淹水脅迫對絲瓜幼苗生長及呼吸酶活性的影響

劉曉慧,伍海兵,張圣美,尚 靜,張愛冬,朱宗文,田守波,吳雪霞*

(1.上海海洋大學,上海 201306;2.上海市農業科學院 園藝研究所,上海 201403; 3.上海市設施園藝技術重點實驗室,上海 201403)

近年來,我國強降雨次數逐年增加,致使農作物的洪澇災害面積不斷擴大,農作物的生長及產量受到嚴重影響,因此洪澇災害已成為制約我國農業生產的主要逆境因子之一[1]。澇漬引起植物的各種形態、生理和解剖變化,這些變化對植物的生長發育有很大的危害[2]。洪澇災害造成植物受害的主要原因是使其處于低氧或缺氧環境,無法進行正常呼吸[3]。低氧脅迫加劇了植物細胞膜脂過氧化程度,導致蛋白質變性及核苷酸損傷,最后造成細胞死亡[4]；另一方面植物在低氧脅迫下光合作用強度降低,有氧呼吸受阻,生長受到抑制[5]。有關研究表明,在淹水脅迫下,植物呼吸代謝途徑發生改變,有氧呼吸受阻,無氧呼吸加強,產生一定的適應性自我調節[6]。在澇漬脅迫條件下,黃瓜植株發育不良,葉片數量減少,葉片面積、鮮重、干重下降,生理性能、葉綠素、類胡蘿卜素、脯氨酸、可溶性糖含量存在差異,總的來說,澇漬脅迫降低了黃瓜植株的凈光合作用,對其生物量積累有負面影響[2]。據謝富貴等[7]、涂攀峰等[8]和僧珊珊等[9]報道，淹水導致玉米幼苗的根干重、根總長度、根系活力均明顯下降,且隨著淹水天數的增加,下降幅度增大,而玉米根系的乙醇脫氫酶(ADH)、丙酮酸脫羧酶(PDC)和乳酸脫氫酶(LDH)活性增加。郭欣欣等[10]的研究結果表明，當不結球白菜幼苗受到淹水脅迫時,其有氧呼吸明顯被抑制,而無氧呼吸代謝被促進,并且淹水時間越長、淹水深度越深,根系呼吸代謝受到的抑制作用越大,最終導致不結球白菜根系生長受到抑制。鄭俊鶱等[11]研究發現，在土壤緊實脅迫條件下,黃瓜根系中的ADH、PDC和LDH酶活性顯著提高,乙醇、乙醛和乳酸等無氧呼吸主要產物含量顯著增加,而參與有氧呼吸的蘋果酸脫氫酶(MDH)、琥珀酸脫氫酶(SDH)和異檸檬酸脫氫酶(IDH)活性下降。

絲瓜(LuffacylindricaRoem.)是起源于亞洲南部熱帶多雨地區的一年生攀援藤本植物,屬葫蘆科絲瓜屬,其根系發達,營養豐富,藥用價值高,需求量逐年增多,因此栽培面積逐漸增大[12,13]；但是絲瓜對澇漬脅迫的反應少見報道。朱進[12]的研究結果表明：與對照組相比,淹水脅迫使絲瓜幼苗的根系總表面積、總長度等都顯著增加,而丙二醛(MDA)含量無顯著變化。于斌等[13]研究了淹水脅迫對絲瓜幼苗形態、不定根解剖結構和屏障結構的影響。結果表明:與對照相比,絲瓜幼苗淹水脅迫12 d內株高、葉片數及鮮重差異不顯著,到16 d后才顯著低于對照,不定根內有發達的通氣組織和屏障結構。我們在前人研究的基礎上,以絲瓜品種‘江蔬1號’為試驗材料,采用雙套盆法,模擬大棚生產實踐,研究了絲瓜幼苗生長和呼吸代謝在不同淹水時間及淹水程度處理下的生理生化變化,從呼吸代謝與絲瓜幼苗耐澇性之間關系的角度探討了絲瓜對淹水脅迫的抗耐性以及受淹水脅迫傷害的生理機制,旨在為明確絲瓜的耐淹性機制提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試絲瓜品種為‘江蔬1號’,其種子由江蘇省農業科學院提供。

1.2 試驗處理

本試驗于2018年5～7月進行,絲瓜在上海市農業科學院園藝所溫室內培養。首先,將‘江蔬1號’種子于55 ℃溫水中浸種10 h,播種于50孔的穴盤內。然后,待幼苗長至3～4片真葉時,選擇生長勢基本一致的絲瓜幼苗,采用“雙套盆法”進行淹水處理。分為對照組(保持常規水分管理)、根淹處理T1(水面淹沒幼苗根部基質,超過基質表面0～1 cm)、半淹處理T2(水面剛好淹過幼苗生長點)。各處理每天及時補充散失的水分,保證處理所需的水面高度。于處理0、14、21 d后以及解除脅迫7 d后,先用自來水洗凈植株,用濾紙吸干植株表面的水分,測定株高、莖粗、地上部鮮重和根系鮮重。然后隨機取樣,每個處理皆選用第3片真葉,將其剪碎混勻,用氮速凍后放在-80 ℃冰箱,用于測定各項生理指標。各項指標測定均重復5次。

1.3 測定指標與測定方法

1.3.1 生長指標 分別在淹水0、14、21 d以及解除脅迫7 d后,用自來水沖洗幼苗,吸干葉片表面水,先用卷尺測量幼苗株高,再用游標卡尺測量子葉以下1 cm處的莖粗(淹水部位),最后用電子天平測定其地上部鮮重和根系鮮重。

1.3.2 葉綠素含量的測定 葉綠素含量的測定方法參照吳雪霞等[14]的方法：取0.1 g葉片置于50 mL試管中,加入15 mL 95%乙醇,避光浸提12 h,分別測定665、649 nm下的吸光度,計算葉綠素 a、b含量和類胡蘿卜素含量。

1.3.3 活性氧代謝相關指標的測定 丙二醛(MDA)含量、超氧陰離子(O2·-)產生速率和過氧化氫(H2O2)、脯氨酸(Pro)、可溶性糖和可溶性蛋白含量的測定均采用蘇州科銘試劑盒法。

1.3.4 無氧呼吸酶和有氧呼吸酶活性的測定 無氧呼吸酶乳酸脫氫酶(LDH)、乙醇脫氫酶(ADH)活性,以及有氧呼吸酶蘋果脫氫酶(MDH)活性的測定參照郭欣欣等[10]的方法。酶液制備:稱取樣品0.5 g,加入2 mL預冷的酶提取液[包含50 mmol/L Tris-HCl(pH 7.0)、5 mmol/L MgCl2、1 mmol/L EDTA、1 mmol/L EGTA和0.1 mmol/L苯甲基磺酰氟],經液氮研磨后,在4 ℃下以12000 r/min離心20 min,提取上清液,即為酶液,用于LDH、ADH和MDH活性的測定。

1.4 統計分析

用Excel進行數據整理,采用Origin 7.5軟件作圖,用SPSS 19.0軟件進行Duncan’s多重比較分析。

2 結果與分析

2.1 淹水脅迫對絲瓜幼苗生長的影響

由表1可知：淹水脅迫顯著抑制了絲瓜幼苗的生長,隨著淹水時間及淹水程度的加深,絲瓜幼苗的株高、莖粗、地上部鮮重、根系鮮重都顯著降低(P<0.05)；當幼苗受淹水脅迫14 d時,與對照相比,根淹(T1)、半淹(T2)處理的絲瓜株高分別顯著下降了11.95%、32.41%,莖粗分別顯著下降了17.59%、35.70%,地上部鮮重分別顯著下降了16.90%、43.10%,根系鮮重分別顯著下降了51.52%、60.89%;在淹水脅迫21 d時,根淹(T1)、半淹(T2)處理與對照相比,株高分別顯著下降了9.80%、23.17%,莖粗分別顯著下降了7.40%、32.20%,地上部鮮重分別顯著下降了19.98%、52.65%,根系鮮重分別顯著下降了33.02%、58.11%。在兩種淹水深度下,隨淹水時間的延長,絲瓜幼苗的各項生長指標的下降幅度均增大,說明絲瓜幼苗生長受到的抑制作用越強,并且半淹處理的抑制作用明顯大于根淹處理。在脅迫解除7 d后,根淹(T1)、半淹(T2)處理的絲瓜幼苗株高分別恢復至對照的83.56%、74.82%,莖粗分別恢復至對照的94.87%、77.26%,地上部鮮重分別恢復至對照的55.92%、43.85%,根系鮮重分別恢復至對照的84.34%、53.27%,但仍存在顯著性差異(P<0.05)。

表1 淹水脅迫處理對絲瓜幼苗生長指標的影響

注:不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

2.2 淹水脅迫對絲瓜幼苗葉綠素和類胡蘿卜素含量的影響

光合作用是一系列復雜的代謝反應的總和,是生物界賴以生存的基礎,是農作物生長和產量形成的重要代謝過程；葉綠素、類胡蘿卜素是植物葉片進行光合作用的主要色素。由圖1可知,隨著淹水時間及淹水程度的加深,葉綠素a、b和類胡蘿卜素的含量都顯著下降,并且半淹處理的降幅顯著大于根淹處理；在淹水脅迫解除7 d后,絲瓜幼苗的葉綠素和類胡蘿卜素含量都得到了一定程度的恢復,但與對照組仍存在著顯著差異。說明淹水脅迫使絲瓜幼苗葉片中的光合色素含量減少,幼苗進行光合作用的能力減弱,進而導致物質和能量積累減弱,從而阻礙了絲瓜幼苗的生長。

2.3 淹水脅迫對絲瓜幼苗電導率、MDA含量、O2·-產生速率和H2O2含量的影響

由圖2可知,淹水脅迫導致了絲瓜幼苗電導率、丙二醛(MDA)含量、超氧陰離子基(O2·-)產生速率和過氧化氫(H2O2)含量顯著增加,且半淹處理的增幅顯著大于根淹處理；在淹水脅迫解除7 d后,上述指標均有所下降,但仍明顯高于對照。說明絲瓜幼苗受淹水脅迫后,其植株體內代謝失衡,細胞膜被破壞,體液大量外滲,相對電導率增加,根系中的有毒物質MDA、活性氧(O2·-、H2O2)積累,使根組織受到傷害,且淹水時間越長,淹水程度越深,其受到的膜脂過氧化傷害越嚴重。

2.4 淹水脅迫對絲瓜幼苗無氧和有氧呼吸酶活性的影響

由圖3可知,經淹水處理后,絲瓜幼苗的無氧呼吸酶乙醇脫氫酶(ADH)、乳酸脫氫酶(LDH)的活性隨著淹水時間的延長及淹水程度的加深表現出一致的上升趨勢,均顯著高于對照,尤其在淹水14 d時其酶活性達到峰值,之后活性降低。而有氧呼吸酶蘋果酸脫氫酶(MDH)的活性被淹水處理明顯抑制而急劇降低,并且半淹處理的降幅顯著大于根淹處理。在解除脅迫7 d后,MDH的活性仍然顯著低于對照。表明淹水脅迫導致絲瓜幼苗有氧呼吸受到抑制,MDH活性急劇下降,維持生存所需的能量主要依賴于無氧呼吸,該途徑一方面會產生大量乙醇,誘發根毒害,另一方面又會抑制ADH、LDH活性的升高。

圖1 淹水脅迫對絲瓜幼苗葉綠素和類胡蘿卜素含量的影響

圖2 淹水脅迫對絲瓜幼苗電導率、MDA含量、O2·-產生速率和H2O2含量的影響

2.5 淹水脅迫對絲瓜幼苗可溶性糖和脯氨酸含量的影響

在植物體內,可溶性糖作為主要的可利用碳水化合物之一,其含量能在一定程度上反映植物的碳代謝水平。以游離狀態存在于植物體中的脯氨酸(Pro),常作為植物抗逆性的指標之一,其含量在一定程度上可以反映植物的氮代謝水平。由圖4可以看出：淹水脅迫導致了絲瓜幼苗可溶性糖及Pro含量顯著高于對照組,且淹水時間越長,淹水程度越深,兩者的含量的增幅越大,說明,當淹水脅迫發生時,絲瓜幼苗能主動積累可溶性糖,并可能通過降低糖的消耗,以形成保護機制；隨著淹水時間的延長,細胞膜脂過氧化發生,Pro含量升高以保持膜結構的完整性,絲瓜幼苗的碳氮代謝水平升高。

3 討論與結論

澇漬是全球農作物生產的主要制約因素。植物淹水后生長受到抑制。在本試驗中,絲瓜幼苗在淹水脅迫下其株高、莖粗、地上部鮮重、根系鮮重都顯著降低,這與于斌等[13]的研究結果一致。光合色素是植物進行光合作用的重要物質基礎,在光合作用中參與吸收、傳遞光能；淹水脅迫能夠促進光合色素分解進而影響植物的生長[15]。本試驗中絲瓜幼苗在淹水脅迫下,葉綠素a、b及類胡蘿卜素的含量都顯著下降,植株光合作用能力減弱,抑制了幼苗的營養生長,這與Anee等[2]對黃瓜的研究結果一致。

作為防止細胞外物質自由進入的天然保護屏障,細胞膜能夠保持細胞內環境的相對穩定,使細胞能夠有序地進行各種生理生化反應,保證機體生命活動的正常進行。相對電導率可以用來衡量細胞膜透性,其值越大,表示電解質的滲漏量越多,質膜透性越大,細胞膜受害程度越深[16]。植物體內活性氧(ROS)的產生和清除在正常穩定的內環境中是動態平衡的,而在逆境脅迫下,植物體內的O2·-、H2O2等ROS積累,打破了這種動態平衡,并由此引發和加劇了膜脂過氧化作用,而MDA是膜脂質過氧化的終產物,其積累量通常被作為細胞膜受傷害程度的檢測指標[17,18]。蔡進等[16]研究發現,淹水增加了鐵線蓮膜質過氧化,隨著淹水脅迫時間延長及淹水程度加深,2個鐵線蓮品種的相對電導率和MDA 含量均呈上升趨勢。本試驗結果也表明,在淹水脅迫下絲瓜幼苗的相對電導率、MDA含量和ROS(O2·-、H2O2)含量都顯著增加,細胞膜脂過氧化傷害嚴重,植株生長受到抑制。滲透調節是植物適應水分脅迫環境過程的一種重要調節方式,植物體內可通過主動積累可溶性糖和Pro來提高細胞液濃度,降低滲透勢,使植物繼續從外界吸收水分以維持細胞滲透壓,減輕淹水脅迫引起的損傷,同時保護酶和膜系統免受傷害,從而增強植物的抗逆性[19-20]。本試驗結果顯示，隨著淹水脅迫時間延長及淹水程度加深,絲瓜幼苗的可溶性糖和Pro含量顯著增加,這與彭玉全等[21]對嫁接苦瓜的研究結果一致。

圖3 淹水脅迫對絲瓜幼苗無氧呼吸和有氧呼吸酶活性的影響

圖4 淹水脅迫對絲瓜幼苗脯氨酸和可溶性糖含量的影響

呼吸作用為植物生命活動提供所需要的大部分能量,淹水脅迫使植物暴露在低氧或者缺氧條件下,MDH活性急劇下降,有氧呼吸明顯受阻,ADH、LDH 活性顯著升高,無氧呼吸代謝被促進,ATP合成減少,丙酮酸、乙醇等無氧呼吸產物積累[10]。MDH在有氧呼吸三羧酸循環中扮演關鍵角色。相關研究表明,在低氧脅迫下,黃瓜幼苗根系的三羧酸循環嚴重受阻[22]。LDH是乳酸發酵途徑的關鍵酶,而乳酸積累會引起細胞質酸化,進而導致植物細胞受傷害,同時細胞質酸化還會引起液泡膜和線粒體結構的破壞[23]。許多研究表明,植物體在受到低氧脅迫下,無氧呼吸代謝會明顯增強,LDH、ADH活性迅速升高,進而將植物根系的主要毒害物質之一乙醛轉化成乙醇,幫助提高植物對低氧脅迫的耐性[24]。本試驗的研究結果與澇漬脅迫對甜瓜[25]、不結球白菜[10]、黃瓜[26]等作物的影響結果一致,經淹水處理后,MDH活性顯著降低,ADH、LDH活性顯著升高,表明在缺氧時,絲瓜有氧呼吸被抑制,ATP供應不足,此時植物通過啟動無氧呼吸途徑進行發酵代謝,通過底物水平磷酸化反應,依靠NAD+氧化底物生成ATP來維持絲瓜的生長發育。

本試驗結果表明,淹水脅迫對絲瓜幼苗的生長造成了不良影響,抑制了幼苗的營養生長,導致其株高、莖粗、地上部鮮重、根系鮮重都顯著降低;淹水處理后絲瓜葉片的光合色素發生了降解,葉綠素和類胡蘿卜素含量顯著下降;相對電導率、MDA和ROS(O2·-、H2O2)含量顯著增加,細胞膜脂過氧化傷害嚴重,植株生長受到抑制;ADH、LDH 活性顯著升高,MDH活性顯著降低,有氧呼吸受到抑制,絲瓜生存所需能量主要依賴于無氧呼吸途徑;可溶性糖、Pro含量升高,碳氮代謝水平升高以形成保護機制,有利于脅迫解除后的恢復。由此可見,短期淹水會對絲瓜生長產生不良影響,在實際生產過程中,生產者應保持適宜的田間持水量,及時排出積水,這是減輕澇漬災害的關鍵措施。