海藻提取物缓解高温对樱桃萝卜胁迫效应的研究

王伟涛，贾春花，张林琳，王小华，孙玲丽，刘之广，张 民，*

［1.土肥资源高效利用国家工程实验室，山东农业大学资源与环境学院，山东 泰安 271018；2.养分资源高效开发与综合利用国家重点实验室/金正大生态工程集团股份有限公司，山东 临沭 276700；3.众德肥料（平原）有限公司，山东 平原 253100］

高温是制约蔬菜产量和品质提升的重要因素。高温胁迫会引起叶绿体相关酶活性降低［1］、活性氧暴发、植物体代谢异常［2］、增强光抑制导致的光合效率下降等问题［3］；同时高温诱导植物叶面积增大、蒸腾速率异常，使果实产量和品质大幅下降。大量试验表明，高温胁迫对以樱桃萝卜为代表的十字花科根茎类作物影响尤为显著［4］。

海藻提取物是海藻类细胞破碎产物，其有效成分主要有褐藻胶、褐藻多酚、甘露醇、甜菜碱、不饱和脂肪酸等［5-6］，活性基团主要有半缩醛羟基、羧基和高密度的羟基等。半缩醛羟基的高度还原性能有效清除活性氧，酚羟基、醇羟基能提高基质保水能力并为植物提供有机碳源［7］，另外，羧基能提高离子缓冲性以及有效提高植物体内酶活性［8］、改善果实品质［9-10］。21世纪植物生物刺激素概念的提出规范并推动了海藻细胞破碎产物在农业领域的应用与发展［11］。目前主要研究了海藻提取物在缓解植物干旱胁迫、盐胁迫、重金属胁迫等方面的生物学效应。叶玉秀等［12］通过酶联免疫法研究表明，海藻提取物能刺激植物细胞提高抗氧化酶活性，调节蒸腾速率缓解干旱胁迫对玉米幼苗的影响。李昉峻等［13］通过现代仪器分析手段研究表明，海藻提取物中的羟基基团与重金属镉发生络合反应可以缓解镉对水稻幼苗的胁迫效应。因此，海藻提取物在缓解高温胁迫对以樱桃萝卜为代表的十字花科根茎类作物具有较好的应用前景，但是其生理机制尚不明确。

本试验利用光照培养箱模拟高温环境，施用不同浓度的海藻提取物对樱桃萝卜进行种植培养，通过测定果实鲜重和可溶性蛋白、叶片SPAD值和内源激素以及抗氧化酶系统相关指标，研究其缓解樱桃萝卜受高温胁迫的机理机制，为指导海藻提取物在块根蔬菜安全生产方面提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验在山东省泰安市山东农业大学土肥资源高效利用国家工程实验室进行。供试樱桃萝卜种子来源于荷兰BEJO公司，生育期45 d。供试海藻提取物是南非巨藻细胞壁破碎产物（有机质20 g·L-1，P2O5+K2O≥90 g·kg-1），来源于众德集团（平原）有限公司。供试芸苔素内酯为干物质量0.136%的粉剂，来源于上海拜诺国际生物科技进出口公司。

供试基质为蔬菜育苗基质，来源于丹麦品氏托普公司，理化性质为：有机质（434 g·kg-1）、NO3--N（296 mg·kg-1）、NH4+-N（84.1 mg·kg-1）、有效磷（P2O599.2 mg·kg-1）、速效钾（K2O 1169 mg·kg-1）、pH 5.94（水基质比5∶1）、电导率2180 μS·cm-1（水基质比5∶1）。

供试育苗梯形方盒，上口边长10 cm，高8 cm，底面边长7 cm。自配营养液为利用N、P2O5、K2O比例为20∶10∶20的育苗专用肥料1000倍的水溶液［14］。

1.2 试验设计

试验共设置4个处理，每个处理3次重复。CK：无外源物质添加；BHG：施用浓度为66.7 mg·L-1的芸苔素内酯；SWE-1，SWE-2：施用浓度分别为100.0、200.0 mg·L-1的海藻提取物。采用基质盆栽栽培的方式在智能光照培养箱中进行，相对湿度通过加湿器维持在50%～60%，光照强度约为15000 lx，昼夜温度设置为30℃，每天设置光照16 h。

浸种时选取大小一致籽粒饱满的种子分别置于不同浓度的海藻提取物中于25℃培养5 h。浸种结束后于30℃恒温箱进行培养，分别将2粒种子播于基质层约0.3 cm深。播种后第5 d间苗至1株，第8和第16 d，均施用10 mL海藻提取物（芸苔素内酯）兑40 mL营养液，即稀释5倍后混匀灌根，培养24 d后测产。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 叶片酶活性及激素含量测定

生长素、脱落酸采用HPLC内源激素法测定，抗坏血酸过氧化物酶活性、谷胱甘肽还原酶活性采用酶联免疫法测定，超氧化物歧化酶活性采用氮蓝四唑光还原法测定，过氧化氢酶活性采用紫外吸收法测定，丙二醛含量采用硫代巴比妥法测定［15］。

1.3.2 樱桃萝卜果实品质分析

维生素C含量采用2，6-二氯靛酚滴定法测定，可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250染色法测定，可溶性还原糖含量采用3，5-二硝基水杨酸法测定［16］。

1.4 数据处理

ANOVA及Duncan差异显著性检验采用SAS 8.2和Excel 2010完成，通过Excel 2010进行作图。

2 结果与分析

2.1 高温胁迫下海藻提取物对樱桃萝卜生物量及根冠比的影响

试验结果（表1）显示，SWE-1和SWE-2处理较CK处理果实鲜重分别显著提高86.1%和180.0%，地上部鲜重分别显著降低18.0%、16.8%，根冠比分别显著上升125.0%和225.0%。与BHG处理相比，SWE-2处理果实鲜重显著增加43.5%，根冠比显著提高79.3%；而SWE-1处理果实鲜重差异不显著。说明海藻提取物的施用能有效促进地下部果实膨大生长，更好地平衡地上部和地下部之间的关系，有效缓解高温对樱桃萝卜的伤害。

表1 不同处理的樱桃萝卜的生物量和根冠比

2.2 高温胁迫下海藻提取物对樱桃萝卜叶片SPAD值和硝酸还原酶活性的影响

叶绿素含量是评价植物光合能力的重要参数，硝酸还原酶是氮同化的关键酶。与CK处理相比，SWE-1、SWE-2的SPAD值显著提高12.5%、16.8%（图1）；硝酸还原酶活性显著升高44.6%、57.7%（图2）。与BHG处理相比，SWE-2处理硝酸还原酶活性显著提高17.1%。SPAD值和硝酸还原酶活性的提高为海藻提取物处理樱桃萝卜获得较高产量奠定了先行条件。

图1 不同处理的樱桃萝卜叶片的SPAD值

图2 不同处理的樱桃萝卜叶片的硝酸还原酶活性

2.3 高温胁迫下海藻提取物对樱桃萝卜果实品质的影响

不同处理的樱桃萝卜果实品质指标见表2。与CK处理相比，SWE-1、SWE-2处理的维生素C含量分别显著提升15.9%、49.1%，可溶性蛋白含量分别显著提高26.4%、35.2%。与BHG处理相比，SWE-1、SWE-2处理维生素C含量分别显著提升31.0%、68.4%，可溶性蛋白含量分别显著提高39.9%、49.6%，还原糖含量分别显著提高16.7%、16.7%。说明海藻提取物可提高果实中维生素C和可溶性蛋白含量。

表2 不同处理的樱桃萝卜果实的品质参数

2.4 高温胁迫下海藻提取物对樱桃萝卜叶片中生长素、脱落酸含量的影响

SWE-1、SWE-2处理较CK处理叶片中生长素含量分别显著升高44.5%和145.4%，脱落酸的含量分别显著下降31.9%、42.0%；较BHG处理生长素含量显著提升42.6%和142.2%，脱落酸含量显著提高27.2%、49.4%（图3）。植物在逆境条件下会调节脱落酸含量来调控叶片气孔的开闭，高温胁迫下海藻提取物对樱桃萝卜中脱落酸含量有显著的影响。逆境条件下脱落酸含量的减少将有利于叶片气孔的开放，使得蒸腾作用增强，减轻高温对植物的热害。

图3 不同处理樱桃萝卜叶片中生长素和脱落酸含量

2.5 高温胁迫下海藻提取物对樱桃萝卜叶片抗氧化酶系统的影响

较CK处 理，SWE-1和SWE-2处 理 叶 片 中的谷胱甘肽还原酶活性分别显著提高11.7%和15.7%，抗坏血酸过氧化物酶活性分别显著提高8.6%、9.4%，SWE-2处理过氧化氢酶活性显著上升94.9%，SWE-1、SWE-2处理较CK处理的超氧化物歧化酶活性差异不显著，但其丙二醛含量分别显著下降50.0%、56.2%（表3）。较BHG处理，SWE-1和SWE-2处理的谷胱甘肽还原酶活性显著提高19.4%、23.7%，抗坏血酸过氧化物酶活性分别显著提高29.0%、29.9%，过氧化氢酶活性显著提高178.1%、503.1%，丙二醛含量显著下降33.3%、41.7%。试验结果表明海藻提取物可以显著降低叶片内丙二醛含量，提高作物的抗逆能力。

表3 不同处理樱桃萝卜叶片中抗氧化酶活性

3 讨论

最新研究表明，高温胁迫环境会引起植物细胞质外体环境的活性氧异常和细胞壁酸化［17］。这种质外体环境的化学变化能加速植物叶片细胞分裂和伸长，引起植物地上部叶片增大增厚从而抵御高温环境的伤害［18-19］。虽然这种形态结构有利于抵御高温热害，但会造成樱桃萝卜歪倒、畸形，不利于农业生产。本试验研究结果表明，海藻提取物能显著提高高温胁迫下的樱桃萝卜根冠比和果实产量。海藻提取物能有效制约因高温胁迫引起的叶片形态异常的现象，这是一系列生理反应的综合结果。

高温胁迫条件下，植物为维持细胞正常生命活动，通过降低抗氧化酶活性并产生大量活性氧簇氧化细胞膜上的不饱和脂肪酸，来降低细胞膜的流动性，减少水分的扩散，增加比热容，从而增强细胞的耐热性［2］。海藻提取物的主要成分海藻酸、褐藻多酚、不饱和脂肪酸等均具有还原性，这些成分可能充当保护成分，保护植物细胞膜免受活性氧簇的伤害［5-6］。并且有研究表明，抗氧化酶活性与金属离子有关（如过氧化氢酶等），海藻提取物能螯合金属离子，降低金属离子引起的副作用［20-21］。本研究表明海藻提取物能有效刺激植物，提高其抗氧化酶活性，减少活性氧，降低高温胁迫对植物细胞膜的伤害。SWE-2处理较CK处理的谷胱甘肽还原酶、抗坏血酸过氧化物酶、过氧化氢酶活性分别显著提高15.7%、9.4%、94.9%，而丙二醛含量显著下降59.2%（表3），与Esserti等［22］研究结果一致，这说明海藻提取物对提高抗氧化酶系统活性具有重要作用。

前人研究表明，海藻提取物具有生物刺激素的功能，即海藻提取物具有持续提高植物生长素含量的效果。脱落酸主要在植物细胞处在不佳的状态下合成，脱落酸在植物缺水生理反应（包括气孔调节等）中的作用已得到充分证明［23］。而在水分充足的条件下，基础水平的脱落酸有利于植物的生长和发育（包括适当调节气孔孔径、提高植物含水量等），并且在促进养分运输和积累方面发挥积极作用［24］。本试验研究表明，高温下施用海藻提取物处理较清水处理生长素含量显著提高145.4%，而脱落酸含量显著下降42.0%（图3），说明海藻提取物能有效提高樱桃萝卜在高温胁迫下的生长能力，同时脱落酸含量的下降反映了植物水分生理状态良好。但是引起这种激素含量变化的途径有两种解释：一是海藻提取物本身含有的外源生长素，二是其他物质刺激植物所产生的内源生长素。哪种途径才是引起这种激素含量变化的主要因素还有待研究，这也可能是造成海藻提取物效果不稳定的主要原因。

海藻提取物富含糖类物质，海藻多糖是一种天然高分子糖醛酸聚合物并且含有大量羧基，这种有机酸盐具有一定的缓冲性，为植物提供稳定适宜的生长环境，其含大量羟基的结构决定了海藻多糖表面会形成一层致密的水膜从而具有缓释效果，降解产生的糖会缓慢释放被植物吸收［25-26］。高温条件下，海藻提取物在改善樱桃萝卜果实品质上的表现也十分突出，SWE-2处理较CK处理樱桃萝卜的维生素C、可溶性蛋白含量分别显著提高了49.1%、35.2%（表2），这可能与海藻提取物有效成分海藻多糖有关。

众所周知，芸苔素内酯是一种激素类物质，能直接刺激激素作用位点引起植物的响应；虽然在本试验条件下，芸苔素内酯处理樱桃萝卜超氧化物歧化酶活性和SPAD值均显著提高，也起到一定程度上的抗氧化和提高光合能力的效果，但樱桃萝卜地上部鲜重占比较大，不利于农业生产，高温胁迫引起的形态学效应依旧存在；而海藻提取物刺激植物提高了其谷胱甘肽还原酶、抗坏血酸过氧化物酶、过氧化氢酶活性，降低了丙二醛含量，SPAD值显著提高，其中SWE-2处理较BHG处理果实鲜重显著增加43.5%，根冠比显著提高79.3%，海藻提取物在高温胁迫下较BHG处理能更好地平衡地上部和地下部的分配关系，解决了高温胁迫引起的形态学效应弊端，这可能是因为海藻提取物与激素类物质的信号传递途径模式是不同的，其分子生物学机制还有待进一步研究。

本试验条件下，海藻提取物提高了激素水平，增强了抗氧化系统相关酶活性，从而减轻高温对植物的危害，为植物细胞创造了良好的生长环境，最终提高了果实产量、改善了果实品质。海藻提取物可与传统肥料配合施用，提高作物的抗逆性，制备具有促生抗逆功能的增值肥料，市场潜力大。

4 结论

较清水处理，SWE-2处理条件果实产量显著提高180.0%，根冠比显著提高225.0%，可溶性蛋白含量显著提高35.2%，叶片中生长素含量显著提高145.4%，脱落酸含量显著降低42.0%，谷胱甘肽还原酶活性显著提高15.7%，丙二醛含量下降56.2%。因此，对高温敏感的作物在受高温胁迫时施用海藻提取物可以显著改善叶片中相关酶的活性，从而增强抗逆能力，提高产量和品质。