低溫脅迫對蓖麻種子萌發過程中生理生化影響

白 雪，李 興，劉 鵬,2,3,4，鄭根昌，李旭新，張春蘭，賈愛民

（1內蒙古民族大學農學院，內蒙古通遼028043；2內蒙古自治區高校蓖麻產業工程技術中心，內蒙古通遼028043；3內蒙古自治區蓖麻育種重點實驗室，內蒙古通遼028043；4內蒙古自治區蓖麻產業協同創新培育中心，內蒙古通遼028043；5內蒙古民族大學生命科學學院，內蒙古通遼028043；6內蒙古自治區國營免渡河農場，內蒙古牙克石022176）

低溫脅迫對蓖麻種子萌發過程中生理生化影響

白 雪1，李 興1，劉 鵬1,2,3,4，鄭根昌1，李旭新1，張春蘭5，賈愛民6

（1內蒙古民族大學農學院，內蒙古通遼028043；2內蒙古自治區高校蓖麻產業工程技術中心，內蒙古通遼028043；3內蒙古自治區蓖麻育種重點實驗室，內蒙古通遼028043；4內蒙古自治區蓖麻產業協同創新培育中心，內蒙古通遼028043；5內蒙古民族大學生命科學學院，內蒙古通遼028043；6內蒙古自治區國營免渡河農場，內蒙古牙克石022176）

旨在探索蓖麻種子在低溫下萌發的調控機制，為選育優質抗逆蓖麻新品種做準備。筆者以3個蓖麻品種為材料，采用完全隨機設計，重復3次，設置低溫15℃、常溫25℃(CK)，進行種子萌發試驗，確定品種活力后，待胚根生長至2 cm時，進行取樣測定相關生理指標。結果表明：低溫顯著阻礙蓖麻種子萌發。低溫脅迫下可溶性糖含量和可溶性蛋白含量顯著低于對照，而丙二醛含量顯著高于對照；低溫脅迫下供試蓖麻品種各酶活性表現差異較大，胚根SOD活性均極顯著低于對照；除‘通蓖6號’外，其余供試品種POD活性也極顯著低于對照；CAT活性表現不顯著，且不同溫度條件下活性基本一致。通過試驗得出‘通蓖5號’在低溫脅迫下表現良好，可進行下一步基因測序。

蓖麻；低溫脅迫；種子萌發；生理生化

0 引言

在作物發育過程中，溫度作為環境因子起到重要的作用，它可控制種子休眠的深度[1]，影響植物伸長生長和通過春化途徑控制開花時間等[2-5]。在實際栽培過程中，溫度變化對作物產量、品質等影響較大，低溫或高溫可能引發減產或絕收，因此，研究作物在溫度脅迫下生理生化變化，對提高產量和選育良種等方面具有重要的意義[6]。蓖麻(Ricinus communis L.)俗稱草麻、大麻子等，大戟科蓖麻屬植物，其籽粒含油量高達50%～60%，是大豆的2～3倍[7]，居油料作物之首。由于蓖麻油的用途廣泛[8]，全球市場需求呈現穩定增長的趨勢。此外，在生產上，蓖麻耐瘠薄，其生產不與糧爭地，因此，蓖麻研究日益受到重視。內蒙古通遼市（屬干旱地區）為中國蓖麻的主產區之一，20世紀80年代，蓖麻總產量占世界蓖麻產量的四分之一。然而，21世紀以來，由于蓖麻單產水平低，通遼地區蓖麻播種面積銳減，當地蓖麻企業原材料缺口顯著增大，向國際市場的供應量也急劇減少。在通遼地區蓖麻播種后由于低溫出苗緩慢，致使生育期不夠，在秋季早霜到來之時，二級分枝甚至一級分枝上的果穗成熟度不夠或不能成熟。因此，了解蓖麻種子在低溫下萌發的調控機制對蓖麻高產栽培和育種具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為3個蓖麻品種（‘通蓖5號’、‘通蓖6號’、‘通蓖11號’），均由內蒙古通遼市農業科學研究院提供，其中‘通蓖5號’為常規高稈品種、‘通蓖6號’為高稈蓖麻雜交種、‘通蓖11號’為矮稈蓖麻雜交種。

1.2 試驗設計及方法

試驗于2016年3月—5月于內蒙古民族大學農學院實驗室內完成，采用完全隨機區組設計，設置2個溫度處理，即低溫15℃和常溫25℃（對照），于恒溫培養箱（RXZ智能型）中進行溫度控制，選擇3個蓖麻品種，按照GB/T3543.4-1995標準進行發芽試驗，統計發芽勢和發芽率。確認各品種種子均為活力正常的種子后，再進行萌發生理研究。待培養皿中蓖麻種子胚根生長至2 cm左右時，分別在各個處理中隨機選擇萌發種子數粒，將所取樣品混合后，立即切碎，稱取0.5 g，加入磷酸緩沖液并置于SCIENTZ-48高通量組織研磨器中進行冰浴研磨，可一次性提取SOD、POD、CAT待測液；同時稱取0.3 g和0.5 g分別加入蒸餾水和5%三氯乙酸(TCA)制備可溶性糖、可溶性蛋白質及丙二醛待測液，所有待測液保存于4℃冰箱中，試驗均重復3次，將所得數據運用Excel進行統計整理，于DPS 14.50系統中進行數據處理。

1.3 生理指標測定方法

生理指標的測定見表1。

表1 生理指標測定方法

2 結果與分析

2.1 各供試品種發芽力

各供試蓖麻品種不同溫度條件下發芽力結果如表2所示，低溫條件對蓖麻種子發芽力影響顯著，均低于25℃條件下發芽力，各品種發芽力降幅由大到小依次為‘通蓖11號’、‘通蓖6號’、‘通蓖5號’；低溫條件下蓖麻種子萌發所需時間延長，最高可達16天。

2.2 低溫脅迫下對萌發時期胚根物質含量和生理指標影響

供試蓖麻品種胚根于兩個溫度處理下，各項指標通過溫度和品種雙因子方差分析表明，溫度處理下F值達極顯著水平，為重要影響因子，品種效應也達顯著水平，表明不同蓖麻品種其低溫萌發能力具有差異性。

由表3可知，在低溫脅迫下供試蓖麻品種各物質含量變化不同，低溫條件下供試品種可溶性糖含量均低于對照，除‘通蓖11號’外，其余達極顯著水平；可溶性蛋白含量在低溫脅迫下‘通蓖5號’達極顯著水平，其余均達顯著水平，且含量均低于對照；丙二醛含量在低溫條件下均顯著或極顯著高于對照。

表2 各供試蓖麻品種種子不同溫度條件下發芽力

表3 溫度脅迫下各供試蓖麻品種胚根物質含量變化及顯著性檢驗

2.3 低溫脅迫下對萌發時期胚根生理指標影響

由表4可知在低溫脅迫下供試蓖麻品種各酶活性表現差異較大，低溫條件下SOD活性均低于對照，且全部達極顯著水平；POD活性也均達極顯著水平，但除‘通蓖6號’外，其余供試品種POD活性低溫條件下低于對照；CAT活性表現不顯著，且不同溫度條件下活性基本一致。

3 結論與討論

研究認為[10-12]可溶性蛋白含量與作物抗寒性相關聯，其含量高低決定作物抵御低溫的能力，呈現正相關，但劉大永等[13]研究表明低溫脅迫下水稻可溶性蛋白含量下降，高分子蛋白迅速減少，低分子蛋白迅速增加，試驗結果與后者一致，由于細胞內自由基產生和消除難以平衡，積累的自由基對生物膜造成較高的傷害，使生物膜中的結構蛋白和酶聚合交聯而空間構型改變，從而導致細胞膜損傷和可溶性蛋白含量降低[14-15]，或由于低溫脅迫下基因表達的不同所造成，針對蓖麻呈現的此種反映應繼續深入研究。

作物在低溫條件下，糖含量增高是一個普遍現象，其作為滲透保護物質，可提高細胞間濃度，增加細胞持水組織中的非結冰水，從而降低細胞質冰點，緩沖細胞質過度脫水，保證細胞質膠體不致遇冷凝固，其與抗寒性呈正相關。但并非完全一致，簡令成等的研究結果表明，在冬小麥抗寒鍛煉的早中期，含糖量與抗寒力的發展成平行關系，但在后期不成正相關，有些很抗寒的植物，其細胞內的含糖量卻很低[16-17]；本試驗結果符合后者，說明供試蓖麻品種在低溫脅迫具有一定的抗寒性。

表4 溫度脅迫下各供試蓖麻品種胚根生理指標變化及顯著性檢驗 (U/g)

在低溫條件下，細胞膜為首先受害部位，抗性強的品種其細胞膜透性增大程度緩慢，抗性弱的品種其細胞膜遭到嚴重損傷，植物體內O2-、OH-等自由基增加從而使膜質過氧化作用加強，導致膜損傷和破壞[18]，其受到損傷程度越大，MDA含量越高，細胞膜透性越強，本實驗結果表明在低溫條件下，胚根MDA含量升高，與前人研究結果一致，但不同品種所受傷害程度不同，MDA含量增幅不同。

POD、SOD、和CAT均為保護酶，屬于酶促防御系統，對作物幼苗在冷害脅迫下清除活性氧，防止膜質過氧化及抗低溫傷害具有重要作用，保護酶活性劇烈下降是作物自根幼苗誘發冷害的重要原因[19-21]，在一定的低溫范圍內，保護酶系的含量或活性上升有利于保持植物體內自由基的產生和清除之間的平衡，不致造成膜脂過氧化；但當溫度繼續下降或低溫持續時間長，則活性氧、自由基就會明顯增加，而清除劑含量下降，導致自由基積累，造成膜脂過氧化。王燕等[22]把紫花芒果放在2℃中15天，發現冷害發生時，SOD活性略有上升后下降，CAT活性持續下降，說明冷害可降低CAT和SOD活性。朱其杰等[23]研究表明，常溫和低溫下生長的黃瓜，耐低溫能力強的品種POD活性都低，同工酶酶帶都少。POD活性及同工酶酶帶數與黃瓜的耐冷性表現為負相關。本研究結果與其基本一致，但‘通蓖6號’POD活性在低溫脅迫下呈現升高，供試品種CAT活性變化與常溫比較無差異，其變化可能是蓖麻在低溫環境下的一種應激反應，因此還需要深入研究。

經溫度脅迫后，蓖麻品種各項生理指標變化趨勢不同，不同品種間也有一定差異。在所供試品種中‘通蓖5號’表現最優，抗性較好。適當的低溫脅迫可以誘發抗氧化劑酶系統的活力，增強品種的抗逆性，故在播種時如遇低溫冷害，應增加保溫、增溫的措施，適當的進行煉苗以提高品種的抗寒性，從而減輕低溫對其的影響，同時注意選擇耐低溫性強的品種，并進行轉錄組測序，篩選耐低溫的功能基因，以培育新品種適應通遼當地氣候環境，結合良好栽培措施，克服萌發障礙保證出苗。

[1]Koornneef M,Bentsink L,Hilhorst H.Seed dormancy and germination[J].Current Opinion in Plant Biology,2002,5(1):33-36.

[2]Henderson I R,Dean C.Control of arabidopsis flowering:the chill before the bloom[J].Development,2004,131(16):3829-3838.

[3]Gray W M,Qstin A,Sandberg G,et al.High temperature promotes auxin-mediated hypocotyl elongation in Arabidopsis[J].Proceedings of the National Academy of Sciences,1998,95(12):7197-7202.

[4]Mazzella M A, Bertero D, Casal J J. Temperaturedependentinternode elongation in vegetative plants of Arabidopsis thaliana lacking phytochrome B and cryptochrome 1[J].Planta,2000, 210(3):497-501.

[5]Penfield S.Temperature perception and signal transduction in plants [J].New Phytologist,2008,179(3):615-628.

[6]魏樂,杜軍華.高溫和零上低溫對小麥根系含糖量及細胞透性的影響[J].青海師范大學學報:自然科學版,1999(1):36-39.

[7]Baldw in B S,Cossar R D.Castor yield in response to planting date at four locations in the south-central United States[J].Industrial Crops and Products,2009,29:316-319.

[8]Ogunniyi D S.Castor oil:a vital industrial rawmaterial[J]. Bioresource Technol,2006,97:1086-1091.

[9]李合生.植物生理生化實驗原理和技術[M].北京:高等教育出版社,2000(7):184,164-167.

[10]馬艷青,戴雄澤.低溫脅迫對辣椒抗寒性相關生理指標的影響[J].湖南農業大學學報:自然科學版,2000,26(6):461-462.

[11]Gao Y,Qi X H,Yang J H,et al.The response mechanism of cold stress in higher plants[J].Northern Horticulture,2007(10):58-61.

[12]Lu M H,Chen J F.Genetic engineering of plant for cold tolerance [J].Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica,2004,24(10):1953-1958.

[13]劉大永,王維香.過氧化氫對水稻幼苗中CAT和POD活性的影響[J].作物學報,1998,24(3):320-324.

[14]Susan W,Atul M,Vaidaya G B,et al.High specific activity of whole cells in an aqueousorganic two phasemem brane bioreactor [J].Enzyme and Technology,1998(22):575-577.

[15]潘曉云.膜脂過氧化作為扁桃品種抗寒性鑒定指標研究[J].生態學報,2002(11):1902-1911.

[16]簡令成,吳素萱.植物抗寒性的細胞學研究-小麥越冬過程中細胞內物質的變化[J].植物學報,1965,13:1-16.

[17]Levitt J.Responses of Plant to Environmental Stress[M].New York: Academic Press,1980:365-488.

[18]王愛國,邵從本,羅廣華,等.大豆下胚軸線粒體的衰老與膜脂的過氧化作用[J].植物生理學報,1988,14(3):269.

[19]李明玉,曹辰興,于喜艷.低溫鍛煉對冷脅迫下黃瓜幼苗保護性酶的影響[J].西北農業學報,2006,15(1):160-164.

[20]張自坤,劉世琦,王忠全,等.低溫脅迫對不同砧木黃瓜嫁接苗生理生化指標的影響[J].山東農業科學,2009,5:36-40.

[21]徐心誠.低溫弱光對黃瓜幼苗過氧化物酶同工酶和丙二醛含量的影響[J].河南農業科學,2012,14(1):113-116.

[22]王燕,李雪平,季作梁.芒果冷害對兩種自由基清除劑的影響[J].園藝學報,1995,22(3):235-239.

[23]朱其杰,高守云,蔡洙湖.等.黃瓜耐冷性鑒定及遺傳規律的研究[M].見:李樹德主編:中國主要菜抗病育種進展[M].北京:科學出版社,1995:457-462.

Effects of Low Temperature Stress on Physiology and Biochemistry in Seed Germination of Castor Bean

Bai Xue1,Li Xing1,Liu Peng1,2,3,4,Zheng Genchang1,Li Xuxin1,Zhang Chunlan5,Jia Aimin6
(1College of Agriculture,Inner Mongolia University for Nationalities,Tongliao 028043,Inner Mongolia,China;2Inner Mongolia Industrial Engineering Research Center of Universities for Castor,Tongliao 028043,Inner Mongolia,China;3Inner Mongolia Key Laboratory of Castor Breeding,Tongliao 028043,Inner Mongolia,China;4Inner Mongolia Collaborative Innovation Cultivate Center for Castor,Tongliao 028043,Inner Mongolia,China;5Collage of Life Science,Inner Mongolia University for Nationalities,Tongliao 028043,Inner Mongolia,China;6State-owned Farms in Inner Mongolia Mianduhe,Yakeshi 022176,Inner Mongolia,China)

The purpose of the study is to explore the regulation mechanism of castor seed germination under low temperature,in order to select and breed new varieties with high quality and resistance.In this study,three castor cultivars were used as materials.A complete randomized design was adopted with 3 duplicates.The low temperature of 15℃and normal temperature of 25℃(CK)were set up and the seeds germination experiments were conducted.After determining the vitality of cultivars,the physiological index was determined by taking samples when the radicles were 2 cm long.The results indicated that seeds germination of castor was significantly hindered by low temperature stress.The sugar content and TSP were less than that of the control in radicles under low temperature,but the MDA content was significantly higher than that of the control under the low temperature.The performance of enzyme activity in castor was quite different under low temperature, SOD activity in radicles was less than that of the control under low temperature.Excepting‘Tongbi No.6’,other varieties’POD activity was significantly lower than that of the control;the CAT activity performance was not significant,and the activities were basically coincident under different temperature conditions.It concluded that‘Tongbi No.5’performed well under low temperature stress,and it could take gene sequencing for the next step.

Castor;Low Temperature Stress;Seed Germination;Physiology and Biochemistry

S565.6

：A論文編號：cjas16100008

內蒙古自治區高校蓖麻產業工程技術中心、內蒙古自治區蓖麻育種重點實驗室科研項目“低溫抑制蓖麻種子萌發的生理生化基礎研究”(BMYJ2015-06)；市校合作項目“利用EMS優質抗逆蓖麻新品種的研究誘變選育”(SXYB2012050)。

白雪，女，1991年生人，內蒙古赤峰人，碩士，研究方向：蓖麻生理生化及生物技術研究。通信地址：028000內蒙古通遼市科爾沁區內蒙古民族大學農學院北區農學樓207室，E-mail：1243940967@qq.com。

劉鵬，男，1973年生人，內蒙古赤峰人，教授，博士，主要從事作物遺傳育種研究。通信地址：028000內蒙古通遼市科爾沁區內蒙古民族大學北區農學樓208室內蒙古民族大學農學院，E-mail：mindaliupeng@126.com。

2016-10-10，

：2016-12-12。