不同品種紅掌葉片細(xì)胞膜穩(wěn)定性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)對(duì)高溫脅迫的響應(yīng)

王宏輝,顧俊杰,房偉民,陳發(fā)棣,張棟梁

(1 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院,南京210095;2 通遼市科爾沁區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心,通遼028000;3上海鮮花港企業(yè)發(fā)展有限公司,上海201303)

高溫脅迫首先傷害植物的細(xì)胞膜系統(tǒng),一方面改變膜脂組成,破壞膜的選擇透過性,引起胞內(nèi)電解質(zhì)外滲,導(dǎo)致滲透勢(shì)升高;另一方面高溫產(chǎn)生的活性氧分子會(huì)氧化膜脂中的不飽和脂肪酸,進(jìn)而影響細(xì)胞膜的穩(wěn)定性[1]。 滲透調(diào)節(jié)是植物抵御高溫脅迫和進(jìn)行自我保護(hù)的重要生理機(jī)制,植物體通過主動(dòng)積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來降低滲透勢(shì),避免或減少高溫對(duì)機(jī)體的傷害[2],其中脯氨酸含量和可溶性蛋白含量是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。 細(xì)胞膜穩(wěn)定性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的變化廣泛應(yīng)用于觀賞鳳梨(Bromeliaceae)[3]、灰?guī)r皺葉報(bào)春(Primula forrestii)[4]、海州常山(Clerodendrum trichotomum)[5]、觀賞海棠(Malusspp.)[6]、杜鵑花(Rhododendron)[7]和葡萄(Grape)[8]等植物的耐熱性研究。

紅掌(Anthurium andraeanumLind.)是天南星科(Araceae)花燭屬(AnthuriumSchott)常綠宿根花卉,又稱安祖花、花燭等,具有艷麗多彩的花苞和優(yōu)美的葉片,廣泛應(yīng)用于盆栽和切花[9]。 但紅掌對(duì)溫度較為敏感,當(dāng)溫度高于35 ℃時(shí),其花苞褪色、壽命縮短、觀賞性降低。 迄今為止,關(guān)于不同耐熱性紅掌對(duì)高溫脅迫生理響應(yīng)差異的研究較少,張偉等[10]研究了‘火焰’‘阿拉巴馬’和‘粉冠軍’3 種不同耐熱性紅掌品種在高溫脅迫下的超氧物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、可溶性蛋白和可溶性糖含量的變化,指出耐熱性強(qiáng)的品種具有較強(qiáng)的細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)能力、蛋白質(zhì)合成能力以及消除活性氧傷害的能力,但并未對(duì)細(xì)胞膜穩(wěn)定性進(jìn)行研究。 本試驗(yàn)以4 個(gè)耐熱性不同的紅掌品種為材料,通過測定39 ℃高溫脅迫不同時(shí)間下的相對(duì)電導(dǎo)率、丙二醛含量、脯氨酸含量和可溶性蛋白含量,分析不同耐熱性紅掌品種的細(xì)胞膜穩(wěn)定性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的變化規(guī)律,以探索紅掌耐熱性機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為上海鮮花港企業(yè)發(fā)展有限公司提供的株齡為5 個(gè)月的4 個(gè)紅掌盆花品種,其耐熱能力由強(qiáng)到弱依次為‘阿瓦托’(‘Arento’)、‘馬都拉’(‘Madural’)、‘特倫薩’(‘Turenza’)、‘甜冠軍’(‘Sweet champion’)[11]。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,將4 種紅掌于RXZ-430A 人工氣候室內(nèi)進(jìn)行39 ℃高溫6 h、12 h、24 h、36 h、48 h 處理,設(shè)置空氣相對(duì)濕度70%—80%,光照強(qiáng)度10 000—15 000 lx。 對(duì)照置于室溫下培養(yǎng)。 每處理5 盆,4 次重復(fù),每個(gè)處理選取5 株植株,取上部第1 片成熟葉測定各項(xiàng)生理指標(biāo)。

1.3 測定項(xiàng)目

相對(duì)電導(dǎo)率(REC)采用電導(dǎo)儀測定,丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法測定,脯氨酸(Pro)含量采用酸性茚三酮比色法測定,可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)比色法測定[12]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2007 軟件作圖,運(yùn)用SPSS 20.0 軟件進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅掌品種葉片細(xì)胞膜穩(wěn)定性對(duì)高溫脅迫的響應(yīng)

2.1.1 相對(duì)電導(dǎo)率的變化

相對(duì)電導(dǎo)率是衡量高溫對(duì)植物細(xì)胞膜透性影響程度的一個(gè)指標(biāo)[13]。 由圖1 可知,高溫處理前,耐熱性最差的‘甜冠軍’的相對(duì)電導(dǎo)率(REC)顯著大于其他3 個(gè)紅掌品種,耐熱性最強(qiáng)的‘阿瓦托’的REC 最小,‘馬都拉’和‘特倫薩’的REC 沒有顯著差異。 高溫處理后,4 個(gè)紅掌品種葉片的相對(duì)電導(dǎo)率隨著脅迫時(shí)間延長呈上升趨勢(shì)。 脅迫6 h 時(shí),4 個(gè)紅掌品種葉片的REC 與對(duì)照沒有顯著差異;當(dāng)脅迫12 h 時(shí),‘甜冠軍’的REC 的升高幅度最大,比對(duì)照增加了68.08%,‘阿瓦托’的REC 升高幅度最小,比對(duì)照增加了21.25%,‘馬都拉’和‘特倫薩’的REC 分別比對(duì)照增加了38.69%、31.72%;高溫脅迫48 h 時(shí),各品種葉片的相對(duì)電導(dǎo)率由大到小依次為‘甜冠軍’‘特倫薩’‘馬都拉’‘阿瓦托’,分別比對(duì)照增加了1.49 倍、1.42 倍、1.41 倍、1.12 倍,差異顯著。

2.1.2 丙二醛含量的變化

丙二醛(MDA)是植物在高溫脅迫下膜脂過氧化的重要產(chǎn)物[2]。 由圖2 可知,4 個(gè)紅掌品種葉片的MDA 含量變化趨勢(shì)與相對(duì)電導(dǎo)率變化趨勢(shì)一致,即隨著脅迫時(shí)間延長呈上升趨勢(shì)。 高溫處理前,耐熱性最差的‘甜冠軍’MDA 含量顯著大于其他3 個(gè)紅掌品種,耐熱性最強(qiáng)的‘阿瓦托’的MDA 含量最小,‘馬都拉’和‘特倫薩’的MDA 含量沒有顯著差異;脅迫6 h 時(shí),4 個(gè)紅掌品種葉片的MDA 含量與對(duì)照沒有顯著差異;脅迫12 h 時(shí),‘甜冠軍’MDA 含量升高幅度最大,比對(duì)照增加了38.34%,‘阿瓦托’的MDA 含量升高幅度最小,比對(duì)照增加了10.41%,‘馬都拉’和‘特倫薩’的MDA 含量分別比對(duì)照增加了15.98%、17.71%;脅迫48 h 時(shí),各品種葉片的MDA 含量由高到低依次為‘甜冠軍’‘特倫薩’‘馬都拉’‘阿瓦托’,分別比對(duì)照增加了59.41%、48.68%、47.75%和30.10%,差異顯著。

2.2 紅掌品種葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)對(duì)高溫脅迫的響應(yīng)

2.2.1 脯氨酸含量的變化

由圖3 可知,4 個(gè)紅掌品種的脯氨酸含量在脅迫過程中均呈先升高后降低的趨勢(shì),但是升高幅度以及達(dá)到峰值所需的時(shí)間不同。 處理前,耐熱性最差的‘甜冠軍’脯氨酸含量顯著大于其他3 個(gè)品種,而‘阿瓦托’‘馬都拉’和‘特倫薩’間無顯著差異;脅迫6 h時(shí),‘阿瓦托’和‘馬都拉’的脯氨酸含量顯著大于‘特倫薩’和‘甜冠軍’;耐熱性最強(qiáng)的‘阿瓦托’在脅迫24 h時(shí)脯氨酸含量達(dá)到峰值且顯著大于其他3 個(gè)品種,比對(duì)照增加了82.43%,而‘馬都拉’‘特倫薩’和‘甜冠軍’均在脅迫12 h 時(shí)達(dá)到峰值,分別比對(duì)照增加了49.88%、37.55%和28.86%,其中‘馬都拉’的脯氨酸含量顯著大于其他2 個(gè)品種,但顯著小于‘阿瓦托’;脅迫48 h 時(shí),‘阿瓦托’和‘馬都拉’脯氨酸含量均顯著大于對(duì)照,分別比對(duì)照增加了63.47% 和20.24%,而‘特倫薩’和‘甜冠軍’則比對(duì)照減少了4.04%和12.05%,其中‘特倫薩’的脯氨酸含量與對(duì)照沒有顯著差異,而‘甜冠軍’顯著小于對(duì)照。

2.2.2 可溶性蛋白含量的變化

由圖4 可知,4 個(gè)紅掌品種的可溶性蛋白含量隨脅迫時(shí)間延長呈先上升后下降的趨勢(shì),處理前,4 個(gè)紅掌品種的可溶性蛋白含量沒有顯著差異;脅迫6 h 時(shí),‘特倫薩’和‘甜冠軍’可溶性蛋白含量達(dá)到峰值,分別比對(duì)照增加了17.72%和21.81%,顯著大于‘阿瓦托’和‘馬都拉’;脅迫12 h 時(shí),‘馬都拉’達(dá)到峰值,比對(duì)照增加了32.90%,顯著大于‘特倫薩’和‘甜冠軍’,但與‘阿瓦托’間沒有顯著差異;脅迫24 h 時(shí),‘阿瓦托’葉片的可溶性蛋白含量達(dá)到峰值,比對(duì)照增加了51.48%,顯著大于其他3 個(gè)品種;高溫脅迫48 h 時(shí),耐熱性最強(qiáng)的‘阿瓦托’葉片可溶性蛋白含量顯著大于對(duì)照,比對(duì)照增加了22.13%,而‘馬都拉’‘特倫薩’和‘甜冠軍’分別比對(duì)照減少了3.35%、42.31%和48.53%,其中‘馬都拉’可溶性蛋白含量與對(duì)照沒有顯著差異,而‘特倫薩’和‘甜冠軍’均顯著小于對(duì)照。

3 討論與結(jié)論

細(xì)胞膜穩(wěn)定性是衡量植物抗熱性的一個(gè)重要指標(biāo)[14],相對(duì)電導(dǎo)率和丙二醛含量可以反應(yīng)逆境下細(xì)胞膜的穩(wěn)定性。 本試驗(yàn)結(jié)果表明,高溫處理前耐熱性強(qiáng)的品種相對(duì)電導(dǎo)率和丙二醛含量顯著小于耐熱性差的品種,隨著脅迫時(shí)間延長,4 個(gè)紅掌品種葉片的相對(duì)電導(dǎo)率和丙二醛含量均表現(xiàn)升高趨勢(shì),且耐熱性最差的‘甜冠軍’升高幅度最大,耐熱性最強(qiáng)的‘阿瓦托’升高幅度最小,說明越耐熱的品種,細(xì)胞膜的穩(wěn)定性越高。 朱鑫等[15]研究指出高溫脅迫下芹菜(Apium graveolensL.)耐熱品系的膜穩(wěn)定性高于不耐熱品系,王國霞等[16]研究表明油茶(Camellia oleifera)在高溫脅迫下感熱型品種的葉片相對(duì)電導(dǎo)率和丙二醛含量變化幅度明顯高于耐熱性品種,張景云等[17]研究表明小白菜(Brassica campestrisssp.Chinensis)在高溫脅迫下耐熱材料的相對(duì)電導(dǎo)率和丙二醛含量升高幅度低于不耐熱材料,與本研究的結(jié)果一致。

在一定的逆境脅迫下,植物體可以通過積累脯氨酸和可溶性蛋白等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來避免或減少傷害。 脯氨酸可以提高原生質(zhì)膠體的穩(wěn)定性,有利于保持機(jī)體的水分,減少蒸騰作用導(dǎo)致的水分散失。 可溶性蛋白質(zhì)可以增強(qiáng)植物耐脫水能力、保護(hù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)并且延緩衰老[18]。 本研究表明,所有品種葉片的脯氨酸含量和可溶性蛋白含量隨著脅迫時(shí)間延長均表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì),耐熱性越強(qiáng)的品種升高的幅度越大,達(dá)到峰值所需的時(shí)間越長,且脅迫結(jié)束后仍保持較高的含量。 耐熱性較差的‘甜冠軍’和‘特倫薩’葉片的可溶性蛋白含量在脅迫6 h 后降低,而其脯氨酸含量在12 h 才開始降低,可能是高溫使其可溶性蛋白水解成部分脯氨酸所致。 李敏等[19]研究表明水稻(Rice)耐熱性強(qiáng)的品種在開花期高溫脅迫處理后劍葉游離脯氨酸含量增加幅度大,趙森等[20]研究表明爪哇稻(Oryza staviaL.ssp.javanica)耐熱品種在高溫脅迫下保持了較高的可溶性蛋白和脯氨酸含量,楊華庚等[21]研究表明蝴蝶蘭(Phalaenopsis)在高溫脅迫下耐熱性強(qiáng)的品種脯氨酸積累量越多,可溶性蛋白含量的增幅越大,均與本研究的結(jié)果一致。

綜上所述,高溫脅迫下耐熱性越強(qiáng)的紅掌品種葉片的相對(duì)電導(dǎo)率和MDA 含量升高幅度越小,脯氨酸和可溶性蛋白含量積累量越多。 說明紅掌的耐熱能力與細(xì)胞膜穩(wěn)定系統(tǒng)及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)有關(guān),可將其作為紅掌不同品種耐熱性評(píng)價(jià)的參考指標(biāo)。