草地早熟禾葉片和根頸對低溫脅迫的生理響應(yīng)

田彥鋒，白小明，陳潤娟，陳 輝(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

草地早熟禾葉片和根頸對低溫脅迫的生理響應(yīng)

田彥鋒，白小明，陳潤娟，陳 輝
(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

草地早熟禾；低溫脅迫；葉片；莖；生理響應(yīng)

溫度作為生物機(jī)能的一種動(dòng)力，影響植物的所有酶促反應(yīng)和生長發(fā)育，它從根本上限制著一個(gè)草種在寒冷地區(qū)的生存和繁衍[1]。我國北方冬季寒冷，低溫成為影響草坪綠期和越冬的主要限制性因素。因此，提高草坪草抗寒性，延長草坪綠期成為目前北方草坪業(yè)發(fā)展面臨的一大難題[2]。

草坪植物的不同營養(yǎng)器官具有不同的抗寒性，Dunn等[3]發(fā)現(xiàn)，狗牙根根狀莖的抗寒性較匍匐莖差，而Rogers等[4]的研究表明，結(jié)縷草Maye的匍匐莖和根狀莖的抗寒性相當(dāng)。也有研究報(bào)道，草坪草根莖在低溫處理下電解質(zhì)透出率的變化趨勢同葉片大致相同，但根莖變化較緩慢，同一植株的不同器官(葉片、根莖、根)在抗寒鍛煉的過程中，各項(xiàng)生理指標(biāo)的變化不同步，不同植物不同部位之間的抗寒性差異各不相同。有研究報(bào)道，蘭引3號結(jié)縷草、陽江狗牙根和假儉草3種暖季型草坪草的抗寒性均為越冬器官(蘭引3號結(jié)縷草地下莖、陽江狗牙根地下莖、假儉草地上莖)表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐受低溫能力。對于草坪植物而言，葉和越冬器官的抗寒性同等重要，葉器官的抗寒性決定了冷地型草坪植物綠期的長短，越冬器官的抗寒性大小決定著草坪植物的返青狀況。為此，試驗(yàn)通過研究低溫脅迫對草地早熟禾葉片和根莖生理特性的影響，探討草地早熟禾不同器官對低溫脅迫的響應(yīng)機(jī)制，以期為北方地區(qū)草地早熟禾草坪的養(yǎng)護(hù)管理提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為采自甘肅省定西市安定區(qū)的野生草地早熟禾，采集地生境多為山坡，海拔2 490 m，地理坐標(biāo)N 35°20′41″，E 104°05′26″。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料采用盆栽沙培方式在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草坪試驗(yàn)地培育，花盆直徑11 cm，深11 cm，每盆裝經(jīng)過清洗的中細(xì)沙0.9 kg，理論播種量15 g/m2。2015年5月播種，用霍格蘭完全營養(yǎng)液培養(yǎng)。

試驗(yàn)材料生長4個(gè)月后，修剪至8 cm，置于4℃恒溫(相對濕度68%～75%、光強(qiáng)3 500～4 000 lx、光照時(shí)數(shù)12 h/d，黑暗12 h/d)智能型光照培養(yǎng)箱，低溫脅迫處理12 d，每隔2 d取葉片和根頸(與根系連接處以上1 cm)測定相關(guān)生理指標(biāo)，以處理0 d(即20 ℃常溫)為對照(CK)，每個(gè)處理3次重復(fù)。

1.3測定指標(biāo)及方法

2 結(jié)果與分析

2.1低溫脅迫對草地早熟禾葉片和根頸Pro含量的影響

隨低溫脅迫時(shí)間延長，草地早熟禾葉片和根頸Pro含量均逐漸增加(圖1)。脅迫4 d后葉片Pro含量顯著高于CK(P<0.05)，脅迫6 d后根頸Pro含量顯著高于前4 d(P<0.05)，第12 d分別達(dá)到344.5 μg/g和221.6 μg/g，較CK增加79.6%和31.8%。

圖1 低溫脅迫處理下草地早熟禾葉片和根頸Pro的含量Fig.1 Effects of cold stress on Pro contents of leaf and root collar of kentucky bluegrass注：不同小寫字母表示同一器官不同處理間差異顯著(P<0.05)；下同

2.2低溫脅迫對草地早熟禾葉片和根頸SS含量的影響

草地早熟禾葉片和根頸中SS含量隨低溫脅迫時(shí)間的延長逐漸增加(圖2)，處理前期，SS含量緩慢增長，葉片處理6 d、根頸處理10 d后SS含量急劇上升(P<0.05)。12 d時(shí)，葉片和根頸SS含量分別達(dá)5.08%和4.26%，比CK增加107.7%和62.6%，葉片增幅明顯高于根頸。

圖2 低溫脅迫下草地早熟禾葉片和根頸SS的含量Fig.2 Effect of SS content in leaf and root collar of kentucky bluegrass under cold stress

2.3低溫脅迫對草地早熟禾葉片和根頸SP含量的影響

隨低溫脅迫時(shí)間的延長，草地早熟禾葉片和根頸SP含量先上升后下降。脅迫2 d葉片和根頸SP含量與CK差異不顯著(P>0.05)，葉片在脅迫4 d、根頸在脅迫8 d時(shí)SP含量顯著高于CK(P<0.05)；8 d時(shí)均達(dá)最大值，分別為9.18 mg/g和7.27 mg/g，比CK增加37.6%和21%，脅迫12 d時(shí)SP含量顯著低于脅迫8 d(P<0.05)，但與CK差異不顯著(P>0.05)(圖3)。

圖3 低溫脅迫處理下草地早熟禾葉片和莖SP的含量Fig.3 Effect of SP content in leaf and root collar of kentucky bluegrass under cold stress

2.4低溫脅迫對草地早熟禾葉片和根頸MDA含量的影響

隨脅迫時(shí)間的延長，草地早熟禾葉片和根頸MDA含量均呈先增加后降低的趨勢(圖4)，處理8 d時(shí)最大，分別為8.83和5.29 μmol/g，與CK相比，葉片的增幅大于根頸。葉片脅迫10 d、根頸脅迫12 d時(shí)MDA含量又迅速下降(P<0.05)，但第12 d時(shí)葉片MDA含量仍顯著高于CK，而莖MDA含量與CK差異不顯著(P>0.05)。

圖4 低溫脅迫處理下草地早熟禾葉片和根頸MDA的含量Fig.4 Effect of MDA content in leaf and root collar of kentucky bluegrass under cold stress

2.5低溫脅迫對草地早熟禾葉片和根頸SOD活性的影響

草地早熟禾葉片和根頸SOD活性均隨低溫脅迫時(shí)間的延長先上升后下降(圖5)，且分別在脅迫第2 d和第6 d時(shí)顯著高于CK(P<0.05)，第8 d均達(dá)到峰值，分別為91.1和80.5 μ/g，比CK提高39.8%和28.0%，之后逐漸下降，葉片在脅迫第10 d、根頸在脅迫第12 d時(shí)均顯著下降(P<0.05)。

圖5 低溫脅迫處理下草地早熟禾葉片和根頸SOD的活性Fig.5 Effect of SOD activity in leaf and root collar of kentucky bluegrass under cold stress

2.6低溫脅迫對草地早熟禾葉片和根頸CAT活性的影響

隨低溫脅迫時(shí)間的延長，草地早熟禾葉片和根頸CAT活性均呈先上升后下降的趨勢(圖6)，且分別在脅迫第6 d和第8 d顯著高于CK(P<0.05)，第8 d CAT活性均最大，分別為95.0和81.0 μg/min，比CK提高了30.1%和26.6%，第12 d時(shí)平均顯著下降(P<0.05)，接近CK的活性(P>0.05)。

圖6 低溫脅迫處理下草地早熟禾葉片和根頸CAT的活性Fig.6 Effect of CAT activity in leaf and root collar of kentucky bluegrass under cold stress

2.7低溫脅迫對草地早熟禾葉片和根頸POD活性的影響

草地早熟禾葉片和根頸POD活性均隨低溫脅迫時(shí)間的延長先上升后下降(圖7)，且分別在脅迫2 d和8 d時(shí)顯著高于對CK(P<0.05)，第8 d POD活性均最強(qiáng)，分別為12.48和11.31 μg/min，比CK提高了64.9%和84.8%，第12 d時(shí)均顯著下降(P<0.05)，但與CK差異不顯著(P>0.05)。

圖7 低溫脅迫處理下草地早熟禾葉片和莖POD的活性Fig.7 Effect of POD activity in leaf and root collar of kentucky bluegrass under cold stress

2.8低溫脅迫對草地早熟禾葉片和根頸·OH含量的影響

隨低溫脅迫時(shí)間的延長，草地早熟禾葉片和根頸·OH含量均先增加后下降(圖8)。葉片·OH含量在第4 d時(shí)顯著高于CK(P<0.05)，根頸增加較平緩，第8 d時(shí)才顯著高于CK(P<0.05)，二者·OH含量均在第8 d時(shí)最高，分別為2.46和1.86 A/g，比CK增加了103.3%和84.2%。試驗(yàn)到第12 d時(shí)均顯著下降(P<0.05)，但與CK差異不顯著(P>0.05)。

圖8 低溫脅迫處理下草地早熟禾葉片和根頸·OH的含量Fig.8 Effect of ·OH content in leaf and root collar of kentucky bluegrass under cold stress

2.9低溫脅迫對草地早熟禾葉片和根頸H2O2含量的影響

草地早熟禾葉片和根頸H2O2含量均隨低溫脅迫時(shí)間的延長呈先上升后下降的趨勢(圖9)，第8 d達(dá)最大，分別為20.25和10.85 μmol/g，比CK增加了52.6%和34.0%。處理第12 d，葉片和根頸H2O2含量均顯著下降(P<0.05)，但葉片H2O2含量仍顯著高于CK(P<0.05)，而根頸H2O2含量與CK差異不顯著(P>0.05)。

圖9 低溫脅迫處理下草地早熟禾葉片和根頸H2O2的含量Fig.9 Effect of H2O2 content in leaf and root collar of kentucky bluegrass under cold stress

圖10 低溫脅迫處理下草地早熟禾葉片和根頸O2-·的產(chǎn)生速率Fig.10 Effect of O2- production rate of leaf and root collar of kentucky bluegrass under cold stress

3 討論

植物體內(nèi)Pro和SS含量的增加有利于提高抗寒性，低溫脅迫后，由于蛋白質(zhì)合成和氧化受阻，或是蛋白質(zhì)的降解加快，導(dǎo)致植物Pro含量迅速升高，降低了細(xì)胞水勢，避免凍害的發(fā)生，同時(shí)大多數(shù)淀粉被水解為SS，增加了植物細(xì)胞液濃度，增強(qiáng)細(xì)胞液的流動(dòng)性和原生質(zhì)粘性，從而提高植物抗寒性[12-15]。有學(xué)者研究報(bào)道，低溫條件下草坪草Pro和SS含量與不同器官的抗冷性以及植物受傷害程度呈正相關(guān)[1,16-19]]。SP的含量與植物的抗冷性之間也存在著密切的關(guān)系，林善枝等[20]對楊樹幼苗的耐寒性研究發(fā)現(xiàn)，SP在低溫條件下含量增加，隨著溫度持續(xù)降低，SP含量又有所下降。初期低溫脅迫SP含量的增加可能是逆境下新的蛋白質(zhì)合成的結(jié)果，隨著低溫脅迫時(shí)間的延長，蛋白質(zhì)合成受阻，SP含量下降。MDA含量的變化也是反映低溫脅迫下質(zhì)膜穩(wěn)定性和植物抗寒性的一個(gè)重要指標(biāo)。低溫脅迫下MDA含量的增加，降低了抗氧化物的含量和抑制了細(xì)胞保護(hù)酶活性[21-22]，而且MDA本身也是具有細(xì)胞毒性的物質(zhì)，加劇了細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的破壞，從而降低植物的抗寒性。本研究表明，低溫脅迫使草地早熟禾葉片和根頸SS和Pro含量不斷增加，而SP和MDA含量隨著低溫脅迫時(shí)間的延長先增加后下降，第8 d時(shí)均達(dá)峰值，低溫脅迫后SP和MDA含量均顯著高于對照，而后期兩者含量下降可能是草地早熟禾在低溫環(huán)境中經(jīng)過一段時(shí)間鍛煉后，對低溫環(huán)境有了一定的適應(yīng)能力。

植物遭受低溫脅迫時(shí)，O2-·不斷增加，刺激SOD活性增強(qiáng)，但當(dāng)溫度降低到一定程度時(shí)，SOD和CAT活性出現(xiàn)鈍化現(xiàn)象，兩者的活性均迅速下降，細(xì)胞內(nèi)自由基產(chǎn)生和清除所處的平衡狀態(tài)被打破，H2O2大量積累，而H2O2的積累會導(dǎo)致毒性更大的·OH含量增加，細(xì)胞受損，進(jìn)而對植物造成傷害[23]。梁慧敏等[24]研究發(fā)現(xiàn)，5℃低溫幾小時(shí)后，草地早熟禾SOD和CAT活性升高，4 h達(dá)最大，之后逐漸降低。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫下草地早熟禾葉片和根頸SOD，POD和CAT活性和H2O2、·OH含量及O2-·產(chǎn)生速率均呈先增加后下降的趨勢，第8 d時(shí)達(dá)峰值。

植物不同器官抗寒性不同，有人研究認(rèn)為，同一植株的不同部位(葉片、根頸和地下莖)在抗寒鍛煉的過程中，體內(nèi)各項(xiàng)生理指標(biāo)的變化不同步，且根莖SS含量等部分生理指標(biāo)的增幅遠(yuǎn)大于葉片[7]。對于草坪植物而言，葉器官的抗寒性決定其綠期的長短，而越冬器官的抗寒性則決定了草坪植物的返青率，研究認(rèn)為，陽江狗牙根和假儉草地上莖的抗寒性大于葉片。不同器官的抗寒遺傳特性不僅與其自身形態(tài)結(jié)構(gòu)特征(如葉片組織結(jié)構(gòu)、莖的組織結(jié)構(gòu)和花器官組織結(jié)構(gòu)等)有關(guān)，而且取決于器官內(nèi)部的生理生化活動(dòng)[25]。研究表明，草地早熟禾葉片和根頸的各項(xiàng)生理指標(biāo)隨著溫度的降低呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，SS和Pro含量逐漸增大，其余指標(biāo)先增大后降低，均在第8 d達(dá)峰值，葉片的變化幅度大于根頸。因?yàn)橹参锊煌鞴偃淌艿蜏氐哪芰Σ煌?，葉片、莖等暴露在空氣中的這些器官與其他的器官相比受到低溫的影響最大，最能反應(yīng)植物對逆境的適應(yīng)特點(diǎn)[26-27]，同時(shí)葉片中葉綠體是細(xì)胞對低溫最敏感的細(xì)胞器；而根頸部分被葉鞘包被，部分在土壤中，受低溫脅迫影響較小，受到低溫傷害也遲于葉片，故根頸比葉片抗寒性強(qiáng)。

4 結(jié)論

隨低溫脅迫時(shí)間的延長，草地早熟禾葉片和根頸Pro、SS含量逐漸增加；SP、MDA、H2O2、·OH含量和O2-·產(chǎn)生速率及CAT,POD和SOD活性均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，第8 d時(shí)達(dá)峰值；葉片各項(xiàng)生理指標(biāo)的變化幅度均大于根頸，對低溫脅迫較根頸敏感。

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Physiologicalresponseofleafandrootcollarofkentuckybluegrasstocoldstress

TIAN Yan-feng,BAI Xiao-ming,CHEN Run-juan,CHEN Hui

(CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofGrasslandEcosystem,MinistryofEducation/PrataculturalEngineeringLaboratoryofGansuProvince/Sino-U.S.CentersforGrazinglandEcosystemSustainability，Lanzhou730070,China)

kentucky bluegrass；cold Stress；leaf；root collar；physiological response

S 688.4

A

1009-5500(2017)05-0047-06

2017-03-06；

2017-03-28

國家自然科學(xué)基金(31560667)；甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)校級自列課題(GSAU-ZL-2015-054)資助

田彥鋒(1990-)，男，甘肅環(huán)縣人，碩士研究生。

E-mail：1058134044@qq.com

白小明為通訊作者。