不同食用百合品種對低溫脅迫的生理響應(yīng)

田雪慧， 頡建明

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 生態(tài)環(huán)境工程分院， 陜西 楊凌 712100； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

百合(Lilium)是國家衛(wèi)生部首批公布的藥食同源植物，又是著名的觀賞植物[1]。食用百合是營養(yǎng)價值很高的特種蔬菜，其鱗莖含碳水化合物、蛋白質(zhì)、果膠、脂肪、鉀、磷鈣、鐵、百合甙等抗癌性植物堿和多種維生素，并兼具保健功能。其中，龍牙百合(Liliumbrownievar.viridulumBaker)、宜興百合(LiliumlancifoliumThunb.)和蘭州百合﹝LiliumdavidiiDuch. var.unicolor(Hong)Cotton﹞為食用百合3大主栽品種。宜興百合味稍苦，蘭州百合味甜但生長周期長(6～7 a)，而龍牙百合生長期為2～3 a，味道稍甜，以鱗片碩大、肉質(zhì)肥厚、色白、高產(chǎn)而著稱，但抗性差[1-2]。3種食用百合品種各有優(yōu)點，但也各有局限性，并且因產(chǎn)地氣候環(huán)境不同，生長習性差異很大，很難在他地種植成功。溫度是植物生長最重要的環(huán)境因子之一。通過對食用百合抗寒性的研究，篩選出百合抗寒評價指標及抗寒性較強的食用百合品種是目前食用百合生產(chǎn)上亟待解決的關(guān)鍵問題[2-3]。篩選適宜中西部生長、食用及觀賞百合品種，對我國中西部產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及農(nóng)民增收具有重要意義。

目前，對百合抗寒性研究主要集中于亞洲百合[3]、東方百合[4]和卷丹百合[5]等觀賞品種，鮮見有關(guān)食用百合品種抗寒性的研究報道。植物在低溫脅迫下，相對電導(dǎo)率增大，葉綠素熒光參數(shù)Fv/Fm值降低，細胞膜透性增大[6]，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可溶性糖、可溶性蛋白和游離脯氨酸積累[7]，膜脂相變及膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛含量和保護酶活性[7]升高等。通常情況下，這些指標被用作指示植物抗寒性的指標[8]，但是，植物抗逆性評價指標在不同植物中表現(xiàn)不同，且單一指標不能作為植物抗逆性評價的依據(jù)[9]。為此，以生產(chǎn)上常見的3個食用百合品種的幼苗為試材，采用人工模擬低溫環(huán)境，通過觀測各品種葉片的形態(tài)特征及對抗寒性有關(guān)生理生化指標的變化，篩選出與百合抗寒密切相關(guān)的生理指標及抗寒性強的品種，綜合評價其抗寒性，以期為百合抗寒育種、引種及栽培提供理論支撐及技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

自然生長成熟的宜興百合、龍牙百合和蘭州百合種球，分別于江蘇宜興、江西萬載和蘭州七里河地區(qū)采集。

1.2 方法

1.2.1 樣品處理 經(jīng)采集的百合儲藏于2℃冰箱110 d[10]后，種植于15 cm口徑的花盆中，置于20℃智能低溫人工氣候箱(RXZ-0288型)中培養(yǎng)，光照強度40 000 lx，澆水方式采用滴灌，光周期為14/10 h(白天/夜晚)，其他采用常規(guī)管理。

1.2.2 試驗設(shè)計 其他生長條件不變，將生長至15 cm左右的食用百合幼苗放在智能低溫人工氣候箱(RXZ-0288型)中進行梯度低溫處理。降溫梯度分別為10℃和4℃，共2個處理，以室溫20℃作為對照溫度，3次重復(fù)，每個重復(fù)8株，降至目標溫度后維持24 h[10]。低溫處理后，測定各品種相同部位葉片的生理指標。

1.2.3 指標測定 相對電導(dǎo)率(Rec)采用電導(dǎo)法測定，可溶性蛋白(SP)采用考馬斯亮藍染色法測定[11]，可溶性糖(SS)含量采用硫酸-蒽酮比色法進行測定，游離脯氨酸(Pro)含量采用酸性茚三酮法[12]進行測定，丙二醛(MDA)含量參照LAVANIA D等方法[13]，超氧化物歧化酶(SOD)活性及過氧化氫酶(CAT)酶活性測定采用BALDI P等方法，過氧化物酶(POD)活性測定采用ZHANG W等方法[13]，葉綠素熒光采用Flour Cam熒光成像系統(tǒng)，每個指標平行測定3次。

抗寒系數(shù)=低溫脅迫后指標測定值/對照指標測定值×100%

負向指標的抗寒系數(shù)=-低溫脅迫后指標測定值/對照指標測定值×100%

式中，RC為綜合抗寒系數(shù)，PI為各品種抗寒系數(shù)，n為指標抗寒系數(shù)數(shù)量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS19.0、DPS、Microsoft Excel和PowerPoint進行數(shù)據(jù)分析與作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫脅迫下食用百合不同品種植株形態(tài)特征的變化

從圖1可知，低溫脅迫24 h后，除蘭州百合外，其他2個品種葉片出現(xiàn)不同程度的卷曲、失水萎焉。宜興百合和龍牙百合在4℃條件下較10℃條件下受害更顯著，相同溫度脅迫下龍牙百合較宜興百合受害程度輕。說明不同食用百合品種在低溫脅迫下均受一定程度的傷害，各品種對低溫的抵抗能力存在差異。

2.2 低溫脅迫下不同品種食用百合葉綠素熒光的變化

低溫逆境條件下引起的保護性的能量耗散過程(如葉黃素循環(huán)運轉(zhuǎn)加強而提高熱耗散)可導(dǎo)致Fv/Fm下降[13]。從圖2可知，食用百合葉綠素熒光參數(shù)(Fv/Fm)均有所下降，說明低溫對光系統(tǒng)產(chǎn)生抑制作用，但降幅不同。隨著溫度的降低(20～10℃，10～4℃)，蘭州百合的Fv/Fm分別降低3.8%和10.1%；龍牙百合的Fv/Fm分別降低10.3%和14.1%；宜興百合的Fv/Fm分別降低16.3%和21.3%(圖2)。食用百合的抗寒性與Fv /Fm的降低率呈負相關(guān)，降低率小的試材抗寒性強。因為低溫等逆境條件下，PSⅡ光化學(xué)效率下降，F(xiàn)v/Fm值降低。表明，抗寒性蘭州百合最強，龍牙百合次之，

宜興百合最弱。

2.3 低溫脅迫下不同食用百合品種生理指標的變化

2.3.1 葉片相對電導(dǎo)率與滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量 相對電導(dǎo)率是低溫脅迫下衡量細胞膜透性的重要指標，其值越大，表示電解質(zhì)的滲漏量越多，細胞膜受害程度越重[14]。滲透調(diào)節(jié)在植物抗寒過程中發(fā)揮了重要作用。低溫脅迫下植物可通過增加體內(nèi)的主要滲透物質(zhì)含量提高其抗寒適應(yīng)性[15]。從表1可知，與對照相比，隨溫度的下降，不同食用百合幼苗的葉片相對電導(dǎo)率、SP和Pro呈不同程度的上升趨勢。蘭州百合可溶性糖含量隨溫度的降低而升高，宜興百合和龍牙百合可溶性糖含量呈先升高后下降趨勢。說明，在4℃時，宜興百合和龍牙百合的葉片細胞膜結(jié)構(gòu)受一定程度的損壞，導(dǎo)致體內(nèi)相關(guān)合成酶活性降低，水解酶活性增強，從而使可溶性糖的合成受阻，甚至被分解或水解而低于正常值[16]。

經(jīng)分析，食用百合抗寒性與相對電導(dǎo)率、SS和Pro極顯著相關(guān)。

2.3.2 葉片抗氧化酶活性和MDA含量變化 從表1可知，隨溫度的降低，不同食用百合品種幼苗葉片SOD、CAT和POD活性明顯增加，MDA明顯增加。說明食用百合幼苗在低溫脅迫下，通過提高抗氧化酶活性來清除自由基毒害，維持細胞膜的穩(wěn)定，從而提高植物對寒冷的適應(yīng)能力。食用百合地上部分抗寒性與SOD、CAT、POD活性間的相關(guān)性達極顯著水平，與MDA含量顯著相關(guān)。

表1 低溫脅迫下不同食用百合品種幼苗葉片的生理指標

2.4 低溫脅迫24 h 后各食用百合的生理指標抗寒系數(shù)

從表2可看出，經(jīng)4℃低溫脅迫后，相對電導(dǎo)率抗寒系數(shù)，宜興百合最大，為 -250.7%；蘭州百合最小，為 -143.2%。說明蘭州百合的抗寒能力強于宜興百合。SP抗寒系數(shù)、SS抗寒系數(shù)和Pro抗寒系數(shù)均以蘭州百合最大，分別為142.9%、159.3%和187.3%；宜興百合最小，分別為117.9%、87.2%和101.2%。綜合抗寒系數(shù)，蘭州百合最大，4℃和10℃下分別為71.7%和58.7%；宜興百合最小，4℃和10℃下分別為51.6%和51.8%，龍牙百合綜合抗寒系數(shù)介于兩者之間，4℃和10℃下分別為63.2%和52.9%。說明，蘭州百合抗寒能力最強，宜興百合抗寒能力最弱。

表2 低溫脅迫下不同食用百合品種各項指標的抗寒系數(shù)

綜合分析，食用百合抗寒強弱依次為蘭州百合>龍牙百合>宜興百合。

2.5 低溫脅迫24 h 后不同食用百合品種各指標間的相關(guān)性

從表3可知，SS與SP間、SS與Pro間、MDA與Pro間及MDA與SP間呈顯著正相關(guān)，F(xiàn)v/Fm與SP間呈顯著負相關(guān)，SOD與Pro間、SOD與SP間、Pro與SP間及MDA與SS間呈極顯著正相關(guān)。因此，多個指標對抗寒性有影響，且指標間相互作用共同影響食用百合的抗寒性。

表3 低溫脅迫24 h 后不同食用百合品種各指標間的相關(guān)性

3 結(jié)論與討論

植物的抗逆性是受多種因素影響的復(fù)雜的數(shù)量性狀，用單一指標評價植物的抗逆性具有片面性[17]，只有用多個指標進行綜合評價才能準確反映植物的抗逆性[18-19]。

植物生長在自然環(huán)境條件下，不可避免地受到多種逆境脅迫。這些非生物脅迫均會產(chǎn)生次級脅迫，使植物直接或間接形成過量的活性氧自由基(ROS)，而ROS對細胞膜系統(tǒng)、脂類、蛋白質(zhì)和核酸等大分子具有很強的破壞作用[20]。逆境條件下植物體同時存在保護酶系統(tǒng)，能夠清除體內(nèi)多余的自由基，這一保護酶系統(tǒng)實際上是一個抗氧化系統(tǒng)，是由許多酶和還原性物質(zhì)組成，其中超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)是主要的抗氧化酶，植物通過抗氧化酶加強抗氧化作用提高對逆境的抗性，從而防止自由基毒害[21]。Fv/Fm等生理指標是植物抗寒性的主要敏感指標，用于擬南芥[22]等許多種植物的抗寒性鑒定中。低溫下，植物啟動滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可溶性糖、可溶性蛋白和游離脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量發(fā)生變化[23]，膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛含量變化，活性氧自由基產(chǎn)生[24]，超氧化物歧化酶、過氧化物酶等抗氧化酶系統(tǒng)可以清除活性氧、降低低溫帶來的傷害[25。研究以生產(chǎn)上推廣的3個食用百合品種為試材，選取9個生理指標在低溫處理下進行比較發(fā)現(xiàn)，食用百合各品種隨著溫度的降低其相對電導(dǎo)率和葉綠素熒光系數(shù)Fv/Fm呈極顯著變化，是食用百合抗寒性的重要指標，可作為食用百合抗寒種質(zhì)篩選的依據(jù)；食用百合地上部分隨著溫度的降低可溶性蛋白和脯氨酸極顯著變化；食用百合不同品種保護酶系統(tǒng)隨溫度的降低變化較大，但超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶活性變化極顯著，丙二醛含量變化顯著。因此，相對電導(dǎo)率、葉綠素熒光系數(shù)、可溶性蛋白、脯氨酸、超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶活性等可作為食用百合抗寒性強弱的評價指標。此外，食用百合各生理指標間通過聯(lián)合互作與各品種抗寒性呈顯著相關(guān)。

根據(jù)低溫脅迫下各生理指標的綜合分析，4℃和10℃溫度下，蘭州百合的綜合抗寒系數(shù)分別為71.7%和58.7%，龍牙百合的綜合抗寒系數(shù)分別為63.2%和52.9%，宜興百合的綜合抗寒系數(shù)分別為51.6%和51.8%， 3個食用百合品種的抗寒性依次為蘭州百合>龍牙百合>宜興百合。綜合分析結(jié)果與低溫脅迫后各品種形態(tài)特征觀察結(jié)果基本一致，并與各品種在實際生產(chǎn)上的表現(xiàn)相符[26]。3種食用百合中，蘭州百合是最抗寒的食用百合品種，可進一步研究其抗寒分子機制，發(fā)掘抗寒的通路及抗寒基因，為抗寒及品質(zhì)優(yōu)良食用百合品種選育提供參考。相對電導(dǎo)率、葉綠素熒光參數(shù)Fv/Fm、可溶性蛋白、游離脯氨酸、超氧化物歧化酶活性等指標可作為百合抗寒品種選擇的依據(jù)，可為食用百合引種及栽培區(qū)劃分提供技術(shù)支持，也可用于評價除3種食用百合外的其他食用百合及觀賞百合的抗寒性。