外源化學(xué)物質(zhì)對(duì)低溫脅迫下茄子細(xì)胞膜系統(tǒng)的影響

李寧 ，王萍 ，李燁 ，姚明華 ，王飛

（1.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，武漢，430064；2.武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所；3.哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學(xué)院）

茄子（Solanum melongenaL.）屬典型的喜溫植物，低溫冷害是南方早春及北方冬春季茄子生產(chǎn)的主要限制因子。冷害會(huì)破壞植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能，引起代謝失調(diào)，導(dǎo)致活性氧積累，當(dāng)活性氧積累到一定程度，就會(huì)破壞細(xì)胞膜系統(tǒng)及活性分子。許多研究表明，向植物施加一些外源化學(xué)物質(zhì)能夠有效提高植物的抗冷性，緩解冷害對(duì)細(xì)胞膜系統(tǒng)的傷害。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于外源化學(xué)物質(zhì)對(duì)低溫脅迫下植物細(xì)胞膜系統(tǒng)影響的研究多以番茄為研究對(duì)象，而在茄子方面的報(bào)道較少。為此，研究了不同濃度的ABA、SA和CaCl2對(duì)低溫脅迫下茄子幼苗細(xì)胞膜系統(tǒng)的影響，為化學(xué)信號(hào)物質(zhì)誘導(dǎo)對(duì)植物抗逆性的影響和防止茄子受到低溫冷害提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與處理

以茄子品種黑冠180為試材，待幼苗具4～5片真葉時(shí)，挑選生長(zhǎng)一致的植株，葉片噴施不同濃度的ABA、SA和CaCl2溶液，噴施時(shí)葉面和葉背均要噴到，以葉片均勻附著一層小液珠欲滴為準(zhǔn)。ABA處理濃度設(shè)定為 5，10，15，20 mg·L-1；SA 處理濃度設(shè)定為 100，200，300，400 mg·L-1；CaCl2處理濃度設(shè)定為 600，800，1 000，1 200 mg·L-1，處理液中添加 2滴土溫-40。幼苗在溫室內(nèi)培養(yǎng)1 d后置于光照培養(yǎng)箱（LRH-250-G）中進(jìn)行低溫脅迫處理，晝夜溫度設(shè)定為（15±0.5）℃/（5±0.5）℃，光照時(shí)間 14 h，光照強(qiáng)度 60 μmol·m-2·s-1。處理 4 d 后進(jìn)行冷害分級(jí)統(tǒng)計(jì)，以篩選最適合的外源噴施濃度。

根據(jù)篩選的最適濃度對(duì)茄子幼苗進(jìn)行噴施處理，在溫室內(nèi)培養(yǎng)1 d后置于光照培養(yǎng)箱進(jìn)行低溫脅迫，脅迫條件同濃度篩選試驗(yàn)。在低溫脅迫處理48 h后，取茄子幼苗心葉，混合后重復(fù)取樣，測(cè)定細(xì)胞膜系統(tǒng)相關(guān)生理指標(biāo)。試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)重復(fù)，每個(gè)處理50株幼苗，以未進(jìn)行低溫處理（CK0）和低溫處理噴施清水處理（CK1）的茄子幼苗為對(duì)照。

1.2 測(cè)定方法

冷害分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)參照高青海等[1]的方法，0級(jí)，葉片正常，未受冷害；1級(jí)，僅少數(shù)葉片邊緣有輕度的皺縮萎蔫；2級(jí)，半數(shù)以下的葉片萎蔫死亡；3級(jí)，半數(shù)以上的葉片萎蔫死亡；4級(jí)，植株全部死亡。冷害指數(shù)=∑（各級(jí)株數(shù)×級(jí)數(shù)）/總株數(shù)。

生理指標(biāo)測(cè)定方法∶相對(duì)電導(dǎo)率的測(cè)定采用外滲電導(dǎo)法，原生質(zhì)膜滲出物含量的測(cè)定采用紫外吸收法[2]；Ca2＋-ATP 酶活性的測(cè)定參照郝再彬等[3]的方法，Mg2＋-ATP酶活性的測(cè)定參照王晶英等[4]的方法；葉綠體膜和類(lèi)囊體膜的提取參照中國(guó)科學(xué)院上海植物生理研究所[5]的方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度外源化學(xué)物質(zhì)對(duì)茄子幼苗冷害程度的影響

由表1可見(jiàn)，噴施外源化學(xué)物質(zhì)后，茄子幼苗受冷害的程度降低，受冷害的總株數(shù)、各級(jí)別受冷害株數(shù)均低于對(duì)照CK1，冷害指數(shù)均極顯著低于對(duì)照CK1。外源噴施ABA濃度為10 mg·L-1、SA濃度為300 mg·L-1和 CaCl2濃度為 1 000 mg·L-1時(shí)，茄子幼苗冷害指數(shù)分別最低，可以認(rèn)為上述濃度為3種外源化學(xué)物質(zhì)提高茄子幼苗抗冷性的最適宜濃度。

2.2 不同外源化學(xué)物質(zhì)對(duì)茄子幼苗相對(duì)電導(dǎo)率及原生質(zhì)膜滲出物含量的影響

從表2可以看出，低溫脅迫處理使茄子幼苗體內(nèi)相對(duì)電導(dǎo)率及原生質(zhì)膜滲出物的含量較常溫對(duì)照CK0顯著增加，其中，CK1處理的茄子幼苗體內(nèi)相對(duì)電導(dǎo)率及原生質(zhì)膜滲出物的含量最高，極顯著高于各個(gè)處理；噴施ABA和SA后,進(jìn)行低溫脅迫的茄子幼苗體內(nèi)相對(duì)電導(dǎo)率及原生質(zhì)膜滲出物的含量相差不大，但高于CaCl2處理。說(shuō)明噴施外源化學(xué)物質(zhì)對(duì)茄子幼苗低溫脅迫有一定的緩解作用，能夠防止其內(nèi)含物分解與原生質(zhì)膜功能結(jié)構(gòu)喪失。

2.3 不同外源化學(xué)物質(zhì)對(duì)茄子幼苗葉綠體膜電位及其ATP酶活性的影響

表3結(jié)果顯示，低溫脅迫下茄子幼苗體內(nèi)葉綠體膜電位降低，極顯著低于常溫對(duì)照處理（CK0），低溫脅迫前噴施外源激素處理緩解了茄子幼苗體內(nèi)葉綠體膜電位的降低程度，CaCl2處理對(duì)茄子幼苗體內(nèi)葉綠體膜電位的降低程度緩解效果最顯著，而ABA和SA處理之間的差異不顯著。低溫脅迫下各處理茄子幼苗內(nèi)ATP酶活性的變化與葉綠體膜電位呈現(xiàn)了相似的趨勢(shì)。低溫脅迫可引起細(xì)胞膜透性及內(nèi)外離子濃度平衡的改變，進(jìn)而導(dǎo)致膜內(nèi)外質(zhì)子梯度發(fā)生改變。葉綠體膜電位及ATP酶活性的變化，均表明外源激素處理能在夠一定程度上緩解低溫脅迫下茄子幼苗葉綠體膜系統(tǒng)的傷害。

2.4 不同外源化學(xué)物質(zhì)對(duì)茄子幼苗類(lèi)囊體膜電位及ATP酶活性的影響

表4結(jié)果顯示，低溫脅迫下茄子幼苗體內(nèi)類(lèi)囊體膜電位降低，極顯著低于常溫對(duì)照處理（CK0），低溫脅迫前噴施外源激素處理緩解了茄子幼苗體內(nèi)類(lèi)囊體膜電位的降低程度，但不同外源激素處理間的差異不顯著。隨低溫脅迫處理，類(lèi)囊體膜ATP酶活性的降低，CaCl2處理和SA處理間的差異不顯著，但顯著高于ABA處理，外源化學(xué)物質(zhì)均對(duì)茄子幼苗體內(nèi)類(lèi)囊體膜相關(guān)ATP酶活性的降低具有緩解效果，說(shuō)明外源激素處理能夠在一定程度上緩解低溫對(duì)茄子幼苗類(lèi)囊體膜系統(tǒng)的傷害。

表1 噴施外源化學(xué)物質(zhì)對(duì)茄子幼苗冷害程度的影響

表2 噴施外源化學(xué)物質(zhì)對(duì)茄子幼苗相對(duì)電導(dǎo)率及原生質(zhì)膜滲出物含量的影響

表3 噴施外源化學(xué)物質(zhì)對(duì)茄子幼苗葉綠體膜電位及相關(guān)酶活性的影響

表4 噴施外源化學(xué)物質(zhì)對(duì)茄子幼苗類(lèi)囊體膜電位及相關(guān)酶活性的影響

3 結(jié)論與討論

許多研究表明，外源化學(xué)物質(zhì)誘導(dǎo)處理可提高植物抗冷能力，改變生物膜性質(zhì)，或者起激素調(diào)控作用，或者對(duì)營(yíng)養(yǎng)或某種代謝進(jìn)行干預(yù)。本試驗(yàn)選用不同濃度的ABA、SA和CaCl2溶液對(duì)4葉期茄子幼苗進(jìn)行噴施處理，誘導(dǎo)提高茄子自身的抗冷能力后，對(duì)茄子進(jìn)行低溫脅迫處理，以研究外源化學(xué)物質(zhì)對(duì)低溫脅迫下植物生物膜系統(tǒng)的緩解效應(yīng)。噴施不同濃度的外源化學(xué)物質(zhì)處理后，統(tǒng)計(jì)其冷害指數(shù)，以反映外源噴施化學(xué)物質(zhì)對(duì)茄子冷害的緩解程度，并篩選出相對(duì)適合的噴施濃度。結(jié)果顯示，外源噴施 10 mg·L-1ABA、300 mg·L-1SA 和1 000 mg·L-1CaCl2可使茄子幼苗冷害程度顯著降低。

冷害對(duì)植物組織的傷害首先表現(xiàn)為對(duì)細(xì)胞膜系統(tǒng)的傷害，繼而發(fā)生生理學(xué)代謝及生物化學(xué)的功能障礙。大量試驗(yàn)結(jié)果都證實(shí)了這種“膜相變的寒害”假說(shuō)，生物膜是植物細(xì)胞及細(xì)胞器與環(huán)境的一個(gè)界面結(jié)構(gòu)，各種逆境對(duì)細(xì)胞的影響首先作用于質(zhì)膜。膜的透性增大以及膜結(jié)合酶結(jié)構(gòu)改變，導(dǎo)致植物細(xì)胞生理代謝的變化和功能的紊亂；膜的孔隙變大、通透性增強(qiáng)導(dǎo)致離子大量外泄[6，7]。本試驗(yàn)對(duì)茄子幼苗噴施外源化學(xué)物質(zhì)，可大大降低低溫脅迫下茄子幼苗的相對(duì)電導(dǎo)率和原生質(zhì)膜滲出物的含量，說(shuō)明噴施外源化學(xué)物質(zhì)可緩解低溫對(duì)茄子細(xì)胞膜系統(tǒng)的傷害，進(jìn)而緩解冷害，提高茄子的抗冷性。

一些研究指出，低溫冷害主要是通過(guò)影響細(xì)胞膜系中的功能蛋白損傷細(xì)胞膜系統(tǒng)，如ATP酶活性等，然后才引起細(xì)胞生理和生化代謝過(guò)程的破壞[8]。簡(jiǎn)令成[8]研究認(rèn)為，低溫冷害影響膜系統(tǒng)ATP酶，使其活性降低或失活，從而降低細(xì)胞對(duì)物質(zhì)的主動(dòng)吸收和運(yùn)輸功能，物質(zhì)被動(dòng)運(yùn)輸和物質(zhì)滲透增加，導(dǎo)致細(xì)胞膨壓?jiǎn)适?、胞?nèi)溶質(zhì)外滲。本試驗(yàn)結(jié)果還表明，噴施一定濃度的外源化學(xué)物質(zhì)，均可減緩低溫脅迫下葉綠體和類(lèi)囊體膜電位及其ATP酶活性的下降程度，對(duì)細(xì)胞膜的傷害具有一定的緩解作用，進(jìn)而提高植株的抗冷性。

[1]高青海，徐坤，高輝遠(yuǎn)，等.不同茄子砧木幼苗抗冷性的篩選[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2005，38（5）∶1 005-1 010.

[2]張憲政，譚桂茹，黃元極.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)[M].遼寧∶遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1989.

[3]郝再彬，蒼晶，徐仲.植物生理實(shí)驗(yàn)技術(shù)[M].哈爾濱∶哈爾濱出版社，2003.

[4]王晶英，敖紅，張杰，等.植物生理生化實(shí)驗(yàn)技術(shù)與原理[M].哈爾濱∶東北林業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[5]中國(guó)科學(xué)院上海植物生理研究所，上海市植物生理學(xué)會(huì).現(xiàn)代植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指南[M].北京∶科學(xué)出版社，1999.

[6]Lyons J M,Raison J K.Oxidative activity of mitochondria isolated from plant tissues sensitive and resistant to chilling injury[J].Plant Physiol,1970,45:386-389.

[7]劉良友，朱根海，劉祖祺.植物抗凍性測(cè)定技術(shù)的原理和比較[J].植物生理學(xué)通訊，1985，21（1）∶40～43.

[8]簡(jiǎn)令成.植物抗寒機(jī)理研究的新進(jìn)展[J].植物學(xué)通報(bào)，1992，9（3）∶17-22.