低溫脅迫對不同藜麥幼苗生理生化特性的影響

(1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所，山西 忻州 034000；2.山西大同大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山西 大同 037009；3.山西轉(zhuǎn)型綜合改革示范區(qū)管委會，山西 太原 030032)

2050年世界人口將突破90億，對食物的需求量不斷上升，全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將面臨產(chǎn)量不足的嚴(yán)峻形勢[1]。藜麥(Chenopodiumquinoa)原產(chǎn)于南美洲安第斯山脈，營養(yǎng)價值高而全面，因而具備了成為新糧食作物的巨大潛力。聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)將2013年定為“國際藜麥年”，目的在于使藜麥豐富的生物多樣性和極高的營養(yǎng)價值得到全世界的廣泛關(guān)注，從而充分發(fā)揮其在提供糧食產(chǎn)量、改善食品營養(yǎng)、消除地區(qū)貧困等方面的重要作用[2-4]。另一方面，藜麥應(yīng)對土壤鹽堿化[5-8]、干旱脅迫[9]、冷凍害[10-13]、病蟲害等逆境時均表現(xiàn)出相當(dāng)強的抗性。因此，藜麥值得大力度大范圍推廣與種植。

適宜的溫度是作物生長的基本條件之一，在植物生長至不同階段均需要與之相適應(yīng)的溫度才能繼續(xù)維持生命活動[14]。低溫脅迫對植物的危害根據(jù)溫度的不同可以分為2種：冰點以上的低溫對植物造成的危害稱為冷害，冰點以下的低溫對植物造成的危害稱為凍害[15]。近幾年來，在探究植物抗寒的生理生化基礎(chǔ)、如何提高植物抵御冷凍害的能力、選育具有優(yōu)良抗寒性狀的品種、改良植株低溫脅迫下栽培管理途徑等方面的科研進程均取得了重要的突破和長足的進展[16]。探索植物抗寒性機理不僅對基礎(chǔ)理論豐富化具有重要意義，在解決實際生產(chǎn)過程的問題上也具有廣泛的應(yīng)用價值[17]。

為此,本實驗研究了3種藜麥在低溫4 ℃環(huán)境下(采用智能氣候箱人工模擬的方法),幼苗中的游離脯氨酸、丙二醛的含量，SOD和POD的活性,以期了解藜麥在低溫環(huán)境的脅迫過程中,這些生理生化指標(biāo)的變化及不同藜麥幼苗抗寒性之間的關(guān)系，為后續(xù)藜麥的相關(guān)低溫脅迫研究提供參考。

1 材料處理與方法

1.1 試驗材料

不同藜麥種子：黑藜、白藜、紅藜，由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所提供。

1.2 試驗方法

實驗于2018年4月11日在山西大同大學(xué)生物工程系細胞工程實驗室進行。在2018年3月份預(yù)實驗的基礎(chǔ)上，選取不同藜麥的種子，用黑方塑料小花盆采取每盆50粒種子隨機播撒的方法用營養(yǎng)土培育，暗處理待其發(fā)芽。待種子出土發(fā)芽長至莖長4 cm，莖尖長出2片小葉時開始每2周澆1次營養(yǎng)液，由于小花盆底部多小孔縫，故在下方墊培養(yǎng)皿以澆水和營養(yǎng)液，使其從下方吸水。在其長至4～6片葉片時開始放入人工智能氣候箱進行低溫脅迫。脅迫溫度設(shè)為4 ℃，光照時間設(shè)為晝16 h/夜8 h，光強為晝120μmol·(m2·s)-1/夜0μmol·(m2·s)-1。相對濕度設(shè)為晝60%，夜80%。在藜麥幼苗低溫脅迫處理后的0，24，48，72 h以及恢復(fù)常溫后的24 h(R)進行各項生理生化指標(biāo)的測定。分別稱取不同藜麥幼苗的葉片和莖0.5 g(測定POD活性時取1.0 g)，用研缽研勻，進行各項生理指標(biāo)的測定，每個指標(biāo)做3次重復(fù)。

1.3 指標(biāo)測定

藜麥幼苗中游離脯氨酸、丙二醛的含量及SOD 與POD活性測定的相關(guān)實驗操作參考蔡慶生《植物生理學(xué)實驗》[18]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)均做3次重復(fù)，用SPSS 20.0軟件進行差異顯著性分析，用Excel 2016軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫脅迫對3種藜麥幼苗主要生理生化指標(biāo)的影響

2.1.1對游離脯氨酸含量和丙二醛含量的影響

由圖1可知，在低溫脅迫0～72 h期間，白藜幼苗游離脯氨酸含量呈先下降再上升，紅藜幼苗的脯氨酸含量持續(xù)下降。白藜在48 h降至最低，而紅藜的最小值則出現(xiàn)在72 h。在低溫72 h時白藜與對照相比下降了0.5%，差異不顯著，紅藜減小了27.3%。黑藜幼苗的脯氨酸含量穩(wěn)定上升，低溫72 h 時顯著大于對照(p<0.05)。3種藜麥幼苗恢復(fù)24 h時的脯氨酸含量均比低溫處理 72 h時高。

由圖2可知，在低溫脅迫0～72 h期間，不同藜麥幼苗的丙二醛含量均呈先上升再下降。白藜和黑藜的丙二醛含量在24 h時上升到最大，紅藜的最大值在48 h。不同藜麥幼苗恢復(fù)24 h的丙二醛含量相比低溫脅迫72 h時均有上升。白藜相比對照上升了2.6%，紅藜和黑藜上升了11.11%和11.83%，差異不顯著。低溫脅迫72 h時不同藜麥的丙二醛含量與對照相比均呈上升趨勢，上升的幅度分別為15.5%，45.78%和15.8%。

圖1 3種藜麥幼苗在不同低溫脅迫時間下脯氨酸含量(p<0.05)

圖2 3種藜麥幼苗在不同低溫脅迫時間下丙二醛含量(p<0.05)

2.1.2對POD活性和SOD活性的影響

由圖3可知，在低溫脅迫0～72 h期間，不同藜麥幼苗的POD活性均呈穩(wěn)定上升趨勢，且最大值均出現(xiàn)在脅迫72 h時，此時的POD活性相比對照分別上升了2.27倍，2.36倍和3.02倍。解除低溫脅迫時的POD活性相比脅迫72 h時均下降，下降幅度分別為24.9%，10.73%和16.44%。

圖3 3種藜麥幼苗在不同低溫脅迫時間下POD活性(p<0.05)

由圖4可知，在低溫脅迫0～72 h期間，不同藜麥幼苗的SOD活性均先上升后下降，且最大值均出現(xiàn)在48 h時。脅迫72 h時的不同藜麥幼苗的SOD活性相比對照分別上升了3倍，0.43倍和0.42倍?；謴?fù)24 h之后的SOD活性相比脅迫72 h，不同藜麥均呈下降趨勢，下降幅度分別為25%，25%和5.9%。

圖4 3種藜麥幼苗在不同低溫脅迫時間下SOD活性(p<0.05)

3 討論與結(jié)論

3.1 低溫脅迫對不同藜麥幼苗脯氨酸含量和丙二醛含量的影響

研究表明，逆境脅迫下引發(fā)植物體內(nèi)游離脯氨酸的含量大幅增加。此外，正常環(huán)境下，抗逆性好的植物品種體內(nèi)游離脯氨酸的含量高[19]。

在低溫脅迫0～72 h期間，白藜幼苗游離脯氨酸的含量先下降后上升，紅藜幼苗的脯氨酸含量呈穩(wěn)定下降的趨勢，黑藜幼苗的脯氨酸含量趨于穩(wěn)定上升，且與對照相比均有變化。這說明在低溫脅迫期間，白藜和黑藜的游離脯氨酸含量均出現(xiàn)上升，這有利于緩解低溫脅迫對這2種藜麥幼苗造成的傷害，增強了這2種藜麥幼苗的抗逆性。這與邵怡若等[20]關(guān)于低溫脅迫時間對不同植物體內(nèi)脯氨酸含量變化的研究結(jié)果基本一致。且從脯氨酸含量的變化可分析出黑藜的抗寒性最強，白藜次之，紅藜最弱。

低溫脅迫嚴(yán)重影響植物細胞內(nèi)有關(guān)活性氧代謝反應(yīng)的平衡，也會對植物細胞膜造成一定程度的損害，使胞內(nèi)主要產(chǎn)物丙二醛的含量增加[21]。在低溫脅迫0～72 h期間，3種藜麥幼苗的丙二醛含量均呈先上升再下降的趨勢。在上升階段紅藜幼苗的上升幅度最大且最大值出現(xiàn)在48 h。說明紅藜幼苗脅迫期間的膜脂過氧化程度強且持續(xù)時間長，呈現(xiàn)出較弱的抗寒性，這與吳海寧等[22]在低溫脅迫對木薯的影響研究中丙二醛含量變化結(jié)果基本一致。從黑藜與白藜的上升幅度以及丙二醛含量的大小可以得出黑藜的抗寒性大于白藜。但是隨著脅迫時間的延長，丙二醛含量的下降，說明脅迫后期不同藜麥幼苗的細胞膜在一定程度均起到了保護植物免受低溫危害的作用?；謴?fù)24 h時與低溫脅迫72 h時的丙二醛含量相比變化不大，表明低溫脅迫恢復(fù)后，不同藜麥幼苗胞膜的過氧化程度并沒有明顯改善。從丙二醛含量的變化可以分析出在抗寒能力的方面紅藜小于白藜小于黑藜。

3.2 低溫脅迫對不同藜麥幼苗POD活性和SOD活性的影響

SOD是植物重要的耐冷保護酶系統(tǒng)[23]。SOD和 POD的活性與植物抗寒性密切相關(guān)，SOD、POD等酶參與了清除活性氧反應(yīng)的過程，并在其中起著最主要的抗氧化作用，從而使植物在相當(dāng)程度上增強了對低溫脅迫的抗逆性，減弱其對植株自身造成的傷害[24]。本實驗表明：在低溫處理0～72 h期間，3種藜麥幼苗的POD活性均呈穩(wěn)定上升的趨勢，SOD的活性雖然呈先上升后下降的趨勢， 但均高于對照，這表明低溫脅迫下藜麥幼苗細胞中活性氧的含量比常溫水平高，耐冷系統(tǒng)針對其含量變化開始發(fā)揮作用，使胞內(nèi)的POD和SOD活性提高，進而使幼苗細胞清除自由基的能力增強，這與王小媚[24]的研究結(jié)果大致相符。隨著低溫脅迫時間的延長，黑藜POD活性的升幅高于紅藜和白藜，說明長時間的低溫處理對其細胞內(nèi)清除自由基的能力影不大，黑藜的抗寒能力高于紅藜和白藜。不同藜麥幼苗SOD活性的最大值均出現(xiàn)在低溫脅迫48 h時，且黑藜的SOD活性出現(xiàn)了不同藜麥中的最大值，差異均達到了顯著水平，可以得出黑藜面對低溫脅迫時具有更強的耐受能力。

在幼苗的萌發(fā)過程期間，將不同藜麥的種子放入培養(yǎng)箱進行低溫脅迫處理，與常溫下進行對照，觀察藜麥幼苗在低溫下的發(fā)芽狀況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，常溫下的藜麥種1 d內(nèi)全部發(fā)芽，培養(yǎng)箱中的種子持續(xù)觀察了1周，1周內(nèi)也全部發(fā)芽。這表明藜麥種子在萌發(fā)期間有一定的抗寒性。

綜上所述，低溫脅迫處理不同的時間能使3種藜麥幼苗的生理生化指標(biāo)發(fā)生變化，游離脯氨酸的含量出現(xiàn)了3種不同的變化，丙二醛的含量先上升后下降，而POD和SOD活性均呈穩(wěn)定上升的趨勢，并且隨著低溫時間的延長，指標(biāo)的變化趨于穩(wěn)定。同時本實驗結(jié)果表明，黑藜的抗寒能力相比其他2種藜麥幼苗更強，白藜次之，紅藜最弱。這將為后續(xù)關(guān)于低溫脅迫對藜麥幼苗生理生化影響的更全面的研究提供一定的參考。