低温胁迫及恢复对茄子幼苗活性氧代谢和渗透调节物质含量的影响

吴雪霞,朱宗文,许 爽,查丁石

(上海市农业科学院 园艺研究所/上海市设施园艺技术重点实验室,上海 201106)



低温胁迫及恢复对茄子幼苗活性氧代谢和渗透调节物质含量的影响

吴雪霞,朱宗文,许 爽,查丁石*

(上海市农业科学院 园艺研究所/上海市设施园艺技术重点实验室,上海 201106)

摘要：以耐低温性不同的两个茄子品种为材料,研究了低温胁迫及恢复对茄子幼苗活性氧代谢和渗透调节物质含量的影响。结果表明：低温胁迫使茄子幼苗叶片的MDA含量、O2-·产生速率和H2O2含量升高,使SOD、POD、CAT、APX、DHAR和GR的活性,以及AsA、GSH、脯氨酸和可溶性蛋白质的含量增加;在恢复2 d后, MDA含量、O2-·产生速率和H2O2含量均呈下降趋势,其他10个指标升高或者降低,但均高于对照的；耐低温材料前3个指标的值均低于低温敏感材料的,后10个指标的值均高于低温敏感材料的;耐低温材料前3个指标的上升幅度均小于低温敏感材料的,而后10个指标则反之。以上结果说明,低温胁迫影响了茄子幼苗活性氧和渗调物质的正常代谢,但耐低温材料可以通过调节自身的保护系统减轻低温胁迫的伤害。

关键词：茄子;低温胁迫及恢复;活性氧代谢;渗透调节物质

茄子(SolanummelongenaL.)是一种喜温性蔬菜,其生长发育的适宜温度为22～30 ℃,在低于15 ℃下其植株生长迟缓,当低于5 ℃时其茎叶会受到伤害,在0 ℃下就会被冻死[1-2]。在冬春季节进行保护地栽培时,低温是影响茄子产量和品质的主要因素[3]。研究低温胁迫对茄子的伤害作用及其机理,探索茄子的抗寒机制及冷害预防措施,具有重要的理论和实际意义。据前人报道，在低温胁迫条件下,植物幼苗生长受到抑制,生物量积累下降[4],光合作用降低[3,5]，酶活性上升[4,6]。迄今有关低温胁迫及恢复对耐低温性不同的茄子品种生理特性的研究较少。

植物的耐冷性与活性氧代谢关系密切,在低温下植物的光合能力减弱,会引起光能过剩,从而产生大量的活性氧,导致膜脂过氧化,进而造成膜系统损伤[7-8]。我们以耐低温性不同的2个茄子品种为试材,研究了不同天数低温处理及恢复对茄子幼苗抗氧化系统和渗透调节物质的影响,旨在揭示茄子耐冷性的生理机制,为茄子抗逆育种提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验材料

供试茄子品种为‘江茄’(低温敏感品种)和‘72#’(耐低温品种),由上海市农业科学院园艺研究所茄子课题组提供。

1.2试验处理

试验在上海市农业科学院园艺研究所GSW-7430连栋塑料温室内进行。种子经0.12 g/L GA浸种催芽后播于直径10 cm、高10 cm的塑料营养钵中,以蛭石作基质,每钵播1粒种子,共100粒种子。在真叶展开后每2 d浇1次1/4浓度的日本园试营养液,每株浇50 mL,在出现3片真叶后每株浇80 mL。

当幼苗具有4～5片真叶时,挑选生长一致的植株，分别置于温度为(27±1)℃(昼)/(22±1)℃(夜)的2个光照培养箱内,光照强度为400 μmol/(m2·s)左右。置于培养箱2 d后对茄子幼苗进行不同温度的处理。试验设2个处理：(1)常温处理(对照),温度设为(27±1)℃(昼)/(22±1)℃(夜);(2)低温处理,温度设为(10±1)℃(昼)/(5±1)℃(夜)。低温处理与对照培养箱除温度不同外,光照和相对湿度(80%左右)均一致。在低温培养7 d后将温度调为(27±1)℃(昼)/(22±1)℃(夜),进行2 d的恢复处理。每个处理18株,3次重复。在进行处理0、1、3、5、7和9 d后分别进行幼苗各项指标的测定。

1.3测定指标与方法

丙二醛(MDA)、过氧化氢(H2O2)、抗坏血酸(AsA)、谷胱甘肽(GSH)、脯氨酸和可溶性蛋白质的含量，超氧阴离子(O2-·)的产生速率，超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、脱氢抗坏血酸还原酶(DHAR)和谷胱甘肽还原酶(GR)的活性的测定均参照Wu等[9]的方法。

1.4 统计分析

采用Origin软件进行绘图,用SPSS统计软件对平均数用Duncan’s新复极差法进行多重比较。

2结果与分析

2.1低温胁迫及恢复对茄子幼苗叶片MDA含量、O2-·产生速率和H2O2含量的影响

由图1可知：耐低温性不同的两个茄子品种幼苗叶片的MDA含量、O2-·产生速率和H2O2含量在低温处理(0～7 d)期间呈持续上升的趋势,在恢复2 d(第7～9天)后呈下降趋势。两个品种相比较,随着低温处理时间的延长,低温敏感品种江茄以上3个指标均高于耐低温品种72#的,且前者的上升幅度均大于后者的。在低温处理7 d时,与对照相比,江茄的MDA含量、O2-·产生速率和H2O2含量分别上升了102.75%、345.09%和302.27%,72#分别上升了87.48%、283.07%和98.47%;在恢复2 d后,以上各指标均下降，但仍高于对照,江茄的MDA含量、O2-·产生速率和H2O2含量分别比对照上升了54.56%、254.35%和172.05%,72#分别比对照上升了43.48%、106.32%和39.57%。可见,耐低温品种在低温胁迫下受到的伤害较小,并且恢复能力也远远强于低温敏感品种。

图1　低温胁迫对茄子幼苗叶片MDA含量、O2-·产生速率和H2O2含量的影响

2.2低温胁迫及恢复对茄子幼苗叶片抗氧化酶活性的影响

由图2-A及图2-C可知：在低温处理下,2个茄子品种叶片的SOD、CAT活性的变化趋势一致,随低温胁迫时间的延长,低温敏感品种江茄的SOD、CAT活性均在第5天达到峰值,耐低温品种72#的在第7天达到峰值。由图2-D可以看出,江茄和72#的APX活性均在低温处理7 d时达到峰值,分别比对照增加了1.09和1.27倍。

由图2-B、图2-E和图2-F可以看出：在低温胁迫下，2个品种的POD、DHAR和GR活性在整个处理期间一直呈上升趋势；在低温处理第9天时(即恢复2 d后),江茄的POD、DHAR和GR活性分别比对照增加了1.38、0.45和0.69倍,72#的分别增加了1.62、0.53和0.84倍。

在整个处理期间,无论指标的变化趋势如何,低温敏感品种江茄的酶活性始终低于耐低温品种72#的,且前者的增加幅度均小于后者的。

图2　低温胁迫对茄子幼苗叶片抗氧化酶活性的影响

2.3低温胁迫及恢复对茄子幼苗叶片AsA和GSH含量的影响

由图3-A和图3-B可以看出：江茄和72#的AsA含量的变化趋势一致,在低温处理7 d时达到峰值,分别比对照增加了1.01和1.14倍；江茄的GSH含量在低温处理5 d时达到峰值,比对照增加了37.57%,72#的在低温处理7 d时达到最大值,比对照增加了42.37%。

在低温处理期间,两个品种相比较,低温敏感品种江茄的AsA和GSH含量均低于耐低温品种72#的,且前者的增加幅度均小于后者的。

图3　低温胁迫对茄子幼苗叶片AsA和GSH含量的影响

2.4低温胁迫及恢复对茄子幼苗叶片脯氨酸和可溶性蛋白质含量的影响

由图4-A和图4-B可以看出：江茄和72#的脯氨酸和可溶性蛋白质含量的变化趋势一致,均在低温处理7 d时达到峰值；与对照相比,江茄的脯氨酸和可溶性蛋白质含量分别增加了1.12和0.37倍,72#的分别增加了1.41和0.41倍。

在低温处理期间,耐低温品种72#的脯氨酸和可溶性蛋白质含量均高于低温敏感品种江茄的,且前者的增加幅度均大于后者的。

3讨论

在遭遇低温胁迫时,植物细胞内自由基的产生与清除平衡受到破坏,OH-、O2-·等自由基大量积累,诱发膜脂过氧化,从而使细胞膜透性增大,蛋白质活性降低甚至丧失,对植物产生伤害[10]。本实验结果表明,随着低温胁迫时间的延长,茄子幼苗叶片的MDA含量、O2-·产生速率和H2O2含量均呈上升趋势;在恢复2 d后,以上3个指标均有所降低,但仍高于对照,说明低温胁迫造成茄子植株体内ROS过剩,植物细胞受到破坏,不能完全恢复;低温敏感品种以上3个指标的上升幅度均显著高于耐低温品种的,说明低温对低温敏感品种造成的伤害大于耐低温品种。上述结果与胡俊杰等[11]在菜用大豆上的研究结果一致。

低温胁迫使植物体内活性氧增加,同时刺激了植物体内SOD、POD、CAT和APX等抗氧化酶活性的增加[12]。本实验结果表明,在低温处理7 d及恢复2 d后,茄子幼苗叶片中SOD、POD、CAT、APX、DHAR和GR活性到达峰值的日期不同,但均迟于对照,说明茄子幼苗可通过自身的调节机制提高抗氧化酶的活性,以适应逆境，并再次建立活性氧产生与清除的平衡关系[13]。这有利于植株在经受更低温度或更长时间的低温胁迫时维持较高的耐冷性[14-15]。另外,本试验发现耐低温材料上述各种酶活性的上升幅度均显著高于低温敏感材料的,表明耐低温茄子品种的抗氧化酶系统对低温反应敏感,且能保持较高活性,有利于清除植株体内过多的活性氧,提高耐寒能力。这与高秀瑞等[16]在茄子上的研究结果一致。

AsA和GSH是植物体内存在的抗氧化剂,是自由基清除系统的重要组成物质,可还原、清除·OH及歧化H2O2[8]。本研究结果表明,经低温胁迫处理的茄子幼苗叶片的AsA和GSH含量高于对照的,恢复至正常温度使两者含量下降，表明低温胁迫可以通过提高茄子幼苗叶片中的AsA和GSH含量来提高茄子幼苗对低温胁迫的耐性；耐低温材料AsA和GSH含量的上升幅度显著高于低温敏感材料的,与酶活性的变化趋势一致,进一步增加了对活性氧的清除能力。

脯氨酸和可溶性蛋白质是重要的渗透调节物质。植物在遭受逆境胁迫时,其细胞自身会产生渗透调节物质来适应逆境,渗透调节物质含量的高低及变化的快慢均可反映植物对逆境的适应能力[17-18]。本试验结果显示,在低温胁迫下,茄子幼苗叶片的脯氨酸和可溶性蛋白质含量均明显升高,这是因为低温胁迫往往引起细胞膜透性增大,为了防止电解质过多外渗,植株会主动积累渗透调节物质[17],提高细胞液的渗透压,增强细胞的吸水、保水能力。这与董绪兵等[18]在黄瓜上的研究结果一致。

综上所述,低温胁迫提高了茄子的MDA含量、O2-·产生速率和H2O2含量,增加了抗氧化酶SOD、POD、CAT、APX、DHAR和GR的活性、抗氧化剂AsA和GSH的含量，以及脯氨酸和可溶性蛋白质的含量,说明低温胁迫不仅会提高细胞活性氧水平,也可诱发植物防御体系的建立,从而避免或减轻活性氧对植物的伤害。本研究结果为茄子耐低温机制研究奠定了一定的理论基础,可为茄子耐低温育种提供理论参考。

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(责任编辑:黄荣华)

收稿日期：2015-12-25

基金项目：上海市农委基础项目[沪农科攻字(2015)第6-2-3号];上海市种业发展项目[沪农科种字(2013)第5号]。

作者简介：吴雪霞(1978─)，女，山东菏泽人，副研究员，博士，从事茄子育种和逆境生理研究工作。*通讯作者:查丁石。

中图分类号：S641.1

文献标志码：A

文章编号：1001-8581(2016)07-0017-05

Effects of Low Temperature Stress and Recovery on Reactive Oxygen Metabolism and Osmotic Adjustment Substance Contents in Eggplant Seedlings

WU Xue-xia, ZHU Zong-wen, XU Shuang, ZHA Ding-shi*

(Horticulture Research Institute, Shanghai Academy of Agricultural Sciences/ Shanghai Municipal Key Laboratory of Protected Horticultural Technology, Shanghai 201106, China)

Abstract：The experiment was carried out to study the effect of low temperature stress on the reactive oxygen species metabolism and osmoticum content of two different low temperature resistance eggplant cultivars. The results showed that MDA contents, O2-· producing rate and H2O2 contents, activities of SOD, POD, CAT, APX, DHAR and GR, contents of AsA and GSH, proline and soluble protein were increased compared to the control. After 2 days’ recovery, MDA contents, O2-· producing rate and H2O2 contents were decreased, while the last 10 indexes either increased or decreased but higher than the control. The content of the first 3 indexes of the low temperature resistant materials were lower than those of cold-sensitive materials, and the later 10 indexes were all higher than those of cold-tolerant materials. And the increase ranges of the first 3 indexes of cold-sensitive materials were larger than those of cold-tolerant materials, while the trends of the last 10 indexes were the contrary. All these proved that low temperature stress influenced normal metabolism of reactive oxygen species and osmoticum of eggplant seedlings, while cold-tolerant plants could adjust themselves by regulating protective enzyme system.

Key words：Eggplant (Solanum melongena L.); Low temperature stress and recovery; Reactive oxygen metabolism; Osmotic regulation substance