馬鈴薯東農(nóng)303、大西洋在低溫脅迫下生理生化及光合特性的比較

周真珍,史端甫,李 力,徐 明,賀利雄*

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

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馬鈴薯東農(nóng)303、大西洋在低溫脅迫下生理生化及光合特性的比較

周真珍1,史端甫2,李 力1,徐 明1,賀利雄1*

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

摘要：以馬鈴薯品種大西洋、東農(nóng)303幼苗為試驗(yàn)材料，綜合分析了低溫脅迫下馬鈴薯幼苗的丙二醛、葉綠素、脯氨酸和SOD等生理生化指標(biāo)，以及光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度等光合特性，結(jié)果表明，馬鈴薯大西洋品種表現(xiàn)出的抗寒性?xún)?yōu)于東農(nóng)303。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯；幼苗；低溫脅迫；生理生化；光合特性

馬鈴薯(Solanumtuberosum)是茄科茄屬一年生草本植物，其塊莖富含豐富的維生素、淀粉和蛋白質(zhì)，我國(guó)馬鈴薯種植面積和鮮薯產(chǎn)量均居世界首位[1-3]。

隨著中國(guó)馬鈴薯主糧化發(fā)展戰(zhàn)略的提出[4]，對(duì)馬鈴薯品種的要求越來(lái)越高，需要開(kāi)發(fā)新的增產(chǎn)途徑，擴(kuò)大種植面積的重點(diǎn)是南方冬閑田的開(kāi)發(fā)利用。我國(guó)南方地域廣闊，適宜種植馬鈴薯。近幾年來(lái)，冬閑田種植馬鈴薯發(fā)展迅速；但是南方冬閑田種植的品種大多為北方品種或者國(guó)外品種，對(duì)于南方地區(qū)的冬季低溫、陰濕和倒春寒等環(huán)境適應(yīng)性差，對(duì)馬鈴薯的產(chǎn)量和品質(zhì)影響很大，嚴(yán)重影響了馬鈴薯的經(jīng)濟(jì)效益。因此選擇抗寒性較強(qiáng)的馬鈴薯栽培品種是一個(gè)能改善南方馬鈴薯生產(chǎn)的有效途徑。抗寒性與植物的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和光合作用有密切的關(guān)系[5]。運(yùn)用人工模擬低溫脅迫試驗(yàn)，通過(guò)分析馬鈴薯的有關(guān)生理生化指標(biāo)及光合作用的變化，探討了低溫對(duì)不同品種馬鈴薯幼苗的丙二醛、葉綠素、脯氨酸、SOD以及光合作用的影響，為南方馬鈴薯生產(chǎn)用品種的抗寒性比較提供了理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料

1.1.1供試材料供試品種為馬鈴薯栽培品種東農(nóng)303、大西洋，由湖南省馬鈴薯工程技術(shù)研究中心提供。

1.1.2儀器與試劑儀器：分光光度計(jì)、分析天平、研缽、水浴鍋、高速離心機(jī)、烘干箱。

試劑：愈創(chuàng)木酚、30% H2O2、三氯乙酸、硫代巴比妥酸、無(wú)水乙醇、茚三酮、乙酸、磷酸、磺基水楊酸、甲苯、鹽酸羥胺、對(duì)氨基苯磺酸、α-萘胺、丙酮、硫酸、硫酸鈦、濃氨水均為國(guó)產(chǎn)分析純；SOD試劑盒購(gòu)自南京建成生物工程研究所。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1苗期低溫處理選取馬鈴薯生長(zhǎng)良好和長(zhǎng)勢(shì)一致的盆栽幼苗5株，移入人工氣候室(AGC-D003N，浙江大學(xué)求是人工環(huán)境有限公司)中進(jìn)行低溫處理(3 ℃，5000 lx，光照12 h)。分別在低溫脅迫0、1、3、5 d時(shí)測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo)，并采集馬鈴薯葉片，液氮處理磨碎后置于超低溫冰箱-80 ℃下保存，用于低溫抗性指標(biāo)的測(cè)定。

1.2.2光合速率的測(cè)定選取自頂端開(kāi)始第4節(jié)位成熟葉，在14:00利用LI-6400便攜式光合作用儀(LI-COR Inc.，USA)分別測(cè)定馬鈴薯東農(nóng)303和大西洋品種在低溫0、1、3、5 d時(shí)的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度。

1.3生理生化指標(biāo)的測(cè)定方法

丙二醛(MDA)含量測(cè)定采用硫代巴比妥酸比色法(TBA)[6]；脯氨酸含量測(cè)定采用酸性茚三酮法[7]；葉綠素含量測(cè)定采用無(wú)水乙醇法[8]；SOD酶活性的測(cè)定采用SOD試劑盒測(cè)定(南京建成公司)。

2結(jié)果與分析

2.1低溫脅迫期間馬鈴薯植株的生理變化

馬鈴薯植株在遭受低溫脅迫時(shí)會(huì)引起一系列的生理生化變化，冷害會(huì)導(dǎo)致丙二醛積累、葉綠體含量下降和光合作用降低等變化。在低溫脅迫期間，植株除了被動(dòng)地發(fā)生生理變化外，還會(huì)通過(guò)調(diào)整自身的生理生化變化，增加植物體內(nèi)可溶性物質(zhì)含量來(lái)增強(qiáng)低溫抗性，如脯氨酸、甜菜堿等物質(zhì)；酶促抗氧化劑的合成水平上升，如超氧化物歧化酶活增加等，能有效清除代謝過(guò)程中產(chǎn)生的活性氧，從而在低溫脅迫中繼續(xù)生存。

2.1.1馬鈴薯幼苗丙二醛含量的變化當(dāng)植物受到逆境脅迫，植物的許多代謝過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生活性氧，累積的活性氧將誘發(fā)生物膜發(fā)生脂質(zhì)過(guò)氧化作用，導(dǎo)致細(xì)胞膜系統(tǒng)嚴(yán)重?fù)p傷，植物膜脂過(guò)氧化物產(chǎn)物丙二醛大量積累，其含量的變化直接反映脂膜過(guò)氧化的程度[9-10]。低溫脅迫將引起丙二醛的產(chǎn)生，并隨著低溫脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。

由圖1可知，隨著低溫脅迫處理時(shí)間的延長(zhǎng)，大西洋和東農(nóng)303的丙二醛含量都呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)，但大西洋的增加幅度明顯小于東農(nóng)303，大西洋在冷脅迫3 d時(shí)丙二醛含量增加幅度最大，在低溫脅迫的3、5 d時(shí)，丙二醛含量變化較?。欢鴸|農(nóng)303在低溫脅迫期間，丙二醛含量一直上升，在5 d時(shí)達(dá)到最高。說(shuō)明大西洋在低溫脅迫中的脂膜過(guò)氧化程度小于東農(nóng)303。

2.1.2馬鈴薯幼苗SOD活性的變化在正常的生長(zhǎng)條件下，馬鈴薯體內(nèi)的活性氧處于一種動(dòng)態(tài)平衡，若低溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，自由基的增加導(dǎo)致植株的傷害并最終導(dǎo)致植物死亡。為了保護(hù)植物體免受自由基和活性氧的強(qiáng)氧化傷害，植物體內(nèi)的清除自由基的抗氧化體系會(huì)發(fā)揮作用，其中包括超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)等。其中超氧化物歧化酶(SOD)能催化植物體內(nèi)超氧自由基(·O2-)發(fā)生歧化反應(yīng)而清除·O2-,在植物體的自我保護(hù)系統(tǒng)中起著極為重要的作用[11]。在植物低溫脅迫中，體內(nèi)的抗氧化酶類(lèi)SOD活性會(huì)逐漸升高，且抗寒性強(qiáng)的升高幅度比較大。

由圖2可以看出，隨著低溫脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，大西洋的SOD活性呈降低趨勢(shì)，在低溫脅迫1 d時(shí)，大西洋SOD活性呈下降趨勢(shì)；在低溫脅迫3、5 d時(shí)，其SOD活性變化很小。東農(nóng)303的變化趨勢(shì)與大西洋不同，在低溫脅迫1 d時(shí)，其SOD活性上升變化最大；低溫脅迫3、5 d時(shí)，其SOD活性只略微上升；2個(gè)品種的差異較為明顯。

2.1.3馬鈴薯幼苗葉綠素含量的變化植物葉片在低溫脅迫下葉綠素含量降低，其原因：一方面是低溫降低了葉綠素合成酶的活性，限制了葉綠素的合成[12]；另一方面是原有葉綠體色素氧化分解，引起減少。由圖3可知，2個(gè)品種馬鈴薯的葉綠素含量在低溫脅迫中都出現(xiàn)了一定程度的下降，其中大西洋葉綠素含量在低溫脅迫時(shí)逐步下降，在脅迫5 d時(shí)下降了0.116 mg/g,東農(nóng)303的葉綠素含量在低溫脅迫中逐步下降，在脅迫5 d時(shí)減少了0.121 mg/g，在低溫脅迫中，大西洋葉綠素含量的減少值低于東農(nóng)303。

2.1.4馬鈴薯幼苗脯氨酸含量的變化當(dāng)遭遇低溫脅迫時(shí)，植物會(huì)調(diào)整自身代謝、強(qiáng)化專(zhuān)一的生理代謝，積累相溶性物質(zhì)來(lái)提高細(xì)胞液濃度、降低細(xì)胞水勢(shì)和冰點(diǎn)，從而提高馬鈴薯的抗寒性。脯氨酸是植物體內(nèi)的主要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一，是衡量低溫傷害的主要生理指標(biāo)[13]，在低溫脅迫下，抗寒性越強(qiáng)的植株，其脯氨酸含量越高[14]。

游離脯氨酸含量的測(cè)定結(jié)果如圖4所示，低溫脅迫可以引起植株體內(nèi)脯氨酸含量的積累。隨著低溫脅迫處理時(shí)間的延長(zhǎng)，大西洋和東農(nóng)303的脯氨酸含量均呈增加的趨勢(shì)。大西洋在低溫脅迫中，脯氨酸含量增加值高于東農(nóng)303，更好地為大西洋的抗逆性提供了保障。

2.2低溫脅迫對(duì)光合作用的影響

光合作用是植物積累營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，較高的光合碳同化能力是植物抵抗逆境脅迫的前提。低溫脅迫對(duì)光合作用的影響很大，主要原因有：一是低溫脅迫能夠通過(guò)光抑制影響植物的光合系統(tǒng)，嚴(yán)重的低溫脅迫還會(huì)導(dǎo)致光氧化被破壞；二是低溫會(huì)降低植物體內(nèi)的光合作用酶活性，從而影響光合作用[15-16]。

2.2.1低溫脅迫期間馬鈴薯幼苗凈光合速率的變化凈光合速率是植物光合系統(tǒng)功能的直接體現(xiàn)，也是植物光合系統(tǒng)工作正常與否的判斷指標(biāo)。從圖5可以看出，低溫脅迫下的馬鈴薯的光合活性受到抑制，光合速率持續(xù)下降。低溫脅迫為1、3、5 d時(shí)，東農(nóng)303的凈光合速率分別為處理前的50%、35%、25%，大西洋的凈光合速率分別為處理前的55%、37%、32%，東農(nóng)303的凈光合速率的下降幅度明顯大于大西洋。低溫脅迫期間大西洋的光合活性高于東農(nóng)303，說(shuō)明其抗寒性?xún)?yōu)于東農(nóng)303。

2.2.2低溫脅迫期間馬鈴薯幼苗氣孔導(dǎo)度的變化氣孔是植物與大氣進(jìn)行CO2和水汽交換的通道，植物在光下進(jìn)行光合作用，通過(guò)氣孔吸收CO2，其中氣孔導(dǎo)度會(huì)影響植物的光合作用[17]。從圖6可以看出，隨著低溫脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，2種馬鈴薯幼苗的氣孔導(dǎo)度均出現(xiàn)下降。2種品種的馬鈴薯幼苗在低溫1 d時(shí)，下降幅度都很大，因?yàn)榈蜏孛{迫導(dǎo)致氣孔關(guān)閉，在低溫3 d的時(shí)候，東農(nóng)303的下降幅度更大；在低溫5 d時(shí)，大西洋的氣孔導(dǎo)度略高于東農(nóng)303。

2.2.3低溫脅迫期間馬鈴薯幼苗胞間CO2濃度的變化CO2是植物進(jìn)行光合作用的原料，胞間CO2濃度可以影響到植物的光合速率。隨著低溫脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，2種馬鈴薯的胞間CO2濃度變化呈現(xiàn)了不同的變化趨勢(shì)。

從圖7可以看出，大西洋和東農(nóng)303的胞間CO2濃度均呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢(shì)，但東農(nóng)303的上升幅度明顯高于大西洋。在低溫脅迫1 d時(shí)，東農(nóng)303的胞間CO2濃度上升達(dá)到峰值，而大西洋在低溫脅迫5 d時(shí)胞間CO2濃度才達(dá)到峰值。一般低溫脅迫會(huì)導(dǎo)致氣孔關(guān)閉，引起胞間CO2濃度降低。在低溫逆境脅迫期間，東農(nóng)303的氣孔開(kāi)度低于大西洋，但其胞間CO2濃度高于大西洋，這可能是由于光合酶活性受到抑制，導(dǎo)致不能進(jìn)行暗反應(yīng)固定CO2，從而導(dǎo)致胞間CO2累積、濃度增加。這一變化說(shuō)明了大西洋的光合系統(tǒng)的低溫抗性?xún)?yōu)于東農(nóng)303，低溫脅迫的損傷時(shí)間推遲，即大西洋的低溫抗性?xún)?yōu)于東農(nóng)303。

3小結(jié)

馬鈴薯幼苗抗寒性是受保護(hù)性酶、丙二醛和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)等共同調(diào)節(jié)的，需要對(duì)大西洋和東農(nóng)303這2個(gè)馬鈴薯品種幼苗期低溫脅迫下的多個(gè)生理生化指標(biāo)和光合特性，結(jié)合各指標(biāo)間的相關(guān)分析來(lái)評(píng)價(jià)。低溫脅迫下馬鈴薯的大西洋和東農(nóng)303品種的脯氨酸和SOD活性含量的增加，有助于維持滲透壓的平衡，減少對(duì)質(zhì)膜過(guò)氧化程度，維護(hù)細(xì)胞，減少低溫對(duì)馬鈴薯幼苗的傷害[5]。其中大西洋脯氨酸含量的增長(zhǎng)幅度明顯大于東農(nóng)303脯氨酸含量，并且綜合凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度的指標(biāo)可以看出，馬鈴薯品種大西洋的抗寒性?xún)?yōu)于東農(nóng)303，為南方馬鈴薯低溫育種的篩選提供了參考。

本試驗(yàn)僅對(duì)幾個(gè)抗性生理指標(biāo)進(jìn)行了探討，為了提高對(duì)馬鈴薯品種低溫抗性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，建議繼續(xù)開(kāi)展后續(xù)試驗(yàn)的驗(yàn)證：(1)本試驗(yàn)研究低溫對(duì)光合作用的影響，還可以通過(guò)測(cè)定光合作用酶活性和葉綠素?zé)晒鈪?shù)等作進(jìn)一步探究；(2)低溫脅迫下的抗氧化酶的種類(lèi)還有很多，通過(guò)測(cè)定更多的酶活性指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)馬鈴薯品種的抗寒性；(3)本試驗(yàn)的低溫環(huán)境都是人工模擬，所得數(shù)據(jù)是人工低溫處理的結(jié)果，還應(yīng)通過(guò)大田試種試驗(yàn)，從而獲取更多的參考依據(jù)。

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(責(zé)任編輯：曾小軍)

Comparison of Physiological-biochemical Indexes and Photosynthetic Characteristics between Potato Varieties Dongnong 303 and Daxiyang under Low Temperature Stress

ZHOU Zhen-zhen1, SHI Duan-fu2, LI Li1, XU Ming1, HE Li-xiong1*

(1. College of Biological Science and Technology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China;2. College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)

Abstract：Taking Dongnong 303 potato and Daxiyang potato as experimental materials, analyzed comprehensively the physiological-biochemical indexes such as malondialdehyde(MDA), chlorophyll, proline and SOD and the photosynthetic characteristics such as photosynthetic rate, stomatal conductance and intercellular CO2concentration of potato seedlings under low temperature stress. The results showed that the cold resistance of Daxiyang potato was better than that of Dongnong 303 potato.

Key words：Potato; Seedling; Low temperature stress; Physiological and biochemical indexes; Photosynthetic characteristics

收稿日期：2015-11-15

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金新疆聯(lián)合基金項(xiàng)目(U1203184)；湖南省長(zhǎng)沙市科技局項(xiàng)目(k1403164-21)。

作者簡(jiǎn)介：周真珍(1990─)，女，湖南永州人，碩士研究生。*通訊作者：賀利雄。

中圖分類(lèi)號(hào)：S532

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-8581(2016)05-0024-04