高溫脅迫對杜仲幼苗部分生理指標(biāo)的影響1)

楊雨華 宗建偉 王健勝 劉沛松 楊風(fēng)嶺

(平頂山學(xué)院低山丘陵區(qū)生態(tài)修復(fù)重點實驗室，平頂山，467000) (中國林業(yè)科學(xué)研究院) (平頂山學(xué)院)

植物在長期的進(jìn)化過程中，為了適應(yīng)環(huán)境變化，逐漸形成了一套完整的對外界刺激的反應(yīng)機制(包括對外界刺激的感受、信號的放大、傳輸及應(yīng)答)，從而引起相應(yīng)的生理指標(biāo)變化［1］。在眾多脅迫因子中，溫度對植物的生長發(fā)育有著十分重要的影響，也是植物自然地理分部的主要限制因素。適宜的溫度是植物生長的必要條件，而過高或過低的溫度會對植物的發(fā)育過程產(chǎn)生不利影響。研究植物對溫度脅迫的生理生化響應(yīng)(如滲透物資的積累、抗氧化酶系統(tǒng)的變化、光合性能的調(diào)節(jié)等)，能夠揭示植物適應(yīng)溫度逆境的生理機制，為植物的引種栽培、良種選育提供理論支持［2-3］。

杜仲(Eucommia ulmoides)是我國特有的孑遺樹種，單屬單種，具有重要的開發(fā)利用價值［4］。國內(nèi)外學(xué)者對杜仲品種選育、生理生化、遺傳特性及栽培技術(shù)做了大量工作，其中對生理生化的研究多集中在杜仲膠及有效藥用成分等方面［5-9］，而關(guān)于環(huán)境因子尤其是溫度因素對杜仲生理特性影響的研究較少。本研究以杜仲的3 個無性系為材料，研究高溫脅迫下滲透物質(zhì)和保護(hù)酶系統(tǒng)以及光合參數(shù)的變化，探討高溫條件下不同無性系的抗逆性差異，為篩選優(yōu)良杜仲品種提供生理依據(jù)。

1 材料與方法

試驗在西北農(nóng)林科技大學(xué)苗圃大棚溫度控制室進(jìn)行。2010 年3 月利用營養(yǎng)杯播種育苗(營養(yǎng)土為腐殖質(zhì)、生土和沙子，三者比例為1 ∶1 ∶1)，2012 年3 月選擇長勢良好的植株進(jìn)行嫁接，每盆3 株，每個無性系嫁接10 盆;2012 年9 月選取高約30 cm、長勢一致的3 個無性系(無性系1、無性系2、無性系3)放入恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行不同的溫度處理。3 個無性系均設(shè)置高溫(無性系1-1、無性系2-1、無性系3-1)處理(晝/夜溫度為45 ℃/35 ℃)和對照(無性系1-2、無性系2-2、無性系3-2)處理(晝/夜溫度為25 ℃/15 ℃)，時長均為12 h/12 h［10］。在處理期間，對各無性系每天18:00 澆水至透，控制光合有效輻射為1200 μmol·m-2·s-1，空氣濕度為60%。

生理指標(biāo)的測定:分別在0、2、4、6、8、10 d 時，取各無性系葉片進(jìn)行生理指標(biāo)的測定，主要包括脯氨酸(Pro)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、丙二醛(MDA)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化物酶(POD)活性等。每個無性系選擇3 株取樣，測量3 次，取平均值。利用陳建勛［11］的方法測定脯氨酸和丙二醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，利用高俊鳳［12］的方法測定超氧化物歧化酶和過氧化物酶的活性。

利用Li-6400 光合儀進(jìn)行光合參數(shù)的測定，主要包括凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)(Ci)、蒸騰速率(Tr)等光合指標(biāo)［13］。每個無性系選擇3 株，每株選擇頂端以下的第5 片完整葉子進(jìn)行活體測量，每片葉子測量10 次，取平均值。試驗數(shù)據(jù)利用EXCEL2007 和SPSS18．0 進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2．1 高溫脅迫對杜仲幼苗Pro 和MDA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

由圖1 可知，高溫脅迫會使杜仲幼苗葉片中的脯氨酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著提高(P＜0．05)，但是不同無性系提高幅度不同。在前2 d 的高溫處理中，各無性系脯氨酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有提高，但并不明顯。2 d后，3 個無性系脯氨酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)迅速增加，幾乎呈現(xiàn)線性增長趨勢，各對照的脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為高溫條件下的61．8%、63．3%和56．6%。不同無性系之間，脯氨酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在相同溫度下差異不顯著。當(dāng)植物遭遇高溫脅迫時，植株為防止細(xì)胞脫水而受損，會提高體內(nèi)脯氨酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù);同樣，為防止遭受冷害或凍害的侵襲，植株也通過增加脯氨酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)適應(yīng)環(huán)境溫度變化。但低溫條件下，植株生理生化活動減弱，脯氨酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比高溫條件下的低。

圖2 表明，不同無性系的杜仲幼苗在高溫脅迫下，丙二醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著增加(P＜0．05)，但不同無性系間有較大差異。在處理的前4 d 中，各無性系的丙二醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)稍有增加，變化幅度不大。第4 d 后，無性系1 在高溫條件下，丙二醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)迅速增加，但在第6 d 開始出現(xiàn)下降趨勢，第8 d達(dá)到一個波谷，然后又迅速增加;各對照中的丙二醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢與高溫處理基本一致，但丙二醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)低于高溫脅迫，第8 d 后增幅不明顯。無性系2 和無性系3 在高溫脅迫下，丙二醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均不斷增加，但無性系3 在處理后期增幅不顯著。在處理第10 d 時，3 個無性系對照植株的丙二醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為高溫條件下的42．9%、79．4%和70．5%?？梢酝茰y，高溫脅迫會使杜仲幼苗細(xì)胞膜受損，不利于植株的生長。

圖1 高溫脅迫下Pro 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢

圖2 高溫脅迫下MDA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢

2．2 高溫脅迫對杜仲幼苗SOD 和POD 活性的影響

圖3 表明，不同無性系在高溫脅迫下，超氧化物歧化酶活性變化差異較大(P＜0．05)。無性系1 在高溫處理下，超氧化物歧化酶活性迅速增加，到第6 d 開始下降，第8 d 又開始上升，對照無性系則一直處于增長趨勢。無性系2 在高溫處理中，超氧化物歧化酶活性呈現(xiàn)先降后增的趨勢，第4 d 達(dá)到最低值，而對照中超氧化物歧化酶活性一直上升。無性系3 在高溫處理中，超氧化物歧化酶活性的變化趨勢與無性系2 類似，但其最低點提前，在第2 d 達(dá)到波谷位置，對照則呈現(xiàn)穩(wěn)定地增長趨勢，在4～6 d 有一個小幅度的下降過程。在第10 d，對照中的3 個無性系超氧化物歧化酶活性均高于高溫處理。

由圖4 可知，高溫脅迫使杜仲幼苗過氧化物酶活性發(fā)生顯著變化(P＜0．05)。高溫脅迫下，3 個無性系葉片過氧化物酶活性呈下降趨勢。對照處理中，3 個無性系過氧化物酶活性先降后升，其中無性系1 和無性系2 在第2 d 開始上升，而無性系3 的過氧化物酶活性的下降趨勢持續(xù)到第6 d 才開始上升。第10 d，各無性系高溫條件下過氧化物酶活性遠(yuǎn)低于對照處理。說明溫度過高會抑制植株體內(nèi)過氧化物酶的活性。

圖3 高溫脅迫下SOD 活性的變化趨勢

圖4 高溫脅迫下POD 活性測定

2．3 溫度脅迫對杜仲幼苗光合作用的影響

由表1 可知，無論是高溫脅迫還是對照，處理后杜仲幼苗光合速率均會顯著下降(P＜0．05)。相對于處理前，高溫條件下3 個無性系的凈光合速率分別下降了37．6%、33．3%和30．2%，對照的3 個無性系的凈光合速率分別降低了43．2%、47．9%和55．6%。說明杜仲幼苗在高溫條件下的光合能力略高于對照條件。

高溫處理會使杜仲幼苗氣孔導(dǎo)度減小。相比于處理前，高溫脅迫條件下3 個無性系的氣孔導(dǎo)度下降幅度不大(P＞0．05)，分別為11．2%、9．8%和12．1%，而對照各無性系的氣孔導(dǎo)度下降幅度較大(P＜0．05)，分別為40．1%、32．5%和49．1%。這與不同溫度下杜仲幼苗的凈光合速率變化趨勢基本一致。

高溫處理均會使杜仲幼苗胞間CO2的摩爾分?jǐn)?shù)增大。相比于處理前，高溫脅迫條件下3 個無性系的胞間CO2的摩爾分?jǐn)?shù)的均顯著增高(P＜0．05)，增大幅度分別為7．01%、8．18%和7．71%，而對照各無性系的胞間CO2的摩爾分?jǐn)?shù)同樣顯著增高(P＜0．05)，增大幅度分別為15．1%、13．6%和6．38%。說明高溫會對杜仲幼苗的光合作用有一定得抑制作用，而對照條件則會嚴(yán)重阻礙杜仲幼苗光合作用的進(jìn)行。

不同溫度處理均會使杜仲幼苗蒸騰速率產(chǎn)生不同的變化。相比于處理前，高溫脅迫條件下各無性系的蒸騰速率顯著上升(P＜0．05)，增長幅度分別為58．3%、78．3%和40%，而對照則會使蒸騰速率減弱(P＜0．05)，3 個無性系降幅分別為28．4%、33．3%和38．0%。說明高溫會加快植株的蒸騰速率，而對照條件下植株的蒸騰速率降低。

表1 杜仲光合參數(shù)對溫度脅迫的響應(yīng)

3 結(jié)論與討論

植物處于不同溫度時，代謝機制可能發(fā)生相應(yīng)的變化［14-15］，比如，通過增大細(xì)胞膜透性、增加活性氧及抗氧化酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)等，以應(yīng)對不利環(huán)境。

在滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)中，游離脯氨酸是植物抵抗和防御逆境脅迫的重要生理機制，脯氨酸可以促進(jìn)蛋白質(zhì)水合作用，增加蛋白親水面積，進(jìn)而增加可溶性蛋白［16-17］。大多數(shù)植物為了抵御逆境，體內(nèi)脯氨酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會迅速增加，以增強植物的抗逆性。本試驗中，杜仲幼苗在高溫脅迫下，葉片中的脯氨酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均會提高，且呈現(xiàn)線性增長趨勢，這與李招弟［18］和曾德靜［19］的研究結(jié)果一致。杜仲在面臨不同的溫度脅迫時，均會以增加脯氨酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的方式度過不利環(huán)境，防止細(xì)胞脫水或者遭受冷害或凍害的侵襲。丙二醛是膜脂過氧化的主要產(chǎn)物之一，可以反映膜損傷的程度［20］。丙二醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，質(zhì)膜受損越嚴(yán)重［21］。不同無性系的杜仲幼苗在不同溫度處理下，丙二醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈增加趨勢，但不同無性系之間有較大差異。無性系1 在高溫條件下，丙二醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈起伏變化趨勢，且基本保持較高水平。孟聰睿［22］在研究高溫脅迫對櫻桃的影響時也得出相似結(jié)論。由此可知，高溫脅迫會使杜仲幼苗細(xì)胞膜受損，透性改變，不利于植株的生長。

在逆境脅迫下，植物體內(nèi)活性氧代謝失調(diào)、自由基逐步積累，引起生理代謝紊亂，損傷細(xì)胞結(jié)構(gòu)［23］。超氧化物歧化酶和過氧化物酶是植物重要的保護(hù)酶系統(tǒng)［24-25］。不同無性系在高溫脅迫下，超氧化物歧化酶活性變化差異較大。3 個無性系葉片中，在高溫處理條件下，過氧化物酶活性均呈下降趨勢。說明植株體內(nèi)過氧化物酶的活性易受高溫影響，溫度過高會嚴(yán)重抑制其活性，甚至使過氧化物酶失活。研究表明，植物抗逆性的大小與保護(hù)酶的抗氧化能力密切相關(guān)。高溫脅迫下月季品種超氧化物歧化酶、過氧化物酶活性下降，但耐熱品種活性比不耐熱品種高，不耐熱品種抗氧化酶活性下降更為明顯［26］，與本研究的結(jié)果一致。

凈光合速率能夠直接體現(xiàn)植物光合系統(tǒng)的功能大小，是植株光合作用能否正常進(jìn)行的指標(biāo)［27］。植物以氣孔為通道與大氣交換水和CO2，決定著植物的光合速率和蒸騰速率［28］。高溫和對照處理均會使杜仲幼苗光合能力降低，但杜仲幼苗在高溫條件下的光合能力略高于對照。杜仲幼苗通過關(guān)閉氣孔、減弱光合作用度過不良環(huán)境。

綜上所述，在高溫脅迫下杜仲幼苗會產(chǎn)生一系列生理響應(yīng)(如滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、保護(hù)酶活性和光合參數(shù)發(fā)生相應(yīng)的變化)，以減輕溫度脅迫對幼苗的傷害［29］。脯氨酸和丙二醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、超氧化物歧化酶和過氧化物酶活性以及光合參數(shù)，在不同無性系之間具有一定程度的差異性，可以為杜仲抗逆性選擇育種提供一定的參考。

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