2,4表-油菜素內(nèi)酯對(duì)低溫脅迫下西藏野生垂穗披堿草幼苗抗氧化保護(hù)和滲透調(diào)節(jié)的影響

普布卓瑪， 羅藝嵐， 高金柱， 孫鵬越， 趙東豪，苗彥軍， 付娟娟*， 呼天明*

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)草業(yè)與草原學(xué)院， 陜西 楊凌 712100； 2. 西藏自治區(qū)農(nóng)科院草業(yè)科學(xué)研究所， 西藏 拉薩 850000；3. 西藏農(nóng)牧學(xué)院植物科學(xué)學(xué)院， 西藏 林芝 860000)

青藏高原是世界上隆起最晚、面積最大、海拔最高的高原，因而被稱為“世界屋脊”，被視為南極、北極之外的“地球第三級(jí)”。西藏高原位于青藏高原的主體區(qū)域。平均海拔4 000 m以上，由于地形、地貌和大氣環(huán)流的影響，氣候獨(dú)特而且復(fù)雜多樣。研究?jī)?yōu)良牧草的抗寒性具有非常重要的價(jià)值。垂穗披堿草(ElymusnutansGriseb.)是我國(guó)青藏高原重要的優(yōu)質(zhì)牧草，其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、分蘗能力強(qiáng)、再生性好、根系發(fā)達(dá)是一種抗逆性很強(qiáng)的牧草。在畜牧業(yè)生產(chǎn)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面發(fā)揮重要的作用[1-4]。

低溫作為重要的非生物逆境，會(huì)嚴(yán)重影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育以及地理分布，還會(huì)對(duì)植物造成多方面的損傷，包括生物膜透性增大、活性氧積累引起氧化損傷等，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成植物的死亡[5-6]。油菜素內(nèi)酯(Brassinolide,BRs)是一種新型植物內(nèi)源激素，由于其生理活性大大超過現(xiàn)有的5種激素，已被國(guó)際上譽(yù)為第六大類激素。研究發(fā)現(xiàn)，BRs不僅能夠調(diào)節(jié)植物的生長(zhǎng)發(fā)育，還能夠提高植物對(duì)低溫等多種抗性。BRs可以誘導(dǎo)多種抗氧化酶如抗壞血酸過氧化物酶(Ascorbate peroxidase,APX)、過氧化氫酶(Catalase,CAT)、超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)、谷胱甘肽還原酶(Glutathione reductase,GR)和谷胱甘肽過氧化物酶(Guaiacol peroxidase,GPX)等酶活性增加，增強(qiáng)植物的抗氧化能力，減少膜脂過氧化作用，從而提高植物的低溫抗逆性[7]。然而，目前對(duì)于BRs調(diào)控垂穗披堿草的低溫適應(yīng)機(jī)理尚不明晰。

本研究擬以西藏野生垂穗披堿草為研究對(duì)象，采用葉面積噴施外源BRs的方法，探究BRs調(diào)控西藏野生垂穗披堿草低溫適應(yīng)的生理機(jī)制，旨在為BRs調(diào)控植物的低溫適應(yīng)性提供新理論。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本供試材料為野生垂穗披堿草采集于西藏拉薩市當(dāng)雄縣(30°28.535′ N，91°06.246′ E，海拔4 618 m)，由西藏大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

種子經(jīng)0.1%(W/V)次氯酸鈉溶液消毒，用蒸餾水沖洗數(shù)次后，放置于鋪有濕潤(rùn)的培養(yǎng)皿中，置于人工氣候箱中萌發(fā)。待幼苗長(zhǎng)至2 cm左右時(shí)，選取健康植株轉(zhuǎn)移至培養(yǎng)缽中，采用沙培的方式在人工氣候箱中(光通量密度350 μmol·m-2· s-1，光照14 h，25℃，濕度80%；暗期10 h，25℃，濕度60%)進(jìn)行幼苗培養(yǎng)，期間幼苗每3 d更換一次Hoagland營(yíng)養(yǎng)液。將預(yù)培養(yǎng)21 d的幼苗進(jìn)行處理，初步設(shè)置5個(gè)不同濃度梯度(0,0.001,0.01,0.1,1 μmol·L-1)來(lái)篩選2,4-表油菜素內(nèi)酯(EBR)的最佳作用濃度。確定EBR最佳作用濃度后，試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理：CK (25℃,Hoagland營(yíng)養(yǎng)液)，低溫處理(4℃,Hoagland營(yíng)養(yǎng)液)，CK+EBR處理(25℃,EBR)，低溫+EBR (4℃,EBR)，每處理3次重復(fù)，用1 μmol·L-1外源EBR處理釆用葉面噴施的方法，早晚各1次，以葉面剛好打濕為標(biāo)準(zhǔn)(不下滴液體)。低溫(4℃)處理5 d后，采集低溫處理的樣品。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)均用MicrosoftExcel 2003 錄入并作圖，采用SPSS 19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行One-way ANOVA進(jìn)行單因素方差分析，采用Duncan ' s法對(duì)平均值進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度EBR處理對(duì)低溫脅迫下垂穗披堿草幼苗生長(zhǎng)、表型和細(xì)胞膜損傷的影響

低溫處理顯著降低了垂穗披堿草幼苗的鮮重，噴施外源EBR能提高幼苗的鮮重。如圖1可知，與CK相比，低溫處理后幼苗的生長(zhǎng)受到抑制，幼苗鮮重顯著降低了63.20%(P< 0.05)。T1，T2，T3，T4處理和低溫處理相比，分別增加了13.04%，36.96%，28.26%，95.65%，其中在T4的處理效果最好(圖b)。電導(dǎo)率可表示質(zhì)膜透性和質(zhì)膜受傷害的程度。與CK相比,低溫處理后垂穗披堿草葉片中電導(dǎo)率含量顯著增加了57.28%(P< 0.05)。與低溫處理相比，T1，T2，T3和T4處理葉片相對(duì)電導(dǎo)率分別將低了15.07%，18.82%，46.01%和46.38%(P< 0.05)。其中T4的處理效果最好(圖c)。

圖1 低溫(4℃)脅迫下噴施EBR對(duì)垂穗披堿草幼苗的表型(a)，幼苗鮮重(b)和相對(duì)電導(dǎo)率(c)的影響Fig.1 The effects of EBR on phenotypic characteristics (a),fresh weight (b),and relative conductivity of E.nutans seedlings under low temperature stress注：CK：常溫;4℃：低溫處理;T1:4℃+0.001 μmol·L-1 EBR;T2:4℃+0.01 μmol·L-1 EBR;T3:4℃+0.1 μmol·L-1 EBR;T4:4 ℃+1μmol·L-1 EBR,不同小寫字母表示不同處理之間的差異顯著性(P<0.05),下同Note:CK:control;4℃:Low temperature treatment;T1:4℃+0.001 μmol·L-1 EBR;T2:4℃+0.01 μmol·L-1 EBR;T3:4℃+0.1 μmol·L-1 EBR;T4:4℃+1 μmol·L-1 EBR. Different lowercase letters above the columns mean significant difference among different treatments at the 0.05 level,bars represent SE. The same as below

2.2 EBR對(duì)低溫脅迫下野生垂穗披堿草幼苗葉片中丙二醛(MDA)含量的影響

如圖2可知，低溫脅迫(4℃)下，垂穗披堿草葉片中MDA含量顯著高于CK。與CK相比，低溫處理導(dǎo)致垂穗披堿草葉片中MDA含量增加了61.87%(P< 0.05)。而低溫脅迫下，葉面積噴施EBR能夠顯著地降低MDA的積累。4℃+EBR處理中垂穗披堿草葉片中MDA含量較4℃單獨(dú)處理降低了20.73%(P< 0.05)。而對(duì)照條件下噴施EBR與CK無(wú)顯著性差異(P<0.05)。

圖2 噴施EBR對(duì)低溫脅迫下垂穗披堿草幼苗MDA的影響Fig.2 Effect of EBR on MDA content of E.nutans seedlings under low temperature stress

2.3 EBR對(duì)低溫脅迫下垂穗披堿草幼苗超氧陰離子自由基的影響

2.4 EBR對(duì)低溫脅迫下野生垂穗披堿草幼苗葉片中抗氧化酶活性的影響

低溫脅迫下，抗氧化酶SOD、APX和GR活性與CK相比呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，而CAT和POD活性則表現(xiàn)為下降趨勢(shì)(圖4)。葉面積噴施EBR和低溫脅迫協(xié)同作用能夠進(jìn)一步提高SOD、APX、GR和CAT活性。與低溫脅迫相比，4℃+EBR處理后垂穗披堿草葉片中SOD，CAT，APX和GR活性分別增加了27.04%，24.65%，45.85%和52.44%。與CK相比，低溫處理后垂穗披堿草葉片中APX活性顯著增加(圖4d)。在CK條件下，葉面積噴施EBR對(duì)上述抗氧化酶活性影響較小，與CK處理相比差異未達(dá)到顯著性水平。

圖3 噴施EBR對(duì)低溫脅迫下垂穗披堿草幼苗超氧陰離子自由基的影響Fig.3 Effect of EBR on content of E. nutans seedlings under low temperature stress

圖4 EBR處理低溫脅迫下垂穗披堿草幼苗SOD (a)，POD (b)，CAT (c)，APX (d) 和GR (e)活性的影響Fig.4 Effect of EBR on activities of SOD (a),POD (b),CAT (c),APX (d) and GR (e) of E.nutans under low temperature stress

2.5 EBR對(duì)低溫脅迫下垂穗披堿草幼苗抗壞血酸(AsA)和谷胱甘肽(GSH)含量的影響

低溫脅迫下垂穗披堿草葉片中AsA和GSH含量均降低，但與CK未達(dá)到差異顯著性水平。EBR處理與低溫協(xié)同處理后，AsA和GSH含量與低溫脅迫單獨(dú)處理相比分別顯著提高了45.85%和81.90%(P< 0.05)；而ASA含量在CK下EBR處理對(duì)AsA含量影響較小，與CK相比無(wú)顯著性差異。在CK條件下，葉面積噴施EBR顯著提高了GSH含量。與CK相比，外源EBR處理后GSH含量增加43.13%(P<0.05)。

圖5 噴施EBR對(duì)低溫脅迫下垂穗披堿草幼苗抗壞血酸(a)和谷胱甘肽(b)含量的影響Fig.5 Effect of EBR on AsA (a) and GSH (b) content of E. nutans seedlings under low temperature stress

2.6 EBR對(duì)低溫脅迫下垂穗披堿草葉片中脯氨酸積累的影響

由圖5可知，與CK相比，低溫脅迫垂穗披堿草幼苗葉片中脯氨酸含量顯著增加。低溫條件下，噴施EBR能夠進(jìn)一步提高脯氨酸的積累；比4℃處理相比，4℃+EBR處理后脯氨酸含量增加了24.64%。而CK條件下噴施EBR對(duì)脯氨酸含量無(wú)顯著性影響。

圖6 噴施EBR對(duì)低溫脅迫下垂穗披堿草幼苗游離脯氨酸含量的影響Fig.6 Effect of EBR on proline content of E. nutans seedlings under low temperature stress

3 討論

植物在遭受低溫脅迫時(shí),其形態(tài)和生理響應(yīng)等發(fā)生改變[12-13]。植物的細(xì)胞膜系統(tǒng)是感受低溫脅迫的首要部位。低溫脅迫導(dǎo)致細(xì)胞膜透性增大，膜脂過氧化作用加劇。相對(duì)電導(dǎo)率是反映植物細(xì)胞膜受逆境損傷的一個(gè)重要指標(biāo)，MDA是膜脂過氧化產(chǎn)物，其含量的多少也能夠反應(yīng)逆境下植物受損傷的程度[14]。本研究結(jié)果表明，低溫脅迫下垂穗披堿草幼苗葉片中相對(duì)電導(dǎo)率和MDA含量增加，葉面積噴施EBR能顯著降低了相對(duì)電導(dǎo)率和MDA的含量，說明EBR處理能夠減輕低溫引起的膜脂過氧化作用，從而緩解低溫對(duì)垂穗披堿草細(xì)胞膜造成的傷害。

植物遭遇低溫脅迫時(shí)，細(xì)胞內(nèi)活性氧代謝失衡，活性氧大量積累，從而造成細(xì)胞膜系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重的氧化損傷[15]。為防止細(xì)胞內(nèi)過量積累的活性氧對(duì)植物造成的氧化損傷，低溫脅迫誘導(dǎo)植物體內(nèi)抗氧化防御體系活性增加，從而避免或減輕活性氧對(duì)植物造成的傷害。抗氧化系統(tǒng)包括抗氧化酶體系和非酶抗氧化體系[16]。抗氧化酶SOD，POD,CAT及AsA-GSH循環(huán)能夠有效地清除過量積累的活性氧。SOD是植物細(xì)胞中第一道抗氧化防線，能夠?qū)⒊蹶庪x子自由基轉(zhuǎn)換為過氧化氫(H2O2),POD和CAT能夠?qū)2O2進(jìn)一步分解，緩解由于活性氧大量積累對(duì)細(xì)胞的傷害(Mittler 2002)。APX和GR是AsA-GSH循環(huán)的關(guān)鍵酶，能夠高效的清除細(xì)胞內(nèi)大量積累的活性氧[17]。本研究中，低溫下垂穗披堿草幼苗葉片的SOD,APX,GR活性增加，而噴施EBR能夠進(jìn)一步顯著地提高這些酶活性并且降低氧自由基含量，表明EBR能夠誘導(dǎo)抗氧化酶活性增強(qiáng)，有效地清除大量積累的活性氧，減輕膜脂過氧化程度，從而增強(qiáng)垂穗披堿草的耐寒性。這與甄鵬等[18]研究結(jié)果一致，他指出BRs處理可以緩解低溫脅迫對(duì)苦瓜幼苗造成的生長(zhǎng)抑制，減緩葉片中MDA的積累，同時(shí)可以顯著降低細(xì)胞質(zhì)相對(duì)電導(dǎo)率，增強(qiáng)POD和SOD活性。陳善娜等[19]研究也發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫下采用BR預(yù)處理可以提高植物POD和SOD活性，減少M(fèi)DA的積累。低溫逆境下較高的AsA和GSH含量有利于維持植物細(xì)胞內(nèi)的活性氧代謝平衡。本研究顯示，低溫脅迫下葉面積噴施EBR能夠提高AsA和GSH含量，這與前人研究結(jié)果一致。

脯氨酸作為重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)有利于維持或降低植物體內(nèi)細(xì)胞滲透勢(shì)，在保護(hù)蛋白質(zhì)分子、抵御氧化脅迫，減輕低溫對(duì)細(xì)胞膜的傷害等方面具有重要作用[21]。低溫脅迫下垂穗披堿草幼苗葉片中游離脯氨酸的含量顯著增加。噴施EBR能夠進(jìn)一步促進(jìn)低溫脅迫下垂穗披堿草葉片中脯氨酸的積累。這表明EBR能夠通過提高脯氨酸的積累來(lái)提高植物的低溫抗性，這與前人在其他作物上的研究是一致[20-23]。

4 結(jié)論