高溫脅迫對棗苗生理特性的影響

靳 娟，楊 磊，樊丁宇，郝 慶

(新疆農業科學院園藝作物研究所/農業部新疆地區果樹科學觀測實驗站，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】棗(ZiziphusjujubaMill.)為鼠李科(Rhamnaceae)棗屬(ZizyphusMill)植物，是中國最早栽培的果樹之一，也是我國的第一大干果樹種[1-2]。新疆是棗的主產區之一，2015年底新疆紅棗種植面積約為4.95×105hm2，總產量約為3.05×106t，棗產業為帶動新疆經濟的發展起著重要作用[3]。【前人研究進展】40℃高溫造成‘翠冠’梨和‘園黃’梨葉綠體、線粒體等細胞器數量、形態和結構發生顯著變化[4]，甚至改變葡萄[5-6]、獼猴桃[7]等果樹葉片的氣孔特征，降低灰棗[8]、砂梨[9]等果樹的光合速率。高溫還會造成梨[10]、棗[11]、葡萄[12]葉片細胞膜透性增大，膜脂過氧化加劇。此外，高溫脅迫下活性氧的積累促使獼猴桃[13]、蘋果[14]、葡萄[15]等果樹的SOD、POD和CAT等抗氧化酶活性增強，以減輕高溫脅迫的傷害。【本研究切入點】近年來新疆頻繁出現超過40℃的短期極端高溫天氣[16]，對棗樹的危害嚴重，表現為大面積“焦花”、落花落果、果面灼傷、產量和品質下降等現象。研究高溫脅迫對棗葉片生理生化指標的影響。【擬解決的關鍵問題】以酸棗和灰棗穴盤苗為材料，測定棗葉片在高溫脅迫下的細胞膜透性、丙二醛(MDA)含量、滲透調節物質、抗氧化酶活性以及光合色素含量的變化，研究棗實生苗對高溫脅迫的適應機制，為制定防御高溫脅迫的策略提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

挑選健康飽滿、大小一致的酸棗和灰棗種子，室溫清水浸泡24 h促進種子發芽。種子催芽后播種于基質中培養。待幼苗十四葉一心時，于2017年5月30日挑選長勢基本一致的植株置于人工智能氣候培養箱(上海一恒科學儀器有限公司制造)，培養箱條件設置：晝/夜為14 h/10 h，溫度為30℃/20℃，相對濕度為80%左右，光合有效輻射為100 μmol/(m2·s)。

于2017年6月6日選擇生長一致的植株進行高溫處理，高溫脅迫期間濕度保持在80%左右，處理溫度為45℃/35℃，光暗周期為14 h/ 10 h。材料在人工培養箱內隨機排列，高溫脅迫期間每天20:00澆1次水，保證水分充足，并按照順序變換位置以保證生長條件一致。于高溫處理0、1、3和5 d采集葉片，取樣時間定為16:00，3次重復，葉片經液氮速凍后保存于-80℃冰箱中。

1.2 方 法

1.2.1 相對電導率和MDA含量測定

葉片相對電導率參考李合生[17]的方法，使用DDS-307A型電導率儀測定。MDA含量參照Herth和Paker[18]的方法測定。

1.2.2 滲透調節物質含量測定

可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量參照鄒琦[19]的方法測定。

1.2.3 抗氧化酶活性測定

SOD活性測定采用氮藍四唑光化還原法[20]。POD活性測定采用愈創木酚氧化法[21]。CAT活性測定采用紫外分光光度法[22]。

1.2.4 光合色素含量測定

光合色素含量參照Arnon[23]的方法測定。

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2016軟件進行數據處理，Origin Pro 8.0軟件作圖，利用SPSS 17.0軟件進行方差分析。表中數據以“平均值±標準差”表示。

2 結果與分析

2.1高溫脅迫對棗苗相對電導率和MDA含量的影響

研究表明，與對照(0 d)相比，45℃高溫處理第1 d和第3 d酸棗幼苗葉片相對電導率沒有顯著差異，處理第5 d相對電導率顯著提高18.1%。灰棗實生苗葉片相對電導率在處理第3 d和5 d較對照分別顯著提高25.4%和37.9%。隨著高溫處理時間的延長，酸棗葉片MDA含量變化不顯著，而灰棗實生苗葉片MDA含量在處理第1 d、3 d和5 d較對照分別顯著提高70.4%、121.8%和174.3%，在高溫脅迫下，酸棗葉片細胞膜穩定性較灰棗實生苗強，細胞膜損壞程度小，葉片受高溫傷害的程度輕。圖1

注：柱形圖上不同小寫字母表示同一品種不同處理間差異顯著(P< 0.05)，下同

Note: Different letters in the column indicate significant difference among different treatment of the same variety (P< 0.05) , the same as below

圖1 高溫脅迫下棗葉片相對電導率和丙二醛含量變化
Fig.1 Effect of high temperature stress on relative conductivity and MDA content of jujube leaves

2.2 高溫脅迫對棗苗滲透調節物質含量的影響

研究表明，與對照相比，酸棗和灰棗實生苗葉片可溶性糖含量均在高溫處理第1 d顯著下降，較對照分別降低13.3%和87.6%，之后顯著上升。高溫處理下酸棗和灰棗實生苗葉片中可溶性蛋白含量變化不大，均在高溫處理第5 d達到最大值，分別為4.477和4.212 mg/g。高溫處理第3 d和5 d酸棗和灰棗實生苗葉片中脯氨酸含量較對照均顯著升高，其中酸棗分別提高82.5%和230.3%，灰棗實生苗分別提高59.5%和211.6%，由此可以說明，酸棗和灰棗實生苗主要是通過提高葉片中可溶性糖和脯氨酸含量來抵御高溫脅迫的。圖2

圖2 高溫脅迫下棗葉片可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸含量變化
Fig.2 Effect of high temperature stress on soluble sugar, soluble protein and proline content of jujube leaves

2.3 高溫脅迫對棗苗3種抗氧化酶活性的影響

研究表明，與對照相比，隨著高溫處理時間的延長，酸棗葉片SOD活性顯著升高，處理第1 d、3 d和5 d葉片SOD活性較對照分別提高28.9%、61.7%和65.3%；灰棗實生苗SOD活性表現出先下降后上升的趨勢。高溫處理下酸棗和灰棗實生苗POD活性變化不大，均在高溫處理第5 d達到最大值，分別為592.92和575.97 U/(g·min)。與對照相比，隨著高溫處理時間的延長，酸棗和灰棗實生苗CAT活性均顯著升高，高溫處理第1 d、3 d和5 d酸棗葉片CAT活性分別比對照提高18.2%、67.3%和92.7%，灰棗實生苗葉片CAT活性分別比對照提高66.6%、92.5%和200.0%。由此可以看出，高溫脅迫下，酸棗和灰棗實生苗葉片通過保持較高的SOD和CAT活性來減輕高溫脅迫的傷害。圖3

圖3 高溫脅迫下棗葉片抗氧化酶活性變化
Fig.3 Effect of high temperature stress on antioxidant enzyme activity of jujube leaves

2.4 高溫脅迫對棗苗光合色素含量的影響

在逆境條件下，植物的光合功能降低常常與光合色素的變化有關。研究表明，高溫處理1 d后，酸棗和灰棗實生苗葉片中葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量和類胡蘿卜素含量較對照沒有顯著差異，之后顯著下降，高溫處理5 d后酸棗和灰棗實生苗葉片中葉綠素a含量分別比對照降低13.8%和25.2%，葉綠素b含量分別比對照降低30.7%和34.6%，葉綠素總量分別比對照降低21.1%和24.1%，類胡籮卜素含量分別比對照降低18.0%和33.9%。隨著高溫脅迫時間的延長，酸棗和灰棗實生苗葉片光合色素含量顯著下降，光合作用受到抑制。圖4

圖4 高溫脅迫下棗葉片光合色素變化
Fig.4 Effect of high temperature stress on the photosynthetic pigments of jujube leaves

3 討 論

在逆境脅迫下，植物體內活性氧(ROS)會大量積累，活性氧代謝系統失去平衡，ROS攻擊細胞內不飽和脂肪酸，膜脂過氧化加劇，導致膜系統損傷和細胞傷害，植物生理代謝受阻，嚴重時導致植株死亡[24-25]。高溫脅迫下植物體內活性氧積累的直接表現為細胞膜透性增加[26]。高溫脅迫下梨[10]、棗[11]、葡萄[12]等果樹葉片細胞膜透性增大，植株受到傷害。研究結果顯示，高溫處理不同時間下，酸棗葉片相對電導率僅在處理第5 d 顯著增加，MDA含量變化不顯著，而灰棗實生苗葉片相對電導率和MDA含量隨著高溫處理時間的延長逐漸升高，說明在高溫脅迫下，酸棗幼苗葉片細胞膜穩定性較灰棗實生苗強，受高溫傷害的程度輕。

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)、谷胱甘肽還原酶(GR)等抗氧化酶活性與植物的耐熱性密切相關[27]。‘海沃德’獼猴桃葉片SOD、POD、CAT、APX活性在高溫脅迫初期均呈上升趨勢，隨處理時間延長，活性下降[14]。40℃高溫脅迫下‘嘎啦’蘋果葉片APX、GR等酶活性顯著高于對照，在處理4 h達到峰值，之后下降[15]。王進等[10]研究發現高溫脅迫下黃花梨和綠寶石梨葉片的SOD、CAT、POD活性先降后升再下降。試驗中，與對照相比，隨著高溫處理時間的延長，酸棗苗葉片SOD和CAT活性顯著升高，灰棗實生苗SOD活性先下降后上升，CAT活性顯著升高，表明酸棗和灰棗實生苗均可通過提高體內SOD和CAT活性來清除活性氧，減輕高溫傷害。

高溫脅迫下，植物細胞能主動合成糖類、脯氨酸、可溶性蛋白、甜菜堿等物質，以增加細胞溶質濃度，降低滲透勢，緩和高溫脅迫[28]。Van等[29]研究發現44℃高溫脅迫下四季杧和臺農一號杧2種杧果葉片可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量均出現不同程度的上升，并且臺農一號杧的游離脯氨酸含量和可溶性糖含量積累高于四季杧。42℃高溫脅迫下葡萄葉片脯氨酸含量明顯高于對照，可溶性糖含量隨脅迫時間的延長呈現先降低后升高再降低的趨勢[30]。試驗中，酸棗和灰棗實生苗葉片可溶性糖含量先下降后上升，可能是由于酸棗和灰棗實生苗突然受到脅迫時體內產生的活性氧遠遠超過其正常歧化能力，造成細胞內各種功能破壞，生理代謝紊亂，可溶性糖含量下降，之后可溶性糖含量逐漸上升，這說明酸棗和灰棗實生苗可通過提高可溶性糖含量來保護其內部組織，減輕高溫傷害。此外，高溫處理下酸棗和灰棗實生苗葉片中可溶性蛋白含量變化不大，酸棗和灰棗實生苗脯氨酸含量在高溫處理第3 d和5 d顯著升高，高溫脅迫可以誘導脯氨酸的積累，在棗實生苗抵御高溫脅迫過程中起到積極的作用。

光合作用是植物對溫度變化最為敏感的代謝反應[31]。高溫會導致葉綠素分解，植物光合能力下降[32]。類胡蘿卜素既可參與植物的光合作用，還可吸收細胞內剩余能量，淬滅活性氧，防止膜脂過氧化[33]。高溫處理降低了酸棗和灰棗實生苗葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量和類胡蘿卜素含量，且酸棗苗葉片中光合色素含量下降幅度小于灰棗實生苗。

4 結 論

4.1 與對照相比，高溫脅迫下，酸棗葉片相對電導率僅在高溫脅迫第5 d顯著提高18.1%，葉片MDA含量變化不顯著，灰棗實生苗葉片相對電導率在高溫脅迫第3 d和5 d分別提高25.4%和37.9%，葉片MDA含量隨著脅迫時間的延長較對照提高了70.4%～174.3%。

4.2 與對照相比，隨著高溫脅迫時間的延長，酸棗葉片脯氨酸含量提高82.5%～230.3%，可溶性糖含量先下降后上升，SOD活性提高28.9%～65.3%，CAT活性提高18.2%～92.7%；灰棗實生苗葉片脯氨酸含量提高59.5%～211.6%，可溶性蛋白、SOD活性先下降后上升，CAT活性提高66.6%～200.0%。高溫脅迫對酸棗和灰棗實生苗可溶性蛋白、POD活性影響不大。此外，高溫處理下酸棗CAT活性始終高于灰棗實生苗。

4.3 高溫脅迫5 d后，酸棗和灰棗實生苗葉片中葉綠素a、葉綠素b含量、葉綠素總量和類胡籮卜素含量顯著降低，其中酸棗分別降低13.8%、30.7%、21.1%和18.0%，灰棗實生苗分別降低25.2%、34.6%、24.1%和33.9%。

隨著高溫脅迫時間的延長，酸棗和灰棗實生苗葉片可溶性糖、脯氨酸、SOD和CAT活性均提高，光合色素含量均下降，并且酸棗葉片細胞膜穩定性較灰棗實生苗強，光合色素下降幅度較灰棗實生苗小，耐熱性較灰棗實生苗強。

參考文獻(References)

[1] 曲澤洲, 王永蕙, 彭士琪, 等. 中國果樹志·棗卷[M]. 北京:中國林業出版社, 1993:5-7.

QU Ze-zhou, WANG Yong-hui, PENG Shi-qi, et al. (1993).China'sfruittrees·Jujubevolume[M]. Beijing: China Forestry Press: 5-7.(in Chinese)

[2] Liu, M. J., Zhao, Z. H., & Liu, M. J. (2009). Germplasm resources and production of jujube in china.ActaHorticulturae, 840(840): 25-32.

[3]新疆維吾爾自治區統計局.新疆統計年鑒[J].北京:中國統計出版社, 2016: 372-373．

Statistics Bureau of Xinjiang Uyghur Autonomous Region. (2016).Xinjiangstatisticalyearbook[J]. Beijing: China Statistics Press: 372-373. (in Chinese)

[4] Liu, D. F., Zhang, D., Liu, G. Q., Hussain, S., & Teng, Y. W. (2013). Influence of heat stress on leaf ultrastructure, photosynthetic performance, and ascorbate peroxidase gene expression of two pear cultivars (pyrus pyrifolia).JournalofZhejiangUniversity.science.b,14(12):1,070-1,083.

[5] Luo, H. B., Ma, L., Xi, H. F., Duan, W., Li, S. H., & Loescher, W., et al. (2011). Photosynthetic responses to heat treatments at different temperatures and following recovery in grapevine (vitis amurensis l.) leaves.PlosOne, 6(8): e23033.

[6]張睿佳, 李瑛, 虞秀明, 等. 高溫脅迫與外源油菜素內酯對'巨峰'葡萄葉片光合生理和果實品質的影響[J].果樹學報, 2015, 32(4): 590-596.

ZHANG Rui-Jia, LI Ying, YU Xiu-ming, et al. (2015). Effects of heat stress and exogenous brassinolide on photosynthesis of leaves and berry quality of'Kyoho'grapevine [J].JournalofFruitScience, 32(4): 590-596. (in Chinese)

[7]王振興, 艾軍, 陳麗, 等. 軟棗獼猴桃葉片光系統Ⅱ活性對不同溫度的響應[J].西北植物學報, 2015, 35(2): 329-334.

WANG Zhen-xing, AI Jun, CHEN Li, et al. (2015). Activity of photosystems Ⅱ in leaves ofActinidiaargutaunder different temperature treatments [J].ActaBot.Boreal.-Occident.Sin. , 35(2): 329-334.(in Chinese)

[8]徐斌, 白克力·塔西鐵木爾, 車鳳斌, 等.不同溫度環境下灰棗光合特征日變化的研究[J].新疆農業科學, 2015, 52(12): 2 222-2 229.

XU Bin, Baikeli Taximuer, CHE Feng-bin, et al. (2015).Study on the photosynthetic characteristics diurnal variation of huizao under different temperatures[J].XinjiangAgriculturalSciences, 52(12):2,222-2,229.(in Chinese)

[9]計瑋瑋, 邱翠花, 焦云, 等.高溫強光脅迫對砂梨葉片光合作用、D1蛋白和Deg1蛋白酶的影響[J].果樹學報, 2012, 29(5):794-799.

JI Wei-wei, QIU Cui-hua, JIAO Yun, et al. (2012). Effects of high temperature and strong light on photosynthesis，D1 protein, and the Deg1 protease in pear (Pyrus pyrifolia) leaves [J].JournalofFruitScience, 29(5):794-799.(in Chinese)

[10]王進, 歐毅, 武崢, 等.高溫脅迫對早熟梨生理效應和早期落葉的影響[J].西南農業學報, 2011, 24(2):546-551.

WANG Jin, OU Yi, WU Zheng, et al. (2011). Effects of high temperature stress on physiological indicators, early defoliation pf early maturing pear [J].SouthwestChinaJournalofAgriculturalSciences, 24(2)：546-551.(in Chinese)

[11]田彩萍, 姚延梼.高溫脅迫對棗樹幼苗生長發育的影響[J].天津農業科學, 2011, 17(3):15-17.

TIAN Cai-ping, YAO Yan-tao. (2011). Effect of heat stress on physiological index of jujube [J].TianjinAgriculturalSciences, 17(3):15-17. (in Chinese)

[12]孫軍利, 趙寶龍, 郁松林.外源水楊酸 (SA) 對高溫脅迫下葡萄幼苗耐熱性誘導研究[J].水土保持學報, 2014, 28(3): 290-294.

SUN Jun-li, ZHAO Bao-long, YU Song-lin. (2014). Study of exogenous salicylic acid (SA) on the heat tolerance in grape seedlings under high temperature stress [J].JournalofSoilandWaterconservation, 28(3):290-294.(in Chinese)

[13]耶興元, 馬鋒旺, 王順才, 等.高溫脅迫對獼猴桃幼苗葉片某些生理效應的影響[J].西北農林科技大學學報, 2004, 32(12):33-37.

YE Xing-yuan, MA Feng-wang, WANG Shun-cai, et al. (2004). Physiological effects of kiwifruit lamina under high temperature stress[J].JournalofNorthwestSci-TechUniv.ofAgri.andFor. , 32(12):33-37.(in Chinese)

[14] YH Ma, FW Ma, JK Zhang, MJ Li, YH Wang, & D Liang. (2008). Effects of high temperature on activities and gene expression of enzymes involved in ascorbate-glutathione cycle in apple leaves.PlantScience,175(6):761-766.

[15]孫軍利, 趙寶龍, 郁松林. 外源水楊酸對高溫脅迫下葡萄幾種抗氧化酶活性和抗氧化物含量的影響[J].植物生理學報, 2014, 50(7):1 014-1 018.

SUN Jun-li, ZHAO Bao-long, YU Song-lin. (2014). Effect of exogenous salicylic acid on antioxidant enzymes activities and Antioxidants contents in grape seedlings under high temperature stress [J].PlantPhysiologyJournal, 50(7):1,014-1,018.(in Chinese)

[16]王鵬祥, 楊金虎. 中國西北近45a來極端高溫事件及其對區域性增暖的響應[J].中國沙漠, 2007, 27(4)：649-655.

WANG Peng-xiang, YANG Jin-hu. (2007). Extreme high temperature events and response to regional warming in recent 45 years in northwest China [J].JournalofDesertResearch, 27(4):649-655. (in Chinese)

[17]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, 2006: 261-263.

LI He-sheng. (2006).Plantphysiologicalandbiochemicalprinciplesandexperimentaltechniques[M]. Beijing: Higher Education Press: 261-263. (in Chinese)

[18] Heath, R. L., & Packer, L. (1968). Photoperoxidation in isolated chloroplasts. i. kinetics and stoichiometry of fatty acid peroxidation.ArchivesofBiochemistry&Biophysics, 125(1): 189-198.

[19]鄒琦.植物生理學實驗指導[M].北京:中國農業出版社, 2004: 111-130.

ZOU Qi. (2004).Experimentalguidanceofplantphysiology[M]. Beijing: China Agriculture Press: 111-130. (in Chinese)

[20]王愛國, 羅廣華, 邵從本, 等. 大豆種子超氧物歧化酶的研究[J]. 植物生理學報, 1983, 9(1):77-84.

WANG Ai-guo, LUO Guang-hua, SHAO Cong-ben, et al. (1983). A study of superoxide dismutase of soybean seeds [J].JournalofPlantPhysiology, 9(1):77-84.(in Chinese)

[21] Omran, R. G. (1980). Peroxide levels and the activities of catalase, peroxidase, and indoleacetic acid oxidase during and after chilling cucumber seedlings.PlantPhysiology, 65(2): 407-408.

[22]郝建軍, 康宗利, 于洋. 植物生理實驗技術[M]. 北京:化學工業出版社, 2006.

HAO Jian-jun, KANG Zong-li，YU Yang. (2006).Plantphysiologyexperimenttechnology[M]. Beijing: Chemical Industry Press.(in Chinese)

[23] Arnon, D. I. (1949). Copper enzymes in isolated chloroplasts. polyphenoloxidase in beta vulgaris.PlantPhysiology, 24(1): 1-15.

[24] Apel, K., & Hirt, H. (2004). Reactive oxygen species: metabolism, oxidative stress, and signal transduction.AnnualReviewofPlantBiology,55(x): 373-399.

[25] Miller, G., Shulaev, V., & Mittler, R. (2008). Reactive oxygen signaling and abiotic stress.PhysiologiaPlantarum, 133(3): 481-489.

[26] Yin, H., Chen, Q., & Yi, M. (2008). Effects of short-term heat stress on oxidative damage and responses of antioxidant system in lilium longiflorum.PlantGrowthRegulation, 54(1): 45-54.

[27] Almeselmani, M., Deshmukh, P. S., Sairam, R. K., Kushwaha, S. R., & Singh, T. P. (2006). Protective role of antioxidant enzymes under high temperature stress.PlantScience, 171(3): 382-388.

[28] Chen, T. H., & Murata, N. (2002). Enhancement of tolerance of abiotic stress by metabolic engineering of betaines and other compatible solutes.CurrentOpinioninPlantBiology, 5(3):250-257.

[29]VAN TOAN CAN，羅聰，何新華，等. 高溫脅迫對杧果幼苗生理生化指標的影響[J]. 熱帶作物學報，2016，37(1):53-58.

CAN VAN TOAN, LUO Cong, HE Xin-hua, et al. (2016). Effect of high temperature stress on physiology indices of mango seedlings [J].ChineseJournalofTropicalCrops, 37(1):53-58.(in Chinese)

[30]湯照云, 呂明, 張霞, 等. 高溫脅迫對葡萄葉片三項生理指標的影響[J].石河子大學學報, 2006, 24(2): 198-200.

TANG Zhao-yu, Lü Ming, ZHANG Xia, et al. (2006). High temperature physical coercion to several indicators of the impact of grape leaves[J].JournalofShiheziUniversity, 24(2): 198-200.(in Chinese)

[31] Virginia, W. (2011). How plants cope with temperature stress.BMCBiology, 9(1): 1-4.

[32]孫山，李鵬民，劉慶忠，等. 高灌越橘光合作用對若干環境因子的響應[J].園藝學報，2007，34 (1)：67-70.

SUN Shan，LI Peng-min，LIU Qing-zhong，et al. (2007). Response of photosynthesis to some environmental factors of high-bush blueberry cultivars [J].ActaHorticulturaeSinica, 34(1):67-70. (in Chinese)

[33] Willekens, H., Van, C. W., Van, M. M., Inze, D., Langebartels, C., & Jr, S. H. (1994). Ozone, sulfur dioxide, and ultraviolet b have similar effects on mrna accumulation of antioxidant genes in nicotiana plumbaginifolia l.PlantPhysiology, 106(3):1,007-1,014.