外源水楊酸對低溫脅迫下小麥幼苗葉綠素熒光特性及抗氧化酶活性的影響

杜思夢， 方保停， 李向東， 張德奇， 岳俊芹， 邵運輝， 王漢芳， 楊 程， 秦 峰

(河南省農業科學院小麥研究所/小麥國家工程實驗室/農業農村部黃淮中部小麥生物學與遺傳育種重點實驗室/農業農村部中原地區作物栽培科學觀測實驗站/河南省小麥生物學重點實驗室/河南省小麥產量-品質協同提升工程研究中心，河南鄭州450002)

小麥種植面積占我國糧食作物總面積的22%左右，產量占糧食總產量的20%以上。由于冬小麥生長周期長，跨越秋、冬、春、夏四季，易遭遇干旱、低溫、高溫、漬害等逆境脅迫，其中低溫是冬小麥主產區的主要逆境脅迫之一，致使冬小麥生理特征及產量均受到不同程度的影響。所以研究冬小麥低溫傷害機制，探討減輕冬小麥生長過程中低溫傷害的途徑和方法，以期為揭示冬小麥低溫逆境生理、實現冬小麥抗低溫逆境栽培提供理論依據。

水楊酸(salicylic acid，簡稱SA)是植物界廣泛存在且能自身合成的一種小分子酚類化合物，被認為是植物在脅迫中產生的一種信號分子。外施水楊酸可以增強植物葉片光合電子傳遞能力、減少用于熱耗散等的比率，有效減緩高溫、低溫對PSⅡ反應中心的傷害，提高光合電子傳遞及對光能的捕獲和轉換，增強對光合機構的保護作用，提高脅迫下作物對逆境的抗性和耐性。李曉梅等的研究表明外源水楊酸可以提高小麥幼苗的抗寒性。此外，水楊酸處理可以提高水稻、黃瓜、番茄、西瓜的細胞膜保護酶系的活性，有效清除細胞內的活性氧，使膜脂過氧化程度降低，進而提高作物的抗冷性。目前，關于外源水楊酸對植物快速葉綠素熒光誘導曲線及生理效應的調控已有很多報道，但主要集中于濃度篩選。本試驗以黃淮南部主要麥區具有代表性的小麥品種鄭麥1860和鄭麥369為材料，設置2種溫度脅迫，探討不同溫度脅迫下外源水楊酸對小麥幼苗葉片的葉綠素快速熒光誘導動力學(OJIP)曲線、最大光化學效率(/)、光合性能指數(PI)、單位面積內反應中心的數量(RC/CSm)、用于電子傳遞的量子產額()，及過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)活性和丙二醛(MDA)含量的響應機制，以期為小麥幼苗的抗逆研究提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試小麥品種為鄭麥1860 和鄭麥369，由河南省農業科學院小麥研究所提供。試驗于2021年1—5月在河南省農業科學院小麥研究所小麥國家工程實驗室、河南省小麥生物學重點實驗室進行。

1.2 試驗處理

試驗種子經過催芽，選取表現良好且一致的種子種植于10 cm×10 cm裝土(營養土為PINDSTRUP)塑料盆中，置于培養室(溫度為25 ℃)培養，待長至3葉1心時，選取2個品種中生長一致的小麥幼苗，分別置于0 ℃和15 ℃人工氣候箱中培養24 h后，一部分幼苗噴施SA(濃度為0.3 g/L)，另一部分噴施清水作為對照(CK)，噴施后6、24 h取樣測生理指標，每個處理3次重復；同時處理24 h后進行快速葉綠素熒光誘導動力學曲線的測定，每個處理8次重復，具體試驗設置見表1。

表1 試驗處理設置

1.3 試驗方法

OJIP曲線及相應參數使用多功能植物效率儀(M-PEA，Hansatech Instruments，UK)進行測定，參考楊程等的方法；SOD活性采用氮藍四唑(NBT)光化還原法測定，以抑制NBT光化還原，50%所需酶量為1個酶活性單位；CAT活性采用紫外吸收法測定，以1 min吸光度()減少0.01為1個酶活性單位；POD活性采用愈創木酚法測定，以1 min變化0.01為1個酶活單位；MDA含量采用硫代巴比妥酸比色法測定。

1.4 數據處理與分析

葉綠素快速熒光誘導動力學曲線及相關參數通過軟件M-PEA data-analyzer V.4.4.3 進行原始數據的分析和導出，利用Excel 2010和Sigmaplot 12.5進行數據分析和繪圖，采用SPSS 15.0軟件進行方差與相關性分析。

2 結果與分析

2.1 外源SA對不同溫度小麥品種OJIP曲線的影響

如圖1-a、圖1-b所示，不同溫度處理小麥葉片OJIP曲線明顯不同，且不同品種間有差異。通過=(-)/(-)將O-P段標準化，如圖 1-c、圖1-d所示，與15 ℃相比，0 ℃處理鄭麥1860和鄭麥369 J點升高；與CK相比，SA處理緩解了J點的升高，SA處理提高了鄭麥1860在0 ℃條件下P點的熒光強度，而鄭麥369各處理的P點差異不明顯。

熒光參數/反映了PSⅡ的最大光化學效率，PI表示PSⅡ的綜合性能指數，RC/CSm表示單位面積內反應中心的數量，表示傳遞到QA-下游的光能占吸收光能的比率。如圖2所示，與 15 ℃ 相比，0 ℃處理顯著降低了鄭麥1860和鄭麥369的/、PI、RC/CSm、，SA處理顯著減輕了/、PI、RC/CSm、的下降幅度；15 ℃條件下，與CK相比，SA處理的鄭麥1860 PI、RC/CSm、顯著上升，鄭麥369無顯著差異。

2.2 外源SA對小麥幼苗丙二醛含量的影響

MDA含量的高低在一定程度上反映植物在逆境脅迫下受損的程度。如圖3所示，與15 ℃處理相比，0 ℃ 條件下鄭麥1860和鄭麥369的MDA含量均大幅降低，說明低溫脅迫時小麥能夠自我調節來降低膜脂過氧化帶來的損傷。外施水楊酸能夠降低MDA含量，增加小麥抗寒能力，0 ℃條件下，與CK相比，水楊酸處理6、24 h鄭麥1860的MDA含量分別降低34.11%、21.73%，鄭麥369的MDA含量分別降低2.80%、23.66%。

2.3 外源SA對小麥幼苗CAT活性的影響

CAT主要存在于過氧化體中，其活性與植物代謝強度及抗寒能力有一定的關系。由圖4可知，與對照相比，經SA處理的鄭麥1860在15 ℃條件下CAT活性降低，6、24 h分別降低10.90%、19.70%；0 ℃條件下活性升高，6、24 h分別提高122.17%、2.25%。說明外源SA可以提高0 ℃條件下鄭麥1860的CAT活性，而對鄭麥369在0 ℃條件下CAT活性的影響不明顯。

2.4 外源SA對小麥幼苗POD活性的影響

由圖5可以看出，15 ℃條件下噴施SA能夠增加鄭麥1860和鄭麥369的POD活性，噴施6、24 h，鄭麥1860的POD活性分別提高3.63%、84.60%，鄭麥369的POD活性分別提高14.82%、12.02%；0 ℃ 條件下兩者POD活性有差異，與CK相比，經SA處理的鄭麥1860的POD活性降低，鄭麥369在處理6 h時POD活性升高，24 h時活性下降，說明不同溫度下外源SA對小麥幼苗POD活性的影響不同，且同一溫度下2個小麥品種間POD活性差異顯著，可能與小麥自身逆境脅迫下自適應引起的酶活變化有關。

2.5 外源SA處理對小麥幼苗SOD活性的影響

SOD可以清除生物體內超氧陰離子自由基，其活性大小通常作為植物抗逆性強弱的生理指標。由圖6可知，15 ℃條件下，鄭麥1860各組SOD活性差異不顯著，鄭麥369經SA處理SOD活性在處理 6 h 提高4.42%，0 ℃條件下，與CK相比，經SA處理的鄭麥1860和鄭麥369的SOD活性均升高，鄭麥1860在處理 24 h 提高10.64%，鄭麥369在處理 6 h 提高3.25%。說明0 ℃條件下外施SA可以提高鄭麥1860和鄭麥369的SOD活性。

3 討論與結論

PSⅡ反應中心原初光化學反應的相關信息可以通過快速葉綠素熒光誘導動力學曲線進行測定，同時環境因子對光合作用的影響可以通過葉綠素熒光相關參數反映出來。李書鑫等的研究表明，低溫脅迫對玉米葉片的OJIP曲線產生了明顯影響，同時顯著降低了玉米幼苗的、PI、。姜籽竹的研究表明，低溫脅迫下SA可以降低玉米幼苗葉片的/下降速率。在本研究中，低溫脅迫下，鄭麥1860和鄭麥369的J點上升、P點下降，/、PI、RC/CSm、均下降，說明低溫脅迫下，PSⅡ反應中心捕獲光能的效率及電子傳遞到QA下游電子載體的效率均下降，SA處理可以提高J點熒光強度及/、PI、RC/CSm、，說明SA處理可以緩解低溫對PSⅡ光能的吸收和傳遞的抑制作用。

當植物受到逆境脅迫時，體內活性氧及其他過氧化物增多，對細胞膜系統造成傷害，SOD、CAT、POD等酶促清除系統可以協同作用抵御這種傷害。李璇等的研究表明，在一定強度的環境脅迫下，CAT和POD有互補作用，本研究也印證了這一點。鄭麥1860在15 ℃條件下，對照組隨著處理時間的延長CAT活性升高，POD活性下降；0 ℃條件下，與對照組相比，處理組CAT活性升高，POD活性降低。此外，通過分析各組小麥SOD活性變化發現，相同溫度下，隨著處理時間的延長，各處理SOD活性差異不顯著，可能是因為相同脅迫溫度下隨脅迫時間的變化，SOD活性呈波狀變化，在增加和減少之間交替變化。隨著溫度的降低，鄭麥1860在處理 6 h 時SOD活性差異不顯著，這與劉瑞峰等的研究結果一致，可能在溫度預處理過程中，小麥啟動自身保護機制使SOD活性維持在一定水平，以防御活性氧的傷害。謝鳳仙等對低溫脅迫下3個小麥品種MDA含量變化的研究表明，低溫處理后，MDA含量均下降，本研究結果與之相同，與15 ℃處理相比，0 ℃條件下鄭麥1860和鄭麥369對照組MDA含量均顯著降低，可能是因為細胞內氧化酶活性增強，清除自由基的能力提高，膜脂過氧化程度降低。

SA作為植物體內信號傳遞分子，在非生物脅迫中發揮著重要作用。李曉梅等研究發現，SA預處理可能會降低膜透性、提高保護膜系統的活性，增強小麥幼苗的抗寒性。黃儒的研究表明，適當的低溫和SA預處理有助于提高東農冬麥1號在低溫脅迫中的適應性。通過對黃瓜幼苗、玉米幼苗、小麥幼苗的研究發現，外施水楊酸的效果在各植物、各品種之間有差異，因此試驗分析了鄭麥1860和鄭麥369在2種溫度下經外源水楊酸處理后各生理指標的變化，以期來研究外源水楊酸和溫度對小麥幼苗抗氧化酶活性及MDA含量的影響。從本研究結果可以看出，0 ℃條件下，經水楊酸處理的鄭麥1860 CAT活性在6 h提高122.17%，POD活性無顯著性差異，SOD活性在24 h顯著提高，MDA含量在6、24 h顯著降低；鄭麥369的CAT活性在24 h升高但差異不顯著，POD活性在6 h升高17.12%，SOD活性在6 h提高3.25%，MDA含量在6、24 h分別降低2.80%、23.66%。說明0 ℃脅迫下，SA可以不同程度誘導抗氧化酶活性的增強，同時抑制膜質過氧化物MDA的增加。此外通過分析2個品種間各生理指標的變化發現，外源水楊酸和溫度對2個品種CAT 、POD、SOD活性的影響不一致，但MDA含量變化規律總體一致，說明通過外源物質誘導和低溫鍛煉均能提高幼苗的逆境適應能力。

綜上所述，本研究明確了外源SA和低溫誘導對鄭麥1860和鄭麥369快速葉綠素熒光誘導曲線參數及抗氧化酶活性的變化，0 ℃條件下能夠顯著降低鄭麥1860和鄭麥369 的/、PI、RC/CSm、，SA處理可以降低這些參數的下降幅度，此外，SA處理能夠顯著增加鄭麥1860和鄭麥369的CAT、SOD活性，降低MDA含量，且品種間有差異。植物對低溫的響應是一個復雜的生理過程，每一個與低溫相關的指標都能影響到小麥的生長發育，但是這種作用又是微效的，因此針對生產中應用較廣泛的品種開展外源物質和逆境條件的抗逆性評價和作用機制研究，對現實生產具有重要意義，對提升小麥主產區抗逆境脅迫的豐產穩產能力具有促進作用。