外源NO对低温胁迫下番茄幼苗生理特性及叶绿素荧光参数的影响

于秀针,刘慧英,张彩虹

(石河子大学农学院园艺系,石河子832003)

新疆是加工番茄的主产区。目前为解决原料采收期过于集中的问题,加工番茄生产上已广泛采用育苗移栽技术。番茄是一种喜温蔬菜,对温度反应敏感,在加工番茄早春育苗、定植期间的低温往往造成其生长发育受阻,严重影响成株期的生长发育,早期产量和果实的商品性[1]。低温已成为加工番茄取得稳产与高产的主要障碍因子。低温对电解质渗透率、叶绿体指数和叶绿素荧光的影响较为显著[2]。电解质滲透率的大小直接反映了细胞的质膜伤害程度的大小,叶绿素和叶绿素荧光都影响着植物的光合作用,叶绿素荧光与光合作用的光能吸收、传递、耗散、分配等方面有密切联系[3],叶绿素荧光参数是评估植物光合器官是否受损的良好指标,Fo为已经暗适应的光合机构PSII反应中心全部开放时的荧光强度,Fo升高意味着PSⅡ受到了伤害或者是不可逆失活[4];Fv/Fm反映 PSII反应中心的最大光能转换效率,它的下降表明植物发生了光抑制[5];ETR为表观光合电子传递速率,它和实际光化学效率成正相关;Yield为实际光化学量子产量,反映PSⅡ反应中心在有部分关闭情况下的原初光能捕获效率[6]。

一氧化氮(NO)是一种重要的生物活性分子,它对植物的种子萌发、生长发育、气孔运动、呼吸作用以及抗逆反应等生理过程均起重要的调节作用。有学者将其当作一种新的植物激素[7],近年来,NO在植物抗逆性上的应用越来越受重视。已有大量的实验证明NO参与了植物生长发育的各个方面以及植物的抗逆反应[8,9]。但是,目前对NO的研究多集中在对盐胁迫和干旱胁迫的作用上,对低温胁迫的涉及较少。

本研究旨在通过研究外源NO对低温胁迫下加工番茄幼苗叶片生理特性和叶绿素荧光参数的变化,揭示低温下外源NO对番茄幼苗抗冷性的影响,为进一步研究番茄幼苗的抗冷机制奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试材

以新疆加工番茄主栽品种’里格尔87-5’为试材。

1.1.2 主要试剂和设备

试剂:SNP(购于sigma公司);水合茚三酮。

设备:RXZ-300C智能人工气候箱(宁波江南仪器厂);SPAD-502叶绿素仪(MINOLTACO.,LTD JAPAN);PAM-2100便携调制式荧光仪(WalzEffehrichGermany);PD-501便携式多功能测量仪(上海三信仪表厂)等。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

试验于2009年3月～8月在石河子大学实验站日光温室以及石河子大学农学院蔬菜学实验室内进行。

种子浸种催芽后播于盛有甘草渣:蛭石=1∶1基质的10cm×10cm营养钵中,当幼苗长至3～4片真叶后选择生长一致的幼苗进行浇根处理,SNP的浓度设置为0mmol/L(S0)、0.1mmol/L(S0.1)、0.5mmol/L(S0.5)、1.0mmol/L(S1.0)、1.5mmol/L(S1.5)。隔 1d处理1次,共处理2次,处理2d后将各处理选择30株移入人工气候箱中进行低温胁迫处理,温度为昼(12±1)℃/夜(8±1)℃,光照强度约为(48000±3000)Lx,光周期为昼夜各12h。同时设一常温处理对照CK(于日光温室中自然生长,昼夜温度为26±1℃/15±1℃,光照强度约为(48000±3000)Lx)。3次重复。

1.2.2 测定项目与方法

试验于低温胁迫0、3、6、9d后测定功能叶(生长点以下第3片真叶)的叶绿素荧光参数及电导率、叶绿素和脯氨酸含量等生理指标。

电解质滲透率的测定:方法参照文献[2];叶绿素含量测定:采用SPAD-502叶绿素仪;脯氨酸含量测定:采用酸性水合茚三酮法[10];叶绿素荧光参数测定:方法参照文献[11]。

用PAM-2100便携调制式荧光仪测定。测定前先将各处理叶片暗适应20～30min.测定时,打开检测光(PAR约为0.1μmol/(m2·s))测定初始荧光(Fo),然后照射饱和脉冲光(PAR约为8000μmol/(m2·s),2.5s,1个脉冲),测定最大荧光(Fm)、最大光化学效率(Fv/Fm)、实际光化学量子产量(Yield)以及表观光合电子传递速率(ETR),10s后打开远红光照射叶片(PAR约为8000μmol/(m2·s),2.5s,1 个脉冲),测定 Fm′、Fo′等参数。

1.2.3 数据处理

采用MicrosoftExcel和SPSS进行数据处理,并对平均数用Duncan’s新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 NO对低温胁迫下番茄幼苗叶片生理特性的影响

由表1可见,常温处理下,加工番茄幼苗叶片的电解质渗透率变化不大;低温下,不施加NO处理(S0)的番茄叶片电解质的渗透率明显升高,于处理后第6d时升至峰值,说明低温胁迫后番茄细胞膜受到伤害并发生外渗。而低温下,外施NO的4个处理中,S0.1、S0.5和 S1.0处理的电解质渗透率均低于S0,其中以S1.0处理最低,而S1.5处理与 S0处理间无显著差异,表明0.1～1.0mmol/L的SNP对番茄叶片膜伤害导致的电解质外渗有不同的缓解作用,其中以1mmol/L的SNP缓解细胞膜伤害的效果最好。

表1 外源NO对低温胁迫下番茄幼苗电解质渗透率的影响Tab.1Effects of exogenous nitric oxide on electrolyte leakage rate in tomato seedlings under low temperature stress

由表2可见,常温处理下,叶绿素含量变化较小,而经低温处理后,所有处理的叶绿素含量均降低,其中S0和S1.5显著低于常温对照处理,而S1.0除在处理第6d显著低于常温对照处理外,其余时间与对照均无显著差异,S0.1和S0.5在处理过程中叶绿素含量均高于S0和S1.5,说明低浓度的SNP(0.1～1.0mmol/L)对番茄叶片叶绿素含量的降低有缓解作用,而高浓度(1.5mmol/L)的SNP对其无缓解作用。

表2 外源NO对低温胁迫下番茄幼苗叶绿素含量的影响Tab.2 Effects of exogenous nitric oxide on chlorophyII contentin tomato seedlings under low temperature stress

由表3可见,番茄幼苗叶片受低温胁迫后脯氨酸含量上升,低温胁迫下的几个处理的脯氨酸含量始终显著高于常温处理(CK)。在低温处理的第3d,几个低温处理间无显著差异;于处理第6d,S1.0处理显著高于S0和S1.5;于处理第9d,S1.0和 S0.5显著高于S0、S0.1和S1.5三个处理。这说明0.5和1.0mmol/L的SNP显著提高了低温胁迫下番茄幼苗叶片的脯氨酸含量。其中1mmol/L的SNP处理效果最好。

表3 外源NO对低温胁迫下番茄幼苗脯氨酸含量的影响Tab.3 Effects of exogenous nitric oxide on pro-aa content in tomato seedlings under low temperature stress

2.2 NO对低温胁迫下番茄幼苗叶片叶绿素荧光参数的影响

由图1可以看出,在常温下,Fo变化幅度较小,低温处理后,Fo升高且随着胁迫时间的延长,Fo呈上升趋势。整个胁迫过程中,几个低温处理的 Fo均显著高于常温对照CK(P<0.05,下同),说明低温处理造成了番茄幼苗叶片光合机构PSⅡ的损坏。低温胁迫处理下,S1.0处理的 Fo显著低于其它低温处理的,S0.5在处理后第9d显著高于 S0,而 S0、S0.1S1.5之间差异不显著。这表明,通过外施1mmol/L的SNP对低温下番茄幼苗叶片光合机构PSⅡ的损坏具有显著的缓解作用。

图1显示,常温处理下,Fv/Fm变化不大,稍有所上升。低温胁迫处理后,外源施NO和不施NO的5个处理的 Fv/Fm值降低并均显著低于常温对照,且随着低温胁迫时间的延长各处理 Fv/Fm值呈下降趋势,说明低温胁迫条件降低了番茄叶片叶绿体PSII原初光能转化效率、抑制了叶绿体 PSII光化学活性,PSII活性中心受到损伤。与不施NO的处理相比,自处理第6d以后,低温处理的4个施NO处理的 Fv/Fm值均显著高于S0,其中又以S1.0处理的 Fv/Fm值最高。整个胁迫期间,S1.5下降幅度一直较大,说明高浓度的SNP(1.5mmol/L)可能对番茄幼苗叶片的PSII活性中心造成了伤害。

图1 外源NO对低温胁迫下番茄幼苗 Fo和Fv/Fm的影响Fig.1 Effects of exogenous nitric oxide on Fo and Fv/ Fm in tomato seedlings under low temperature stress

由图2可知,与常温对照相比,低温胁迫下,各处理的 ETR逐渐降低,显著低于常温对照。随着胁迫时间的延长,几个低温处理中,除 S0和 S1.5两个处理呈现持续下降的趋势外,S0.1、S0.5和S1.0三个处理的 ETR值表现出自低温处理6d后又略有上升。其中S0.5和S1.0两处理在整个胁迫期间显著高于S0、S0.1和 S1.5。这说明低温降低了 PSII的光合电子传输能力,而通过外施SNP后可不同程度提高PSII的光合电子传输能力,其中以0.5和1.0mmol/L的SNP处理作用最明显。

由图2可知,常温处理CK的 Yield基本保持不变。低温胁迫处理后,外源施NO和不施NO的5个处理的Yield值降低并均显著低于常温对照,且随着低温胁迫时间的延长各处理Yield值呈下降趋。自处理以后,低温处理的4个外施NO处理的Yield值均高于 S0,其中到处理第9dS1.0处理的Yield值显著高于 S0,说明1.0mmol/L的 SNP对提高番茄幼苗叶片的Yield值效果最好。

图2 外源NO对低温胁迫下番茄幼苗 ETR和Yield的影响Fig.2 Effects of exogenous nitric oxide on ETR and Yield in tomato seedlings under low temperature stress

3 讨论

植物通过改变细胞代谢和激发不同的防御机制来应对生物胁迫和非生物胁迫,在胁迫条件下植物的生存能力依赖于对外界刺激的识别、产生和传递信号、基因表达、代谢调节[7]。NO作为信号分子,在植物的抗逆过程中起重要作用。

电解质渗透率外渗说明细胞膜系统受破坏,它是迅速、准确的鉴定抗寒性的好方法,叶绿素是植物进行光合作用的重要物质,脯氨酸是植物体内最重要的有机渗透调节物质。植物的脯氨酸合成、累积及代谢是一个受非生物胁迫和细胞内脯氨酸浓度调控的生理生化过程[12]。三者都是很好的抗冷指标。本研究的结果表明,当植物遭受低温胁迫时,加工番茄幼苗的叶绿素含量降低而电解质渗透率和脯氨酸含量升高,而在低温条件下通过外施低浓度的SNP(0.1、0.5和1.0mmol/L)能不同程度地降低加工番茄幼苗的电解质渗透率,提高叶绿素和脯氨酸的含量,说明外施低浓度的 SNP(0.1、0.5和1.0mmol/L)能缓解低温对番茄幼苗的伤害,提高幼苗的抗冷性,其中以1.0mmol/L的SNP处理效果最好。

叶绿素荧光参数由于是以植物体内叶绿素为内在探针,包含了丰富的光合作用信息,极易受逆境的影响,是快速、灵敏无损伤的研究和探测低温对植物光合作用影响的理想方法[13]。本研究的结果表明,低温下,番茄幼苗叶片的 Fo上升,Fv/Fm、ETR和Yield下降,可能是植物叶片 PSII反应中心出现可逆的失活从而使得天线色素原初捕光能力减弱,植株吸收的光能减少这与低温对其它作物的影响研究结果[14,15]一致。施加 SNP使 Fo上升及 Fv/Fm、ETR和Yield下降的幅度明显减小,1.0mmol/L的SNP处理效果尤为显著。这说明NO能有效提高低温胁迫下番茄幼苗叶片PSⅡ的光能转换效率、潜在活性、光合电子传递速率及光能捕获效率,从而增强了番茄幼苗的光合作用。

4 结论

外施一定范围低浓度的NO可保护番茄幼苗的细胞膜系统,增加渗透调节物质并增强其光合作用,从而缓解低温胁迫,提高番茄幼苗的抗冷性。

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