趙寧,史毅,馬暉玲
(1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院,草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室,甘肅省草業(yè)工程實驗室,中?美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心,甘肅 蘭州 730070;2. 甘肅農(nóng)業(yè)大學林學院,甘肅 蘭州 730070)
溫度是影響草坪草生長發(fā)育及生態(tài)分布的重要環(huán)境因子[1]。在我國,草坪草應(yīng)用存在北過渡帶,該地區(qū)具有夏季高溫高濕,雨熱同期的氣候特征[2],處于此地區(qū)的冷季型草坪草受高溫影響導(dǎo)致越夏困難,時常出現(xiàn)夏枯或短期休眠現(xiàn)象,在表觀形態(tài)方面表現(xiàn)為草坪質(zhì)量及密度下降[3],細胞層面表現(xiàn)為植物細胞產(chǎn)生過量的活性氧,導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化,膜損傷,酶紊亂甚至細胞死亡[4],這極大地制約了冷季型草坪草的地域發(fā)展。因此,提高冷季型草坪草越夏能力是亟待解決的問題。
匍匐翦股穎(Agrostis stolonifera)為禾本科翦股穎屬冷季型草坪草,喜冷涼濕潤氣候,最適生長溫度為15~24 ℃[5],對高溫的反應(yīng)較為敏感,具有耐寒、耐瘠薄、耐踐踏等特點[6],由于其匍匐莖橫向蔓延能力強,耐頻繁低修剪[7],葉片質(zhì)地細密,綠期長,適應(yīng)性強等優(yōu)良特性[8],被廣泛應(yīng)用于高爾夫球場果嶺,網(wǎng)球場等高質(zhì)量養(yǎng)護水平場地和園林綠化工程。
通過噴施外源物質(zhì)來調(diào)控草坪草的耐熱性,具有快速、高效的特點,對短期內(nèi)快速增強草坪草的越夏能力具有重要作用[9]。2,3?丁二醇(2,3?butanediol,BD)作為一種揮發(fā)性化合物,常溫下為無色無味的液體,具有安全無毒等特性,此外,它是一種新型誘抗劑,具有促進植物生長,提高植物非生物脅迫抗性的作用[10]。在重金屬鎘、鹽堿、干旱等脅迫下,外源噴施BD 可有效減緩草坪草葉片相對含水量、葉綠素含量的損失速度,并在一定程度上提高植株氧化還原酶活性和滲透調(diào)節(jié)能力,緩解脅迫造成的氧化損傷,維持細胞膜的相對穩(wěn)定性,從而提高草坪草的抗逆能力,使其能夠更好地適應(yīng)脅迫環(huán)境[7,10-11]。在溫度方面,王振[4]研究發(fā)現(xiàn)在自然低溫脅迫下,由于BD 的存在,同源異地的秋茄(Kandelia obovata)幼苗呈現(xiàn)出不同的適應(yīng)性,含BD 等揮發(fā)性物質(zhì)的植株對低溫的適應(yīng)性更強,氧化還原酶活性更高,說明BD 能提高秋茄幼苗對低溫脅迫的耐受性。在高溫脅迫方面,史毅[11]研究報道了BD 對草坪草熱脅迫的耐受性有顯著增強作用。
本研究以匍匐翦股穎Penn A4(Agrostis stolon?ifera‘Penn A4’)為材料,在室內(nèi)盆栽條件下,于苗期噴施特定濃度的BD 溶液,測定高溫脅迫下Penn A4植株生理生化指標的變化,初步探討B(tài)D 對匍匐翦股穎耐熱性的影響,為生產(chǎn)上應(yīng)用外源BD 提高冷季型草坪草適應(yīng)過渡帶地區(qū)氣候特征提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。
供試材料選用匍匐翦股穎Penn A4,千粒重為0.065~0.076 g,由北京克勞沃草業(yè)技術(shù)開發(fā)公司提供,產(chǎn)地為美國。供試試劑為2,3?丁二醇(主要成分為2,3?丁二醇,醇類試劑),購于山東西亞化工科技有限公司。
1.2.1 種苗培育 先準確稱取20 g 匍匐翦股穎PennA4 種子,蒸餾水浸泡24 h 后,用70%乙醇溶液處理1 min,再用20%的次氯酸鈉溶液處理20 min,無菌水沖洗殘液,處理完的種子自然晾干,備用。細沙和營養(yǎng)土以2∶1 比例的沙土混合物為基質(zhì),經(jīng)150 ℃烘箱處理8 h,自然冷卻,備用。
將滅菌后的種子按每盆1.7 kg/m3均勻播于小花盆中(長10 cm×寬10 cm×高12 cm),置于溫度為23 ℃晝/20 ℃夜,光周期為16 h 光照/8 h 黑暗,光照強度2000 lx、相對濕度為50%的培養(yǎng)室中培養(yǎng),每天噴施蒸餾水,出苗14 d 起,每周留茬高度2 cm,修剪后噴施1/2 Hoagland 營養(yǎng)液,40 d 后進行如下處理。
1.2.2 BD 及高溫處理 試驗共設(shè)定常溫對照(H2O)、常溫丁二醇(BD)、高溫對照(H2O?H)、高溫丁二醇(BD?H)4 個處理。植株生長40 d 后隨機選取1/2盆栽,作為BD 處理組,葉面噴施BD 溶液(濃度為300 μmol/L),每盆約15 mL,每天1 次,連續(xù)處理3 d;1/2盆栽為對照組,噴施蒸餾水,每盆約15 mL,每天1 次,連續(xù)處理3 d。隨后將上述BD 處理組和對照組分別隨機平均分成兩組,一組仍置于23 ℃晝/20 ℃夜,光周期為16 h 光照/8 h 黑暗的組培室中培養(yǎng),為常溫對照和常溫丁二醇處理;另一組移至以37 ℃晝/32 ℃夜為高溫脅迫的植物培養(yǎng)箱中培養(yǎng)28 d,為高溫對照和高溫丁二醇處理。脅迫期間丁二醇處理組種苗每隔14 d噴施BD 溶液(300 μmol/L),蒸餾水處理組種苗噴施蒸餾水。分別于熱脅迫第0、7、14、21、28 天進行采樣,采取供試種苗葉片進行相關(guān)生理指標的測定,每處理每指標3 個生物學重復(fù)。
1.3.1 植株表觀形態(tài)觀察 試驗期間每天對各處理下的植株生長狀況進行觀察,并于每周采樣完成后隨機挑選1 盆各處理下的Penn A4 盆栽,以黑布為背景,整齊擺放為一排用手機拍照記錄。
1.3.2 光合色素含量測定 取0.1 g 新鮮植物葉片,用95%的乙醇溶液遮光浸泡24 h,然后分別在470、649 和665 nm 波長下測定吸光度值。根據(jù)公式計算總?cè)~綠素(Chlorophyll,Chl)、類胡蘿卜素(Carotenoids,Car)含 量 和 葉 綠 素a/b(Chlorophyll a/b,Chla/b)值[12]。
1.3.3 細胞膜透性測定 用浸泡法[12]測定相對電導(dǎo)率(Relative conductivity,REC);用硫代巴比妥酸法[12]測定丙二醛(Malondialdehyde,MDA)含量;用碘化鉀分光光度法[13]測定過氧化氫(H2O2)含量。
1.3.4 抗氧化酶活性測定 采用氮藍四唑法[12]測定超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD);采用愈創(chuàng)木酚法[12]測定過氧化物酶(Peroxidase,POD);采用紫外分光光度計法[14]測定抗壞血酸過氧化物酶(Ascor?bate peroxidase,APX);采用紫外分光光度計法[12]測定谷朧甘肽還原酶(Glutathione reductase,GR)。
1.3.5 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量測定 采用酸性茚三酮比色法[12]測定游離脯氨酸(Free proline,Pro)含量;采用考馬斯亮藍染色法[12]測定可溶性蛋白(Soluble pro?tein,SP)含量。
采用SPSS 22.0 軟件對所測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,用平均值和標準誤表示測定結(jié)果,分別對同一時間點不同處理進行單因素ANOVA 方差分析,并用Dun?can 法對各測定數(shù)據(jù)進行多重比較。采用Excel 2010作圖。
對Penn A4 植株形態(tài)觀察發(fā)現(xiàn)(圖1),不同處理組植株葉片鮮綠程度隨生長時間逐漸降低。常溫組植株較高溫組保持更旺盛的生長狀態(tài),處理組間無明顯差異。高溫組植株則生長遲緩,葉片發(fā)黃枯萎,且隨脅迫程度的加深,枯萎癥狀更明顯,與對照組相比,經(jīng)BD 處理后Penn A4 葉片長勢明顯較旺盛,覆蓋率更高,葉色鮮綠,有光澤。
與植株形態(tài)表現(xiàn)相對應(yīng),各處理下的Penn A4 葉片總?cè)~綠素呈持續(xù)下降趨勢(圖2?A)。常溫下處理組間Chl 無顯著性差異(P>0.05)。熱脅迫環(huán)境下Chl下降幅度更大,與圖1 葉片鮮綠程度相一致,外源噴施BD 后Chl 下降幅度顯著小于對照(P<0.05),并與常溫組無顯著差異,14~21 d,Chl 含量分別高出對照14.36%、20.90%。
圖1 高溫脅迫下Penn A4 表觀形態(tài)Fig.1 The effect of BD on the morphology of Penn A4 under high temperature stress
Car 含量始終低于Chl 含量并隨脅迫時間延長呈短暫升高后降低趨勢,脅迫7 d 時Car 含量最高。常溫下處理組間Car 無明顯差異。高溫處理14~21 d,BD組Car 顯著高于對照且與常溫組無差異,并分別高于對照13.89%、20.83%(圖2?B)。
各處理下Chla/b 值均在21 d 時最低。正常溫度下Penn A4 葉片Chla/b 變化幅度較小,處理組間差異不顯著(P>0.05)。熱脅迫下Chla/b 始終低于常溫水平,經(jīng)BD 處理后Chla/b 高于對照(≥14d),21~28 d內(nèi)分別高于對照9.20%、4.50%(圖2?C)。
圖2 高溫脅迫下Penn A4 葉片光合色素含量Fig.2 The effect of BD on the photosynthetic pigment content of Penn A4 leaves under high temperature stress
Penn A4 葉片REC 呈持續(xù)上升趨勢,28d 時REC最高。常溫下REC 上升幅度較小,兩處理組變化趨勢相一致。高溫下對照組REC 自脅迫初期開始始終高于 常溫組,BD 處理后REC 有效降低,7~14 d 內(nèi)維持在常溫水平,21 d 起較常溫組達到顯著水平(P<0.05),7~28 d 內(nèi),REC 分別較對照降低了14.85%、8.95%、9.90%、14.53%(圖3?A)。
圖3 高溫脅迫下PennA4 的REC、MDA 及H2O2含量Fig.3 The effect of BD on the content of REC,MDA and H2O2of Penn A4 under high temperature stress
植株MDA 含量隨處理時間的延長持續(xù)上升(圖3?B)。常溫下處理組間MDA 含量未達到顯著水平(P>0.05)。脅迫環(huán)境下,高溫促進了MDA 的積累,BD處理有效抑制了MDA 的增加,且脅迫時間越長抑制效果越顯著,7~28 d,MDA 分別較對照降低了22.78%、9.72%、20.56%、26.43%。
PennA4 H2O2含量21 d 時達到峰值。常溫下處理組間H2O2差異不顯著(P>0.05)(圖3?C)。熱脅迫下H2O2含量顯著積累(P<0.05),外源噴施BD 有效抑制了H2O2含量的升高,7、14、21、28 d 分別較對照降低了6.67%、7.14%、10.96%、10.00%。
常溫下SOD 活性先升高后降低,處理組間差異不顯著(P>0.05)。高溫下SOD 活性先升高后降低再升高,BD 處理顯著提高了脅迫14 d 的SOD 活性,7~14 d 分別較對照升高了21.11%、8.39%,14 d 后BD促進效果減弱(圖4?A)。
不同溫度下APX 活性呈不同變化趨勢(圖4?B)。常溫下APX 活性逐漸降低,處理組間變化不顯著。高溫環(huán)境下APX 活性顯著升高,BD 處理進一步增強了脅迫14 d 內(nèi)的APX 活性,7~14 d 分別較對照升高了3.94%、13.81%。
圖4 高溫脅迫下BD 對Penn A4 SOD、APX 活性的影響Fig .4 The effect of BD on the activities of SOD and APX of Penn A4 under high temperature stress
常溫生長的植株P(guān)OD 活性先上升后降低,處理組間差異不顯著(P>0.05)(圖5?A)。高溫下POD活性隨處理時間先升高后降低再升高,脅迫處理28 d 前對照組活性與高溫組差異不顯著(P>0.05),經(jīng)BD 處 理14 d 內(nèi)POD 活 性 有 效 升 高,14 d時POD 活性是對照的1.24 倍。
GR 的活性在時間梯度上呈上升趨勢(圖5?B)。常溫下處理組間GR 活性差異不顯著(P>0.05)。高溫脅迫提高了GR 活性,BD 處理進一步增強其活性(≥14 d),第14 d 時,較對照顯著升高19.86%(P<0.05)。
圖5 高溫脅迫下Penn A4 的POD、GR 活性Fig .5 The effect of BD on the activities of POD and GR of Penn A4 under high temperature stress
常溫下Pro 含量基本維持在穩(wěn)定水平,兩處理組變化幅度基本一致。高溫下Pro 先升高后降低,7~14 d 內(nèi),高溫抑制了Pro 積累,BD 處理后Pro 含量回升并與常溫組無異,較對照分別上升22.69%、30.84%,21 d 時達到峰值(圖6?A)。
4 種處理下,植株SP 含量變化不盡相同(圖6?B)。常溫下SP 含量呈波浪狀變化,處理間變化不顯著(P>0.05)。高溫下SP 隨處理時間逐步積累,BD 處理進一步提高了7~14 d 的SP 含量,較對照分別上升了39.45%、33.77%,14d 之后BD 組SP 含量升高幅度低于對照。
圖6 高溫脅迫下Penn A4 的Pro、SP 含量Fig.6 The effect of BD on the content of Pro and SP of Penn A4 under high temperature stress
葉綠素含量可反映植物的光合能力及抗高溫能力,并與葉片表觀形態(tài)變化密切相關(guān),受高溫影響[15],在一定程度上高溫會導(dǎo)致葉綠素生成量的減少,使其分解量大于生成量[16],葉綠素a/b 反映了植物光能的利用效率,比率越高,利用效率越高[3]。類胡蘿卜素作為葉綠素的后備補充,不僅能耗散葉綠素吸收的過多光能,起到光損傷防護功能,還可以清除活性氧[17-18]。本研究中,Penn A4 葉片隨熱脅迫時間延長逐漸萎蔫黃化,Chl、Car 及Chla/b 較常溫水平持續(xù)降低,BD 處理后,其下降幅度顯著降低,葉色持綠性更久。高溫下葉綠素含量降低一方面是高溫影響葉綠素生物合成的中間產(chǎn)物氨基酮戊酸和原卟啉Ⅸ的合成,另一方面高溫誘導(dǎo)產(chǎn)生的活性氧易發(fā)生氧化破壞,使內(nèi)囊體膜上的葉綠素降解酶活性增強[19]。外源亞精胺抑制高溫下黃瓜(Cucumis sativus)幼苗高能態(tài)氧化物質(zhì)的形成,降低了活性氧對葉綠素氧化破壞的風險,保護類囊體結(jié)構(gòu)不受損傷,并抑制了葉綠素降解酶活性升高[20]。由此我們推測BD 保持了類囊體膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,保護了Chl 生物合成場所,并抑制了葉綠素降解酶活性升高,從而維持了脅迫環(huán)境下較高的Chl 含量,還促進了Chlb 向Chla 的轉(zhuǎn)化,最終獲得了較高的光能利用率,保證了光系統(tǒng)Ⅱ活動的正常進行,而Car 升高是為了清除熱誘導(dǎo)產(chǎn)生的活性氧來進一步維持生物膜的穩(wěn)定性,同樣,葉面施用磷酸二氫鉀和蔗糖通過提高夏季紅葉桃(Rhus chinensis)光系統(tǒng)Ⅱ活性和光能轉(zhuǎn)換效率提高了光合能力,但與本研究不同的是,外源物質(zhì)的施用反而降低了其葉片Chl、Car 含量[21],這可能跟誘導(dǎo)劑類型有關(guān)。
質(zhì)膜是活細胞與環(huán)境之間的界面與屏障,高溫可直接有效地改變膜的滲透性和流動性:一方面高溫改變了膜脂組成,使蛋白質(zhì)變性,細胞器內(nèi)膜系統(tǒng)的完整性被破壞,膜上離子載體的種類和功能發(fā)生改變,最終導(dǎo)致膜的選擇性吸收功能喪失、電解質(zhì)滲漏、相對電導(dǎo)率增加[22];另一方面高溫可誘導(dǎo)單線態(tài)氧、自由基、過氧化氫等活性氧累積,促使膜脂中不飽和脂肪酸脂膜過氧化為丙二醛,它能交聯(lián)各類物質(zhì)發(fā)生鏈式聚合反應(yīng),使酶蛋白失活對植物體造成傷害[23]。本研究中H2O2隨高溫呈先上升后下降的變化趨勢,MDA 及REL 值則持續(xù)升高,外源噴施BD 則有效抑制其含量的升高,研究表明,高溫下外源硝普鈉、γ-氨基丁酸的施用使茄子(Solanum melongena)及高羊茅(Festuca elata)上述指標表現(xiàn)出與施用BD 類似的變化,主要源于外源物質(zhì)提升了植物自身滲透調(diào)節(jié)能力、酶促及非酶促物質(zhì)的清除功能,從而有效維持了膜系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性,緩解了氧化損傷,提高了植株耐熱性[24-25]。因此,筆者認為,BD 對膜系統(tǒng)的保護作用也跟滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)以及酶促物質(zhì)活性有關(guān)。
植物在高溫下受到氧化脅迫時會啟動活性氧清除系統(tǒng)來維持細胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定性,抗氧化酶(SOD、POD、APX、GR 等)是其抵御活性氧損傷的第一道防線。SOD 是H2O2的生成酶,可以催化O2?-分 解 為H2O2和O2,POD 能催化H2O2與酚類的反應(yīng),從而減少活性氧的積累[26],APX、GR 也起到類似的作用[27]。本研究中,熱脅迫下Penn A4 各個酶活性均不同程度累積,并呈先上升后降低趨勢,施加BD 后酶活性進一步增強(≥14 d),其中SOD 活性的谷值對應(yīng)H2O2含量的峰值,APX 活性始終顯著高于常溫組(P<0.05),POD、GR 活性變化幅度則較APX 小,可見SOD 酶逐漸 消 耗 用 于 生 成H2O2,APX、POD 和GR 用 于 清 除H2O2,其中APX 發(fā)揮著主導(dǎo)作用??寡趸富钚圆粌H與物種相關(guān),還與脅迫處理時間有關(guān)[28],有研究報道,高溫對匍匐剪股穎的抑制,前期主要是影響氣孔開度,而后期則主要是影響氧化還原酶活性[29],樊婕等[30]發(fā)現(xiàn),逆境脅迫條件下抗氧化酶活性的增加具有一定的時間效應(yīng)。由此我們認為脅迫前期(≥14 d)酶促防御系統(tǒng)并未被激活,外源BD 的干預(yù)提前活化了活性氧清除酶,從而有效緩解了前期植株的氧化損傷,而對照植株由于沒有外界因素的調(diào)節(jié)活性氧隨脅迫時長大量累積,少量的活性氧可作為信號分子調(diào)控細胞生長發(fā)育以及適應(yīng)環(huán)境變化,過量的ROS 則會引起氧化應(yīng)激[31],因此,脅迫后期其所承受的氧化損傷遠遠大于BD 組植株,而植物自身為了保持良好的生存狀態(tài),激活了酶促防御系統(tǒng),從而導(dǎo)致脅迫后期對照組酶活性高于BD 組。但曹語等[32]發(fā)現(xiàn),短期高溫可誘導(dǎo)抗氧化酶活性的提高,長期高溫下細胞膜受損,酶變性失活,最終導(dǎo)致酶活性降低,噴施γ-氨基丁酸可使處理中后期茶樹(Camellia sinensis)葉片抗氧化酶活性提高,這與本研究結(jié)果相悖,可能跟試驗條件、物種、誘導(dǎo)劑種類等因素有關(guān)。
可溶性蛋白質(zhì)具有增強植物耐脫水能力、保護細胞結(jié)構(gòu)、清除活性氧并且延緩衰老的功能[33],脯氨酸積累能防止植物水分散失,提高原生質(zhì)膠體的穩(wěn)定性,減輕高溫下蒸騰加劇導(dǎo)致的傷害;并能增強蛋白質(zhì)穩(wěn)定性,保護膜結(jié)構(gòu);同時能為脅迫加重環(huán)境下植物的生長提供營養(yǎng)物質(zhì)[34-35],其積累速度和數(shù)量同牧草的葉片水勢、萎蔫程度以及氣孔開度等有關(guān)[36]。短期高溫下,芝麻(Sesamum indicum)通過提高自身蒸騰失水啟動降溫機制,誘導(dǎo)了氣孔開放;長期脅迫下,為了減少自身水分大量蒸發(fā),保持細胞內(nèi)部膨壓,誘導(dǎo)了氣孔關(guān)閉[37],褪黑素的施用提高了菊花(Chrysan?themum morifolium)氣孔導(dǎo)度并促進了滲透物質(zhì)的合成,降低了有毒物質(zhì)的累積[38]。本研究中,熱脅迫前期對照組Pro、SP 較常溫組無明顯差異,經(jīng)BD 處理后Pro、SP 明顯升高(≤14 d),脅迫后期Pro、SP 均顯著累積,對照組含量高于BD 組,可見短期高溫抑制了Pro 合成,BD 打破了這種抑制,促進了脅迫前期Pro、SP 的累積,以提高因氣孔開放降低的葉片水勢,維持細胞膨壓和膜穩(wěn)定性;脯氨酸具有高度的吸濕性,可抵制氧化和水解產(chǎn)生的有毒物質(zhì)[34],脅迫后期膜透性增強,MDA 等有毒物質(zhì)大量累積,對照植株受熱應(yīng)激影響Pro、SP 累積以清除MDA 及活性氧,減輕植物熱損傷并為其應(yīng)對長期脅迫提供能量,BD 組植株所遭受的損傷較小,所以Pro、SP 低于對照,這也反映出BD 誘導(dǎo)具有時間效應(yīng),而水楊酸對高溫下皖貝母(Fritillaria anhuiensis)滲透物質(zhì)累積的促進作用同樣具有時效性[39]。
高溫脅迫下,葉面噴施300 μmol/L 的BD 可減緩光合色素降解速度,抑制葉片電解質(zhì)外滲,降低MDA、H2O2含量,提高脅迫前期(≤14 d)抗氧化酶(SOD、POD、APX、GR)活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)(Pro、SP)含量,維持膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和活性氧的代謝平衡,增強Penn A4 幼苗耐熱性。從而緩解了高溫造成的氧化損傷,提高了匍匐剪股穎耐熱性。