不同品種紅掌葉片細胞膜穩定性和滲透調節物質對高溫脅迫的響應

王宏輝,顧俊杰,房偉民,陳發棣,張棟梁

(1 南京農業大學園藝學院,南京210095;2 通遼市科爾沁區農業技術推廣中心,通遼028000;3上海鮮花港企業發展有限公司,上海201303)

高溫脅迫首先傷害植物的細胞膜系統,一方面改變膜脂組成,破壞膜的選擇透過性,引起胞內電解質外滲,導致滲透勢升高;另一方面高溫產生的活性氧分子會氧化膜脂中的不飽和脂肪酸,進而影響細胞膜的穩定性[1]。 滲透調節是植物抵御高溫脅迫和進行自我保護的重要生理機制,植物體通過主動積累滲透調節物質來降低滲透勢,避免或減少高溫對機體的傷害[2],其中脯氨酸含量和可溶性蛋白含量是重要的滲透調節物質。 細胞膜穩定性和滲透調節物質的變化廣泛應用于觀賞鳳梨(Bromeliaceae)[3]、灰巖皺葉報春(Primula forrestii)[4]、海州常山(Clerodendrum trichotomum)[5]、觀賞海棠(Malusspp.)[6]、杜鵑花(Rhododendron)[7]和葡萄(Grape)[8]等植物的耐熱性研究。

紅掌(Anthurium andraeanumLind.)是天南星科(Araceae)花燭屬(AnthuriumSchott)常綠宿根花卉,又稱安祖花、花燭等,具有艷麗多彩的花苞和優美的葉片,廣泛應用于盆栽和切花[9]。 但紅掌對溫度較為敏感,當溫度高于35 ℃時,其花苞褪色、壽命縮短、觀賞性降低。 迄今為止,關于不同耐熱性紅掌對高溫脅迫生理響應差異的研究較少,張偉等[10]研究了‘火焰’‘阿拉巴馬’和‘粉冠軍’3 種不同耐熱性紅掌品種在高溫脅迫下的超氧物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、可溶性蛋白和可溶性糖含量的變化,指出耐熱性強的品種具有較強的細胞滲透調節能力、蛋白質合成能力以及消除活性氧傷害的能力,但并未對細胞膜穩定性進行研究。 本試驗以4 個耐熱性不同的紅掌品種為材料,通過測定39 ℃高溫脅迫不同時間下的相對電導率、丙二醛含量、脯氨酸含量和可溶性蛋白含量,分析不同耐熱性紅掌品種的細胞膜穩定性和滲透調節物質的變化規律,以探索紅掌耐熱性機制。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為上海鮮花港企業發展有限公司提供的株齡為5 個月的4 個紅掌盆花品種,其耐熱能力由強到弱依次為‘阿瓦托’(‘Arento’)、‘馬都拉’(‘Madural’)、‘特倫薩’(‘Turenza’)、‘甜冠軍’(‘Sweet champion’)[11]。

1.2 試驗方法

試驗在南京農業大學實驗室進行,將4 種紅掌于RXZ-430A 人工氣候室內進行39 ℃高溫6 h、12 h、24 h、36 h、48 h 處理,設置空氣相對濕度70%—80%,光照強度10 000—15 000 lx。 對照置于室溫下培養。 每處理5 盆,4 次重復,每個處理選取5 株植株,取上部第1 片成熟葉測定各項生理指標。

1.3 測定項目

相對電導率(REC)采用電導儀測定,丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法測定,脯氨酸(Pro)含量采用酸性茚三酮比色法測定,可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍比色法測定[12]。

1.4 數據統計分析

采用Excel 2007 軟件作圖,運用SPSS 20.0 軟件進行方差分析和顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 紅掌品種葉片細胞膜穩定性對高溫脅迫的響應

2.1.1 相對電導率的變化

相對電導率是衡量高溫對植物細胞膜透性影響程度的一個指標[13]。 由圖1 可知,高溫處理前,耐熱性最差的‘甜冠軍’的相對電導率(REC)顯著大于其他3 個紅掌品種,耐熱性最強的‘阿瓦托’的REC 最小,‘馬都拉’和‘特倫薩’的REC 沒有顯著差異。 高溫處理后,4 個紅掌品種葉片的相對電導率隨著脅迫時間延長呈上升趨勢。 脅迫6 h 時,4 個紅掌品種葉片的REC 與對照沒有顯著差異;當脅迫12 h 時,‘甜冠軍’的REC 的升高幅度最大,比對照增加了68.08%,‘阿瓦托’的REC 升高幅度最小,比對照增加了21.25%,‘馬都拉’和‘特倫薩’的REC 分別比對照增加了38.69%、31.72%;高溫脅迫48 h 時,各品種葉片的相對電導率由大到小依次為‘甜冠軍’‘特倫薩’‘馬都拉’‘阿瓦托’,分別比對照增加了1.49 倍、1.42 倍、1.41 倍、1.12 倍,差異顯著。

2.1.2 丙二醛含量的變化

丙二醛(MDA)是植物在高溫脅迫下膜脂過氧化的重要產物[2]。 由圖2 可知,4 個紅掌品種葉片的MDA 含量變化趨勢與相對電導率變化趨勢一致,即隨著脅迫時間延長呈上升趨勢。 高溫處理前,耐熱性最差的‘甜冠軍’MDA 含量顯著大于其他3 個紅掌品種,耐熱性最強的‘阿瓦托’的MDA 含量最小,‘馬都拉’和‘特倫薩’的MDA 含量沒有顯著差異;脅迫6 h 時,4 個紅掌品種葉片的MDA 含量與對照沒有顯著差異;脅迫12 h 時,‘甜冠軍’MDA 含量升高幅度最大,比對照增加了38.34%,‘阿瓦托’的MDA 含量升高幅度最小,比對照增加了10.41%,‘馬都拉’和‘特倫薩’的MDA 含量分別比對照增加了15.98%、17.71%;脅迫48 h 時,各品種葉片的MDA 含量由高到低依次為‘甜冠軍’‘特倫薩’‘馬都拉’‘阿瓦托’,分別比對照增加了59.41%、48.68%、47.75%和30.10%,差異顯著。

2.2 紅掌品種葉片滲透調節物質對高溫脅迫的響應

2.2.1 脯氨酸含量的變化

由圖3 可知,4 個紅掌品種的脯氨酸含量在脅迫過程中均呈先升高后降低的趨勢,但是升高幅度以及達到峰值所需的時間不同。 處理前,耐熱性最差的‘甜冠軍’脯氨酸含量顯著大于其他3 個品種,而‘阿瓦托’‘馬都拉’和‘特倫薩’間無顯著差異;脅迫6 h時,‘阿瓦托’和‘馬都拉’的脯氨酸含量顯著大于‘特倫薩’和‘甜冠軍’;耐熱性最強的‘阿瓦托’在脅迫24 h時脯氨酸含量達到峰值且顯著大于其他3 個品種,比對照增加了82.43%,而‘馬都拉’‘特倫薩’和‘甜冠軍’均在脅迫12 h 時達到峰值,分別比對照增加了49.88%、37.55%和28.86%,其中‘馬都拉’的脯氨酸含量顯著大于其他2 個品種,但顯著小于‘阿瓦托’;脅迫48 h 時,‘阿瓦托’和‘馬都拉’脯氨酸含量均顯著大于對照,分別比對照增加了63.47% 和20.24%,而‘特倫薩’和‘甜冠軍’則比對照減少了4.04%和12.05%,其中‘特倫薩’的脯氨酸含量與對照沒有顯著差異,而‘甜冠軍’顯著小于對照。

2.2.2 可溶性蛋白含量的變化

由圖4 可知,4 個紅掌品種的可溶性蛋白含量隨脅迫時間延長呈先上升后下降的趨勢,處理前,4 個紅掌品種的可溶性蛋白含量沒有顯著差異;脅迫6 h 時,‘特倫薩’和‘甜冠軍’可溶性蛋白含量達到峰值,分別比對照增加了17.72%和21.81%,顯著大于‘阿瓦托’和‘馬都拉’;脅迫12 h 時,‘馬都拉’達到峰值,比對照增加了32.90%,顯著大于‘特倫薩’和‘甜冠軍’,但與‘阿瓦托’間沒有顯著差異;脅迫24 h 時,‘阿瓦托’葉片的可溶性蛋白含量達到峰值,比對照增加了51.48%,顯著大于其他3 個品種;高溫脅迫48 h 時,耐熱性最強的‘阿瓦托’葉片可溶性蛋白含量顯著大于對照,比對照增加了22.13%,而‘馬都拉’‘特倫薩’和‘甜冠軍’分別比對照減少了3.35%、42.31%和48.53%,其中‘馬都拉’可溶性蛋白含量與對照沒有顯著差異,而‘特倫薩’和‘甜冠軍’均顯著小于對照。

3 討論與結論

細胞膜穩定性是衡量植物抗熱性的一個重要指標[14],相對電導率和丙二醛含量可以反應逆境下細胞膜的穩定性。 本試驗結果表明,高溫處理前耐熱性強的品種相對電導率和丙二醛含量顯著小于耐熱性差的品種,隨著脅迫時間延長,4 個紅掌品種葉片的相對電導率和丙二醛含量均表現升高趨勢,且耐熱性最差的‘甜冠軍’升高幅度最大,耐熱性最強的‘阿瓦托’升高幅度最小,說明越耐熱的品種,細胞膜的穩定性越高。 朱鑫等[15]研究指出高溫脅迫下芹菜(Apium graveolensL.)耐熱品系的膜穩定性高于不耐熱品系,王國霞等[16]研究表明油茶(Camellia oleifera)在高溫脅迫下感熱型品種的葉片相對電導率和丙二醛含量變化幅度明顯高于耐熱性品種,張景云等[17]研究表明小白菜(Brassica campestrisssp.Chinensis)在高溫脅迫下耐熱材料的相對電導率和丙二醛含量升高幅度低于不耐熱材料,與本研究的結果一致。

在一定的逆境脅迫下,植物體可以通過積累脯氨酸和可溶性蛋白等滲透調節物質來避免或減少傷害。 脯氨酸可以提高原生質膠體的穩定性,有利于保持機體的水分,減少蒸騰作用導致的水分散失。 可溶性蛋白質可以增強植物耐脫水能力、保護細胞結構并且延緩衰老[18]。 本研究表明,所有品種葉片的脯氨酸含量和可溶性蛋白含量隨著脅迫時間延長均表現出先升高后降低的趨勢,耐熱性越強的品種升高的幅度越大,達到峰值所需的時間越長,且脅迫結束后仍保持較高的含量。 耐熱性較差的‘甜冠軍’和‘特倫薩’葉片的可溶性蛋白含量在脅迫6 h 后降低,而其脯氨酸含量在12 h 才開始降低,可能是高溫使其可溶性蛋白水解成部分脯氨酸所致。 李敏等[19]研究表明水稻(Rice)耐熱性強的品種在開花期高溫脅迫處理后劍葉游離脯氨酸含量增加幅度大,趙森等[20]研究表明爪哇稻(Oryza staviaL.ssp.javanica)耐熱品種在高溫脅迫下保持了較高的可溶性蛋白和脯氨酸含量,楊華庚等[21]研究表明蝴蝶蘭(Phalaenopsis)在高溫脅迫下耐熱性強的品種脯氨酸積累量越多,可溶性蛋白含量的增幅越大,均與本研究的結果一致。

綜上所述,高溫脅迫下耐熱性越強的紅掌品種葉片的相對電導率和MDA 含量升高幅度越小,脯氨酸和可溶性蛋白含量積累量越多。 說明紅掌的耐熱能力與細胞膜穩定系統及滲透調節物質有關,可將其作為紅掌不同品種耐熱性評價的參考指標。