王原秀 蘭夢云 范吳蔚 唐博希 田慧源 劉國琴



摘 要:為探究外源脫落酸(ABA)對冷脅迫煙草幼苗的緩解效應,本研究以‘云煙97為試材,分析了外源ABA對煙草幼苗葉片細胞膜透性、抗氧化酶活性和滲透調節物質含量的影響。結果表明,冷脅迫會增大煙草幼苗葉片細胞膜透性,隨冷脅迫時間延長,膜透性逐漸增大,對煙苗產生傷害;葉面噴施ABA能維持細胞膜的相對穩定性,減輕冷脅迫對煙苗的傷害度,在冷脅迫1~4 d時,傷害度分別降低了33.36、36.78、58.60和1.86倍,顯著小于未噴施外源ABA的冷脅迫處理。冷脅迫處理增加葉片丙二醛(MDA)含量,誘導抗氧化酶活性的增強,引起滲透調節物質含量的增加;而葉面噴施ABA處理能提高葉片中抗氧化酶活性,抑制MDA的過量積累,始終維持較高的滲透調節物質含量。綜上,外源ABA通過調節植株保護酶活性和滲透調節水平等提高煙草幼苗抗冷性。
關鍵詞:煙草;幼苗;ABA;冷脅迫;緩解效應
中圖分類號:S572
文獻標識碼:A
文章編號:1008-0457(2023)03-0021-08
國際DOI編碼:10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2023.03.004
低溫脅迫是影響作物生長和限制產量的重要非生物脅迫因素之一[1]。在低溫脅迫下,作物通過感受刺激和傳導信號,引起生理生化方面發生一系列的變化,如葉綠素降解[2],膜質過氧化產物積累[3],抗氧化酶防護系統的動態平衡被打破[4]等,進而影響其生長發育,造成品質下降,產量降低。煙草是一種喜溫作物,對低溫較為敏感[5],當溫度低于12 ℃時,煙苗光合速率下降,出苗率受到影響,抑制幼苗生長[6]。南方是我國的主要煙區,早春季節因倒春寒頻發經常遇到低溫冷害的問題[7],煙草幼苗生長被抑制,光合作用效率降低[8],生理代謝發生紊亂,植株受到氧化傷害,抗逆性減弱[6],難以培育壯苗,以致移栽煙苗素質差,還苗期延長,煙葉的產量和質量均受到影響[9],使煙草生產的經濟效益大幅度下降。因此,研究如何提高煙苗抗冷脅迫能力對于煙葉生產至關重要。
植物生長物質能增強作物的抗寒能力[10],促進幼苗在低溫下生長,葉綠素含量明顯增加,抗氧化酶活性上升[11-12]。脫落酸(ABA)在植物生長發育過程和逆境脅迫應答方面有重要作用,在提高植物的抗性方面已得到廣泛的運用。在脅迫環境下,噴施ABA可明顯提高小麥[13]、甘蔗[14]、水稻[15]和大麥[16]等作物滲透調節物質含量,緩解MDA的積累,增強抗氧化防護系統,顯著緩解脅迫效應。李馨園等[17]研究表明,外源ABA處理使玉米幼苗SOD和POD活性增強。李燁等[18]研究發現,外源ABA能夠明顯降低茄子幼苗的相對電導率和MDA含量,提高葉綠素含量,增強保護酶活性,對冷害具有緩解作用。此外,外源植物激素對干旱[19-20]、低溫[21-22]、鹽[23]等脅迫下煙草的調控也有大量研究,但外源ABA增強煙草抗冷性方面的研究未見報道。為此,本試驗選用對低溫敏感的烤煙品種‘云煙97,研究冷脅迫對四葉一心期煙苗的生理影響以及ABA的緩解效應,為進一步應用ABA提高煙苗抗冷性提供數據參考。
1 ?材料與方法
1.1 ?試驗材料
供試煙草( Nicotiana tabacum ?L . )品種為對低溫敏感的烤煙品種‘云煙97。脫落酸購于阿拉丁生物科技有限公司。
1.2 ?試驗設計
將煙草種子播于12孔育苗盤,置于晝夜溫度為(25±2)℃/(15±2)℃、光周期為12 h、相對濕度為70%、光照強度為80%的人工氣候箱培養至四葉一心時,選擇無病、健壯、長勢均一植株進行試驗。設3個處理:8 ℃+蒸餾水為冷脅迫處理,8 ℃+40 μmol/L ABA為ABA處理,以25 ℃+蒸餾水作為常溫對照。每個處理40株,設置3次重復。試驗采取葉面噴施法(葉片正反兩面均勻噴施),每株噴施5 mL,每天噴施1次,噴施誘導3 d后,將植株放入光照培養箱中進行冷脅迫(晝溫/夜溫=8±0.5 ℃/4±0.5 ℃)處理,光照時間為12 h,光強為80%,相對濕度為70%,分別于冷脅迫0、1、2、3和4 d時取幼苗生長點下第1~2片展開真葉進行各指標的測定。
1.3 ?測定項目及方法
1.3.1 ?電導率測定和傷害度計算
參照李馨園等[17]的方法,選取煙苗幼苗生長點下第1~2片展開真葉,用清水輕輕擦洗表面玷污物,然后分別用蒸餾水和去離子水清洗1~2次,用濾紙將葉片表面水分擦拭掉,用打孔器打取等量葉片(避開葉脈),將同處理的樣品混勻后分成3份,分別將樣品完全浸入裝有15 mL去離子水的試管中,在室溫下靜置15 h后用電導儀(DDS-IIA型)測定浸泡液電導率R。再將樣品煮沸25 min,待冷卻至室溫后用同樣的方法測定各瓶溶液的電導率R1。
相對電導率L(%)=R/R1×100
傷害度(%)=[(Lt-LCK)/(1-LCK)]×100
其中,Lt為處理的相對電導率,LCK為對照的相對電導率。
1.3.2 ?光合色素含量測定
葉片葉綠素含量用乙醇浸提法測定[24]。
1.3.3 ?抗氧化酶系統測定
過氧化氫酶(CAT)使用南京建成生物研究所提供試劑盒測定。超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、谷胱甘肽還原酶(GR)和抗壞血酸過氧化物酶(APX)等使用蘇州格銳思生物科技有限公司提供的試劑盒測定。
1.3.4 ?滲透調節物質含量測定
分別使用蘇州格銳思生物科技有限公司提供植物可溶性糖試劑盒(微板法)、脯氨酸試劑盒(微板法)和蛋白含量測定試劑盒(微板法)測定可溶性糖、脯氨酸和可溶性蛋白含量。
1.3.5 ?丙二醛含量測定
丙二醛(MDA)采用蘇州格銳思生物科技有限公司生產的MDA含量檢測試劑盒(微板法)進行測定。
1.4 ?數據分析
試驗數據運用Microsoft Excel 2007、DPS7.05等軟件進行整理和統計,分析差異顯著性水平為0.05。
2 ?結果與分析
2.1 ?外源ABA處理對冷脅迫下煙草幼苗葉片膜損傷的影響
2.1.1 ?外源ABA處理對冷脅迫下煙草幼苗葉片細胞膜透性的影響
由圖1可知,冷脅迫處理使煙苗葉片細胞膜透性升高,幼苗葉片傷害度隨著冷脅迫時間的延長而增加; 脅迫1 ~4 d,冷脅迫處理的傷害度分別為8.59%、15.49%、25.63%、32.36%,表明隨脅迫時間延長,傷害程度隨之增大。與冷脅迫處理相比,葉面噴施ABA處理后煙苗的葉片膜透性降低,脅迫1 ~4 d時,傷害度分別降低了33.36、36.78、58.60和1.86倍,顯著低于冷脅迫處理,有效緩解冷脅迫造成的傷害。說明ABA對低溫誘導的膜透性升高有抑制作用,能減小煙苗受低溫傷害的程度,有效提高了煙苗的抗冷性。
2.1.2 ?外源ABA處理對冷脅迫下煙草幼苗葉片細胞膜脂過氧化程度的影響
由圖2可知,與常溫對照相比,冷脅迫后煙苗葉片中MDA含量呈快速升高趨勢,在脅迫1 ~4 d時,分別增加13.74%、45.60%、33.31%和59.03%,均顯著高于對照。與冷脅迫處理相比,葉面噴施ABA 降低膜脂過氧化程度,減少過氧化產物MDA的積累,保持膜的相對穩定性,在脅迫1~4 d時, MDA含量分別顯著下降11.22%、21.53%、16.08%和10.65%。說明隨著冷脅迫強度增加,細胞膜損傷程度加劇,ABA處理減少了MDA的積累量,降低幼苗葉片細胞膜脂過氧化程度。
2.2 ?外源ABA處理對冷脅迫下煙草幼苗葉片葉綠素含量的影響
由表1可知,冷脅迫及外源ABA處理,煙苗葉片葉綠素含量呈先升后降再升的變化趨勢。冷脅迫和ABA處理的煙苗葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b含量和葉綠素a/b值在處理1~2 d變化較穩定,但除葉綠素a/b值外,其他指標均顯著低于對照,后隨處理時間的延長以上指標均呈顯著降低的趨勢。與常溫對照相比,冷脅迫和ABA處理的葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b含量和葉綠素a/b值在脅迫3~4 d均顯著降低。與冷脅迫相比,在脅迫3~4 d,ABA處理除3 d時葉綠素a/b的比值無顯著變化外,其余均顯著增加,脅迫3 d時的葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b含量分別增加了47.37%、45.45%和46.67%。脅迫4 d時的葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b和葉綠素a/b值分別增加了44.44%、38.89%、42.59%和5.61%。表明冷脅迫處理顯著降低了煙苗葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b的含量和葉綠素a/b的比值,而ABA處理在一定程度上降低了由冷脅迫傷害造成的光合色素下降幅度。
2.3 ?外源ABA處理對冷脅迫下煙草葉片滲透調節物質的影響
從圖3、圖4可以看出,與常溫對照相比,冷脅迫處理使煙苗葉片脯氨酸和可溶性蛋白含量增加,呈先升高后下降的變化趨勢。在冷脅迫3 d時, 低溫對照脯氨酸和可溶性蛋白含量均達峰值,隨后下降。與冷脅迫處理相比,噴施ABA可進一步增加脯氨酸和可溶性蛋白質含量。冷脅迫前用ABA處理引起可溶性蛋白含量的顯著增加。在冷脅迫3 d時,ABA處理的脯氨酸和可溶性蛋白含量均達最大值,此時分別增加41.35%和29.83%,差異顯著。
如圖5所示,與常溫對照相比,冷脅迫處理的葉片可溶性糖含量隨處理時間的延長而逐漸增加,說明低溫能夠提高幼苗可溶性糖的含量, 從而增強了植物的低溫耐受性。與冷脅迫處理比,ABA處理在處理前期幼苗可溶性糖含量快速增加,在低溫期間一直保持較高的可溶性糖含量。在脅迫1 ~4 d時, ABA處理分別顯著增加16.82%、36.22%、32.11%和27%。說明煙苗對外源ABA的誘導更敏感,響應更快。
外源ABA可以增加煙苗葉片脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖的含量,提高煙苗的滲透調節物質水平來抵御低溫冷害。
2.4 ?外源ABA處理對冷脅迫下煙草幼苗葉片抗氧化酶活性的影響
2.4.1 ?幼苗葉片超氧化物歧化酶(SOD)活性變化
與常溫對照相比,冷脅迫處理的煙苗葉片SOD活性隨冷脅迫處理時間的延長而升高,在脅迫3 d時達到最大值,隨后下降(圖6)。表明在脅迫前期煙苗能夠依靠自身的保護酶系統抵御低溫的傷害,但在脅迫后期植物體內超氧陰離子自由基含量增加植株自身保護酶系統平衡被打破, SOD活性下降。與冷脅迫相比,噴施ABA能夠在短時間內提高煙苗的SOD活性,并在脅迫后期時依然保持較高的酶活性。脅迫1 ~4 d時,分別顯著提高16.12%、 15.04%、15.02%和10.60%。這表明外源ABA處理能夠顯著提高煙苗清除活性氧(ROS)的能力。
2.4.2 ?幼苗葉片過氧化物酶(POD)活性變化
如圖7所示,與常溫對照比較,隨冷脅迫時間延長,煙苗葉片的POD活性均逐漸上升。表明幼苗在冷脅迫下能夠長時間的保持較高的POD活性從而抵御低溫害。冷脅迫1 ~4 d時,低溫處理分別比對照增加31.03%、38.99%、35.52%和45.87%。外源ABA處理能有效提高幼苗的POD活性。脅迫2 ~4 d時,較冷脅迫處理分別提高9.40%、21.00%和23.11%,差異顯著。說明ABA處理使煙苗的POD活性明顯升高,且活性隨冷脅迫時間的延長而增強。
2.4.3 ?幼苗葉片過氧化氫酶(CAT)活性變化
圖8表明,與常溫對照相比,冷脅迫對煙苗葉片CAT活性有影響,但較微弱。除了脅迫3 d時,低溫處理顯著提高11.06%外,在其他脅迫時間低溫處理均無顯著差異。與冷脅迫相比,噴施ABA有效提高了幼苗的CAT活性。脅迫2~4 d時,分別提高31.13%、21.15%和16.30%,差異顯著??梢姡瑢熋邕M行外源ABA處理則可以緩解低溫對CAT活力造成的抑制。
2.4.4 ??幼苗葉片抗壞血酸過氧化物酶 (APX)活性變化
如圖9所示,與常溫對照相比,冷脅迫下的煙苗葉片APX活性呈上升趨勢。在脅迫4 d時,增加75.46%,差異顯著。ABA處理的幼苗葉片APX活性隨冷脅迫強度的增加而逐漸上升。ABA處理較對照分別顯著提高43.98%、41.81%、134.33%和305.73%;在脅迫2~4 d時,ABA處理較低溫處理分別顯著提高36.53%、42.72%和131.23%。表明低溫能促進煙苗APX活性的增加,ABA處理使幼苗能夠在冷脅迫下長時間保持較高的APX活性從而抵御低溫傷害。
2.4.5 ?幼苗葉片谷胱甘肽還原酶(GR)活性變化
由圖10可知,與常溫對照相比,冷脅迫處理提高了煙苗葉片GR活性,在處理3 d時達到最大值,然后逐漸下降。除冷脅迫2 d外,均未達到顯著差異水平,在脅迫2 d時,低溫處理較對照增加33.28%,差異顯著。表明低溫誘導了煙苗GR活性的升高,隨低溫處理時間的延長,GR活性下降,不能及時清除體內的H2O2而使幼苗的低溫耐受性減弱。與冷脅迫相比,外源ABA處理的葉片GR活性隨冷脅迫時間的延長而升高,在處理3 d時達到峰值,隨后迅速下降。在脅迫1~4 d時,分別顯著增加27.33%、29.13%、186.22%和58.44%。說明外源ABA誘導使煙苗GR活性增加,這就保證了幼苗在低溫逆境下能夠快速做出響應,防止更大的傷害發生。
3 ?結論與討論
在低溫脅迫條件下,植物體內會產生過剩的自由基,啟動膜脂過氧化作用,MDA大量積累[25],細胞膜受損,膜透性增加,抑制植株抗低溫能力,而SOD、POD、CAT、APX和GR等是植物體內清除這些自由基傷害的保護酶??扇苄蕴?、可溶性蛋白和脯氨酸作為重要的3種滲透調節物質,在低溫條件下,靠細胞主動積累來調節細胞的滲透勢,維持植物組織內各種酶類和細胞膜結構能正常發揮功能[26]。低溫脅迫首先導致葉綠體結構受到破壞,進而讓葉綠素生物合成受到抑制[27],最后使葉片內葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素含量下降、植株黃化[28]。本試驗結果表明,冷脅迫引起煙草幼苗葉片膜透性和MDA含量大幅增加,這與鄧化冰等[29]的研究結果一致,說明低溫脅迫會造成胞內電解質大量外滲, 細胞膜受損,隨冷脅迫時間延長,煙苗受低溫傷害程度隨之增加。冷脅迫使煙苗葉片保護酶活性不同程度上升。在冷脅迫1~4 d,SOD、GR和CAT活性隨脅迫時間的增加呈先上升后下降趨勢,說明為了緩解低溫脅迫下ROS的毒害作用,植株開啟了抵御逆境脅迫的自身保護機制,然而這種機制只能維持較短時間,隨著脅迫強度的增加,保護酶活性也隨之下降,這也許是其保護機制的臨界閾值;POD和APX活性隨脅迫時間的增加呈上升降趨勢,這與張嘉雯等[30]的研究結果不一致,其SOD、POD活性隨脅迫時間延長呈先降后升的趨勢,這可能是不同植物抵御低溫脅迫的方式也不同。冷脅迫條件下,煙苗葉片中的可溶性糖、脯氨酸與可溶性蛋白含量均增加,說明植株對于低溫具有一定的抵御能力,可有效緩解低溫帶來的傷害。Zeng等[31]研究表明,低溫脅迫明顯提高了水稻幼苗葉片中葉綠素的含量。本試驗與Zeng等[31]的研究結果相似,在本研究中,低溫處理的煙苗葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b和葉綠素a/b值在脅迫1~2 d呈上升趨勢,可能是葉綠素降解取決于脅迫的持續時間和強度,冷脅迫1~2 d的時間較短,煙苗對低溫還不夠敏感;也可能是冷脅迫下,植株自我修復啟動,葉綠素合成酶活性升高,從而影響到葉綠素的生物合成[32],具體原因仍需要進一步研究。冷脅迫2~3 d時,幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b含量、葉綠素a/b值呈下降趨勢,表明冷脅迫降低了植株葉片內葉綠素含量,這與Pagter等[33]、楊碧云等[34]研究結果相符。
ABA作為“逆境激素”,在提高植物抗寒能力方面起著重要作用。有研究指出,黃瓜幼苗葉片噴施ABA可降低葉片的電解質滲漏,阻抑MDA的累積[35]。在本研究中,與冷脅迫處理相比,ABA處理顯著降低葉片MDA的積累和傷害度,表明外源ABA能減輕低溫對細胞的過氧化作用,降低電解質滲漏,維持膜的相對穩定性。ABA處理后,抗氧化保護酶活性進一步提高,這與石如意等[36]、Ali等[37]、初敏等[38]的研究結果相符,說明外源ABA能有效提高抗氧化酶活性,緩解低溫脅迫對幼苗的氧化傷害程度。一方面可能是外源植物激素施用可以通過誘導抗氧化酶相關基因的表達,降低生物大分子的降解來增高抗氧化酶活性[39];另一方面是植物抗氧化系統受ABA信號系統的誘導和調控[40],抗氧化保護酶活性迅速提高,可能與噴施ABA促進內源ABA的迅速積累相關[17]。冷脅迫3 d時, 幼苗葉片的SOD活性呈下降趨勢,與羅立津等[41]對甜椒幼苗、方仁等[42]對香蕉幼苗的研究結果一致。楊楠等[43]發現,ABA處理使冷脅迫下幼苗葉片的脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量明顯增加,這與本試驗結果一致。本研究發現,冷脅迫條件下,煙苗葉片中的脯氨酸與可溶性蛋白含量均逐漸增加,說明植株對于低溫具有一定的抵御能力,可有效緩解低溫帶來的傷害。冷脅迫前用ABA處理引起可溶性蛋白和可溶性糖含量的顯著增加, 表明葉片可溶性蛋白和可溶性糖含量物質對外源ABA的誘導敏感、響應快。Karimi等[44]研究表明,冷脅迫下,噴施ABA能促進葡萄幼苗葉片中葉綠素的合成與積累。在本研究中,冷脅迫3 ~4 d, 外源施加ABA幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b含量呈上升趨勢,增加幅度顯著大于冷脅迫處理。說明外源ABA在一定程度上能降低幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b的降解速度,一方面可能是因為噴施ABA能減小葉綠體的質膜過氧化程度,提高葉片中原葉綠素酸酯氧化還原酶的活性,促進葉綠素的生物合成;另一方面可能由于是外源ABA緩解原有葉綠體色素氧化分解的速度,促進葉綠素含量積累[32]。
綜上所述,冷脅迫對煙苗的生理功能造成嚴重損害。ABA處理降低了煙苗葉片的MDA含量,延緩了葉綠素的降解,增強了SOD、POD、CAT、APX和GR活性,增加可溶性蛋白、脯氨酸和可溶性糖滲透調節物質的積累,進而有效地降低細胞膜透性,提高煙苗的抗冷性。
(責任編輯:胡吉鳳)
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Alleviating Effect of Exogenous ABA on Tobacco Seedlings Under Cold Stress
Wang Yuanxiu1,Lan Mengyun2,Fan Wuwei3,Tang Boxi1,Tian Huiyuan1,Liu Guoqin1*
(1.Key Laboratory of Tobacco Quality Research of Guizhou Province,College of Tobacco,Guizhou University,Guiyang,Guizhou 550025,China; 2.College of Forestry,Guizhou University,Guiyang,Guizhou 550025,China; 3.Yimen County Branch of Yuxi Tobacco Company,Yuxi,Yunnan 651100,China)
Abstract:
In order to explore the mitigation effect of exogenous abscisic acid (ABA) on tobacco seedlings under cold stress,this study used ‘Yunyan 97 as experimental material to analyze the effects of exogenous ABA on cell membrane permeability,antioxidant enzyme activity and osmotic regulatory substance content of tobacco seedlings.The results showed that cold stress increased the cell membrane permeability of tobacco seedling leaves,and the membrane permeability increased gradually with the extension of cold stress time,which would cause damage to tobacco seedlings.Spraying exogenous ABA could maintain the relative stability of cell membrane,and reduce the damage of cold stress to tobacco seedlings.During 1 to 4 days of cold stress,the damage degree of membrane was 33.36,36.78,58.60 and 1.86 times,which was significantly lower than that of cold stress treatment without exogenous ABA spraying.Cold stress treatment increased the content of malondialdehyde (MDA) in leaves,enhanced the activity of antioxidant enzymes,and increased the content of osmotic regulatory substances.Moreover,ABA treatment could further increase the activity of antioxidant enzymes,inhibit the accumulation of MDA content,and maintain a high content of osmotic regulatory substances.In conclusion,exogenous ABA can improve cold resistance of tobacco seedlings by regulating the activity of plant protective enzymes and osmoregulation level.
Keywords:
tobacco; seedling; ABA; cold stress; mitigation