外源ALA對常溫和高溫條件下裸燕麥生長發(fā)育及抗氧化酶活性的影響

王傳凱，郭淼

(南陽農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，河南南陽473000)

外源ALA對常溫和高溫條件下裸燕麥生長發(fā)育及抗氧化酶活性的影響

王傳凱，郭淼*

(南陽農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，河南南陽473000)

以盆栽裸燕麥為試驗材料，研究了常溫和高溫條件下噴施0、10、50、100 mg/L的5－氨基乙酰丙酸(ALA)對裸燕麥生長發(fā)育和抗氧化酶活性的影響，以期為提高裸燕麥耐熱性和生產(chǎn)力提供參考依據(jù)。結(jié)果表明，在常溫條件下，施用ALA增加了裸燕麥株高、葉長、葉寬、葉面積、干鮮質(zhì)量、葉綠素a含量、葉綠素a/b、類胡蘿卜素含量及超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)活性。其中，葉面積、葉寬、干鮮質(zhì)量、SOD和POD活性均以50 mg/L ALA處理最高，株高、葉長、葉綠素a含量、類胡蘿卜素含量、葉綠素a/b、CAT活性均以100 mg/L ALA處理最高。在高溫條件下，裸燕麥生長受到抑制，噴施ALA可減輕高溫脅迫對裸燕麥的傷害，以50 mg/L ALA處理效果最佳，該處理下裸燕麥株高、葉面積、葉長、葉寬、鮮質(zhì)量、干質(zhì)量、葉綠素a含量、類胡蘿卜素含量、葉綠素a/b及SOD、POD、CAT活性最高，分別較不施用ALA處理提高13.0%、43.6%、53.5%、39.6%、116.4%、34.5%、54.5%、21.8%、47.4%、19.1%、38.9%、105.4%。

裸燕麥;5－氨基乙酰丙酸;高溫脅迫;抗氧化酶

5－氨基乙酰丙酸(5-aminolevulinic acid，ALA)作為一種新型的植物生長調(diào)節(jié)劑［1］，是植物體內(nèi)卟啉化合物生物合成前體［2］，也是植物體內(nèi)天然存在的、生命活動必需的、代謝活躍的生理活性物質(zhì)，參與光合作用、呼吸作用等生理過程，具有殺蟲、除草、增強植物抗逆性、促進植物光合作用、提高果實品質(zhì)等多種功能，并且易降解、無殘留、對人畜無毒性，成為極具發(fā)展前途的無公害綠色農(nóng)用化學(xué)品［3］。近年來，國內(nèi)外關(guān)于ALA生物學(xué)功能的研究很多，主要集中在促進光合作用、抗旱、抗低溫、耐鹽等方面。劉衛(wèi)琴等［4］研究發(fā)現(xiàn)，在草莓葉面噴施ALA顯著提高了葉片葉綠素含量和羧化效率，降低光呼吸速率，從而提高葉片凈光合速率。尹璐璐等［5］研究發(fā)現(xiàn)，在低溫脅迫下，ALA處理黃瓜幼苗后，其葉片電解質(zhì)滲漏率和丙二醛含量降低，脯氨酸和可溶性糖含量及根系活力升高，超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)活性升高，冷害指數(shù)降低，說明ALA能夠明顯增強黃瓜幼苗的抗冷性。徐曉潔等［6］研究發(fā)現(xiàn)，在NaCl脅迫下，噴施ALA能提高番茄葉片的葉綠素含量、凈光合速率(Pn)及SOD、POD、過氧化氫酶(CAT)活性，降低胞間CO2濃度和丙二醛含量，從而提高番茄的耐鹽性。目前，還沒有關(guān)于ALA對高溫條件下裸燕麥生長發(fā)育影響的研究。為此，以裸燕麥為材料，研究不同質(zhì)量濃度ALA對常溫和高溫條件下裸燕麥生長發(fā)育和及抗氧化酶活性的影響，為提高裸燕麥耐熱性和生產(chǎn)力提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試的裸燕麥品種為在河南黃河灘區(qū)表現(xiàn)良好的內(nèi)農(nóng)大莜2號，由內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)培育。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2016年3—8月進行，選擇大小均一、籽粒飽滿且無病害的裸燕麥種子，在溫室培養(yǎng)箱(光照10 h/溫度30℃;黑暗14 h/溫度20℃)中育苗，培養(yǎng)1周后移苗至盆缽中，進行沙培，每盆幼苗40株，于傍晚定時定量澆Hoagland’s營養(yǎng)液。當(dāng)裸燕麥生長至16～18 cm時，篩選長勢相同的植株定苗，每盆留苗25株，分別噴施0、10、50、100 mg/L ALA，至葉面有水滴為止，以噴施蒸餾水為對照。然后將其放于2個溫室培養(yǎng)箱中進行處理(表1)，常溫處理:20℃/15℃(白天/黑夜)，光照10 h;高溫處理: 38℃/25℃(白天/黑夜)，光照10 h。培養(yǎng)4 d后再次噴施ALA，處理7 d后，進行生長和生理生化指標(biāo)的測定。每個處理3個重復(fù)。

表1 各處理溫度及ALA質(zhì)量濃度

1.3 測定項目及方法

1.3.1 生長發(fā)育指標(biāo)

1.3.1.1 株高株高為植株根頸部到植株頂部之間的距離。

1.3.1.2 葉面積、葉長、葉寬葉面積、葉長、葉寬均采用MSD－971葉面積分析/掃描儀測定。

1.3.1.3 植株鮮、干質(zhì)量取10株幼苗用自來水沖洗，再用蒸餾水沖洗2～3遍，用濾紙吸去附著的水分后稱鮮質(zhì)量，并計算單株鮮質(zhì)量;然后放于105℃烘箱內(nèi)殺青30 min，于65℃烘干至恒質(zhì)量，稱干質(zhì)量，并計算單株干質(zhì)量。

1.3.2 生理生化指標(biāo)

1.3.2.1 光合色素含量葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素含量均采用蕭浪濤等［7］的方法測定。

1.3.2.2 抗氧化酶活性葉片SOD、CAT、POD活性均采用Parida等［8］的方法測定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析

試驗數(shù)據(jù)利用Excel 2003和SPSS 19.0進行統(tǒng)計和差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源ALA對常溫和高溫條件下裸燕麥生長發(fā)育的影響

由表2可知，在高溫條件下，裸燕麥的株高、葉面積、葉長、葉寬、鮮質(zhì)量和干質(zhì)量均較常溫條件下降低;在常溫和高溫條件下，總體上施用ALA增加了裸燕麥的株高、葉面積、葉長、葉寬、鮮質(zhì)量和干質(zhì)量。

在常溫條件下，隨著ALA質(zhì)量濃度的增加，裸燕麥葉面積、葉寬、鮮質(zhì)量、干質(zhì)量均呈先增加后降低的趨勢，葉面積、鮮質(zhì)量、干質(zhì)量均以50 mg/L ALA處理最高，葉寬以10 mg/L ALA處理最高，分別較常溫對照提高39.6%、31.7%、44.2%、8.6%;株高和葉長總體呈增加的趨勢，以100 mg/L ALA處理最高，分別較常溫對照提高16.7%、65.9%。

在高溫條件下，隨著ALA質(zhì)量濃度的增加，裸燕麥株高、葉面積、葉長、葉寬、鮮質(zhì)量、干質(zhì)量總體均呈增加趨勢，均以50 mg/L ALA處理最高，分別較高溫對照提高13.0%、43.6%、53.5%、39.6%、116.4%、34.5%，其中葉寬、鮮質(zhì)量差異達到顯著水平。

表2 不同質(zhì)量濃度ALA對常溫和高溫條件下裸燕麥生長發(fā)育的影響

2.2 外源ALA對常溫和高溫條件下裸燕麥光合色素含量的影響

由表3可知，在高溫條件下，裸燕麥的葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素含量總體上均較常溫條件下降低;在常溫和高溫條件下，施用ALA總體上增加了裸燕麥的葉綠素a、葉綠素b(常溫條件下除外)、類胡蘿卜素含量。

在常溫條件下，隨著ALA質(zhì)量濃度的增加，裸燕麥葉綠素a、類胡蘿卜素含量和葉綠素a/b均呈先增加后降低再增加的趨勢，葉綠素a、類胡蘿卜素含量均以100 mg/L ALA處理最高，葉綠素a/b以 10 mg/L ALA處理最高，分別較常溫對照提高52.1%、69.3%、81.9%;葉綠素b含量呈先降低后升高的趨勢，以10 mg/L ALA處理最低，較常溫對照降低22.6%。

在高溫條件下，隨著ALA質(zhì)量濃度的增加，裸燕麥葉綠素a、類胡蘿卜素和葉綠素a/b均呈先降低后升高再降低的趨勢，均以50 mg/L ALA處理最高，分別較高溫對照提高54.5%、21.8%、47.4%;葉綠素b含量呈先升高后降低再升高的趨勢，以10 mg/L ALA處理最高，較高溫對照提高13.9%。

表3 不同質(zhì)量濃度ALA對常溫和高溫條件下裸燕麥光合色素含量的影響

2.3 外源ALA對常溫和高溫條件下裸燕麥抗氧化酶活性的影響

由表4可知，在高溫條件下，裸燕麥的SOD、POD、CAT活性均較常溫條件下升高;在常溫和高溫條件下，施用ALA均增加了裸燕麥的SOD、POD、CAT活性。

在常溫條件下，隨著ALA質(zhì)量濃度的增加，裸燕麥SOD、POD活性均呈先增加后降低的趨勢，均以50 mg/L ALA處理最高，分別較常溫對照提高19.4%、17.0%;CAT活性呈增加的趨勢，以100 mg/L ALA處理最高，較常溫對照提高169.6%。

在高溫條件下，隨著ALA質(zhì)量濃度的增加，裸燕麥SOD、CAT活性呈先增加后降低的趨勢，均以50 mg/L ALA處理最高，分別較高溫對照提高19.1%、105.4%;POD活性呈先增加后趨于平穩(wěn)的趨勢，以50、100 mg/L ALA處理最高，較高溫對照提高38.9%。

表4 不同質(zhì)量濃度ALA對常溫和高溫條件下裸燕麥抗氧化酶活性的影響

3 結(jié)論與討論

植物光合作用可維持植物正常生長，并提高植物生產(chǎn)力，葉綠體是植物光合作用的主要場所，其色素含量的高低很大程度上決定著植物的光合能力，而且植物產(chǎn)量的高低與其光合作用強弱密切相關(guān)［9-10］。在植物中，ALA是合成葉綠素分子中吡咯環(huán)的起始物質(zhì)，在葉綠體中經(jīng)一系列酶的作用后形成原葉綠素酸酯，原葉綠素酸酯再經(jīng)過光還原作用形成葉綠素a，葉綠素a經(jīng)過氧化后形成葉綠素b［11］。徐剛等［12］研究發(fā)現(xiàn)，施用適宜濃度的ALA對辣椒的光合特性和生長發(fā)育有顯著促進作用，有助于提高其生物產(chǎn)量。本試驗結(jié)果表明，在常溫和高溫條件下，施用ALA總體上均增加了裸燕麥的葉綠素a、葉綠素b(常溫條件下除外)、類胡蘿卜素含量，促進了裸燕麥的生長發(fā)育，有效促進了干物質(zhì)的積累，總體以50 mg/L和100 mg/L ALA處理效果較好。

Van Huystee［13］指出，POD是以亞鐵血紅素為輔基的抗氧化酶類，而ALA是亞鐵血紅素生物合成的前體。因此，噴施外源ALA可有效增加植物亞鐵血紅素的合成，從而提高葉片細胞抗氧化酶POD活性，降低膜脂過氧化程度，維持膜系統(tǒng)完整性，有利于提高葉綠素?zé)晒猱a(chǎn)額，從而提高光合作用［14］。本研究結(jié)果表明，無論是常溫還是高溫條件下，50 mg/L ALA處理裸燕麥POD活性均最高，更好地保障了葉片細胞膜系統(tǒng)的完整性和平衡性，促進了裸燕麥光合作用和干物質(zhì)的積累。

在各種逆境脅迫下，植物細胞膜結(jié)構(gòu)往往是遭受傷害的原初作用部位［15］。在高溫脅迫下，細胞膜變性，細胞的區(qū)域化被打破，原生質(zhì)變性，葉綠體、線粒體等細胞器結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致葉綠素含量降低，葉片顏色變褐。本研究結(jié)果表明，在高溫條件下，裸燕麥細胞器結(jié)構(gòu)遭到破壞，葉綠素含量下降，施用ALA后，葉綠素含量增加，表明ALA有效降低了細胞膜的損壞程度，保護了裸燕麥的光合能力。這與Hotta等［16］提出的ALA具有調(diào)節(jié)葉綠素含量作用的結(jié)果相一致。本研究結(jié)果還表明，ALA不僅對裸燕麥葉綠素的合成有調(diào)節(jié)作用，還有效促進了裸燕麥株高、葉面積、干鮮質(zhì)量的增加。Korkmaz等［17］研究也表明，脅迫環(huán)境下施用適宜濃度的ALA能夠明顯提高植物的干鮮質(zhì)量、株高等生長指標(biāo)。

高溫等逆境脅迫產(chǎn)生的環(huán)境低水勢會對植物體產(chǎn)生水分脅迫(滲透脅迫)，在滲透脅迫下，植物細胞失水，膨壓減小，生理活性降低，嚴重時細胞完全喪失膨壓，最后導(dǎo)致細胞死亡［18］。在脅迫條件下，植物會做出抗逆性反應(yīng):一方面，植物體積累各種有機物和無機物(如脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖)作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，來提高細胞液濃度，降低滲透勢，保持其體內(nèi)水分，適應(yīng)環(huán)境;另一方面，開啟活性氧清除系統(tǒng)，增加或激活抗氧化酶活性和積累抗氧化劑，保護細胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)［19-20］。其中，類胡蘿卜素在脅迫環(huán)境下作為抗氧化劑，主要通過與三線態(tài)葉綠素作用防止活性氧的產(chǎn)生，也能將已經(jīng)產(chǎn)生的活性氧轉(zhuǎn)變成基態(tài)氧分子，來保護葉綠素免受光氧化的損害［21］。較高活性的抗氧化酶可快速清除細胞內(nèi)自由基，維持正常生長［22-23］。本研究結(jié)果表明，在高溫條件下，噴施ALA后，類胡蘿卜素(抗氧化劑)含量及SOD、CAT、POD活性總體上均升高，均以50 mg/L ALA處理最高，說明噴施ALA可有效減小裸燕麥細胞膜結(jié)構(gòu)的損壞程度，維持細胞膜系統(tǒng)的完整性，保護細胞內(nèi)代謝環(huán)境，從而在高溫條件下促進裸燕麥生長和干物質(zhì)的積累。

綜上所述，ALA作為一種新型的植物生長調(diào)節(jié)劑，能夠有效促進裸燕麥生長發(fā)育，提高抗氧化酶活性，增加裸燕麥的生物量，總體以50 mg/L處理效果最好。

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Effect of 5-Aminolevulinic Acid on Growth and Antioxidant Enzyme Activities of Avena nuda under Normal and High Temperature Conditions

WANG Chuankai，GUO Miao*
(Nanyang Vocational College of Agriculture，Nanyang 473000，China)

A pot test was conducted to study the effect of ALA at different concentrations(0，10，50，100 mg/L)on the growth and antioxidant enzyme activities of Avena nuda under normal and high temperature conditions，so as to provide some references for improving productivity and heat resistance of Avena nuda.The experimental results revealed that the plant height，leaf length，leaf width，leaf area，dry and fresh weight，chlorophyll a content，carotenoids content，chlorophyll a/b and the activities of SOD，CAT，POD of leaves were increased with the application of ALA for Avena nuda under room temperature condition.Among them，the leaf area，leaf width，dry and fresh weight，SOD and POD activities of 50 mg/L ALA treatment were the highest;the plant height，leaf length，chlorophyll a content，carotenoid content，chlorophyll a/b and CAT activity of 100 mg/L ALA treatment were the highest.The growth of Avena nuda was inhibited under high temperature stress.Spraying ALA could decrease the harm of high temperature stress to Avena nuda，and spraying 50 mg/L ALA had the best effect.The plant height，leaf area，leaf length，leaf width，dry and fresh weight，chlorophyll a content，carotenoid content，chlorophyll a/b and SOD，POD，CAT activities of 50 mg/L ALA treatment increased by 13.0%，43.6%，53.5%，39.6%，116.4%，34.5%，54.5%，21.8%，47.4%，19.1%，38.9%，105.4%compared with the treatment with-out ALA under high temperature stress.

Avena nuda;5-aminolevulinic acid;high temperature stress;antioxidant enzymes

S512.6

A

1004－3268(2017)07－0030－05

2017－02－20

國家自然科學(xué)基金項目(30971704);國家糧食豐產(chǎn)科技工程項目(2011BAD16B03)

王傳凱(1968－)，男，河南南陽人，副教授，碩士，主要從事作物栽培與植物生理研究。E－mail:wck3393821@163.com

*通訊作者:郭淼(1968－)，女，河南南陽人，副教授，博士，主要從事作物栽培生理研究。E－mail:1261273189@qq.com