低溫脅迫下高粱幼苗對外源脯氨酸的響應(yīng)

(山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高粱研究所/高粱遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 晉中 030600)

高粱耐冷性研究表明，不同高粱種質(zhì)具有不同的耐冷能力[1]。對高粱幼苗低溫逆境下生理特性的研究表明，低溫脅迫后耐冷和冷敏材料的MDA含量、SOD活性、POD活性等發(fā)生了不同的變化[2]，耐冷性不同的材料低溫脅迫下脯氨酸(proline Pro)的累積能力也不同，脯氨酸的含量越高品種的抗冷能力越強(qiáng)，脯氨酸對高粱苗期冷害有緩解作用[3]。湯章成研究認(rèn)為，脅迫條件下生物體內(nèi)游離脯氨酸的累積對生物體的抗?jié)B透脅迫是有利的[4]，可見，作物可以通過多種方式來自我調(diào)節(jié)適應(yīng)低溫脅迫，增加抵抗逆境的能力。

脯氨酸作為一種重要的細(xì)胞滲調(diào)物質(zhì)優(yōu)先儲存在植物液泡中，當(dāng)細(xì)胞受到滲透脅迫時將脯氨酸運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)，通過增大細(xì)胞質(zhì)濃度，降低滲透勢，從而保持細(xì)胞原生質(zhì)與外界環(huán)境的滲透平衡[5]，達(dá)到降低逆境對作物危害的目的。在外源脯氨酸對蕎麥幼苗耐鹽生理特性影響研究方面，認(rèn)為外源脯氨酸可明顯改善鹽脅迫下蕎麥幼苗的生理特性，對鹽脅迫具有較好的緩解作用[6]。探究外源脯氨酸對鎳脅迫下小麥根系生長發(fā)育的影響，認(rèn)為外源脯氨酸可以顯著提高小麥根的抗氧化能力，進(jìn)而增強(qiáng)小麥的抗逆性，緩解鎳對小麥根系的毒害作用[7]。鑒于外源脯氨酸對許多作物逆境危害的緩解作用，本研究利用植物滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)緩解作物逆境傷害原理，分析外源脯氨酸對高粱幼苗多項(xiàng)生理指標(biāo)的影響，實(shí)現(xiàn)對高粱幼苗冷害后的有效調(diào)控，為高粱逆境生理提供新的理論依據(jù)，也將進(jìn)一步擴(kuò)大植物滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的應(yīng)用范圍。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)材料為冷敏高粱晉303，由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高粱研究所提供。

1.2 試驗(yàn)方法

選取飽滿、整齊一致的種子播于裝有石英砂的營養(yǎng)缽中(10 cm×10 cm)，晝溫25～32 ℃，夜溫18～25 ℃，將試材分成6組，每組種植10穴，每穴種2粒，出苗后留1株健壯苗，重復(fù)3次，待幼苗達(dá)到3葉1心時，每天08：00時開始處理，第1組噴施清水作為對照(ck)；第2組噴施1 mmol·L-1脯氨酸；第3組噴施3 mmol·L-1脯氨酸；第4組噴施5 mmol·L-1脯氨酸；第5組噴施7 mmol·L-1脯氨酸；第6組噴施9 mmol·L-1脯氨酸。每天噴施1次，葉片正反面均勻噴施，每株噴施約5 mL，連續(xù)處理3 d后，將1～6組處理材料移入ZGX-258 C型人工智能光照培養(yǎng)箱(杭州錢江儀器設(shè)備有限公司制造)進(jìn)行2～4 ℃的低溫脅迫處理，2 d后取各組幼苗第2、3片葉的中間部分，每組處理隨機(jī)采集，測定超氧化物岐化酶(SOD)活性、過氧化物酶(POD)活性、丙二醛(MDA)含量、可溶性糖含量及葉綠素含量。

1.3 測定方法

1.3.1SOD活性、POD活性、MDA含量及可溶性糖含量的測定采用Ding等[8]的方法。

1.3.2葉綠素的測定采用植物生理學(xué)試驗(yàn)手冊[9]中的試驗(yàn)方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源Pro處理對高粱葉片SOD活性的影響

SOD在生理意義上屬植物抗性系統(tǒng)酶，在適應(yīng)逆境的過程中起著重要的作用[10]。方差分析結(jié)果表明，濃度1 mmol·L-1、3 mmol·L-1處理與ck及其他濃度水平之間均達(dá)顯著水平，其余濃度水平之間差異均不顯著。與ck相比，5組處理SOD活性全部升高(見圖1)，1 mmol·L-1、3 mmol·L-1脯氨酸的處理可使高粱葉片中的SOD活性有顯著提升，其他3組處理SOD活性較對照略有升高。這表明較低濃度外源Pro處理可明顯增強(qiáng)SOD活性，改善低溫脅迫下高粱幼苗的生理特性，提高高粱幼苗耐冷能力。

注：圖中數(shù)據(jù)柱上方不同小寫字母表示差異顯著(α=0.05)。下同。圖1 不同濃度Pro處理SOD總活性

2.2 外源Pro處理對高粱葉片POD活性的影響

一般認(rèn)為植物POD酶活性與抗寒性密切相關(guān)，抗寒的品種酶活性高于不抗寒品種，這在紫花苜蓿、石竹、水稻、黃瓜、龍舌蘭和小麥等植物抗寒性研究中得到了證實(shí)[11]。方差分析結(jié)果表明，Pro濃度為1 mmol·L-1、3 mmol·L-1、5 mmol·L-1、7 mmol·L-1、9 mmol·L-1與ck水平之間差異均達(dá)顯著水平，其余濃度水平之間差異均不顯著。本試驗(yàn)中所有5組處理的POD酶活性都比對照高，尤以噴施5 mmol·L-1脯氨酸的第4組處理POD酶活性最高(見圖2)。與SOD一樣，加入外源Pro后，高粱葉片POD活性都有不同程度的增加。

2.3 外源Pro處理對高粱葉片MDA含量的影響

MDA是膜脂過氧化作用的最終產(chǎn)物，對質(zhì)膜有毒害作用[12]。MDA的大量積累可對細(xì)胞特別是膜造成一定的傷害[13]。從圖3可看出，2～6組Pro處理的高粱葉片MDA含量較對照略有降低，方差分析也表明MDA含量不同濃度之間差異均不顯著，但總的趨勢是降低的，這表明低溫脅迫下外源Pro處理能降低高粱葉片MDA的含量，對低溫脅迫造成的膜脂傷害有一定的緩解作用。

圖2 不同濃度Pro處理POD總活性

圖3 不同濃度Pro處理MDA含量

2.4 外源Pro處理對高粱葉片可溶性糖含量的影響

糖類物質(zhì)是構(gòu)成植物體的重要組成成分之一，也是新陳代謝的主要原料和貯存物質(zhì)。植物體內(nèi)可溶性糖含量的變化在一定程度上能反映其對不良環(huán)境的適應(yīng)能力[14]。方差分析表明，Pro濃度5 mmol·L-1、7 mmol·L-1、9 mmol·L-1與ck水平之間差異均達(dá)顯著水平，濃度1 mmol·L-1與7 mmol·L-1之間差異達(dá)顯著水平，其余濃度水平之間差異均不顯著。與ck相比，5組處理可溶性糖含量都有升高，在本試驗(yàn)Pro濃度設(shè)置范圍內(nèi)濃度越大增幅越大(見圖4)。這表明外源Pro處理有利于可溶性糖含量的積累。

2.5 外源Pro處理對高粱葉片葉綠素含量的影響

葉片葉綠素含量與光合速率密切相關(guān)，通常把葉綠素含量作為葉片功能的一個重要指標(biāo)[15]。方差分析結(jié)果表明，Pro濃度5 mmol·L-1與1 mmol·L-1、3 mmol·L-1、9 mmol·L-1、ck水平之間差異均達(dá)顯著水平，ck與濃度1 mmol·L-1、7 mmol·L-1水平之間差異達(dá)顯著水平，其余濃度水平之間差異均不顯著。5個外源Pro處理的葉綠素含量都不同程度的高于對照，第4組噴施5 mmol·L-1脯氨酸處理后葉綠素含量最大(見圖5)，這表明外源Pro處理能維持葉片較高的葉綠素含量。

圖4 不同濃度Pro處理可溶性糖含量

圖5 不同濃度Pro處理葉綠素含量

3 結(jié)論與討論

SOD能夠清除細(xì)胞內(nèi)氧自由基，維持細(xì)胞質(zhì)膜的完整性，提高植物體對逆境脅迫的適應(yīng)性[16]，SOD活性的高低在一定程度上反映了植物抗逆境的強(qiáng)弱，POD也有類似的作用。本研究表明，不同濃度Pro處理可顯著提高低溫脅迫下高粱葉片SOD、POD酶的活性，SOD酶活性以3 mmol·L-1脯氨酸處理的效果最為明顯，而POD酶活性則以5 mmol·L-1脯氨酸處理的效果最為明顯。說明適當(dāng)濃度的外源Pro處理可明顯增強(qiáng)高粱葉片清除氧自由基的能力，有利于提高高粱幼苗的耐冷能力。

MDA含量是植物膜系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，膜系統(tǒng)的穩(wěn)定性與植物的抗逆能力密切相關(guān)。郭啟芳等研究表明，在鹽脅迫下添加外源甜菜堿處理可明顯降低小麥幼苗的MDA含量[17]。本研究中，不同濃度Pro處理對低溫脅迫下高粱葉片MDA含量的降低有一定影響，但與對照比差異不顯著，說明外源Pro對低溫脅迫下高粱葉片清除MDA、緩解細(xì)胞質(zhì)膜損傷作用有限。

可溶性糖作為一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，其含量的增加可以從一定程度上反映植物所受逆境脅迫的程度[18]。試驗(yàn)中不同濃度的脯氨酸處理能夠增加高粱葉片可溶性糖含量，從而增強(qiáng)對低溫脅迫的適應(yīng)能力。

葉片葉綠素是葉片功能的關(guān)鍵指標(biāo)。在一定范圍內(nèi)，葉綠素含量與光合作用呈正相關(guān)關(guān)系，不良環(huán)境也能造成葉綠素含量的降低。不同濃度外源Pro處理，高粱葉片葉綠素含量都不同程度的提高，說明外源Pro能維持較高的葉綠素含量，進(jìn)而維持較高的光合作用能力，保證植株有充足的能量來源和較高的同化物轉(zhuǎn)化效率，促進(jìn)幼苗生長。

總體來說，利用外源脯氨酸對高粱幼苗的低溫冷害進(jìn)行干預(yù)，有效改善了低溫脅迫下高粱幼苗的生理特性，可以緩解低溫對幼苗的傷害，提高幼苗抵抗冷害的能力，實(shí)現(xiàn)對高粱幼苗冷害后的有效調(diào)控，為預(yù)防和減輕高粱生產(chǎn)中環(huán)境脅迫，為優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)提供理論依據(jù)。研究者認(rèn)為，春季高粱播種出苗后，如低溫來臨或幼苗受到低溫侵襲，及時噴施3～5 mmol·L-1的脯氨酸可有效抑制和緩解這種傷害。