外源鋅對氣生鐵蘭抗寒生理特征的影響

摘要 為研究外源鋅對氣生鐵蘭抗寒生理特征的影響，自然低溫下，以6個品種為供試材料，設置0、100、150、200、250、300、350 mg/L 7個鋅濃度處理，結(jié)果表明：隨著外源鋅濃度的升高，各品種葉綠素含量（Chl）、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量（Pro）、抗氧化酶活性（SOD、POD）均呈先增加后減少的變化趨勢，膜脂過氧化指標（MDA、REC）則相反；適宜濃度的外源鋅（200～300 mg/L）可使低溫脅迫下氣生鐵蘭細胞膜的過氧化程度減輕，抗氧化能力增強，細胞內(nèi)外的滲透壓穩(wěn)定，光合生理狀態(tài)良好，植物生長健康，低溫脅迫受到的傷害亦明顯減弱，抗寒性明顯提高，具體表現(xiàn)為Chl含量、PRO含量、抗氧化酶活性均較高，MDA含量和REC均較低。

關(guān)鍵詞 氣生鐵蘭；抗寒性；外源鋅；生理特征

中圖分類號 S 682.39 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2024）22-0093-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.22.018

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Effect of Exogenous Zinc on Physiological Characteristics of Cold Resistance in Tillandsia

DING Jiu-ling1， MENG Hai-tao2， ZHENG Kai1

（1. Bioengineering Technology Center of Jiangsu Agriculture and Forestry Vocational and Technical College， Jurong， Jiangsu 212400; 2. Jiangsu Jurong Slow Life Ecological Agriculture Co.， Ltd.， Jurong， Jiangsu 212400）

Abstract To explore the effect of exogenous zinc on physiological characteristics of cold resistance in Tillandsia under natural low temperature， this study is based on six species of Tillandsia as experimental material with seven zinc treatments， respectively 0， 100， 150， 200， 250， 300， 350 mg/L. The results showed that with the increase of zinc concentration， the changes of chlorophyll content （Chl）， proline content （Pro）， activity of antioxidant enzymes （SOD and POD） all increased first and then decreased， the membrane lipid peroxidation index （MDA and REC） was opposite;when the concentration of zinc was 200-300 mg/L， the membrane peroxidation was reduced， the antioxidation ability of the cells was enhanced， the osmotic pressure was stable， the photosynthetic physiological state was good， the plant grew healthily， the damage caused by low temperature stress was also obviously weakened， and the cold resistance was significantly improved， such as the content of Chl，Pro and antioxidant enzyme activity were higher， the content of MDA and REC were lower.

Key words Tillandsia;Cold resistance;Exogenous zinc;Physiological characteristics

氣生鐵蘭（Tillandsia）是食用菠蘿的近親，同屬于鳳梨科（Bromeliaceae）的草本植物，其形態(tài)和種類具有多樣性。生長方式奇特，是不需要泥土栽培、完全生長在空氣中的植物。因其獨有的外形和生長方式，有吸收空氣污染物的特性，目前在市場上的關(guān)注度和需求量較高。

國內(nèi)外關(guān)于氣生鐵蘭的研究多集中于作為空氣污染指示植物和環(huán)境污染的修復^［1-3］、分布^［4］、養(yǎng)護^［5-6］和繁殖^［7-8］等方面，但關(guān)于抗寒性的研究較少。鄭桂靈等^［9］研究認為，貝可麗和硬葉鐵蘭雖可耐受-5 ℃低溫，但會出現(xiàn)失綠和萎蔫現(xiàn)象。鮑榮靜等^［10］從通過測定低溫脅迫下3種氣生鐵蘭的相對電導率和成活率，發(fā)現(xiàn)其抗寒性有所差異。因氣生鐵蘭大部分原產(chǎn)于熱帶和亞熱帶地區(qū)，這就造成了其抗寒性較弱的特性。另外，在氣生鐵蘭養(yǎng)護管理中，筆者發(fā)現(xiàn)大部分品種冬季需要在溫室大棚過冬，抗寒性較弱。這會影響氣生鐵蘭在市場上規(guī)?；膽茫虼擞斜匾_展氣生鐵蘭抗寒性的探索。

研究表明，外源物質(zhì)銅、脫落酸、鋅、油菜素內(nèi)酯、褪黑素等可以有效緩解低溫對植物造成的傷害。鋅是植物生長的必需微量元素，主要用作酶的金屬活化劑，對碳水化合物的代謝、生長素的合成、植物光合作用起著主要作用，當植物遭受逆境脅迫時，鋅與硒、鐵、鎂、銅等配合使用，可使某些植物（煙草、核桃、黃瓜、仁用杏）抵御低溫傷害的能力有所提高^［11-14］。以上多是將鋅與其他外源物配合使用，單獨使用外源鋅的研究較少，關(guān)于鋅作為外源物質(zhì)應用于氣生鐵蘭，提高其抗寒性的研究尚鮮見報道。筆者以6種氣生鐵蘭為材料，比較低溫環(huán)境下不同濃度外源鋅對氣生鐵蘭抗寒生理特性的影響，以期為解決低溫對氣生鐵蘭造成傷害的問題提供行之有效的方法，并為其推廣提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 供試材料

6種供試氣生鐵蘭植物材料

T.ionantha（小精靈）、T. usneoides（松蘿）、T. stricta（斯垂科）、T. velutina（維路緹）、T. brachycaulos（貝克立）和T. houston（休斯頓）由江蘇句容慢生活生態(tài)農(nóng)業(yè)有限公司提供，為馴化近3年的成苗。

1.2 試驗方法

試驗于冬季在氣生鐵蘭生產(chǎn)基地進行。每種材料大小一致，剪除植株基部枯葉，在溫室中培養(yǎng)15 d后進行外源鋅處理。溫室設有自動控溫、鼓風、遮陽、噴淋等設備，空氣濕度控制在75%～90%。

用化學純ZnSO4·7HO對氣生鐵蘭進行處理，Zn²⁺濃度設為0（CK）、100 mg/L（Zn1）、150 mg/L（Zn2）、200 mg/L（Zn3）、250 mg/L（Zn4）、300 mg/L（Zn5）、350 mg/L（Zn6）共7個處理。供試材料在Zn²⁺溶液中浸泡0.5 h后取出控水，置于室外自然低溫環(huán)境中（室外最低溫度為-5～5 ℃，最高溫度為10～15 ℃），上面搭設透光率為40%～60%遮陽網(wǎng)，每隔7 d噴水（pH 6.0～7.0）1次，以完全濕潤為準。

1.3 測定項目

氣生鐵蘭于室外低溫環(huán)境下放置90 d，采樣，測定抗寒生理指標，包括電解質(zhì)滲出率（REC）^［15］、葉綠素含量（Chl）^［15］、游離脯氨酸含量（Pro）、丙二醛含量（MDA）、超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD），后4個指標均用蘇州科銘生物技術(shù)有限公司的分光光度計試劑盒法測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同外源鋅處理下氣生鐵蘭Chl含量的變化

葉綠素是植物進行光合作用的必備條件，其含量是研究植物光合生理和抗逆性的重要指標^［16］。由表1可知，不同外源Zn²⁺處理下供試氣生鐵蘭Chl含量有所不同，除Zn6處理外，其他處理的Chl含量均高于CK；Zn3、Zn4和Zn5處理的Chl含量較高（明顯高于其他處理）。隨著Zn²⁺濃度的升高，Chl含量整體表現(xiàn)為先增加后減少。其中，T.usneoides、T.velutina、T.brachycaulos和T.houston在Zn4處理下Chl含量達最高；T.ionantha和T.stricta在Zn3處理下最高。低溫脅迫引起氣生鐵蘭葉綠體的降解，從而導致葉綠含量減少，適宜濃度的外源鋅（200～300 mg/L）明顯緩解了葉綠素的降解，Chl含量明顯增加。當Zn²⁺濃度>250 mg/L，其Chl含量不增反而明顯減少，致使氣生鐵蘭的光合作用和生長受到不良影響。

2.2 不同外源鋅處理下氣生鐵蘭Pro含量的變化

逆境脅迫下，植物體內(nèi)Pro含量增加，穩(wěn)定原生質(zhì)膠體及植物組織內(nèi)的代謝過程，有效防止細胞過度脫水，其作為主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)對植物抗寒性起著一定作用^［17］。

由表2可知，不同外源鋅處理下氣生鐵蘭Pro含量發(fā)生了變化，除T.ionantha外，CK的Pro含量明顯低于Zn3、Zn4和Zn5處理，稍低于Zn1和Zn2處理，稍高于Zn6處理，CK、Zn1、Zn2和Zn6處理間Pro含量差異不明顯。這說明Zn²⁺濃度為200～300 mg/L時，低溫脅迫下供試氣生鐵蘭Pro含量的積累達到最高，明顯高于CK，提高氣生鐵蘭抗寒性。外源鋅濃度過低（≤150 mg/L）或過高（≥350 mg/L），不利于低溫脅迫下氣生鐵蘭Pro含量的積累；過高時甚者明顯低于對照，這可能與過高濃度的鋅對植物造成了重金屬傷害有關(guān)。

2.3 不同外源鋅處理下氣生鐵蘭細胞膜系統(tǒng)的變化

2.3.1 MDA含量的變化。

一定程度的低溫可使植物的細胞膜系統(tǒng)受到損害，MDA作為脂質(zhì)過氧化作用的產(chǎn)物，其積累的多少一定程度上反映了植物細胞受傷害的程度，從而影響植物的抗逆性^［18］。

由表3可知，與CK相比，不同濃度外源鋅處理會對氣生鐵蘭MDA含量造成影響。隨著外源鋅濃度的升高，氣生鐵蘭MDA含量逐漸降低，Zn3、Zn4和Zn5處理較低，明顯低于CK和其他處理，處理Zn6最大。CK的MDA含量明顯高于Zn3、Zn4和Zn5處理，稍高于Zn1和Zn2處理（除T.brachycaulos），稍低于Zn6處理。其中，CK、Zn1、Zn2和Zn6處理間 MDA含量差異不明顯。故可認為，一定濃度的Zn²⁺可使氣生鐵蘭MDA含量有所下降，但并不是外源鋅濃度越高，越利于氣生鐵蘭MDA含量的降低，只有濃度適宜，才可以使氣生鐵蘭MDA含量明顯降低，提高抗寒性。該研究發(fā)現(xiàn)，當Zn²⁺濃度為200～300 mg/L時，供試氣生鐵蘭MDA含量明顯低于CK和其他處理；當Zn²⁺濃度過低（≤150 mg/L）時，MDA含降低不明顯；當Zn²⁺濃度過高時（≥350 mg/L），其MDA含量反而急劇增加，說明植物受到的危害性更大。

2.3.2 REC的變化。

低溫使植物的細胞膜通透性增大，電解質(zhì)大量向細胞外滲透，導致REC增加。REC越高，說明植物細胞膜透性越大，植物受到的脅迫越大，其抗性就越低；反之亦然。

表4表明，與CK相比，不同濃度外源鋅處理的氣生鐵蘭REC均有所變化，變化趨勢基本與MDA含量一致。隨著外源鋅濃度的升高，REC逐漸減小，在Zn3、Zn4和Zn5處理的REC較低，Zn6處理的REC又增大，達到最大。其中，CK、Zn1、Zn2和Zn6處理間的REC差異不明顯。各品種的REC與MDA含量呈較強的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)分別為T. ionantha 0.963、T. usneoides 0.930、T. stricta 0.978、T. velutina 0.954、T. brachycaulos 0.933和T. houston 0.968。

由此可知，一定濃度的外源鋅可使氣生鐵蘭REC有所下降，但并不是外源鋅濃度越高，越利于氣生鐵蘭REC的降低，只有濃度適宜，才可使氣生鐵蘭REC明顯降低，抗寒性明顯增強。研究表明：當外源鋅濃度為200～300 mg/L時，供試氣生鐵蘭REC明顯低于CK和其他處理；當Zn²⁺濃度過低（≤150 mg/L）時，REC降低不明顯；當Zn²⁺濃度高于一定濃度時（≥350 mg/L），其REC不但沒有降低，反而急劇增加，植物受到的傷害明顯增大。

2.4 不同外源鋅處理下氣生鐵蘭抗氧化酶活性的變化

2.4.1 SOD活性的變化。

植物在低溫環(huán)境下，過多的活性氧積累會使其遭受不良傷害。為了減輕傷害，植物抗氧化系統(tǒng)就會積累SOD和POD進行應激，故抗氧化酶活性的高低可以反映植物有效消除活性氧自由基能力大小^［19］。

不同濃度外源鋅均引起供試氣生鐵蘭SOD活性的變化。隨著Zn²⁺濃度的升高，SOD活性逐漸增加，Zn3、Zn4和Zn5處理較高，Zn6處理急劇減少。大部分品種（T.usneoides、T.stricta、T.velutina和T.brachycaulos）的SOD活性以Zn4處理較大，與Zn5比較差異不明顯；T.ionantha和T.houston 2個品種，Zn4處理與Zn3、Zn5處理相比，其SOD活性有所降低，但差異不明顯。CK的SOD活性低于Zn1和Zn2處理，高于Zn6處理，幾個處理的SOD活性差異不明顯。

據(jù)以上分析可知，一定濃度外源鋅可使氣生鐵蘭的SOD活性有所增強，但并不是越高其增強效果越明顯。外源鋅濃度≤150 mg/L時，SOD活性增加不明顯；外源鋅濃度≥350 mg/L時，SOD活性下降明顯，不利于低溫脅迫下氣生鐵蘭抗氧化。外源鋅濃度為200～300 mg/L時SOD活性明顯增強，可有效緩解活性氧對氣生鐵蘭造成的不良傷害（表5）。

2.4.2 POD活性的變化。

POD與SOD一樣，是植物體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)的重要組成部分^［20］。低溫脅迫下，外施鋅可引起氣生鐵蘭POD活性的變化。隨著外源鋅濃度的升高，POD活性逐漸增強，Zn4處理最大，之后緩慢減小，到Zn6處理急劇下降，降至最低水平。其中，Zn3、Zn4和Zn5處理間的POD活性差異不明顯，明顯高于其他處理。Zn1和Zn2處理的POD活性稍高于CK，二者差異不明顯。

由此可知，外源鋅可提高低溫脅迫下氣生鐵蘭體內(nèi)的POD活性，濃度為200～300 mg/L效果明顯，可有效清除活性氧自由基，抵御低溫傷害（表6）。

3 結(jié)論與討論

鋅作為活化劑可激活相關(guān)酶活性，參與到葉綠素的合成中，維持葉綠素的穩(wěn)定性。鋅是植物所需的微量元素，少量鋅可以提高葉綠素的含量，促進氣生鐵蘭健康生長。該研究結(jié)果表明，200～300 mg/L外源鋅可有效防止低溫脅迫下氣生鐵蘭葉綠素的降解，含量明顯增加，植物生長良好，光合代謝增強。Zn²⁺濃度≥350 mg/L可誘發(fā)植物過氧化作用破壞葉綠體，導致葉綠含量減少，這可能與過高濃度Zn²⁺對植物造成重金屬傷害有關(guān)。

賈莉芳^［11］將鋅與硒鐵配合使用在核桃上，其可溶性蛋白含量和抗氧化酶顯著提高，MDA含量極顯著降低，抗寒性得到極大提高。潘珊珊^［12］研究證明，鋅、鐵和硒3種元素有效提高了低溫下煙草幼苗葉綠素含量，硒和鋅提高了低溫下煙草種子中Pro含量，提高其耐寒性。李濤等^［14］研究表明，低溫脅迫下提高Cu²⁺-Zn²⁺-Mn²⁺營養(yǎng)液的濃度，黃瓜幼苗葉片SOD活性均顯著增強，且低溫脅迫時間越長SOD活性增強越顯著，可見，Cu、Zn和Mn在黃瓜幼苗抗冷性中具有重要作用。以上研究均是為復合使用外源劑提高植物抗寒性的報道。Cakmak等^［21］單一使用了鋅元素，認為適宜濃度的鋅可以降低氣溫對植物細胞膜和葉綠素的破壞，激發(fā)保護酶活性的增強，從而提高植物的抗寒性。

該研究將單一的外源鋅用于低溫脅迫的氣生鐵蘭材料，這與Cakmak等^［21］的報道一致。隨著外源鋅濃度的升高，供試氣生鐵蘭的Chl、Pro、SOD和POD均呈先增加后減少的變化趨勢，MDA和REC則相反；適宜濃度的外源鋅（200～300 mg/L）可使低溫脅迫下氣生鐵蘭細胞膜的過氧化程度減輕，抗氧化能力增強，細胞內(nèi)外的滲透壓穩(wěn)定，光合生理狀態(tài)良好，植物生長健康，低溫脅迫受到的傷害亦明顯減弱，抗寒性明顯提高，具體表現(xiàn)為Chl含量、PRO含量、抗氧化酶活性均較高，MDA含量和REC均較低。

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