紅火炬郁金種球的抗寒生理及植物生長調節劑的低溫保護效果

劉建新， 丁華僑， 徐笑寒

(浙江省農業科學院花卉研究開發中心，浙江杭州 311202)

紅火炬郁金(Curcumahybrida‘Red Torch’)是國內花卉市場近年出現的球根花卉新品種[1]，與姜荷花同屬于姜黃屬(CurcumaLinnaeus)植物[2]，可作盆花、切花及園林花境應用，具體株型如圖1-A所示，穗狀花序，苞片闊卵形蓮座狀排列，苞片深紅色。整個花期從7月中上旬至10月底，株高46～50 cm，全花長33～39 cm，花序長20 cm左右(全花長去掉花莖、花梗以外的長度)，花序寬7.0～7.5 cm，目前已在廣東、浙江、山東等地得到應用。除劉建新等對其切花保鮮[3]、花莖延長[1]做過研究外，尚無其他相關報道。紅火炬郁金是一種熱帶花卉，種球需要較高的溫度才能順利越冬，溫度較低則會導致種球凍壞。在我國的絕大部分地區，種球都無法自然越冬，因此有必要使用抗寒相關植物生長調節劑來提升種球的抗寒能力。脫落酸(abscisic acid，ABA)是抗寒基因表達的信號分子，對植物抗寒力的調控起重要作用，能提高植物的抗逆性[4-6]。水楊酸(salicylic acid，SA)是一種植物內源信號物質和植物激素，能抑制氣孔開放，從而使葉片具有抗蒸騰的作用，進而減少植物的水分蒸騰，提高植物的抗逆性[7-8]；多效唑(paclobutrazol，PP333)是一種高效、低毒的植物生長調節劑，可以抑制細胞縱向生長、縮短莖節、降低株高、改善植物群體結構、提高作物抗寒性、耐旱性和光合活性等[9-10]；6-BA(6-benzylaminopurine)的主要生理效應除促進細胞分裂、促進芽的分化、促進細胞擴大、延緩葉片衰老等外[11]，也可提高植物的抗逆性[8]。如 0.5 mg/L 6-BA誘導香根草能提高香根草的抗寒性，使得香根草能在低溫下生長良好[12]。油菜素內酯(brassinolide，BR)浸種能增強花生對低溫的忍耐能力[13-14]。

本試驗研究紅火炬郁金種球的抗寒生理，明確種球的所能耐受的低溫，并嘗試采用各種具有抗寒潛力的植物生長調節劑處理種球，以期找出能提升紅火炬郁金種球抗寒性的方法，為國內的紅火炬郁金種球生產提供支持，促進紅火炬郁金的推廣應用。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

采用筆者所在單位生產的紅火炬郁金的成熟種球(圖1-B，上部為球莖，萌芽部位，為本試驗的材料。下部多個橢圓形球為營養球，僅用于貯存營養)，該種球大小一致、無病蟲害及外傷。取樣時，從種球的中間位置縱切開，從中切取完整小片(包含外中內各層組織，確保取樣代表性)。丙二醛(MDA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化物酶(POD)活性、過氧化氫酶(CAT)活性、脯氨酸含量、可溶性糖含量、蛋白質含量的測定用試劑盒均由蘇州科銘生物技術有限公司提供。相關試驗皆于2016年在浙江省農業科學院花卉研究開發中心完成。

1.2 試驗方法

1.2.1 不同低溫脅迫對紅火炬郁金種球的生理生化指標的影響 將紅火炬郁金種球分別置于24(常溫，對照組)、9、5、1、-3 ℃下48 h，然后取出存放于超低溫冰箱備用。

1.2.2 不同植物生長調節劑處理對紅火炬郁金種球的生理生化影響 將紅火炬郁金種球用不同的植物生長調節劑分別浸泡處理24 h，再轉入1 ℃環境中冷脅迫48 h，然后取出存放于-80 ℃超低溫冰箱凍存備用。試驗植物生長調節劑包括 1 mg/L 脫落酸、11 mg/L(或 80 μmol/L)水楊酸、0.01 mg/L油菜素內酯、0.08 mg/L 6-BA、100 mg/L多效唑等。另設陽性對照(PCK)：清水浸泡24 h后，1 ℃環境中冷脅迫48 h，凍存備用；陰性對照(NCK)：水浸泡24 h后，常溫處理48 h，凍存備用。

1.2.3 生理生化指標檢測 相對電導率的測定采用電導儀直接測定沸水加熱前后的電導率，然后再計算出相對電導率。束縛水含量的測定采用阿貝折光儀法[15]。用折光儀測定經蔗糖透析前后的濃度，再計算出束縛水的含量。MDA含量、SOD活性、POD活性、CAT活性、脯氨酸含量、可溶性糖含量、蛋白質含量的測定均按照試劑盒說明書方法進行。所有測定重復3次。

1.3 數據分析

相關數據以Excel 2007軟件分析并生成圖片。

2 結果與分析

2.1 不同低溫脅迫下紅火炬郁金種球的生理生化變化

2.1.1 低溫脅迫下細胞受損程度分析 植物受到低溫危害時，細胞膜系統最先受到影響，細胞的質膜透性增大，電解質會有不同程度的外滲，導致電導率會有不同程度的增大[16]。膜透性的大小反映了細胞膜受損的程度，相對電導率與膜受傷害程度呈正相關，電導率越高說明細胞膜受到的傷害越大[17]；束縛水是指在植物體內和原生質膠體緊密結合的水分，不易結冰和蒸騰，與植物的抗性有密切關系，束縛水含量相對增加可以增強植物的抗寒能力[18-19]。植物器官在逆境條件下往往發生膜脂過氧化作用，膜脂過氧化過程發生伴隨著MDA含量的增加，而MDA會嚴重損傷生物膜。通常用MDA含量作膜脂過氧化指標，表示細胞膜脂過氧化程度及對逆境反應的劇烈程度[20]。本研究對低溫脅迫下細胞受損的3個指標特征進行檢測，結果如圖2所示。圖2-A中紅火炬郁金種球在24 ℃時的相對電導率是最低的，而在9 ℃時電導率顯著升高，說明種球此時已處于受低溫脅迫的狀態了，其后的5、1、-3 ℃大致相近，此時細胞膜受損較嚴重。圖 2-B所示，對照組(24 ℃)的束縛水含量是最高的。除對照組外，束縛水含量隨著溫度的降低(9 ℃降至1 ℃)而逐漸升高，在 -3 ℃ 時再降低。圖2-C顯示，低溫脅迫處理后(9 ℃降至1 ℃時)，MDA含量變化并不明顯，而在-3 ℃時顯著增高，此時的細胞膜脂過氧化程度最高，受損最嚴重。結合這3個指標可知，低溫脅迫條件下，種球在9 ℃環境下已經處于逆境脅迫狀態了，1 ℃時束縛水含量增加得最為明顯，-3 ℃時膜脂氧化最嚴重。

2.1.3 低溫脅迫下細胞浸透調節系統變化 植物細胞遭受到傷害時，必須通過滲透調節保證一定的膨壓來維持正常的生理功能[24]。大多數植物遭受環境低溫脅迫時均在體內積累脯氨酸、可溶性蛋白及可溶性糖等物質[25]，這些物質能有效降低細胞液的滲透勢，防止細胞過度失水，有利于提高植物抗寒性[26]。低溫脅迫時，脯氨酸能維持細胞水勢，促進蛋白質的水合作用，并能維持細胞結構、物質運輸和滲透調節等[23-27]；可溶性糖可以提高細胞液濃度，降低水勢，增加保水能力，具有冰凍保護劑的作用[23]。可溶性蛋白有較強的親水性，可束縛更多的水分，減少原生質內結冰而傷害致死的概率[27-29]。如圖4-A所示，低溫脅迫狀態下，脯氨酸的含量先增加后降低，5 ℃時最高，其余各低溫處理都較對照組(24 ℃)低；圖4-B所示，低溫脅迫下，各處理的可溶性糖含量在5 ℃時升到最高狀態，然后再降低；圖4-C所示，9 ℃低溫時開始發生脅迫，可溶性蛋白質的含量達到最高狀態，然后逐漸降低，在-3 ℃時達到最低點。

2.2 不同植物生長調節劑處理對紅火炬郁金種球抗寒性的影響

從圖5-A中可以看出，清水浸泡24 h后，常溫處理48 h的陰性對照(NCK)相對電導率最低，而同樣清水浸泡后1 ℃低溫處理48 h的陽性對照(PCK)的相對電導率最高，其他各植物生長調節劑處理的相對電導率都介于這兩者之間，都比PCK低，說明這些植物生長調節劑處理對細胞膜都有一定的保護作用，其中以SA和BR的相對電導率較高，保護效果相對較差，6-BA處理的最低，保護效果最好，ABA次之。圖5-B 所示，各植物生長調節劑處理后的束縛水含量基本上都處于NCK和PCK之間，BR和6-BA處理的含量較低，與PCK較為接近；ABA和PP333的束縛水含量較高，效果較好。圖5-C所示，各植物生長調節劑處理的MDA含量依次是SA>PP333>ABA>BR>6-BA，說明SA處理的膜脂氧化程度最高，6-BA處理的膜脂氧化程度最低。綜上所述，各植物生長調節劑都能一定程度上緩解低溫脅迫帶來的傷害。

2.3 不同植物生長調節劑處理對低溫脅迫下抗氧化酶系統的影響

如圖6-A所示，除PP333外，各處理的SOD活性都介于NCK和PCK之間，從高到低依次是ABA>SA>BR>6-BA>PP333，ABA處理的效果最好，PP333處理的最差；圖6-B所示，各處理的CAT活性從高到低依次是BR>ABA>6-BA>PP333>SA，BR、ABA和6-BA處理的效果較好，而PP333和SA處理的CAT活性大致接近，但都比PCK活性弱；圖6-C所示，各處理的POD活性都介于NCK和PCK之間，從高到低依次是SA>PP333>BR>6-BA>ABA。可見，各處理植物生長調節劑在低溫脅迫狀態下促進生成的抗氧化酶種類各有所側重，如ABA處理，以促進SOD和CAT為主；SA處理以促進SOD和POD為主；BR處理以促進CAT和POD為主；6-BA 處理以POD為主；PP333處理以POD為主，對SOD和CAT則產生明顯的抑制作用。

2.4 不同植物生長調節劑處理對低溫脅迫下細胞滲透調節系統變化

如圖7-A所示，各植物生長調節劑處理的脯氨酸含量出現了分化，SA和ABA處理的PRO含量明顯超出了PCK處理，其余的BR、6-BA和PP333處理的PRO含量都有不同程度的降低。圖7-B所示，各處理的可溶性糖含量也出現了分化，SA處理的含量是最高的，BR處理的反而降低了。圖 7-C 所示，各處理的可溶性蛋白質含量都比PCK對照明顯增加，增加較明顯的是ABA和6-BA處理。可見，各處理植物生長調節劑在低溫脅迫狀態下對細胞滲透調節系統各有所側重，SA和ABA處理的細胞滲透調節綜合表現較優，6-BA處理明顯地促進了可溶性蛋白質的含量，但卻抑制了PRO的含量。

3 結論與討論

3.1 不同低溫脅迫下紅火炬郁金種球的生理生化變化

根據受損程度分析，紅火炬郁金種球在9 ℃左右時已經處在受逆境脅迫狀態了，-3 ℃時脅迫程度最高，根據抗氧化酶系統可知，各抗氧化酶的表現趨勢大致一致，即隨著溫度的降低，酶活性逐漸增強，超過耐受極限后再逐漸降低。但各酶活性變化的極點溫度并不一致，POD活性在5 ℃時最高，CAT活性在1 ℃時最高，而SOD的活性在-3 ℃時達到最高狀態。滲透調節系統中，可溶性蛋白質含量在9 ℃達到最高，可溶性糖及PRO含量在5 ℃時達到最高。SOD活性和MDA含量的變化趨勢大致一致，即在低溫脅迫狀態下，都隨著溫度的降低而增加，都在-3 ℃時達到最高，推測SOD活性的增強主要用來處理膜脂過氧化產生的MDA。MDA是膜脂過氧化作用的最終產物，而SOD為酶防御系統的核心酶[30]，提高SOD活性可使細胞內的活性氧維持在一個較低的水平，從而達到抵御低溫的作用[30]。在細胞滲透調節系統的變化中，低溫脅迫狀態下，PRO、可溶性糖和可溶性蛋白質含量表現趨勢較為明顯，都呈現出先增高后降低的趨勢，但極點溫度并不一致，PRO含量和可溶性糖含量的最高點溫度都是5 ℃，而可溶性蛋白質的最高點溫度則是9 ℃。因此，綜合種球受損程度及抗逆系統的反應，紅火炬郁金種球保存過程中以不低于5 ℃為宜，9 ℃種球即已開始受低溫脅迫了，而5 ℃時種球的多數抗逆機制都已處于極限抵制狀態，溫度如果進一步降低則有可能會造成種球損害。

3.2 不同植物生長調節劑處理對紅火炬郁金種球抗寒性的影響

抗寒性植物生長調節劑篩選試驗表明，各植物生長調節劑處理[包括脫落酸(ABA)、水楊酸(SA)、油菜素內酯(BR)、6-BA、多效唑(PP333)等]對增強紅火炬郁金種球的抗寒性都有一定的作用。根據細胞受損程度分析，6-BA和ABA處理的細胞完整性較好(相對電導率較低)，而且膜脂氧化程度也較低(MDA含量較低)，它們對種球的保護效果是最好的。SA和PP333雖然也能一定程度上保護膜的完整性，但膜脂的氧化程度很高，甚至高于不加任何植物生長調節劑處理的PCK(陽性對照)。

為分析各植物生長調節劑處理對抗氧化酶系統的總體效用，將SOD、POD和CAT的活性各按1 ∶1 ∶1的均等權重累加，并構建一個不同植物生長調節劑處理的總抗氧化酶活性圖(圖8，PCK的總抗氧化酶活性定為1)，各植物生長調節劑處理的總抗氧酶活性都有明顯增加，按從大到小順序依次是BR>SA>PP333>6-BA>ABA>PCK，與各植物生長調節劑處理的相對電導率的存在明顯的一致性(圖5-A)，說明各處理都明顯促進了抗氧化酶的生成，其生成的產量與膜的受損程度存在明顯的正向關系。此外，這些植物生長調節劑處理的總抗氧化酶活性都遠低于正常條件下未經低溫脅迫處理陰性對照(NCK)。結合NCK組的超低相對電導率可知，保持合適的溫度是種球貯藏過程的關鍵，低溫條件下抗寒相關植物生長調節劑處理雖能一定程度上增加種球的抗寒性，但都有一定的滯后性，進行反射性、應激性的修復工作。細胞滲透調節系統方面，各植物生長調節劑處理所促進相關物質含量也各有側重，但在可溶性蛋白含量方面都表現出明顯一致的促進效應。

綜上所述，紅火炬郁金種球在9 ℃時開始受低溫逆境脅迫，-3 ℃時脅迫程度最高；而各抗氧化酶的表現并不一致，POD活性在5 ℃時最高，CAT活性在1 ℃時最高，而SOD在-3 ℃時活性達到最高狀態。滲透調節系統中，可溶性蛋白質含量在9 ℃時達到最高，可溶性糖及PRO含量在5 ℃時達到最高。綜合種球受損程度及抗逆系統的反應，種球保存過程中以不低于5 ℃為宜。此外，各抗寒相關植物生長調節劑處理[包括脫落酸(ABA)、水楊酸(SA)、油菜素內酯(BR)、6-BA、多效唑(PP333)等]對增強紅火炬郁金種球的抗寒性都有一定的作用，其中6-BA和ABA處理對種球的保護效果較好。

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