低溫脅迫對芝麻芽期幼苗生長的影響與耐低溫材料篩選

趙云燕,孫 建,梁俊超,王郅琪,顏廷獻(xiàn),顏小文,危文亮,樂美旺,*

(1.長江大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,湖北 荊州 434025; 2.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 作物研究所,江西省油料作物生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,國家油料改良中心南昌分中心,江西 南昌 330200)

芝麻(SesamumindicumL.)是中國傳統(tǒng)特色油料作物,距今已有兩千多年的種植歷史,是重要的油用原料和烹飪佐料[1-2]。近年來,隨著人們對芝麻營養(yǎng)保健價值的認(rèn)識,芝麻的消費(fèi)需求逐年快速增加。但由于我國芝麻生產(chǎn)中存在品種抗逆性較差、產(chǎn)量高而不穩(wěn)、比較效益不高等問題,導(dǎo)致種植面積逐年下降,中國已由優(yōu)質(zhì)芝麻產(chǎn)品主要出口國轉(zhuǎn)變成了全球第一進(jìn)口國,供需矛盾進(jìn)一步加深[3]。因此,擴(kuò)大芝麻種植范圍,進(jìn)一步拓展中國西部、北部芝麻種植區(qū),增加總產(chǎn)量,是我國芝麻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要目標(biāo)之一。低溫脅迫是影響植物生長發(fā)育和地理分布的重要環(huán)境因子,近年來低溫冷害頻發(fā),導(dǎo)致作物產(chǎn)量持續(xù)下降[4-5]。芝麻起源于熱帶和亞熱帶地區(qū),是一種對溫度極其敏感的嗜熱作物,其種子適宜的發(fā)芽溫度為24～32 ℃[6]。在東北、華北和西北等芝麻種植區(qū),低溫嚴(yán)重限制了芝麻的生產(chǎn),春播芝麻極易遭受芽苗期低溫危害;而在江西、湖南等南方芝麻種植區(qū),秋芝麻則易遭受寒露風(fēng)低溫威脅,影響后期授粉結(jié)實(shí)與籽粒發(fā)育,易造成大幅減產(chǎn)[7]。因此,開展芝麻耐低溫研究,挖掘耐低溫種質(zhì)對芝麻產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的意義。

植物為響應(yīng)低溫環(huán)境,已演化出各種信號感知和應(yīng)答途徑,并在形態(tài)結(jié)構(gòu)、基因表達(dá)、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累與抗氧化酶的合成等方面發(fā)生了復(fù)雜的變化[8]。低溫對植物形態(tài)結(jié)構(gòu)影響顯著,玉米芽期遭遇10 ℃低溫時,葉片萎蔫、黃化,植株矮小[9]。水稻幼苗對低溫的表現(xiàn)為生長遲緩、葉片萎縮、分蘗減少甚至組織壞死等[10]。吳雪霞等[11]研究發(fā)現(xiàn),低溫脅迫下茄子幼苗生長緩慢,株高、莖粗、葉長和葉寬均下降。棉花在播種后遭遇低溫時,常造成爛種、爛芽、缺苗,導(dǎo)致生育期延遲,影響棉花產(chǎn)量和纖維品質(zhì)[12]。目前,關(guān)于芝麻低溫脅迫相關(guān)的研究報道較少,Wang等[13]研究表明,芝麻中幾乎所有SibZIP成員都在4 ℃處理時表達(dá)量下調(diào),但SibZIP35和SibZIP57在低溫脅迫12 h時表達(dá)量顯著上調(diào)。Zhang等[14]對芝麻NAC轉(zhuǎn)錄因子家族的全基因組鑒定表明,大多數(shù)SiNACs在低溫處理時表達(dá)量下調(diào),而SiNAC07、SiNAC21和SiNAC79的表達(dá)量顯著上調(diào)。You等[15]發(fā)現(xiàn),芝麻棉籽糖積累基因SiGolS2和SiGolS7在低溫脅迫時表達(dá)量顯著升高。植物通過體內(nèi)生理活動變化來平衡低溫對細(xì)胞滲透系統(tǒng)的沖擊。茄子經(jīng)低溫脅迫后脯氨酸含量顯著升高,且隨著溫度的降低,保護(hù)酶活性均顯著上升[11]。鄧仁菊等[16]研究表明,火龍果的可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸等含量均在低溫脅迫下升高,在恢復(fù)生長后含量均呈下降趨勢。李亞男等[17]研究表明,不同芝麻品種葉片中可溶性糖和可溶性蛋白含量在低溫條件下均升高。對大量芝麻種質(zhì)進(jìn)行低溫鑒定和評估是篩選低溫耐受性極端材料的必要途徑,而芽期脅迫評價是發(fā)掘抗耐性種質(zhì)資源的重要方法之一,已廣泛應(yīng)用于植物干旱[18-19]、低溫[20-22]、鹽堿[23-24]、澇漬[25]等非生物脅迫鑒定。芽期耐逆性評價在芝麻耐鹽性[26]、耐鋁毒性[27]、耐旱性[28]、耐濕性[29]鑒定中應(yīng)用廣泛。前人對芝麻低溫脅迫的研究集中在基因家族分析,鮮有芝麻低溫耐受性鑒定相關(guān)的文獻(xiàn)報道。本文通過研究低溫脅迫對芝麻幼苗生長的影響,確定芝麻芽期耐低溫評價方法和評價指標(biāo),篩選耐低溫種質(zhì)資源,探索芽期芝麻在低溫脅迫下的生理響應(yīng)機(jī)制,為芝麻耐低溫種質(zhì)資源發(fā)掘和育種提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為來自國內(nèi)外的188份芝麻資源,以秦嶺淮河和長江為界,將種植的地理區(qū)域分為北方地區(qū)(36份資源)、中部地區(qū)(111份資源)、南方地區(qū)(41份資源)。材料名稱、來源與所屬地理區(qū)域見表1。種子由江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所芝麻創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)提供。

表1 供試芝麻種質(zhì)信息Table 1 Information of sesame materials used in this study

續(xù)表1 Continued Table 1

續(xù)表1 Continued Table 1

續(xù)表1 Continued Table 1

續(xù)表1 Continued Table 1

1.2 芽期溫度處理方法與形態(tài)指標(biāo)測定

在前期預(yù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選取5份對低溫敏感度差異較大的芝麻材料(和尚帽、上蔡白芝麻、小籽黃、一葉三、沙洋芝麻),進(jìn)行不同溫度梯度處理,然后測定形態(tài)指標(biāo),以確定合適的處理溫度。參照孫建等[27]的方法,每份芝麻材料選取100粒飽滿種子,用75%乙醇消毒后,再用蒸餾水沖洗3次;然后采用濾紙發(fā)芽法,將種子置于鋪有3層濾紙的帶蓋發(fā)芽盒(10 cm × 10 cm × 5 cm),加入30 mL蒸餾水,于28 ℃恒溫暗培養(yǎng)24 h;種子露白后分別置于28 ℃(對照)、25 ℃、21 ℃、18 ℃和15 ℃恒溫培養(yǎng)箱暗培養(yǎng)。每份材料設(shè)置3次重復(fù)。處理6 d后,每盒選擇10株生長一致的幼苗,測定根長、芽長、鮮重,并計(jì)算各指標(biāo)相對值。通過比較不同溫度處理后的各指標(biāo)相對值,確定合適的芽期處理溫度。各指標(biāo)相對值按照以下公式計(jì)算。

(1)

(2)

(3)

式(1)～(3)中:lRR代表相對根長(relative root length,RRL),lTR和lCKR分別代表處理幼苗平均根長、對照幼苗平均根長;lRS代表相對芽長(relative shoot length,RSL),lTS、lCKS分別代表處理幼苗平均芽長、對照幼苗平均芽長;mRF代表相對苗鮮重(relative fresh weight,RFW),mTF、mCKF分別代表處理幼苗平均鮮重、對照幼苗平均鮮重。

1.3 種質(zhì)資源耐低溫評價與耐低溫資源篩選

根據(jù)1.2節(jié)的結(jié)果,設(shè)置28 ℃為對照溫度,18 ℃為處理溫度,進(jìn)一步對188份芝麻種質(zhì)資源進(jìn)行芽期低溫耐受性鑒定評價。各材料的種子處理和形態(tài)指標(biāo)測定方法與1.2節(jié)相同?；诟鞑牧系母L、芽長、鮮重,計(jì)算各指標(biāo)相對值,進(jìn)行3個形態(tài)指標(biāo)的相關(guān)性分析;并根據(jù)3個形態(tài)指標(biāo)的相對值,計(jì)算其平均隸屬函數(shù)值;再基于3個形態(tài)指標(biāo)平均隸屬函數(shù)值,利用SPSS軟件組間聯(lián)接法對188份芝麻種質(zhì)進(jìn)行聚類分析,以及低溫耐受性評價和耐低溫資源篩選。

1.4 生理生化指標(biāo)測定

根據(jù)1.3節(jié)的評價鑒定結(jié)果,選取低溫耐受性差異較大的2份芝麻材料——漯芝16號(高耐低溫材料)和清油河芝麻(極不耐低溫材料),低溫處理后分析生理生化指標(biāo),以期初步探究芽期低溫脅迫后芝麻的生理生化響應(yīng)特征。具體方法是,在芽期低溫處理6 d后,分別采集對照(28 ℃)、處理(18 ℃)的芝麻材料芽和根樣品,液氮速凍后-70 ℃保存?zhèn)溆?。采用酸性茚三酮比色法、蒽酮比色法、雙縮脲法、分光光度法、硫代巴比妥酸法、紫外吸收法、氮藍(lán)四唑法分別測定芝麻芽和根中游離脯氨酸(Pro)含量、可溶性糖(SS)含量、可溶性蛋白(SP)含量、過氧化氫(H2O2)含量、丙二醛(MDA)含量,以及過氧化氫酶(CAT)活性、超氧化物歧化酶(SOD)活性[30]。各項(xiàng)指標(biāo)均使用蘇州科銘生物技術(shù)有限公司的試劑盒進(jìn)行測定。每項(xiàng)指標(biāo)3個生物學(xué)重復(fù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2021軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,采用隸屬函數(shù)值進(jìn)行分析評價[31],用SPSS19.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析和聚類分析,使用Prism、Excel 2021軟件制圖。隸屬函數(shù)值按以下公式計(jì)算。

μ(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)。

(4)

式(4)中,μ為隸屬函數(shù)值,Xi為第i個綜合指標(biāo),Xmin為第i個指標(biāo)的最小值,Xmax為第i個指標(biāo)的最大值,i=1,2,…,n。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度對芝麻幼苗生長的影響與敏感溫度的確定

以和尚帽、上蔡白芝麻、小籽黃、一葉三和沙洋芝麻共5份芽期對溫度敏感度差異較大的芝麻種質(zhì)為供試材料,在種子露白后分別置于28、25、21、18、15 ℃恒溫暗培養(yǎng),6 d后測定芽長、根長和苗鮮重。結(jié)果表明,溫度對芝麻幼苗生長影響較大,隨著溫度的降低,幼苗芽和根的生長逐漸受到抑制(圖1)。當(dāng)溫度降至18 ℃時,幼苗生長緩慢,胚根生長受到嚴(yán)重抑制。當(dāng)溫度降至15 ℃時,芝麻幼苗幾乎不生長,無法形成正常幼芽。由此可見,15 ℃可作為芝麻幼芽生長的臨界溫度。

圖1 不同溫度下芝麻幼苗的生長情況Fig.1 Growth of sesame seedling under different temperatures

圖2顯示,隨著溫度的降低,所測定的3個性狀指標(biāo)相對值均不斷降低。相對芽長在25～21 ℃下降緩慢,在18～15 ℃驟降(圖2-A);相對根長和相對苗鮮重在21～15 ℃急劇下降(圖2-B、圖2-C)。綜合以上各指標(biāo)發(fā)現(xiàn),暗培養(yǎng)溫度為18 ℃時,芝麻相對芽長、根長和苗鮮重均極顯著下降,且品種間的差異最為顯著;因此,18 ℃可作為芝麻芽期耐低溫鑒定的參考脅迫溫度。

RSL, Relative shoot length; RRL, Relative root length; RFW, relative fresh weight. The same as below.圖2 不同溫度下芝麻芽期的相對芽長、相對根長和相對苗鮮重Fig.2 Relative shoot length, relative root length and relative fresh weight of sesame seedling at the early stage under different temperatures

2.2 芝麻種質(zhì)資源評價

以28 ℃為對照溫度,18 ℃為處理溫度,對188份芝麻種質(zhì)資源進(jìn)行芽期低溫鑒定。結(jié)果(圖3)顯示,188份供試材料3個形態(tài)指標(biāo)的相對值均呈現(xiàn)正態(tài)分布。相對芽長為14.46%～79.48%,平均48.1%,變異系數(shù)為26.25,超過一半材料的相對芽長在36%～55%;相對根長為36.38%～92.32%,平均62.75%,變異系數(shù)為19.53,大部分材料的相對根長為56%～75%;相對苗鮮重為38.44%～97.32%,平均69.06%,變異系數(shù)14.33,88.9%的鑒定材料在低溫脅迫下相對苗鮮重可達(dá)55%以上。由此可見,在18 ℃,芝麻根和芽的生長均受到不同程度的抑制,其中,對芽長的抑制作用最大,其次是根長和苗鮮重。相關(guān)性分析結(jié)果(表2)表明,3個形態(tài)指標(biāo)相對值之間均表現(xiàn)為顯著正相關(guān),其中,相對芽長和相對苗鮮重的相關(guān)系數(shù)最高(r=0.873),這意味著這3個形態(tài)指標(biāo)相對值在低溫脅迫下的表現(xiàn)具有一致性,均可以作為芝麻芽期低溫耐受性鑒定指標(biāo)。

表2 三個低溫耐受性形態(tài)指標(biāo)的相關(guān)性Table 2 Correlation of 3 low-temperature tolerant related morphological traits

圖3 低溫脅迫下188份芝麻種質(zhì)資源相對芽長、相對根長和相對苗鮮重的頻次分布Fig.3 Frequency distributions of relative shoot length, relative root length and relative fresh weight of 188 sesame germplasm under low temperature stress

2.3 聚類分析

3個形態(tài)指標(biāo)的平均隸屬函數(shù)值為0.15～0.92,這說明188份芝麻資源的芽期低溫耐受性差異較大。平均隸屬函數(shù)值越高,其低溫耐受性越強(qiáng)。根據(jù)3個形態(tài)性狀的平均隸屬函數(shù)值,利用SPSS軟件組間聯(lián)接法對188份芝麻種質(zhì)進(jìn)行聚類分析。結(jié)果(圖4,表3)顯示,在歐式遺傳距離D=10處可以將188份芝麻資源分成5類:第Ⅰ類為高耐低溫材料,包括駐芝19、鄂芝1號、駐芝16、沙洋芝麻、漯芝16號共5份種質(zhì)(中部地區(qū)種質(zhì)4份,南方種質(zhì)1份),占供試材料的2.66%,其相對芽長為70.51%～79.48%,平均75.15%;相對根長為79.73%～92.26%,平均85.25%;相對苗鮮重為84.18%～97.33%,平均87.93%。第Ⅱ類為耐低溫材料,包括冀航芝4號、皖芝5號等42份芝麻種質(zhì)(9份北方芝麻材料、25份中部材料、8份南方材料),占供試材料22.34%,相對芽長為50.94%～71.03%,平均62.36%;相對根長為63.60%～91.06%,平均76.29%;相對苗鮮重為65.22%～90.58%,平均79.30%。第Ⅲ類為中耐低溫材料,包含豫芝7號、贛芝S1928等44份種質(zhì)(9份北方芝麻材料、26份中部材料、9份南方材料),占供試材料23.42%,其相對芽長為40.73%～59.86%,平均52.35%;相對根長為56.28%～75.18%,平均65.75%;相對苗鮮重為62.43%～83.59%,平均72.85%。第Ⅳ類為不耐低溫材料,含鄭芝15號、皖芝1號等50份種質(zhì),南、北、中部地區(qū)分別含有8、10、32份,占供試材料的26.60%,3個相對性狀的平均值分別為44.05%、60.81%和65.61%。第Ⅴ類為極不耐低溫材料,包括中芝15號、贛芝7號等47份材料,其中北方種質(zhì)8份、中部種質(zhì)24份、南方種質(zhì)15份,占供試材料25%,相對芽長為14.46%～45.49%,平均32.57%;相對根長最小值為36.38%,最大值為66.24%,平均48.03%;相對苗鮮重為38.44%～68.51%,平均57.89%。

a和b是同一張聚類分析圖,a為上半部分,b為下半部分。Ⅰ,高耐低溫型材料;Ⅱ,耐低溫型材料;Ⅲ,中耐低溫型材料;Ⅳ,不耐低溫型材料;Ⅴ,極不耐低溫型材料。虛線表示歐式遺傳距離10。a and b are the same cluster analysis diagram, a is the upper part, b is the lower part.Ⅰ, Highly low-temperature resistant materials; Ⅱ, Low-temperature resistant materials; Ⅲ, Intermediately low-temperature resistant materials; Ⅳ, Low-temperature intolerant materials; Ⅴ, Extremely low-temperature intolerant materials. The dotted line indicates that Euclidean distance value is 10.圖4 188份芝麻種質(zhì)資源芽期低溫耐受性聚類分析Fig.4 Cluster analysis on cold tolerance of 188 sesame accessions at early seedling stage

表3 不同類型芝麻種質(zhì)低溫耐受性比較Table 3 Comparison of low temperature tolerance of different types of sesame germplasm resources

2.4 不同地理來源的芝麻種質(zhì)低溫耐受性比較

按地理來源對芝麻種質(zhì)的低溫耐受性進(jìn)行比較,結(jié)果如表4和圖5所示,188份芝麻種質(zhì)資源中,北方種質(zhì)平均隸屬函數(shù)值為0.18～0.73,變異系數(shù)達(dá)0.30,無高耐低溫材料,耐低溫型、中耐低溫型、不耐低溫型和極不耐低溫型材料占比分別為25%、25%、27.78%、22.22%;中部種質(zhì)的平均隸屬函數(shù)值為0.15～0.92,變異系數(shù)達(dá)0.35,高耐低溫、耐低溫材料數(shù)量在中部種質(zhì)中占比達(dá)26.13%;南方種質(zhì)平均隸屬函數(shù)值為0.18～0.86,變異系數(shù)達(dá)0.40,56.10%的南方種質(zhì)被鑒定為不耐低溫和極不耐低溫材料,高耐低溫材料、耐低溫型、中耐低溫型分別占南方種質(zhì)總量的2.44%、19.51%、21.95%。高耐低溫材料中,中部地區(qū)材料占80%,可見中部地區(qū)芝麻種質(zhì)資源低溫耐受性的豐富程度高于其他地區(qū)。綜上所述,中部地區(qū)部分芝麻種質(zhì)低溫耐受性略強(qiáng)于南方種質(zhì)和北方種質(zhì)。這可能與中部地區(qū)氣候豐富多樣、種質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)且本次供試材料中部種質(zhì)占比較大有一定關(guān)系。

圖5 不同類型芝麻種質(zhì)資源數(shù)量與各地區(qū)資源占比率Fig.5 Numbers and proportions of different types in sesame accessions

表4 不同地理來源的芝麻材料低溫耐受性比較Table 4 Comparison of low temperature tolerance of different regional sesame materials

2.5 芽期低溫脅迫下不同基因型芝麻的生理響應(yīng)

在芽期低溫脅迫下,漯芝16號(強(qiáng)耐低溫型)、清油河芝麻(不耐低溫型)的細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化程度均增強(qiáng),芽的MDA含量與增幅皆高于根部;與對照相比,芽的MDA含量顯著增加,漯芝16號根部MDA含量無顯著變化,而清河油芝麻根部MDA含量顯著增加(圖6-A)。漯芝16號在遭遇低溫時芽中H2O2含量無顯著變化,而根部H2O2含量顯著升高;清油河芝麻芽和根部H2O2含量均顯著增加,根部增幅大于漯芝16號(圖6-B)。高耐低溫芝麻遭遇低溫脅迫后,MDA和H2O2含量的增長幅度均小于不耐低溫芝麻。

無論耐低溫型材料還是低溫敏感型材料,在遭遇低溫時,芝麻芽的SOD、CAT活性皆增強(qiáng)(圖6-C、圖6-D),這在一定程度緩解了植物芽組織的過氧化傷害。漯芝16號在低溫應(yīng)激時芽和根部的SOD活性無顯著變化,而清河油芝麻SOD活性在兩組織中均顯著增加(圖6-C)。不同芝麻材料芽的CAT活性均強(qiáng)于根,這表明芝麻芽的活性氧清除能力更強(qiáng)(圖6-D)。

由圖6-E、圖6-F、圖6-G可見,兩份供試材料在低溫脅迫時芽和根部SS、SP、Pro含量均增加,其中,與對照相比,兩份供試材料SS、SP含量均顯著增加,清油河芝麻芽中Pro含量顯著增加。

CK, 對照;T, 低溫處理。數(shù)據(jù)以鮮質(zhì)量計(jì)。柱上無相同小寫字母表示同一品種同一組織差異顯著(P<0.05)。CK, Control; T, Low temperature treatment. Data was detected based on fresh weight. Bars marked without the same lowercase letter indicated significant differences at 0.05 level.圖6 低溫脅迫下2個基因型芝麻種質(zhì)芽、根的生理指標(biāo)變化Fig.6 Physiological changes in shoot and root of two sesame genotypes under low temperature stress

芝麻低溫耐受性與芽H2O2、SP、SS含量和CAT活性負(fù)相關(guān),與根H2O2、SP、SS含量和SOD活性負(fù)相關(guān),與其余指標(biāo)正相關(guān),其中耐低溫能力與芽MDA含量、SOD活性極顯著或顯著正相關(guān)。低溫耐受性與所有芽的生理指標(biāo)增幅負(fù)相關(guān),其中與H2O2、SP、CAT、Pro含量和SOD活性增幅呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān);而與根的Pro含量增幅正相關(guān),與CAT活性增幅顯著正相關(guān),與根部其他生理生化指標(biāo)增幅負(fù)相關(guān),且與H2O2、SP、SS含量和SOD活性增幅的相關(guān)系數(shù)均達(dá)顯著水平(表5)。

表5 芽期低溫脅迫下芝麻生理生化指標(biāo)與品種低溫抗性的相關(guān)性Table 5 Correlation of low temperature tolerance of varieties and physiological and biochemical indexes of sesame under low temperature stress during the early seedling stage

3 討論

3.1 溫度對芝麻芽期生長的影響

溫度是植物生長發(fā)育過程中的重要環(huán)境因子之一,只有在適宜溫度下植物才能正常進(jìn)行物質(zhì)運(yùn)輸和能量交換[32]。低溫是植物發(fā)芽期和苗期生長的主要限制因素之一,在生長早期,溫度低于15 ℃會損害和延緩種子發(fā)芽,并對幼苗下胚軸和根系伸長產(chǎn)生負(fù)面影響,這種影響隨著脅迫時間延長而加重[33-34]。花生遭受2 ℃低溫脅迫后,發(fā)芽率、發(fā)芽勢、芽長均表現(xiàn)出不同程度的下降[20]。張海嬌等[35]發(fā)現(xiàn),與25 ℃相比,參試玉米品種在5 ℃培養(yǎng)時,苗期株高、苗鮮重均受到不同程度的影響。熊英等[36]研究表明,水稻種芽進(jìn)行10 ℃低溫淹水處理后,露白種子發(fā)芽受抑制,出現(xiàn)畸形苗。芝麻的整個生育期對環(huán)境溫度都極其敏感,芽期和苗期遭遇低溫時,發(fā)芽率降低,幼苗生長受抑制,嚴(yán)重時造成死苗[37]。本實(shí)驗(yàn)中,芝麻在芽期遭受15 ℃低溫脅迫時,幼苗生長受阻,芽和根的生長被顯著抑制,苗鮮重也大幅降低,芽長降幅與芽期低溫耐受性的相關(guān)性最強(qiáng),這與花生、玉米芽期低溫響應(yīng)的研究結(jié)果相似。

3.2 芽期低溫耐受性評價方法與芝麻種質(zhì)資源多樣性

植物在低溫條件下的表型性狀受多種因素影響,單一指標(biāo)無法準(zhǔn)確反映其耐低溫能力,因此進(jìn)行種質(zhì)低溫耐受性評價時,需要將各指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮。隸屬函數(shù)分析是一種綜合評定的重要方法,在植物抗低溫研究中被廣泛應(yīng)用[20,21,38-41]。張文娥等[41]用膜透性變化、含水量動態(tài)變化和萌芽能力的平均隸屬度對葡萄12個種45個株系進(jìn)行抗寒性綜合評價,將材料劃分為高抗、中抗、不抗3種類型。王紅飛等[21]以15 ℃為脅迫溫度,以相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽指數(shù)、相對胚根長度、相對鮮重等6項(xiàng)指標(biāo)的平均隸屬函數(shù)值作為評價指標(biāo),對65份黃瓜進(jìn)行芽期低溫耐受性評價。本實(shí)驗(yàn)確定了開展芝麻芽期低溫脅迫鑒定的適宜溫度為18 ℃,高于花生、玉米等作物的低溫鑒定溫度,這可能是因?yàn)橹ヂ槭葻?更容易受低溫影響。188份芝麻種質(zhì)資源中多數(shù)材料對18 ℃表現(xiàn)為中耐、不耐和極不耐等類型,篩選出的5份高耐低溫材料(駐芝19、駐芝16、沙洋芝麻、鄂芝1號、漯芝16號)在芽期低溫處理下,芽長、根長和苗鮮重3個性狀的平均相對值可分別達(dá)到79.48%、92.26%、97.33%,具有高耐低溫能力,這為后續(xù)芝麻耐低溫育種,以及探索芝麻耐低溫機(jī)理研究提供了寶貴的材料。此外,不同生長階段遭遇的低溫條件和低溫應(yīng)激存在差異,芽期鑒定的耐低溫材料與苗期、成株期是否具有相關(guān)性,需進(jìn)一步研究。

3.3 芽期低溫耐受能力與地理來源分布的關(guān)系

前人研究發(fā)現(xiàn),部分作物品種的低溫耐受性與地理分布、海拔有一定相關(guān)性。閆蕾等[39]研究表明,北部和中部油菜芽期低溫耐受性明顯強(qiáng)于南部油菜。韓龍植等[42]研究表明,高緯度地區(qū)水稻品種芽期的低溫耐受性強(qiáng)于低緯度地區(qū)。本研究結(jié)果表明,同一地理來源芝麻的低溫耐受性具有巨大差異,特別是中部江淮地區(qū)種質(zhì),包含4份高耐低溫種質(zhì),還有22份極不耐低溫型種質(zhì),這可能與江淮地區(qū)地處溫帶與亞熱帶過渡地區(qū),冷暖氣團(tuán)活動更為頻繁有一定關(guān)系。不同地理來源芝麻種質(zhì)的芽期低溫耐受性具有豐富的多樣性,但地區(qū)間的差異不明顯,這可能與不同區(qū)域來源的供試材料數(shù)量不均衡有一定的關(guān)系。

3.4 低溫脅迫對芝麻芽期生理生化的影響

在低溫、干旱等逆境脅迫下,植物的呼吸速率加強(qiáng),新陳代謝加速,植物體內(nèi)會產(chǎn)生一系列的活性氧,包括超氧自由基(O2-)、H2O2和羥基自由基。這些活性氧會破壞酶的活性,擾亂膜的穩(wěn)定性,損害DNA的復(fù)制和蛋白質(zhì)的合成等。在逆境脅迫過程中,植物通過提高體內(nèi)抗氧化酶活性,協(xié)同清除多余的活性氧,降低細(xì)胞膜膜脂的過氧化程度,提高植物的低溫耐受性[43-44]。張慧君等[45]研究了火龍果幼苗在6個溫度處理下的抗寒性相關(guān)生理生化指標(biāo)變化,發(fā)現(xiàn)隨著溫度的降低,MDA含量升高,SOD活性不斷增強(qiáng),SP、Pro含量不斷上升。王樹剛等[46]研究表明,冬小麥經(jīng)低溫脅迫3 d后,功能葉和莖中SOD、POD、CAT活性均不同程度升高。本研究中,芝麻芽期低溫協(xié)迫導(dǎo)致各組織脂質(zhì)過氧化程度加深,H2O2、MDA含量增加,滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)紊亂。

4 結(jié)論

18 ℃為芝麻芽期低溫耐受性鑒定評價的處理溫度,188份芝麻種質(zhì)中鑒定出5份高耐低溫材料,芝麻芽和根對低溫的生理響應(yīng)基本一致,但芽中生化物質(zhì)的活性和含量均高于根部,不同指標(biāo)之間的變化趨勢存在差異。根部細(xì)胞膜的脂質(zhì)過氧化傷害程度表現(xiàn)較輕,滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累與芽相比較少,保護(hù)酶活性弱于芽。