油菜素內酯對裸燕麥常溫和高溫脅迫下生長形態及生理特性的影響

摘要：【目的】探討油菜素內酯對裸燕麥生長發育和抗氧化代謝的調節機理，為提高裸燕麥耐熱性和生產力提供參考依據。【方法】以噴蒸餾水為對照（CK），對長勢一致的裸燕麥噴施濃度為0.01、0.10和1.00 mg/L的油菜素內酯，進行常溫（白天20 ℃/晚上15 ℃）和高溫（白天38 ℃/晚上25 ℃）環境培養，處理7 d后進行形態和生理生化指標測定。【結果】在常溫下，噴施油菜素內酯可增加裸燕麥的葉綠素含量，增強光合作用，促進有機物質的積累，進而提高其生物量，其中株高、鮮重和干重以1.00 mg/L處理最高，分別高于常溫CK 23%、26%和123%；葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總含量均以0.10 mg/L處理最高，分別高于常溫CK 81%、98%和86%。高溫脅迫下噴施油菜素內酯可明顯提高裸燕麥的耐熱性，提高其根系活力及抗氧化酶活性，降低膜脂過氧化產物丙二醛（MDA）含量，其中以0.10 mg/L處理根系活力最高（154.16 μg/g·h），MDA含量最低（17.54 nmol/g），可溶性蛋白、可溶性糖含量及超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）活性均達最大值，分別為28.75 mg/g、26.75 mg/g、842.71 U/gFW和199.43 U/g·min。【結論】常溫環境下，噴施0.10和1.00 mg/L的油菜素內酯對裸燕麥生長發育的促進作用最顯著；高溫脅迫下，噴施0.10 mg/L的油菜素內酯對提高裸燕麥耐熱性的效果最佳。

關鍵詞： 裸燕麥；油菜素內酯；高溫脅迫；生長形態；光合色素；抗氧化酶

中圖分類號： S512.6 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2017）07-1173-05

0 引言

【研究意義】農作物在生長過程中遇到高溫天氣，尤其在高溫敏感期，會造成產量急劇下降。伴隨著全球變暖，高溫脅迫已成為嚴重威脅農作物生產的因素之一（楊絢等，2013）。裸燕麥是長日照作物，適宜在涼爽濕潤環境生長，忌高溫干燥，因此高溫對裸燕麥生長的影響極其嚴重。油菜素內酯是一種甾醇類激素，廣泛參與調控植物生長發育和生理代謝等過程，并具有提高農作物抗冷、抗旱、抗鹽及抗病性的功能，同時也是藥害解毒劑（王紅紅等，2005）。通過噴施油菜素內酯，研究裸燕麥的生長發育狀況及高溫脅迫下其葉片質膜透性、抗氧化酶的變化規律，對探究提高裸燕麥耐熱性和生產力的途徑意義重大。【前人研究進展】近年來，油菜素內酯廣泛應用于調控植物生長發育、增強抗逆性等方面。付曉記等（2008）用不同濃度油菜素內酯處理牛膝，發現適宜濃度的油菜素內酯能提高牛膝葉片的超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化氫酶（CAT）活性，減輕細胞膜透性，對葉片光合速率的提高有顯著作用。李一萍等（2010）研究發現，對木薯幼苗噴施油菜素內酯，可顯著提高其葉片脯氨酸含量和過氧化物酶（POD）活性，增強幼苗抗旱性。束紅梅等（2011）研究發現，NaCl脅迫下，油菜素內酯對提高棉花葉片抗氧化酶活性、光合性能及減輕膜脂過氧化程度有顯著作用，可有效減緩鹽脅迫對棉花葉片的傷害。黃玉輝等（2012）研究發現，在低溫脅迫下，外源油菜素內酯能顯著降低苦瓜幼苗葉片電解質的外滲和葉綠素的降解，穩定細胞膜系統的結構和功能，提高抗氧化酶活性，減少葉片萎蔫面積和死亡率。李勇等（2015a）研究發現，油菜素內酯可提高小麥植株的含氮量和氮素積累。管莉和張阿英（2015）研究表明，外源油菜素內酯可顯著提高玉米葉片葉肉細胞原生質體中的鈣調素含量，油菜素內酯誘導產生的鈣調素增強H2O2積累，進一步誘導抗氧化防護酶活性增加。鐘妍婷等（2015）在對谷子抗氧化代謝的研究中發現，適宜濃度的油菜素內酯能夠降低其葉片中的丙二醛（MDA）含量，提高POD和SOD活性，增強谷子的抗逆性。尚宏芹和劉興坦（2016）研究發現，噴施一定濃度油菜素內酯后，小麥葉片質膜透性降低，抗氧化酶活性和抗氧化物質含量升高，促進了小麥幼苗的生長。【本研究切入點】目前，油菜素內酯對高溫脅迫下作物生長影響的研究較少，尤其是對裸燕麥高溫脅迫下生長形態和生理特性的影響鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】以噴施蒸餾水為對照，對裸燕麥噴施不同濃度的油菜素內酯，測定其在常溫和高溫環境下的生長形態和生理生化指標，探討油菜素內酯對裸燕麥生長發育和抗氧化代謝的調節機理及最適宜噴施濃度，為提高裸燕麥耐熱性和生產力提供參考依據。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

供試裸燕麥品種為在河南黃河灘區表現良好的內農大莜2號，由內蒙古農業大學選育。供試油菜素內酯有效成分90%，購于鄭州信聯生化科技有限公司。

1. 2 試驗方法

試驗于2016年3～8月進行。選擇大小均一、籽粒飽滿和無病害的裸燕麥種子，在溫室培養箱（光照10 h/30 ℃；黑暗14 h/20 ℃）中育苗，培養一周后移苗至直徑20 cm盆缽中進行沙培，每盆40株幼苗，于傍晚時每隔5 d定量澆一次霍格蘭德營養液，每隔2 d澆一次水。當裸燕麥生長至16～18 cm時定苗，每盆留苗25株，篩選長勢相同的植株進行處理。

油菜素內酯設3個噴施濃度，分別為0.01、0.10和1.00 mg/L，以噴施蒸餾水為對照（CK），噴施至葉面有水滴為止，放于2個溫室培養箱培養，環境條件分別為：常溫處理（白天20 ℃/晚上15 ℃），光照10 h；高溫處理（白天38 ℃/晚上25 ℃），光照10 h，培養4 d后進行第2次噴施，共8個處理，每處理3次重復，共24盆，處理7 d后進行形態和生理生化指標測定。

1. 3 測定項目及方法

1. 3. 1 形態指標測定方法 株高為植株根頸部到植株頂部之間的距離，用直尺測量；葉面積、葉長和葉寬采用MSD-971葉面積分析/掃描儀進行測量；所有幼苗用自來水沖洗，再用蒸餾水沖洗2～3遍，用濾紙吸去附著的水分后分別稱取10株植株地上部和地下部鮮重，然后置于105 ℃烘箱內殺青30 min，65 ℃恒溫下烘干至恒重，分別稱取其地上部和地下部干重。

1. 3. 2 生理生化指標測定方法 各處理生理生化指標采用蕭浪濤和王三根（2005）的方法測定，根系活力采用TTC法測定，可溶性蛋白采用考馬斯亮藍法測定，可溶性糖采用蒽酮比色法測定，MDA含量采用硫代巴比妥酸（TBA）法測定，脯氨酸含量采用水合茚三酮法測定。

1. 4 統計分析

試驗數據利用Excel 2007和SPSS 19.0進行整理和顯著性分析。

2 結果與分析

2. 1 不同濃度油菜素內酯對裸燕麥常溫和高溫脅迫下形態指標的影響

由表1可知，油菜素內酯濃度相同時，裸燕麥的株高、葉面積、葉長、葉寬、干鮮重等形態指標在高溫脅迫下普遍低于常溫處理。常溫處理中，隨著油菜素內酯濃度的增加，裸燕麥的株高和干、鮮重逐漸增加，葉面積和葉寬則先增大后減小；1.00 mg/L處理的株高最高，較常溫CK顯著增加23%（P<0.05，下同），但與其他濃度處理差異不顯著（P>0.05，下同）；0.01 mg/L處理的葉面積和葉寬最大，分別比常溫CK增加22%和8%；0.10 mg/L處理的葉長最長，顯著長于其他濃度處理及常溫CK；1.00 mg/L處理的干、鮮重最重，分別較常溫CK增加123%和26%。高溫脅迫下，0.01 mg/L處理的株高、葉面積和葉長最大，分別比高溫CK增加13%、126%和16%；0.10 mg/L處理的葉寬最寬，顯著寬于其他濃度處理和高溫CK，干、鮮重也最重，分別比高溫CK顯著增加90%和110%。

2. 2 不同濃度油菜素內酯對裸燕麥常溫和高溫脅迫下光合色素的影響

由表2可知，裸燕麥的葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總含量在高溫脅迫下低于常溫處理，且與常溫和高溫CK相比，不同濃度油菜素內酯處理的葉綠素和類胡蘿卜素含量均有所增加。常溫處理中，葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總含量隨油菜素內酯濃度的增加呈先升高后降低的變化趨勢，油菜素內酯濃度為0.10 mg/L時各指標達最大值，與常溫CK相比，分別增加81%、98%和86%；不同濃度油菜素內酯處理的類胡蘿卜素含量均顯著高于常溫CK，葉綠素a/b則低于常溫CK，但差異不顯著。高溫脅迫下，1.00 mg/L處理的葉綠素a、類胡蘿卜素、葉綠素總含量和葉綠素a/b最大，分別較高溫CK顯著增加92%、51%、62%和42%；葉綠素b含量在油菜素內酯濃度為0.10 mg/L時達最大值，較高溫CK顯著增加45%。

2. 3 不同濃度油菜素內酯對裸燕麥常溫和高溫脅迫下根系活力和生理指標的影響

與常溫處理相比，高溫脅迫下裸燕麥的根系活力顯著下降，MDA、脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖含量則顯著升高，且不同濃度油菜素內酯處理的根系活力及脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖含量均高于對應CK，MDA含量低于對應CK（表3）。常溫處理中，隨著油菜素內酯濃度的增加，根系活力、脯氨酸和可溶性蛋白含量均呈先升高后降低的變化趨勢，各指標在油菜素內酯濃度為0.10 mg/L時達最大值；可溶性糖含量隨油菜素內酯濃度增加持續升高，濃度為1.00 mg/L時達最大值；MDA含量在濃度0.01～1.00 mg/L持續升高。高溫脅迫下，根系活力、可溶性蛋白和可溶性糖含量隨油菜素內酯濃度的增加呈先升高后降低的變化趨勢，在油菜素內酯濃度為0.10 mg/L時達最大值，與高溫CK相比，分別增加87%、46%和41%；MDA含量波動變化，0.10 mg/L處理含量最低，比高溫CK顯著下降30%；脯氨酸含量則隨油菜素內酯濃度的增加持續升高。

2. 4 不同濃度油菜素內酯對裸燕麥常溫和高溫脅迫下抗氧化酶活性的影響

由表4可知，裸燕麥的抗氧化酶活性在高溫脅迫下整體高于常溫處理，在常溫和高溫處理中，經不同濃度油菜素內酯處理后POD和CAT活性均較對應CK有增強趨勢，SOD活性在常溫處理中較CK減弱，在高溫脅迫下較CK增強。高溫脅迫下，0.10 mg/L處理的SOD和CAT活性最強，分別比高溫CK顯著增加29%和83%；0.01mg/L處理的POD活性最強，比高溫CK顯著增加34%。

3 討論

3. 1 油菜素內酯對常溫下裸燕麥生長和生產力的影響

光合作用是維持植物正常生長和提高植物生產力的基礎，而葉綠體是植物光合作用的主要場所。李勇等（2015b）研究指出，經過油菜素內酯處理后，小麥葉片的凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率和葉綠素SPAD值均高于對照。本研究結果表明，常溫下噴施油菜素內酯，可提高裸燕麥葉片的葉綠素含量，增強光合作用，加快其有機物質的積累。原因可能是油菜素內酯可增加細胞膜的電勢差和ATP酶活性，加快細胞原生質體去分化和細胞壁再生，促進細胞分裂和伸長（Nakajima et al.，1996），從而促進植物生長。同時，油菜素內酯可促進植物RNA、DNA含量和蛋白質代謝，增加細胞內可溶性蛋白含量（Vardhini and Ram，1998）。說明在常溫環境下，油菜素內酯有利于細胞分裂和伸長，促進裸燕麥葉綠素合成，加快蔗糖運輸，提高細胞內可溶性糖含量，也促進了蛋白質代謝，提高細胞內可溶性蛋白含量和裸燕麥有機物質積累。本研究中，0.10和1.00 mg/L處理均能顯著促進裸燕麥的生長和干物質積累，2個處理下裸燕麥均表現出較好的生長形態和生理指標。今后還需通過進一步分析來壓縮相關性指標，以確定油菜素內酯促進裸燕麥生長發育的最適濃度。

3. 2 油菜素內酯對高溫脅迫下裸燕麥生長和生理特性的影響

細胞膜結構通常是各種逆境引起傷害的原初作用部位。在高溫脅迫下，細胞膜變性，細胞的區域化被打破，原生質變性，葉綠體、線粒體等細胞器結構破壞，導致葉綠素含量降低，葉片顏色變褐。本研究中，高溫脅迫下裸燕麥葉片的葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總含量整體低于常溫處理，根系活力也受到不同程度的破壞，噴施油菜素內酯后，葉片膜結構受損害程度降低，葉綠素降解減少，其中0.10 mg/L處理對葉綠素和根系的保護作用相對較明顯，與謝云燦等（2017）研究指出高溫脅迫下外源油菜素內酯可增強大豆葉片的光合能力，促進干物質積累的結論相似。高溫環境下，裸燕麥生理結構遭到損壞，阻礙其正常生長，植株株高、葉片生長均受到不同程度的抑制，噴施油菜素內酯后，脅迫程度得到部分緩解，對裸燕麥生長和有機物積累的影響相對降低。

正常情況下，細胞內活性氧自由基的產生和清除處于動態平衡狀態；逆境條件中，植物體內活性氧代謝系統的平衡遭到破壞，超氧化物陰離子（■）、過氧化氫（H2O2）、單線態氧（1O2）、羥自由基（OH·）等活性氧會大量積累（Surowka et al.，2007）。過多的活性氧會導致生物膜脂的過氧化作用，積累許多有害的過氧化物，同時，膜脂類性質發生改變，膜蛋白受到傷害，導致膜透性增加，細胞電解質泄漏加劇（Grant and Loake，2000）。本研究中，高溫脅迫下裸燕麥膜脂過氧化產物MDA含量明顯高于常溫處理，噴施油菜素內酯后，膜脂過氧化緩解，MDA含量減少，其中0.10 mg/L處理效果較明顯。同時，高溫等逆境脅迫產生的環境低水勢會對植物體產生水分脅迫（滲透脅迫），此時植物會通過積累各種有機物和無機物（如脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖）等滲透調節物質及增加或激活抗氧化酶活性、積累抗氧化劑等作出抗逆性反應（Xu and Huang，2004）。本研究中，高溫脅迫下裸燕麥葉片的脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖含量大量積累，噴施不同濃度的油菜素內酯后，其含量進一步增加；同時，抗氧化酶SOD、CAT和POD活性也明顯提高，不同程度地緩解了高溫脅迫對裸燕麥生長的抑制作用，其中0.10 mg/L處理效果較佳，與尚宏芹和劉興坦（2016）研究得出的油菜素內酯可減小小麥質膜透性，促進抗氧化酶活性，緩解脅迫環境對小麥植株傷害的結果一致。

4 結論

本研究結果表明，油菜素內酯作為一種新型的植物生長調節劑，能夠有效促進裸燕麥的正常生長，并可提高其生物量；常溫下適宜噴施濃度為0.10和1.00 mg/L；高溫脅迫下，油菜素內酯對裸燕麥同樣起到保護和促進作用，噴施0.10 mg/L的油菜素內酯可有效緩解高溫對其生物體內部結構的破壞，對提高裸燕麥耐熱性的效果最佳。

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（責任編輯 王 暉）