硒對高溫脅迫下生菜碳代謝的影響

屈衛(wèi)星，杜 柏，余琦隆，韓瑩琰，郝敬虹，劉超杰，范雙喜

(北京農(nóng)學(xué)院 植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京102206)

生菜(LactucasativaL.)是葉用萵苣的俗稱，屬菊科萵苣屬，為一年生或兩年生草本作物，喜冷涼環(huán)境，生長適宜溫度為15～20 ℃。高溫脅迫會導(dǎo)致生菜出現(xiàn)出芽率低、徒長、抽薹和燒心燒邊等問題[1]。

硒是植物生長發(fā)育的有益元素，具有刺激植物生長發(fā)育、提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)以及促進植物新陳代謝的作用[2]，特別是提高植物在非生物逆境脅迫下的生理水平，從而獲得抗逆性。硒能夠提高園藝植物的生理水平而延緩園藝產(chǎn)品的成熟與衰老，提高干旱脅迫下小麥種子的萌發(fā)率[3]并且保護油橄欖免受干旱傷害[4]，還可提高高溫脅迫下西瓜幼苗的光合特性[5]及辣椒葉片抗氧化酶活性[6]，從而提高植株的耐熱性。

高溫直接影響植物的生理生化過程，間接改變植物的生長模式，導(dǎo)致一系列初級代謝產(chǎn)物積累,如糖、糖醇等化合物[7]，影響壯苗指數(shù)降低植物的生長，造成碳代謝的不平衡[8]。高溫脅迫下的番茄幼苗碳代謝發(fā)生了一系列紊亂[7]，黃瓜幼苗葉片中可溶性總糖、蔗糖和果糖含量逐漸累積，累積到一定程度隨高溫脅迫時間的延長又呈現(xiàn)下降趨勢，熱敏感型黃瓜幼苗淀粉含量下降[8]，馬鈴薯葉片中蔗糖積累、成熟葉片中淀粉含量下降[9]。蔗糖代謝酶主要是：蔗糖磷酸合成酶(SPS)、蔗糖合成酶(SS)、酸性轉(zhuǎn)化酶(AI)和中性轉(zhuǎn)化酶(NI)[8]。高溫脅迫下兩種黃瓜幼苗蔗糖磷酸合成酶和中性轉(zhuǎn)化酶活性都持續(xù)下降，蔗糖合成酶活性都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，酸性轉(zhuǎn)化酶活性在高溫處理下的耐熱性較弱的黃瓜幼苗出現(xiàn)短暫上升后持續(xù)下降，耐熱性較強在整個高溫處理階段始終下降[8]。然而關(guān)于Se如何影響高溫下生菜的碳代謝，鮮見報道。

本試驗采用水培方式，通過噴施硒，研究硒對高溫脅迫下生菜幼苗生長、碳代謝及相關(guān)酶活性的影響，以期初步探明硒如何通過影響生菜碳代謝，進而提高生菜植株耐熱性的生理生化機制，并為高溫脅迫下生菜提升高溫適應(yīng)性提供一定技術(shù)和理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2020年9月至2021年1月在北京農(nóng)學(xué)院進行，供試生菜為熱敏感生菜品種‘北散生3號’。

1.2 試驗處理

選取顆粒飽滿、大小一致、無破損的種子300粒，在晝夜溫度為20 ℃/15 ℃，相對濕度為70%～75%的光照培養(yǎng)箱中進行浸種催芽。48 h后取出播于育苗盤中，置于光照培養(yǎng)箱中繼續(xù)生長。14 d左右，生菜幼苗長到2葉1心時，轉(zhuǎn)移到水培箱中，置于北京農(nóng)學(xué)院智能溫室中培養(yǎng)。待幼苗長到4葉1心時開始處理。每個水培箱種植11株，每個定植籃種植1株，每個處理重復(fù)3次。

試驗設(shè)4個處理：(1)CK：正常溫度(22 ℃/17 ℃，晝/夜，12 h/12 h)， 葉面噴施去離子水；(2)CS：正常溫度，葉面噴施亞硒酸鈉；(3)H：高溫環(huán)境(35 ℃/30 ℃，晝/夜，12 h/12 h)，葉片噴施去離子水；(4)HS：高溫環(huán)境，葉面噴施亞硒酸鈉。

根據(jù)查閱文獻以及生菜生長狀況選用0.9 mmol/L亞硒酸鈉[10]。試驗共進行8 d，在每天8：00使用小型噴霧器在葉面和葉背均勻噴施去離子水和亞硒酸鈉，第0、2、4、6、8天18:00采集長勢基本一致的主要功能葉測定各項指標(biāo)。

1.3 測定方法

每個處理選取長勢一致良好的3株完整植株，測量葉長、葉寬、根長。植株地上部和地下部的鮮質(zhì)量和干質(zhì)量均使用電子天平稱量。

葉片中蔗糖、果糖、淀粉和可溶性糖的測定參考李合生[11]的方法，葡萄糖含量的測定參考Rosa et al.[12]的方法。蔗糖磷酸合酶、中性轉(zhuǎn)化酶、蔗糖合酶、酸性轉(zhuǎn)化酶的測定參照趙娜[8]的方法。

試驗數(shù)據(jù)使用SPSS Stastics(IBM，美國)軟件進行單因素方差分析，并對平均值進行Duncan’s新復(fù)極差法多重比較(P<0.05)。使用Excel 2016(Microsoft，美國)繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 硒對高溫脅迫下生菜生長的影響

如表1中數(shù)據(jù)所示，高溫脅迫8 d時，生菜幼苗的葉長顯著提高，葉寬、葉鮮質(zhì)量、根干鮮質(zhì)量均顯著下降，隨著脅迫時間延長葉片出現(xiàn)皺縮，邊緣卷曲變薄，甚至發(fā)黃萎蔫。高溫噴施亞硒酸鈉后，顯著降低了葉長，與未噴施亞硒酸鈉相比，降低了14.11%；顯著提高了葉鮮質(zhì)量和根干鮮質(zhì)量，與未噴施亞硒酸鈉相比，分別提高了29.17%、75.00%和75.79%，葉片舒展且鮮綠，長勢良好。由以上結(jié)果可知，高溫噴施亞硒酸鈉能顯著提高生菜幼苗的葉鮮質(zhì)量和根干鮮質(zhì)量，降低葉長。

2.2 硒對高溫脅迫下生菜果糖含量的影響

如圖1所示，高溫脅迫下，生菜幼苗的果糖含量有所降低但差異不顯著，噴施亞硒酸鈉后，果糖含量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，其中第二天果糖含量增加最多，與高溫相比，升高了23.30%，緩解了高溫對果糖含量的影響。以上結(jié)果說明，在高溫脅迫下噴施亞硒酸鈉在前期可以顯著提高生菜幼苗葉片中果糖含量，后期降低但差異不顯著。

表1 硒對高溫脅迫下生菜生長的影響Tab.1 Effects of selenium on growth of lettuce under high temperature stress

2.3 硒對高溫脅迫下生菜蔗糖含量的影響

在常溫下，噴施亞硒酸鈉后蔗糖含量顯著下降，第4天下降最多，降低了43.02%，至第8天變化趨于平穩(wěn)(圖1)。在高溫脅迫下，與對照相比，蔗糖含量先下降，在第2天達(dá)顯著水平，后隨著時間的延長趨于平穩(wěn)。高溫脅迫下噴施亞硒酸鈉后，生菜幼苗葉片中的蔗糖含量呈現(xiàn)先上升后下降最后趨于平穩(wěn)的趨勢，在第2天顯著增加了34.69%。由以上結(jié)果說明，在常溫條件下，噴施亞硒酸鈉不利于蔗糖的積累，而在高溫環(huán)境中，噴施亞硒酸鈉前期可以積累蔗糖含量，而后期無顯著影響。

2.4 硒對高溫脅迫下生菜可溶性糖含量的影響

如圖2所示，在常溫下噴施亞硒酸鈉后，先降低了可溶性糖含量，但在第八天出現(xiàn)上升且差異顯著，與對照相比提高了78.55%。高溫脅迫下，處理的中后期可溶性糖的含量顯著增加，在第6天提高了 24.13%。在高溫脅迫下，噴施亞硒酸鈉后可溶性糖含量隨脅迫時間的延長呈現(xiàn)不同的變化，第6天的可溶性糖含量降低，減少了高溫的積累，但其他時間段均有所增加。以上結(jié)果表明，在高溫條件下，噴施亞硒酸鈉在幼苗發(fā)育的中期可以緩解高溫對可溶性糖的積累，其他時間段無顯著改善。

2.5 硒對高溫脅迫下生菜葡萄糖含量的影響

常溫噴施亞硒酸鈉與對照相比，前期有所下降但差異不顯著，在幼苗的生長后期，隨著時間延長，葡萄糖含量大量積累，在第6天和第8天時分別提高了161.45%和69.85%(圖2)。高溫脅迫下，生菜幼苗葉片葡萄糖含量均顯著提高，且在第4天提高195.61%，噴施亞硒酸鈉后，葡萄糖含量較高溫脅迫顯著降低，在第2天與第4天分別降低了42.00%和33.09%。以上結(jié)果表明，常溫噴施亞硒酸鈉會導(dǎo)致葡萄糖的積累，在高溫脅迫環(huán)境下噴施亞硒酸鈉會顯著降低葡萄糖的積累，從而緩解高溫帶來的影響。

2.6 硒對高溫脅迫下生菜淀粉含量的影響

在常溫下噴施亞硒酸鈉后，生菜幼苗葉片淀粉含量先降低，隨著時間的延長，淀粉含量逐漸積累，在第6天和第8天分別增加了86.89%和179.41%(圖2)。高溫脅迫下，隨著時間的延長淀粉含量顯著增加，在噴施亞硒酸鈉后，淀粉的含量較高溫脅迫均有所下降，在第4天降低了36.61%。由此可知，高溫環(huán)境下，噴施亞硒酸鈉可以緩解高溫脅迫導(dǎo)致的淀粉含量的積累。

2.7 硒對高溫脅迫下生菜蔗糖代謝酶活性的影響

如圖3所示，高溫脅迫下，隨著時間的延長，SS的活性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，SPS的活性較對照顯著下降，AI的活性則顯著升高，NI的活性呈現(xiàn)先降低后趨于平穩(wěn)的趨勢。在高溫脅迫下噴施亞硒酸鈉后，顯著提高了SS和SPS的活性，最多分別提高了80.55%和32.27%，促進了蔗糖的合成，AI的活性顯著降低，抑制了蔗糖的分解，NI活性先升高后降低，其中第4天提高了44.22%。以上結(jié)果說明，高溫脅迫下，噴施亞硒酸鈉，顯著提高了SS和SPS的活性，在生長后期均顯著降低了AI和NI的活性。

3 討 論

高溫脅迫對植物外部生長發(fā)育形態(tài)的影響主要表現(xiàn)為植物萎蔫，葉片變黃，脫落等現(xiàn)象[13]。在高溫脅迫下，菜心的菜薹葉片纖細(xì)，甚至植株死亡[14],西蘭花芽苗植株生長形態(tài)較小，芽長降低[15]；水稻籽粒發(fā)育受到抑制，干物質(zhì)積累下降[16]；番茄幼苗的生長發(fā)育受到影響，莖粗、株高、地上部和地下部鮮質(zhì)量均顯著降低[7]；葡萄葉片卷曲失水并干枯，嚴(yán)重時會傷害其自身的逆境調(diào)控能力，產(chǎn)生熱害，直至葡萄萎靡死亡[13]。本試驗中，高溫脅迫對生菜幼苗生長造成明顯的抑制，高溫處理下，生菜葉片皺縮，邊緣卷曲變薄，隨著脅迫時間延長甚至發(fā)黃萎蔫。生菜整體長勢較快，植株出現(xiàn)徒長現(xiàn)象，葉長顯著提高，葉寬、葉鮮質(zhì)量顯著下降；根系對高溫較為敏感，根干鮮質(zhì)量顯著下降，根長和含水量均有所下降，但影響不顯著。而高溫脅迫下噴施亞硒酸鈉，與高溫對照相比，顯著提高了葉鮮質(zhì)量、根干鮮質(zhì)量，增加了生物積累量，降低了葉長，葉片表面舒展，發(fā)黃現(xiàn)象減輕。由此可見，高溫脅迫下葉面噴施亞硒酸鈉，可以有效緩解高溫脅迫對生菜生長造成的抑制現(xiàn)象，幫助生菜幼苗提高耐熱性。

碳水化合物中含量較高、且能夠相互轉(zhuǎn)化和再利用的主要是蔗糖、淀粉和還原糖，淀粉是植物中碳水化合物的主要貯存形式之一，蔗糖是主要的運輸形式，可以被運送到植物的各個生長器官[8]。不同作物在高溫脅迫下對碳代謝的反應(yīng)不同，高溫脅迫下番茄葉片中蔗糖含量顯著增加，果糖、葡萄糖和淀粉則顯著降低[17],而黃瓜葉片中短時間內(nèi)可溶性糖、蔗糖、果糖和淀粉含量下降[8]，在鐵皮石斛莖葉中，蔗糖含量顯著提高[17]，在甜玉米的灌漿期中，蔗糖和可溶性糖含量先升高后降低，淀粉含量顯著升高[18]。本研究中，生菜幼苗在受到高溫脅迫后，果糖、蔗糖、淀粉含量降低，可溶性糖和葡萄糖含量顯著增加，隨著脅迫時間的延長，淀粉含量有所增加，高溫阻礙了蔗糖的輸入，抑制轉(zhuǎn)化酶AI和NI和蔗糖合酶SS的活性，并消耗儲備的淀粉[17]，這使得蔗糖和淀粉含量降低，而葡萄糖含量后期增加說明糖的利用受阻,這與王軍可等[16]在水稻上的研究變化一致。膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定依靠可溶性糖與磷脂雙分子層相互作用，在受到高溫脅迫后，可溶性糖通過不斷積累來抵抗外界不良環(huán)境條件，噴施亞硒酸鈉后，葡萄糖和淀粉含量顯著降低，果糖和蔗糖含量先增加后降低，而可溶性總糖含量在生長中期降低，說明生菜幼苗對硒的適應(yīng)性與處理時長有關(guān)系，太短或太長對高溫脅迫的抑制作用沒有太大影響。

蔗糖代謝關(guān)鍵酶SS、SPS、AI、NI的活性在高溫脅迫下均受到了顯著影響，SS和SPS為蔗糖代謝調(diào)節(jié)酶，SPS在碳水化合物代謝中有重要的作用，調(diào)控碳的區(qū)域化分布，在植物生長發(fā)育過程中調(diào)控淀粉產(chǎn)生和碳水化合物的積累，SS通常被認(rèn)為是脂可溶性酶，有助于淀粉和蛋白質(zhì)生物合成和能量產(chǎn)生[17]。趙福成等[18]發(fā)現(xiàn)高溫脅迫明顯降低了甜玉米籽粒SPS和SS活性，郭金妹[19]通過對晝間亞高溫對番茄蔗糖代謝及其相關(guān)酶基因表達(dá)的影響研究發(fā)現(xiàn)番茄葉片在亞高溫環(huán)境下SPS和SS的活性升高，AI和NI活性均下降，陳梓云[20]發(fā)現(xiàn)鐵皮石斛組培苗中AI是鐵皮石斛蔗糖分解的主要酶，NI在鐵皮石斛的生長階段變化不顯著且活性較小，多糖含量與 AI 活性呈顯著正相關(guān)。本試驗中，高溫處理的生菜幼苗葉片噴施亞硒酸鈉后，通過顯著上調(diào)SS和SPS的活性，降低AI和NI的活性來提高蔗糖代謝能力，從而維持碳代謝平衡，這與前人研究結(jié)果一致[20]。

綜上所述，本研究表明在高溫脅迫下生菜幼苗葉片噴施硒，通過調(diào)節(jié)蔗糖代謝關(guān)鍵酶的活性來緩解高溫對碳代謝的抑制作用，維持生菜植株代謝平衡，提高自身防御能力。