熱脅迫下添加脯氨酸對菜心生長和生理生化特性的影響

莊澤鑫 周玲艷 潘偉明

摘 要：本實驗以菜心品種4號和31號為材料，測定了高溫脅迫以及高溫脅迫下添加外源脯氨酸對植株生長情況如株高、根長、鮮重、干重以及生理生化特性如葉綠素含量、丙二醛含量（MDA）過氧化氫酶（ CAT） 和過氧化物酶（ POD） 和超氧化物歧化酶（SOD）活性等各項指標。結(jié)果表明：熱脅迫下，菜心品種31號的生長狀態(tài)較好，葉綠素和脯氨酸含量相對較高，抗氧化酶POD、CAT酶活性較高，MDA活性、電導(dǎo)率相對較低;當添加外源脯氨酸時，可提高菜心的生長指標、葉綠素和脯氨酸含量以及POD、CAT、SOD酶活性，降低MDA活性和電導(dǎo)率，提升和降低的比例對于4號菜心品種而言更為明顯，說明脯氨酸含量可以作為菜心耐熱性的篩選指標。

關(guān)鍵詞：菜心 熱脅迫 脯氨酸;生長;生理生化

中圖分類號：S-3 ? ? ? 文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20201030004

菜心又稱菜苔，十字花科、蕓苔屬，一、二年生的草本植物。適合播種于南方溫暖地區(qū)，是我國南方特產(chǎn)蔬菜之一[1]。菜心喜涼爽溫和氣候，生長發(fā)育的適宜溫度為15～25℃，30℃以上高溫下菜心的生長將受到較大的影響，會導(dǎo)致菜心纖細，產(chǎn)量低，質(zhì)量差[2]。南方6—8月份高溫，嚴重影響菜心的生長，篩選和選育耐熱菜心品種非常必要，以滿足南方菜心的周年生產(chǎn)需求。

在旱、鹽堿、熱、冷、凍等逆境條件下，植物體內(nèi)脯氨酸的含量顯著增加[3-5]。在作物、蔬菜、花卉等多種植物中研究發(fā)現(xiàn)，植物體內(nèi)脯氨酸含量在一定程度上反映了植物的抗逆性，抗逆性強的品種往往積累較多的脯氨酸[6-10]。廖飛雄等[11]發(fā)現(xiàn)，通過在培養(yǎng)基中加入外源脯氨酸可降低熱脅迫下的愈傷組織細胞的相對電解質(zhì)滲出，減輕褐變，促進鮮重的增加。本研究通過分析不同菜心品種高溫脅迫下脯氨酸含量以及電導(dǎo)率、葉綠素含量、丙二醛含量、抗氧化酶活性的變化，旨在為菜心耐熱品種的選育及抗逆栽培提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為4號和31號菜心品種，購買于廣東農(nóng)科院種子門市部。

1.2 方法

1.2.1 菜心種子的發(fā)芽和處理

取健康、飽滿的菜心種子，以質(zhì)量分數(shù)2.0%的次氯酸消毒15min后，再用無菌去離子水洗3～4次，每次約30s。然后以無菌去離子水浸泡6h后，將適量的種子均勻的接于培養(yǎng)基中，將4號（A）和31號（B）菜心種子各分4組（A1、A2、A3、A4;B1、B2、B3、B4），具體情況見表1。其中，每組3瓶，總共24瓶。分別置于25℃和35℃的溫度培養(yǎng)箱中進行光照培養(yǎng)，每天光照12h，光照強度3000Lux。

1.2.2 菜心幼苗生長指標測定

菜心幼苗株高的測量采用百分尺從菜心的根部到葉尖。根長的測量是從根尖到根部。以濾紙吸干菜心幼苗表面水分，用電子天平稱量鮮重。將菜心幼苗102℃殺青10 min后，置于70℃下烘干至恒重，用電子天平稱量幼苗的干重。每組濃度處理的菜心幼苗隨機抽取10株，計算平均值。

1.2.3 菜心幼苗生理生化指標測定

葉綠素含量、游離脯氨酸含量、細胞膜透性、SOD、POD、CAT活性和MDA含量參照李合生等[12]方法。

1.2.4 游離脯氨酸含量的測定

參照張殿忠等[13]方法。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析

采用excel軟件計算，再對數(shù)據(jù)進行作圖。

2 結(jié)果分析

2.1 高溫脅迫對2個菜心品種生長和葉綠素含量的影響 ?逆境脅迫往往影響植物的生長發(fā)育，本研究將菜心種子接種于1/2MS培養(yǎng)基中，培養(yǎng)溫度分別為25℃和35℃，培養(yǎng)時間為5d，觀察和分析高溫脅迫下2個菜心品種31號和4號的生長情況。結(jié)果表明，在正常培養(yǎng)溫度（25℃）下，2個菜心品種的生長情況和生長發(fā)育相關(guān)指標相差不大，而在 35℃高溫培養(yǎng)下，菜心品種4號的生長情況明顯差于31號;且31號菜心品種與正常溫度（25℃）培養(yǎng)相比，差異較小，而4號菜心與正常溫度（25℃）培養(yǎng)相比，株高、根長、鮮重、干重、葉綠素含量降低了54.2%、57.1%、62.5%、57.1%、46.7%（表2）。

2.2 高溫脅迫下2個菜心品種游離脯氨酸含量的變化

將常溫（25℃）發(fā)芽5d后的2個菜心品種放置于35℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)12h后，測定其游離Pro的含量。結(jié)果顯示，正常培養(yǎng)溫度（25℃）下，菜心品種31號的游離脯氨酸含量高于4號品種（21.5%）;且高溫脅迫下，2個菜心品種的游離脯氨酸含量均有不同程度的增加，相比較對照（25℃），菜心品種31號的脯氨酸含量提升了26%，而4號品種只提升了11.8%（表3）。

2.3 高溫脅迫下外源脯氨酸對2個菜心品種生長的影響 ?將菜心種子分別接種于1/2MS培養(yǎng)基（對照組）和添加1mg·L-1脯氨酸的1/2MS培養(yǎng)基（實驗組）中發(fā)芽，培養(yǎng)條件均為35℃，培養(yǎng)時間為5d，然后測定2個菜心品種的各項生長指標和脯氨酸含量。結(jié)果表明，在較長時期的高溫脅迫下，添加脯氨酸培養(yǎng)基中生長的2個菜心品種的生長指標均高于對照組（表4），其中，31號的株高、根長、鮮重、干重、葉綠素含量分別增加了15.4%、2.0%、17.2%、20%、17.6%，4號的分別增加了170%、167%、152%、133%、137%，且實驗組在高溫脅迫下能夠正常生長并保持一定的活力，而對照組則表現(xiàn)為部分枯萎。

2.4 高溫脅迫下外源脯氨酸對2個菜心品種脯氨酸含量的影響 ?將菜心種子分別接種于1/2MS培養(yǎng)基（對照組）和添加1mg·L-1脯氨酸的1/2MS培養(yǎng)基（實驗組）中，25℃下發(fā)芽5d后，置于35℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)12h，測定其游離Pro的含量。結(jié)果表明，培養(yǎng)基中添加外源脯氨酸的情況下，31號和4號菜心品種的游離脯氨酸含量增高，分別提高了56%和66.5%（表5），從而提高了菜心的耐熱性。

2.5 熱脅迫下添加外源脯氨酸對2個菜心品種膜保護酶活性的影響 ?將菜心種子分別接種于1/2MS培養(yǎng)基（對照組）和添加1 mg·L-1脯氨酸的1/2MS培養(yǎng)基（實驗組）中發(fā)芽，培養(yǎng)條件均為35℃，培養(yǎng)時間為5d，然后測定2個菜心品種的膜保護酶活性。計算處理測定值（添加脯氨酸）與對照測定值（不添加脯氨酸）的相對值，當相對值大于1 時代表處理測定值高于對照測定值，相對值小于1 時代表處理測定值低于對照測定值，相對值等于1時代表處理測定值等于對照測定值。圖1結(jié)果表明，35℃高溫脅迫下，不添加外源脯氨酸時，31號菜心的POD、CAT活性遠遠高于4號菜心（比值遠遠大于1），SOD酶活性相差不是很大，但MDA、電導(dǎo)率遠遠低于4號菜心（比值遠遠小于1），說明4號菜心耐熱性差，熱脅迫下，所受傷害大;當添加外源脯氨酸時，2個菜心品種的抗氧化酶活性及電導(dǎo)率差距大大縮小（比值接近1）。圖2結(jié)果表明，當添加外源脯氨酸時，2個品種的POD、CAT、SOD酶活性增加（比值均大于1），而MDA活性和電導(dǎo)率下降（比值均大于1），其中，4號菜心品種的POD、CAT、SOD酶分別是對照（沒有添加脯氨酸）的1.33、1.13、1.23倍，MDA和電導(dǎo)率分別0.7、0.62，31號菜心品種的POD、CAT、SOD酶分別是對照（沒有添加脯氨酸）的2.36、2.0、1.23倍，MDA和電導(dǎo)率分別0.51、0.28，4號菜心的升降幅度大于31號菜心。

3 討論

生物量是反映作物長勢的重要農(nóng)藝性狀和形成作物產(chǎn)量的基礎(chǔ)[14]，李榮華研究發(fā)現(xiàn)，耐熱性強的菜心品種高溫脅迫下的生物量減少顯著低于耐熱性弱的菜心品種，并認為生物量可以作為評價菜心耐熱性強弱的關(guān)鍵指標[15]。本研究發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫下，耐熱性較好的菜心品種31號的株高、根長、鮮重、干重均顯著優(yōu)于菜心品種4號。

葉綠素是進行光合作用的主要色素。有研究表明，高溫脅迫下植物葉綠素含量下降，但耐熱性好的植物品種的葉綠素含量往往保持較高的水平[16-17]。本研究發(fā)現(xiàn)，耐熱性較好的菜心品種31號的葉綠素含量高于菜心品種4號，這可能也是31號菜心品種鮮重、干重較優(yōu)的原因。

逆境脅迫下植物將產(chǎn)生滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，以提高對逆境的耐性。游離脯氨酸是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[18]，具有提高細胞液濃度、維滲透壓、保護膜系統(tǒng)組分的作用[19]。脯氨酸含量一定程度上可以反映植物的耐熱性。毛靜等[20]發(fā)現(xiàn)高溫脅迫下鳶尾葉片脯氨酸含量不同程度的積累增加，且耐熱性較強的鳶尾品種無論常溫或高溫脅迫下的脯氨酸含量均高于耐熱性較弱的品種。靳路真等[18]在研究高溫脅迫對不同耐性大豆品種生理生化的影響時也有同樣的結(jié)論。本研究發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫下，耐熱性較好的菜心品種31號的脯氨酸含量高于菜心品種4號，這與廖飛雄和潘瑞熾[11]的研究結(jié)果一致。

高溫脅迫下，往往導(dǎo)致大量 MDA 的產(chǎn)生，其含量多少可以直接反應(yīng)細胞膜受傷害程度。抗氧化酶SOD、POD、CAT是植物細胞內(nèi)活性氧清除系統(tǒng)，具有保護細胞功能的作用[21]。靳路真等[12]發(fā)現(xiàn)高溫脅迫下，耐熱性品種SOD、POD 酶活性水平高于熱敏感品種。龐強強等[22]研究表明，隨著高溫脅迫時間的延長，菜心葉片中電導(dǎo)率、MDA 含量均呈上升的趨勢，其中耐熱性強的菜心品種增幅較小，耐熱性差的菜心增幅較大，可能與耐熱性強的菜心葉片保護酶SOD、CAT和POD 活性顯著高于不耐熱品種有關(guān)。王宏輝等[23]在研究高溫脅迫對4個紅掌盆栽品種生理特性的影響時發(fā)現(xiàn)，隨著高溫脅迫時間延長，4個品種的葉片相對電導(dǎo)率和MDA 呈上升趨勢，SOD、CAT、POD呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，這可能是由于高溫脅迫超過了植物能承受的極限，破壞酶活性中心，導(dǎo)致酶活性下降。廖飛雄和潘瑞熾[11]發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)基中添加脯氨酸后，菜心愈傷組織細胞的膜保護酶POD 、CAT 和 SOD 活性有不同程度的提高。本研究發(fā)現(xiàn)熱脅迫下，31號菜心的POD、CAT活性遠遠高于4號菜心，電導(dǎo)率遠遠低于4號菜心。當添加外源脯氨酸時，兩個菜心品種的抗氧化酶活性增加，MDA和電導(dǎo)率下降，且4號菜心的升降變化率大于31號菜心。

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（責任編輯 周康）