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    熱脅迫對不結球白菜生理指標的影響

    2020-08-28 09:45:24徐海宋波顧宗福畢研飛魏斌
    江蘇農(nóng)業(yè)科學 2020年13期
    關鍵詞:生理指標耐熱性

    徐海 宋波 顧宗福 畢研飛 魏斌

    摘要:在熱脅迫處理下,對不結球白菜進行葉片生理指標測定,比較不同耐熱性材料在熱脅迫處理不同時期各項生理指標的差異變化。結果表明,3種材料在熱脅迫處理下葉綠素含量及可溶性糖、可溶性蛋白、淀粉等光合產(chǎn)物含量均有所下降;脯氨酸和游離氨基酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量則呈上升趨勢,且均以熱敏材料上升幅度最大;丙二醛含量在熱脅迫處理前后變化不明顯;過氧化氫酶活性均為先下降再上升,熱脅迫處理后耐熱材料高于熱敏材料;超氧化物歧化酶活性總體均呈上升趨勢,且以熱敏材料升高幅度最明顯;抗壞血酸氧化酶活性則均呈現(xiàn)先大幅升高再大幅下降的變化趨勢。

    關鍵詞:不結球白菜;耐熱材料;熱敏材料;耐熱性;熱脅迫;生理指標

    中圖分類號: S634.01文獻標志碼: A文章編號:1002-1302(2020)13-0138-06

    收稿日期:2019-07-25

    基金項目:國家重點研發(fā)計劃(編號:2017YFD0101803)。

    作者簡介:徐海(1981—),男,江蘇響水人,博士,副研究員,主要從事蔬菜遺傳育種研究。E-mail:xuhai407@163.com。不結球白菜是我國長江流域各地廣泛栽培的一種大眾化蔬菜,現(xiàn)占長江中下游大中城市蔬菜復種面積的30%~40%[1],其性喜冷涼,在平均氣溫為18~20 ℃條件下生長最適,在高溫環(huán)境下生育衰弱,短縮莖易伸長,葉片易變黃、變薄,死苗率高,苦味、纖維含量明顯增加,食用品質(zhì)明顯下降[2-4]。

    熱脅迫會引起植物葉片生理代謝紊亂和細胞結構改變,對光合系統(tǒng)和抗氧化系統(tǒng)產(chǎn)生破壞[5]。目前對于熱脅迫下植物生理生化變化規(guī)律的研究主要集中在光合系統(tǒng)、抗氧化酶類、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、細胞膜穩(wěn)定性等方面。因此,本研究通過對耐熱性不同的不結球白菜種質(zhì)材料進行熱脅迫處理,研究熱脅迫對不結球白菜葉片生理生化指標及細胞結構的影響,旨在從生理學和細胞學角度揭示不結球白菜的耐熱性。

    1材料與方法

    1.1材料

    以不結球白菜耐熱材料高華青(熱害指數(shù)為24.71)、中等耐熱材料蘇州青(熱害指數(shù)為30.65)和熱敏材料矮腳黃(熱害指數(shù)為45.19)為試驗材料(圖1)。選取籽粒飽滿、整齊一致的種子經(jīng)滅菌后播種于裝有滅菌基質(zhì)的穴盤中,在人工氣候箱中于晝/夜溫度為25 ℃/15 ℃、光—暗周期12 h—12 h,光照度為12 000 lx條件下培養(yǎng)。

    1.2生理指標測定

    采用比色法測定葉綠素含量;采用硫酸蒽酮比色法測定可溶性糖含量;采用考馬斯亮藍G-250法測定可溶性蛋白含量;采用碘顯色法測定淀粉含量;采用茚三酮比色法測定脯氨酸(Pro)含量;采用硫代巴比妥酸(TBA)比色法測定丙二醛(MDA)含量;采用茚三酮比色法測定游離氨基酸含量;紫外吸收法測定過氧化氫酶(CAT)活性;采用氮藍四唑(NBT)法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性;采用滴定法測定抗壞血酸氧化酶(AAO)活性[6-7]。

    2結果與分析

    2.1熱脅迫對不結球白菜葉綠素含量的影響

    耐熱材料高華青的葉色為綠色,蘇州青的葉色為深綠色,熱敏自交系矮腳黃葉色為黃綠色(圖1)。由圖2可見,熱脅迫處理前,參試材料的葉綠素含量差異較大,葉色最深的蘇州青葉綠素含量最高(1.35 mg/g),比葉色最淺的矮腳黃(0.76 mg/g)高近1倍,也高于高華青;熱脅迫處理后1~3 d,3份材料的葉綠素含量均呈明顯下降趨勢,但仍以蘇州青最高,矮腳黃最低;熱脅迫處理5 d后,蘇州青的葉綠素含量回升至1.31 mg/g,仍為3個材料中最高,高華青和矮腳黃的下降趨勢則趨于平緩??傮w來看,熱脅迫處理5 d后,3個材料的葉綠素含量均較處理前降低,由此說明熱脅迫對不結球白菜葉綠素合成有明顯的抑制作用。

    2.2熱脅迫對可溶性糖含量的影響

    由圖3可知,熱脅迫處理前,3個材料的可溶性糖含量差異較大,耐熱材料高華青的含量為 11.36 mg/g, 明顯高于蘇州青(2.70 mg/g) 和 矮腳黃(5.60 mg/g);熱脅迫處理1 d后,3個材料的可溶性糖含量變化不大, 高華青稍降至10.91mg/g,

    蘇州青和矮腳黃則略有上升;熱脅迫處理3 d后,高華青和矮腳黃的可溶性糖含量均呈大幅下降趨勢,蘇州青則仍保持上升趨勢,并超過矮腳黃位居第2;熱脅迫處理5 d后,高華青的可溶性糖含量繼續(xù)呈下降趨勢,而蘇州青和矮腳黃的變化趨勢趨于平緩,此時高華青的可溶性糖含量仍為最高(4.46 mg/g),矮腳黃最低(2.79 mg/g)。說明熱脅迫抑制了不結球白菜葉片中可溶性糖的合成,但是葉色最深的蘇州青則可能因具有較強的光合能力,在熱脅迫處理5 d內(nèi)可溶性糖含量沒有降低。

    2.3熱脅迫對不結球白菜可溶性蛋白含量的影響

    由圖4可知,熱脅迫處理前,3個材料的可溶性蛋白含量差異較大,其中耐熱材料高華青最高(4.44 mg/g),蘇州青略低(3.95 mg/g),熱敏材料矮腳黃最低(2.69 mg/g);熱脅迫處理1 d后,高華青和蘇州青的可溶性蛋白含量均有所降低,矮腳黃則略有增加;熱脅迫處理3 d后,高華青的可溶性蛋白含量開始回升,蘇州青和矮腳黃則均呈較大幅度下降趨勢;熱脅迫處理5 d后,3個材料的可溶性蛋白含量均呈上升趨勢,高華青和矮腳黃上升幅度較大,此時高華青的可溶性蛋白含量為3.95 mg/g,遠高于蘇州青和矮腳黃。

    2.4熱脅迫對不結球白菜淀粉含量的影響

    由圖5可知,熱脅迫處理前,3個材料的淀粉含量差異較大,其中熱敏材料矮腳黃的含量最高(11.37 mg/g),蘇州青略低(7.38 mg/g),耐熱材料高華青最低(3.03 mg/g);熱脅迫處理1 d后,矮腳黃和蘇州青的淀粉含量均大幅降低,高華青則大幅上升并超過蘇州青,僅略低于矮腳黃;熱脅迫處理后1~5 d,3個材料的淀粉含量均總體呈降低趨勢,最終仍維持熱脅迫處理前的排序,熱脅迫處理5 d后,矮腳黃淀粉含量最高(0.84 mg/g),蘇州青次之(0.79 mg/g),高華青最低(0.32 mg/g)。總體來看,參試材料的淀粉含量均低于熱脅迫處理前,說明熱脅迫抑制了不結球白菜葉片中淀粉的合成。

    2.5熱脅迫對不結球白菜脯氨酸含量的影響

    由圖6可知,熱脅迫處理前,3個材料的Pro含量較為接近,耐熱材料高華青的含量最高(23.11 μg/g),蘇州青次之(22.02 μg/g),熱敏材料矮腳黃最低(16.42 μg/g);熱脅迫處理期間,參試材料的Pro含量均呈持續(xù)上升趨勢,處理 5 d 后矮腳黃的Pro含量升至最高,約是高華青和蘇州青的2倍??傮w來看,參試材料的Pro含量均明顯高于熱脅迫處理前,說明熱脅迫促進了不結球白菜葉

    片中Pro的合成,以應對高溫引起的滲透脅迫。

    2.6熱脅迫對不結球白菜丙二醛含量的影響

    由圖7可知,熱脅迫處理前,3個材料的MDA含量差異較大,其中耐熱材料高華青的含量最高(0.012 5 μmol/g),蘇州青次之(0.010 5 μmol/g),熱敏材料矮腳黃最低(0.008 7 μmol/g);熱脅迫處理1 d后,3個材料的MDA含量均發(fā)生小幅變化,高華青和矮腳黃略升高,蘇州青略降低;熱脅迫處理3 d后,3個材料的MDA含量均呈下降趨勢;熱脅迫處理5 d后,高華青和蘇州青的MDA含量轉(zhuǎn)而升高,矮腳黃則繼續(xù)小幅下降,最終MDA含量仍為耐熱材料高華青和蘇州青高于熱敏材料矮腳黃,且3個材料的MDA含量較處理前基本無變化。

    2.7熱脅迫對不結球白菜游離氨基酸含量的影響

    由圖8可知,熱脅迫處理前,3個材料的游離氨基酸含量較為接近,均為0.4 mg/g左右;熱脅迫處理1 d后,3個材料的游離氨基酸含量均小幅上升;熱脅迫處理3 d后, 高華青的游離氨基酸含量略下降,蘇州青仍呈小幅上升趨勢,矮腳黃則大幅上升至最高;熱脅迫處理5 d后,3個材料的游離氨基酸含量均繼續(xù)上升,矮腳黃的游離氨基酸含量仍為最高(1.42mg/g),高華青(1.10mg/g)和蘇州青

    (1.00 mg/g)略低??傮w來看,熱脅迫處理誘導不結球白菜葉片中產(chǎn)生大量的游離氨基酸,以應對高溫引起的滲透脅迫。

    2.8熱脅迫對不結球白菜過氧化氫酶活性的影響

    由圖9可知,熱脅迫處理前,3個材料的CAT活性差異較大,耐熱材料高華青的CAT活性 [4.99 U/(g·min)]遠高于蘇州青[1.72 U/(g·min)]和矮腳黃[2.08 U/(g·min)];熱脅迫處理1 d后,3個材料的CAT活性均下降;熱脅迫處理3 d后,高華青和矮腳黃的CAT活性繼續(xù)下降,蘇州青則轉(zhuǎn)而升高;熱脅迫處理5 d后,3個材料的CAT活性均升高;高華青的CAT活性在熱脅迫處理全過程中均為最高,蘇州青最終升至第2位??傮w來看,熱脅迫處理5 d后,對不結球白菜耐熱材料的CAT活性高于熱敏材料。

    2.9熱脅迫對不結球白菜超氧化物歧化酶活性的影響

    由圖10可知,熱脅迫處理前,3個材料的SOD活性較為接近,耐熱材料高華青的活性略高[378.95 U/(g·min)],蘇州青次之[361.78 U/(g·min)],矮腳黃略低[340.97 U/(g·min)];熱脅迫處理1 d后,3個材料

    的SOD活性變化幅度較小,高華青和矮腳黃小幅上升,蘇州青小幅下降;熱脅迫處理3 d后,高華青和蘇州青的SOD活性小幅上升,矮腳黃則呈大幅度上升,躍居第1位;熱脅迫處理5 d后,高華青和蘇州青繼續(xù)小幅上升,矮腳黃雖小幅下降,但仍為3個材料中最高??傮w來看,熱脅迫處理誘導了SOD活性的提高,3份材料均高于處理前,尤以熱敏材料矮腳黃的SOD活性升高幅度最明顯。

    2.10熱脅迫對不結球白菜抗壞血酸氧化酶活性的影響

    由圖11可知,熱脅迫處理前,3個材料的AAO活性差異較大,其中高華青的AAO活性最低[0.007 1 U/(g·min)],僅為另外2個材料AAO活性的1/2左右;熱脅迫處理后1~3 d,參試材料的AAO活性均大幅升高,3個材料的AAO活性排序未發(fā)生變化;熱脅迫處理后3~5 d,參試材料的AAO活性又同時大幅降低,其中高華青和蘇州青降幅略小,仍略高于處理前,矮腳黃降幅最大,已低于處理前水平??傮w來看,熱脅迫下不結球白菜AAO活性呈現(xiàn)先大幅升高再大幅下降的變化趨勢。

    3討論

    3.1葉綠素、光合產(chǎn)物與植物耐熱性

    葉綠素是植物進行光合作用的主要色素,光合作用是指綠色植物通過葉綠體,把光能用二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成化學能,儲存在有機物中,并且釋放出氧的過程。葉綠素含量的多少與光合作用的強弱密切相關。熱脅迫會破壞葉綠體類囊體的理化性質(zhì)及組織,導致葉綠體降解,從而降低細胞中參與光合反應的酶活性,致使葉綠素含量下降,葉綠素a含量與葉綠素b含量的比值降低[8],進而破壞植物生理機制的正常運行,抑制營養(yǎng)物質(zhì)在植物體內(nèi)的積累,造成植物體內(nèi)代謝紊亂,最終降低產(chǎn)量和品質(zhì)[9-12]。

    本研究結果顯示,在熱脅迫過程中,不同品種不結球白菜葉片中葉綠素含量均較處理前有所降低。熱脅迫處理后不結球白菜葉片中淀粉含量明顯下降,這也印證了隨著葉綠素含量的減少,葉片光合作用減弱,進而影響淀粉的合成。

    可溶性糖也是重要的光合產(chǎn)物,本研究中熱脅迫初期(1 d)蘇州青和短腳黃葉片中可溶性糖含量略有升高,但隨著處理時間的延長(3~5 d),高華青和矮腳黃葉片中可溶性糖的積累明顯下降,可能由是熱脅迫后期葉綠素降解導致光合效率降低引起的,這與周偉香等對金線蘭的研究結果[13]一致。但是葉色最深、葉綠素含量變化不大的蘇州青葉片中的可溶性糖含量并未降低,這也間接說明其葉片具有較強的光合能力。

    3.2滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)與植物耐熱性

    可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸和游離氨基酸等是植物中重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),其含量的增加有利于細胞結構和功能在逆境下的維持。可溶性糖在逆境條件下具有維持細胞結構和功能的作用,可作為鑒定植物抗性的一個生理指標。熱脅迫使可溶性糖含量降低,不同高溫處理下可溶性糖含量即使有上升趨勢,但也一直低于對照[11-15],且耐熱品種的可溶性糖含量降低幅度小于熱敏性品種[16]??扇苄缘鞍缀扛叩椭苯优c植物耐熱性相關[17]。有研究發(fā)現(xiàn),耐熱大白菜品種在高溫下可保持較高的蛋白質(zhì)合成速率和較低的蛋白質(zhì)降解速率[18]。脯氨酸是植物中重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),植物在遇到逆境脅迫時,脯氨酸合成酶類對脯氨酸的反饋抑制敏感性降低,導致體內(nèi)脯氨酸含量增加,且增長的百分率大小與耐熱性有關。已有研究證實,脯氨酸的積累量與植物的抗逆性呈正相關,外施脯氨酸有助于提高植物的抗?jié)B透脅迫能力[19-21]。游離氨基酸被認為是脅迫條件下的滲透保護劑,因為它的積累能夠提高滲透壓,從而保持膜的完整性和蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性[22-25]。

    本研究中熱脅迫處理下高華青和矮腳黃的可溶性糖含量均呈下降趨勢,并隨著脅迫時間的延長持續(xù)降低;可溶性蛋白含量在熱脅迫下則總體呈先下降再回升的變化趨勢;脯氨酸、游離氨基酸含量則隨著熱脅迫處理時間的延長而持續(xù)升高。熱脅迫下耐熱材料的可溶性蛋白含量均高于熱敏材料,這有利于減緩高溫對細胞組織的損傷,使植株具有更強的耐熱性。

    3.3膜脂過氧化及抗氧化系統(tǒng)與植物耐熱性

    植物在熱脅迫下產(chǎn)生的大量活性氧(ROS)會引起膜脂過氧化,導致大量過氧化產(chǎn)物MDA產(chǎn)生,對植物的細胞膜系統(tǒng)造成損傷[26]。但是本研究中3份材料的MDA含量隨著熱脅迫時間的延長均無明顯變化,可能與處理的高溫強度和持續(xù)時間不足有關,數(shù)據(jù)未能充分反映不結球白菜細胞膜的受損程度,也無法由此判斷材料間的耐熱性差異。

    植物通過使用抗氧化底物和保護酶來對抗氧化應激[27-29]。植物體內(nèi)的CAT、SOD和AAO等能夠有效清除細胞內(nèi)的ROS,在熱脅迫下,這些保護酶類活性的增大有利于緩解過量的ROS對細胞的損傷。ROS被SOD轉(zhuǎn)化形成H2O2,AAO可將抗壞血酸(AsA)氧化成脫氫抗壞血酸并去除H2O2。CAT、SOD、AAO活性能夠作為小麥幼苗期耐熱性篩選的生理指標[30]。

    短時間的熱脅迫會提高SOD活性,但隨著脅迫時間的延長,SOD活性呈下降趨勢,且耐熱性強的品種SOD活性高于耐熱性差的品種[31-32]。在熱脅迫下大豆耐熱品種的SOD活性高于熱敏感品種,并且其活性隨著溫度的升高而增強[33]。本研究結果與前人研究結果有一定的差異,在熱脅迫處理下,不結球白菜葉片中SOD活性呈上升趨勢,處理初期(0~1 d),耐熱品種SOD活性高于熱敏品種,而隨著處理時間的延長(3~5 d),熱敏品種SOD活性上升幅度增大,并超過了耐熱品種??赡苁怯捎谠谶m應長時間的熱脅迫后所激發(fā)的SOD活性保持較高狀態(tài),具體原因有待進一步試驗分析。

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