高 帆,謝 玥,沈妍秋,雷 芝,王 秀,夏 惠,梁 東
(1.四川農業大學 園藝學院,四川 成都 611130;2.四川省自然資源科學研究院,四川 成都 610015;3.四川農業大學 果蔬研究所,四川 成都 611130)
土壤鹽漬化是一個全球性的熱點問題,是農業發展所面臨的主要危機之一[1]。目前,全世界約有20%的灌溉土地受到鹽脅迫影響,中國約有3 460萬 hm2鹽漬土地[2]。果樹鹽堿地栽培的研究也是國內外關注的重點[3]。鹽脅迫下,植物細胞內自由基的產生與清除的動態平衡被打破,造成氧化脅迫,加速膜脂過氧化,有害物質積累,引起代謝紊亂[4]。褪黑素(melatonin,MEL)又稱松果素,1958年被LERNER[7]從牛松果體中首次提取出來,其化學成分為N-乙酰基-5-甲氧基色胺。大量研究表明,褪黑素是一種吲哚類激素,具有植物生長調節物質的功能,同時還具有抵抗脅迫的生物刺激物質的功能,對高溫、低溫、紫外及電離輻射、重金屬和化學污染、生物氧化等生物和非生物脅迫都有一定的抵抗作用[8]。目前,有關獼猴桃Actinidia耐鹽性的研究已有一些報道[9-10],但關于外源褪黑素對鹽脅迫下獼猴桃生長及抗逆生理特性的研究還比較少。獼猴桃為獼猴桃科Actinidiaceae獼猴桃屬多年生藤本植物。獼猴桃果實為典型的漿果,主要是以含維生素C高,適口和特異的風味見著。獼猴桃在全球都具有極好的經濟發展前景,是一種重要的果樹資源[5]。前人研究表明,獼猴桃一般既不耐離子脅迫也不耐滲透脅迫[6]。因此,提高獼猴桃對鹽堿地的耐性,保證獼猴桃在鹽脅迫下能夠維持正常的生理水平,對獲得理想的產量和品質有重要意義。本研究以野生美味獼猴桃Actinidia deliciosa實生苗為材料,研究了外源褪黑素對氯化鈉脅迫下其實生苗體內的活性氧代謝和滲透調節物質的影響,為合理利用褪黑素緩解美味獼猴桃栽培中的鹽害問題提供理論基礎。
于2016年1月將采于陜西秦嶺的美味獼猴桃種子4℃層積2個月,然后在培養箱中變溫處理2周,光暗周期為8 h/16 h,晝夜溫度為25℃/4℃。之后25℃恒溫培養至種子萌芽。將發芽的種子播種到育苗盤中,上面覆蓋2 mm的營養土,于人工氣候室中培養,光暗周期為12 h/12 h,晝夜溫度為25℃/20℃。當實生苗長到2~3片真葉時,選取長勢一致的實生苗移到裝有珍珠巖的花盆中,3株·盆-1。移苗后注意保濕遮陰,澆營養液。
當美味獼猴桃實生苗長至9~10片葉時,進行試驗處理。選擇整齊一致的壯苗分成5組,其中3組分別連續5 d根灌0.1 μmol·L-1褪黑素溶液,其余2組根灌相同體積的清水。在最后一次根灌褪黑素溶液的第2天開始進行鹽脅迫處理。任選1組根灌清水的獼猴桃實生苗作為空白對照(ck),即繼續根灌清水,其余2組獼猴桃實生苗均根灌100 mmol·L-1的氯化鈉溶液,連續根灌12 d,處理期間適當補充1/2Hoagland營養液。各處理分別表示為:①ck。清水處理。②S1。氯化鈉(100 mmol·L-1)。③S2。褪黑素(0.1 μmol·L-1)+氯化鈉(100 mmol·L-1)。10 盆·處理-1,重復 3 次。 氯化鈉脅迫處理濃度和試驗處理天數均根據預備試驗確定。在氯化鈉澆灌處理后的第0,3,6,9,12天分別采取根基向上第3~5片真葉,將葉片在液氮速凍后,置于-80℃超低溫冰箱中保存,用于測定生理指標。
脯氨酸采用酸性茚三酮法測定[11]。丙二醛(malondialdehyde,MDA)參照硫代巴比妥酸法[12]。過氧化氫參照郝建軍等[13]的方法。可溶性糖、可溶性蛋白質參照李合生等[11]的方法。超氧化物歧化酶(SOD)的活性采用GIANNOPOLITIS等[14]的方法。過氧化氫酶(CAT)活性采用改良后的KATO等[15]的方法。過氧化物酶(POD)活性采用 SCEBBA 等[16]的方法。 抗壞血酸(AsA)參考 KAMPFENKEL 等[17]的鐵離子(Fe3+)還原法。
所有數據輸入Excel表格,計算平均數和標準差,并利用SPSS 22.0對所有數據進行顯著性分析。
逆境條件下,植物體內丙二醛質量摩爾濃度的高低能夠反映出細胞膜的損傷程度,是膜脂過氧化的主要產物。圖1顯示:在未經氯化鈉處理前,各個處理間的丙二醛沒有顯著的差異。氯化鈉脅迫至6 d時,S1處理和S2處理的丙二醛質量摩爾濃度達最高值,較對照植株上升490.32%和262.81%。氯化鈉脅迫6 d后,丙二醛開始下降,但仍高于ck。此外,隨著氯化鈉脅迫時間的增加,S1處理和S2處理的過氧化氫質量摩爾濃度逐漸上升,在12 d時達最大值。脅迫12 d,S1處理較ck處理增加了83.90%,而S2處理僅增加了27.40%。由此推測,外源褪黑素可顯著緩解鹽堿逆境條件下丙二醛和過氧化氫的積累,保護細胞膜的完整性,降低膜脂過氧化程度,從而提高美味獼猴桃的耐性,減輕鹽脅迫對植物的傷害程度。

圖1 外源褪黑素對氯化鈉脅迫下美味獼猴桃丙二醛和過氧化氫的影響Figure 1 Effects of exogenous melatonin on MDA content and H2O2content in kiwifruit under NaCl stress
由圖2可知:S1處理和S2處理的脯氨酸的質量分數在0~3 d顯著上升,上升幅度為53.74%和58.87%,3~12 d則開始逐漸下降,但仍維持較高水平,且S2處理顯著高于S1處理。美味獼猴桃葉片的可溶性糖質量分數隨氯化鈉脅迫時間的延長逐漸升高,脅迫12 d時達最高值,且S2處理的可溶性糖均高于S1處理。由此可推測:外源褪黑素的施加有利于促進植物體內游離脯氨酸和可溶性糖的增加,增強細胞內滲透勢能力,以達到提高植物抵抗逆境的能力。美味獼猴桃葉片中可溶性蛋白質質量分數變化差異不明顯。氯化鈉脅迫后,ck處理的質量分數變化不明顯,而S1和S2的可溶性蛋白質呈先降低后升高的趨勢,0~3 d時降低,分別降低了8.08%和2.10%,隨后開始逐漸上升。氯化鈉脅迫12 d時,S1處理和S2處理可溶性蛋白質高于對照,分別為6.22 mg·g-1和6.39 mg·g-1。可見,外源褪黑素處理可以緩解鹽脅迫下美味獼猴桃蛋白質的降解。

圖2 外源褪黑素對氯化鈉脅迫下美味獼猴桃游離脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白質的影響Figure 2 Effects of exogenous melatonin on proline,soluble sugar and soluble protein in kiwifruit under NaCl stress
超氧化物歧化酶(SOD),過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)活性的大小代表了清除細胞內活性氧能力的高低,是植物逆境條件下保護細胞的重要酶類。由圖3可知:SOD和POD活性的變化模式相似,均呈先升高再降低的趨勢。氯化鈉脅迫0~6 d,S1處理和S2處理的SOD和POD活性逐漸上升,S1處理SOD活性上升6.26%,S2上升6.88%;POD活性則顯著增加,分別增加156.61%和180.66%。6~12 d時活性逐漸降低,12 d時SOD活性低于ck,POD活性仍保持較高水平,且S2的SOD和POD活性均高于S1。所以,可認為外源褪黑素激活了氯化鈉脅迫下美味獼猴桃體內的SOD和POD活性,增強了植物體內活性氧的清除能力,有效穩定了膜質透性,增強了美味獼猴桃的抗鹽性。
CAT具有清除植物體內過氧化氫的作用,也是植物酶促防御系統的重要組分。在開始氯化鈉澆灌處理的當天(0 d),ck,S1,S2處理的美味獼猴桃實生苗葉片中CAT活性差異不顯著。0~3 d,S1處理和S2處理的CAT活性顯著升高,分別增加了92.08%和164.36%。3~12 d,植株體內CAT活性逐漸下降,且逐漸低于0 d的活性,分別降低35.64%和15.84%。由此可以推測:外源褪黑素激活了美味獼猴桃體內CAT活性,CAT活性的增加提高了美味獼猴桃清除過氧化氫的能力,有效緩解了氯化鈉脅迫誘導的膜脂過氧化,提高了美味獼猴桃的耐鹽性。

圖3 外源褪黑素對氯化鈉脅迫下美味獼猴桃SOD,POD,CAT活性的影響Figure 3 Effects of exogenous melatonin on SOD,POD,CAT activity in kiwifruit under NaCl stress
由圖4可知:與對照(ck)植株相比,在鹽脅迫前3 d,S1處理和S2處理抗壞血酸(AsA)顯著降低,而隨著鹽脅迫時間的增長,又開始逐漸上升,并維持較高水平,12 d時達最大值,分別上升56.58%和90.49%。這表明:外源褪黑素可以有效增加美味獼猴桃體內的抗壞血酸,增強植物清除活性氧的能力,從而提高美味獼猴桃的耐鹽性。
鹽脅迫是限制植物生長和作物產量的重要環境因素。鹽脅迫對植物組織和器官的生長發育具有顯著的影響[18]。目前,關于褪黑素和植物耐鹽性關系的研究還不多。本研究表明:外源褪黑素可有效緩解美味獼猴桃體內丙二醛(MDA)和過氧化氫的積累,增加體內脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白質,增強SOD,POD,CAT活性,提高抗壞血酸。

圖4 外源褪黑素對氯化鈉脅迫下美味獼猴桃抗壞血酸的影響Figure 4 Effects of exogenous melatonin on AsA in kiwifruit under NaCl stress
游離脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白質是植物體內的3個重要滲透調節物質,能夠增加植物細胞在高溫、鹽堿等逆境條件下的功能蛋白數量,保持細胞原生質體與環境之間的滲透平衡和結構完整性保護膜系統穩定性,提高植物抵抗逆境的能力。脯氨酸能夠提高細胞原生質的親水性,具有減少可溶性蛋白質沉淀或增加蛋白質可溶性的作用,增強植物組織細胞的持水性,防止植物細胞脫水,保護細胞質膜的完整性[19]。植物在遭受逆境時,葉片可溶性蛋白質合成速率會發生變化,而可溶性蛋白質含量變化可以反映蛋白質合成、變性和降解多方面信息。已有研究表明:氯化鈉脅迫會使番茄Lycopersicon esculentum幼苗[20]和狼尾草Penniseturn alopecuroides[21]體內的脯氨酸顯著上升,可溶性蛋白質下降,而外源褪黑素的施加可以提高番茄幼苗和狼尾草體內的脯氨酸和可溶性糖。本研究表明:氯化鈉脅迫可導致美味獼猴桃苗體內脯氨酸顯著積累,并隨著氯化鈉脅迫時間延長一直保持較高水平,這是植物的自我保護機制,而外源褪黑素預處理會進一步增加脯氨酸,說明褪黑素增強了這種保護機制。由此可以推測:外源褪黑素預處理可有效地提高鹽脅迫下美味獼猴桃的脯氨酸,維持較低的細胞滲透勢,減少水分流失,從而提高美味獼猴桃的耐鹽性。氯化鈉脅迫下,美味獼猴桃實生苗體內可溶性蛋白質先下降后上升,可能是由于剛經受脅迫時,美味獼猴桃體內由于脅迫產生的活性氧破壞了蛋白質的穩定性或影響了蛋白質合成的生理代謝途徑,隨后美味獼猴桃自我保護機制的啟動使蛋白質發生回升,而褪黑素預處理可以減少氯化鈉脅迫下美味獼猴桃蛋白質的降解,猜測是由于褪黑素促進了美味獼猴桃實生苗體內熱激蛋白質的合成,保護了體內蛋白質免受破壞。可溶性糖也是重要的滲透調節物質,在植物遭受逆境時大量合成,維持細胞內滲透勢,保護膜系統穩定性,因此也具有重要作用。氯化鈉脅迫會導致植物體內可溶性糖顯著增加[22-23]。本研究表明:美味獼猴桃實生苗體內可溶性糖在鹽脅迫過程中顯著增加,外源褪黑素的施加可進一步顯著提高可溶性糖。由此可推測,褪黑素通過提高可溶性糖,增強維持細胞內的滲透勢,從而達到提高美味獼猴桃抵抗逆境的能力。
活性氧(ROS)作為信號轉導途徑的第二信使參與植物生長和建成[24]。正常情況下植物體內ROS的產生和消除處于動態平衡狀態,這種平衡狀態主要由抗氧化物酶和抗氧化物質調節。而當植物處于逆境條件時,體內的活性氧系統被打破,產生大量ROS,導致負氧離子(O2-),氫氧根(OH-)等自由基的大量累積,自由基啟動膜脂過氧化作用,膜透性增大,破壞膜結構的完整性,進而引起蛋白質變性,DNA損傷,碳水化合物的氧化、色素的降解以及酶活性受損,甚至細胞死亡[25]。
本研究顯示:氯化鈉脅迫條件下,美味獼猴桃實生苗葉片中丙二醛(MDA)和過氧化氫均顯著上升,且隨氯化鈉鹽脅迫時間延長,均維持較高水平。用外源褪黑素預處理可有效緩解美味獼猴桃體內丙二醛和過氧化氫的積累。這可能是由于外源褪黑素預處理有效地緩解了活性氧的產生速率,降低了活性氧對細胞膜的傷害[26-27]。另外,褪黑素具有一定抗氧化能力和在細胞培養中被證明具有保護膜(細胞核和血漿膜)完整性的功能[28-29]。
植物體內清除活性氧的重要保護酶是SOD,POD和CAT,能夠有效地分解植物體內的活性氧自由基,使植物免受傷害。本研究表明:SOD,POD和CAT的活性隨著氯化鈉脅迫時間的延長呈先上升后下降的趨勢,而外源褪黑素預處理能夠顯著增加美味獼猴桃實生苗的SOD,POD和CAT活性,提高美味獼猴桃實生苗清除活性氧的能力,這與王麗英[31]研究褪黑素預處理對黃瓜Cucumis sativus幼苗SOD,POD和CAT活性影響的變化趨勢一致。由此可以推測:外源褪黑素可能作為抗氧化劑增強抗氧化物酶相關基因的表達來提高抗氧化酶活性,從而增強清除細胞內活性氧的能力,提高美味獼猴桃耐鹽性。
除此以外,抗壞血酸(AsA)也是關鍵的非酶促抗氧化劑,除了參與抗壞血酸-谷胱甘肽循環外,也可直接清除負氧離子(O2-)和過氧化氫等活性氧[30]。本研究表明:外源褪黑素預處理顯著提高了美味獼猴桃實生苗體內抗壞血酸,且隨著氯化鈉鹽脅迫時間的延長,增長越顯著。由此推測:外源褪黑素預處理可以有效提高美味獼猴桃實生苗體內抗壞血酸,增強清除活性氧能力,抑制脂質過氧化,從而提高美味獼猴桃耐鹽性。綜上所述,外源褪黑素預處理美味獼猴桃實生苗,能有效減弱氯化鈉脅迫對其活性氧代謝和滲透調節物質的影響,提高美味獼猴桃的耐鹽性。
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