低溫脅迫下高粱幼苗對外源脯氨酸的響應

(山西省農業科學院高粱研究所/高粱遺傳與種質創新山西省重點實驗室，山西 晉中 030600)

高粱耐冷性研究表明，不同高粱種質具有不同的耐冷能力[1]。對高粱幼苗低溫逆境下生理特性的研究表明，低溫脅迫后耐冷和冷敏材料的MDA含量、SOD活性、POD活性等發生了不同的變化[2]，耐冷性不同的材料低溫脅迫下脯氨酸(proline Pro)的累積能力也不同，脯氨酸的含量越高品種的抗冷能力越強，脯氨酸對高粱苗期冷害有緩解作用[3]。湯章成研究認為，脅迫條件下生物體內游離脯氨酸的累積對生物體的抗滲透脅迫是有利的[4]，可見，作物可以通過多種方式來自我調節適應低溫脅迫，增加抵抗逆境的能力。

脯氨酸作為一種重要的細胞滲調物質優先儲存在植物液泡中，當細胞受到滲透脅迫時將脯氨酸運至細胞質，通過增大細胞質濃度，降低滲透勢，從而保持細胞原生質與外界環境的滲透平衡[5]，達到降低逆境對作物危害的目的。在外源脯氨酸對蕎麥幼苗耐鹽生理特性影響研究方面，認為外源脯氨酸可明顯改善鹽脅迫下蕎麥幼苗的生理特性，對鹽脅迫具有較好的緩解作用[6]。探究外源脯氨酸對鎳脅迫下小麥根系生長發育的影響，認為外源脯氨酸可以顯著提高小麥根的抗氧化能力，進而增強小麥的抗逆性，緩解鎳對小麥根系的毒害作用[7]。鑒于外源脯氨酸對許多作物逆境危害的緩解作用，本研究利用植物滲透調節物質緩解作物逆境傷害原理，分析外源脯氨酸對高粱幼苗多項生理指標的影響，實現對高粱幼苗冷害后的有效調控，為高粱逆境生理提供新的理論依據，也將進一步擴大植物滲透調節物質的應用范圍。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本試驗材料為冷敏高粱晉303，由山西省農業科學院高粱研究所提供。

1.2 試驗方法

選取飽滿、整齊一致的種子播于裝有石英砂的營養缽中(10 cm×10 cm)，晝溫25～32 ℃，夜溫18～25 ℃，將試材分成6組，每組種植10穴，每穴種2粒，出苗后留1株健壯苗，重復3次，待幼苗達到3葉1心時，每天08：00時開始處理，第1組噴施清水作為對照(ck)；第2組噴施1 mmol·L-1脯氨酸；第3組噴施3 mmol·L-1脯氨酸；第4組噴施5 mmol·L-1脯氨酸；第5組噴施7 mmol·L-1脯氨酸；第6組噴施9 mmol·L-1脯氨酸。每天噴施1次，葉片正反面均勻噴施，每株噴施約5 mL，連續處理3 d后，將1～6組處理材料移入ZGX-258 C型人工智能光照培養箱(杭州錢江儀器設備有限公司制造)進行2～4 ℃的低溫脅迫處理，2 d后取各組幼苗第2、3片葉的中間部分，每組處理隨機采集，測定超氧化物岐化酶(SOD)活性、過氧化物酶(POD)活性、丙二醛(MDA)含量、可溶性糖含量及葉綠素含量。

1.3 測定方法

1.3.1SOD活性、POD活性、MDA含量及可溶性糖含量的測定采用Ding等[8]的方法。

1.3.2葉綠素的測定采用植物生理學試驗手冊[9]中的試驗方法。

2 結果與分析

2.1 外源Pro處理對高粱葉片SOD活性的影響

SOD在生理意義上屬植物抗性系統酶，在適應逆境的過程中起著重要的作用[10]。方差分析結果表明，濃度1 mmol·L-1、3 mmol·L-1處理與ck及其他濃度水平之間均達顯著水平，其余濃度水平之間差異均不顯著。與ck相比，5組處理SOD活性全部升高(見圖1)，1 mmol·L-1、3 mmol·L-1脯氨酸的處理可使高粱葉片中的SOD活性有顯著提升，其他3組處理SOD活性較對照略有升高。這表明較低濃度外源Pro處理可明顯增強SOD活性，改善低溫脅迫下高粱幼苗的生理特性，提高高粱幼苗耐冷能力。

注：圖中數據柱上方不同小寫字母表示差異顯著(α=0.05)。下同。圖1 不同濃度Pro處理SOD總活性

2.2 外源Pro處理對高粱葉片POD活性的影響

一般認為植物POD酶活性與抗寒性密切相關，抗寒的品種酶活性高于不抗寒品種，這在紫花苜蓿、石竹、水稻、黃瓜、龍舌蘭和小麥等植物抗寒性研究中得到了證實[11]。方差分析結果表明，Pro濃度為1 mmol·L-1、3 mmol·L-1、5 mmol·L-1、7 mmol·L-1、9 mmol·L-1與ck水平之間差異均達顯著水平，其余濃度水平之間差異均不顯著。本試驗中所有5組處理的POD酶活性都比對照高，尤以噴施5 mmol·L-1脯氨酸的第4組處理POD酶活性最高(見圖2)。與SOD一樣，加入外源Pro后，高粱葉片POD活性都有不同程度的增加。

2.3 外源Pro處理對高粱葉片MDA含量的影響

MDA是膜脂過氧化作用的最終產物，對質膜有毒害作用[12]。MDA的大量積累可對細胞特別是膜造成一定的傷害[13]。從圖3可看出，2～6組Pro處理的高粱葉片MDA含量較對照略有降低，方差分析也表明MDA含量不同濃度之間差異均不顯著，但總的趨勢是降低的，這表明低溫脅迫下外源Pro處理能降低高粱葉片MDA的含量，對低溫脅迫造成的膜脂傷害有一定的緩解作用。

圖2 不同濃度Pro處理POD總活性

圖3 不同濃度Pro處理MDA含量

2.4 外源Pro處理對高粱葉片可溶性糖含量的影響

糖類物質是構成植物體的重要組成成分之一，也是新陳代謝的主要原料和貯存物質。植物體內可溶性糖含量的變化在一定程度上能反映其對不良環境的適應能力[14]。方差分析表明，Pro濃度5 mmol·L-1、7 mmol·L-1、9 mmol·L-1與ck水平之間差異均達顯著水平，濃度1 mmol·L-1與7 mmol·L-1之間差異達顯著水平，其余濃度水平之間差異均不顯著。與ck相比，5組處理可溶性糖含量都有升高，在本試驗Pro濃度設置范圍內濃度越大增幅越大(見圖4)。這表明外源Pro處理有利于可溶性糖含量的積累。

2.5 外源Pro處理對高粱葉片葉綠素含量的影響

葉片葉綠素含量與光合速率密切相關，通常把葉綠素含量作為葉片功能的一個重要指標[15]。方差分析結果表明，Pro濃度5 mmol·L-1與1 mmol·L-1、3 mmol·L-1、9 mmol·L-1、ck水平之間差異均達顯著水平，ck與濃度1 mmol·L-1、7 mmol·L-1水平之間差異達顯著水平，其余濃度水平之間差異均不顯著。5個外源Pro處理的葉綠素含量都不同程度的高于對照，第4組噴施5 mmol·L-1脯氨酸處理后葉綠素含量最大(見圖5)，這表明外源Pro處理能維持葉片較高的葉綠素含量。

圖4 不同濃度Pro處理可溶性糖含量

圖5 不同濃度Pro處理葉綠素含量

3 結論與討論

SOD能夠清除細胞內氧自由基，維持細胞質膜的完整性，提高植物體對逆境脅迫的適應性[16]，SOD活性的高低在一定程度上反映了植物抗逆境的強弱，POD也有類似的作用。本研究表明，不同濃度Pro處理可顯著提高低溫脅迫下高粱葉片SOD、POD酶的活性，SOD酶活性以3 mmol·L-1脯氨酸處理的效果最為明顯，而POD酶活性則以5 mmol·L-1脯氨酸處理的效果最為明顯。說明適當濃度的外源Pro處理可明顯增強高粱葉片清除氧自由基的能力，有利于提高高粱幼苗的耐冷能力。

MDA含量是植物膜系統穩定性的重要指標，膜系統的穩定性與植物的抗逆能力密切相關。郭啟芳等研究表明，在鹽脅迫下添加外源甜菜堿處理可明顯降低小麥幼苗的MDA含量[17]。本研究中，不同濃度Pro處理對低溫脅迫下高粱葉片MDA含量的降低有一定影響，但與對照比差異不顯著，說明外源Pro對低溫脅迫下高粱葉片清除MDA、緩解細胞質膜損傷作用有限。

可溶性糖作為一種重要的滲透調節物質，其含量的增加可以從一定程度上反映植物所受逆境脅迫的程度[18]。試驗中不同濃度的脯氨酸處理能夠增加高粱葉片可溶性糖含量，從而增強對低溫脅迫的適應能力。

葉片葉綠素是葉片功能的關鍵指標。在一定范圍內，葉綠素含量與光合作用呈正相關關系，不良環境也能造成葉綠素含量的降低。不同濃度外源Pro處理，高粱葉片葉綠素含量都不同程度的提高，說明外源Pro能維持較高的葉綠素含量，進而維持較高的光合作用能力，保證植株有充足的能量來源和較高的同化物轉化效率，促進幼苗生長。

總體來說，利用外源脯氨酸對高粱幼苗的低溫冷害進行干預，有效改善了低溫脅迫下高粱幼苗的生理特性，可以緩解低溫對幼苗的傷害，提高幼苗抵抗冷害的能力，實現對高粱幼苗冷害后的有效調控，為預防和減輕高粱生產中環境脅迫，為優質高效生產提供理論依據。研究者認為，春季高粱播種出苗后，如低溫來臨或幼苗受到低溫侵襲，及時噴施3～5 mmol·L-1的脯氨酸可有效抑制和緩解這種傷害。