光溫處理對(duì)小豆苗期生理性狀及葉綠素合成前體的影響

何 寧 王雪揚(yáng) 曹良子 曹大為 洛 育 姜連子 孟 英 冷春旭 唐曉東 李一丹 萬書明 盧 環(huán) 程須珍

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光溫處理對(duì)小豆苗期生理性狀及葉綠素合成前體的影響

何 寧1王雪揚(yáng)1曹良子1曹大為1洛 育1姜連子2孟 英1冷春旭1唐曉東1李一丹1萬書明1盧 環(huán)1程須珍3,*

1黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 黑龍江哈爾濱 150086;2東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院, 黑龍江哈爾濱 150030;3中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所, 北京 100081

探討不同低溫和光照條件下小豆苗期的冷害發(fā)生機(jī)制及引起初生葉黃化和葉綠素合成的受阻位點(diǎn), 旨在為小豆耐寒新品種選育及栽培提供理論依據(jù)。選擇2個(gè)對(duì)溫度和光照反應(yīng)不同的日本小豆品種, 利用人工氣候室再現(xiàn)小豆苗期的低溫障礙, 研究低溫遮光處理(晝夜10~13°C, 2%遮光) 18 d和28 d對(duì)小豆苗期H2O2、SOD、CAT、APX、葉綠素的影響; 利用植物生長箱再現(xiàn)小豆苗期的黃化障礙, 研究不同的低溫處理長度(1 d、3 d、5 d、7 d; 10°C, 50 μmol m–2s–1)和暗處理長度(25°C, 黑暗1 d、3 d、5 d、7 d)對(duì)綠化后(24 h、25°C、62.5 μmol m–2s–1)葉綠素合成能力及受阻位點(diǎn)的影響。苗期小豆耐低溫和不耐低溫品種的最大差異是長期低溫遮光處理的H2O2含量和SOD活性。長期低溫遮光處理后不耐低溫品種的H2O2含量是耐低溫品種的約66倍, 但隨著綠化處理時(shí)間的延長, 抗氧化酶活性和葉綠素含量急劇下降直至8 h后消失。與低溫處理相比, 暗處理才是造成葉綠素合成能力差異的主要原因。對(duì)葉綠素合成中間產(chǎn)物的研究表明, 從ALA向Proto IX的轉(zhuǎn)化可能受阻, 最終導(dǎo)致葉綠素合成受阻, 葉綠素含量下降。說明H2O2含量和SOD活性可能與小豆苗期耐冷性關(guān)系更密切。引起小豆苗期葉綠素合成受阻位點(diǎn)是Proto IX的轉(zhuǎn)化。

小豆; 光溫處理; 抗氧化酶; 葉綠素合成

小豆[(Willd) Ohwi & Ohashi]是我國主要食用豆類作物之一[1], 與其他豆類作物相比是耐寒性較差的低溫敏感作物[2]。黑龍江省是我國小豆主產(chǎn)省之一, 由于地處高緯度, 冷空氣活動(dòng)頻繁, 尤其近幾年來春季和夏季低溫頻發(fā), 給小豆的生產(chǎn)帶來很大的危害。

小豆的低溫冷害發(fā)生在苗期、生育初期和開花期。出苗時(shí)處于長期低溫和日照不足, 引起葉片向內(nèi)翻轉(zhuǎn)的碗形癥狀并枯死; 四至五葉生育初期遭遇低溫冷害引起生育障礙(生長點(diǎn)停止生長); 開花期遭遇低溫冷害引起花粉不育導(dǎo)致結(jié)莢障礙[2]。研究表明, 植物在生長過程中, 溫度驟然變化會(huì)引起葉綠素退色、葉片壞死等現(xiàn)象[3-4]。小豆苗期由于低溫寡照, 初生葉葉綠素合成受阻, 引起葉片發(fā)育延遲, 影響光合作用, 進(jìn)而幼苗營養(yǎng)枯竭, 最終不能恢復(fù)而枯死[3]。葉綠素以及前質(zhì)體是導(dǎo)致活性氧發(fā)生的光增感劑, 而活性氧可引起細(xì)胞內(nèi)膜、蛋白質(zhì)損傷、光合作用阻礙等生理障礙[5]。一旦葉綠素破壞就會(huì)引起葉綠素退色、葉片壞死等現(xiàn)象[6]。

超氧化物歧化酶(SOD)、抗壞血栓過氧化物酶(APX)和過氧化氫酶(CAT)等在植物體內(nèi)具有清除超氧自由基, 防止膜脂過氧化物傷害的作用, 它們是植物體內(nèi)的保護(hù)酶[7-8]。研究表明, 在田間持續(xù)1個(gè)月的低溫寡照, 小豆幼苗就會(huì)黃化死苗及生育延遲, 而黃化源自葉綠素含量下降[1-4]。低溫造成的黃化現(xiàn)象可能引起葉綠素合成受阻或分解加劇, 但葉綠素的分解可能不是葉綠素含量下降的主要原因[9]。

本研究針對(duì)小豆低溫冷害發(fā)生頻率較高的苗期, 選擇2個(gè)對(duì)溫度和光照反應(yīng)不同的日本小豆品種, 利用人工氣候室再現(xiàn)小豆苗期的低溫障礙, 分析抗氧化酶活性水平和對(duì)葉綠素合成中間產(chǎn)物, 探討小豆苗期冷害發(fā)生的機(jī)制和黃化苗影響葉綠素合成的可能位點(diǎn), 旨在為小豆耐寒新品種選育及栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用日本北海道地區(qū)最具代表性的苗期耐低溫品種赤根大納言(Akanedainagon)和苗期不耐低溫品種斑小粒系-1 (Buchisyouryukei-1)。

1.2 試驗(yàn)方法

采用塑料盆無菌粒狀棉栽培, 粒狀棉充分吸水后, 間隔2 cm播種1粒小豆種子, 行距5 cm, 每盆約100粒。設(shè)4種栽培模式(表1), 每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)。

1.2.1 栽培模式I 播種后將20盤小豆置溫室(晝夜20~25°C)黑暗條件下培養(yǎng), 出苗后[2]移到人工氣候室, 分別在低溫條件下(晝夜10~13°C、72%遮光)生長18 d和28 d, 整個(gè)生育期間由自動(dòng)灌水裝置定期澆水。低溫遮光處理后的幼苗, 移到晝夜20~25°C的自然光室(晴天)內(nèi)進(jìn)行3 h、8 h和28 h的綠化處理。之后分別采集0.3 g初生葉用于測(cè)定SOD、APX、CAT, 采集5 g初生葉用于測(cè)定H2O2含量, 采集0.3 g初生葉用于測(cè)定葉綠素含量。

表1 4種栽培模式在小豆苗期的不同光溫處理

1.2.2 栽培模式II 播種后將10盤小豆置溫室25°C恒溫和100%黑暗條件下, 對(duì)出苗1 d后的幼苗分別以低溫(10°C, 光照50μmolm–2s–1)處理1 d、3 d、5 d、7 d, 再綠化處理24 h (25°C, 光照62.5 μmolm–2s–1)。之后分別采集0.2 g初生葉測(cè)定葉綠素含量。

1.2.3 栽培模式III 播種后將10盤小豆置溫室25°C恒溫和100%黑暗條件下, 黑暗出苗1 d、3 d、5 d、7 d后, 再分別進(jìn)行24 h的綠化處理(25°C, 光照62.5 μmol m–2s–1)。之后分別采集0.2 g初生葉測(cè)定葉綠素含量。

1.2.4 栽培模式IV 播種后將14盤小豆置25°C恒溫和100%黑暗條件下, 出苗7 d后分別進(jìn)行0 h、6 h、12 h、24 h的綠化處理(25°C, 光照62.5 μmol m–2s–1)。之后分別采集0.3 g初生葉測(cè)定葉綠素前體物質(zhì)含量(δ-氨基酮戊酸、原卟啉IX、Mg-原卟啉IX、原葉綠素酸)及葉綠素含量。

以上采集的樣品用電子天平稱量記錄后立刻置冰盒, 然后置–80°C低溫冰柜保存。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 過氧化氫含量(H2O2)的測(cè)定 參考Erich等[9]的方法測(cè)定H2O2含量。

1.3.2 酶液制備 稱取冷凍的葉片(0.3 g)放研缽中加入液體氮研磨。每1 g粉碎的葉片加入3.5 mL的提取液[0.4 mmol L–1EDTA, 1 mmol L–1抗壞血酸, 2% PVP含有25 mmol L–1磷酸鉀緩沖液(pH 7.0)]攪拌均勻, 于4°C下14,000 r min–1離心25 min后得到的上清液即為酶液。

1.3.3 抗氧化酶SOD、APX、CAT活性的測(cè)定 按沈利星[10]方法測(cè)定SOD、APX、CAT三種抗氧化酶。

1.3.4 酶液蛋白質(zhì)的測(cè)定 按沈利星[10]方法測(cè)定酶液蛋白質(zhì)。

1.3.5 葉綠素含量的測(cè)定 按加藤榮[11]方法測(cè)定葉綠素含量。

1.3.6 δ-氨基酮戊酸、原卟啉IX、Mg-原卟啉IX、原葉綠素酸的測(cè)定 按加藤榮[11]方法測(cè)定δ-氨基酮戊酸(ALA)、原卟啉IX (Proto IX)、Mg-原卟啉IX (Mg-Proto IX)、原葉綠素酸(Pchl)。

應(yīng)用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行顯著性統(tǒng)計(jì)測(cè)驗(yàn)及品種之間差異的測(cè)驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫處理對(duì)小豆苗期葉片葉綠素含量、過氧化氫及酶活性的影響

2.1.1 低溫處理引起的葉綠素含量變化 2個(gè)品種對(duì)低溫遮光處理后再綠化的反應(yīng)不同, 其中耐低溫品種赤根大納言在低溫遮光18 d (短期)和28 d (長期) 2種處理再綠化后, 初生葉均迅速綠化, 而不耐低溫品種斑小粒系-1處理18 d后, 綠化速度延遲, 處理28 d未經(jīng)綠化處理前的枯死率為20%, 隨綠化處理時(shí)間加長植株枯死率逐漸增高, 綠化處理3 h的枯死率為30%, 8 h為35%, 28 h為40% (圖1和表2)。耐低溫品種和不耐低溫品種在長、短期低溫處理后的葉綠素含量比較接近, 但是, 隨著綠化處理時(shí)間的延長, 同一處理?xiàng)l件下耐低溫品種比不耐低溫品種的葉綠素含量顯著增加, 短期低溫處理的葉綠素含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于長期低溫處理, 不同處理之間也有很大差別。不耐低溫品種在長期低溫處理再經(jīng)綠化處理8 h之后沒有檢測(cè)到葉綠素含量, 這表明長期低溫脅迫導(dǎo)致葉綠素含量下降。

圖1 低溫遮光處理后綠化恢復(fù)情況

A: 低溫處理18 d綠化0 h; B: 低溫處理18 d綠化3 h; C: 低溫處理18 d綠化8 h; D: 低溫處理18 d綠化28 h; E: 低溫處理28 d綠化0小時(shí); F: 低溫處理28 d綠化3 h; G: 低溫處理28 d綠化8 h; H: 低溫處理28 d綠化28 h。

A: Low temperature treatment 18 days greening 0 hour; B: Low temperature treatment 18 days greening 3 hours; C: Low temperature treatment 18 days greening 8 hours; D: Low temperature treatment 18 days greening 28 hours; E: Low temperature treatment 28 days greening 0 hour; F: Low temperature treatment 28 days greening 3 hours; G: Low temperature treatment 28 days greening 8 hours; H: Low temperature treatment 28 days greening 28 hours.

2.1.2 低溫處理引起的H2O2含量變化 植株體內(nèi)存在的O2–和H2O2會(huì)產(chǎn)生毒性很強(qiáng)的羥基游離基, 給植物細(xì)胞造成傷害。耐低溫品種和不耐低溫品種在短期低溫處理后(18 d)的H2O2含量差異不顯著。而長期低溫處理后(28 d)未綠化處理前兩品種間H2O2含量差異顯著, 不耐低溫品種斑小粒系-1中的H2O2含量(17.78 mmol kg–1FW)是赤根大納言(0.27 mmol kg–1FW)約66倍, 綠化處理3 d后兩品種相差約11倍。但綠化處理8 h之后斑小粒系-1沒有檢測(cè)到H2O2, 而耐低溫品種赤根大納言綠化處理28 h后H2O2含量水平基本恢復(fù)到綠化處理前水平(表2)。說明不耐低溫品種由于低溫遮光脅迫產(chǎn)生大量的O2–, 導(dǎo)致H2O2含量急劇增加, 造成不可逆的傷害。說明小豆出苗期耐冷性與H2O2生成量有著密切關(guān)系。

2.1.3 低溫處理對(duì)SOD、APX、CAT活性的影響

植物遭遇低溫脅迫后H2O2的生成量與SOD、APX以及CAT活性有著密切的關(guān)系[7], 光系統(tǒng)I的O2–的增加使SOD迅速作用后轉(zhuǎn)換成H2O2, 從而導(dǎo)致SH基氧化, 造成不可逆的酶活性失活, 最終造成植株枯死[12]。

從表2可以看出, 在低溫遮光處理18 d中, 2個(gè)品種初生葉的SOD和APX活性幾乎顯示了相同的水平。經(jīng)過綠化處理后的耐低溫品種赤根大納言有所上升, 而不耐低溫品種斑小粒系-1略有減少趨勢(shì)。但是, 斑小粒系-1短期低溫處理后CAT活性顯示了較高水平, 是耐低溫品種赤根大納言的3.76倍, 且綠化處理后CAT活性上升較快。

在低溫遮光處理28 d中, 斑小粒系-1的SOD活性顯著高于赤根大納言, 是耐低溫品種的4.77倍, 綠化處理后斑小粒系-1的SOD活性顯著下降, 說明由于長期低溫遮光處理不耐低溫品種生成大量H2O2, 引起SOD活化。但APX和CAT活性兩品種處于相同水平, APX活性相同, 但CAT活性顯著增加。綠化處理8 h后3種酶的活性全部消失。與斑小粒系-1相比, 赤根大納言的SOD、APX、CAT三種酶在綠化8 h之前均顯著上升, 之后有所下降, 并保持一定的活性水平。耐低溫品種赤根大納言長期低溫遮光處理的SOD和CAT活性高于短期低溫遮光處理, 而APX活性卻低于短期處理。耐低溫品種無論是低溫遮光長期處理還是短期處理, 綠化處理后3種保護(hù)酶活性均呈“先上升后下降的趨勢(shì)”, 且在綠化處理8 h時(shí)達(dá)到最大值?？梢? 同一品種不同處理之間也有很大的差別, 這說明在低溫傷害較輕的情況下, 植物代謝系統(tǒng)通過增加保護(hù)酶的活性來減輕低溫的危害, 而隨著低溫脅迫時(shí)間延長, 植物受到傷害的程度加劇, 超過一定的限度, 植物體內(nèi)保護(hù)酶合成系統(tǒng)受到破壞, 從而導(dǎo)致保護(hù)酶的活性降低。這說明小豆出苗期SOD活性對(duì)低溫條件的反應(yīng)更敏感, SOD活性可能與小豆苗期耐冷性的關(guān)系更密切。

2.2 不同的低溫、暗處理及綠化處理對(duì)黃化初生葉葉綠素含量的影響

低溫和暗處理均可導(dǎo)致小豆初生葉片的葉綠素含量降低, 產(chǎn)生黃化(表3)。隨著低溫和暗處理時(shí)間的延長, 小豆葉片葉綠素含量逐漸降低。

表3 不同的低溫和暗處理后小豆初生葉片的葉綠素含量

同列標(biāo)以不同大、小寫字母的值分別表示2個(gè)品種不同處理在1%和5%水平的顯著性差異。

Values within a column for two cultivars followed by a different capital letter are significantly different at the 1% probability level, and those by a different lowercase letter at the 5% probability level.

在低溫脅迫下, 耐低溫品種的葉綠素含量普遍高于不耐低溫品種, 且隨著低溫脅迫時(shí)間的延長, 兩品種葉綠素含量均明顯下降。其中, 低溫處理3 d、5 d、7 d時(shí), 耐低溫品種葉綠素含量分別下降了5.22%、16.92%和28.89%, 而不耐低溫品種分別下降了11.91%、37.51%和51.86%, 耐低溫品種葉綠素含量降低程度顯著低于不耐低溫品種。

在暗處理下, 兩品種的葉綠素含量變化同樣均呈顯著下降趨勢(shì), 其中, 耐低溫品種在暗處理3 d、5 d、7 d時(shí), 葉綠素含量分別下降了17.72%、38.93%和57.54%, 而不耐低溫品種葉綠素含量分別下降了17.99%、76.93%和88.28%?？梢? 隨著暗處理時(shí)間的延長, 不耐低溫品種的葉綠素含量降低速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于耐低溫品種?？梢钥闯? 兩種不同處理模式的同一品種在相同處理日數(shù)條件下, 暗處理的葉綠素含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于低溫處理。說明低溫脅迫條件對(duì)小豆苗期葉綠素合成能力會(huì)帶來一定影響, 但是, 暗生育時(shí)間的長短才是造成耐冷性不同兩品種葉綠素合成能力差異的主要原因。

2.3 黃化初生葉的綠化處理對(duì)葉綠素合成途徑前質(zhì)體的影響

葉綠素的生物合成是一系列酶學(xué)催化過程[13-14]。其中任何一步受阻, 都將影響葉綠素的生物合成, 從而引起葉色變化。研究表明金屬離子插入原卟啉IX (Proto IX)是葉綠素與血紅素和植物色素合成的分支點(diǎn), Mg離子在Mg離子螯合酶的催化下插入Proto IX形成葉綠素分支, Fe離子在Fe離子螯合酶的催化下插入Proto IX則形成血紅素和植物色素分支, 在分支點(diǎn)處Mg離子螯合酶和Fe離子螯合酶競(jìng)爭(zhēng)Proto IX[15]。鑒于δ-氨基酮戊酸(ALA)是葉綠素和四吡咯環(huán)形成的直接前體, 也是一個(gè)關(guān)鍵的中間產(chǎn)物, 本研究測(cè)定了ALA和由分支點(diǎn)Proto IX 形成葉綠素的鎂分支途徑的主要前質(zhì)體。

從表4、圖2可以看出, 在暗處理出苗7 d后, 2個(gè)品種葉片中ALA的含量在所有合成前體中最少, 且隨著綠化處理均呈逐漸增加的趨勢(shì), 但品種之間無顯著差異。而Proto IX、Mg-Proto IX、Pchl和葉綠素的含量在暗處理出苗7 d后, 不耐低溫品種均高于耐低溫品種。但經(jīng)綠化處理后, 耐低溫品種各前質(zhì)體含量呈顯著上升趨勢(shì), 而不耐低溫品種呈顯著下降趨勢(shì)。其中, 綠化處理24 h后, 耐低溫品種Proto IX、Mg-Proto IX、Pchl和葉綠素的含量比綠化前分別增加了3.0、6.6、6.8和10.0倍, 而不耐低溫品種斑小粒系-1卻分別減少了61.4%、47.3%、51.2%和43.1%。且耐低溫品種中這些前質(zhì)體的含量是不耐低溫寒品種的7.37~13.19倍, 其中, 葉綠素的含量差異最大。這表明引起不抗寒品種斑小粒系-1葉綠素含量下降的原因可能是由ALA向葉綠素合成過程中某種酶促反應(yīng)引起活性降低, 從而阻礙了由ALA向Proto IX以及其他中間合成產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化。

表4 暗處理7 d的黃化苗經(jīng)綠化處理后主要葉綠素前質(zhì)體的含量

同列標(biāo)以不同大、小寫字母的值分別表示2個(gè)品種不同處理在1%和5%水平的顯著性差異。

Values within a column for two cultivars followed by a different capital letter are significantly different at the 1% probability level, and those by a different lowercase letter at the 5% probability level.

圖2 黃化初生葉的綠化處理對(duì)葉綠素合成途徑前質(zhì)體的影響

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn), 低溫處理28 d不耐低溫品種的H2O2含量和SOD活性比耐低溫品種顯著增加。Okuda等[16]報(bào)道低溫處理小麥葉后H2O2含量會(huì)增加; Shen等[8]發(fā)現(xiàn)黃瓜葉經(jīng)低溫處理后不耐低溫品種的H2O2含量比耐低溫品種多; 而Fridovich等[17]指出細(xì)胞內(nèi)的O2–增加會(huì)引起SOD活化。本研究中不耐低溫品種斑小粒系-1初生葉的H2O2含量和SOD活性的增加, 是由于低溫遮光生成了大量的超氧自由基(O2–), 為了清除這些自由基, SOD活性增加, 造成H2O2含量的積累(表2)。低溫脅迫條件下葉綠體內(nèi)的H2O2濃度上升會(huì)導(dǎo)致APX失去活性[18]。把植物從暗處理移到正常光照條件下, CAT活性會(huì)顯著增加[7,19-20]。CAT是把H2O2迅速分解成H2O和O2的酶, CAT活性的增加可以避免光造成的傷害[21], 但是, 如果長時(shí)間受強(qiáng)光所產(chǎn)生的O2–傷害, 就會(huì)造成不可逆的CAT失活[8]。低溫遮光處理28 d的斑小粒-1在綠化處理后CAT活性迅速減少, 推測(cè)是不耐低溫品種斑小粒-1在低溫遮光條件下O2–和H2O2的增加導(dǎo)致了CAT失活, 使細(xì)胞質(zhì)被氧化而傷害到其他生物功能。而耐低溫品種赤根大納言幼苗在低溫脅迫后的綠化恢復(fù)過程中SOD、APX、CAT保護(hù)酶活性均呈先上升后下降的趨勢(shì), 說明在低溫傷害較輕的情況下, 植物代謝系統(tǒng)通過增加保護(hù)酶的活性來減輕低溫的危害, 而不耐低溫品種斑小粒-1在短期低溫遮光處理18 d后CAT活性顯示了與抗寒品種相同的變動(dòng), 但是, 在長期低溫遮光處理28 d后再經(jīng)綠化處理后, 不耐低溫品種的3種保護(hù)酶活性均呈下降的趨勢(shì), 說明不耐低溫品種受到傷害的程度加劇, 超過一定的限度時(shí)植物體內(nèi)保護(hù)酶合成系統(tǒng)受到破壞, 從而導(dǎo)致保護(hù)酶活性降低, 直至檢測(cè)不出, 致使植株枯死。

葉綠素是綠色植物葉綠體內(nèi)參與光合作用的重要色素, 在光合作用的能量捕獲及能量傳遞中起著重要作用[22]。目前研究認(rèn)為環(huán)境條件如光、抑制劑、溫度及營養(yǎng)狀況等對(duì)葉綠素的合成都有影響[23]。本研究表明, 長期低溫遮光脅迫條件下, 不耐低溫品種隨著綠化時(shí)間增加葉片白化現(xiàn)象和枯死率逐漸加重(綠化28 h枯死率40%), 直至檢測(cè)不到葉綠素含量, 最終植株枯死。比較暗處理和低溫處理對(duì)葉綠素降低的影響發(fā)現(xiàn), 耐低溫品種暗處理葉綠素降低的程度比低溫處理略高, 而不耐低溫品種暗處理對(duì)葉綠素含量的影響顯著高于低溫處理?？梢? 暗處理時(shí)間的長短可能是造成不同耐冷性品種葉綠素合成能力差異的主要原因, 說明在低溫和寡照等不良條件同時(shí)存在時(shí), 寡照的抑制現(xiàn)象會(huì)更嚴(yán)重。

在葉綠素的合成過程中, 如果某一步合成出現(xiàn)障礙, 其前體物質(zhì)會(huì)積累, 而其后的前體物質(zhì)會(huì)減少[14]。不耐低溫品種斑小粒系-1隨著綠化時(shí)間的延長ALA逐漸增加, 而Proto IX卻急劇減少。ALA是葉綠素等四吡咯環(huán)色素形成的第一個(gè)直接前體[24], 綠色的喪失主要是卟啉大環(huán)結(jié)構(gòu)喪失造成的, 這一步被認(rèn)為是葉片衰老黃化的關(guān)鍵一步[22]。Pchl是葉綠素合成的最直接前體, Mg-Proto IX形成之前的合成都在葉綠體基質(zhì)中進(jìn)行, 之后則在內(nèi)囊體膜上進(jìn)行[12]?？剐圆煌膬善贩N除ALA以外, 其上游的中產(chǎn)物Proto IX、Mg-Proto IX、Pchl在光照后葉綠素合成途徑發(fā)生了不同的改變, 由此推測(cè)小豆苗期葉綠素的合成影響可能發(fā)生于葉綠體基質(zhì)的各種合成反應(yīng)中, 在葉綠體基質(zhì)的轉(zhuǎn)化反應(yīng)中, 影響不耐低溫品種斑小粒系-1 ALA向Proto IX 的轉(zhuǎn)化, 導(dǎo)致葉綠素合成受阻, 葉綠素含量下降。不耐低溫品種斑小粒系-1的葉綠素合成中除ALA在綠化后有少量的積累外, Proto IX及其他中間物都急劇下降, 這表明引起不耐低溫品種斑小粒系-1葉綠素含量下降的原因可能是PBG→UroIII向Proto IX的轉(zhuǎn)化受阻。葉綠素中間代謝物質(zhì)的積累, 有時(shí)可以防御對(duì)植物的傷害作用[13]。可以推測(cè)黃化初生葉在經(jīng)過綠化處理后, 耐低溫品種赤根大納言的葉綠素前體物質(zhì)在向葉綠素轉(zhuǎn)換過程中, 由于趨于領(lǐng)先位置的Proto IX大量積累及其他中間代謝物也有少量的恢復(fù), 最終才合成了葉綠素。對(duì)小豆2個(gè)不同性質(zhì)品種葉綠素合成中產(chǎn)物的研究表明, 影響小豆葉綠素合成的是在葉綠體基質(zhì)中由ALA向Proto IX 的轉(zhuǎn)化, 葉綠素合成受阻導(dǎo)致葉綠素含量下降, 使小豆在低溫并伴隨寡照時(shí)出現(xiàn)黃化和枯死現(xiàn)象。

4 結(jié)論

小豆出苗期耐冷性與H2O2生成量和SOD活性關(guān)系密切, 與低溫脅迫相比, 遮光處理是造成耐冷性不同品種葉綠素合成能力差異的主要原因, 小豆葉綠素合成受阻于Proto IX的轉(zhuǎn)化。說明位于光合作用代謝途徑中Proto IX 在小豆苗期葉綠素合成中起著非常重要的作用。

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Effects of photoperiods and temperatures on physiological characteristics and chlorophyll synthesis precursors of adzuki bean seedlings

HE Ning1, WANG Xue-Yang1, CAO Liang-Zi1, CAO Da-Wei1, LUO Yu1, JIANG Lian-Zi2, MENG Ying1, LENG Chun-Xu1, TANG Xiao-Dong1, LI Yi-Dan1, WAN Shu-Ming1, LU Huan1, and CHENG Xu-Zhen3,*

1Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Harbin 150086, Heilongjiang, China;2Food Science College, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, Heilongjiang, China;3Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China

The aim of this study was to discuss the mechanism of chilling injury and the blocked site of chlorophyll synthesis in primary leaf, providing theoretical basis for breeding and cultivation of cold-resistant cultivars. Two Japanese adzuki bean varieties with different temperature and light reactions were used to study the effects of short-term (18 d) and long-term (28 d) low temperature shading treatments (10–13°C, 2% shading) on H2O2, SOD, CAT, APX, and Chl of seedlings in the artificial climate chamber, and the effects of the treatment durations of low temperature (1 d, 3 d, 5 d, 7 d, 10°C, 50 μmol m–2s–1) and dark (25°C, 1 d, 3 d, 5 d, 7 d) under chlorophyll synthesis blocked site (25°C, and under illumiation at 62.5 μmol m–2s–1for 24 h). The content of H2O2and activity of SOD had significant difference between cold resistant and susceptible varieties during seedling stage. The content of H2O2in susceptible variety was 66 folds of the resistant one, and with the greening treatment antioxidant activity and content of chlorophyll were rapidly dropped until totally vanished after 8 h. The main cause of difference in chlorophyll synthesis between the two varieties was the dark treatment but not the low temperature treatment. It was suggested that the transformation from δ-ALA to Proto IX might be blocked in chloroplast stroma, which eventually inhibited chlorophyll synthesis and decreased chlorophyll content. It is suggested that H2O2content and SOD activity may be more closely related to the cold tolerance of adzuki bean at seedling stage. The transformation of Proto IX is the blocking site in chlorophyll synthesis which causes etiolated seedlings of adzuki bean.

adzuki bean; light temperature treatment; antioxidant enzymes; chlorophyll synthesis

2018-01-04;

2018-12-24;

2019-01-05.

10.3724/SP.J.1006.2019.84002

程須珍: E-mail: chengxuzhen@caas.cn

E-mail: 15303606959@163.com

本研究由農(nóng)業(yè)部引進(jìn)國際先進(jìn)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)計(jì)劃(948計(jì)劃)項(xiàng)目(2015-Z54)和國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)(食用豆)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(CARS- 08-G8)資助。

This study was supported by the Program of Introducing International Super Agricultural Science and Technology (948 Program) (2015-Z54) and the China Agriculture Research System (CARS-08-G8).

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20190103.0748.002.html