三種植物對低溫脅迫響應(yīng)的生理生化特性

劉珍妮,張翠英,2,孫亞軍,沈應(yīng)時(shí),張敏

(1.徐州工程學(xué)院 環(huán)境工程學(xué)院,江蘇 徐州 221111;2.中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院,

江蘇 徐州 221116)

三種植物對低溫脅迫響應(yīng)的生理生化特性

劉珍妮1,張翠英1,2,孫亞軍1,沈應(yīng)時(shí)1,張敏1

(1.徐州工程學(xué)院 環(huán)境工程學(xué)院,江蘇 徐州 221111;2.中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院,

江蘇 徐州 221116)

摘要：以麥冬(Ophiopogon japonicus)、吊蘭(Chlorophytum comosum(Thunb.)Baker)和西伯利亞鳶尾(Iris sibirica)為試驗(yàn)材料,研究了低溫脅迫對3種植物的葉綠素含量、CAT活性和丙二醛(MDA)含量等生理生化特性的影響。結(jié)果表明:低溫抑制種植物生長,隨著溫度的降低和低溫時(shí)間的延長,植物的葉綠素含量隨之降低,而CAT活性和MDA含量都呈上升趨勢,只是變化幅度不盡相同。綜合分析顯示,3種植物的抗寒性強(qiáng)弱依次為西伯利亞鳶尾>麥冬>吊蘭。

關(guān)鍵詞：麥冬;吊蘭;西伯利亞鳶尾;低溫脅迫

收稿日期：2015-07-06

基金項(xiàng)目：國家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目(編號:2012-K-79)；國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(編號:201411998038Z)；江蘇省

作者簡介：劉珍妮(1994—)，女，江蘇徐州人,徐州工程學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院大學(xué)生。

通訊作者：張翠英(1978—),女,江蘇徐州人,博士,主要從事水生態(tài)修復(fù)方面的研究工作。

中圖分類號：Q556

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：編號：1674-9944(2015)09-0041-03

Abstract:Taking Ophiopogon japonicus,Chlorophytum comosum Baker and Iris sibirica as the experimental materials,the article studies the effects of low temperature stress on three plants' physiological-biochemical characteristics,including chlorophyll content,CAT activity and malonaldehyde (MDA) content.The results show that low temperature restrains the growth of plants.With the temperature dropping and time extending,the chlorophyll content of plants decreases continually,but the CAT activity and MDA content increase with different rangeabilities.Through a comprehensive analysis,the cold resistance of the three plants follows the sequence from strong to weak,namely Iris sibirica> Ophiopogon japonicus > Chlorophytum comosum Baker.

高校自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號:13KJD610003)資助

1引言

低溫脅迫是植物栽培中常常遇到的一種災(zāi)害,它不僅會(huì)導(dǎo)致植物產(chǎn)量的降低,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成植株的死亡[1]。近年來,由于春季經(jīng)常出現(xiàn)反?，F(xiàn)象,氣象大幅波動(dòng)影響植物的生長。而植物組織經(jīng)受逆境,會(huì)通過代謝反應(yīng)阻止、降低或者修復(fù)逆境造成的損傷,使其保持正常的生理活動(dòng)。研究表明植物的抗凍力即抗寒性隨著季節(jié)的變化起伏極大,在自然界,植物要經(jīng)過秋冬的抗寒鍛煉,在生命過程中可能發(fā)生一系列的深刻變化,然后才能具備最大的抗凍抗寒能力[2]。因此,研究低溫條件下,植物的生理生化的響應(yīng),了解植物抗寒機(jī)制及其預(yù)防措施,具有重要的理論和實(shí)際意義。

本文研究了麥冬、吊蘭和西伯利亞鳶尾在低溫條件下生長情況,分析了麥冬、吊蘭和西伯利亞鳶尾3種植物在低溫脅迫下葉綠素含量、CAT活性和MDA含量3個(gè)指標(biāo)變化,探討低溫脅迫下麥冬、吊蘭、西伯利亞鳶尾的生理特性和抗寒機(jī)制,為低溫脅迫下植物抗寒性生理生化指標(biāo)的分析提供理論基礎(chǔ),從而也為不同地區(qū)草坪草種的選擇提供理論基礎(chǔ)。

2材料與方法

2.1　實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用植物麥冬、吊蘭采自徐州市云龍湖,西伯利亞鳶尾購自市場,采集時(shí)間為2014年11月。實(shí)驗(yàn)前選擇健壯、完整的植株進(jìn)行清洗,并去除枯黃和衰敗的葉子,整理后放置備用。

2.2　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將所準(zhǔn)備的植物移栽入徐州工程學(xué)院敬德樓三樓人工濕地中。人工濕地基質(zhì)用林下表和土黃心土,并加入大量碎石子同時(shí)注入校園人工湖水構(gòu)成植物生長的模擬濕地環(huán)境。用人工湖中的水進(jìn)行澆灌,使其適應(yīng)新環(huán)境。之后的實(shí)驗(yàn)中,植物在自然條件下生長,記錄每天0:00、7:00、12:00和18:00四個(gè)時(shí)刻的溫度,取平均溫度作為試驗(yàn)溫度。

試驗(yàn)從2014年12月08日至2015年1月12日,每隔7日取樣測定并記錄當(dāng)日溫度,每次取樣時(shí)間為次日清晨7:00~7:30。取健康葉片,用自來水沖洗污垢后,用蒸餾水洗凈,自然晾干,備用。每次取樣后2h內(nèi)測定各項(xiàng)指標(biāo),稱重后分別測定其葉綠素含量、CAT活性和MDA含量。為了使本次實(shí)驗(yàn)更具對比性,以3種植物前期4月份常溫下(16 ℃)測定的指標(biāo)作為對照(表1),從而得出3種植物的生理生化特性變化及抗寒性比較。

表1　3種植物常溫下的生理生化指標(biāo)

2.3　指標(biāo)測定

葉綠素含量測定:用浸提法測定葉綠素含量[3],所測含量為植物葉片鮮質(zhì)量含量;CAT活性測定:采用過氧化氫法測定[4];MDA含量測定:采用硫代巴比妥酸法測定[4]。每個(gè)指標(biāo)重復(fù)測3次,結(jié)果取平均值,統(tǒng)計(jì)分析用SPSS17.0軟件。

3結(jié)果與分析

3.1　低溫脅迫下麥冬、吊蘭和西伯利亞鳶尾的葉綠素含量變化

葉綠素是植物光合作用重要指標(biāo)之一,葉綠素含量越高說明植物光合作用越強(qiáng),有利于植物生長積累有機(jī)物。由圖1可知,低溫脅迫下3種植物的葉綠素含量均低于常溫下的含量。在自然降溫過程中(相同環(huán)境條件),西伯利亞鳶尾、麥冬和吊蘭均呈現(xiàn)先上升后下降趨勢,可能是植物為適應(yīng)新的寒冷環(huán)境,去維持正常的光合作用,從而葉綠素有所增加;之后的下降表明在持續(xù)的低溫脅迫下,光合作用減弱,抑制了葉綠素的合成。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中,麥冬和西伯利亞鳶尾的葉綠素含量明顯高于吊蘭,在實(shí)驗(yàn)初期,西伯利亞鳶尾的葉綠素含量為1.35 mg/g,麥冬的葉綠素含量為0.66 mg/g,吊蘭的葉綠素含量為0.56 mg/g,在持續(xù)一個(gè)月的低溫后,西伯利亞鳶尾下降的不明顯,葉綠素含量為0.85 mg/g,僅下降26.0%;麥冬最后的葉綠素含量為0.42 mg/g,下降了36.4%;而吊蘭最后的葉綠素含量僅為0.14 mg/g,下降了75%。因此,在低溫脅迫下,3種植物組織內(nèi)葉綠素含量表現(xiàn)為:西伯利亞鳶尾>麥冬>吊蘭。

圖1　低溫脅迫下麥冬、吊蘭和西伯利亞鳶尾的葉綠素含量　　變化

3.2　低溫脅迫下麥冬、吊蘭和西伯利亞鳶尾的CAT活性變化

CAT廣泛存在于植物組織中,作為膜保護(hù)系統(tǒng)酶,它與呼吸作用、光合作用以及生長素的氧化等都有密切相關(guān),能使體內(nèi)某些氧化酶產(chǎn)物發(fā)生分解,在植物防御反應(yīng)及抗衰老過程中起重要作用,其活性和含量的增加可以使植物抵抗和避免低溫危害的能力增強(qiáng)。由圖2看出,3種植物在低溫脅迫下的CAT活性高于常溫下的CAT活性。在自然條件下,隨著溫度的降低,CAT活性呈先上升后下降趨勢。西伯利亞鳶尾在試驗(yàn)初期短時(shí)間內(nèi)低溫脅迫下就引起CAT活性的突然上升,由88.85 U/(g.min)上升到278.4 U /(g.min),這可能由于植物對低溫脅迫適應(yīng)性的表現(xiàn);而后逐漸下降,在1月5日出現(xiàn)再次回升后又下降。麥冬在試驗(yàn)期間CAT活性逐漸上升,同樣在1月5日出現(xiàn)峰值282.69 U /(g.min),之后下降到216.56 U/(g.min);吊蘭則從實(shí)驗(yàn)開始時(shí)就逐漸下降,也同樣在1月5日出現(xiàn)回升,之后也下降到71.23 U/(g.min),整體波動(dòng)不大,可能是CAT活性的提高有利于抵抗脅迫下產(chǎn)生的H2O2對植物的傷害;但隨著時(shí)間的推移,零下低溫更容易發(fā)生凍害,細(xì)胞膜發(fā)生嚴(yán)重的膜脂過氧化作用,過氧化產(chǎn)物就會(huì)影響CAT活性,使其明顯減弱[5]。因此,3種植物的CAT活性為西伯利亞鳶尾>麥冬>吊蘭。

3.3　低溫脅迫下麥冬、吊蘭和西伯利亞鳶尾的MDA含量變化

大量研究結(jié)果表明,丙二醛(MDA)是膜脂過氧化作用的主要產(chǎn)物之一,具有很強(qiáng)的細(xì)胞毒性,反映植物在逆境下膜結(jié)構(gòu)的損傷程度[6,7]。從圖3可以看出,低溫脅迫下的3種植物的MDA都比常溫下的高。丙二醛含量總體上隨溫度下降及低溫脅迫時(shí)間延長而逐漸增加。西伯利亞鳶尾和麥冬的MDA含量呈先上升后下降趨勢,在12月5日~12月22日達(dá)到最大值,兩者相差不甚明顯,但從整體上看,西伯利亞鳶尾的MDA含量略低于麥冬,而吊蘭則明顯在整個(gè)低溫脅迫期間呈持續(xù)上升趨勢,最高達(dá)到3.97 mmol/gFW。由此推斷出植物體內(nèi)MDA含量越高,說明植物受傷害程度越明顯,這可能就是低溫脅迫下植物主要的生理反應(yīng)及損傷機(jī)理。

圖2　低溫脅迫下麥冬、吊蘭和西伯利亞鳶尾的CAT活性　　 變化

圖3　低溫脅迫下麥冬、吊蘭和西伯利亞鳶尾的MDA含量　　 變化

4討論

植物在冷害下,膜脂發(fā)生相變,膜流動(dòng)性降低,透性增加,膜結(jié)合酶活力失調(diào),這些變化會(huì)使植物的主動(dòng)吸收和運(yùn)輸能力下降,溶質(zhì)向胞外滲漏,代謝失調(diào),中間有毒產(chǎn)物累積,導(dǎo)致植物受害死亡[8]。本文通過研究低溫脅迫下麥冬、吊蘭和西伯利亞鳶尾的情況,進(jìn)而得出低溫對植物生理生化的影響。

已有研究表明,葉綠體是植物體內(nèi)冷敏感性很強(qiáng)的一個(gè)亞細(xì)胞器,低溫對等一系列重要的生理生化過程都有明顯影響,從而導(dǎo)致植物光合作用強(qiáng)度的下降。已有研究表明低溫影響了光、植物光合色素含量、葉綠體亞顯微結(jié)構(gòu)、光合能量代謝及PS二活性等[9-11],膜系統(tǒng)收到破壞,從而制約植物的光合作用,同時(shí)低溫還影響光合電子傳遞和光合磷酸化以及暗反應(yīng)的有關(guān)酶系等[12-14]。本研究在自然條件下,當(dāng)溫度升高時(shí),植物體內(nèi)葉綠素含量隨之升高;反之,當(dāng)溫度下降時(shí),植物體內(nèi)葉綠素含量隨之下降。從整體趨勢上看西伯利亞鳶尾的葉綠素水平最高,從而反映出細(xì)胞代謝水平較其他兩種植物高。而且研究表明CAT活性對溫度的降低比較敏感,CAT活性在低溫處理下的變化規(guī)律也不是一成不變的,不同植物有其各自的響應(yīng)[6]。在本研究中,西伯利亞鳶尾和麥冬在抗寒機(jī)制作用下均有先上升后下降趨勢,而吊蘭則整體波動(dòng)不大,說明植物體內(nèi)的CAT酶活性增高是降低H2O2在體內(nèi)過量積累從而減少傷害,其活性大小也可以反映出植物的抗寒性。同時(shí),隨著低溫脅迫時(shí)間延長,植物膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛(MDA)大量積累,會(huì)造成膜透性上升,電解質(zhì)外滲,使電導(dǎo)率值變大,導(dǎo)致細(xì)胞膜系統(tǒng)的嚴(yán)重?fù)p傷。而且從本文研究看出抗寒性強(qiáng)的西伯利亞鳶尾其MDA含量增加的少,抗寒較弱的吊蘭其MDA含量增加量較大。本實(shí)驗(yàn)時(shí)間跨度較短,因而3種植物在低溫條件下長期生長的生理生化響應(yīng)需進(jìn)一步研究。

5結(jié)語

(1)低溫脅迫下植物葉綠素含量基本呈下降趨勢,但總體上葉綠素含量高低依次為西伯利亞鳶尾>麥冬>吊蘭。

(2)低溫脅迫下植物CAT活性大致有先升高后下降的趨勢,同時(shí)CAT活性大小依次為西伯利亞鳶尾>麥冬>吊蘭。

(3)低溫脅迫下植物丙二醛含量變化呈逐漸積累的趨勢,而且MDA含量表現(xiàn)為吊蘭>麥冬>西伯利亞鳶尾。

(4)綜合分析本文所研究的三個(gè)指標(biāo)發(fā)現(xiàn),低溫脅迫下麥冬、吊蘭、西伯利亞鳶尾的抗寒性強(qiáng)弱依次為西伯利亞鳶尾>麥冬>吊蘭。

影響植物抗寒性的因素較多,其抗寒機(jī)理錯(cuò)綜復(fù)雜,植物的抗寒力受環(huán)境的影響和塑造較大,因此對植物的抗寒力評估時(shí),必須多方面綜合考慮,同時(shí)結(jié)合田間觀察,才能為全面評價(jià)其抗寒能力,從而提供可靠的依據(jù)。

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Physiological-biochemical Characteristics of Three Plants Responding to

Low Temperature Stress

Liu Zhenni1,Zhang Cuiying1,2,Sun Yajun1,Shen Yingshi1,Zhang min1

(1.SchoolofEnvironmentEngineering,XuzhouInstituteofTechnology,Xuzhou

221111,China;2.SchoolofEnvironmentScienceandSpatialInformatics,China

UniversityofminingandTechnology,Xuzhou221116,China)

Key words:Ophiopogon japonicus;Chlorophytum comosum Baker;Iris sibirica;low temperature stress