自然越冬期軟棗獼猴桃雌雄株的生理生化響應差異

金 君,辛樹權,韋欣霈,宋任鋒,萬 楚

(長春師范大學生命科學學院,吉林 長春 130032)

軟棗獼猴桃(Actinidiaarguta)是獼猴桃科獼猴桃屬的一種多年生、大型落葉藤本植物,又名軟棗子、奇異莓等[1]。它的枝條螺旋纏繞生長,葉互生,果實表面光滑無毛、呈圓形或卵圓形,廣泛分布于我國的南北山區[2-4]。軟棗獼猴桃味道鮮美,且富含維生素C、氨基酸、類胡蘿卜素、酚類物質及鉀、鈉、鎂、鐵等多種營養成分[5],被譽為第四代“水果之王”,在我國以及美國、新西蘭、澳大利亞等國家都有商業化種植[6]。研究表明,軟棗獼猴桃不僅具有抗氧化、抗炎、抗腫瘤、抗病毒、保護肝臟和防治心腦血管疾病等功效,還能提高人體的免疫力[7-15]。隨著軟棗獼猴桃產業的蓬勃發展,有關軟棗獼猴桃的研究也不斷深入。

近年來,圍繞軟棗獼猴桃雌株種質資源[16]、 采后貯藏[17]及生理生化[18]等方面的研究逐步深入,軟棗獼猴桃雖然能在 -38 ℃ 的低溫下安全越冬且抗寒性較強,但一旦開始萌芽則對低溫更加敏感。我國東北地區的冬春季節溫度較低,容易造成軟棗獼猴桃植株凍害的發生,情況嚴重時甚至會導致植株死亡,嚴重阻礙了軟棗獼猴桃產業的發展[19]。目前關于軟棗獼猴桃抗寒性的研究較少且都未考慮軟棗獼猴桃雌雄異株的特征,未將雌株與雄株的抗寒性進行比較研究。

本文對軟棗獼猴桃雌雄株在越冬過程中不同時期相關生理生化指標的差異進行比較,分析軟棗獼猴桃雌雄株之間的抗寒性差異,為認識和了解軟棗獼猴桃雌雄株間差異的內在機制奠定理論基礎,同時也為軟棗獼猴桃的生理生態學研究和農林業生產實踐提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

供試材料為7年生軟棗獼猴桃龍城2號雌株及其授粉雄株的1年生木質化枝條,雌雄株各 3 株,品種優良、長勢良好,種植于吉林省長春市農業學校軟棗獼猴桃種植基地。

1.2 實驗方法

1.2.1 取材方法

從 2021年10月至2022年2月,每月取樣1次,取樣間隔30 d左右。雌株與雄株隨機選取 3 株長度25～30 cm、直徑 0.8～1.0 cm的植株,在每株的中部外圍剪取3根10 cm長且粗細均勻的1年生枝條。用超純水將取樣后的枝條沖洗干凈,用濾紙擦干保存。所取的枝條分為兩部分:一部分保存于4 ℃低溫冰箱進行細胞質膜透性、滲透調節物質等生理生化指標的測定;另一部分經液氮處理后保存于-80 ℃的超低溫冰箱以備進行抗氧化酶活性的測定。

1.2.2 檢測方法

相對電導率(REC)采用電導率儀法測定;丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸比色法測定;可溶性糖(SS)含量采用蒽酮顯色法測定;可溶性蛋白(SP)采用考馬斯亮藍 G-250 染色法測定;游離脯氨酸(Pro)含量采用茚三酮顯色法測定;超氧化物歧化酶(SOD)采用氮藍四唑法測定;過氧化物酶(POD)活性采用愈創木酚法測定;過氧化氫酶(CAT)采用紫外分光光度法測定[20]。

1.3 數據處理

采用Excel 2019 軟件對實驗的原始數據進行計算,利用GraphPad Prism 8作圖,運用Origin 2018進行顯著性差異分析。

2 結果與分析

2.1 軟棗獼猴桃雌雄株枝條的細胞膜透性

2.1.1 軟棗獼猴桃雌雄株枝條的相對電導率

由圖1可見,軟棗獼猴桃雌雄株枝條的相對電導率均呈現先升后降的趨勢,在溫度最低的1月份達到最大值,此時雌株與雄株的相對電導率分別為59.18%、47.99%。之后,隨著外界溫度的升高,軟棗獼猴桃雌雄株枝條的相對電導率逐漸降低(不同小寫字母代表雌雄株間有顯著差異,P<0.05)。在整個自然越冬期間,軟棗獼猴桃雌株的相對電導率均顯著高于雄株(P<0.05)。

圖1 軟棗獼猴桃雌株和雄株的相對電導率

2.1.2 軟棗獼猴桃雌雄株枝條的丙二醛含量

由圖2可見,軟棗獼猴桃雌雄株枝條的MDA含量在自然越冬期間均呈現先升高后降低的趨勢,且均在1月份達到最大值,此時雌株與雄株的 MDA 含量分別為5.92 mmol·g-1、5.22 mmol·g-1。雌株與雄株的MDA 含量只在10月差異不顯著,其余時期軟棗獼猴桃雌株的 MDA 含量均顯著高于雄株(P<0.05)。

圖2 軟棗獼猴桃雌株和雄株的枝條丙二醛含量

2.2 軟棗獼猴桃雌雄株枝條的滲透調節物質

2.2.1 軟棗獼猴桃雌雄株枝條的可溶性糖含量

由圖3可見,軟棗獼猴桃雌雄株枝條的可溶性糖含量在自然越冬期間均呈先升后降的趨勢。雌株與雄株的可溶性糖含量在10月和12月差異顯著(P<0.05),其余時期差異不顯著。軟棗獼猴桃雄株枝條的可溶性糖含量均高于雌株。

圖3 軟棗獼猴桃雌株和雄株的可溶性糖含量

2.2.2 軟棗獼猴桃雌雄株枝條的可溶性蛋白含量

由圖4可見,軟棗獼猴桃雌雄株枝條的可溶性蛋白含量均在自然越冬期間呈先升后降的趨勢,且均在1月份達到峰值,此時雌株與雄株的可溶性蛋白含量分別為104.84 mg·g-1、112.01 mg·g-1。在整個自然越冬過程中,雄株的可溶性蛋白含量均顯著高于雌株(P<0.05)。

圖4 軟棗獼猴桃雌株和雄株的可溶性蛋白含量

2.2.3 軟棗獼猴桃雌雄株枝條的游離脯氨酸含量

自然越冬期間,軟棗獼猴桃雌雄株枝條的游離脯氨酸含量變化趨勢如圖5所示,軟棗獼猴桃雌雄株枝條的游離脯氨酸含量在越冬初期的10月份相對較低。12月至次年1月,隨著氣溫的不斷降低,軟棗獼猴桃雌雄株枝條的游離脯氨酸含量逐漸升高。軟棗獼猴桃雌雄株的游離脯氨酸含量均在1月份達到最大值,此時雌株與雄株的游離脯氨酸含量分別為43.96 μg·g-1、48.32 μg·g-1。后期隨著氣溫的升高,雌雄株枝條的游離脯氨酸含量逐漸降低。雌株與雄株的游離脯氨酸含量只在2月份差異不顯著,其余時期軟棗獼猴桃雄株的游離脯氨酸含量均顯著高于雌株(P<0.05)。

圖5 軟棗獼猴桃雌株和雄株的游離脯氨酸含量

2.3 軟棗獼猴桃雌雄株枝條的抗氧化酶活性

2.3.1 軟棗獼猴桃雌雄株枝條的超氧化物歧化酶活性

由圖6可見,隨著外界溫度的變化,軟棗獼猴桃雌雄株枝條的SOD活性均呈現先升后降的變化趨勢并在1月份達到最高值,此時雌株與雄株的SOD活性分別為276.20 U·g-1·min-1、285.66 U·g-1·min-1?？傮w來看,越冬期間軟棗獼猴桃雄株的SOD活性均顯著高于雌株的SOD活性(P<0.05)。

圖6 軟棗獼猴桃雌株和雄株的SOD活性

2.3.2 軟棗獼猴桃雌雄株枝條的過氧化物酶活性

由圖7可見,自然越冬期間,隨自然溫度的變化,軟棗獼猴桃雌雄株枝條的POD活性均呈現先升后降的趨勢,并在1月份達到最大值,此時雌株與雄株的POD活性分別為36.48 U·g-1·min-1、41.88 U·g-1·min-1。總體來看,越冬期間軟棗獼猴桃雄株的POD活性均顯著高于雌株(P<0.05)。

圖7 軟棗獼猴桃雌株和雄株的POD活性

2.3.3 軟棗獼猴桃雌雄株枝條的過氧化氫酶活性

由圖8可知,自然越冬期間,軟棗獼猴桃雌雄株枝條的CAT活性均呈先降后升的趨勢,且1月份的CAT活性均達到越冬以來的最低水平,雌株與雄株CAT活性分別為38.25 U·g-1·min-1、34.28 U·g-1·min-1?？傮w來看,自然越冬期間軟棗獼猴桃雌株的CAT活性均顯著高于雄株(P<0.05)。

圖8 軟棗獼猴桃雌株和雄株的CAT活性

3 結論與討論

植物在逆境條件下生物膜系統受到損傷后會導致電解質大量外滲,進而導致細胞代謝功能紊亂,嚴重時會導致植物細胞膜解體或死亡[21]。低溫脅迫條件下,通過測定電導率可以判斷植物細胞膜受損傷程度和抗寒性強弱。本試驗結果表明,在整個自然越冬過程中,軟棗獼猴桃雌株的相對電導率均顯著高于雄株,說明雌株的抗寒性相對較弱,而雄株的抗寒性相對較強。柴弋霞等[22]研究了鐵冬青雌雄株抗寒性差異,結果表明,隨著溫度的降低,鐵冬青雌雄株的相對電導率上升,且相對電導率存在顯著的性別差異,雌株的相對電導率顯著高于雄株,這與本實驗得到的結論一致。

本研究發現自然越冬期間,軟棗獼猴桃雌株枝條的MDA含量較高,說明雌株的細胞膜脂化程度更高,受低溫損傷程度較重,抗寒力也較弱。柴弋霞等[22]發現隨著溫度的降低,鐵冬青雌雄株的MDA含量上升,且MDA存在顯著的性別差異。郭海燕等[23]的研究結果表明,隨著溫度的降低,葎草雌株的MDA含量顯著大于雄株。上述研究得到的結果都與本實驗得到的結果一致。

可溶性糖是植物體中一種重要的滲透調節物質。低溫條件下,植物可以通過增加可溶性糖的含量來減輕低溫環境對其細胞膜造成的損傷。本研究結果表明,軟棗獼猴桃雄株的可溶性糖含量均高于雌株。胡曼筠[24]的研究表明,華中冬青雌雄株的可溶性糖含量呈先升后降的變化趨勢,與外界溫度變化相關。楊盛等[25]的研究表明,溫度的降低會導致梨樹中可溶性糖含量的增加,而當溫度升高時可溶性糖含量逐漸下降。郭海燕等[23]的研究表明,葎草雄株的可溶性糖含量顯著高于雌株。上述實驗結果都與本實驗得出的結論一致。

低溫條件下,可溶性蛋白含量的增加可以調控植物的抗寒性[20]。柴弋霞等[22]發現,隨著溫度的降低,鐵冬青雌雄株的可溶性蛋白含量表現為先上升后下降的趨勢,雌株的可溶性蛋白含量顯著低于雄株。郭海燕等[23]的研究表明,葎草雄株的可溶性蛋白含量顯著高于雌株。吳娜等[26]的研究表明植物體內可溶性蛋白的增加在提高植物的抗寒性方面具有重要作用。本研究結果表明,軟棗獼猴桃雄株的可溶性蛋白含量均高于雌株。這與上述實驗得到的結果一致,說明雄株的抗寒性在一定程度上強于雌株。

本研究結果表明,軟棗獼猴桃雌雄株枝條的游離脯氨酸含量均隨著外界氣溫的降低而逐漸升高,這與胡曼筠[24]研究華中冬青以及王旺田等[27]研究葡萄幼苗的抗寒性得到的結果一致。2～3 月份,氣溫逐漸升高,軟棗獼猴桃雌雄株枝條的游離脯氨酸含量卻逐漸降低,這可能是脯氨酸可以作為植物從寒冷環境恢復過來時,碳、氮以及還原力的一種快速補充來源[20]。柴弋霞等[22]發現隨著溫度的降低,鐵冬青雌雄株的脯氨酸含量表現為先升后降的趨勢,雌株的脯氨酸含量顯著低于雄株。本實驗中軟棗獼猴桃雄株的游離脯氨酸含量高于雌株,說明雄株通過積累更多的脯氨酸來減輕低溫傷害。

SOD、POD、CAT是抗氧化酶系統中重要的保護酶,它們的活性與植物抗寒性密切相關。彭昌操等[28]的研究發現,在低溫條件下,柑桔葉片中的SOD和CAT酶活性會隨著脅迫溫度的降低而逐漸升高,且酶活性越高植物的抗寒性越強。高福元等[29]的研究表明,在整個越冬期間,各彩葉草品種的SOD和POD活性都呈先升后降的趨勢,且抗氧化酶活性與植物抗寒性呈顯著正相關關系。本研究發現,自然越冬期間,軟棗獼猴桃雄株的SOD和POD酶活性較高,CAT酶活較低,這表明雄株的抗寒性較雌株更強。

軟棗獼猴桃雌雄株枝條的生理生化指標變化表明,自然越冬期間雌株對低溫更加敏感,雄株比雌株具備更好的抗寒能力。有研究發現,在不同的野外環境下,雌雄異株植物會表現出不同的性別比例,如在水分、養分充足或自然狀態下,其性別比例偏向雌性,而在干旱、貧瘠或受到人為因素干擾的環境下,則性別比例偏向雄性[30-31]。在不同的脅迫下,雌雄株也具有不同的敏感性和耐受性。在低溫脅迫下,軟棗獼猴桃的雌株表現為對低溫更加敏感,雄株則更耐受低溫,這很大程度上可能是由于雌株在繁殖方面比雄株消耗了更多的資源,雌株具有更大的生殖投入,而雄株具有更多的能量用于抵抗外界低溫。