燕麥幼苗對干旱-低溫交叉適應的生理響應及其綜合評價

劉建新，劉秀麗，王金成

(甘肅省高校隴東生物資源保護與利用省級重點實驗室，隴東學院生命科學與技術學院，甘肅 慶陽 745000)

燕麥(AvenanudaL.)是禾本科燕麥屬一年生小雜糧作物，生育期短、抗逆性強，其籽粒不僅營養價值高[1]，還具有控制血糖、血壓和血脂升高的保健功效[2]。燕麥在中國主要分布于西北、西南和華北等省區，年種植面積約1.6×107hm2[3]。燕麥喜涼爽但不耐寒，幼苗能忍耐-2℃～-4℃的低溫。在中國西北地區的早春季節不僅少雨干旱，而且倒春寒氣候時常發生，干旱和低溫交叉脅迫成為影響燕麥幼苗生長發育，繼而影響產量和品質的制約因素。因此，探討燕麥幼苗干旱-低溫交叉適應的生理機制，對減輕燕麥低溫逆境脅迫和高產穩產栽培具有重要意義。

植物遭受某種不良環境后不僅增強這種特定環境的適應能力，還能產生抵抗其它不良環境的能力稱為植物的交叉適應[4]。關于植物交叉適應的研究目前主要集中在干旱、鹽脅迫、高溫和低溫等方面，人們對植物交叉適應的機理尚缺乏深入和全面的了解。張俊環和黃衛東[5]研究得出，高溫鍛煉和低溫鍛煉能夠誘導葡萄幼苗對溫度逆境的交叉適應性，認為高溫鍛煉誘導的葡萄抗冷性和低溫鍛煉誘導的耐熱性有著相似的抗氧化保護機制。Streb等[6]研究表明，低溫和重金屬誘導的豌豆對低溫下光系統Ⅱ保護能力的增強與葉片抗壞血酸和谷胱甘肽含量提高相關。小麥[7]和黃瓜[8]對干旱-低溫適應能力的增強與滲透溶質含量和滲透調節能力提高有關。研究發現，旱鹽交叉脅迫下適量土壤含鹽量會通過提高滲透調節[9]和抗氧化系統活性[10]緩解輕、中度干旱脅迫對燕麥幼苗的傷害。為進一步了解干旱能否增強燕麥對低溫脅迫的交叉適應能力，本研究采用聚乙二醇6000(PEG)模擬干旱預處理燕麥幼苗，檢測低溫脅迫下燕麥葉片活性氧物質、膜脂過氧化產物、滲透調節物質含量和抗氧化系統活性及植株生長狀況，采用主成分和隸屬函數分析綜合評價干旱誘導燕麥幼苗低溫交叉適應的作用，旨在為探索燕麥苗期抗寒新途徑提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料培養與處理

試驗于2015年4-7月在甘肅省高校隴東生物資源保護與利用重點實驗室進行。供試燕麥品種為 ‘定莜6號’(種子由甘肅省定西市旱作農業科研推廣中心提供)。挑選飽滿一致、無病蟲害的種子，用自來水清洗干凈后浸泡6 h，播種在裝有珍珠巖的培養皿(直徑12 cm)中，每皿播200粒左右，共播種180個培養皿。澆足水后置于人工氣候箱中萌發生長，常規管理。人工氣候箱晝/夜溫度25℃/16℃，光周期13 h/11 h(晝/夜)，光照強度100 μmol·m-2·s-1，濕度65%～75%。當幼苗2葉1心期時澆灌1次Hoagland營養液以補充養分，再培養7 d后進行處理。將180個培養皿幼苗分成兩組，每組90個，其中一組用20% PEG澆灌幼苗以模擬干旱脅迫，3 d后幼苗葉片出現萎蔫，然后用蒸餾水清洗培養皿中PEG，洗凈后加入Hoagland營養液培養2 d至幼苗恢復正常；同時，另外一組以未經PEG處理的幼苗作為對照(CK)。然后將干旱預處理及對照幼苗放入人工氣候箱中進行晝/夜溫度為8℃/5℃(甘肅省中部燕麥種植區3～4月份遭倒春寒后常見的低溫)低溫脅迫。每組處理3次重復，隨機排列，每天交換培養皿位置以保證光溫條件一致，分別于低溫處理的0、1、3、5、7 d從上往下取幼苗1～2片全展葉，用液氮速凍后-70℃保存，用于測定相關生理指標。低溫處理7 d后測定植株株高增量和生物量增量。

1．2 測定指標與方法

1.2.1 株高增量和生物量增量 幼苗低溫脅迫前及低溫脅迫7 d后用直尺測量30株植株從莖基部到葉尖的高度，計算株高增量Δh(cm)=低溫脅迫7 d后株高(h2)-低溫脅迫前株高(h1)。分別取100株低溫脅迫前和低溫脅迫7 d后幼苗，在105℃殺青30min后70℃烘至恒重稱生物量，計算生物量增量Δm(g)=低溫脅迫7 d后生物量(m2)-低溫脅迫前生物量(m1)。

1．2．3 抗氧化酶活性和抗氧化物質含量 超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)和抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性及抗壞血酸(ASA)和谷胱甘肽(GSH)含量均按陳建勛和王曉峰[14]的方法測定。

1．2．4 滲透調節物質含量 采用李合生[13]的蒽酮比色法、考馬斯亮藍法、茚三酮染色法和磺基水楊酸法分別測定可溶性糖(SS)、可溶性蛋白質(SP)、游離氨基酸(AA)和脯氨酸(Pro)含量。

1．3 數據統計分析

為克服單一指標評價帶來的片面性，對檢測的14項生理指標值采用SPSS 20.0軟件離差標準化后進行主成分分析，得到不同處理時間主成分的得分值后再計算隸屬函數值，然后根據主成分分析方差貢獻率的大小計算出各主成分的加權綜合評價值(D值)，再對D值進行單因素方差分析，Duncan法檢驗差異顯著性(P<0.05)，最后用Excel 2003將D值與不同處理時間作圖，以平均值±標準差表示D值結果。

原始數據離差標準化值Xj用公式：

(1)

隸屬函數值U(Xj)計算用公式：

U(Xj)=(Xj-Xjmin)/(Xj-Xjmax)

(2)

式中，Xjmin、Xjmax分別是第j個綜合指標Xj的最小值和最大值。

綜合指標權重Wj計算用公式：

Wj=Pj/∑Pj

(3)

式中，Pj為各處理組第j個主成分的特征值。

綜合評價值D計算用公式：

D=∑[U(Xj)×Wj]，j=1，2，3,…,n

(4)

2 結果與分析

2.1 PEG預處理對低溫脅迫下燕麥幼苗生長狀況的影響

從圖1可見, 與CK相比，PEG模擬干旱預處理顯著提高了燕麥幼苗在低溫脅迫下的株高增量和生物量增量，增幅分別為28.0%和30.1%。

注：不同字母表示處理間在P<0.05水平下差異顯著，下同。Note: The different letters mean significant differences at P<0.05. The same below.圖1 PGE預處理對低溫下燕麥株高和生物量增量的影響Fig.1 Effect of PEG pretreatment on the height increment and biomass increment of oat seedlings under low temperature stress

2.2 PEG預處理對低溫脅迫下燕麥幼苗生理指標的影響

表1低溫脅迫下燕麥幼苗生理指標

Table 1 Physiological indexes in leaves of oat seedlings under low temperature stress

指標IndexPEGCK0d1d3d5d7d0d1d3d5d7dO?2/(μmol·g-1FW)0．3830．1790．0320．0180．2300．6560．2250．0620．0270．116H2O2/(mg·g-1FW)1．4333．7534．3033．4776．0971．4102．1034．5872．9831．433MDA/(nmol·g-1FW)1．5433．57321．0135．4534．1803．5435．5903．9602．8571．543SOD/(U·g-1FW)30．8033．9728．2022．5021．7733．2733．0031．5335．0330．80CAT/(U·g-1FW)471．7702．0647．31264．070．7330．0233．3577．3269．0471．7POD/(U·g-1FW)9．5315．7731．5520．5211．428．4811．9711．5518．259．53APX/(U·g-1FW)3．945．8333．193．362．884．055．883．253．083．94ASA/(μg·g-1FW)23．0022．4738．3358．1348．4314．0759．1338．0028．3723．33GSH/(μg·g-1FW)4．1532．2431．9936．7373．6835．0473．7805．4875．1774．153SS/(mg·g-1FW)1．322．682．554．435．201．302．242．564．661．32SP/(mg·g-1FW)38．3052．3357．5341．8775．6744．1353．5391．1032．4738．30AA/(mg·g-1FW)1．322．682．554．435．141．373．542．284．661．32Pro/(mg·g-1FW)0．1700．3210．6730．3720．9400．1440．1060．1610．8120．170RWC/%84．975．373．962．051．266．562．663．453．684．9

表2 變量之間的相關系數Table 2 Correlation coefficient of 14 variables oat seedling

注：*表示在0.05水平上顯著相關。Note:*Show significant correlation at 0.05 levels.

2.3 離差標準化數據的主成分分析

2.4 PEG預處理對燕麥幼苗耐冷性的隸屬函數綜合評價

將主成分得分系數(表3)乘以各標準化原始變量后求和可得各處理的綜合指標值CI(x)[15]，見表4。根據公式(2)計算各處理綜合指標值的隸屬函數值U(Xj)，再根據公式(3)計算可得5個綜合指標的權重Wj分別為0.448、0.210、0.130、0.111、0.102，然后根據公式(4)計算得到隸屬函數綜合評價值D(表4)。D值越大，植株耐低溫的能力越強。為了更加直觀顯示低溫脅迫下PEG預處理后燕麥幼苗綜合評價值(D值)與CK的差異，將表4中的D值與處理時間作圖。從圖2可見，不論是CK幼苗還是PEG處理的幼苗與低溫脅迫前相比，D值隨低溫脅迫時間延長呈遞增趨勢，PEG處理的幼苗在低溫處理7 d時D值有所下降。然而，除第1天CK幼苗的D值高于PEG處理的幼苗外，在低溫脅迫的第0、3、5、7天PEG處理幼苗的D值顯著高于CK。表明干旱預處理更能增強燕麥幼苗對低溫的適應能力。

表3 各主因子的系數、得分系數、特性值和貢獻率

注：括號內數值為得分系數。Note: The value in bracket is score coefficient.

表4 各處理的綜合指標值CI(x)、權重Wj、隸屬函數值U(Xj)和綜合評價值(D)

3 討 論

植物的抗性表現是諸多生理代謝綜合作用的結果，若以單個或少數幾個指標的改變很難全面和準確評價植物對干旱-低溫的交叉適應性。因此，本研究未逐一考察單個指標對燕麥干旱-低溫交叉脅迫的響應，而是將上述檢測的14項生理指標值離差標準化后采用主成分分析，將14個存在信息重疊的單項指標綜合為5個相互獨立的主成分變量，這5個主成分變量的特征值分別為5.443、2.551、1.573、1.346、1.233，貢獻率分別為38.881%、18.219%、11.238%、9.616%、8.809%，累積貢獻率達86.763%(表3)，說明用這5個主成分因子代替14個單項指標具有較強的信息代表性。由此，計算5個主成分因子的得分系數(表3)，再乘以相應標準化原始變量值后求和得到不同處理時間的綜合變量得分值(表4)。根據各主成分因子貢獻率的大小確定其相對權重，進行隸屬函數加權分析。結果表明，干旱預處理顯著提高了燕麥幼苗在低溫脅迫下的綜合評價值(圖2)，說明干旱能夠增強燕麥對低溫的交叉適應性。另外，干旱預處理提高低溫下燕麥幼苗株高增量和生物量增量(圖1)進一步證明了這個結論。這與前人在小麥[7]和黃瓜[8]上的研究結果一致。然而，人們對植物交叉適應的機理還知之甚少。多年生黑麥草經中度干旱后可使低溫下的葉片相對含水量、葉綠素含量降幅減小，而脯氨酸、可溶性糖含量和抗氧化酶活性增加[16]。干旱誘導黃瓜對低溫交叉適應性的提高與滲透調節能力增強有關[8]。本試驗表明，干旱預處理燕麥能夠通過改善體內ROS代謝平衡和滲透溶質積累，增強對低溫的耐受能力，從而可為生產上燕麥苗期低溫傷害預防提供參考。Janicka-Russak等[17]報道，低溫改變植物質膜H+-ATP酶基因表達及酶蛋白的磷酸化修飾。Romanenko等[18]研究表明，抗寒鍛煉使低溫下植物亞細胞隔室中的一些蛋白(如脫水蛋白)產生積累和轉移。干旱誘導植物低溫交叉適應的分子機理尚需進一步深入探討。

圖2 燕麥幼苗對干旱-低溫交叉適應的綜合評價Fig.2 The comprehensive evaluation of cross adaptation of oat seedlings to drought-low temperature