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        2,4-表油菜素內(nèi)酯對(duì)紫花苜蓿高溫脅迫生理特性的影響

        2021-03-09 02:09:46黃一龍龐天德韋錦益
        湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2021年3期
        關(guān)鍵詞:脯氨酸外源內(nèi)酯

        黃一龍,龐天德,史 靜,韋錦益,姚 娜

        (廣西壯族自治區(qū)畜牧研究所,南寧 530001)

        廣西地處中國(guó)南方亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),水熱同期,年均溫大于等于10 ℃,具有良好的植物生長(zhǎng)條件優(yōu)勢(shì)。但每年從5 月開始進(jìn)入高溫高濕氣候,致使很多暖溫帶地區(qū)生長(zhǎng)的優(yōu)質(zhì)牧草如苜蓿、黑麥草、紫云英等不能越夏,在廣西地區(qū)只能作為冬季牧草使用,使用時(shí)間短,每年都需要重復(fù)種植,極大地提高了種植成本,降低了使用效率。

        大量的研究表明,植物的耐熱性與其自身代謝具有很大的關(guān)系[1]。高溫條件下,植株體內(nèi)會(huì)發(fā)生一系列生理變化,滲透調(diào)節(jié)能力降低,細(xì)胞活性氧的產(chǎn)生與清除平衡被打破,抗氧化酶防御系統(tǒng)以及光合系統(tǒng)均會(huì)發(fā)生一系列變化,對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育造成很大影響,甚至死亡[2-4]。近年來,應(yīng)對(duì)植物的高溫脅迫,除了篩選耐高溫品種以外,外源保護(hù)劑的應(yīng)用對(duì)熱應(yīng)激下的植物生長(zhǎng)也具有積極作用[1]。油菜素內(nèi)酯(Brassinolide,BR)是甾醇類植物生長(zhǎng)激素,活性高,具有較強(qiáng)的廣普性,現(xiàn)已被確認(rèn)為第6 類植物激素[5]。對(duì)植物逆境脅迫高溫、干旱、高鹽以及病害等具有抗性作用,能增強(qiáng)細(xì)胞的分裂和伸長(zhǎng),促進(jìn)作物生長(zhǎng),增強(qiáng)光合作用,提高生物產(chǎn)量,調(diào)節(jié)植物的生理代謝功能,提高抗逆性,保護(hù)植物免受逆境脅迫[6]。2,4-表油菜素內(nèi)酯(2,4-Epibrassinolide,EBR)作為人工合成的高活性油菜素內(nèi)酯類似物,被廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[6,7]。在茶樹[7]、水稻[8]、花卉牡丹[5]、除蟲菊[9]以及番茄[10]、茄子[11]、龍須菜[12]、西葫蘆[6]等蔬菜應(yīng)對(duì)高溫脅迫的研究中有較多應(yīng)用,但在紫花苜蓿的耐熱性研究上鮮見報(bào)道。為此,試驗(yàn)運(yùn)用外源激素2,4-表油菜素內(nèi)酯對(duì)高溫脅迫下的紫花苜蓿(Medicago sativaL.)進(jìn)行抗高溫脅迫機(jī)理研究,探索外源激素調(diào)控紫花苜蓿的抗逆生理機(jī)制,提高抗熱性,降低高溫?fù)p害,延長(zhǎng)南方冬季型牧草的使用壽命,提高利用效率,以期解決暖溫帶的優(yōu)質(zhì)牧草在南方畜牧業(yè)的應(yīng)用及生產(chǎn)上的局限性問題。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)材料與處理

        試驗(yàn)選擇紫花苜蓿WL525 為試驗(yàn)材料,購(gòu)于百綠(天津)草業(yè)有限公司。將紫花苜蓿栽種于花盆中,待長(zhǎng)至3 個(gè)月苗齡時(shí),選取長(zhǎng)勢(shì)基本一致的苜蓿幼苗放入人工氣候箱,置于人工智能氣候箱中模擬高溫環(huán)境脅迫。預(yù)培養(yǎng)15 d,光照度3 000 lx,晝/夜溫度25 ℃/15 ℃,濕度80%,光照12 h,黑暗12 h。試驗(yàn)設(shè) 0(對(duì)照)、0.05、0.10、0.50、1.00 mg/L 5 個(gè)梯度外源激素EBR濃度,其中對(duì)照噴施無菌水。1周后進(jìn)行葉面噴施外源激素處理。連續(xù)噴施3 d,第3 天噴施結(jié)束2 h 后,將溫度調(diào)節(jié)至?xí)?夜溫度42 ℃/30 ℃,光照、濕度及光照時(shí)間相同,分別于 0、3、6、12、24 h 后取樣(成熟葉片),放入液氮中速凍,再轉(zhuǎn)入-40 ℃冰箱保存?zhèn)溆茫瑱z測(cè)樣本的脯氨酸含量、可溶性蛋白質(zhì)含量、過氧化物酶(POD)及超氧化物歧化酶(SOD)活性。

        1.2 生理指標(biāo)測(cè)定

        脯氨酸用磺基水楊酸溶液提取后,采用茚三酮比色法[13]進(jìn)行測(cè)定;可溶性蛋白質(zhì)含量采用考馬斯亮藍(lán)比色法[13]測(cè)定;POD 活性采用愈創(chuàng)木酚法[13]測(cè)定;SOD 活性采用氮藍(lán)四唑NBT 法[13]測(cè)定。

        1.3 統(tǒng)計(jì)與分析

        試驗(yàn)數(shù)據(jù)以(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)表示,利用Excel軟件建立原始數(shù)據(jù)庫并制圖表,采用DPS 13.5 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)和多重比較分析。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 高溫脅迫下EBR 對(duì)紫花苜蓿游離脯氨酸含量的影響

        隨著高溫脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),不同處理的紫花苜蓿游離脯氨酸含量均呈上升趨勢(shì)。其中0.10 mg/L EBR 處理下游離脯氨酸含量上升最快,24 h 達(dá)到(59.85±10.65)μg/g,較對(duì)照提高了54.25%,其次為0.50 mg/L EBR 處理,24 h 游離脯氨酸含量為(57.55±7.50)μg/g,較對(duì)照提高了48.32%(圖1)。

        圖1 EBR 對(duì)高溫脅迫下紫花苜蓿游離脯氨酸的影響

        2.2 高溫脅迫下EBR 對(duì)紫花苜??扇苄缘鞍踪|(zhì)含量的影響

        高溫脅迫下,紫花苜蓿對(duì)照組可溶性蛋白質(zhì)含量呈先上升后下降的變化趨勢(shì)。但隨著EBR 的施用,可溶性蛋白質(zhì)含量在先上升再下降后又呈逐漸回升的趨勢(shì),0.10 mg/L EBR 處理分別在 3、6、12 和24 h時(shí)均處于最高值,其中在12 h時(shí)達(dá)到28.55 mg/g,較對(duì)照組提高59.68%,差異顯著(P<0.05)(圖2)。

        圖2 EBR 處理對(duì)高溫脅迫下紫花苜蓿可溶性蛋白質(zhì)含量的影響

        2.3 高溫脅迫下EBR 對(duì)紫花苜??寡趸x指標(biāo)的影響

        在高溫脅迫下,不同濃度EBR 處理紫花苜蓿使其對(duì)抗氧化酶活性指標(biāo)呈現(xiàn)不同程度的變化。從POD 活性的變化規(guī)律來看,在高溫脅迫下3 h 內(nèi)POD 指標(biāo)具有較高活性,呈上升趨勢(shì),隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)活性逐漸降低。但在相同時(shí)間內(nèi),EBR 處理能夠顯著提高POD 活性,其中,0.10 mg/L EBR 處理在高溫脅迫下POD 活性較對(duì)照提高了15.38%~63.99%(圖3)。從SOD 活性的變化規(guī)律來看,高溫脅迫下,紫花苜蓿SOD 活性呈先上升后下降的趨勢(shì)。在高溫脅迫處理0、3、6 h時(shí),0.10 mg/L EBR 處理具有明顯優(yōu)勢(shì),較對(duì)照組高出22.69%~38.66%;隨著高溫脅迫處理時(shí)間的延長(zhǎng),12 h 和24 h 時(shí),0.05 mg/L EBR 處理產(chǎn)生的SOD 活性最高,分別較對(duì)照高出15.64%和14.41%。

        圖3 EBR 處理對(duì)高溫脅迫下紫花苜蓿POD 活性的影響

        圖4 EBR 處理對(duì)高溫脅迫下紫花苜蓿SOD 活性的影響

        3 小結(jié)與討論

        夏季高溫是直接影響紫花苜蓿生長(zhǎng)發(fā)育的主要生態(tài)環(huán)境因素之一。在高溫的脅迫下,紫花苜蓿生長(zhǎng)發(fā)育受阻,體內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸與光合系統(tǒng)遭受破壞,多個(gè)抗氧化酶活性下降,生理代謝失衡,抗旱、抗病蟲害的能力也隨之下降[14,15]。高溫再伴隨著病蟲害的發(fā)生,紫花苜蓿就會(huì)生長(zhǎng)緩慢,枯萎甚至死亡。紫花苜蓿在受到高溫脅迫后,自身也會(huì)對(duì)脅迫產(chǎn)生一系列的應(yīng)對(duì)反應(yīng),主要體現(xiàn)在細(xì)胞膜系統(tǒng)、滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)、抗氧化系統(tǒng)和光合系統(tǒng) 4 個(gè)方面[4,15]。其中,脯氨酸作為植物的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),主要起到平衡原生質(zhì)與環(huán)境的滲透功能,保持植物膜結(jié)構(gòu)的完整性,在正常情況下含量較少,但會(huì)隨著外來脅迫逐漸積累,對(duì)植物的滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù),是抵御外界脅迫的重要信號(hào)之一。試驗(yàn)中,噴施EBR 溶液使紫花苜蓿體內(nèi)的游離脯氨酸含量較對(duì)照有明顯提升,且隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)呈上升趨勢(shì),噴施濃度為0.10 mg/L效果最佳,由此可見,噴施EBR 溶液可以在高溫逆境中促進(jìn)脯氨酸的積累,改善細(xì)胞膜透性,與王震等[6]在2,4-表油菜素內(nèi)酯應(yīng)對(duì)高溫脅迫下的西葫蘆幼苗生理及光合特性研究以及高健等[8]在2,4-表油菜素內(nèi)酯緩解水稻花期高溫脅迫的生理機(jī)制研究中結(jié)果一致。

        可溶性蛋白質(zhì)也是植物在逆境中應(yīng)對(duì)脅迫的重要標(biāo)志之一。它具有較強(qiáng)的親水力,隨著脅迫大量產(chǎn)生,保護(hù)細(xì)胞膜,明顯增加細(xì)胞親水力、原生質(zhì)彈性以及束縛水含量,調(diào)節(jié)平衡細(xì)胞與環(huán)境的滲透壓,從而緩解高溫等對(duì)植物的傷害[16,17]。本試驗(yàn)中,外源EBR 對(duì)紫花苜??扇苄缘鞍踪|(zhì)的累積具有顯著的作用效果,且隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)差異明顯,說明外源EBR 能夠通過迅速積累提高可溶性蛋白質(zhì)含量,增加紫花苜蓿的細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)作用,提高植物的抗高溫能力。這與吳雪霞等[11]在外源EBR 對(duì)高溫脅迫下茄子幼苗生長(zhǎng)中可溶性蛋白的研究以及任增斌等[5]在外源EBR 對(duì)于牡丹耐熱性中可溶性蛋白質(zhì)的研究結(jié)果一致。

        高溫脅迫下,植物細(xì)胞內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的自由基,脂膜發(fā)生過氧化現(xiàn)象,正常的生理代謝功能遭受損害[4]。此時(shí),植物會(huì)通過一定的酶學(xué)機(jī)制來抵御或修復(fù)逆境對(duì)細(xì)胞所造成的傷害,從而保護(hù)植物體的正常生長(zhǎng)。其中過氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)等就可以通過調(diào)節(jié)其活性,來清除高溫脅迫所帶來的過剩自由基和活性氧,保護(hù)自身細(xì)胞免受氧化傷害。而通過外源激素EBR的處理,能夠進(jìn)一步的提高POD 和SOD 的活性,緩解高溫脅迫所帶來的傷害,在李志鑫等[7]利用外源激素EBR 誘導(dǎo)茶樹耐熱性生理機(jī)制研究和華智銳等[18]在小麥幼苗抗旱性的誘導(dǎo)效應(yīng)研究結(jié)果中均可以看出。本試驗(yàn)中EBR 對(duì)高溫脅迫下紫花苜蓿的POD 和SOD 活性均較對(duì)照有明顯的提高,且保持較高的活性程度,說明EBR 對(duì)高溫脅迫下的紫花苜蓿酶反應(yīng)機(jī)制敏感,且效果比較理想,緩解了高溫脅迫對(duì)紫花苜蓿的傷害。

        綜合分析來看,外源2,4-表油菜素內(nèi)酯作為一種高活性的植物激素,對(duì)高溫脅迫下的紫花苜蓿具有一定的保護(hù)作用,能夠降低高溫對(duì)紫花苜蓿滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)和抗氧化系統(tǒng)的傷害,提高紫花苜蓿的耐熱性,其中以0.10 mg/L 效果最好,為紫花苜蓿的抗高溫栽培提供了基礎(chǔ)理論依據(jù)。

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