外源腐胺和D-精氨酸對低溫脅迫下紅掌生理生化指標(biāo)的影響

孫向麗， 王 銀， 談建中， 王 波

(1.蘇州大學(xué)園藝系，江蘇 蘇州 215123； 2.蘇州歌林小鎮(zhèn)物業(yè)管理有限公司，江蘇 蘇州 215104)

紅掌(AnthuriumandraeanumLindl)又稱安祖花、花燭，為天南星科花燭屬(Anthurium)多年生草本植物。紅掌原產(chǎn)于中南美洲熱帶雨林地區(qū)，自然生長環(huán)境高溫、多濕，人工栽培冬季氣溫不能低于12 ℃，因此在中國大多數(shù)地區(qū)只能采用設(shè)施栽培，每年冬季加溫消耗大量能源。提高紅掌植株的抗冷性是解決低溫制約冬季栽培這一問題的有效途徑。施用生長調(diào)節(jié)劑等外源物質(zhì)是目前提高植物抗逆性的簡便、有效和可行的方法之一。喬永旭[1]、田丹青等[2-3]、張彩鳳等[4]研究了通過施用水楊酸、腐殖酸鉀等外源物質(zhì)提高紅掌抗冷性的作用，并取得了一定成果。

多胺(Polyamine)是植物體內(nèi)一類具有生物活性的低分子量脂肪族含氮堿的總稱，具有刺激細(xì)胞分裂、促進生長、延緩衰老等方面的作用，主要包括腐胺(Put)、精胺(Spm)和亞精胺(Spd)等種類。D-精氨酸(D-Arg)是多胺合成過程中的重要酶——精氨酸脫羧酶的專一性競爭抑制劑，被普遍應(yīng)用于多胺類物質(zhì)調(diào)節(jié)植物響應(yīng)逆境脅迫方面的研究。目前，關(guān)于多胺類物質(zhì)參與農(nóng)作物和經(jīng)濟作物逆境調(diào)節(jié)的研究報道較多[5-10]，但未見多胺類物質(zhì)對于提高紅掌抗冷性的研究成果。為了明確Put是否參與紅掌的抗冷性調(diào)節(jié)，以及對低溫脅迫下生理代謝的緩解作用及最佳適用濃度，本研究擬通過分析不同濃度的外源Put對低溫脅迫下紅掌生理生化指標(biāo)的影響，為生產(chǎn)實踐中利用外源Put緩解紅掌冬季生產(chǎn)的低溫傷害和降低能源消耗提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試紅掌品種為阿拉巴馬(Alabamb)，為紅色盆栽品種，購自蘇州盈年農(nóng)業(yè)科技有限公司。Put和D-Arg為分析純，購自北京百靈威科技有限公司。

1.2 試驗方法

采用溫室盆栽試驗。試驗開始時紅掌為4個月苗齡，平均株高9 cm，平均冠幅11 cm；花盆高8 cm，直徑9 cm，內(nèi)含栽培基質(zhì)200 ml，每盆1株。栽培基質(zhì)配方為3份椰殼塊∶2份盆栽泥炭∶1份珍珠巖，容質(zhì)量為0.11 g/cm3，總孔隙度為86.53%，pH值為6.42，電導(dǎo)率(EC)為1.69 ms/cm，速效氮含量為342 mg/kg，速效磷含量為216 mg/kg，速效鉀含量為307 mg/kg；營養(yǎng)供給為1/2 Hoagland營養(yǎng)液，每盆150 ml，每周2次。試驗期間溫室光照度為10 000 lx，光照時間為12 h/d；白天氣溫保持在 (25±1) ℃，夜晚氣溫 (22±1) ℃；相對濕度(RH) 70%～80%。共設(shè)7個處理，采用完全隨機區(qū)組設(shè)計，每個處理45株，分3組布置(表1)。在預(yù)試驗的基礎(chǔ)上，確定低溫脅迫溫度為6 ℃，D-Arg的施用濃度為1.0 mmol/L。Put和D-Arg均為根外施用，用量為每盆150 ml，每周1次。

表1試驗設(shè)計

Table1Testdesign

處理溫度(℃)腐胺濃度(mmol/L)D-精氨酸濃度(mmol/L)1(常溫對照)25002(低溫脅迫對照)600360.50461.00561.50662.007601.0

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用EXCEL 2003進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，采用SPSS 11.0進行方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源Put對低溫脅迫下紅掌根系抗氧化酶活性的影響

由圖1可以看出，低溫脅迫促使紅掌根系POD、SOD和CAT活性提高。低溫脅迫期間(0～3 d)添加Put的各處理和低溫脅迫對照的POD活性呈持續(xù)上升趨勢，并呈現(xiàn)出快-慢-快的變化規(guī)律，D-Arg處理的POD活性呈先緩慢升高后又緩慢降低的趨勢。SOD活性和CAT活性先上升、后下降，最高值出現(xiàn)在低溫脅迫后的第1 d；D-Arg處理的SOD活性和CAT活性也呈現(xiàn)先上升、后下降的趨勢，最高值分別出現(xiàn)在低溫脅迫后的第2 d和第1 d。低溫處理結(jié)束時(第3 d)處理4的POD、SOD和CAT活性均最高，顯著高于其他處理(P<0.05)，其次是處理5、處理6、處理3和對照；D-Arg處理的POD、SOD和CAT活性顯著低于低溫脅迫對照(P<0.05)。低溫脅迫結(jié)束后各處理的抗氧化酶活性均逐步回落。

處理3～處理7見表1。圖1 外源Put和D-Arg處理對低溫脅迫下紅掌根系POD、SOD和CAT活性的影響Fig.1 Effect of exogenous Put and D-Arg treatment on the activity of POD, SOD and CAT of anthurium root under chilling stress

2.2 外源Put對低溫脅迫下紅掌根系活力的影響

低溫脅迫下紅掌根系活力短暫增大后逐漸降低，并在低溫脅迫結(jié)束后持續(xù)降低(圖2)。低溫脅迫結(jié)束時處理4的根系活力最大，與常溫對照無顯著差異(P>0.05)，其他處理的根系活力均低于常溫對照。D-Arg處理的根系活力的變化規(guī)律與Put處理的相似，但在處理期間均低于添加Put的各處理。

處理3～處理7見表1。圖2 外源Put和D-Arg處理對低溫脅迫下紅掌根系活力的影響Fig.2 Effect of exogenous Put and D-Arg treatment on the root activity of anthurium under chilling stress

2.3 外源Put對低溫脅迫下紅掌葉片葉綠素、MDA和Pro含量的影響

由圖3可以看出，低溫導(dǎo)致紅掌葉片葉綠素含量降低。低溫期間各處理的葉綠素含量均持續(xù)降低，低溫脅迫結(jié)束后仍緩慢下降。外源Put能緩解葉綠素含量降低的速度，低溫脅迫結(jié)束時添加Put的各處理葉綠素含量均顯著高于低溫脅迫對照(P<0.05)，且以處理4的緩解效果最為明顯，D-Arg處理的葉綠素含量最低。

處理3～處理7見表1。圖3 外源Put和D-Arg處理對低溫脅迫下紅掌葉綠素含量的影響Fig.3 Effect of exogenous Put and D-Arg treatment on the content of chlorophyll of anthurium leaves under chilling stress

在低溫脅迫下，紅掌葉片積累了大量MDA，且隨低溫處理時間的延長持續(xù)增加，僅處理4在低溫結(jié)束后MDA含量出現(xiàn)小幅回落(圖4)。低溫脅迫結(jié)束時添加Put的各處理MDA含量均明顯低于低溫脅迫對照(P<0.05)，D-Arg處理在低溫脅迫結(jié)束時MDA含量最高，明顯高于低溫脅迫對照(P<0.05)。

處理3～處理7見表1。圖4 外源Put和D-Arg處理對低溫脅迫下紅掌葉片MDA含量的影響Fig.4 Effect of exogenous Put and D-Arg treatment on the content of MDA of anthurium leaves under chilling stress

在低溫脅迫下，紅掌葉片中Pro含量顯著升高。添加Put的各處理和低溫脅迫對照的Pro含量在低溫處理期間持續(xù)上升，低溫脅迫結(jié)束時處理4和處理5的Pro含量最高，其次為處理6和處理3，均顯著高于低溫脅迫對照(P<0.05)，D-Arg處理的則顯著低于低溫脅迫對照(P<0.05)。低溫脅迫結(jié)束后處理4、處理5、處理6的Pro含量迅速回落，處理3和低溫脅迫對照的緩慢降低，D-Arg處理的仍繼續(xù)上升(圖5)。

處理3～處理7見表1。圖5 外源Put和D-Arg處理對低溫脅迫下紅掌葉片Pro含量的影響Fig.5 Effect of exogenous Put and D-Arg treatment on the content of Pro of anthurium leaves under chilling stress

2.4 外源Put對低溫脅迫下紅掌葉片氮代謝的影響

處理3～處理7見表1。圖6 外源Put和D-Arg處理對低溫脅迫下紅掌葉片NR活性的影響Fig.6 Effect of exogenous Put and D-Arg treatment on the NR activity of anthurium leaves under chilling stress

處理3～處理7見表1。圖7 外源Put和D-Arg處理對低溫脅迫下紅掌葉片含量的影響Fig.7 Effect of exogenous Put and D-Arg treatment on the content of N-N of anthurium leaves under chilling stress

處理3～處理7見表1。圖8 外源Put和D-Arg處理對低溫脅迫下紅掌葉片含量的影響Fig.8 Effect of exogenous Put and D-Arg treatment on the content of N-N of anthurium leaves under chilling stress

2.5 低溫脅迫對紅掌外觀表現(xiàn)的影響

各處理的紅掌經(jīng)6 ℃低溫脅迫3 d、25 ℃常溫恢復(fù)1 d后的外觀表現(xiàn)如表2所示?？梢?，除常溫對照外，處理4的植株受害程度最輕，外觀表現(xiàn)優(yōu)于低溫脅迫對照和其他處理。D-Arg處理的受害程度最高，所有試驗植株均表現(xiàn)出明顯的冷害癥狀。受害程度由低到高的排序為處理4<處理5<處理6<處理3<處理2(低溫脅迫對照)<處理7。

表2低溫脅迫3d、恢復(fù)1d后各處理的紅掌外觀表現(xiàn)

Table2Appearanceofanthuriumplantsunderdifferenttreatmentsafterchillingstressforthreedaysandrecoveryforoneday

處理 植株外觀表現(xiàn)描述1(常溫對照) 植株挺立,100%的植株葉片挺拔,葉色正常2(低溫脅迫對照)植株初始萎蔫,葉片變軟,20%的植株葉色正常,80%的植株葉片出現(xiàn)焦枯,焦枯面積大3植株初始萎蔫,葉片變軟,60%的植株葉色正常,40%的植株葉片出現(xiàn)焦枯,焦枯面積大4植株挺立,葉片稍變軟,100%的植株葉色正常5植株挺立,葉片稍變軟,80%的植株葉色正常,20%的植株葉片出現(xiàn)焦枯,焦枯面積小6植株挺立,葉片稍變軟,80%的植株葉色正常,20%的植株葉片出現(xiàn)焦枯,焦枯面積中等7植株萎蔫,葉片變軟,100%的植株葉片出現(xiàn)焦枯,焦枯面積大

3 討 論

植物處于正常生長條件下時，體內(nèi)活性氧產(chǎn)生與清除處于平衡狀態(tài)，不會導(dǎo)致細(xì)胞傷害。一旦植物受到環(huán)境脅迫，這種平衡體系就會遭到破壞，自由基積累，質(zhì)膜透性增加，細(xì)胞代謝紊亂，致使植物受到傷害[13]。此時，植物會迅速啟動體內(nèi)的保護系統(tǒng)，清除過剩的自由基，緩解環(huán)境脅迫對細(xì)胞造成的損傷。本試驗結(jié)果表明，在低溫脅迫下，紅掌根系POD活性持續(xù)上升，SOD、CAT活性和根系活力呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢，低溫處理結(jié)束后各指標(biāo)逐漸降低或繼續(xù)降低，說明在低溫脅迫發(fā)生時，紅掌通過及時提高抗氧化酶活性積極適應(yīng)環(huán)境變化，但不同抗氧化酶的響應(yīng)速度不盡相同，本試驗中SOD和CAT反應(yīng)迅速，在脅迫發(fā)生的第1 d活性就達到了峰值，而POD活性則是穩(wěn)步上升，直到脅迫發(fā)生的第3 d才達到峰值。隨著脅迫時間延長，抗氧化酶的活性均有所降低，對紅掌的保護作用逐漸減弱。Put是一種有效的外源調(diào)節(jié)物質(zhì)，0.5～2.0 mmol/L的外源Put使紅掌的POD、SOD、CAT活性和根系活力均得到提高，而添加D-Arg時各指標(biāo)均明顯低于低溫脅迫對照，說明Put參與了低溫脅迫下紅掌體內(nèi)的抗氧化酶活性和根系活力的調(diào)節(jié)，有利于紅掌在低溫脅迫下產(chǎn)生更多的保護物質(zhì)并保持較高的活性，緩解低溫傷害。

低溫可破壞葉綠體和類囊體膜結(jié)構(gòu)，影響葉片色素合成相關(guān)酶活性[14-16]，降低葉綠素合成，本試驗結(jié)果證明0.5～2.0 mmol/L的外源Put能一定程度上維持葉綠素的含量。低溫脅迫會導(dǎo)致紅掌葉片產(chǎn)生更多的氧自由基，加速膜脂過氧化產(chǎn)物MDA的積累，0.5～2.0 mmol/L的外源Put能不同程度地降低MDA含量，從而減輕紅掌受低溫傷害的程度。紅掌葉片的Pro含量與抗冷性強弱呈正相關(guān)，添加Put的各處理在低溫脅迫下產(chǎn)生了更多的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，減輕了低溫對細(xì)胞結(jié)構(gòu)的損傷。D-Arg處理則加劇了低溫對紅掌葉片的生理損傷。

本試驗結(jié)果表明，0.5～2.0 mmol/L的外源Put能提高低溫下紅掌根系抗氧化酶的活性，增強根系活力，維持根系較高的氮代謝水平和葉綠素含量，促進Pro合成，抑制MDA含量升高，緩解低溫對紅掌生長的不利影響，且以1.0 mmol/L的外源Put效果最好，D-Arg處理加劇了低溫對紅掌的傷害，證明Put參與了紅掌的抗冷調(diào)節(jié)。可見，施用適宜濃度的外源Put能有效緩解低溫對紅掌生長的抑制作用，從而達到以較低的成本獲得較好的冬季栽培效果。但低溫下紅掌體內(nèi)Put含量的變化規(guī)律、作用機理及外源Put的誘導(dǎo)機理尚需進一步研究。

[1] 喬永旭. 低溫處理過程中水楊酸對紅掌葉片生理指標(biāo)的影響[J]. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2010, 38(2): 11-12.

[2] 田丹青,葛亞英,劉曉靜,等. 葉面噴施水楊酸對紅掌植株抗寒性的影響[J]. 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2011, 23(2): 304-308.

[3] 田丹青,葛亞英,潘剛敏,等. 不同外源物質(zhì)處理對紅掌抗寒性的影響[J]. 浙江農(nóng)業(yè)科學(xué), 2012(8): 1142-1144.

[4] 張彩鳳,王 慧,潘 虹,等. 低溫脅迫下葉面噴施腐植酸鉀對紅掌生理生化指標(biāo)的影響[J]. 山西農(nóng)業(yè)科學(xué), 2015, 43(2): 167-171, 191.

[5] 婁喜艷．多胺浸種對干旱脅迫下小麥周麥18種子萌發(fā)的影響[J]．江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45(9)：73-76

[6] CHOUDHARY S P, ORAL H V，BHARDWAJ R，et al. Interaction of brassinosteroids and polyamines enhances copper stress tolerance inRaphanussativus[J]. Journal of Experimental Botany, 2012, 63(63): 5659-5675.

[8] MARIA P C, CESAR D B, ANDREA C O. Polyamine catabolism is involved in response to salt stress in soybean hypocotyls[J]. Journal of Plant Physiology, 2011, 168(11):1234-1240.

[9] BASSIE L，CHRISTOU P，CAPELL T. Modulation of the polyamine biosynthetic pathway in transgenic rice confers tolerance to drought stress[J]. Proceedings of the National Academy of Science of the United States of America, 2004, 101(26): 9909-9914.

[10] 王尚堃， 杜紅陽. 多胺及其合成抑制劑對干旱脅迫下杏苗生理指標(biāo)的影響[J]．南方農(nóng)業(yè)學(xué)報，2016，47(9)：1475-1479.

[11] 高俊鳳. 植物生理學(xué)實驗指導(dǎo)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.

[12] TACHIBANA S, KONISHI N. Diurnal variation of in vivo and in vitro nitrate reductase activity in cucumber plants[J]. Journal of the Japanese Society for Horticultural Science, 1991, 60: 593-599.

[13] KANAZAWA S, SANO S, KOSHIBA T, et al. Changes in antioxidative in cucumber cotyledons during natural senescence comparison with those during dark-induced senescence[J]. Physiologia Plantarum, 2000, 109 (2): 211-216.

[14] EFEOGLU B, TERZIOGLU S. Photosynthetic responses of two wheat varieties to high temperature[J]. Eur-Asian Journal of Biosciences, 2009(3): 97-106.

[15] AIENL A, KHETARPAL S, PAL M. Photosynthetic characteristics of potato cultivars grown under high temperature[J]. American Eurasian Journal of Agricultural and Environmental Science, 2011, 11 (5): 633-639.

[16] REDA F, MANDOURA H. Response of enzymes activities, photosynthetic pigments, proline to low or high temperature stressed wheat plant (TriticumaestivumL.) in the presence or absence of exogenous proline or cysteine[J]. International Journal of Academic Research, 2011(3): 108-115.

[17] WUNNA H, JOGLOY S, TOOMSAN B. Response to early drought for traits related to nitrogen fixation and their correlation to yield and drought tolerance traits in peanut (ArachishypogaeaL.) [J]. Asian Journal of Plant Sciences, 2009, 8 (2): 138-145.

[18] 樊懷福,郭世榮,杜長霞,等. 外源NO對NaCl脅迫下黃瓜幼苗氮化合物和硝酸還原酶活性的影響[J]. 西北植物學(xué)報, 2006, 26(10): 2063-2068.