安兵壯,李 博,徐 樂(lè)*,徐延浩
(1.長(zhǎng)江大學(xué)農(nóng)學(xué)院,湖北 荊州 434025;2.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所,湖北 武漢 430064)
每種植物都有其生長(zhǎng)發(fā)育的最適溫度,異常高溫或低溫對(duì)植物生長(zhǎng)和代謝均具有破壞性影響。由高溫或低溫引起的各種細(xì)胞變化導(dǎo)致有毒化合物的過(guò)量產(chǎn)生,尤其是導(dǎo)致產(chǎn)生氧化應(yīng)激的活性氧(reactive oxygen species,ROS),包括超氧陰離子自由基(O)、羥基自由基(·OH)和過(guò)氧化氫(HO)等。脅迫引起的ROS毒性被認(rèn)為是導(dǎo)致全球作物產(chǎn)量降低的主要原因之一,過(guò)量的ROS會(huì)誘導(dǎo)蛋白質(zhì)氧化、DNA損傷、膜脂質(zhì)過(guò)氧化[丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量增加]和色素破壞,同時(shí)還會(huì)改變植物激素的產(chǎn)生和信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程,引起轉(zhuǎn)錄組的重編程和機(jī)體代謝紊亂。
為避免氧化應(yīng)激造成的損傷,植物形成了多樣而復(fù)雜的抗氧化防御機(jī)制來(lái)清除有毒ROS。抗氧化酶系統(tǒng)主要包括超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、過(guò)氧化物酶(peroxidase,POD)、過(guò)氧化氫酶(catalase,CAT)、抗壞血酸過(guò)氧化物酶(ascorbate peroxidase,APX)、谷胱甘肽還原酶(glutathione reductase,GR)等。在極端溫度條件下,植物傾向于通過(guò)誘導(dǎo)抗氧化系統(tǒng)作為它們的防御系統(tǒng)來(lái)對(duì)抗ROS的產(chǎn)生,并維持它們的氧化還原穩(wěn)態(tài)。李辰彥等觀察到低溫脅迫期間,水稻中SOD、POD、CAT活性顯著上升。Yu等觀察到甘薯在高溫脅迫下SOD活性先上升后下降,POD活性先下降后上升。Ignatenko等研究發(fā)現(xiàn)小麥低溫脅迫下SOD與POD活性持續(xù)上升,CAT活性先上升后下降。然而,植物抗氧化酶系統(tǒng)響應(yīng)低溫與高溫的模式可能存在差異。小麥低溫脅迫下POD、CAT活性顯著上升,而高溫脅迫下活性顯著下降;玉米低溫脅迫下SOD活性顯著下降,而高溫脅迫下顯著上升。由于這些研究結(jié)果來(lái)源于不同的試驗(yàn),因此植物抗氧化酶系統(tǒng)對(duì)低溫與高溫的響應(yīng)模式還需要進(jìn)一步研究。
作物苗期遭遇溫度脅迫,會(huì)導(dǎo)致幼苗發(fā)育遲緩或者死亡,影響其群體構(gòu)建,最終影響其產(chǎn)量。增強(qiáng)作物苗期對(duì)多種非生物脅迫的耐受性將使作物更好地生長(zhǎng),從而獲得更高的產(chǎn)量。大麥(L.)是全球最重要的谷類作物之一,是食品加工、牲畜飼料和飲料的重要原料。自然條件下,大麥幼苗的生長(zhǎng)受多種環(huán)境脅迫的限制,尤其是面對(duì)越來(lái)越明顯的氣候變化,溫度對(duì)其影響越發(fā)顯著。大麥最適宜的生長(zhǎng)溫度為20~25℃。Zhu等研究發(fā)現(xiàn),溫度低于15℃或高于37℃會(huì)對(duì)大麥的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生明顯的影響。本研究選用大麥品種鄂啤2號(hào)為試驗(yàn)材料,以最適溫度[22℃(晝)/18℃(夜)]為對(duì)照,研究苗期大麥在低溫[14℃(晝)/10℃(夜)]與高溫[38℃(晝)/34℃(夜)]處理下的SOD、POD、CAT等關(guān)鍵酶活性以及相關(guān)基因表達(dá)的變化,結(jié)合生理生化與基因表達(dá)研究結(jié)果,分析大麥幼苗抗氧化酶系統(tǒng)對(duì)低溫與高溫脅迫的響應(yīng)模式及差異,旨在為大麥苗期的耐低溫與耐高溫研究提供理論基礎(chǔ),為我國(guó)大麥生產(chǎn)的防災(zāi)減災(zāi)與提質(zhì)增效提供理論參考。
本試驗(yàn)以湖北栽培大麥鄂啤2號(hào)為供試材料,由長(zhǎng)江大學(xué)提供。該材料屬春性品種,全生育期195~205 d,具有莖稈粗壯、耐肥和抗倒伏等優(yōu)良特性。
1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)。選取飽滿度一致的種子,在自來(lái)水流水浸泡3 h后,用2%的次氯酸鈉溶液滅菌25 min,最后用無(wú)菌水沖洗3次。將種子置于22℃培養(yǎng)箱(上海佳語(yǔ)科學(xué)儀器有限公司提供)中進(jìn)行黑暗催芽,培養(yǎng)2~3 d后,選取長(zhǎng)勢(shì)一致、露出小芽的種子放入墊有濾紙的發(fā)芽盒(13 cm×19 cm×9 cm)中,每盒100粒,分別置于(晝/夜)14℃/10℃、22℃/18℃和38℃/34℃的培養(yǎng)箱中進(jìn)行處理。分別在處理前(0 d),處理的第1天(1 d)、第2天(2 d)、第3天(3 d)、第4天(4 d)對(duì)各處理下的幼苗嫩葉(芽苗期)進(jìn)行取樣。每個(gè)試驗(yàn)均設(shè)置3次生物學(xué)重復(fù)。
1.2.2 活性氧含量及抗氧化酶活性的測(cè)定。使用1、2、3、4 d的樣品測(cè)定活性氧含量及抗氧化酶活性。O含量采用羥胺氧化法測(cè)定;HO含量參考林植芳等的方法測(cè)定;MDA含量采用硫代巴比妥酸法測(cè)定;SOD活性采用氮藍(lán)四唑(NBT)光還原法測(cè)定;POD活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定;CAT活性采用過(guò)氧化氫還原法測(cè)定;APX活性參考Nakano等的方法測(cè)定;GR活性參考Omar等的方法測(cè)定。每個(gè)生理指標(biāo)測(cè)定3次作為技術(shù)重復(fù)。
1.2.3 抗氧化酶相關(guān)基因表達(dá)量的測(cè)定。使用0、1、3 d的樣品測(cè)定抗氧化酶相關(guān)基因的表達(dá)量。采用Trizol試劑法(TIANGEN,北京)提取總RNA,使用1%瓊脂糖凝膠電泳和Nanodrop 2000 c檢測(cè)RNA的質(zhì)量和濃度。使用反轉(zhuǎn)錄試劑盒(TaKaRa,M1701)合成cDNA第1鏈。實(shí)時(shí)熒光定量PCR反應(yīng)采用SYBR Green PCR試劑盒(Thermo Fisher,4385614),以為參照,采用2法計(jì)算基因相對(duì)表達(dá)量。
目的基因與序列及其引物序列設(shè)計(jì)參考Zvobgo等的研究,與序列及其引物序列參考Chen等的研究(表1)。
表1 引物序列
使用DPS 8.01軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用單因素方差分析及最小顯著差異法(LSD)分析不同處理間的差異顯著性。使用Excel 2019對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與作圖。
2.1.1 超氧陰離子(O)含量變化。由圖1-A可知,3個(gè)溫度下O平均含量分別為32.73[14℃(晝)/10℃(夜),低溫]、21.71[22℃(晝)/18℃(夜),對(duì)照,下同]、37.87 μmol/g[38℃(晝)/34℃(夜),高溫]。其中,高溫下平均含量最高,分別高于低溫、對(duì)照15.70%、74.44%;其次為低溫,高于對(duì)照50.76%。處理第1天,對(duì)照、低溫與高溫脅迫下O含量均較低,分別為4.10、10.36、3.50 μmol/g(圖1-A)。第2—4天,對(duì)照O含量在23.89~32.56 μmol/g浮動(dòng)變化,低溫下O含量持續(xù)升高,第3、4天顯著高于對(duì)照,分別高于對(duì)照37.01%、98.01%。高溫下O含量第3天開始為同時(shí)期最高,第3、4天分別高于低溫與對(duì)照52.01%、108.26%與22.30%、142.18%。
2.1.2 過(guò)氧化氫(HO)含量變化。由圖1-B可知,處理期間,高溫下HO含量始終低于對(duì)照,低溫下HO含量第1—2天同時(shí)期最低,第3天猛然升高為同時(shí)期最高,而第4天再次下降為同時(shí)期最低。低溫、對(duì)照與高溫脅迫下HO的平均含量分別為8.09、12.33、10.40 μmol/g,低溫與高溫分別低于對(duì)照34.41%和15.65%。處理過(guò)程中,低溫下HO含量逐漸升高,第4天輕微下降。第1、2、4天低溫下HO含量均顯著低于對(duì)照,第4天差異最大,低于對(duì)照47.83%。高溫處理下HO含量逐漸升高但始終顯著低于對(duì)照,第1天與對(duì)照差異最大,低于對(duì)照28.36%,第3天差異最小,低于對(duì)照11.37%。高溫處理下HO含量第1、2、4天均顯著高于低溫處理,第4天差異最大,高于低溫66.46%。
2.1.3 丙二醛(MDA)的含量變化。由圖1-C可知,3個(gè)溫度下MDA含量均呈下降—上升—下降的趨勢(shì)。對(duì)照MDA含量分布在1.09~3.11 μmol/g,平均含量為2.04 μmol/g。低溫處理下MDA含量分布在1.95~4.01 μmol/g,平均含量為2.92 μmol/g,高于對(duì)照43.14%。高溫MDA含量分布在1.67~4.16 μmol/g,平均含量最高,為3.17 μmol/g,分別高于對(duì)照和低溫55.39%、8.56%。低溫處理下第1—3天始終顯著高于對(duì)照,第2天與對(duì)照差異最大,高于對(duì)照126.97%,第4天含量降至與對(duì)照差異不具統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。而高溫下MDA含量始終顯著高于對(duì)照,第3天開始超過(guò)低溫處理,為同時(shí)期最高,第4天顯著高于對(duì)照和低溫處理,且整個(gè)處理期間差異達(dá)到最大,分別高于對(duì)照和低溫108.30%、96.71%。
圖1 不同溫度處理下O2÷含量(A)、H2O2含量(B)、MDA含量(C)變化
2.2.1 超氧化物歧化酶(SOD)活性分析。由表2可知,對(duì)照與低溫SOD活性分別在113.44~129.01 U/(g·min)與121.51~130.83 U/(g·min)小幅度波動(dòng)變化。低溫下SOD活性平均為124.52 U/(g·min),高于對(duì)照[119.04 U/(g·min)]4.60%。高溫下SOD活性在136.17~173.83 U/(g·min)波動(dòng)變化,平均活性最高,為155.26 U/(g·min),分別高于低溫與對(duì)照24.69%和30.43%。低溫下第1天SOD活性最高,為130.83 U/(g·min),顯著高于對(duì)照15.32%,而后活性逐漸降低,第4天與對(duì)照差異不具統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。高溫下SOD活性始終高于對(duì)照與低溫,第1天活性最低,第2天上升后至第3天輕微下降,第4天再次上升達(dá)到最大,分別顯著高于對(duì)照與低溫45.47%和42.94%。
2.2.2 過(guò)氧化物酶(POD)活性分析。由表2可知,與SOD相似,對(duì)照與低溫下POD活性在小幅度波動(dòng)變化,高溫下POD活性先上升后輕微下降,第4天活性達(dá)到最高。對(duì)照、低溫與高溫SOD活性分別在49.42~67.71、43.35~67.67、58.19~124.46 U/(g·min)變化。對(duì)照平均活性最低,為58.49 U/(g·min);其次為低溫,為61.02 U/(g·min);高溫下最高,為86.19 U/(g·min)。低溫下第1、2天POD活性顯著上升,分別高于對(duì)照14.02%、8.23%。隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),第3、4天與對(duì)照差異不具統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。高溫下POD活性始終高于對(duì)照和低溫且逐漸上升,第4天達(dá)到最大,顯著高于對(duì)照與低溫83.93%、83.43%。
2.2.3 過(guò)氧化氫酶(CAT)活性分析。由表2可知,對(duì)照CAT活性在722.90~1 299.39 U/(g·min)浮動(dòng),平均活性為980.34 U/(g·min)。低溫下CAT活性在1 169.83~1 679.76 U/(g·min)浮動(dòng),平均活性為1 502.47 U/(g·min),高于對(duì)照53.26%。高溫下CAT活性分布在2 078.50~3 445.05 U/(g·min),平均活性為2 650.24 U/(g·min),分別高于對(duì)照和低溫170.03%、76.39%。低溫下第1天CAT活性最高且與對(duì)照活性差異最大,高于對(duì)照132.36%;第2天降至與對(duì)照間的差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;第3天活性上升,顯著高于對(duì)照98.14%;第4天與對(duì)照間的差異再次減小,高于對(duì)照21.05%。高溫下CAT活性始終顯著高于對(duì)照與低溫,且隨處理時(shí)間持續(xù)上升,第4天達(dá)到最大,分別高于對(duì)照和低溫165.13%、119.03%。
表2 不同溫度處理下酶活性變化
2.2.4 抗壞血酸過(guò)氧化物酶(APX)活性分析。由表2可知,處理期間,對(duì)照與低溫APX活性均先下降后上升,對(duì)照第3天活性最低,為12.08 U/(g·min),第4天活性最高,為20.25 U/(g·min),平均活性為16.22 U/(g·min)。低 溫 下 第2天 活 性 最 低,為17.61 U/(g·min),第1天活性最高,為32.22 U/(g·min),平均活性為25.29 U/(g·min),高于對(duì)照55.92%。高溫下APX活性呈下降—上升—下降趨勢(shì),第2天活性最低,為23.02 U/(g·min),第1天活性最高,為39.02 U/(g·min),平均活性為30.29 U/(g·min),分別高于對(duì)照和低溫86.73%、19.78%。第1~3天3個(gè)溫度下APX活性大小呈高溫>低溫>對(duì)照,第3天各溫度間差異均達(dá)到最大,低溫高于對(duì)照71.39%,高溫分別高于對(duì)照和低溫157.21%、50.07%,均差異顯著。第4天,低溫與高溫?zé)o顯著差異,但均顯著高于對(duì)照,分別高于對(duì)照165.13%、119.03%。
2.2.5 谷胱甘肽還原酶(GR)活性分析。由表2可知,對(duì)照、低溫與高溫下GR活性均呈下降趨勢(shì),第1天最高,分別為48.57、68.90、87.24 U/(g·min),第4天最低,分別為15.06、27.83、33.33 U/(g·min)。對(duì)照平均活性最低,為24.13 U/(g·min);其次為低溫,為45.42 U/(g·min),高于對(duì)照88.23%;高溫下最高,為56.33 U/(g·min),分別高于對(duì)照和低溫133.44%、24.02%。低溫與高溫下GR活性始終顯著高于對(duì)照,第1、2天高溫下GR活性最高,第3、4天低溫與高溫下GR活性差異不具統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。低溫和高溫均在第2天與對(duì)照差異最大,分別高于對(duì)照180.13%、292.41%,而后差異逐漸減小,第4天分別高于對(duì)照84.74%、121.30%。
由圖2可知,與對(duì)照相比,低溫與高溫脅迫誘導(dǎo)抗氧化酶相關(guān)基因表達(dá)量顯著上調(diào),且高溫較低溫的表達(dá)水平更高。低溫與高溫下、、表達(dá)量隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)持續(xù)上升,第3天達(dá)到峰值,分別高于對(duì)照235.12%和397.62%、185.93%和442.96%、221.05%和467.49%。低溫與高溫下與在第1天表達(dá)量最高,分別高于對(duì)照103.8%和178.33%、51.43%和126.29%,第3天開始下降,但仍顯著高于對(duì)照,分別高于對(duì)照136.76%和108.09%、30.37%和37.78%。
圖2 不同溫度處理下HvSOD(A)、HvPOD(B)、HvCAT2(C)、HvGR1(D)、HvAPX(E)的轉(zhuǎn)錄表達(dá)
高等植物生長(zhǎng)發(fā)育會(huì)產(chǎn)生ROS,正常情況下,其產(chǎn)生與清除處于代謝平衡狀態(tài),冷熱脅迫會(huì)打破平衡導(dǎo)致ROS(如O、HO、·OH等)代謝失調(diào)而過(guò)量積累。本研究中,低溫與高溫脅迫誘導(dǎo)了O含量顯著升高,表明溫度脅迫會(huì)顯著誘導(dǎo)大麥幼苗ROS的產(chǎn)生。然而,HO含量較對(duì)照顯著下降,這與大多數(shù)脅迫研究的結(jié)果不同。在甜菜的鹽脅迫研究中,Hossain等認(rèn)為,HO含量的降低可能是由于鹽脅迫下甜菜通過(guò)抗氧化酶將細(xì)胞氧化還原環(huán)境調(diào)節(jié)到比在對(duì)照條件下更低的氧化應(yīng)激水平。APX與GR參與的AsA-GSH循環(huán)是清除HO的主要途徑之一,在非生物脅迫中扮演著重要的角色。在早期對(duì)擬南芥的低溫脅迫研究中發(fā)現(xiàn),HO含量低于對(duì)照時(shí)伴隨著APX與GR含量的上升。本研究中,低溫與高溫降低HO含量的同時(shí)也顯著誘導(dǎo)了APX與GR活性的上升。因此,大麥幼苗中HO含量的降低可能與抗氧化酶調(diào)節(jié)的細(xì)胞氧化還原環(huán)境有關(guān),而APX與GR可能是其中主要的參與者,關(guān)于HO含量下降的具體原因還有待進(jìn)一步研究。
ROS極具活性且能夠參與細(xì)胞區(qū)室相互作用,脂質(zhì)過(guò)氧化被降解是其負(fù)面影響之一,最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞和細(xì)胞損傷。MDA是磷脂中不飽和脂肪酸過(guò)氧化的最終產(chǎn)物,通常用作脂質(zhì)過(guò)氧化水平的指標(biāo),以評(píng)估應(yīng)激條件下的細(xì)胞膜損傷水平??寡趸甘羌?xì)胞抵御氧化應(yīng)激系統(tǒng)的主要成分,在清除ROS保護(hù)植物免受氧化損傷方面具有重要作用。處理初期,MDA含量與各抗氧化酶活性均顯著提升,表明低溫與高溫對(duì)大麥幼苗造成了氧化應(yīng)激,酶促防御系統(tǒng)迅速啟動(dòng),調(diào)節(jié)抗氧化酶活性顯著升高。水稻的溫度脅迫研究中,低溫與高溫脅迫顯著誘導(dǎo)了水稻葉片中SOD、POD、CAT活性的上升,這與本研究結(jié)果類似。隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),低溫下MDA含量與氧化酶活性逐漸趨于對(duì)照,表明低溫脅迫下抗氧化酶積極發(fā)揮作用,參與氧化還原過(guò)程,氧化損傷在緩慢修復(fù)。張軍等也有類似發(fā)現(xiàn):5個(gè)小麥品種在低溫處理后,有3個(gè)品種在2 d的持續(xù)低溫后,通過(guò)自身的適應(yīng)調(diào)節(jié),其質(zhì)膜部分得以修復(fù)。然而,高溫下抗體氧化酶活性始終處于較高水平且顯著高于低溫與對(duì)照,MDA含量持續(xù)升高。這表明高溫下脅迫程度較低溫更高,較高的抗氧化酶活性更有助于緩解脅迫帶來(lái)的氧化傷害。高溫下,15種水稻材料中,耐熱和強(qiáng)耐熱品種的抗氧化酶活性顯著高于非耐熱品種。此外,推測(cè)38℃高溫脅迫超出了大麥幼苗的耐受脅迫“閾值”,致使質(zhì)膜系統(tǒng)持續(xù)受到損傷。Yu等在甘薯的高溫脅迫研究中發(fā)現(xiàn),高溫早期階段植株會(huì)產(chǎn)生過(guò)量的ROS,SOD活性迅速增強(qiáng)以應(yīng)對(duì)脅迫,但不足以消除過(guò)量的ROS,植物膜脂的過(guò)氧化程度持續(xù)增加,表明已超出植株的自我調(diào)節(jié)能力。
研究表明,低高溫脅迫下抗氧化酶活性與其基因表達(dá)密切相關(guān)。抗氧化酶活性變化背后的基因表達(dá)可能促進(jìn)植物的分子適應(yīng),并且維持較高水平的抗氧化酶轉(zhuǎn)錄本可以在保護(hù)植物免受氧化應(yīng)激方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。He等研究發(fā)現(xiàn),SOD、CAT、POD相關(guān)基因的表達(dá)有助于提高枳橙的耐旱性,Kaur等研究發(fā)現(xiàn),抗氧化酶基因表達(dá)的上調(diào)是緩解蕓薹極端溫度脅迫下氧化應(yīng)激的重要手段。本研究發(fā)現(xiàn),低溫與高溫顯著誘導(dǎo)了、、、與表達(dá)上調(diào)且高溫下增幅更高,表明抗氧化酶基因的高表達(dá)有利于提高大麥幼苗對(duì)極端溫度的耐受性,且表達(dá)水平會(huì)隨著其脅迫程度的加深而升高。舒必超等研究發(fā)現(xiàn),低溫誘導(dǎo)狗牙根葉片抗氧化酶基因的上調(diào)表達(dá),且隨著處理溫度的下降,其表達(dá)水平呈上升趨勢(shì)。高溫下抗氧化酶基因的表達(dá)與其酶活變化一致,表明高溫下抗氧化酶基因的表達(dá)量與其酶活變化相關(guān)且可能呈正相關(guān)關(guān)系。低溫下抗氧化酶的活性并不完全隨著其基因的表達(dá)變化而變化,低溫下SOD、CAT的活性第3天較第1天下降,POD的活性第3天與對(duì)照間的差異不具統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,而、2和的表達(dá)量始終顯著高于對(duì)照且呈上升趨勢(shì)。這種酶活與基因表達(dá)的差異可能是由于低溫與高溫脅迫類型的差異,也可能是由于存在不同的抗氧化酶異構(gòu)體。此外,基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)制復(fù)雜,抗氧化酶相關(guān)基因的表達(dá)也并不能與其活性直接相關(guān)。抗氧化酶基因與酶活變化的復(fù)雜調(diào)控網(wǎng)絡(luò)還有待進(jìn)一步探索。
低溫與高溫誘導(dǎo)大麥幼苗產(chǎn)生氧化應(yīng)激,導(dǎo)致ROS積累顯著增加,引起膜脂過(guò)氧化??寡趸赶到y(tǒng)通過(guò)提高關(guān)鍵酶活及相關(guān)基因的表達(dá)積極響應(yīng)低溫與高溫脅迫并參與調(diào)解。相較于38℃(晝)/34℃(夜)高溫,大麥幼苗對(duì)14℃(晝)/10℃(夜)低溫耐受性更強(qiáng),抗氧化酶系統(tǒng)有效緩解了14℃(晝)/10℃(夜)低溫下膜脂過(guò)氧化損傷,而38℃高溫誘導(dǎo)了較低溫更高的抗氧化酶活性及相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平,但氧化損傷程度仍持續(xù)升高,已無(wú)法有效緩解脅迫帶來(lái)的氧化傷害。