高溫脅迫對羽衣甘藍(lán)生理特性的影響

摘要：研究了高溫脅迫對4個不同品種羽衣甘藍(lán)（Brassica oleracea var. acephala）生理特性的影響。結(jié)果表明，隨高溫脅迫時間的延長，不同品種羽衣甘藍(lán)的葉綠素含量顯著下降；幼苗葉片中丙二醛（MDA）、脯氨酸（Pro）含量與質(zhì)膜透性增加；超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）活性先升高后下降，不同品種間差異顯著；京引104203和白羅裙的耐熱性強(qiáng)，葉牡丹和穆斯博耐熱性較弱。

關(guān)鍵詞：羽衣甘藍(lán)（Brassica oleracea var. acephala）；高溫脅迫；生理特性

中圖分類號：S635 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）13-3378-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.13.027

近年來，由于溫室效應(yīng)的加劇，全球平均氣溫不斷升高，城市夏季高溫已經(jīng)成為制約許多花卉生長和發(fā)育的主要環(huán)境因子。在高溫脅迫下，植物體內(nèi)會發(fā)生一系列異常的生理生化反應(yīng)，影響植物生長，嚴(yán)重時甚至引起植物死亡[1]。高溫逆境的機(jī)理在一些植物上已經(jīng)做了研究。例如高溫脅迫導(dǎo)致植物過早衰老，內(nèi)部應(yīng)答退化，導(dǎo)致組織死亡。高溫直接影響光合器官，降低光合速率和同化物供應(yīng)的持續(xù)供給[2，3]，可能是葉綠素?fù)p失增加了膜的損傷和光合能力逐漸下降。在高溫脅迫下抗氧化酶，如超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）是參與清除活性氧的物質(zhì)，這些酶的活性增強(qiáng)能增加植物的耐高溫能力[4，5]。

羽衣甘藍(lán)（Brassica oleracea var. acephala）為十字花科蕓薹屬甘藍(lán)類的一個變種，1～2生草本植物。原產(chǎn)地中海至小亞細(xì)亞一帶，栽培歷史悠久，如今歐美國家種植較多，且品種各異，有觀賞用羽衣甘藍(lán)，葉片形態(tài)美觀多變，色彩絢麗如花，其中心葉片顏色尤為豐富，整個植株形如牡丹，亦有菜用羽衣甘藍(lán)[6]。羽衣甘藍(lán)喜冷涼溫和氣候，耐寒性很強(qiáng)，經(jīng)鍛煉良好的幼苗能耐-12 ℃的短時間低溫，喜陽光，耐鹽堿，喜肥沃土壤。生長適溫為20～25 ℃，種子發(fā)芽的適宜溫度為18～25 ℃。當(dāng)溫度超過35 ℃時植株生長發(fā)育嚴(yán)重受阻[7]。可見，羽衣甘藍(lán)的生長發(fā)育對高溫敏感。

羽衣甘藍(lán)一般于8月底播種，此時河南駐馬店地區(qū)仍常有連續(xù)高溫出現(xiàn)，而其不耐高溫的特性，導(dǎo)致其在城市園林應(yīng)用推廣中受到了很大的局限。為此，本研究以羽衣甘藍(lán)為試驗(yàn)材料，探討其在高溫脅迫下的適應(yīng)性、適應(yīng)機(jī)制和傷害機(jī)理，為選擇苗期耐高溫的品種、增加其抗熱害栽培與育種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)以高溫耐性品種京引104203、白羅裙和高溫敏感品種葉牡丹、穆斯博4個羽衣甘藍(lán)作為研究對象，種子市售，溫室育種。當(dāng)苗長至10 cm左右，選擇生長健壯、長勢一致的植株作為試驗(yàn)材料。

根據(jù)駐馬店市歷年8月平均最高氣溫及極端最高氣溫有關(guān)的氣象數(shù)據(jù)，駐馬店市8月最高氣溫可達(dá)41 ℃，最高地溫高于41 ℃，平均晝夜溫差11 ℃左右。設(shè)定脅迫處理為38 ℃/27 ℃（晝12 h/夜12 h），以26 ℃/22 ℃（晝12 h/夜12 h）作為對照。經(jīng)測試，在正常生長條件下，0～4 d內(nèi)本試驗(yàn)中相關(guān)生理數(shù)據(jù)變化沒有顯著差異，因此所有對照數(shù)據(jù)均以0 d數(shù)據(jù)作為比較。選取高度、長勢、葉數(shù)一致的幼苗，放置于人工氣候箱在（26±0.5） ℃/（22±0.5） ℃（8：00-20：00/20：00-8：00）預(yù)處理5 d。5 d 后溫度設(shè)為（38±0.5）℃/（27±0.5）（晝12 h/夜12 h）。處理期間保持氣候箱內(nèi)空氣相對濕度80%，光照度3 000 lx。高溫脅迫4 d。共8個試驗(yàn)組，每組設(shè)3次重復(fù)，每重復(fù)25株。為減輕高溫引起的水分脅迫的傷害，每天高溫處理前和高溫處理后進(jìn)行補(bǔ)水保濕。試驗(yàn)期間各試驗(yàn)組其他環(huán)境條件及管理措施保持一致。

在處理的第0、1、2、3、4天采樣，從每個培養(yǎng)箱中選取5棵長勢一致的幼苗，剪取植株頂部最近成熟的葉片用鋁箔紙包裹，投入液氮中保存?zhèn)溆?。高溫脅迫處理4 d后，試驗(yàn)組與對照組同條件進(jìn)行生長觀察。

1.2 測定方法

參照陳建勛等[8]的方法測定脯氨酸（Pro）含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性、過氧化物酶（POD）活性、相對電導(dǎo)率、葉綠素含量和丙二醛（MDA）含量。

1.3 數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計分析

分別采用Excel軟件、SPSS統(tǒng)計軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫脅迫對不同品種羽衣甘藍(lán)葉片葉綠素含量和脯氨酸含量的影響

植物葉片中葉綠素含量直接影響著植物的光合作用，測定植物高溫下葉綠素含量可以反映植物的抗熱性。由圖1可知，處理第4天，白羅裙、葉牡丹、京引104203和穆斯博的葉綠素含量分別比第0天下降了68.5%、67.9%、53.9%和55.1%，京引104203和白羅裙葉綠素含量高于穆斯博、葉牡丹，差異顯著（P<0.05）。說明處理前高溫有利于提高植物的光合作用，但在高溫脅迫下會傷害植物細(xì)胞，從而導(dǎo)致植物細(xì)胞內(nèi)的葉綠素含量下降，降低植物的光合作用。在高溫脅迫下，各品種葉內(nèi)葉綠素含量一直處于降低趨勢，但京引104203比其他3個品種降低幅度小，說明高溫對京引104203的葉片光合作用影響較小，而穆斯博、葉牡丹的光合作用受到較大影響。

脯氨酸是植物體內(nèi)一種小分子的滲透物質(zhì)，當(dāng)植物受到高溫脅迫時，脯氨酸的累積能提高植物的耐熱性。它除了作為滲透物質(zhì)之外，還可以作為氮源、蛋白質(zhì)和細(xì)胞結(jié)構(gòu)的保護(hù)劑。脯氨酸累積數(shù)量的多少可以作為衡量植物抗熱能力的生理指標(biāo)。從圖2可以看出，在高溫脅迫下，隨著高溫處理時間的延長，各品種羽衣甘藍(lán)葉片中脯氨酸含量先升高后下降。在相同的處理時間內(nèi)，穆斯博和葉牡丹的脯氨酸含量低于京引104203和白羅裙。高溫處理第4天，各品種羽衣甘藍(lán)的脯氨酸含量與第0天相比有顯著差異，說明在高溫脅迫下，脯氨酸含量增加。脯氨酸含量先升后降的原因可能是在高溫脅迫下，植物會增加脯氨酸的積累，降低高溫的傷害，但高溫脅迫時間過長，植物細(xì)胞反而受到傷害，導(dǎo)致脯氨酸含量降低[9]。由此可知，高溫脅迫下，京引104203和白羅裙葉片內(nèi)的脯氨酸積累多，則細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，植物耐高溫能力較強(qiáng)；而穆斯博和葉牡丹在高溫脅迫下，細(xì)胞受到不同程度的傷害，葉片內(nèi)脯氨酸含量不同程度降低。

2.2 高溫脅迫對不同品種羽衣甘藍(lán)抗氧化酶活性的影響

SOD是重要的活性氧清除酶，當(dāng)外來脅迫導(dǎo)致大量活性氧產(chǎn)生時，它能及時有效地清除自由基，保護(hù)細(xì)胞免受活性氧脅迫的傷害。從圖3可以看出，隨著高溫脅迫時間的延長，4個羽衣甘藍(lán)品種SOD活性先升高后降低。但在第0天處理時，各品種間SOD活性沒有顯著差異。在高溫處理1 d時，穆斯博SOD活性低于葉牡丹、京引104203和白羅裙；在處理第4天時，各品種SOD活性與第0天相比有顯著差異（P<0.05）。從SOD活性增加的速度看，隨高溫脅迫的加強(qiáng)，京引104203和白羅裙SOD活性增加速度快，最高峰時分別增加75.0%和64.1%；而穆斯博和葉牡丹的SOD活性增加比較緩慢，最高峰時分別增加35.8%和49.1%。說明在高溫脅迫下，各羽衣甘藍(lán)品種均可應(yīng)激提高體內(nèi)SOD活性，以清除活性氧自由基對細(xì)胞造成的危害，且京引104203的SOD活性與穆斯博和葉牡丹相比差異顯著，京引104203的SOD活性與白羅裙差異不顯著。但當(dāng)高溫脅迫時間延長時，SOD活性并沒有升高反而降低，京引104203和白羅裙的SOD活性比穆斯博和葉牡丹降低的少。這些結(jié)果都表明在高溫脅迫下，京引104203和白羅裙葉片組織具有較強(qiáng)的抵御活性氧的傷害作用，而穆斯博和葉牡丹的抵御能力較弱。

由圖4可以看出，高溫脅迫下，4種羽衣甘藍(lán)植物葉組織細(xì)胞POD的活性均為先升高后下降。京引104203和白羅裙的POD活性上升幅度大、速度快，而穆斯博和葉牡丹的POD活性上升較慢，與第0天相比差異達(dá)顯著水平（P<0.05）。處理第3天，POD活性開始下降，處理第4天，穆斯博和葉牡丹POD活性比京引104203和白羅裙的低，穆斯博、葉牡丹、京引104203和白羅裙POD活性分別是對照的53.6%、38.6%、57.6%和60.1%。由此可知，京引104203和白羅裙抵御高溫脅迫的能力較強(qiáng)，而穆斯博和葉牡丹受高溫脅迫的傷害比較嚴(yán)重。

2.3 高溫脅迫對不同品種羽衣甘藍(lán)葉膜脂過氧化物與質(zhì)膜透性的影響

高溫脅迫誘導(dǎo)活性氧的產(chǎn)生并對植物造成氧化脅迫。丙二醛是膜脂過氧化的主要產(chǎn)物，其含量的變化可作為衡量逆境脅迫對植物造成氧化損害的指標(biāo)。隨著處理時間的增加，4個品種羽衣甘藍(lán)MDA含量呈增加趨勢（圖5）。處理0 d時，各品種葉片之間MDA含量無顯著差異，但隨著處理時間的延長，第4天與第0天相比，白羅裙、葉牡丹、京引104203和穆斯博的MDA含量分別增加305%、266%、287%和275%，白羅裙和京引104203與穆斯博差異顯著（P<0.05），與葉牡丹無顯著差異。說明在長時間的高溫脅迫下，穆斯博和葉牡丹細(xì)胞的質(zhì)膜損壞較嚴(yán)重，而白羅裙和京引104203受到的影響較小，表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐熱性。

細(xì)胞質(zhì)膜是細(xì)胞與環(huán)境之間的界面，各種逆境對細(xì)胞的影響首先作用于質(zhì)膜，逆境脅迫對質(zhì)膜結(jié)構(gòu)和功能的影響通常表現(xiàn)為選擇透性的下降甚至喪失。電解質(zhì)與某些小分子有機(jī)物質(zhì)的大量外滲，通常用相對電導(dǎo)率來表示。在高溫脅迫下，各羽衣甘藍(lán)品種幼苗葉片的相對電導(dǎo)率的變化趨勢與MDA含量的變化趨勢相似（圖6）。高溫處理第4天時，白羅裙、京引104203、葉牡丹和穆斯博的相對電導(dǎo)率分別比第0天增加178.6%、160.7%、178.7%和148.0%；穆斯博、葉牡丹相對電導(dǎo)率增加最快，其次是京引104203，白羅裙增加最緩慢。由此可知，在高溫脅迫下穆斯博和葉牡丹膜透性受傷害程度最大，京引104203次之，穆斯博受傷害程度最小。

3 小結(jié)與討論

高溫抑制植物的生長和發(fā)育[10]。本研究結(jié)果表明，羽衣甘藍(lán)生長被高溫抑制，這與前人研究結(jié)果一致。葉綠素是光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，其含量高低將直接影響光合作用的強(qiáng)弱和物質(zhì)合成速率的高低。有研究表明，高溫能抑制植物葉綠素的合成，葉綠素含量下降[11-13]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，羽衣甘藍(lán)葉綠素含量隨著高溫處理時間的延長呈下降趨勢，但京引104203、白羅裙的葉綠素含量>葉牡丹、穆斯博的葉綠素含量。京引104203與白羅裙的葉綠素含量差異不顯著。Pro是植物在干旱、高溫、高鹽、冰凍、紫外照射以及重金屬等脅迫條件下累積的主要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，調(diào)節(jié)滲透平衡、維持蛋白質(zhì)、膜和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，清除ROS[14]。

環(huán)境脅迫引起的ROS的積累可以通過抗氧化酶系統(tǒng)來消除，氧化酶系統(tǒng)在許多細(xì)胞器里催化O2-·轉(zhuǎn)換為H2O2[15]。植物體內(nèi)的抗氧化酶系統(tǒng)主要由超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）、過氧化物酶（Peroxidase，POD）等構(gòu)成，植物抗脅迫能力的提高可能與體內(nèi)的抗氧化酶系統(tǒng)有關(guān)。SOD廣泛存在于生物體中，是生物體中一種重要的抗氧化物酶類，它幾乎參與了生物體中所有的對抗各種環(huán)境脅迫的生理生化反應(yīng)。從而防御活性氧或其他過氧化物自由基對細(xì)胞質(zhì)膜的傷害[16，17]。許多研究表明，SOD活性與植物抗逆性（抗寒、抗旱、抗高溫等）及耐受性（耐高溫、耐脫水等）有極為密切的關(guān)系[18-21]。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，在高溫脅迫下，京引104203、穆斯博、葉牡丹、白羅裙的SOD、POD活性在處理初期升高，處理后期比最高時有所下降，但仍比對照高。說明不同品種羽衣甘藍(lán)在高溫下，SOD、POD的活性提高，而且白羅裙、京引104203>葉牡丹、穆斯博。

白羅裙和京引104203在高溫逆境中可能有較強(qiáng)的平衡系統(tǒng)，對逆境有較強(qiáng)的忍受能力，所以抗高溫能力較強(qiáng)，而葉牡丹和穆斯博平衡系統(tǒng)可能較弱，對逆境忍受能力不強(qiáng)，所以抗高溫能力較強(qiáng)。

許多研究表明，高溫首先破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，致使細(xì)胞內(nèi)溶物外滲，細(xì)胞膜的熱穩(wěn)定性即高溫脅迫下細(xì)胞的電導(dǎo)率直接反映植物的耐熱程度；膜脂過氧化作用是導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)破壞、引起植株損傷甚至死亡的重要原因；MDA是脂質(zhì)過氧化的產(chǎn)物，被視為脅迫損傷的一個指標(biāo)[22]。抗熱性強(qiáng)的品種，MDA含量增加較少、電解質(zhì)滲出比率低，相對電導(dǎo)率值上升較慢；抗熱性弱的品種反之[23，24]。本研究中，在高溫脅迫下4個品種羽衣甘藍(lán)葉片中，白羅裙和京引104203的MDA含量較低，而葉牡丹和穆斯博的MDA含量較高；另外，白羅裙和京引104203還表現(xiàn)為相對電導(dǎo)率低于葉牡丹和穆斯博。

綜上所述，4個品種羽衣甘藍(lán)幼苗在高溫條件下通過增加細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量，降低水分喪失，平衡細(xì)胞質(zhì)與液泡間的滲透勢，同時提高保護(hù)酶含量和活性，清除機(jī)體內(nèi)活性氧，降低膜脂過氧化作用，減輕對植物細(xì)胞的傷害，來增強(qiáng)其對高溫環(huán)境的適應(yīng)能力。羽衣甘藍(lán)為耐寒性很強(qiáng)的植物，但在8月高溫地方引種栽培，建議選擇耐高溫干旱的品種。

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