外源NO對低溫脅迫下番茄幼苗生理特性及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

于秀針,劉慧英,張彩虹

(石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院園藝系,石河子832003)

新疆是加工番茄的主產(chǎn)區(qū)。目前為解決原料采收期過于集中的問題,加工番茄生產(chǎn)上已廣泛采用育苗移栽技術(shù)。番茄是一種喜溫蔬菜,對溫度反應(yīng)敏感,在加工番茄早春育苗、定植期間的低溫往往造成其生長發(fā)育受阻,嚴(yán)重影響成株期的生長發(fā)育,早期產(chǎn)量和果實(shí)的商品性[1]。低溫已成為加工番茄取得穩(wěn)產(chǎn)與高產(chǎn)的主要障礙因子。低溫對電解質(zhì)滲透率、葉綠體指數(shù)和葉綠素?zé)晒獾挠绊戄^為顯著[2]。電解質(zhì)滲透率的大小直接反映了細(xì)胞的質(zhì)膜傷害程度的大小,葉綠素和葉綠素?zé)晒舛加绊懼参锏墓夂献饔?葉綠素?zé)晒馀c光合作用的光能吸收、傳遞、耗散、分配等方面有密切聯(lián)系[3],葉綠素?zé)晒鈪?shù)是評估植物光合器官是否受損的良好指標(biāo),Fo為已經(jīng)暗適應(yīng)的光合機(jī)構(gòu)PSII反應(yīng)中心全部開放時的熒光強(qiáng)度,Fo升高意味著PSⅡ受到了傷害或者是不可逆失活[4];Fv/Fm反映 PSII反應(yīng)中心的最大光能轉(zhuǎn)換效率,它的下降表明植物發(fā)生了光抑制[5];ETR為表觀光合電子傳遞速率,它和實(shí)際光化學(xué)效率成正相關(guān);Yield為實(shí)際光化學(xué)量子產(chǎn)量,反映PSⅡ反應(yīng)中心在有部分關(guān)閉情況下的原初光能捕獲效率[6]。

一氧化氮(NO)是一種重要的生物活性分子,它對植物的種子萌發(fā)、生長發(fā)育、氣孔運(yùn)動、呼吸作用以及抗逆反應(yīng)等生理過程均起重要的調(diào)節(jié)作用。有學(xué)者將其當(dāng)作一種新的植物激素[7],近年來,NO在植物抗逆性上的應(yīng)用越來越受重視。已有大量的實(shí)驗(yàn)證明NO參與了植物生長發(fā)育的各個方面以及植物的抗逆反應(yīng)[8,9]。但是,目前對NO的研究多集中在對鹽脅迫和干旱脅迫的作用上,對低溫脅迫的涉及較少。

本研究旨在通過研究外源NO對低溫脅迫下加工番茄幼苗葉片生理特性和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化,揭示低溫下外源NO對番茄幼苗抗冷性的影響,為進(jìn)一步研究番茄幼苗的抗冷機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試材

以新疆加工番茄主栽品種’里格爾87-5’為試材。

1.1.2 主要試劑和設(shè)備

試劑:SNP(購于sigma公司);水合茚三酮。

設(shè)備:RXZ-300C智能人工氣候箱(寧波江南儀器廠);SPAD-502葉綠素儀(MINOLTACO.,LTD JAPAN);PAM-2100便攜調(diào)制式熒光儀(WalzEffehrichGermany);PD-501便攜式多功能測量儀(上海三信儀表廠)等。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2009年3月～8月在石河子大學(xué)實(shí)驗(yàn)站日光溫室以及石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院蔬菜學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。

種子浸種催芽后播于盛有甘草渣:蛭石=1∶1基質(zhì)的10cm×10cm營養(yǎng)缽中,當(dāng)幼苗長至3～4片真葉后選擇生長一致的幼苗進(jìn)行澆根處理,SNP的濃度設(shè)置為0mmol/L(S0)、0.1mmol/L(S0.1)、0.5mmol/L(S0.5)、1.0mmol/L(S1.0)、1.5mmol/L(S1.5)。隔 1d處理1次,共處理2次,處理2d后將各處理選擇30株移入人工氣候箱中進(jìn)行低溫脅迫處理,溫度為晝(12±1)℃/夜(8±1)℃,光照強(qiáng)度約為(48000±3000)Lx,光周期為晝夜各12h。同時設(shè)一常溫處理對照CK(于日光溫室中自然生長,晝夜溫度為26±1℃/15±1℃,光照強(qiáng)度約為(48000±3000)Lx)。3次重復(fù)。

1.2.2 測定項(xiàng)目與方法

試驗(yàn)于低溫脅迫0、3、6、9d后測定功能葉(生長點(diǎn)以下第3片真葉)的葉綠素?zé)晒鈪?shù)及電導(dǎo)率、葉綠素和脯氨酸含量等生理指標(biāo)。

電解質(zhì)滲透率的測定:方法參照文獻(xiàn)[2];葉綠素含量測定:采用SPAD-502葉綠素儀;脯氨酸含量測定:采用酸性水合茚三酮法[10];葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定:方法參照文獻(xiàn)[11]。

用PAM-2100便攜調(diào)制式熒光儀測定。測定前先將各處理葉片暗適應(yīng)20～30min.測定時,打開檢測光(PAR約為0.1μmol/(m2·s))測定初始熒光(Fo),然后照射飽和脈沖光(PAR約為8000μmol/(m2·s),2.5s,1個脈沖),測定最大熒光(Fm)、最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、實(shí)際光化學(xué)量子產(chǎn)量(Yield)以及表觀光合電子傳遞速率(ETR),10s后打開遠(yuǎn)紅光照射葉片(PAR約為8000μmol/(m2·s),2.5s,1 個脈沖),測定 Fm′、Fo′等參數(shù)。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

采用MicrosoftExcel和SPSS進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,并對平均數(shù)用Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 NO對低溫脅迫下番茄幼苗葉片生理特性的影響

由表1可見,常溫處理下,加工番茄幼苗葉片的電解質(zhì)滲透率變化不大;低溫下,不施加NO處理(S0)的番茄葉片電解質(zhì)的滲透率明顯升高,于處理后第6d時升至峰值,說明低溫脅迫后番茄細(xì)胞膜受到傷害并發(fā)生外滲。而低溫下,外施NO的4個處理中,S0.1、S0.5和 S1.0處理的電解質(zhì)滲透率均低于S0,其中以S1.0處理最低,而S1.5處理與 S0處理間無顯著差異,表明0.1～1.0mmol/L的SNP對番茄葉片膜傷害導(dǎo)致的電解質(zhì)外滲有不同的緩解作用,其中以1mmol/L的SNP緩解細(xì)胞膜傷害的效果最好。

表1 外源NO對低溫脅迫下番茄幼苗電解質(zhì)滲透率的影響Tab.1Effects of exogenous nitric oxide on electrolyte leakage rate in tomato seedlings under low temperature stress

由表2可見,常溫處理下,葉綠素含量變化較小,而經(jīng)低溫處理后,所有處理的葉綠素含量均降低,其中S0和S1.5顯著低于常溫對照處理,而S1.0除在處理第6d顯著低于常溫對照處理外,其余時間與對照均無顯著差異,S0.1和S0.5在處理過程中葉綠素含量均高于S0和S1.5,說明低濃度的SNP(0.1～1.0mmol/L)對番茄葉片葉綠素含量的降低有緩解作用,而高濃度(1.5mmol/L)的SNP對其無緩解作用。

表2 外源NO對低溫脅迫下番茄幼苗葉綠素含量的影響Tab.2 Effects of exogenous nitric oxide on chlorophyII contentin tomato seedlings under low temperature stress

由表3可見,番茄幼苗葉片受低溫脅迫后脯氨酸含量上升,低溫脅迫下的幾個處理的脯氨酸含量始終顯著高于常溫處理(CK)。在低溫處理的第3d,幾個低溫處理間無顯著差異;于處理第6d,S1.0處理顯著高于S0和S1.5;于處理第9d,S1.0和 S0.5顯著高于S0、S0.1和S1.5三個處理。這說明0.5和1.0mmol/L的SNP顯著提高了低溫脅迫下番茄幼苗葉片的脯氨酸含量。其中1mmol/L的SNP處理效果最好。

表3 外源NO對低溫脅迫下番茄幼苗脯氨酸含量的影響Tab.3 Effects of exogenous nitric oxide on pro-aa content in tomato seedlings under low temperature stress

2.2 NO對低溫脅迫下番茄幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

由圖1可以看出,在常溫下,Fo變化幅度較小,低溫處理后,Fo升高且隨著脅迫時間的延長,Fo呈上升趨勢。整個脅迫過程中,幾個低溫處理的 Fo均顯著高于常溫對照CK(P<0.05,下同),說明低溫處理造成了番茄幼苗葉片光合機(jī)構(gòu)PSⅡ的損壞。低溫脅迫處理下,S1.0處理的 Fo顯著低于其它低溫處理的,S0.5在處理后第9d顯著高于 S0,而 S0、S0.1S1.5之間差異不顯著。這表明,通過外施1mmol/L的SNP對低溫下番茄幼苗葉片光合機(jī)構(gòu)PSⅡ的損壞具有顯著的緩解作用。

圖1顯示,常溫處理下,Fv/Fm變化不大,稍有所上升。低溫脅迫處理后,外源施NO和不施NO的5個處理的 Fv/Fm值降低并均顯著低于常溫對照,且隨著低溫脅迫時間的延長各處理 Fv/Fm值呈下降趨勢,說明低溫脅迫條件降低了番茄葉片葉綠體PSII原初光能轉(zhuǎn)化效率、抑制了葉綠體 PSII光化學(xué)活性,PSII活性中心受到損傷。與不施NO的處理相比,自處理第6d以后,低溫處理的4個施NO處理的 Fv/Fm值均顯著高于S0,其中又以S1.0處理的 Fv/Fm值最高。整個脅迫期間,S1.5下降幅度一直較大,說明高濃度的SNP(1.5mmol/L)可能對番茄幼苗葉片的PSII活性中心造成了傷害。

圖1 外源NO對低溫脅迫下番茄幼苗 Fo和Fv/Fm的影響Fig.1 Effects of exogenous nitric oxide on Fo and Fv/ Fm in tomato seedlings under low temperature stress

由圖2可知,與常溫對照相比,低溫脅迫下,各處理的 ETR逐漸降低,顯著低于常溫對照。隨著脅迫時間的延長,幾個低溫處理中,除 S0和 S1.5兩個處理呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢外,S0.1、S0.5和S1.0三個處理的 ETR值表現(xiàn)出自低溫處理6d后又略有上升。其中S0.5和S1.0兩處理在整個脅迫期間顯著高于S0、S0.1和 S1.5。這說明低溫降低了 PSII的光合電子傳輸能力,而通過外施SNP后可不同程度提高PSII的光合電子傳輸能力,其中以0.5和1.0mmol/L的SNP處理作用最明顯。

由圖2可知,常溫處理CK的 Yield基本保持不變。低溫脅迫處理后,外源施NO和不施NO的5個處理的Yield值降低并均顯著低于常溫對照,且隨著低溫脅迫時間的延長各處理Yield值呈下降趨。自處理以后,低溫處理的4個外施NO處理的Yield值均高于 S0,其中到處理第9dS1.0處理的Yield值顯著高于 S0,說明1.0mmol/L的 SNP對提高番茄幼苗葉片的Yield值效果最好。

圖2 外源NO對低溫脅迫下番茄幼苗 ETR和Yield的影響Fig.2 Effects of exogenous nitric oxide on ETR and Yield in tomato seedlings under low temperature stress

3 討論

植物通過改變細(xì)胞代謝和激發(fā)不同的防御機(jī)制來應(yīng)對生物脅迫和非生物脅迫,在脅迫條件下植物的生存能力依賴于對外界刺激的識別、產(chǎn)生和傳遞信號、基因表達(dá)、代謝調(diào)節(jié)[7]。NO作為信號分子,在植物的抗逆過程中起重要作用。

電解質(zhì)滲透率外滲說明細(xì)胞膜系統(tǒng)受破壞,它是迅速、準(zhǔn)確的鑒定抗寒性的好方法,葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的重要物質(zhì),脯氨酸是植物體內(nèi)最重要的有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。植物的脯氨酸合成、累積及代謝是一個受非生物脅迫和細(xì)胞內(nèi)脯氨酸濃度調(diào)控的生理生化過程[12]。三者都是很好的抗冷指標(biāo)。本研究的結(jié)果表明,當(dāng)植物遭受低溫脅迫時,加工番茄幼苗的葉綠素含量降低而電解質(zhì)滲透率和脯氨酸含量升高,而在低溫條件下通過外施低濃度的SNP(0.1、0.5和1.0mmol/L)能不同程度地降低加工番茄幼苗的電解質(zhì)滲透率,提高葉綠素和脯氨酸的含量,說明外施低濃度的 SNP(0.1、0.5和1.0mmol/L)能緩解低溫對番茄幼苗的傷害,提高幼苗的抗冷性,其中以1.0mmol/L的SNP處理效果最好。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)由于是以植物體內(nèi)葉綠素為內(nèi)在探針,包含了豐富的光合作用信息,極易受逆境的影響,是快速、靈敏無損傷的研究和探測低溫對植物光合作用影響的理想方法[13]。本研究的結(jié)果表明,低溫下,番茄幼苗葉片的 Fo上升,Fv/Fm、ETR和Yield下降,可能是植物葉片 PSII反應(yīng)中心出現(xiàn)可逆的失活從而使得天線色素原初捕光能力減弱,植株吸收的光能減少這與低溫對其它作物的影響研究結(jié)果[14,15]一致。施加 SNP使 Fo上升及 Fv/Fm、ETR和Yield下降的幅度明顯減小,1.0mmol/L的SNP處理效果尤為顯著。這說明NO能有效提高低溫脅迫下番茄幼苗葉片PSⅡ的光能轉(zhuǎn)換效率、潛在活性、光合電子傳遞速率及光能捕獲效率,從而增強(qiáng)了番茄幼苗的光合作用。

4 結(jié)論

外施一定范圍低濃度的NO可保護(hù)番茄幼苗的細(xì)胞膜系統(tǒng),增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)并增強(qiáng)其光合作用,從而緩解低溫脅迫,提高番茄幼苗的抗冷性。

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