低溫脅迫對矮牽牛H株系花青素、游離脯氨酸及可溶性糖含量的影響

寧露云 包滿珠 張蔚

摘要： 以矮牽牛[Petunia hybrida（J. D. Hooker）Vilmorin]H株系為試驗材料， 利用人工氣候箱進行低溫脅迫試驗， 調查低溫脅迫對矮牽牛葉片中花青素和滲透調節物質游離脯氨酸、可溶性糖含量的影響。結果表明， 花青素在低溫處理前期2 h和中期24 h時相對含量變化較對照無顯著性差異， 當脅迫增至120 h，其相對含量顯著提高；游離脯氨酸含量在低溫處理前期2 h時含量變化較對照無明顯變化，而在中期24 h達到峰值，此后表現為下降趨勢；可溶性糖含量在低溫處理前期2 h時含量較對照有明顯提高，此后含量略微上升，直至后期120 h一直保持在這一較高水平。研究表明，矮牽牛可能通過積累花青素、滲透調節物質來提高植株的抗寒能力，從而抵御低溫脅迫。

關鍵詞： 矮牽牛[Petunia hybrida（J. D. Hooker）Vilmorin]；低溫脅迫；花青素；滲透調節物質

中圖分類號：S681.9 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）06-1500-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.06.034

逆境是植物生長的主要限制因子，植物遭受逆境后，輕則減產或降低觀賞價值，重則植株死亡，因而在很大程度上限制了植物的栽培地域擴大和全程觀賞時間。矮牽牛[Petunia hybrida（J. D. Hooker）Vilmorin]被譽為“世界花壇花卉之王”，是重要的園林觀賞植物，性喜溫暖和陽光充足的環境，不耐霜凍，怕雨澇。它的生長適溫為13～18 ℃，冬季溫度要求在4～10 ℃，如低于4 ℃，植株生長停止，這種不耐寒的生物學習性極大地制約了其在園林中的應用。在前期研究中，課題組對收集、保存以及創制的矮牽牛種質進行了田間自然霜凍和人工氣候箱冷凍篩選，從中獲得了較為耐寒的矮牽牛株系（代號H），并利用低溫脅迫下H株系的表達譜芯片篩選出了大量的差異表達基因[1]。對這些差異基因進行分析后，發現和花青素代謝途徑相關的一些基因在低溫脅迫處理前后表達量出現了較大的變化。迄今為止，有關低溫脅迫處理對矮牽牛生理代謝的影響鮮有報道。為此，試驗對低溫脅迫下矮牽牛H株系中的花青素以及滲透調節物質游離脯氨酸和可溶性糖的含量進行了測定，旨在探討矮牽牛抗寒機制的發生過程，從而為矮牽牛抗寒機理研究提供參考。

2 結果與分析

2.1 低溫脅迫對矮牽牛H株系花青素相對含量的影響

低溫脅迫對矮牽牛H株系花青素相對含量的影響情況見表1。從表1可見，低溫脅迫處理2 h和24 h后，矮牽牛H株系花青素的相對含量與對照相比均沒有顯著差異（P>0.05），當脅迫時間增至120 h后，矮牽牛H株系葉片中的花青素相對含量明顯上升，與對照有顯著差異（P<0.05），表明矮牽牛的花青素相對含量在脅迫處理后期受到了低溫脅迫的影響。

2.2 低溫脅迫對矮牽牛H株系游離脯氨酸含量的影響

低溫脅迫對矮牽牛H株系游離脯氨酸含量的影響情況見表1。從表1可見，經低溫脅迫處理2 h后，矮牽牛H株系的游離脯氨酸含量較對照有輕微的上升，但與對照的差異不顯著（P>0.05）；在低溫脅迫處理24 h后游離脯氨酸含量達到峰值，與對照差異顯著（P<0.05）；當脅迫時間增至120 h，游離脯氨酸含量有所下降，但仍顯著高于對照含量水平（P<0.05），表明矮牽牛的游離脯氨酸含量對低溫脅迫的響應比較敏感，是緊密相聯系的2個因素。

2.3 低溫脅迫對矮牽牛H株系可溶性糖含量的影響

低溫脅迫對矮牽牛H株系可溶性糖含量的影響情況見表1。從表1可見，在低溫脅迫處理2 h后，矮牽牛H株系的可溶性糖含量即出現大幅上升，直到24 h仍保持較高的含量，當脅迫增至120 h，可溶性糖含量達到峰值。3個處理與對照都差異顯著（P<0.05），表明矮牽牛的可溶性糖含量在脅迫處理早期即受到了低溫的影響，反映出矮牽牛的可溶性糖含量對低溫脅迫的響應非常敏感。

3 討論

花青素是植物次生代謝產物，是類黃酮色素中最重要的一種水溶性化合物。花青素是構成花朵和果實色彩的主要色素之一，而且它的合成與積累也是植物抗逆機制之一[2]，可以清除自由基對植物組織的毒害，具有很強的保護作用[3]。Tholakalabavi等[4]研究發現，在對楊樹愈傷懸浮細胞系進行滲透脅迫處理后，細胞中花青素的含量明顯增加，并且由葡萄糖誘導的滲透脅迫產生的花青素含量比甘露醇誘導的滲透脅迫產生的花青素含量要高。張開明[5]在對四季秋海棠的研究中發現，低溫處理后莖部和葉片可富集大量碳水化合物，且花色素合成的相關酶CHI、PAL、UFGT、DFR活性明顯增強，尤其是秋季低溫能誘導四季秋海棠花色素的合成，這其中碳水化合物的積累是其直接原因。陳靜等[6]研究表明，花青素對低溫弱光逆境處理的番茄葉片光合機制具有保護作用，并且推斷這種保護作用與花青素對可見光與紫外光的吸收、屏蔽作用有關。許志茹等[7]對蕪菁花青素合成關鍵酶DFR基因啟動子的克隆及功能分析中發現，BrDFR1P和BrDFR2P 序列中存在茉莉酸甲酯、脫落酸、低溫應答等一些與抗逆性密切相關的順式作用元件。Shvarts等[8]對矮牽牛進行中度低溫（17～12 ℃）處理后，發現花冠中的花青素含量增加，并且查爾酮合成酶基因的表達增強。他們認為中度低溫不僅可以增強合成花青素相關基因的表達，還能作為一種具體且獨特的信號因子。本試驗對矮牽牛進行低溫脅迫處理后發現，葉片中花青素的相對含量在低溫脅迫2 h和24 h后，與沒有進行低溫脅迫處理的對照相比并無明顯變化，但在脅迫處理120 h后顯著上升，可以初步推測花青素在低溫脅迫的后期參與了應答響應，并發揮了其保護作用；且課題組前期的H株系表達譜芯片數據顯示，一些和花青素代謝相關基因的表達在低溫處理前后有明顯差異，本次試驗中關于花青素相對含量的測定進一步驗證了芯片結果，而花青素參與到低溫應答的分子機理有待于后續進一步的研究。

在植物細胞內，游離脯氨酸是一種重要的滲透調節物質，它通過增加胞內溶質量，從而降低細胞冰點，防止植物細胞過度脫水，以削弱低溫對細胞的損害[9]。以往學者在植物組織、器官和全株試驗中的結果表明，脯氨酸的積累與抗滲脅迫之間呈現顯著的正相關關系[10]，脯氨酸含量積累的多少可以作為植物抗逆性篩選中的指標之一[11]，且在不同逆境脅迫處理中都有廣泛的應用[12-14]。馮昌軍等[15]研究發現，苜蓿通過提高脯氨酸絕對含量等保護機制來適應低溫脅迫，以減輕低溫傷害。Gilmour等[16]報道，超量表達抗寒相關轉錄因子—CBF3的擬南芥植株中脯氨酸合成的關鍵酶，即P5CS的活性較野生型植株提高了4倍，其脯氨酸含量增加，可明顯提高植株的抗寒能力。本試驗發現，低溫脅迫下矮牽牛葉片中游離脯氨酸的含量較對照均有所增加，且在處理24 h后達到峰值，說明低溫脅迫下矮牽牛抗寒性的獲得與游離脯氨酸含量的增加有一定的相關性。

目前普遍認為可溶性糖類的含量與植物抗寒性之間呈正相關關系[17]。在植物抗寒生理中，糖可以增加細胞的滲透濃度，降低水勢，提高保水能力，從而使冰點下降[18]。早在1907年，瑞典科學家Lidforss就提出，碳水化合物在寒冷環境下對小麥有保護作用，后來被多位研究者證實[19]。本試驗中，在對矮牽牛進行低溫脅迫處理后，結果在處理前期2 h可溶性糖含量即出現較高程度的提升，并在此后的脅迫過程中保持著較高含量，推測可溶性糖含量的增加在低溫脅迫過程中與提高植株抗寒性緊密相關。

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