燕麥幼苗對(duì)干旱-低溫交叉適應(yīng)的生理響應(yīng)及其綜合評(píng)價(jià)

劉建新，劉秀麗，王金成

(甘肅省高校隴東生物資源保護(hù)與利用省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，隴東學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，甘肅 慶陽 745000)

燕麥(AvenanudaL.)是禾本科燕麥屬一年生小雜糧作物，生育期短、抗逆性強(qiáng)，其籽粒不僅營養(yǎng)價(jià)值高[1]，還具有控制血糖、血壓和血脂升高的保健功效[2]。燕麥在中國主要分布于西北、西南和華北等省區(qū)，年種植面積約1.6×107hm2[3]。燕麥喜涼爽但不耐寒，幼苗能忍耐-2℃～-4℃的低溫。在中國西北地區(qū)的早春季節(jié)不僅少雨干旱，而且倒春寒氣候時(shí)常發(fā)生，干旱和低溫交叉脅迫成為影響燕麥幼苗生長發(fā)育，繼而影響產(chǎn)量和品質(zhì)的制約因素。因此，探討燕麥幼苗干旱-低溫交叉適應(yīng)的生理機(jī)制，對(duì)減輕燕麥低溫逆境脅迫和高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)栽培具有重要意義。

植物遭受某種不良環(huán)境后不僅增強(qiáng)這種特定環(huán)境的適應(yīng)能力，還能產(chǎn)生抵抗其它不良環(huán)境的能力稱為植物的交叉適應(yīng)[4]。關(guān)于植物交叉適應(yīng)的研究目前主要集中在干旱、鹽脅迫、高溫和低溫等方面，人們對(duì)植物交叉適應(yīng)的機(jī)理尚缺乏深入和全面的了解。張俊環(huán)和黃衛(wèi)東[5]研究得出，高溫鍛煉和低溫鍛煉能夠誘導(dǎo)葡萄幼苗對(duì)溫度逆境的交叉適應(yīng)性，認(rèn)為高溫鍛煉誘導(dǎo)的葡萄抗冷性和低溫鍛煉誘導(dǎo)的耐熱性有著相似的抗氧化保護(hù)機(jī)制。Streb等[6]研究表明，低溫和重金屬誘導(dǎo)的豌豆對(duì)低溫下光系統(tǒng)Ⅱ保護(hù)能力的增強(qiáng)與葉片抗壞血酸和谷胱甘肽含量提高相關(guān)。小麥[7]和黃瓜[8]對(duì)干旱-低溫適應(yīng)能力的增強(qiáng)與滲透溶質(zhì)含量和滲透調(diào)節(jié)能力提高有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，旱鹽交叉脅迫下適量土壤含鹽量會(huì)通過提高滲透調(diào)節(jié)[9]和抗氧化系統(tǒng)活性[10]緩解輕、中度干旱脅迫對(duì)燕麥幼苗的傷害。為進(jìn)一步了解干旱能否增強(qiáng)燕麥對(duì)低溫脅迫的交叉適應(yīng)能力，本研究采用聚乙二醇6000(PEG)模擬干旱預(yù)處理燕麥幼苗，檢測低溫脅迫下燕麥葉片活性氧物質(zhì)、膜脂過氧化產(chǎn)物、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量和抗氧化系統(tǒng)活性及植株生長狀況，采用主成分和隸屬函數(shù)分析綜合評(píng)價(jià)干旱誘導(dǎo)燕麥幼苗低溫交叉適應(yīng)的作用，旨在為探索燕麥苗期抗寒新途徑提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料培養(yǎng)與處理

試驗(yàn)于2015年4-7月在甘肅省高校隴東生物資源保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。供試燕麥品種為 ‘定莜6號(hào)’(種子由甘肅省定西市旱作農(nóng)業(yè)科研推廣中心提供)。挑選飽滿一致、無病蟲害的種子，用自來水清洗干凈后浸泡6 h，播種在裝有珍珠巖的培養(yǎng)皿(直徑12 cm)中，每皿播200粒左右，共播種180個(gè)培養(yǎng)皿。澆足水后置于人工氣候箱中萌發(fā)生長，常規(guī)管理。人工氣候箱晝/夜溫度25℃/16℃，光周期13 h/11 h(晝/夜)，光照強(qiáng)度100 μmol·m-2·s-1，濕度65%～75%。當(dāng)幼苗2葉1心期時(shí)澆灌1次Hoagland營養(yǎng)液以補(bǔ)充養(yǎng)分，再培養(yǎng)7 d后進(jìn)行處理。將180個(gè)培養(yǎng)皿幼苗分成兩組，每組90個(gè)，其中一組用20% PEG澆灌幼苗以模擬干旱脅迫，3 d后幼苗葉片出現(xiàn)萎蔫，然后用蒸餾水清洗培養(yǎng)皿中PEG，洗凈后加入Hoagland營養(yǎng)液培養(yǎng)2 d至幼苗恢復(fù)正常；同時(shí)，另外一組以未經(jīng)PEG處理的幼苗作為對(duì)照(CK)。然后將干旱預(yù)處理及對(duì)照幼苗放入人工氣候箱中進(jìn)行晝/夜溫度為8℃/5℃(甘肅省中部燕麥種植區(qū)3～4月份遭倒春寒后常見的低溫)低溫脅迫。每組處理3次重復(fù)，隨機(jī)排列，每天交換培養(yǎng)皿位置以保證光溫條件一致，分別于低溫處理的0、1、3、5、7 d從上往下取幼苗1～2片全展葉，用液氮速凍后-70℃保存，用于測定相關(guān)生理指標(biāo)。低溫處理7 d后測定植株株高增量和生物量增量。

1．2 測定指標(biāo)與方法

1.2.1 株高增量和生物量增量 幼苗低溫脅迫前及低溫脅迫7 d后用直尺測量30株植株從莖基部到葉尖的高度，計(jì)算株高增量Δh(cm)=低溫脅迫7 d后株高(h2)-低溫脅迫前株高(h1)。分別取100株低溫脅迫前和低溫脅迫7 d后幼苗，在105℃殺青30min后70℃烘至恒重稱生物量，計(jì)算生物量增量Δm(g)=低溫脅迫7 d后生物量(m2)-低溫脅迫前生物量(m1)。

1．2．3 抗氧化酶活性和抗氧化物質(zhì)含量 超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)和抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性及抗壞血酸(ASA)和谷胱甘肽(GSH)含量均按陳建勛和王曉峰[14]的方法測定。

1．2．4 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量 采用李合生[13]的蒽酮比色法、考馬斯亮藍(lán)法、茚三酮染色法和磺基水楊酸法分別測定可溶性糖(SS)、可溶性蛋白質(zhì)(SP)、游離氨基酸(AA)和脯氨酸(Pro)含量。

1．3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

為克服單一指標(biāo)評(píng)價(jià)帶來的片面性，對(duì)檢測的14項(xiàng)生理指標(biāo)值采用SPSS 20.0軟件離差標(biāo)準(zhǔn)化后進(jìn)行主成分分析，得到不同處理時(shí)間主成分的得分值后再計(jì)算隸屬函數(shù)值，然后根據(jù)主成分分析方差貢獻(xiàn)率的大小計(jì)算出各主成分的加權(quán)綜合評(píng)價(jià)值(D值)，再對(duì)D值進(jìn)行單因素方差分析，Duncan法檢驗(yàn)差異顯著性(P<0.05)，最后用Excel 2003將D值與不同處理時(shí)間作圖，以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示D值結(jié)果。

原始數(shù)據(jù)離差標(biāo)準(zhǔn)化值Xj用公式：

(1)

隸屬函數(shù)值U(Xj)計(jì)算用公式：

U(Xj)=(Xj-Xjmin)/(Xj-Xjmax)

(2)

式中，Xjmin、Xjmax分別是第j個(gè)綜合指標(biāo)Xj的最小值和最大值。

綜合指標(biāo)權(quán)重Wj計(jì)算用公式：

Wj=Pj/∑Pj

(3)

式中，Pj為各處理組第j個(gè)主成分的特征值。

綜合評(píng)價(jià)值D計(jì)算用公式：

D=∑[U(Xj)×Wj]，j=1，2，3,…,n

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 PEG預(yù)處理對(duì)低溫脅迫下燕麥幼苗生長狀況的影響

從圖1可見, 與CK相比，PEG模擬干旱預(yù)處理顯著提高了燕麥幼苗在低溫脅迫下的株高增量和生物量增量，增幅分別為28.0%和30.1%。

注：不同字母表示處理間在P<0.05水平下差異顯著，下同。Note: The different letters mean significant differences at P<0.05. The same below.圖1 PGE預(yù)處理對(duì)低溫下燕麥株高和生物量增量的影響Fig.1 Effect of PEG pretreatment on the height increment and biomass increment of oat seedlings under low temperature stress

2.2 PEG預(yù)處理對(duì)低溫脅迫下燕麥幼苗生理指標(biāo)的影響

表1低溫脅迫下燕麥幼苗生理指標(biāo)

Table 1 Physiological indexes in leaves of oat seedlings under low temperature stress

指標(biāo)IndexPEGCK0d1d3d5d7d0d1d3d5d7dO?2/(μmol·g-1FW)0．3830．1790．0320．0180．2300．6560．2250．0620．0270．116H2O2/(mg·g-1FW)1．4333．7534．3033．4776．0971．4102．1034．5872．9831．433MDA/(nmol·g-1FW)1．5433．57321．0135．4534．1803．5435．5903．9602．8571．543SOD/(U·g-1FW)30．8033．9728．2022．5021．7733．2733．0031．5335．0330．80CAT/(U·g-1FW)471．7702．0647．31264．070．7330．0233．3577．3269．0471．7POD/(U·g-1FW)9．5315．7731．5520．5211．428．4811．9711．5518．259．53APX/(U·g-1FW)3．945．8333．193．362．884．055．883．253．083．94ASA/(μg·g-1FW)23．0022．4738．3358．1348．4314．0759．1338．0028．3723．33GSH/(μg·g-1FW)4．1532．2431．9936．7373．6835．0473．7805．4875．1774．153SS/(mg·g-1FW)1．322．682．554．435．201．302．242．564．661．32SP/(mg·g-1FW)38．3052．3357．5341．8775．6744．1353．5391．1032．4738．30AA/(mg·g-1FW)1．322．682．554．435．141．373．542．284．661．32Pro/(mg·g-1FW)0．1700．3210．6730．3720．9400．1440．1060．1610．8120．170RWC/%84．975．373．962．051．266．562．663．453．684．9

表2 變量之間的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficient of 14 variables oat seedling

注：*表示在0.05水平上顯著相關(guān)。Note:*Show significant correlation at 0.05 levels.

2.3 離差標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的主成分分析

2.4 PEG預(yù)處理對(duì)燕麥幼苗耐冷性的隸屬函數(shù)綜合評(píng)價(jià)

將主成分得分系數(shù)(表3)乘以各標(biāo)準(zhǔn)化原始變量后求和可得各處理的綜合指標(biāo)值CI(x)[15]，見表4。根據(jù)公式(2)計(jì)算各處理綜合指標(biāo)值的隸屬函數(shù)值U(Xj)，再根據(jù)公式(3)計(jì)算可得5個(gè)綜合指標(biāo)的權(quán)重Wj分別為0.448、0.210、0.130、0.111、0.102，然后根據(jù)公式(4)計(jì)算得到隸屬函數(shù)綜合評(píng)價(jià)值D(表4)。D值越大，植株耐低溫的能力越強(qiáng)。為了更加直觀顯示低溫脅迫下PEG預(yù)處理后燕麥幼苗綜合評(píng)價(jià)值(D值)與CK的差異，將表4中的D值與處理時(shí)間作圖。從圖2可見，不論是CK幼苗還是PEG處理的幼苗與低溫脅迫前相比，D值隨低溫脅迫時(shí)間延長呈遞增趨勢，PEG處理的幼苗在低溫處理7 d時(shí)D值有所下降。然而，除第1天CK幼苗的D值高于PEG處理的幼苗外，在低溫脅迫的第0、3、5、7天PEG處理幼苗的D值顯著高于CK。表明干旱預(yù)處理更能增強(qiáng)燕麥幼苗對(duì)低溫的適應(yīng)能力。

表3 各主因子的系數(shù)、得分系數(shù)、特性值和貢獻(xiàn)率

注：括號(hào)內(nèi)數(shù)值為得分系數(shù)。Note: The value in bracket is score coefficient.

表4 各處理的綜合指標(biāo)值CI(x)、權(quán)重Wj、隸屬函數(shù)值U(Xj)和綜合評(píng)價(jià)值(D)

3 討 論

植物的抗性表現(xiàn)是諸多生理代謝綜合作用的結(jié)果，若以單個(gè)或少數(shù)幾個(gè)指標(biāo)的改變很難全面和準(zhǔn)確評(píng)價(jià)植物對(duì)干旱-低溫的交叉適應(yīng)性。因此，本研究未逐一考察單個(gè)指標(biāo)對(duì)燕麥干旱-低溫交叉脅迫的響應(yīng)，而是將上述檢測的14項(xiàng)生理指標(biāo)值離差標(biāo)準(zhǔn)化后采用主成分分析，將14個(gè)存在信息重疊的單項(xiàng)指標(biāo)綜合為5個(gè)相互獨(dú)立的主成分變量，這5個(gè)主成分變量的特征值分別為5.443、2.551、1.573、1.346、1.233，貢獻(xiàn)率分別為38.881%、18.219%、11.238%、9.616%、8.809%，累積貢獻(xiàn)率達(dá)86.763%(表3)，說明用這5個(gè)主成分因子代替14個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)具有較強(qiáng)的信息代表性。由此，計(jì)算5個(gè)主成分因子的得分系數(shù)(表3)，再乘以相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化原始變量值后求和得到不同處理時(shí)間的綜合變量得分值(表4)。根據(jù)各主成分因子貢獻(xiàn)率的大小確定其相對(duì)權(quán)重，進(jìn)行隸屬函數(shù)加權(quán)分析。結(jié)果表明，干旱預(yù)處理顯著提高了燕麥幼苗在低溫脅迫下的綜合評(píng)價(jià)值(圖2)，說明干旱能夠增強(qiáng)燕麥對(duì)低溫的交叉適應(yīng)性。另外，干旱預(yù)處理提高低溫下燕麥幼苗株高增量和生物量增量(圖1)進(jìn)一步證明了這個(gè)結(jié)論。這與前人在小麥[7]和黃瓜[8]上的研究結(jié)果一致。然而，人們對(duì)植物交叉適應(yīng)的機(jī)理還知之甚少。多年生黑麥草經(jīng)中度干旱后可使低溫下的葉片相對(duì)含水量、葉綠素含量降幅減小，而脯氨酸、可溶性糖含量和抗氧化酶活性增加[16]。干旱誘導(dǎo)黃瓜對(duì)低溫交叉適應(yīng)性的提高與滲透調(diào)節(jié)能力增強(qiáng)有關(guān)[8]。本試驗(yàn)表明，干旱預(yù)處理燕麥能夠通過改善體內(nèi)ROS代謝平衡和滲透溶質(zhì)積累，增強(qiáng)對(duì)低溫的耐受能力，從而可為生產(chǎn)上燕麥苗期低溫傷害預(yù)防提供參考。Janicka-Russak等[17]報(bào)道，低溫改變植物質(zhì)膜H+-ATP酶基因表達(dá)及酶蛋白的磷酸化修飾。Romanenko等[18]研究表明，抗寒鍛煉使低溫下植物亞細(xì)胞隔室中的一些蛋白(如脫水蛋白)產(chǎn)生積累和轉(zhuǎn)移。干旱誘導(dǎo)植物低溫交叉適應(yīng)的分子機(jī)理尚需進(jìn)一步深入探討。

圖2 燕麥幼苗對(duì)干旱-低溫交叉適應(yīng)的綜合評(píng)價(jià)Fig.2 The comprehensive evaluation of cross adaptation of oat seedlings to drought-low temperature