低溫脅迫下菊花葉片葉綠素?zé)晒馓匦耘c抗氧化酶活性的變化

程祥飛，王 磊，聶林杰，李永華

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河南 鄭州 450002)

低溫是影響園林植物觀賞品質(zhì)的重要環(huán)境因子。低溫脅迫會導(dǎo)致植物光合器官受損，植物膜系統(tǒng)受到傷害、活性氧平衡被打破等。光合器官是植物對低溫最敏感的部位之一，低溫脅迫下植物光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)受損，光合電子傳遞受到抑制，光化學(xué)效率降低，產(chǎn)生過剩光能，破壞光合中心機(jī)構(gòu)[1]。葉綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)是近年來研究光合作用機(jī)制和探測光合生理狀況的一種常用技術(shù)，已經(jīng)應(yīng)用于黃瓜[2](CucumissativusL.) 、方竹[3](Chimonobambusaquadrangularis)、辣椒[4](CapsicumannuumL.)等許多植物的脅迫鑒定中。低溫條件下，活性氧(ROS)的產(chǎn)生不僅破壞植物膜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，還影響植物光合系統(tǒng)功能，導(dǎo)致光抑制的產(chǎn)生[5]。植物的低溫脅迫抗性與活性氧清除能力密切相關(guān)，低溫脅迫下較高的抗氧化酶活性可起到保護(hù)PSⅡ的作用，在一定程度上減輕過剩光能引起的光抑制。

菊花為多年生草本花卉，在北方地區(qū)秋冬季節(jié)露地生產(chǎn)中經(jīng)常會遭受低溫脅迫，嚴(yán)重影響菊花產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前在菊花抗寒性研究方面已有較多報道，鄭路等[6]探討了菊花營養(yǎng)特性與抗寒性的關(guān)系；許瑛等[7]比較了8個菊花品種的低溫半致死溫度及其抗寒性；王翠麗等[8]對9個菊花品種葉片脂肪酸組成及抗寒性進(jìn)行評價，確定了9個菊花品種的半致死溫度。有關(guān)低溫脅迫下菊花葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)特征的研究報道較少。鑒于此,選用秋菊晚花品種金龍騰云為材料，通過不同時間的低溫脅迫處理，探究秋菊葉綠素?zé)晒馓匦约翱寡趸富钚詫Φ蜏孛{迫的響應(yīng)，為菊花抗寒性生理研究提供理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 材料

試驗(yàn)材料為秋菊晚花品種金龍騰云，由開封市園林菊花研究所提供。盆栽基質(zhì)配方為V草炭∶V蛭石∶V珍珠巖=1∶1∶1。將生長健壯的菊花幼苗置于人工氣候室中培養(yǎng)，溫度(25±2)℃，空氣濕度50%±5%，光照強(qiáng)度(36±3.6)μmol/(m2·s)，光照時間為10 h/d，常規(guī)管理。待株高為(20±2)cm、葉片數(shù)為(13±1)時，將菊花植株進(jìn)行低溫處理。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)共設(shè)5個溫度處理：16、8、4、-4、-8 ℃(16 ℃為菊花生長適宜溫度，秋菊半致死溫度在-8 ℃左右)。將材料分別置于不同溫度條件下處理3、6、9、12 h，空氣濕度為70%±5%，光照強(qiáng)度(36±3.6)μmol/(m2·s)。0 ℃以上處理的材料置于人工氣候箱中，-4 ℃和-8 ℃處理的材料置于改裝的冰柜(加裝補(bǔ)光燈)中，以16 ℃為對照，重復(fù)3次。選取上數(shù)第4～5片健康的功能葉進(jìn)行各項生理指標(biāo)及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定。

1.3 測定方法

1.3.1 生理指標(biāo)的測定 葉綠素含量、可溶性糖含量、丙二醛(MDA)含量和抗氧化酶活性測定均參考李合生的方法[9]。

1.3.2 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定 測定時選取每株受光相同、長勢健康的葉片，用剪刀剪下，放入暗室中進(jìn)行暗反應(yīng)20 min。采用熒光成像儀FluorCam(Handy GFPCam FC 1000-H/GFP,Photon System Instuments,Czech)測定以下熒光參數(shù)：PSⅡ最大光能轉(zhuǎn)換效率(Fv/Fm)、PSⅡ潛在活性(Fv/Fo)、光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)和非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入和作圖，應(yīng)用SPSS 22.0軟件進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫脅迫對菊花葉綠素含量和可溶性糖含量的影響

從表1可知，隨著低溫脅迫時間的延長，菊花葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b均呈現(xiàn)出下降的趨勢，-4 ℃和-8 ℃低溫處理下葉綠素含量的下降趨勢更加明顯。與對照組相比，低溫下處理12 h 葉綠素a+b含量分別下降了14.6%、23.2%、45.7%和49.9%；8、4 ℃處理下，菊花葉片可溶性糖含量隨處理時間的延長呈現(xiàn)上升的趨勢，-4、-8 ℃處理下可溶性糖含量先升高后降低，處理9 h后達(dá)到峰值。與對照相比，低溫下處理12 h菊花葉片可溶性糖含量分別增長16.5%、19.4%、19.7%和23.2%。

表1 低溫脅迫對菊花葉片葉綠素含量和可溶性糖含量的影響

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間的差異顯著(P<0.05)。

2.2 低溫脅迫對菊花葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

由圖1可知，與對照組相比，菊花葉片F(xiàn)v/Fm隨處理溫度降低呈現(xiàn)下降趨勢，8 ℃和4 ℃處理組Fv/Fm值變化不明顯，而-4 ℃和-8 ℃處理組Fv/Fm顯著下降，處理12 h后降幅分別為17.9%和46.4%。同一時間下，-4 ℃和-8 ℃處理組降低幅度大，與對照差異顯著。

Fv/Fo、qP的變化趨勢與Fv/Fm相似，而NPQ則表現(xiàn)出不同的變化趨勢。同一時間下，隨著處理溫度的降低，NPQ表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，8 ℃處理組最高，隨后明顯下降。經(jīng)過12 h處理，-8 ℃處理組NPQ幾乎為零。隨著處理時間的延長，-4 ℃和-8 ℃處理組NPQ呈顯著下降趨勢。

同一時間下不同小寫字母表示處理間的差異顯著(P<0.05)，下圖同

2.3 低溫脅迫對菊花抗氧酶活性和MDA含量的影響

低溫脅迫會影響菊花葉片SOD活性(圖2A)。低溫處理3 h菊花葉片SOD活性于對照組相比有顯著升高；隨著低溫處理時間的延長，不同溫度對SOD活性的影響出現(xiàn)差異。8 ℃和4 ℃處理組，菊花葉片抗氧化酶活性顯著升高；而在-4 ℃和-8 ℃處理組，酶活性受抑制,處理12 h后酶活性低于對照組。POD活性與SOD活性的變化趨勢相似，CAT活性則表現(xiàn)出不同的變化趨勢。如圖2C所示,8 ℃和4 ℃處理組處理12 h后，POD活性分別增長23.8%和33.8%，與對照相比差異顯著。-4 ℃和-8 ℃處理組處理12 h后,POD活性分別下降17.7%和24.6%。8 ℃和4 ℃處理組處理3 h CAT活性略受抑制，隨后活性逐漸上升；-4 ℃和-8 ℃處理組，CAT活性隨處理時間的延長逐漸降低。由圖2D所示，與對照相比，隨著處理時間的延長菊花葉片MDA含量呈上升趨勢。與16 ℃相比，8、4、-4、-8 ℃下處理12 h時，MDA含量分別增長11.9%、17.3%、54.2%和60.7%。

圖2 低溫脅迫對菊花抗氧化酶活性和MDA含量的影響

3 結(jié)論與討論

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用時捕獲光能的重要色素，逆境脅迫下葉綠素含量的高低是衡量植物抗逆性的重要指標(biāo)[10]。本研究中菊花葉片葉綠素含量隨著低溫脅迫時間的延長呈現(xiàn)出降低的趨勢，且隨著溫度的下降和處理時間的延長，葉綠素含量下降趨勢更加明顯。菊花葉綠素含量下降，捕獲和利用光能能力下降，降低了光合機(jī)構(gòu)遭受光破壞的風(fēng)險，這可能利于菊花適應(yīng)低溫脅迫?？扇苄蕴鞘侵参矬w重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，逆境脅迫下可溶性糖含量增加可以提高細(xì)胞液濃度，增強(qiáng)植物抵抗逆境的能力[11]。本試驗(yàn)中,在8、4 ℃脅迫下，菊花葉片可溶性糖含量隨處理時間的延長呈現(xiàn)上升的趨勢，而-4、-8 ℃脅迫下可溶性糖含量先升高，在處理9 h后呈現(xiàn)出降低的趨勢，說明輕度低溫脅迫下菊花可通過增加可溶性糖含量提高其抗寒性，而隨著溫度的下降，低溫脅迫使可溶性糖合成受阻，甚至被水解而導(dǎo)致含量降低。PSⅡ活性的降低是植物光合作用降低的重要原因。通過對植物PSⅡ反應(yīng)中心的熒光動力學(xué)測定，可深入細(xì)致地分析環(huán)境因子影響下植物葉片光合機(jī)構(gòu)的變化。低溫脅迫下方竹[3]、小麥[12]等葉片F(xiàn)v/Fm、Fv/Fo和qP均呈現(xiàn)下降趨勢，NPQ會增加。本試驗(yàn)中，8 ℃和4 ℃脅迫下處理3 h菊花葉片NPQ呈現(xiàn)出上升的趨勢，短期低溫脅迫下，菊花PSⅡ功能已受影響，菊花通過增加熱耗散消耗過剩激發(fā)能，保護(hù)光合系統(tǒng)免受傷害。而-4、-8 ℃條件下Fv/Fm、Fv/Fo、qP和NPQ都表現(xiàn)出大幅度降低，-8 ℃處理12 h，qP、NPQ幾乎為0，此時菊花葉片光合系統(tǒng)已受到嚴(yán)重的傷害，菊花幾乎失去光合作用能力。

低溫脅迫下植物體內(nèi)產(chǎn)生大量的活性氧，破壞PSⅡ反應(yīng)中心活性，對色素分子、蛋白質(zhì)和類囊體膜有很大的破壞性[13]。王秀田等[12]發(fā)現(xiàn)低溫脅迫會促進(jìn)冬小麥葉片保持較高的SOD、POD活性,且在活性氧的清除過程中起到關(guān)鍵作用，能夠有效減少M(fèi)DA含量。楊偉等[14]也發(fā)現(xiàn)，0 ℃及其以上的輕度低溫脅迫時，枇杷幼果、種子中的SOD、CAT和POD活性上升，MDA含量較低；但幼果、種子在0 ℃以下重度低溫脅迫時，3種酶活性降低，MDA含量顯著升高。本試驗(yàn)表明，在8、4 ℃低溫脅迫下，處理3 h菊花葉片SOD、POD活性顯著增加，而CAT活性在處理3 h表現(xiàn)出下降趨勢，隨后逐漸升高，菊花葉片中MDA含量也相對較低；而當(dāng)菊花經(jīng)過-4、-8 ℃低溫處理后，SOD、POD活性均先上升而后迅速下降，在處理3 h時達(dá)到峰值，而CAT活性隨著處理時間的延長呈現(xiàn)下降的趨勢。輕度低溫脅迫時，菊花植株產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，抗氧化酶活性上升，活性氧清除能力提高；而隨著溫度的降低，植株抗氧化酶活性大幅度下降，植株緩解活性氧傷害的能力喪失。低溫脅迫下菊花通過提高可溶性糖含量和抗氧化酶活性、增加熱耗散等生理響應(yīng)機(jī)制來保護(hù)光合系統(tǒng)免受破壞，緩解低溫傷害。隨著溫度的降低，超出了菊花自身耐受能力，自身調(diào)節(jié)能力受到限制，菊花已受到嚴(yán)重低溫傷害。

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