低溫脅迫下外源SOD對矮牽牛生理特性的影響

王曉曉

(重慶大學城市科技學院， 重慶 402167)

矮牽牛(Petuniahybrida)生存于南美洲地區，作為一種易存活的園林觀賞植物，矮牽牛如今在多個國家廣泛種植。矮牽牛屬于多年生草本植物，株高一般在15～80 cm之間，葉子為橢圓形或者卵圓形，花冠酷似喇叭狀，當年播種即可開花數月。矮牽牛更容易在陽光充足、溫暖的環境中生存，其缺點是懼怕雨水、不耐低溫霜凍。如果冬季生存溫度達不到4 ℃，矮牽牛植株則停止生長。對于冬季溫度在4 ℃左右、甚至達不到4 ℃的種植環境而言，矮牽牛在低溫脅迫下越冬生存面臨困境。因此，充分了解低溫冷害對矮牽牛生長過程的影響引起了園林植物研究領域的重視[1]。

超氧化物歧化酶(SOD)是植物抗性系統酶，當植物遭受低溫脅迫時，SOD等多種抗氧化酶活性產生變化以避免植物膜組織受損傷，賦予了植物抵抗逆境脅迫的能力[2]。在提供植物生長所需外源SOD、生長能量方面發揮重要作用，有效輔助低溫下植物快速生長[3]。因此，為改善植物的低溫抗逆性，可對低溫脅迫下生長的植物施加外源SOD。超氧化物歧化酶模型化合物是外源SOD的重要形式，一方面可提高植物抗旱、抗寒、抗病等能力，兼具農藥與微肥作用；另一方面，在穩定性與高效性方面表現顯著，汲取了天然酶與人工合成化合物的優勢。

聚天冬氨酸錳(MSOD)作為一種人工合成化合物，對植物生長促進作用十分顯著[4]。根據現有研究成果可知，MSOD在提高植物抗寒、抗旱、抗病、吸收肥料養分能力等方面發揮著重要作用，MSOD不僅能夠改善植物抗逆性，還能促進植物生長發育，起到施加微肥與藥物的作用[5-6]。因此本研究選定MSOD作為外源模擬物，以園林植物矮牽牛作為研究對象，記錄正常溫度處理、普通低溫處理、低溫脅迫施加MSOD處理3種方式下矮牽牛生理特性變化，以獲取低溫脅迫下外源SOD對矮牽牛生理特性的影響規律。此研究對于改善園林植物矮牽牛低溫冷害環境下的生長狀態、幫助矮牽牛適應低溫環境具有指導意義，令低溫逆境中生存的矮牽牛安全越冬。此外，MSOD分子量適宜、沒有毒性、水溶性優，應用與推廣前景廣闊，是當前植物生長抗逆領域的研究熱點。

1 材料與方法

1.1 樣品培育

本研究矮牽牛試驗品種來自四川農業大學，隨機選取優質矮牽牛種子對其進行種植前處理。首先，采用0.1%濃度的升汞對矮牽牛種子表皮進行消毒，持續3 min，消毒完畢使用蒸餾水多次沖洗種子；其次，種子浸泡10 h，于培養皿中進行種子培育，直至種子發芽；培育環境溫度設置在25 ℃左右，每天給矮牽牛交替施加12 h 25 ℃光照處理、12 h 18 ℃黑暗處理。試驗所需外源SOD人工合成模擬物MSOD購自德賽化工有限公司，其外觀呈現黃色至紅棕色，狀態粘稠；MSOD基本屬性如下：pH值8.5～10.5，固體成分超過30%，當環境溫度低于20 ℃時其密度不小于1.15。當矮牽牛生長成幼苗時移栽至大型種植容器中進行低溫脅迫測試，試驗前定制占地面積為0.16 m2(長寬各為40 cm)、高度0.15 m的栽種容器，挑選長勢一致的矮牽牛幼苗分別種植在容器中，栽種15盆待用。

1.2 樣品處理

矮牽牛植株樣品類型劃分如下：1) ck1：將一盆矮牽牛植株置于正常溫度環境下生長；2) 低溫脅迫施加MSOD處理：矮牽牛生長處于“三葉一心”狀態時將3盆矮牽牛植株置于低溫環境下生長，并施加不同含量的MSOD，X1為施加2.5 mg·L-1濃度的植株，X2為施加5.5 mg·L-1濃度的植株，X3為施加8.5 mg·L-1濃度的植株。3) ck2將一盆矮牽牛置于低溫環境下生長，施加清水代替MSOD。每個處理3次重復，各處理的管理措施相同。

矮牽牛低溫環境處理的具體方法如下：1) 第一階段是冷馴化期：每天給矮牽牛交替施加12 h 11 ℃的光照處理、12 h 5 ℃黑暗處理，光照強度上限設置為2 000 lx。2) 第二階段是低溫脅迫處理期：在冷馴化期一個月之后執行，由于矮牽牛外界環境達到0 ℃時基本停止生長，所以低溫脅迫環境溫度不能低于0 ℃，因此每天給矮牽牛交替施加12 h 2 ℃的光照處理、12 h 0 ℃黑暗處理，光照強度上限仍為2 000 lx。MSOD、清水要每隔7 d噴施1次，噴施3次后進行樣品采集并進行生理指標測定。

1.3 生理指標測定

當矮牽牛植株生長至花蕾期，在同一天內進行矮牽牛葉片采樣，所有采樣過程中均盡量挑選植株相同部位葉片，降低外部因素導致的葉片生理指標差異；樣品采摘后清洗存放在4 ℃環境中保存待用。

1) 生長指標測定：矮牽牛試驗處理全部結束后，使用高精度儀器測量莖基部和頂葉葉尖間距，即莖葉長度；將最長根系作為根長測量對象，測量根基部至根尖間距，即根部長度；每種MSOD濃度下各采集6份樣品取其均值，保障矮牽牛生長指標測定的精準度，最后統計不同處理下矮牽牛的側根數量[7]。

2) POD活性測定：基于愈創木酚法測定POD酶活性[8]。

3) 全氮含量測定：分別使用半微量凱氏定氮法、釩鉬黃比色法、火焰光度法測定矮牽牛植物體內氮磷鉀含量[9]。以上指標測定與測量需要重復執行3次，取平均值作為最終測定結果。

1.4 數據處理

采用Excel 2017與SPSS 20.0統計分析軟件完成數據處理與分析，采用visio軟件繪制結果趨勢圖。

2 結果與分析

2.1 低溫脅迫下外源SOD對矮牽牛生長指標的影響

本研究使用根系長度、莖葉的長度、根部須數描述矮牽牛生長情況，分析不同濃度MSOD在低溫環境下對矮牽牛生長的促進作用(圖1)?？傮w而言，低溫脅迫環境下矮牽牛施加MSOD能夠促進其多項生長指標的發展。正常溫度環境下生長的矮牽牛(ck1)側根數量最多，莖葉長度、根部長度最大；低溫環境下生長僅施加清水的矮牽牛(ck2)側根數量最少、莖葉長度、根部長度最小，由此可見，低溫阻礙了矮牽牛的正常生長。同樣低溫環境下施加MSOD的樣本呈現優于ck2的生長趨勢，在本研究范圍內，MSOD濃度越高、樣本長勢越好。低溫環境下施加8.5 mg·L-1濃度的MSOD矮牽牛樣本，側根數量達到9，與正常溫度環境生長的樣本持平，莖葉長度與根部長度分別達到3.63 cm、5.01 cm，接近正常溫度環境生長情況。因此，低溫環境下適量添加MSOD有助于矮牽牛生長指標的提升，對其生長具有促進作用。此外，當MSOD施加濃度為8.5 mg·L-1時，和ck2相比，矮牽牛的莖葉長度、側根數量、根部長度均表現出顯著相關性(p<0.05)。

圖1 矮牽牛生長指標趨勢

2.2 低溫脅迫下外源SOD對矮牽牛POD指標的影響

作為清除活性氧的關鍵酶，POD在避免膜質氧化、促進植物生長發育、抗病、抗寒方面貢獻突出。在一個氧化還原反應中，如果采用的氧化劑為過氧化氫，那么過氧化物POD能夠對這段氧化還原反應產生加速催化作用，將過氧化氫還原成水。POD將過氧化氫還原成水的過程有利于平衡植物體內活性氧的分布，因此判斷矮牽?？购芰Φ难芯靠梢隤OD酶活性指標作為參考。由圖2可知，ck2處理下的POD酶活性最低，ck1處理下的POD酶活性最高，這是因為隨著矮牽牛溫度的降低其植物體內的POD酶活性能力被弱化。低溫環境脅迫下，采用2.5 mg·L-1濃度MSOD、5.5 mg·L-1濃度MSOD、8.5 mg·L-1濃度MSOD處理下的矮牽牛植株POD酶活性分別提高了4.1%、7.8%、17.9%，和ck2相比差異顯著(p<0.05)。其中，8.5 mg·L-1濃度MSOD處理下矮牽牛POD酶活性最接近正常溫度生長下的活性值。由此可見，8.5 mg·L-1濃度MSOD提高植物POD酶活性的效果最為明顯，增強了矮牽牛安全越冬的能力。綜上所述，低溫弱化了矮牽牛的POD酶活性，而MSOD可提高矮牽牛的POD酶活性。

圖2 低溫脅迫下矮牽牛POD酶活性指標測定

2.3 低溫脅迫下外源SOD對矮牽牛生長適應度的影響

氮磷鉀是調節矮牽牛生長的關鍵元素，能夠準確表征矮牽牛營養水平。由表1可知：正常溫度環境下生長的矮牽牛氮磷鉀元素含量最高，吸收營養元素的能力最強，表現出良好的生長適應性；而低溫脅迫環境下沒有施加MSOD的植物樣本氮磷鉀元素含量最低。和ck2相比，施加MSOD處理下的樣本營養元素含量較高，例如X1、X2、X3處理下的矮牽牛氮元素含量增加了7.6%、29.3%、42.4%。由此可見，低溫脅迫環境下矮牽牛施加MSOD能夠提高植物吸收營養元素的能力，以更好的適應生長環境。施加不同濃度MSOD的矮牽牛表現出不同的氮磷鉀元素含量，在氮元素和鉀元素方面：X3>X2>X1，在磷元素方面：X2>X3>X1。在本研究范圍內，MSOD濃度越高、矮牽牛氮鉀營養元素吸收越好；而5.5 mg·L-1濃度MSOD就可以滿足植物體內磷吸收需要，即使增加MSOD濃度，促進矮牽牛磷元素吸收的作用不大。

表1 不同處理方式下矮牽牛氮磷鉀含量情況

3 討論與結論

全球極端天氣頻發會對草本植物自然生長產生一定威脅，一些植物很難在嚴酷的低溫環境中生存[10]。低溫脅迫下MSOD對矮牽牛生長指標的研究顯示，不同濃度MSOD均能優化草本植物矮牽牛的生長指標，加快莖葉、根部的生長速度，生長效果接近于正常溫度培育的植株水平，因此外源SOD能夠幫助矮牽牛在寒冷的冬季正常生長[11]。2.5 mg·L-1、5.5 mg·L-1、8.5 mg·L-13個濃度MSOD處理下的植株相比清水處理均表現出良好的生長特征，且濃度越高效果越顯著。

3.1 低溫脅迫下外源SOD對矮牽牛生長指標的影響

低溫脅迫下外源SOD對矮牽牛POD酶活性生理指標影響顯著，對植物施加低溫脅迫作用時，植物體內容易大量積累自由基，打破了植物細胞活性氧生產與清除系統平衡規律，不僅致使植物細胞脂質過氧化而且損壞了植物細胞原有結構，這一系列的非正常規律導致植物細胞膜非正常代謝[12]。本研究結果表明，低溫脅迫環境下，8.5 mg·L-1濃度MSOD處理下矮牽牛POD酶活性提高了68.2%，外源SOD能夠有效提高草本植物體內的POD酶活性，提高植物的抗寒能力，這是因為低溫環境下生存的草本植物對上述現象產生適應性，植物細胞內的過氧化物酶(POD)保護系統共同努力、相互協作消除了植物積累的自由基[13,14]，保障了植物自身的正常代謝功能。

3.2 低溫脅迫下外源SOD對矮牽牛POD指標的影響

SOD酶、POD酶提高植物抗寒能力的作用機理為：植物由于低溫脅迫積攢大量自由基存儲在體內，SOD是處理植物體內活性氧的關鍵抗氧化酶，在多種抗氧化酶系統中SOD占據活性氧清除反應核心位置，因為SOD具有促進超氧陰離子發生歧化反應功能，解決了高毒性活性氧的催化問題[15]。SOD開啟了清除植物自由基的第一道門檻，隨后POD酶以及過氧化氫酶(CAT)等其他酶系統將剩余H2O2分解，多種酶協調分工使植物生理水平回歸平衡。此外，已有研究顯示[16]，矮牽牛在低溫環境脅迫下容易改變植物體內SOD酶、POD酶、CAT酶含量，甚至干擾其膜質過氧化水平，本研究結果與其一致。

3.3 低溫脅迫下外源SOD對矮牽牛生長適應度的影響

根據矮牽牛植物體內氮磷鉀含量測定結果可知，MSOD能夠在低溫環境下增加矮牽牛體內氮磷鉀含量，幫助矮牽牛更好的適應寒冷的生長環境，此時MSOD發揮著增效劑的作用。這是因為MSOD本身兼有農藥和微肥作用，不僅展現了超強的抗寒性能，還能起到促進草本植物生長的作用。但是MSOD的增效作用在磷元素方面出現波動，這可能是MSOD自身攜帶負電荷基團，吸附HPO42-的效果不理想，而吸附NH4+、K+能力強的結果造成的。

通過本研究可知：在低溫脅迫環境下草本植物矮牽牛的生長指標、SOD酶活性、POD酶活性、營養吸收能力下降，合理設置外源SOD施加量能夠優化矮牽牛生長指標、提高POD酶活性、增加氮磷鉀元素的吸收能力。在本研究條件下，施加8.5 mg·L-1濃度MSOD的矮牽牛各項指標優化明顯。所以，本研究使用的外源SOD模擬物MSOD有助于提高矮牽牛的抗寒性、改善生長指標、優化營養吸收能力?？购宰鳛椴荼局参锏闹匾碇笜酥?，在植物研究領域得到廣泛關注。目前，外源SOD模擬物在植物抗寒領域的研究取得了階段性成果，但是僅依靠POD等酶活性指標定義草本植物的抗寒程度還不夠全面，今后的研究中需要繼續擴大植物抗寒指標的研究范圍，豐富園林觀賞植物抗寒性機理的相關研究成果。