低溫脅迫下不同溫敏性油菜保護(hù)酶活性及內(nèi)源激素變化

馬學(xué)才，方彥，劉麗君，馬驪，曾瑞，朱明川，王亞林，牛早霞，李學(xué)才，孫萬倉，李愛國，武軍艷

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅省干旱生境作物學(xué)重點實驗室，甘肅 蘭州 730070；2.河北省農(nóng)林科學(xué)院旱作農(nóng)業(yè)研究所，河北 衡水 053000)

油菜是我國第一大油料作物，產(chǎn)油量占國產(chǎn)油料作物產(chǎn)油量的55%左右，是國產(chǎn)植物油第一大油源，油菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對于保障國家糧油安全，具有重大的意義[1].隨著全球氣候的變化，作物新品種的育成，推廣布局結(jié)構(gòu)在逐漸變化，油菜的種植區(qū)劃也逐年向北移動[2].世界范圍內(nèi)的極端溫度在很多地區(qū)出現(xiàn)，且這一現(xiàn)象逐年增多，致使寒冷災(zāi)害對作物的生長及最終產(chǎn)量形成產(chǎn)生重要影響[3].在我國北方，低溫是作物生長不良以及產(chǎn)量不高的重要原因之一.因此，增強(qiáng)油菜抵抗嚴(yán)寒的能力來保障其產(chǎn)量顯得尤為重要[3-5].

低溫條件下，植物生長活力下降，通過保護(hù)性酶活性和內(nèi)源激素含量的變化調(diào)控生理反應(yīng)，維系植株的生長[6].植物葉片在低溫脅迫下，保護(hù)性酶發(fā)揮作用，而超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)是公認(rèn)的細(xì)胞膜保護(hù)酶，在理論上就存在相關(guān)性[6].脫落酸(absoisic acid，ABA)是傳導(dǎo)和使抗冷的DNA分子轉(zhuǎn)錄成蛋白質(zhì)的傳播信息分子，可以借助提高保護(hù)酶的高效運行與無機(jī)鹽的量的恒定，降低低溫對葉片的損傷，提高較冷溫度當(dāng)下葉片里葉綠素的儲存及光能的化學(xué)作用，使其更容易生長出根，特別是根的橫向變粗，降低冬天的油菜死亡率，提高其耐低溫性能[7-9].在低溫脅迫下，植物為了適應(yīng)寒冷的環(huán)境，生長素(auxin，IAA)含量會發(fā)生相應(yīng)的變化，如低溫脅迫后鹿蹄草的內(nèi)源IAA含量會逐漸降低[10].赤霉素(gibberellin，GA)能夠促進(jìn)植物莖節(jié)的伸長生長，從而促進(jìn)植物的生長，在植物逆境脅迫等各種生理現(xiàn)象中扮演重要的角色[11-12].本研究以3個溫敏性不同的油菜品種為材料，低溫處理后測定其根、生長點以及葉片中ABA、IAA、GA的含量，根及葉片保護(hù)酶活性.分析了短時低溫脅迫下不同溫敏性油菜各組織生理活性物質(zhì)和內(nèi)源激素含量的變化規(guī)律，得出這種變化的差異與抗寒性的關(guān)系，為油菜應(yīng)答低溫生長的機(jī)理研究提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料如表1，圖1所示。

圖1 隴油6號，天油4號，隴油10號生長點特性

表1 試驗材料特征及來源

1.2 試驗設(shè)計及方法

2019年10月中旬種植于甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)(N 36°5′，E 103°4′)，種子經(jīng)培養(yǎng)皿萌發(fā)后挑選播種于營養(yǎng)缽中，每盆4株，放置于室內(nèi)，每天澆適量的水，待油菜幼苗長至5～6片真葉時置于人工氣候箱進(jìn)行低溫(4℃)處理，日光照10 h，模擬苗期低溫環(huán)境，每個處理3盆.處理后0(CK)、2、4、6、8、12、24、48 h分別取心葉外第3片功能葉、生長點及根系放到冰盒中立即進(jìn)行內(nèi)源激素的測定；用處理0(CK)，LT1(24 h),LT2(48 h)的根和葉片進(jìn)行生理活性物質(zhì)的測定.采用酶聯(lián)免疫吸附(ELISA)[13]法測定內(nèi)源激素的含量，分別采用氮藍(lán)四唑法、紫外吸收法、愈創(chuàng)木酚法、紫外吸收法測定SOD、CAT、POD、APX的酶活性[14].

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS及Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)及作圖分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫脅迫下不同品種根系、葉片的生理指標(biāo)分析

低溫處理后，各品種根、葉保護(hù)性酶活性變強(qiáng)，冬性的品種比抗寒性弱的保護(hù)性酶活性高，且同一時間段下都達(dá)到了顯著水平(P<0.05)(圖2～3).與CK相比，SOD和POD變化趨勢和增長率相近，根系葉片均表現(xiàn)持續(xù)增加的變化趨勢.在感受低溫的過程中，CAT的變化呈升高趨勢，隴油6號較天油4號，隴油10號CAT活性高，根系含量高于葉片.APX活性隨著低溫處理時間的延長，呈現(xiàn)逐漸升高，根系增幅率高于葉片，3個品種根系A(chǔ)PX活性增長率高，至LT2時，與CK相比分別增長了3.46倍，3.12倍.2.99倍；與此相比，3個品種葉片APX活性只增長了0.90倍，0.83倍，0.82倍.可見，在低溫下冬性品種的四種酶活性響應(yīng)較及時，根系變化更明顯.

不同大寫字母表示同一時間不同品種之間的顯著差異(P<0.01)，不同小寫字母表示同一品種不同時間之間的顯著差異(P<0.05)

不同大寫字母表示同一時間不同品種之間的顯著差異(P<0.01)，不同小寫字母表示同一品種不同時間之間的顯著差異(P<0.05)

2.2 ABA含量的變化分析

在感受低溫的過程中，不同品種ABA含量的變化不同(圖4～6).在根系中，3個品種均呈先升高再降低的趨勢，隴油10號在6 h達(dá)到峰值，隴油6號和天油4號在12 h達(dá)到峰值.生長點的結(jié)果表明，隴油6號、天油4號在處理2 h開始升高，隴油10號則逐漸升高，至處理48 h時高于對照(0 h)，達(dá)到211.59 ng/g.在2～24 h，隴油6號的含量均高于天油4號和隴油10號(P≤0.05).葉片的含量表現(xiàn)為先短暫降低后逐漸升高，隴油10號在處理2 h之后逐漸升高，隴油6號、天油4號則在4 h后升高，可見，低溫后春性品種的葉片反應(yīng)更敏感，比冬性先做出出反應(yīng).從不同組織來看，冬性的生長點的ABA含量對低溫的響應(yīng)與春性不同.

不同大寫字母表示同一時間不同品種之間的顯著差異(P<0.01)，不同小寫字母表示同一品種不同時間之間的顯著差異(P<0.05).

不同大寫字母表示同一時間不同品種之間的顯著差異(P<0.01)，不同小寫字母表示同一品種不同時間之間的顯著差異(P<0.05).

不同大寫字母表示同一時間不同品種之間的顯著差異(P<0.01)，不同小寫字母表示同一品種不同時間之間的顯著差異(P<0.05).

2.3 IAA含量的變化分析

3個品種均表現(xiàn)為，葉片的IAA含量最高，根系次之，生長點最低(圖7～9).在根系中，3個品種的變化均為先升高后降低；與天油4號相比，隴油6號升高幅度較大并在處理6 h達(dá)到峰值，隴油10號則在處理2 h達(dá)到峰值后降低.生長點和葉片的IAA變化趨勢相似，隴油6號平緩上升，增幅穩(wěn)定，天油4號和隴油10號為先升后降的趨勢，且隴油10號的升高幅度和降低幅度均低于天油4號；低溫6 h后冬性、半冬性品種的含量顯著高于春性品種(P≤0.05).

不同大寫字母表示同一時間不同品種之間的顯著差異(P<0.01)，不同小寫字母表示同一品種不同時間之間的顯著差異(P<0.05).

不同大寫字母表示同一時間不同品種之間的顯著差異(P<0.01)，不同小寫字母表示同一品種不同時間之間的顯著差異(P<0.05).

不同大寫字母表示同一時間不同品種之間的顯著差異(P<0.01)，不同小寫字母表示同一品種不同時間之間的顯著差異(P<0.05)

2.4 GA含量的變化分析

3個組織的含量變化為：生長點>葉>根.隨著低溫時間的延長，3個品種的根系的GA含量均表現(xiàn)為緩慢升高(圖10～12).3個品種的生長點的含量先降低，至4 h后逐漸升高.低溫脅迫后，與隴油10號相比，隴油6號、天油4號的變化更平穩(wěn)，隴油10號變化幅度較大.由此推斷，低溫處理下，冬性品種GA含量的變化較小，春性品種變化較大，且春性品種的GA含量高于冬性品種.

不同大寫字母表示同一時間不同品種之間的顯著差異(P<0.01)，不同小寫字母表示同一品種不同時間之間的顯著差異(P<0.05)

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不同大寫字母表示同一時間不同品種之間的顯著差異(P<0.01)，不同小寫字母表示同一品種不同時間之間的顯著差異(P<0.05)

2.5 內(nèi)源激素的比值變化

隨低溫處理時間的延長各品種ABA、IAA、GA三者的比值較對照均有不同程度的變化；不同品種不同組織之間均有差異.3個品種各組織中ABA/IAA的比值最高，ABA/GA其次，IAA/GA最低.隴油6號、天油4號生長點的ABA/IAA、ABA/GA比值均高于根和葉片，根、生長點的ABA/IAA呈逐漸升高的趨勢，隴油10號并未有這種趨勢.隨著處理時間的延長，3個品種的根的ABA/GA比值均降低.IAA/GA比值沒有明顯的變化趨勢.

3 討論

3.1 根系的酶活性的變化是不同感溫性油菜低溫生長的關(guān)鍵

SOD、POD、CAT、APX是植物遭受低溫時保護(hù)性酶的典型代表，為了抵御低溫，植物中的保護(hù)性酶通過相互配合共同協(xié)調(diào)來完成對自身的保護(hù)[15]；低溫逆境中SOD、POD、CAT、APX活性水平也是作為植物抗寒性檢測的重要指標(biāo)[16].研究表明，隨著低溫處理的持續(xù)，紫花苜宿保護(hù)性酶活性增加，抗寒性強(qiáng)的品種酶活增加的要快，抗寒性弱的品種酶活增加的慢[17].本研究結(jié)果表明，經(jīng)過低溫處理，葉片對低溫敏感，葉片中幾種酶的活性在感受到低溫時會顯著增加，發(fā)揮酶的保護(hù)作用.超強(qiáng)抗寒品種在低溫脅迫下根中幾種酶活性增加的迅速，不抗寒品種在低溫脅迫下葉片中幾種酶活性變化較為遲鈍.說明抗寒性不同，品種油菜酶活性變化不同；根系是冬油菜低溫生長和越冬的關(guān)鍵，其生理活性物活性高且變化強(qiáng)烈.

表2 低溫條件下不同品種各組織內(nèi)源激素比值

3.2 冬性品種的ABA積累量更高，激素之間的動態(tài)平衡更好

低溫降低植物的生長活力，影響內(nèi)源激素的產(chǎn)生和運輸，使得植物的生理生化狀態(tài)發(fā)生變化，從而影響逆境脅迫信息傳遞，誘發(fā)抗寒生理反應(yīng)[14].調(diào)控內(nèi)源激素的動態(tài)平衡是油菜適應(yīng)逆境環(huán)境的關(guān)鍵[18].本研究表明，隨低溫處理時間的延長，ABA/IAA、ABA/GA比值升高，增加ABA的合成，同時適當(dāng)減少IAA、GA的合成抵御低溫；冬性強(qiáng)的品種ABA/IAA與ABA/GA的值均較高，ABA含量積累增多，IAA和GA的含量輕微降低，春性品種的積累速率及積累量均低于冬性品種，可見冬性、半冬性品種通過在較短的時間積累較多的ABA，緩解油菜所受的傷害，提高其抵御低溫傷害的能力[19-23].小麥的研究結(jié)果也說明抗寒性強(qiáng)的品種IAA含量高于弱抗寒品種[24]，田小霞等[25]結(jié)果表明低溫會降低薰衣草的GA水平，使植株生長速度減慢，從而適應(yīng)低溫脅迫.

3.3 生長點的激素積累是保障強(qiáng)冬性油菜越冬的重要因素

不同組織在逆境對抗中扮演的角色不同，冬油菜由于具有適應(yīng)低溫的形態(tài)特性導(dǎo)致其更具抗寒力[26-27].冬油菜在越冬過程中，地上部全部干枯[28]，只有根系存活于土壤中，次年新葉從其生長點重新長出(圖10)，完成生長，因此根系及生長點是其越冬生長的重要組織，也是其越冬后生長的啟動點[29].本研究中在低溫脅迫過程中冬性、半冬性品種的生長點的ABA含量均高于春性品種，且ABA/IAA、ABA/GA比值均高于根和葉片；冬性品種根系的ABA的含量變化最明顯，呈上升趨勢，春性則剛好相反.低溫鍛煉過程中，冬油菜葉片承受冷害能力強(qiáng)，春油菜葉片承受一定時期后，ABA、IAA、GA的合成減少，阻遏正常生長，這與陳奇[30]等的研究結(jié)果基本吻合.可見生長點的激素積累對強(qiáng)冬性白菜型油菜應(yīng)答低溫具有重要作用.抗寒性強(qiáng)的品種與抗寒性弱的品種生長點特性的不同，造成其內(nèi)源激素富集比其它組織的要高，更能適應(yīng)逆境.

圖13 越冬前冬油菜葉片干枯，返青后心葉重新長出

4 結(jié)論

低溫脅迫下，隴油6號、天油4號較隴油10號ABA積累量更高，GA和IAA含量更穩(wěn)定，激素之間的相互作用更強(qiáng)且動態(tài)平衡更好，保護(hù)性酶活性水平更高.隴油6號、天油4號生長點對低溫做出反應(yīng)迅速且持續(xù)時間長，能耐受更長時間低溫脅迫.