低溫脅迫及恢復對茄子幼苗活性氧代謝和滲透調節物質含量的影響

吳雪霞,朱宗文,許 爽,查丁石

(上海市農業科學院 園藝研究所/上海市設施園藝技術重點實驗室,上海 201106)

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低溫脅迫及恢復對茄子幼苗活性氧代謝和滲透調節物質含量的影響

吳雪霞,朱宗文,許 爽,查丁石*

(上海市農業科學院 園藝研究所/上海市設施園藝技術重點實驗室,上海 201106)

摘要：以耐低溫性不同的兩個茄子品種為材料,研究了低溫脅迫及恢復對茄子幼苗活性氧代謝和滲透調節物質含量的影響。結果表明：低溫脅迫使茄子幼苗葉片的MDA含量、O2-·產生速率和H2O2含量升高,使SOD、POD、CAT、APX、DHAR和GR的活性,以及AsA、GSH、脯氨酸和可溶性蛋白質的含量增加;在恢復2 d后, MDA含量、O2-·產生速率和H2O2含量均呈下降趨勢,其他10個指標升高或者降低,但均高于對照的；耐低溫材料前3個指標的值均低于低溫敏感材料的,后10個指標的值均高于低溫敏感材料的;耐低溫材料前3個指標的上升幅度均小于低溫敏感材料的,而后10個指標則反之。以上結果說明,低溫脅迫影響了茄子幼苗活性氧和滲調物質的正常代謝,但耐低溫材料可以通過調節自身的保護系統減輕低溫脅迫的傷害。

關鍵詞：茄子;低溫脅迫及恢復;活性氧代謝;滲透調節物質

茄子(SolanummelongenaL.)是一種喜溫性蔬菜,其生長發育的適宜溫度為22～30 ℃,在低于15 ℃下其植株生長遲緩,當低于5 ℃時其莖葉會受到傷害,在0 ℃下就會被凍死[1-2]。在冬春季節進行保護地栽培時,低溫是影響茄子產量和品質的主要因素[3]。研究低溫脅迫對茄子的傷害作用及其機理,探索茄子的抗寒機制及冷害預防措施,具有重要的理論和實際意義。據前人報道，在低溫脅迫條件下,植物幼苗生長受到抑制,生物量積累下降[4],光合作用降低[3,5]，酶活性上升[4,6]。迄今有關低溫脅迫及恢復對耐低溫性不同的茄子品種生理特性的研究較少。

植物的耐冷性與活性氧代謝關系密切,在低溫下植物的光合能力減弱,會引起光能過剩,從而產生大量的活性氧,導致膜脂過氧化,進而造成膜系統損傷[7-8]。我們以耐低溫性不同的2個茄子品種為試材,研究了不同天數低溫處理及恢復對茄子幼苗抗氧化系統和滲透調節物質的影響,旨在揭示茄子耐冷性的生理機制,為茄子抗逆育種提供理論依據。

1材料與方法

1.1試驗材料

供試茄子品種為‘江茄’(低溫敏感品種)和‘72#’(耐低溫品種),由上海市農業科學院園藝研究所茄子課題組提供。

1.2試驗處理

試驗在上海市農業科學院園藝研究所GSW-7430連棟塑料溫室內進行。種子經0.12 g/L GA浸種催芽后播于直徑10 cm、高10 cm的塑料營養缽中,以蛭石作基質,每缽播1粒種子,共100粒種子。在真葉展開后每2 d澆1次1/4濃度的日本園試營養液,每株澆50 mL,在出現3片真葉后每株澆80 mL。

當幼苗具有4～5片真葉時,挑選生長一致的植株，分別置于溫度為(27±1)℃(晝)/(22±1)℃(夜)的2個光照培養箱內,光照強度為400 μmol/(m2·s)左右。置于培養箱2 d后對茄子幼苗進行不同溫度的處理。試驗設2個處理：(1)常溫處理(對照),溫度設為(27±1)℃(晝)/(22±1)℃(夜);(2)低溫處理,溫度設為(10±1)℃(晝)/(5±1)℃(夜)。低溫處理與對照培養箱除溫度不同外,光照和相對濕度(80%左右)均一致。在低溫培養7 d后將溫度調為(27±1)℃(晝)/(22±1)℃(夜),進行2 d的恢復處理。每個處理18株,3次重復。在進行處理0、1、3、5、7和9 d后分別進行幼苗各項指標的測定。

1.3測定指標與方法

丙二醛(MDA)、過氧化氫(H2O2)、抗壞血酸(AsA)、谷胱甘肽(GSH)、脯氨酸和可溶性蛋白質的含量，超氧陰離子(O2-·)的產生速率，超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)、脫氫抗壞血酸還原酶(DHAR)和谷胱甘肽還原酶(GR)的活性的測定均參照Wu等[9]的方法。

1.4 統計分析

采用Origin軟件進行繪圖,用SPSS統計軟件對平均數用Duncan’s新復極差法進行多重比較。

2結果與分析

2.1低溫脅迫及恢復對茄子幼苗葉片MDA含量、O2-·產生速率和H2O2含量的影響

由圖1可知：耐低溫性不同的兩個茄子品種幼苗葉片的MDA含量、O2-·產生速率和H2O2含量在低溫處理(0～7 d)期間呈持續上升的趨勢,在恢復2 d(第7～9天)后呈下降趨勢。兩個品種相比較,隨著低溫處理時間的延長,低溫敏感品種江茄以上3個指標均高于耐低溫品種72#的,且前者的上升幅度均大于后者的。在低溫處理7 d時,與對照相比,江茄的MDA含量、O2-·產生速率和H2O2含量分別上升了102.75%、345.09%和302.27%,72#分別上升了87.48%、283.07%和98.47%;在恢復2 d后,以上各指標均下降，但仍高于對照,江茄的MDA含量、O2-·產生速率和H2O2含量分別比對照上升了54.56%、254.35%和172.05%,72#分別比對照上升了43.48%、106.32%和39.57%。可見,耐低溫品種在低溫脅迫下受到的傷害較小,并且恢復能力也遠遠強于低溫敏感品種。

圖1　低溫脅迫對茄子幼苗葉片MDA含量、O2-·產生速率和H2O2含量的影響

2.2低溫脅迫及恢復對茄子幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

由圖2-A及圖2-C可知：在低溫處理下,2個茄子品種葉片的SOD、CAT活性的變化趨勢一致,隨低溫脅迫時間的延長,低溫敏感品種江茄的SOD、CAT活性均在第5天達到峰值,耐低溫品種72#的在第7天達到峰值。由圖2-D可以看出,江茄和72#的APX活性均在低溫處理7 d時達到峰值,分別比對照增加了1.09和1.27倍。

由圖2-B、圖2-E和圖2-F可以看出：在低溫脅迫下，2個品種的POD、DHAR和GR活性在整個處理期間一直呈上升趨勢；在低溫處理第9天時(即恢復2 d后),江茄的POD、DHAR和GR活性分別比對照增加了1.38、0.45和0.69倍,72#的分別增加了1.62、0.53和0.84倍。

在整個處理期間,無論指標的變化趨勢如何,低溫敏感品種江茄的酶活性始終低于耐低溫品種72#的,且前者的增加幅度均小于后者的。

圖2　低溫脅迫對茄子幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

2.3低溫脅迫及恢復對茄子幼苗葉片AsA和GSH含量的影響

由圖3-A和圖3-B可以看出：江茄和72#的AsA含量的變化趨勢一致,在低溫處理7 d時達到峰值,分別比對照增加了1.01和1.14倍；江茄的GSH含量在低溫處理5 d時達到峰值,比對照增加了37.57%,72#的在低溫處理7 d時達到最大值,比對照增加了42.37%。

在低溫處理期間,兩個品種相比較,低溫敏感品種江茄的AsA和GSH含量均低于耐低溫品種72#的,且前者的增加幅度均小于后者的。

圖3　低溫脅迫對茄子幼苗葉片AsA和GSH含量的影響

2.4低溫脅迫及恢復對茄子幼苗葉片脯氨酸和可溶性蛋白質含量的影響

由圖4-A和圖4-B可以看出：江茄和72#的脯氨酸和可溶性蛋白質含量的變化趨勢一致,均在低溫處理7 d時達到峰值；與對照相比,江茄的脯氨酸和可溶性蛋白質含量分別增加了1.12和0.37倍,72#的分別增加了1.41和0.41倍。

在低溫處理期間,耐低溫品種72#的脯氨酸和可溶性蛋白質含量均高于低溫敏感品種江茄的,且前者的增加幅度均大于后者的。

3討論

在遭遇低溫脅迫時,植物細胞內自由基的產生與清除平衡受到破壞,OH-、O2-·等自由基大量積累,誘發膜脂過氧化,從而使細胞膜透性增大,蛋白質活性降低甚至喪失,對植物產生傷害[10]。本實驗結果表明,隨著低溫脅迫時間的延長,茄子幼苗葉片的MDA含量、O2-·產生速率和H2O2含量均呈上升趨勢;在恢復2 d后,以上3個指標均有所降低,但仍高于對照,說明低溫脅迫造成茄子植株體內ROS過剩,植物細胞受到破壞,不能完全恢復;低溫敏感品種以上3個指標的上升幅度均顯著高于耐低溫品種的,說明低溫對低溫敏感品種造成的傷害大于耐低溫品種。上述結果與胡俊杰等[11]在菜用大豆上的研究結果一致。

低溫脅迫使植物體內活性氧增加,同時刺激了植物體內SOD、POD、CAT和APX等抗氧化酶活性的增加[12]。本實驗結果表明,在低溫處理7 d及恢復2 d后,茄子幼苗葉片中SOD、POD、CAT、APX、DHAR和GR活性到達峰值的日期不同,但均遲于對照,說明茄子幼苗可通過自身的調節機制提高抗氧化酶的活性,以適應逆境，并再次建立活性氧產生與清除的平衡關系[13]。這有利于植株在經受更低溫度或更長時間的低溫脅迫時維持較高的耐冷性[14-15]。另外,本試驗發現耐低溫材料上述各種酶活性的上升幅度均顯著高于低溫敏感材料的,表明耐低溫茄子品種的抗氧化酶系統對低溫反應敏感,且能保持較高活性,有利于清除植株體內過多的活性氧,提高耐寒能力。這與高秀瑞等[16]在茄子上的研究結果一致。

AsA和GSH是植物體內存在的抗氧化劑,是自由基清除系統的重要組成物質,可還原、清除·OH及歧化H2O2[8]。本研究結果表明,經低溫脅迫處理的茄子幼苗葉片的AsA和GSH含量高于對照的,恢復至正常溫度使兩者含量下降，表明低溫脅迫可以通過提高茄子幼苗葉片中的AsA和GSH含量來提高茄子幼苗對低溫脅迫的耐性；耐低溫材料AsA和GSH含量的上升幅度顯著高于低溫敏感材料的,與酶活性的變化趨勢一致,進一步增加了對活性氧的清除能力。

脯氨酸和可溶性蛋白質是重要的滲透調節物質。植物在遭受逆境脅迫時,其細胞自身會產生滲透調節物質來適應逆境,滲透調節物質含量的高低及變化的快慢均可反映植物對逆境的適應能力[17-18]。本試驗結果顯示,在低溫脅迫下,茄子幼苗葉片的脯氨酸和可溶性蛋白質含量均明顯升高,這是因為低溫脅迫往往引起細胞膜透性增大,為了防止電解質過多外滲,植株會主動積累滲透調節物質[17],提高細胞液的滲透壓,增強細胞的吸水、保水能力。這與董緒兵等[18]在黃瓜上的研究結果一致。

綜上所述,低溫脅迫提高了茄子的MDA含量、O2-·產生速率和H2O2含量,增加了抗氧化酶SOD、POD、CAT、APX、DHAR和GR的活性、抗氧化劑AsA和GSH的含量，以及脯氨酸和可溶性蛋白質的含量,說明低溫脅迫不僅會提高細胞活性氧水平,也可誘發植物防御體系的建立,從而避免或減輕活性氧對植物的傷害。本研究結果為茄子耐低溫機制研究奠定了一定的理論基礎,可為茄子耐低溫育種提供理論參考。

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(責任編輯:黃榮華)

收稿日期：2015-12-25

基金項目：上海市農委基礎項目[滬農科攻字(2015)第6-2-3號];上海市種業發展項目[滬農科種字(2013)第5號]。

作者簡介：吳雪霞(1978─)，女，山東菏澤人，副研究員，博士，從事茄子育種和逆境生理研究工作。*通訊作者:查丁石。

中圖分類號：S641.1

文獻標志碼：A

文章編號：1001-8581(2016)07-0017-05

Effects of Low Temperature Stress and Recovery on Reactive Oxygen Metabolism and Osmotic Adjustment Substance Contents in Eggplant Seedlings

WU Xue-xia, ZHU Zong-wen, XU Shuang, ZHA Ding-shi*

(Horticulture Research Institute, Shanghai Academy of Agricultural Sciences/ Shanghai Municipal Key Laboratory of Protected Horticultural Technology, Shanghai 201106, China)

Abstract：The experiment was carried out to study the effect of low temperature stress on the reactive oxygen species metabolism and osmoticum content of two different low temperature resistance eggplant cultivars. The results showed that MDA contents, O2-· producing rate and H2O2 contents, activities of SOD, POD, CAT, APX, DHAR and GR, contents of AsA and GSH, proline and soluble protein were increased compared to the control. After 2 days’ recovery, MDA contents, O2-· producing rate and H2O2 contents were decreased, while the last 10 indexes either increased or decreased but higher than the control. The content of the first 3 indexes of the low temperature resistant materials were lower than those of cold-sensitive materials, and the later 10 indexes were all higher than those of cold-tolerant materials. And the increase ranges of the first 3 indexes of cold-sensitive materials were larger than those of cold-tolerant materials, while the trends of the last 10 indexes were the contrary. All these proved that low temperature stress influenced normal metabolism of reactive oxygen species and osmoticum of eggplant seedlings, while cold-tolerant plants could adjust themselves by regulating protective enzyme system.

Key words：Eggplant (Solanum melongena L.); Low temperature stress and recovery; Reactive oxygen metabolism; Osmotic regulation substance