低溫脅迫及恢復(fù)對茄子幼苗活性氧代謝和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

吳雪霞,朱宗文,許 爽,查丁石

(上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 園藝研究所/上海市設(shè)施園藝技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201106)

?

低溫脅迫及恢復(fù)對茄子幼苗活性氧代謝和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

吳雪霞,朱宗文,許 爽,查丁石*

(上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 園藝研究所/上海市設(shè)施園藝技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201106)

摘要：以耐低溫性不同的兩個茄子品種為材料,研究了低溫脅迫及恢復(fù)對茄子幼苗活性氧代謝和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響。結(jié)果表明：低溫脅迫使茄子幼苗葉片的MDA含量、O2-·產(chǎn)生速率和H2O2含量升高,使SOD、POD、CAT、APX、DHAR和GR的活性,以及AsA、GSH、脯氨酸和可溶性蛋白質(zhì)的含量增加;在恢復(fù)2 d后, MDA含量、O2-·產(chǎn)生速率和H2O2含量均呈下降趨勢,其他10個指標(biāo)升高或者降低,但均高于對照的；耐低溫材料前3個指標(biāo)的值均低于低溫敏感材料的,后10個指標(biāo)的值均高于低溫敏感材料的;耐低溫材料前3個指標(biāo)的上升幅度均小于低溫敏感材料的,而后10個指標(biāo)則反之。以上結(jié)果說明,低溫脅迫影響了茄子幼苗活性氧和滲調(diào)物質(zhì)的正常代謝,但耐低溫材料可以通過調(diào)節(jié)自身的保護(hù)系統(tǒng)減輕低溫脅迫的傷害。

關(guān)鍵詞：茄子;低溫脅迫及恢復(fù);活性氧代謝;滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)

茄子(SolanummelongenaL.)是一種喜溫性蔬菜,其生長發(fā)育的適宜溫度為22～30 ℃,在低于15 ℃下其植株生長遲緩,當(dāng)?shù)陀? ℃時其莖葉會受到傷害,在0 ℃下就會被凍死[1-2]。在冬春季節(jié)進(jìn)行保護(hù)地栽培時,低溫是影響茄子產(chǎn)量和品質(zhì)的主要因素[3]。研究低溫脅迫對茄子的傷害作用及其機(jī)理,探索茄子的抗寒機(jī)制及冷害預(yù)防措施,具有重要的理論和實(shí)際意義。據(jù)前人報道，在低溫脅迫條件下,植物幼苗生長受到抑制,生物量積累下降[4],光合作用降低[3,5]，酶活性上升[4,6]。迄今有關(guān)低溫脅迫及恢復(fù)對耐低溫性不同的茄子品種生理特性的研究較少。

植物的耐冷性與活性氧代謝關(guān)系密切,在低溫下植物的光合能力減弱,會引起光能過剩,從而產(chǎn)生大量的活性氧,導(dǎo)致膜脂過氧化,進(jìn)而造成膜系統(tǒng)損傷[7-8]。我們以耐低溫性不同的2個茄子品種為試材,研究了不同天數(shù)低溫處理及恢復(fù)對茄子幼苗抗氧化系統(tǒng)和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響,旨在揭示茄子耐冷性的生理機(jī)制,為茄子抗逆育種提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

供試茄子品種為‘江茄’(低溫敏感品種)和‘72#’(耐低溫品種),由上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所茄子課題組提供。

1.2試驗(yàn)處理

試驗(yàn)在上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所GSW-7430連棟塑料溫室內(nèi)進(jìn)行。種子經(jīng)0.12 g/L GA浸種催芽后播于直徑10 cm、高10 cm的塑料營養(yǎng)缽中,以蛭石作基質(zhì),每缽播1粒種子,共100粒種子。在真葉展開后每2 d澆1次1/4濃度的日本園試營養(yǎng)液,每株澆50 mL,在出現(xiàn)3片真葉后每株澆80 mL。

當(dāng)幼苗具有4～5片真葉時,挑選生長一致的植株，分別置于溫度為(27±1)℃(晝)/(22±1)℃(夜)的2個光照培養(yǎng)箱內(nèi),光照強(qiáng)度為400 μmol/(m2·s)左右。置于培養(yǎng)箱2 d后對茄子幼苗進(jìn)行不同溫度的處理。試驗(yàn)設(shè)2個處理：(1)常溫處理(對照),溫度設(shè)為(27±1)℃(晝)/(22±1)℃(夜);(2)低溫處理,溫度設(shè)為(10±1)℃(晝)/(5±1)℃(夜)。低溫處理與對照培養(yǎng)箱除溫度不同外,光照和相對濕度(80%左右)均一致。在低溫培養(yǎng)7 d后將溫度調(diào)為(27±1)℃(晝)/(22±1)℃(夜),進(jìn)行2 d的恢復(fù)處理。每個處理18株,3次重復(fù)。在進(jìn)行處理0、1、3、5、7和9 d后分別進(jìn)行幼苗各項(xiàng)指標(biāo)的測定。

1.3測定指標(biāo)與方法

丙二醛(MDA)、過氧化氫(H2O2)、抗壞血酸(AsA)、谷胱甘肽(GSH)、脯氨酸和可溶性蛋白質(zhì)的含量，超氧陰離子(O2-·)的產(chǎn)生速率，超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)、脫氫抗壞血酸還原酶(DHAR)和谷胱甘肽還原酶(GR)的活性的測定均參照Wu等[9]的方法。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用Origin軟件進(jìn)行繪圖,用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件對平均數(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低溫脅迫及恢復(fù)對茄子幼苗葉片MDA含量、O2-·產(chǎn)生速率和H2O2含量的影響

由圖1可知：耐低溫性不同的兩個茄子品種幼苗葉片的MDA含量、O2-·產(chǎn)生速率和H2O2含量在低溫處理(0～7 d)期間呈持續(xù)上升的趨勢,在恢復(fù)2 d(第7～9天)后呈下降趨勢。兩個品種相比較,隨著低溫處理時間的延長,低溫敏感品種江茄以上3個指標(biāo)均高于耐低溫品種72#的,且前者的上升幅度均大于后者的。在低溫處理7 d時,與對照相比,江茄的MDA含量、O2-·產(chǎn)生速率和H2O2含量分別上升了102.75%、345.09%和302.27%,72#分別上升了87.48%、283.07%和98.47%;在恢復(fù)2 d后,以上各指標(biāo)均下降，但仍高于對照,江茄的MDA含量、O2-·產(chǎn)生速率和H2O2含量分別比對照上升了54.56%、254.35%和172.05%,72#分別比對照上升了43.48%、106.32%和39.57%?？梢?耐低溫品種在低溫脅迫下受到的傷害較小,并且恢復(fù)能力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于低溫敏感品種。

圖1　低溫脅迫對茄子幼苗葉片MDA含量、O2-·產(chǎn)生速率和H2O2含量的影響

2.2低溫脅迫及恢復(fù)對茄子幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

由圖2-A及圖2-C可知：在低溫處理下,2個茄子品種葉片的SOD、CAT活性的變化趨勢一致,隨低溫脅迫時間的延長,低溫敏感品種江茄的SOD、CAT活性均在第5天達(dá)到峰值,耐低溫品種72#的在第7天達(dá)到峰值。由圖2-D可以看出,江茄和72#的APX活性均在低溫處理7 d時達(dá)到峰值,分別比對照增加了1.09和1.27倍。

由圖2-B、圖2-E和圖2-F可以看出：在低溫脅迫下，2個品種的POD、DHAR和GR活性在整個處理期間一直呈上升趨勢；在低溫處理第9天時(即恢復(fù)2 d后),江茄的POD、DHAR和GR活性分別比對照增加了1.38、0.45和0.69倍,72#的分別增加了1.62、0.53和0.84倍。

在整個處理期間,無論指標(biāo)的變化趨勢如何,低溫敏感品種江茄的酶活性始終低于耐低溫品種72#的,且前者的增加幅度均小于后者的。

圖2　低溫脅迫對茄子幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

2.3低溫脅迫及恢復(fù)對茄子幼苗葉片AsA和GSH含量的影響

由圖3-A和圖3-B可以看出：江茄和72#的AsA含量的變化趨勢一致,在低溫處理7 d時達(dá)到峰值,分別比對照增加了1.01和1.14倍；江茄的GSH含量在低溫處理5 d時達(dá)到峰值,比對照增加了37.57%,72#的在低溫處理7 d時達(dá)到最大值,比對照增加了42.37%。

在低溫處理期間,兩個品種相比較,低溫敏感品種江茄的AsA和GSH含量均低于耐低溫品種72#的,且前者的增加幅度均小于后者的。

圖3　低溫脅迫對茄子幼苗葉片AsA和GSH含量的影響

2.4低溫脅迫及恢復(fù)對茄子幼苗葉片脯氨酸和可溶性蛋白質(zhì)含量的影響

由圖4-A和圖4-B可以看出：江茄和72#的脯氨酸和可溶性蛋白質(zhì)含量的變化趨勢一致,均在低溫處理7 d時達(dá)到峰值；與對照相比,江茄的脯氨酸和可溶性蛋白質(zhì)含量分別增加了1.12和0.37倍,72#的分別增加了1.41和0.41倍。

在低溫處理期間,耐低溫品種72#的脯氨酸和可溶性蛋白質(zhì)含量均高于低溫敏感品種江茄的,且前者的增加幅度均大于后者的。

3討論

在遭遇低溫脅迫時,植物細(xì)胞內(nèi)自由基的產(chǎn)生與清除平衡受到破壞,OH-、O2-·等自由基大量積累,誘發(fā)膜脂過氧化,從而使細(xì)胞膜透性增大,蛋白質(zhì)活性降低甚至喪失,對植物產(chǎn)生傷害[10]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著低溫脅迫時間的延長,茄子幼苗葉片的MDA含量、O2-·產(chǎn)生速率和H2O2含量均呈上升趨勢;在恢復(fù)2 d后,以上3個指標(biāo)均有所降低,但仍高于對照,說明低溫脅迫造成茄子植株體內(nèi)ROS過剩,植物細(xì)胞受到破壞,不能完全恢復(fù);低溫敏感品種以上3個指標(biāo)的上升幅度均顯著高于耐低溫品種的,說明低溫對低溫敏感品種造成的傷害大于耐低溫品種。上述結(jié)果與胡俊杰等[11]在菜用大豆上的研究結(jié)果一致。

低溫脅迫使植物體內(nèi)活性氧增加,同時刺激了植物體內(nèi)SOD、POD、CAT和APX等抗氧化酶活性的增加[12]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在低溫處理7 d及恢復(fù)2 d后,茄子幼苗葉片中SOD、POD、CAT、APX、DHAR和GR活性到達(dá)峰值的日期不同,但均遲于對照,說明茄子幼苗可通過自身的調(diào)節(jié)機(jī)制提高抗氧化酶的活性,以適應(yīng)逆境，并再次建立活性氧產(chǎn)生與清除的平衡關(guān)系[13]。這有利于植株在經(jīng)受更低溫度或更長時間的低溫脅迫時維持較高的耐冷性[14-15]。另外,本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)耐低溫材料上述各種酶活性的上升幅度均顯著高于低溫敏感材料的,表明耐低溫茄子品種的抗氧化酶系統(tǒng)對低溫反應(yīng)敏感,且能保持較高活性,有利于清除植株體內(nèi)過多的活性氧,提高耐寒能力。這與高秀瑞等[16]在茄子上的研究結(jié)果一致。

AsA和GSH是植物體內(nèi)存在的抗氧化劑,是自由基清除系統(tǒng)的重要組成物質(zhì),可還原、清除·OH及歧化H2O2[8]。本研究結(jié)果表明,經(jīng)低溫脅迫處理的茄子幼苗葉片的AsA和GSH含量高于對照的,恢復(fù)至正常溫度使兩者含量下降，表明低溫脅迫可以通過提高茄子幼苗葉片中的AsA和GSH含量來提高茄子幼苗對低溫脅迫的耐性；耐低溫材料AsA和GSH含量的上升幅度顯著高于低溫敏感材料的,與酶活性的變化趨勢一致,進(jìn)一步增加了對活性氧的清除能力。

脯氨酸和可溶性蛋白質(zhì)是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。植物在遭受逆境脅迫時,其細(xì)胞自身會產(chǎn)生滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來適應(yīng)逆境,滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的高低及變化的快慢均可反映植物對逆境的適應(yīng)能力[17-18]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示,在低溫脅迫下,茄子幼苗葉片的脯氨酸和可溶性蛋白質(zhì)含量均明顯升高,這是因?yàn)榈蜏孛{迫往往引起細(xì)胞膜透性增大,為了防止電解質(zhì)過多外滲,植株會主動積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[17],提高細(xì)胞液的滲透壓,增強(qiáng)細(xì)胞的吸水、保水能力。這與董緒兵等[18]在黃瓜上的研究結(jié)果一致。

綜上所述,低溫脅迫提高了茄子的MDA含量、O2-·產(chǎn)生速率和H2O2含量,增加了抗氧化酶SOD、POD、CAT、APX、DHAR和GR的活性、抗氧化劑AsA和GSH的含量，以及脯氨酸和可溶性蛋白質(zhì)的含量,說明低溫脅迫不僅會提高細(xì)胞活性氧水平,也可誘發(fā)植物防御體系的建立,從而避免或減輕活性氧對植物的傷害。本研究結(jié)果為茄子耐低溫機(jī)制研究奠定了一定的理論基礎(chǔ),可為茄子耐低溫育種提供理論參考。

參考文獻(xiàn):

[1] Concellon A, Anon M C, Chaves A R. Effect of chilling on ethylene production in eggplant fruit[J]. Food Chemistry, 2005, 92: 63-69.

[2] 閻世江,張繼寧,劉潔.低溫對茄子根吸收面積和可溶性糖質(zhì)量濃度的影響[J].仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院學(xué)報,2014,27(1):10-13.

[3] 劉術(shù)均,陶承光,張偉春,等.殼聚糖對低溫脅迫下茄子幼苗光合特性的影響[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2010(2):150-152.

[4] 閆世江,張繼寧,劉潔.茄子幼苗耐低溫性生理機(jī)制研究[J].西北植物學(xué)報,2011,31(12):2498-2502.

[5] 吳雪霞,楊曉春,朱宗文,等.外源6-BA對低溫脅迫下茄子幼苗光合作用、葉綠素?zé)晒鈪?shù)及光能分配的影響[J].植物生理學(xué)報,2013,49(11):1181-1188.

[6] 包崇來,杜黎明,胡天華,等.茄子耐低溫材料的篩選及其耐低溫生理響應(yīng)研究[J].植物遺傳資源學(xué)報,2013,14(6):1161-1166.

[7] Wang L, Chen W J, Wang Q, et al. Coronatine enhances chilling tolerance in cucumber (CucumissativusL.) seedlings by improving the antioxidative defence system[J]. J Agron Crop Sci, 2009, 195: 377-383.

[8] Chen S C, Liu Z M, Cui J X, et al. Alleviation of chilling-induced oxidative damage by salicylic acid pretreatment and related gene expression in eggplant seedlings[J]. Plant Growth Regul, 2011, 65: 101-108.

[9] Wu X X, He J, Ding H D, et al. Modulation of zinc-induced oxidative damage inSolanummelongenaby 6-benzylaminopurine involves ascorbate-glutathione cycle metabolism[J]. Environmental and Experimental Botany, 2015, 116: 1-11.

[10] Szafranska K, Glinska S, Janas K M. Ameliorative effect of melatonin on meristematic cells of chilled and re-warmedVignaradiataroots[J]. Biologia Plantarum, 2013, 57: 91-96.

[11] 胡俊杰,張古文,胡齊贊,等.低溫脅迫對菜用大豆生長、葉片活性氧及多胺代謝的影響[J].浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報,2011,23(6):1113-1118.

[12] Fariduddin Q, Yusuf M, Chalkoo S, et al. 28-homobrassinolide improves growth and photosynthesis inCucumissativusL. through an enhanced antioxidant system in the presence of chilling stress[J]. Photosynthetica, 2011, 49: 55-64.

[13] 王洪濤,艾希珍,鄭楠,等.嫁接對低溫弱光下辣椒幼苗膜脂過氧化及抗氧化酶活性的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2010,21(5):1289-1291.

[14] Baek K H, Skinner D Z. Alteration of antioxidant enzyme gene expression during cold acclimation of near-isogenic wheat lines[J]. Plant Science, 2003, 165 (6): 1221-1227.

[15] 蔡歡,朱帥,寧宇,等.缺鉬對黃瓜幼苗耐冷性的影響及其與抗氧化系統(tǒng)的關(guān)系[J].中國蔬菜,2015(4):30-35.

[16] 高秀瑞,潘秀清,武彥榮,等.低溫脅迫對茄子幼苗耐冷生理特性的影響[J].河北農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,12(12):6-8.

[17] Krapp A, Stitt M. An evaluation of direct and indirect mechanisms for the “sink-regulation” of photosynthesis in spinach: changes in gas exchange, carbohydrates, metabolites, enzyme activities and steady-state transcript levels after cold girdling source leaves[J]. Planta, 1995, 195: 313-323.

[18] 董緒兵,畢煥改,劉業(yè)霞,等.黃瓜幼苗干旱-低溫交叉適應(yīng)與滲透調(diào)節(jié)的關(guān)系[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,44(2):335-340.

(責(zé)任編輯:黃榮華)

收稿日期：2015-12-25

基金項(xiàng)目：上海市農(nóng)委基礎(chǔ)項(xiàng)目[滬農(nóng)科攻字(2015)第6-2-3號];上海市種業(yè)發(fā)展項(xiàng)目[滬農(nóng)科種字(2013)第5號]。

作者簡介：吳雪霞(1978─)，女，山東菏澤人，副研究員，博士，從事茄子育種和逆境生理研究工作。*通訊作者:查丁石。

中圖分類號：S641.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-8581(2016)07-0017-05

Effects of Low Temperature Stress and Recovery on Reactive Oxygen Metabolism and Osmotic Adjustment Substance Contents in Eggplant Seedlings

WU Xue-xia, ZHU Zong-wen, XU Shuang, ZHA Ding-shi*

(Horticulture Research Institute, Shanghai Academy of Agricultural Sciences/ Shanghai Municipal Key Laboratory of Protected Horticultural Technology, Shanghai 201106, China)

Abstract：The experiment was carried out to study the effect of low temperature stress on the reactive oxygen species metabolism and osmoticum content of two different low temperature resistance eggplant cultivars. The results showed that MDA contents, O2-· producing rate and H2O2 contents, activities of SOD, POD, CAT, APX, DHAR and GR, contents of AsA and GSH, proline and soluble protein were increased compared to the control. After 2 days’ recovery, MDA contents, O2-· producing rate and H2O2 contents were decreased, while the last 10 indexes either increased or decreased but higher than the control. The content of the first 3 indexes of the low temperature resistant materials were lower than those of cold-sensitive materials, and the later 10 indexes were all higher than those of cold-tolerant materials. And the increase ranges of the first 3 indexes of cold-sensitive materials were larger than those of cold-tolerant materials, while the trends of the last 10 indexes were the contrary. All these proved that low temperature stress influenced normal metabolism of reactive oxygen species and osmoticum of eggplant seedlings, while cold-tolerant plants could adjust themselves by regulating protective enzyme system.

Key words：Eggplant (Solanum melongena L.); Low temperature stress and recovery; Reactive oxygen metabolism; Osmotic regulation substance