高溫脅迫對雞爪槭品種生理特性的影響

陳慶生，王偉偉，竇全琴

(江蘇省林業(yè)科學(xué)研究院，江蘇 南京 211153)

雞爪槭(Acer palmatum Thunb.)為槭樹科槭樹屬落葉小喬木，原產(chǎn)山東、河南、江蘇、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、貴州等省，生長于海拔200～1 200 m的林邊或疏林中，在朝鮮和日本也有分布[1]。雞爪槭葉形美觀，秋日葉紅，燦爛似朝霞，風(fēng)姿極佳，為著名觀賞樹種[2]。雞爪槭在我國早有栽培，且變種和變型很多，但雞爪槭栽培品種遇夏季高溫時(shí)易被日灼，特別在南方梅雨季節(jié)后，突遇烈日暴曬[3]，溫度陡升，葉片更易產(chǎn)生灰白色干枯斑，葉緣卷縮，嚴(yán)重時(shí)整葉變黃焦枯，降低了觀賞價(jià)值。本文通過研究自然高溫處理后不同雞爪槭品種葉片生理特性的變化，探討雞爪槭耐熱性與生理特性變化的關(guān)系，對進(jìn)一步揭示雞爪槭耐熱機(jī)理及篩選耐熱種質(zhì)有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用江蘇省林業(yè)科學(xué)研究院11個(gè)2年生不同觀賞類型的雞爪槭品種，于2012年3月定植于控根容器中，容器直徑30 cm，高30 cm，采用泥炭、蘆葦炭、蛭石和有機(jī)肥混合基質(zhì)栽培(體積比為40∶40∶15∶5)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在江蘇省林業(yè)科學(xué)研究院內(nèi)進(jìn)行。11個(gè)雞爪槭品種試驗(yàn)苗分成2組，一組在空曠地進(jìn)行自然高溫處理;另一組作為對照，采取遮蔭等降溫措施，保持最高氣溫低于35℃。2組均采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，重復(fù)3次，株行距為1 m×1 m。

1.3 測定方法

2012年7月20日到7月31日經(jīng)連續(xù)12 d自然高溫(日最高氣溫≥36℃)處理后，8月1日10:00采樣，進(jìn)行生理指標(biāo)的測定。

電導(dǎo)率(REC)采用電導(dǎo)儀法測定，丙二醛(MDA)含量測定采用硫代巴比妥酸比色法，超氧化物歧化酶(SOD)活性測定采用抑制NBT光化還原方法，過氧化物酶(POD)活性測定采用愈創(chuàng)木酚法[4]，可溶性蛋白采用考馬斯亮藍(lán)G-250顯色法，脯氨酸參照茚三酮顯色法[5]。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫處理對不同雞爪槭品種質(zhì)膜透性的影響

2.1.1 對相對電導(dǎo)率的影響 高溫處理后不同參試品種葉片相對電導(dǎo)率均有不同程度增大，如圖1所示。D1118、R1110、R1111和C1125等4個(gè)品種在高溫處理后相對電導(dǎo)率與對照相比有極顯著性差異(P＜0.01);F1120和X1119在高溫處理后相對電導(dǎo)率與對照相比有顯著性差異(P＜0.05); C1116、Y1101、F1113、F1115和G1114等5個(gè)品種在高溫處理后相對電導(dǎo)率與對照相比沒有顯著性差異(P＜0.05)。在高溫處理后參試品種平均相對電導(dǎo)率為39.50%，D1118和X1119相對電導(dǎo)率較低，分別為23.55%和28.44%;R1111、F1113和C1125相對電導(dǎo)率較高，分別為 49.11%，48.79%，48.23%。對照組平均相對電導(dǎo)率為28.75%，D1118相對電導(dǎo)率最低，為13.62%;F1113相對電導(dǎo)率最高，為41.01%。

圖1 高溫處理對11個(gè)雞爪槭品種葉片相對電導(dǎo)率的影響

2.1.2 對丙二醛(MDA)含量的影響 高溫處理對不同參試品種葉片的MDA含量影響差異較大，如圖2所示。Y1101、F1120和F1115等3個(gè)品種的MDA含量比對照提高了82.63%～111.52%，達(dá)到了極顯著性差異(P＜0.01);C1116和R1111的MDA含量比對照分別提高了35.80%和23.77%，達(dá)到了顯著性差異(P＜0.05);D1118、R1110、C1125、F1113、X1119和G1114等6個(gè)品種MDA含量與對照相比沒有顯著性差異;在高溫處理后參試品種的平均MDA含量為63.03 μmol/g FW，比對照組平均升高39.91%;其中X1119、C1125和D1118的 MDA 含 量 較 低，分 別 為 40.36，45.73，53.70 μmol/g FW;Y1101、G1114、F1120和 R1111的MDA含量較高，分別為74.96，72.41，71.29，70. 16 μmol/gFW。對照組平均 MDA 含量 為45.053 μmol/g FW，X1119的 MDA含量最低為27.58 μmol/g FW;F1113的 MDA含量最高，達(dá)到64.75 μmol/g FW。

圖2 高溫處理對11個(gè)雞爪槭品種葉片中MDA含量的影響

2.2 高溫處理對不同雞爪槭品種保護(hù)酶系統(tǒng)的影響

2.2.1 對超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響 高溫處理后參試品種葉片的SOD活性均顯著(P＜0.05)增強(qiáng)，平均值為對照的304.06%，如圖3所示。Y1101、F1120和F1115等3個(gè)品種的SOD活性與對照相比達(dá)到了顯著性差異(P＜0.05)，比對照提高93.29%～126.85%;其余品種達(dá)到了極顯著性差異(P＜0.01)，比對照提高127.62% ～766.57%。高溫處理后參試品種SOD活性平均為1 149.67 U/g FW，Y1101活性最低，為 639.03 U/g FW;X1119活性最高，為1 455.09 U/g FW。對照組參試品種SOD活性平均為378.10 U/g FW，C1125活性最低，為105.49 U/g FW;F1113活性最高，為564.60 U/g FW。

圖3 高溫處理對11個(gè)雞爪槭品種葉片SOD活性的影響

2.2.2 對過氧化物酶(POD)活性的影響 高溫處理對參試品種葉片的POD活性影響差異較大，平均值為對照的258.88%，如圖4所示。D1118、R1111、Y1101、F1120、X1119和F1115等6個(gè)品種在高溫處理有POD活性與對照達(dá)到了極顯著性差異(P＜0.01);C1116和F1113在高溫處理后POD活性與對照相比達(dá)到了顯著性差異(P＜0.05);其余品種與對照間沒有顯著性的差異。高溫處理后參試品種POD活性平均為19.29 U/(g FW·min)，其中品種F1120、Y1101、F1115和X1119的POD活性較大，分別為79.860，47.21，45.95，25.86 U/(g FW·min);其余品種的POD活性均較小，G1114的活性最小，僅有0.498 U/(g FW·min)。對照組POD活性平均為7.45 U/(g FW·min)，F(xiàn)1120、Y1101和X1119的 POD 活性較大，分別為 43.82，17.13，15.20 U/(g FW·min);其余品種POD活性較小，其中R1111最小，僅有0.01 U/(g FW·min)。

2.3 高溫處理對不同雞爪槭品種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

2.3.1 對脯氨酸含量的影響 高溫處理對參試品種葉片的脯氨酸含量影響顯著(P＜0.05)，平均值為對照的268.85%，如圖5所示。C1125高溫處理后脯氨酸含量與對照相比達(dá)到了顯著性差異(P＜0.05);其余品種達(dá)到了極顯著性差異(P＜0.01)。經(jīng)高溫處理后，脯氨酸含量與對照相比，提高幅度為61.70%～965.31%，Y1101增加幅度最大，是對照的10.65倍。高溫處理后參試品種脯氨酸含量平均值為63.24 μg/g FW，Y1101的含量最高，為188.72 μg/g FW;D1118的含量最低，僅為19.86 μg/g FW。對照組脯氨酸含量平均值為17.15 μg/g FW，R1110的含量最高，為24.18 μg/(g FW); D1118含量最低，僅為11.27 μg/g FW。

圖4 高溫處理對11個(gè)雞爪槭品種葉片POD活性的影響

5 高溫處理對11個(gè)雞爪槭品種葉片脯氨酸含量的影響

2.3.2 對可溶性蛋白含量的影響 高溫處理對參試品種葉片的可溶性蛋白含量影響顯著，平均值為對照的215.98%，如圖6所示。比對照提高了68.62%～224.49%。R1110高溫處理后可溶性蛋白的含量與對照相比沒有顯著性差異;其余品種達(dá)到了極顯著性差異(P＜0.01)。F1115經(jīng)高溫處理后可溶性蛋白含量提高幅度最大，為對照的224.49%。高溫處理后參試品種可溶性蛋白含量平均值為342.62 μg/g DW，D1118含量最高，為515. 76 μg/g DW;X1119含量最低，僅為242.65 μg/g DW。對照組可溶性蛋白含量平均值為 158.64 μg/g DW，R1110含量最高，為224.70 μg/g DW; C1125含量最低，僅為95.45 μg/g DW。

圖6 高溫處理對11個(gè)雞爪槭品種葉片可溶性蛋白含量的影響

3 討論

3.1 高溫處理對質(zhì)膜透性的影響

Martineau等認(rèn)為植物在高溫脅迫下的膜傷害與質(zhì)膜透性的增加是高溫傷害的本質(zhì)之一[6]。植物組織受到逆境傷害時(shí)，由于膜的結(jié)構(gòu)破壞，使其透性增大，細(xì)胞內(nèi)各種水溶性物質(zhì)包括電解質(zhì)將有不同程度地外滲，傷害愈大，外滲愈大，電導(dǎo)率的增加也愈大[7]。MDA是植物細(xì)胞膜脂過氧化物之一，MDA含量的動態(tài)變化與細(xì)胞質(zhì)膜外滲率的變化趨勢一致，耐熱種類的MDA積累量與外滲率均較小[8]。本文研究的不同參試品種葉片的相對電導(dǎo)率的變化和MDA的含量可以看出，品種D1118和X1119經(jīng)過自然高溫處理后，相對電導(dǎo)率和MDA的含量均低于平均水平，說明質(zhì)膜在高溫下受傷害程度較小，表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐熱性。這與景天植物在高溫脅迫下MDA含量持續(xù)上升，耐熱性強(qiáng)的景天植物表現(xiàn)出MDA含量積累少[9]結(jié)果一致。高溫脅迫對大花三色堇幼苗中抗性較強(qiáng)的品種電解質(zhì)外滲和MDA含量也有相似的結(jié)果[10]。品種 Y1101、F1113、F1115和G1114經(jīng)高溫處理后，相對電導(dǎo)率與對照之間沒有顯著性差異(P＜0.05);同時(shí)這些品種的MDA含量也高于平均水平，這表明質(zhì)膜的穩(wěn)定性已經(jīng)受到一定程度地破壞，可能對照組在遮蔭條件下也已經(jīng)受到熱害，說明這幾個(gè)品種對熱敏感。

3.2 高溫處理對保護(hù)酶系統(tǒng)的影響

高溫脅迫使植物體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生與清除平衡被打破，導(dǎo)致活性氧的積累，為了阻止活性氧對細(xì)胞的傷害，植物形成了抗氧化保護(hù)酶和抗氧化劑在內(nèi)的抗氧化保護(hù)系統(tǒng)，植物細(xì)胞中SOD、POD酶是主要保護(hù)酶之一。SOD是植物體內(nèi)重要的活性氧清除酶之一，也是保護(hù)酶系統(tǒng)的首道防線，負(fù)責(zé)將超氧陰離子自由基歧化為O2和H2O2。POD催化H2O2和電子供體形成H2O，進(jìn)而阻止H2O2在體內(nèi)的積累或通過Fenton反應(yīng)(H2O2+Fe2+→·OH+OH-+Fe3+)形成羥基自由基(·OH)。從而減少·OH在形成部位直接攻擊細(xì)胞內(nèi)核酸、蛋白質(zhì)生物大分子與質(zhì)膜不飽和脂肪酸的可能性，確保膜結(jié)構(gòu)完整性[11-13]。本文參試品種經(jīng)過自然高溫處理，SOD與POD活性都出現(xiàn)不同程度的增強(qiáng)，與紅掌盆栽品種抗熱性研究SOD和POD活性的變化情況相似[14]。在對高溫脅迫4種珍珠菜屬植物的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著高溫脅迫的增強(qiáng)，SOD與POD活性先上升后下降，但與對照相比還是表現(xiàn)為增強(qiáng)[15]，本文的研究結(jié)果與其一致。品種Y1101和F1120在高溫處理后SOD與其他品種相比活性較弱，而POD活性明顯增強(qiáng)，此消彼長;而F1115和X1119的SOD和POD都表現(xiàn)出較高的活性，這可能與植物的不同防御階段和機(jī)制有關(guān)。植物正常生長條件下，保護(hù)酶彼此協(xié)調(diào)，使生物體內(nèi)活性氧自由基維持在一個(gè)較低的平衡狀態(tài)，當(dāng)處于高溫脅迫時(shí)，植物體內(nèi)活性氧產(chǎn)生和清除的平衡被破壞，活性氧的積累加速，此時(shí)抗氧化酶就會積極參與以維持細(xì)胞內(nèi)活性氧自由基的平衡。本研究發(fā)現(xiàn)，SOD的活性在高溫處理后均表現(xiàn)出顯著(P＜0.05)或極顯著(P＜0.01)增強(qiáng);POD活性在高溫處理均有所增強(qiáng)，Y1101、F1120、X1119和F1115等4的品種的活性顯著高于其他品種，且與對照有極顯著性(P＜0.01)增大;其余品種經(jīng)高溫處理后POD活性也有顯著(P＜0.05)或極顯著(P＜0.01)地提高，但是整體活性很低，在維持細(xì)胞內(nèi)活性氧自由基平衡方面意義不大。大部分雞爪槭品種SOD與POD活性呈現(xiàn)此消彼長的模式，協(xié)調(diào)作用，減輕逆境傷害。由此可見，雞爪槭在高溫脅迫下，最先激發(fā)的保護(hù)酶為SOD。

3.3 高溫處理對滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

滲透調(diào)節(jié)是植物抵御高溫脅迫的重要生理反應(yīng)，是植物對膜脂過氧化作用酶促防御體系之一，可調(diào)節(jié)滲透與細(xì)胞水分含量，參與物質(zhì)代謝[16]，在抗熱性研究中倍受關(guān)注。脯氨酸的生理功能豐富，它不僅可以調(diào)節(jié)細(xì)胞質(zhì)滲透壓、降低植物細(xì)胞的酸度、穩(wěn)定細(xì)胞的大分子結(jié)構(gòu)，還在調(diào)節(jié)細(xì)胞氧化還原勢上起作用。脯氨酸含量的變化，不僅可以影響到細(xì)胞的膜脂過氧化作用，還在一定程度上影響細(xì)胞的水分含量和氧自由基的清除。本研究參試品種在高溫處理后脯氨酸含量與對照相比有顯著性增強(qiáng)(P＜0.05)。在高溫脅迫下脯氨酸不同程度的主動積累，能提高植物細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)能力[14，17]。Y1101經(jīng)高溫處理后脯氨酸含量最高，是對照的10.65倍，是平均值的2.98倍，極顯著(P＜0.01)高于其他品種，說明該品種對熱敏感。蛋白質(zhì)是生物體內(nèi)最重要的大分子物質(zhì)之一，在逆境條件下，植物體通常會啟動一些與逆境相適應(yīng)的基因，導(dǎo)致新蛋白的產(chǎn)生，這些蛋白通常被稱為脅迫蛋白。其中，調(diào)滲蛋白的作用尤其重要。可溶性蛋白與植物細(xì)胞的保水力密切相關(guān)，在高溫脅迫下可溶性蛋白含量可顯著增加，由于其具有較強(qiáng)的親水性，對胞內(nèi)水分的保持具有重要作用。耐熱種類或品種在高溫下能保持較高的蛋白質(zhì)合成速率與較低的蛋白質(zhì)降解速率。然而，關(guān)于植物葉片中可溶性蛋白的變化與高溫脅迫的關(guān)系目前存在爭議。有結(jié)果表明，在高溫脅迫下，可溶性蛋白含量增加[18-19];但也有結(jié)果證實(shí)，植物體內(nèi)的可溶性蛋白含量下降[20-21]，這可能與供試植物本身特性和脅迫溫度的高低有關(guān)。本研究中參試品種高溫處理后可溶性蛋白含量均有所提高，其中有10個(gè)品種與對照相比有極顯著性增加(P＜0.01)。Y1101、F1115和G1114的脯氨酸含量與可溶性蛋白含量都較高，說明這2種物質(zhì)共同調(diào)節(jié)高溫脅迫造成的傷害。D1118經(jīng)高溫處理后可溶性蛋白含量最高且與對照相比有極顯著性(P＜0.01)提高，脯氨酸含量與對照相比也有極顯著性提高，增大滲透調(diào)節(jié)能力，以抵抗外界不良環(huán)境的影響。

3.4 雞爪槭品種的耐熱性

不同參試品種的耐熱性存在明顯的差異，不同品種應(yīng)對高溫脅迫的保護(hù)酶與滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的變化不同。D1118主要是通過提高SOD活性和可溶性蛋白的含量來提高抗逆性;X1119和F1115則通過SOD和POD協(xié)同作用，且2種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)都有極顯著性增加，以此來減少高溫對其造成的傷害。參試品種保護(hù)酶系統(tǒng)出現(xiàn)此消彼長的現(xiàn)象，一般以一種保護(hù)酶的活性提高為主。Y1101和F1120保護(hù)酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量均較高，但質(zhì)膜透性破壞嚴(yán)重，可能是植物已經(jīng)處于受傷害的后期。由此可以看出，各品種通過不同的保護(hù)機(jī)制來抵抗熱害，這可能與植物本身的特性或脅迫所處的不同階段有關(guān)。

D1118和X1119經(jīng)過高溫處理后，質(zhì)膜透性傷害程度小，相對電導(dǎo)率和MDA含量與其他品種之間有顯著性(P＜0.05)差異;保護(hù)酶活性較高，具有較強(qiáng)的滲透調(diào)節(jié)能力;這2個(gè)品種葉片形態(tài)和葉色在高溫處理后沒有明顯變化[22]，說明這2個(gè)品種具有較強(qiáng)的耐熱性。其余品種在高溫處理后，相對電導(dǎo)率高，細(xì)胞膜質(zhì)過氧化產(chǎn)物積累較多，且葉片顏色變化明顯，葉片卷曲甚至有脫落[22]，說明其對高溫的適應(yīng)性較弱，可能更加適應(yīng)于夏季高溫持續(xù)時(shí)間短且溫度稍低的高緯度地區(qū)種植。

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