外源ABA對低溫脅迫下火龍果苗活性氧代謝的影響

王楚僑,黃一梅,羅 弦*,賈永霞,唐姍姍

(1 四川農業(yè)大學 園藝學院,四川成都 611130; 2 四川農業(yè)大學 資源學院,四川成都 611130)

脫落酸(ABA)是一種植物內源激素,對抑制植物衰老、細胞死亡等方面有著重要的調控作用[5],也是植物響應低溫[1]、干旱[7]、重金屬[8]等多種逆境的重要信號分子。在低溫脅迫下,ABA合成途徑關鍵酶活性及其基因表達上調,促使ABA含量大幅上升,植物抗逆性增加[5]。而外源ABA也能夠通過促進植物體內ABA的合成和運輸,提高植物的耐寒性[9]。研究表明,低溫脅迫下,ABA處理提高了小豆[4]和玉米[3]幼苗的SOD、POD、CAT活性,減少了ROS積累和MDA含量,有效緩解了低溫對植株造成的傷害。另有研究發(fā)現(xiàn),外源ABA可以提高低溫脅迫下黃瓜[9]、甘蔗[6]幼苗的APX和GR等酶活性,增加非酶類抗氧化劑含量,減少電解質外滲和寒害指數,提高植株細胞的穩(wěn)定性和抗寒能力。由此可見,低溫條件下ABA在植物ROS代謝和耐寒性調控中扮演著重要角色。

火龍果(Hylocereusundatus)為仙人掌科量天尺屬果樹,廣泛栽培于中國熱帶亞熱帶地區(qū)[10],性喜溫,5～10 ℃的低溫會使其生長緩慢、產量降低,低于5 ℃可能導致其幼芽、嫩枝,甚至部分成熟枝條凍傷,-4 ℃時會被凍死[11-12]。因此,冬季低溫嚴重制約了火龍果產業(yè)的發(fā)展。目前關于外源ABA調控火龍果耐寒性的研究較少,且ABA對低溫下火龍果植株ROS代謝的影響鮮見報道。本研究以營養(yǎng)豐富但耐寒性較弱的‘臺灣6號’紅心火龍果為試驗材料,探討外源ABA對低溫脅迫下火龍果苗ROS含量、細胞膜穩(wěn)定性、抗氧化酶活性和抗壞血酸—谷胱甘肽(AsA-GSH)循環(huán)的影響,揭示外源ABA對火龍果ROS代謝和耐寒性的調控機理,以期為亞熱帶地區(qū)火龍果抗寒栽培提供一定的理論和實踐依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗所采用的‘臺灣6號’紅心火龍果苗購自成都市雙流區(qū)金橋鎮(zhèn)粵蓉火龍果基地,種植于四川農業(yè)大學成都校區(qū)。選擇生長良好、無病蟲害的火龍果植株扦插于直徑18 cm、高15 cm的花盆中,每盆1株,土壤基質由田園土和通用型營養(yǎng)土按照1∶1配比混勻而成,土壤pH為6.69,有機質含量為35.37 g/kg,堿解氮含量為143 mg/kg,有效磷含量為93 mg/kg,速效鉀含量為238 mg/kg。

1.2 材料培養(yǎng)與處理

1.3 測定指標及方法

1.3.1 寒害指數

低溫脅迫10 d后,參照高國麗等[12]的方法對火龍果苗的寒害指數(CI)進行統(tǒng)計和等級劃分。設火龍果苗0級寒害為無寒害癥狀;1級(輕度寒害)為有1/3面積莖稈出現(xiàn)水漬狀斑點、黃化、萎焉等寒害癥狀;2級(中度寒害)為有1/2面積莖稈出現(xiàn)寒害癥狀;3級(中重度寒害)為有2/3面積莖稈出現(xiàn)寒害癥狀;4級(重度寒害)為整個莖稈出現(xiàn)寒害癥狀。

寒害指數=(∑各寒害級數×該級別苗數)/(4×總苗數)。

1.3.2 ROS和細胞膜穩(wěn)定性

1.3.3 抗氧化酶活性

超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍四唑光化學還原法[13]測定,過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法[13]測定,過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外分光光度法[13]測定。

1.3.4 AsA-GSH循環(huán)指標

總抗壞血酸(AsA)和還原型抗壞血酸(DHA)的含量參照Costa等[15]的方法測定;氧化型谷胱甘肽(GSSG)和還原型谷胱甘肽(GSH)的含量參照Baker等[16]的方法測定;抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性采用抗壞血酸氧化法[13]測定;脫氫抗壞血酸還原酶(DHAR)、單脫水抗壞血酸還原酶(MDHAR)和谷胱甘肽還原酶(GR)活性參照Nakano等[17]的方法測定。

1.4 數據分析

數據采用 Excel 2003和SPSS 23.0進行計算和統(tǒng)計分析,單因素方差分析(one-way ANOVA)、鄧肯(Duncan)進行差異顯著性(P<0.05)檢驗,利用Origin 2018軟件繪圖。圖表中數據為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 外源ABA對低溫脅迫下火龍果植株表型和寒害指數的影響

低溫處理10 d后,火龍果苗出現(xiàn)大量水漬狀斑點,并表現(xiàn)出黃化的癥狀,受害嚴重(圖1,A);ABA預處理可以有效緩解這些受害癥狀,火龍果苗僅出現(xiàn)些許水漬狀斑點與輕微黃化;常溫及常溫添加ABA不會影響火龍果苗的植株表型。由圖1,B可以看出,火龍果苗在常溫(CK+H2O)及常溫添加ABA(CK+ABA)的條件下,其寒害指數均為0;單純低溫處理(LT+H2O)10 d后植株寒害指數達0.52,低溫下外源ABA(LT+ABA)預處理可以減輕火龍果苗的寒害癥狀,寒害指數顯著降低了0.32,但仍顯著高于常溫處理(P<0.05)。

CK.常溫,28 ℃/18 ℃;H2O.蒸餾水預處理;LT.低溫,8 ℃/0 ℃;ABA.150 mg/L ABA預處理;不同小寫字母表示處理間在0.05水平存在顯著性差異(P<0.05)。下同。

2.2 外源ABA對低溫脅迫下火龍果苗產生速率、H2O2、MDA含量和REC的影響

圖2 外源ABA對火龍果苗產生速率和H2O2含量的影響

圖3顯示,火龍果苗MDA含量和REC在CK+ABA處理下均與相應對照CK+H2O沒有顯著差異,在單純低溫處理(LT+H2O)10 d后均比常溫處理(CK+H2O和CK+ABA)顯著升高,分別為對照CK+H2O的1.48倍和1.74倍,而在LT+ ABA處理下均比LT+H2O處理顯著降低,降幅分別為19.7%和15.1%,但仍顯著高于常溫對照水平。說明外源ABA預處理有效減輕了低溫脅迫對火龍果苗細胞膜的損傷程度,但仍沒有恢復至常溫對照水平,而對常溫下火龍果苗無顯著影響。

圖3 外源ABA對火龍果苗MDA含量和REC的影響

2.3 外源ABA對低溫脅迫下火龍果苗抗氧化酶活性的影響

從圖4可以看出,火龍果苗SOD、POD、CAT活性在低溫脅迫下(LT+H2O)均比常溫對照(CK+H2O)顯著增強,增幅分別為77.3%、9.8%和52.8%,而外源ABA預處理(LT+ABA)使低溫條件下火龍果苗SOD、POD、CAT活性進一步顯著增強,與LT+H2O處理相比分別分別升高了24.4%、9.4%和33.8%。同時,在常溫條件下,外源ABA預處理對火龍果苗SOD、POD和CAT活性均無顯著影響。

圖4 外源ABA對火龍果苗抗氧化酶活性的影響

2.4 外源ABA對低溫脅迫下火龍果苗AsA-GSH循環(huán)指標的影響

首先,在常溫條件下,ABA預處理對火龍果苗AsA、DHA含量以及AsA/DHA比值均沒有顯著影響;在低溫脅迫10 d后,LT+H2O處理火龍果苗AsA、DHA含量比常溫對照(CK+H2O)分別顯著升高了10.3%和22.6%,而AsA /DHA比值則顯著降低10.8%。

與LT+H2O處理相比,外源ABA處理進一步顯著提高了低溫脅迫下火龍果苗的AsA、DHA含量,同時也顯著提高了AsA/DHA比值,但AsA/DHA比值仍顯著低于常溫對照(圖5)。

同時,各處理火龍果苗GSH、GSSG含量和GSH /GSSG比值的變化趨勢與相應的AsA、DHA含量以及AsA /DHA比值相似(圖5)。在低溫脅迫下,LT+H2O處理火龍果苗GSH和GSSG含量顯著增加,分別是常溫對照的1.25倍和1.55倍,而其GSH/GSSG比值則比常溫對照顯著下降了18.8%。與單純低溫處理(LT+H2O)相比,外源ABA可顯著提高低溫脅迫下火龍果苗GSH、GSSG含量和GSH/GSSG比值,增幅分別達到25.0%、16.1%和6.2%。在常溫條件下,外源ABA預處理對火龍果苗GSH、GSSG含量和GSH/GSSG比值無明顯影響。

另外,在常溫條件下,ABA預處理(ABA+H2O)使火龍果苗AsA-GSH代謝關鍵酶APX、DHAR和MDHAR活性分別比常溫對照(CK+H2O)顯著增加了15.1%、11.5%和12.8%,對GR活性無顯著影響;與常溫對照相比,低溫脅迫處理(LT+H2O)火龍果苗APX、DHAR、MDHAR和GR活性均顯著增強,增幅分別達到34.2%、26.3%、28.4%和61.6%;ABA預處理(LT+ABA)使低溫脅迫下火龍果苗APX、MDHAR和GR活性進一步增強,比LT+H2O處理分別顯著升高了12.2%、23.5%和47.5%,對DHAR活性沒有顯著影響(圖6)。

圖6 外源ABA對火龍果苗AsA-GSH代謝關鍵酶活性的影響

3 討 論

另外,AsA-GSH循環(huán)是植物體內清除ROS的另一重要系統(tǒng)[29],這一循環(huán)中,APX以AsA作為電子供體,催化AsA與H2O2反應,將H2O2分解為H2O,同時AsA被氧化形成MDHA。部分 MDHA在MDHAR的作用下被還原為 AsA,使其可再次參與H2O2的清除;而另一部分 MDHA 則可進一步被氧化形成DHA,DHA又以GSH為底物在DHAR作用下重新生成 AsA,而此反應所產生的GSSG又被GR催化形成 GSH,最終使H2O2分解為H2O[30]。APX、GR、DHAR、MDAR是這一循環(huán)系統(tǒng)中的重要酶組分,AsA和GSH是非酶促系統(tǒng)的重要抗氧化劑[29]。本試驗中,低溫脅迫下火龍果苗AsA-GSH循環(huán)相關代謝酶活性均顯著升高,AsA、GSH、DHA、GSSG含量均顯著增加,但AsA/DHA比值和GSH/GSSG比值有所下降,說明AsA-GSH的ROS清除系統(tǒng)受到破壞,加劇了膜脂過氧化,最終對植物造成寒害。類似的研究結果在棉花[29]和葡萄[31]中也得到證實。外源ABA可以調控植物的抗逆生理,在抵御低溫脅迫方面具有多條路徑,其中減少ROS類物質的積累至關重要[4]。李丹丹等[8]研究發(fā)現(xiàn),低溫下ABA處理可增強AsA-GSH循環(huán)活性,減輕低溫脅迫對黃瓜幼苗的過氧化傷害。與前人的研究結果相似,本試驗中,外源ABA可顯著提升低溫脅迫下火龍果苗APX、MDHAR和GR活性,保護AsA、GSH等免于氧化,使AsA/DHA、GSH/GSSG比值升高,提升了低溫脅迫下火龍果苗的AsA-GSH循環(huán)能力,從而使植株分解ROS的能力增強,膜脂過氧化程度和離子滲漏得到有效緩解。這是由于ABA作為抗寒基因表達的啟動因子,在低溫脅迫下對ROS清除系統(tǒng)具有誘導作用[32];可誘導APX和GR的轉錄水平提高,較高的GR活性能夠維持較高的GSH水平和合適的GSH/GSSG比值,并保持細胞的氧化還原勢[33]。另外GSH/GSSG比值可以作為細胞內的信號分子,對抗寒基因表達、蛋白質巰基化以及酶活性等進行直接的調控,增加植物AsA-GSH循環(huán)代謝相關酶活性和AsA、GSH等抗氧化劑含量以及AsA/DHA比值[30],最終使植物體內ROS清除能力顯著提高。因此,維持了ROS代謝平衡和細胞穩(wěn)態(tài),減輕了膜脂過氧化,增強了火龍果苗的抗寒性。

綜上所述,低溫脅迫會打破火龍果苗ROS代謝平衡,使ROS過量積累,膜脂過氧化加劇,火龍果苗受到寒害。外源ABA可以增強火龍果苗抗氧化酶和AsA-GSH循環(huán)酶活性,保護AsA、GSH免于氧化,提高AsA/DHA、GSH/GSSG比值,從而清除低溫條件下火龍果苗體內過量積累的ROS,減輕膜脂過氧化程度,提高火龍果苗的抗寒性。