
0 |
CK |
150 |
0 |
S0 |
150 |
0.5 |
S1 |
150 |
1.0 |
S2 |
150 |
1.5 |
S3 |
150 |
2.0 |
S4 |
称取适量叶片鲜样于预冷研钵中，用磷酸缓冲液和少量石英砂进行研磨提取，离心后上清液为提取液。SOD活性采用氮蓝四唑光化还原法[8]测定；POD活性采用愈创木酚法[9]测定；CAT活性采用紫外吸收法测定；过氧化氢含量采用Lee等[10]的方法进行测定；丙二醛含量参照Velikova等[11]的硫代巴比妥酸(TBA)检测法。
2.3. 数据处理与分析
以上五项指标处理重复3次，用Excel进行处理和制作图表，采用SPSS软件对数据进行差异显著性分析。
3. 结果与分析
3.1. 不同浓度外源谷胱甘肽对盐胁迫下春小麦幼苗超氧化物歧化酶活性的影响
根据图1的数据分析可知，盐胁迫显著提高了小麦幼苗叶片中超氧化物歧化酶(SOD)的活性。相较于对照组(CK)，S0处理组的SOD活性提升了59.56%。CK处理组显示最低的SOD活性，仅为27.2%，而S3处理组则展现出最高的SOD活性，达到了69.4%。在六组处理(CK、S0、S1、S2、S3、S4)中，小麦幼苗叶片的SOD活性随处理组外源谷胱甘肽的增加而逐步升高。然而，当外源谷胱甘肽(GSH)的喷施浓度从1.5 g/L增加到2.0 g/L时，SOD活性显著下降。对比S0处理组，S1、S2、S3处理组对小麦幼苗SOD活性的影响显著，特别是S3处理组的SOD活性与其他处理组相比有极显著的差异。与S2处理组相比，S4处理组的SOD活性差异不显著。
Figure 1. Effects of different concentrations of exogenous glutathione on superoxide dismutase activity in spring wheat seedlings under salt stress
图1. 不同浓度外源谷胱甘肽对盐胁迫下春小麦幼苗超氧化物歧化酶活性的影响
综上所述，不同浓度的外源谷胱甘肽对盐胁迫下的春小麦幼苗SOD活性具有促进作用，尽管影响的程度各异。在本实验条件下，外源谷胱甘肽浓度为1.5 g/L时，小麦幼苗展现出较高的SOD活性和强大的抗氧化能力，有效抵御盐胁迫引起的损害。
3.2. 不同浓度外源谷胱甘肽对盐胁迫下春小麦幼苗过氧化物酶活性的影响
根据图2的数据显示，盐胁迫显著提高了小麦幼苗叶片中过氧化物酶(POD)的活性。与对照组(CK)相比，S0处理组的POD活性增加了55.33%。CK处理组显示出最低的POD活性，为146.4%，而S3处理组则表现出最高的POD活性，达到429.1%。在六组处理(CK、S0、S1、S2、S3、S4)中，小麦幼苗叶片的POD活性随处理组外源谷胱甘肽的增加而逐步提高。然而，当外源谷胱甘肽(GSH)的喷施浓度从1.5 g/L增加到2.0 g/L时，小麦幼苗叶片的POD活性显著降低。与S0处理组相比，外源GSH对POD活性产生了显著影响，特别是S3处理组的POD活性与其他处理组相比有极显著差异。相比之下，S1和S2处理组的POD活性差异则不显著。
综上所述，不同浓度的外源谷胱甘肽在盐胁迫下对春小麦幼苗的POD活性具有促进作用，尽管各处理组的影响程度有所不同。在本次实验条件下，外源谷胱甘肽浓度为1.5 g/L时，小麦幼苗展现出较高的POD活性和强大的抗氧化能力，有效帮助其抵御盐胁迫造成的损害。
Figure 2. Effects of different concentrations of exogenous glutathione on peroxidase activity in spring wheat seedlings under salt stress
图2. 不同浓度外源谷胱甘肽对盐胁迫下春小麦幼苗过氧化物酶活性的影响
3.3. 不同浓度外源谷胱甘肽对盐胁迫下春小麦幼苗过氧化氢酶活性的影响
根据图3的数据显示，盐胁迫显著提高了小麦幼苗叶片中过氧化氢酶(CAT)的活性。与对照组(CK)相比，S0处理组的CAT活性增加了17.34%。CK处理组显示出最低的CAT活性，为79%，而S3处理组则表现出最高的CAT活性，达到135.3%。在六组处理(CK、S0、S1、S2、S3、S4)中，小麦幼苗叶片的CAT活性随处理组外源谷胱甘肽的增加而逐步提高。然而，当外源谷胱甘肽(GSH)的喷施浓度从1.5 g/L增加到2.0 g/L时，小麦幼苗叶片的CAT活性显著降低，甚至低于S0处理组。仅在1.5 g/L浓度下的
Figure 3. Effects of different concentrations of exogenous glutathione on catalase activity in spring wheat seedlings under salt stress
图3. 不同浓度外源谷胱甘肽对盐胁迫下春小麦幼苗过氧化氢酶活性的影响
外源GSH能够显著提高小麦叶片的CAT活性，较S0处理组提高了45.95%，而其他浓度的外源GSH对CAT活性的影响则不显著。
综上所述，不同浓度的外源谷胱甘肽对盐胁迫下春小麦幼苗的CAT活性具有促进作用，尽管各处理组的影响程度有所不同。在本次实验条件下，外源谷胱甘肽浓度为1.5 g/L时，小麦幼苗表现出较高的CAT活性和强大的抗氧化能力，有效帮助其抵御盐胁迫造成的损害。然而，高浓度的GSH并未展现盐胁迫下的正向效果，反而可能导致进一步的损伤，这可能是因为小麦幼苗体内GSH积累存在一定的阈值，适当浓度的外源GSH才能有效促进小麦在盐胁迫条件下的生长。
3.4. 不同浓度外源谷胱甘肽对盐胁迫下春小麦幼苗过氧化氢含量的影响
根据图4的数据分析，与对照组(CK)相比，盐胁迫显著增加了小麦幼苗的过氧化氢(H2O2)含量，这表明细胞内氧化应激水平显著上升，导致了细胞的氧化损伤。然而，通过施用不同浓度的外源谷胱甘肽(GSH)，可以在不同程度上缓解这种过氧化损伤的情况。特别是在S3处理组中，H2O2含量下降了41.67%，达到了S0至S4处理组中的最低水平，并且与未受盐胁迫处理的空白对照接近。这表明，适当浓度的外源GSH (1.5 g/L)显著减少了盐胁迫对小麦幼苗H2O2含量增加的不良影响。在0到2 g/L的浓度范围内，随着外源GSH浓度的增加，小麦幼苗体内的H2O2含量呈现先下降后上升的趋势。具体来说，S3处理组显示出最低的H2O2含量，这进一步确认了1.5g/L外源GSH能够有效地减少H2O2的积累，从而减轻细胞的氧化损伤。
这些研究结果表明，外源GSH在减轻盐胁迫下小麦幼苗的氧化应激反应具有显著的保护作用，为改善植物的耐盐性提供了一种有前景的策略。
Figure 4. Effects of different concentrations of exogenous glutathione on hydrogen peroxide content in spring wheat seedlings under salt stress
图4. 不同浓度外源谷胱甘肽对盐胁迫下春小麦幼苗过氧化氢含量的影响
3.5. 不同浓度外源谷胱甘肽对盐胁迫下春小麦幼苗丙二醛含量的影响
根据图5的数据分析，与对照组(CK)相比，盐胁迫显著增加了小麦幼苗的丙二醛(MDA)含量，这表明细胞膜的脂质过氧化损伤明显加剧。然而，通过施用不同浓度的外源谷胱甘肽(GSH)，可以有效减轻这种过氧化损伤的程度。特别是在S3处理组中，MDA含量降低了56.52%，达到了S0至S4处理组中的最低水平，并且接近了未受盐胁迫处理的空白对照水平。这表明，适宜浓度的外源GSH (1.5 g/L)显著减少了盐胁迫对小麦幼苗MDA含量升高的不良影响。
在0~2 g/L的浓度范围内，随着外源GSH浓度的增加，小麦幼苗体内的MDA含量呈现先下降后上升的趋势。具体来说，S3处理组表现出最低的MDA含量，这进一步确认了1.5 g/L外源GSH能够有效地抑制MDA的过度积累，从而保护细胞膜免受过氧化损伤的严重影响。
这些发现表明，外源GSH在减轻盐胁迫下小麦幼苗脂质过氧化损伤中具有潜在的保护作用，为改善植物的耐盐性提供了一种可能的途径。
Figure 5. Effects of different concentrations of exogenous glutathione on malondialdehyde content in spring wheat seedlings under salt stress
图5. 不同浓度外源谷胱甘肽对盐胁迫下春小麦幼苗丙二醛含量的影响
4. 讨论
在盐胁迫条件下，植物细胞面临的活性氧增加会引发一系列有害效应，主要表现为细胞内大分子物质的损伤，尤其是膜脂过氧化。这一过程通常由于氧化应激导致，使得超氧自由基及其衍生物如过氧化氢和丙二醛等物质大量积累。这些活性氧和有毒代谢产物可导致多种细胞生物分子的损伤，包括脂质分子、DNA链的断裂、碱基突变以及蛋白质结构的破坏，最终影响细胞的功能和完整性。具体到盐胁迫对小麦幼苗的影响，本试验研究结果显示，150 mmol/L盐胁迫显著增加小麦幼苗H2O2含量和MDA含量，这与任艳芳等[12]研究结果一致。
过氧化氢作为一种活性氧分子，在高浓度下可以直接造成细胞膜的氧化损伤，加剧细胞膜的脂质过氧化反应，理解这些分子水平的变化不仅有助于揭示植物在逆境条件下的分子调控机制，也为改善植物的耐盐性提供了重要线索和方向。过氧化氢对生物膜造成损害[13]。本试验结果表明，S0、S1、S2、S3、S4五组处理小麦幼苗叶片内部过氧化氢含量相比于CK对照组均有不同程度的增加，加剧了小麦幼苗叶片膜脂过氧化程度，这与张楚等[14]的研究结果一致。在小麦幼苗叶面喷施不同浓度GSH后，发现过氧化氢含量随GSH浓度的升高呈现先降低后升高的趋势。且过氧化氢含量都以1.5 g/L浓度GSH喷施叶面后达到最小值，这可能是因为适宜浓度的GSH能够提高植株体内抗氧化酶活性，提高了对过氧化氢的清理能力。
丙二醛含量被广泛应用于评估逆境伤害程度，与植物逆境应答密切相关。在盐胁迫下，小麦幼苗叶片的MDA含量上升，反映了其质膜受损程度及抗盐性能力。研究表明，经过外源谷胱甘肽溶液处理后，盐胁迫下小麦幼苗的MDA含量显著降低，且低于未处理的对照组水平。特别是在1.5 g/L质量浓度的谷胱甘肽处理条件下效果最佳，显示出其在减少逆境伤害中的潜力。与S0相比，除S1处理没有显著降低MDA含量之外，S2、S3、S4处理均不同程度地显著降低了小麦叶片过氧化氢含量，其中S3处理清除叶片活性氧能力最强，小麦幼苗MDA的含量最低。谷胱甘肽能够有效减轻盐胁迫引起的膜脂过氧化反应，从而降低了小麦幼苗体内丙二醛的含量。这一作用不仅有助于保护细胞质膜系统的完整性，还能确保各种关键的生理和生化过程在逆境条件下的正常进行，这与樊瑞苹[15]的研究报道相类似。通过减少丙二醛的积累，外源谷胱甘肽有助于维持细胞膜的稳定性，防止其受到过度氧化损伤。这种保护作用对于小麦幼苗的生长和发育至关重要，因为它们在盐胁迫下更容易受到膜脂过氧化的影响。谷胱甘肽的添加不仅提高了小麦幼苗的抗逆性，还有助于维持其水分平衡和营养吸收能力，保证了植物整体生长的稳定性和健康性。
超氧化物歧化酶和过氧化物酶是植物体内重要的抗氧化酶，负责清除产生的活性氧，与植物的老化过程和逆境响应密切相关。本研究结果显示，在盐胁迫条件下，商麦1619幼苗的SOD和POD活性显著高于对照组。通过处理盐胁迫的小麦幼苗，使用不同浓度的谷胱甘肽溶液，发现小麦幼苗的SOD和POD活性均得到显著增强，尤其在1.5 g/L浓度时效果最为明显。这些结果表明，谷胱甘肽作为一种重要的抗氧化物质，通过增强SOD和POD的活性，帮助小麦幼苗更有效地应对环境中的氧化胁迫，维持细胞内稳态，保障植物生长的健康与稳定。在对抗氧化酶活性的测定结果中可以发现，S0处理能够激发植株体内SOD、POD、CAT的活性，清理逆境产生的ROS，但无法将过量积累的ROS清除完全，从而对生物膜系统产生损害，造成膜脂过氧化。在外施适宜浓度GSH后能够显著提高小麦幼苗体内抗氧化酶活性，且在S3处理组表现尤为明显。在盐胁迫下，外施1.5 g/L的GSH能够显著提高SOD、POD、CAT酶活性，这与于威等[16]研究结果一致。多种抗氧化酶活性共同提高能够起到清除植株体内过量积累的ROS、维持氧代谢平衡的作用，提高抗氧化能力，使得细胞膜脂能够抵御因逆境产生的过量氧自由基的氧化，进而保护和稳定生物膜，能够更好地抵御逆境。
植物为了应对氧化应激造成的伤害，会启动抗氧化系统来清除活性氧自由基[17]，包括SOD、POD、CAT等。这些抗氧化酶是植物体内酶促防御系统的三个重要保护酶，SOD能催化体内的歧化反应[18]，使超氧自由基转化为O2和H2O2，H2O2再通过POD、CAT分解成没有毒害的O2和H2O [19]，可以减少氧化损伤，并可能降低MDA的积累，共同作用维持细胞内活性氧代谢的平衡，从而使植物体免受伤害。对盐胁迫下小麦幼苗叶面喷施1.5 g/L的GSH能够显著提高小麦幼苗抗氧化酶SOD、POD、CAT活性和降低H2O2、MDA含量，提高膜脂通透性，降低盐胁迫对小麦幼苗生长的抑制程度，促进小麦幼苗的生长发育。
5. 结论
综合研究结果表明，从抗氧化酶活性来看，S0、S1、S2、S3、S4处理可以通过增强一定浓度盐胁迫下小麦幼苗的抗氧化酶SOD、POD、CAT活性和降低H2O2、MDA含量，从而缓解盐胁迫对植物所造成的氧化伤害，增强其抗盐性。不同浓度外源GSH处理起到了缓解盐害的作用。其中，S4处理较S3处理相比，S4处理对小麦幼苗的抗氧化能力会产生一定的抑制作用，所以过高浓度的GSH还可能会对小麦造成进一步伤害，施加适宜浓度外源GSH才能够有效促进盐胁迫下小麦的生长。S3处理较S0处理的结果差异显著，S3处理的抗氧化酶活性显著高于S0处理的抗氧化酶活性，S3处理的H2O2、MDA含量显著低于S0处理的H2O2、MDA含量，所以在本试验中，S3处理对盐胁迫下小麦幼苗抗氧化能力是有明显促进效果的。适宜浓度的外源GSH具有提高盐胁迫下商麦1619的抗氧化酶活性和降低盐胁迫下商麦1619的丙二醛含量、过氧化氢含量等作用，这对小麦缓解盐害胁迫，增强抗盐性有积极作用，为小麦的种植和育种工作提供了理论参考。
本研究利用外源谷胱甘肽来探讨其对盐胁迫下春小麦幼苗抗氧化能力的影响。通过测定抗氧化酶活性、过氧化氢和丙二醛含量等指标，完成了初步的数据采集和分析，揭示了不同浓度GSH在盐胁迫条件下促进小麦幼苗抗氧化系统的潜力，并确定了最有效提升抗氧化效果的GSH浓度。然而，在商麦1619的实地栽培试验中，有关生理生化指标的变化规律尚需进一步深入探讨。
此外，值得强调的是，小麦的抗盐性是多种因素综合作用的结果，涉及复杂的生理过程，并受到多个基因的调控。不同小麦品种以及其在不同生育阶段的抗盐性能力存在显著的变异性。因此，要全面理解外源谷胱甘肽如何减轻商麦1619在盐胁迫条件下的损伤，需要进一步深入探讨植物生理生化和分子生物学层面的机制，这包括研究谷胱甘肽在调节抗氧化系统、维持细胞膜完整性以及调节基因表达等方面的作用。通过这些研究，可以更好地揭示谷胱甘肽在提高作物抗逆性能中的潜力，为未来的作物改良和逆境管理策略提供科学依据和技术支持。
基金项目
大学生创新与创业训练项目S202311396060。
NOTES
*通讯作者。