5种杜鹃幼苗对高温胁迫的生理生化响应及耐热性综合评价
2011-12-31王凯红刘向平张乐华凌家慧
王凯红,刘向平,张乐华,①,凌家慧,李 立
(1.江西省·中国科学院庐山植物园,江西庐山332900;2.江西省庐山自然保护区管理处,江西庐山332900)
中国是全世界杜鹃花属(Rhododendron L.)植物的起源和分布中心,拥有丰富的杜鹃花野生资源,但这些野生资源多分布于西南高海拔地区[1]。受遗传因素的制约,该属植物喜冷凉、湿润环境,耐热性较差,高温热害是制约其迁地保育及园林应用的主要限制因子[2]。杜鹃花种类繁多、遗传资源丰富,不同种间的生态习性和耐热性存在较大差异。为了探讨杜鹃花属植物的耐热机制及不同种间的适应性差异,近年来部分学者针对杜鹃花属植物开展了高温胁迫实验,筛选出一批与杜鹃花耐热性有关的形态及生理指标[3-5]。然而,植物耐热性是受多基因控制的数量性状[6],且受环境条件的复杂性和植物对高温胁迫的适应性等多因子影响,故仅凭个别或少数指标的简单比较难以真实地反映植物耐热性的遗传本质[7-8]。
主成分分析法可以在不损失或很少损失原有信息的前提下,将原来数量较多且彼此相关的指标转换成新的个数较少且彼此独立的综合指标,并在此基础上计算出供试植物的每个综合指标值及其相应的隶属函数值,经加权求和可得到供试植物的抗逆性综合评价值[9]。近年来,该方法已被应用于大白菜(Brassica pekinensis Rupr.)、小麦(Triticum sestivum L.)和水稻(Oryza sativa L.)等农作物和一些绿化植物的抗逆性评价,并取得了较为客观可靠的评价效果[8-11],但尚未见有关杜鹃花属植物耐热性鉴定与评价方面的研究报道。
为探索和建立快速、有效的杜鹃花耐热性的鉴定方法,作者对高温胁迫条件下5种杜鹃花属植物实生苗的6个生理生化指标进行了测定和相关性分析,并应用主成分分析和隶属函数法对5种杜鹃的耐热性进行了综合评价,据此建立了最优回归方程,以期为杜鹃花属植物耐热性的鉴定、评价、预测及耐热种质的发掘和遗传改良提供理论依据。
1 材料和方法
1.1 材料
供试种类有映山红亚属〔Subgen.Tsutsusi(G.Don)Pojark.〕的白花杜鹃〔Rhododendron mucronatum (Blume)G.Don〕、马银花亚属(Subgen.Azaleastrum Planch.ex K.Koch)的毛棉杜鹃(R.moulmainense Hook.f.)、羊踯躅亚属〔Subgen.Pentanthera(G.Don)Pojark.〕的羊踯躅〔R.molle(Blume)G.Don〕、常绿杜鹃亚属〔Subgen.Hymenanthes(Blume)K.Koch〕的红滩杜鹃(R.chihsinianum Chun et Fang)和杜鹃亚属(Subgen.Rhododendron L.)的红棕杜鹃(R.rubiginosum Franch.),均为江西省·中国科学院庐山植物园内同批播种的4年生实生苗。
2009年4月初,选取大小一致且生长健壮的5种杜鹃的4年生实生苗栽植于高9 cm、上口径11.5 cm、底径8.5 cm的塑料盆中,每盆1株,栽培基质为当地林下的表层腐殖土,土壤中有机质和腐殖质的质量分数分别为10.87%和6.63%,速效氮、速效磷和速效钾的质量浓度分别为266.20、22.17和83.65 mg·kg-1,pH 4.79。供试苗置于常温温室中培养,采用日常养护管理方法,3个月后进行胁迫实验。
1.2 方法
1.2.1 高温胁迫处理方法 分别设置22℃(对照)、30℃(轻度高温胁迫)和38℃(重度高温胁迫) 3组处理;每组处理设3次重复,每一重复6株苗。实验在空气相对湿度80%、光照时间12 h·d-1、光照强度120μmol·m-2·s-1的人工气候箱中进行。盆底设置托盘(水深1.0~1.5 cm)补充基质水分。胁迫处理6 d后,随机采集当年生功能叶(成熟叶),去除中脉;一部分直接用于丙二醛(MDA)、过氧化氢(H2O2)和脯氨酸(Pro)含量的测定;另一部分置于-70℃保存,用于超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性的测定。
1.2.2 生理生化指标测定方法 MDA含量的测定参照文献[12]的方法并略加改进。称取0.5 g新鲜叶片,加入体积分数20%三氯乙酸与体积分数0.5%硫代巴比妥酸的等体积混合液5 mL及少许石英砂,研磨至匀浆;沸水浴中保温30 min后,置于冰浴中迅速冷却;用3-18K离心机(德国Sigma公司生产)于10 000 g离心10 min;取上清液,采用UV-3100PC扫描式紫外可见光分光光度计(上海美谱达公司生产)测定450、532和600 nm处的吸光值,根据下列公式计算样品中的MDA含量:MDA含量=6.45×(A532-A600)-0.56×A450。
采用文献[13]的方法测定H2O2含量。于波长390 nm处测定吸光值,并根据标准曲线方程 y= 70.185x-0.663(x为吸光值,y为H2O2含量)计算样品中H2O2含量。
Pro含量测定参照文献[14]的酸性茚三酮法并略加改进。取新鲜叶片0.5 g,加入少许石英砂及5 mL体积分数3%磺基水杨酸,研磨至匀浆;沸水浴中保温10 min后,冰浴冷却,765 g离心10 min;取上清液1 mL,加入1 mL冰乙酸、1 mL蒸馏水和2 mL酸性茚三酮,混匀后置于沸水浴中保温60 min,冰浴冷却后加入4 mL甲苯,振荡30 s,静置;取上层液于波长520 nm处测定吸光值,并根据标准曲线方程y= 34.793x+0.140(x为吸光值,y为Pro含量)计算样品中Pro含量。
采用NBT光还原法[15]测定SOD活性,以抑制50%氮蓝四唑(NBT)光化还原为1个酶活力单位;采用紫外分光光度法[16]测定CAT活性,以1 min内A240变化0.1为1个酶活力单位;采用文献[17]的方法测定APX活性,以1 min内A290变化0.01为1个酶活力单位。
各指标均重复测定3次,结果取平均值。
1.3 数据处理与统计分析
主成分分析参照曾宪海等[18]及张云等[19]的方法。首先对各指标的原始数据进行标准化;计算各指标间的相关系数矩阵以及主成分贡献率和累计贡献率,并按累计贡献率大于或等于85%确定主成分个数;根据相关系数矩阵与初始因子载荷矩阵之间的关系求出特征向量矩阵(系数矩阵);建立主成分方程表达式并计算综合指标值。
依据文献[8-9]中的公式计算5种杜鹃在不同温度条件下各综合指标的隶属函数值U(xj)、各综合指标的权重Wj和各种类的耐热综合评价值D。
实验过程中的数据处理、相关性分析、主成分分析、隶属函数计算和逐步回归分析等均运用Excel 2007和SPSS 17.0软件完成。
2 结果和分析
2.1 高温胁迫条件下5种杜鹃生理生化指标的变化分析
2.1.1 生理生化指标的比较分析 高温胁迫条件下,5种杜鹃丙二醛(MDA)、过氧化氢(H2O2)和脯氨酸(Pro)含量以及超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性的测定结果见表1。由表1数据可见:与对照(22℃)相比,30℃和38℃高温胁迫条件下5种杜鹃叶片的各项生理生化指标均发生了变化,其中MDA、H2O2和Pro含量以及CAT和APX活性均随处理温度的升高而增加;在30℃胁迫条件下,SOD活性略高于对照,而在38℃胁迫条件下则低于对照。
由表1还可见:高温胁迫条件下5种杜鹃叶片各项生理生化指标的变化幅度均存在较大差异,因而无法采用某一单项指标评价供试5种杜鹃的耐热性强弱,也说明植物的耐热性是一个复杂的综合性状。
2.1.2 生理生化指标的相关性分析 高温胁迫条件下,5种杜鹃6个生理生化指标的相关性分析结果见表2。由表2可以看出:6个生理生化指标间均存在着一定的相关性,其中有些指标间的相关性达到了显著或极显著的水平。SOD活性与APX活性呈显著负相关关系(P<0.05),与H2O2和Pro含量及CAT活性呈负相关关系;其他指标间均呈正相关关系。其中,CAT活性与H2O2和Pro含量及APX活性间均呈极显著的正相关关系(P<0.01),APX活性与Pro含量呈显著的正相关关系(P<0.05),从而使得它们所提供的信息发生了重叠。因此,直接利用这些指标难以准确地评价5种杜鹃种间的耐热性强弱,需要应用主成分分析方法。
表1 高温胁迫条件下5种杜鹃生理生化指标的测定结果(±SD)Table 1 Determ ination result of physiological-biochem ical indexes of five species in Rhododendron L.under high tem perature stress(±SD)
表1 高温胁迫条件下5种杜鹃生理生化指标的测定结果(±SD)Table 1 Determ ination result of physiological-biochem ical indexes of five species in Rhododendron L.under high tem perature stress(±SD)
种类Species 温度/℃Temperature丙二醛含量/μmol·g-1 MDA content过氧化氢含量/μmol·g-1 H2O2 content脯氨酸含量/μg·g-1 Pro content超氧化物歧化酶活性/U·g-1 SOD activity过氧化氢酶活性/U·g-1·min-1 CAT activity抗坏血酸过氧化物酶活性/U·g-1·min-1 APX activity白花杜鹃 22 0.056 5±0.000 2 1.260±0.008 64.255±4.986 380.156±0.623 247.222±12.647 1 916.667±35.119 R.mucronatum 30 0.062 5±0.000 7 1.324±0.041 79.912±6.714 384.642±4.398 325.208±10.652 2 270.000±103.923 38 0.073 3±0.000 7 1.728±0.052 165.387±4.810 375.671±0.623 445.000±10.929 5 096.667±50.332毛棉杜鹃 22 0.093 9±0.000 4 1.198±0.035 56.485±3.917 375.399±2.092 213.889±15.486 1 573.333±110.604 R.moulmainense 30 0.100 4±0.003 9 1.418±0.077 73.997±5.234 378.661±1.311 267.222±26.995 1 816.667±153.731 38 0.110 0±0.006 1 1.946±0.017 88.379±1.392 368.739±1.883 325.833±27.550 4 966.667±150.444羊踯躅 22 0.025 2±0.000 2 1.229±0.022 67.619±2.109 353.109±2.825 229.722±31.195 1 610.000±147.309 R.molle 30 0.032 6±0.000 4 1.405±0.043 87.915±6.109 362.895±5.334 280.278±11.375 2 166.667±140.119 38 0.049 1±0.001 8 1.939±0.048 141.728±4.322 341.556±4.473 405.556±15.642 4 193.333±161.967红滩杜鹃 22 0.047 1±0.000 2 0.724±0.012 65.067±4.053 378.933±0.849 229.444±14.561 1 550.000±60.000 R.chihsinianum 30 0.053 7±0.004 4 1.001±0.057 89.422±3.760 381.516±2.092 266.667±15.207 1 853.333±70.946 38 0.072 6±0.003 2 1.133±0.042 169.678±4.850 370.234±0.706 309.167±16.415 3 680.000±138.564红棕杜鹃 22 0.054 0±0.000 7 0.501±0.021 54.745±3.427 362.895±0.815 232.917±9.419 2 316.667±110.151 R.rubiginosum 30 0.076 7±0.002 2 0.824±0.047 78.868±6.982 363.846±1.698 262.944±10.809 2 736.667±141.892 38 0.089 2±0.002 9 1.023±0.056 93.134±5.722 334.217±14.185 316.944±12.919 6 150.000±141.067
表2 高温胁迫条件下5种杜鹃生理生化指标的相关性分析1)Table 2 Correlation analysis of physiological-biochem ical indexes of five species in Rhododendron L.under high tem perature stress1)
2.1.3 生理生化指标的主成分分析 高温胁迫条件下供试5种杜鹃6个生理生化指标的主成分分析结果见表3。表3数据显示:前3个综合指标的贡献率分别为52.01%、19.20%和16.31%,累计贡献率达87.52%。表明前3个综合指标反映了原指标的绝大部分信息,可以代替原来6个生理生化指标对5种杜鹃的耐热性进行综合评价。将前3个综合指标分别定义为第1、第2和第3主成分,根据杜鹃6个测定指标的标准化值和综合指标的标准化特征向量(表3),可得到第1、第2和第3主成分的回归方程,分别为: CI(1)=0.186 2X1+0.409 8X2+0.464 7X3-0.228 7X4+ 0.527 0X5+0.501 0X6;CI(2)=0.655 0X1+0.244 1X2-0.049 4X3+0.707 2X4+0.015 8X5-0.091 3X6;CI(3)= -0.623 9X1+0.268 0X2+0.352 9X3+0.456 0X4+ 0.255 8X5-0.376 2X6。
主成分特征向量为各主成分表达式中的原始变量标准化值的系数向量,它们代表了各变量对相应的主成分作用权数,即各单项指标对综合指标的贡献大小。由主成分方程式及表3结果可知:第1主成分特征向量较大的是CAT和APX活性,其次是Pro和H2O2含量;第2主成分特征向量最大的是SOD活性,其次是MDA含量;第3主成分中绝对值最大的特征向量是MDA含量(为负值),其次是SOD活性。高温胁迫条件下CAT和APX活性及Pro含量的增加均有利于活性氧的清除和维持细胞膜的稳定,因此第1主成分主要反映了高温胁迫条件下植物体内清除H2O2的能力,可定义为H2O2清除因子。SOD是清除O-·2的关键酶,对减轻活性氧引发的膜脂过氧化伤害具有保护作用,而MDA是膜脂过氧化作用的最终产物,也是衡量膜系统受害程度的重要指标,故第2和第3主成分可定义为维持生物膜结构稳定的因子。
表3 高温胁迫条件下5种杜鹃生理生化指标的主成分分析结果Table 3 Result of principal component analysis of physiological-biochem ical indexes of five species in Rhododendron L.under high tem perature stress
通过降维,可把原来6个相互关联的生理生化指标转换成3个新的相互独立的综合指标,并保留了原指标的绝大部分信息。对于同一综合指标而言,数值越大,说明某一种类在这一综合指标上的耐热性越强,反之则越弱。但是,杜鹃不同种类的耐热性并不是由某一个综合指标决定的,而是由3个综合指标共同决定的,而这3个综合指标的贡献率不同、所起的作用也不相同,因此应进行进一步的综合评价。
2.2 高温胁迫条件下5种杜鹃耐热性的综合评价及检验
2.2.1 耐热性的综合评价 根据主成分表达式及隶属函数公式[8-9]分别求得5种杜鹃在不同温度条件下的各综合指标值CI(x)及其隶属函数值U(x),详见表4。对于同一个综合指标而言,如CI(1),白花杜鹃在38℃胁迫条件下,其CI(1)值(3.281 7)最大,对应的U(1)值(1.000 0)也最大,表明38℃时白花杜鹃的综合指标CI(1)表现出最强的耐热性。
根据贡献率大小及累计贡献率(表3)计算出各综合指标的权重,分别为0.594 3、0.219 4、0.186 3 (表4)。
表4 高温胁迫条件下5种杜鹃的综合指标值CI(x)及其权重、隶属函数值U(x)、综合评价值D及预测值Table 4 The values of com prehensive index CI(x)and weight,subordinate function value U(x),comprehensive evaluation value D and prediction value of five species in Rhododendron L.under high temperature stress
根据各综合指标的U(x)值和权重,得出5种杜鹃在不同温度条件下的耐热性综合评价值D(表4)。D值反映了不同种类的综合耐热能力大小,D值越大,表明其耐热能力越强。由表4可见:在38℃条件下,5种杜鹃的D值均最大;30℃条件下D值次之;而在22℃条件下D值最小。在同一温度条件下,5种杜鹃的综合耐热能力排序有一定差异:22℃条件下,5种杜鹃的D值由大到小依次为白花杜鹃、毛棉杜鹃、红滩杜鹃、羊踯躅、红棕杜鹃;30℃条件下依次为白花杜鹃、毛棉杜鹃、羊踯躅、红滩杜鹃、红棕杜鹃; 38℃条件下则依次为白花杜鹃、羊踯躅、毛棉杜鹃、红滩杜鹃、红棕杜鹃。在3个温度条件下白花杜鹃的D值均最大,表明其耐热性最强;红棕杜鹃的D值均最小,表明其耐热性最弱。毛棉杜鹃D值较大、红滩杜鹃较小;在22℃条件下羊踯躅D值相对较小,但随着胁迫温度的升高其D值排序逐渐上升,说明杜鹃花对高温胁迫的耐性受到胁迫强度的影响,不同种类、不同胁迫强度下其耐热机制存在一定差异。
2.2.2 耐热性综合评价结果的检验 将不同温度条件下5种杜鹃的耐热性综合评价值(D)作因变量、各指标的标准化值作自变量,采用逐步回归法建立的最优回归方程为:D=0.471 8+0.031 3X1+0.075 2X2+ 0.066 3X3+0.045 3X4+0.072 4X5+0.029 5X6。式中,X1、X2、X3、X4、X5和X6分别代表MDA、H2O2和Pro含量及SOD、CAT和APX活性的标准化值。6个自变量的偏回归系数均达到了极显著水平,回归方程的决定系数R2=0.999 9,表明6个自变量可决定D值总变异的99.99%。用该回归方程对不同温度条件下5种杜鹃的耐热性进行预测,其预测值(表4)与综合评价值D在各种类及温度间的大小次序完全一致,两者高度相关(r=1)并达到极显著水平。说明该方程能够很好地量化各种类的综合耐热能力与各指标值间的因果关系,可用于对杜鹃种间耐热性进行科学准确的预测。
3 讨论和结论
植物耐热性不仅与其种类、发育时期、形态性状及代谢活动有关,且受逆境的发生时期、持续时间、胁迫强度和强弱变化以及研究的目的性状等多种因素的影响,是植物与环境相互作用的结果[18,20]。不同植物耐热机制不同、对某一具体指标的耐热反应也不尽相同,单一指标难以准确、真实地反映植物的耐热性强弱,多种指标的综合评价则较为科学准确。但多指标的综合评价又存在以下问题[7-8,10,21]:各指标间具有一定的相关性而使信息发生交叉与重叠,各指标在综合评价中的重要性(权重)也不同,因此不能直接利用多指标进行综合评价。
本研究利用各指标间内在的深层次联系,采用主成分分析法将原来个数较多且彼此相关的指标转换成个数较少且相互独立的综合指标,克服了信息的重叠和指标间的相关性;并在此基础上计算出每个物种的综合指标值及相应的隶属函数值和权重,避免了人为确定权重的主观性;通过加权求和法,得到了每一物种在不同温度条件下的耐热性综合评价值,这样既考虑了各指标间的相互关系,又考虑了各指标的重要性,从而使获得的评价结果更为科学合理。主成分分析结果表明:6个原始指标可被转换成3个综合指标,累计贡献率达87.52%。在贡献率最大的第1主成分中,CAT和APX活性的特征向量较大,其次是Pro和H2O2含量;而SOD活性和MDA含量的特征向量仅在贡献率相对较小的第2和第3主成分中较大。生理生化指标的测定结果表明:高温胁迫下CAT和APX活性增幅最大,Pro和H2O2含量的增幅也较大,而MDA含量增幅相对较小,SOD活性变化幅度极小。可见,测定的6个生理生化指标对高温胁迫的诱导响应强弱与主成分分析得出的各指标重要性相吻合。据此推测:高温胁迫下杜鹃主要通过提高CAT和APX活性及Pro含量来清除活性氧和维持细胞膜渗透性的稳定,以减轻高温胁迫的伤害。
综合评价值D的分析结果表明:在同一温度条件下,供试的5种杜鹃中,白花杜鹃的D值最大,红棕杜鹃的D值最小,毛棉杜鹃、羊踯躅和红滩杜鹃的D值介于前两者之间,但在30℃和38℃条件下毛棉杜鹃和羊踯躅的D值均大于红滩杜鹃,因此,可将5种杜鹃的耐热性划分为4个等级:白花杜鹃的耐热性最强,其次是毛棉杜鹃和羊踯躅,红滩杜鹃较弱,红棕杜鹃最弱,这一结果与5种杜鹃的田间耐热性表现[2]相一致。不同温度条件下5种杜鹃的D值差异较大,均表现为38℃时最大,30℃时居中,22℃时最小,说明5种杜鹃对38℃高温胁迫的反应强烈,可作为不同种类杜鹃耐热性评价的指示温度。
周广生等[22]认为:利用逐步回归法建立的抗逆性综合评价值与所测指标间的最优回归方程,可以预测供试对象的抗逆性强弱,使抗逆性鉴定更有预见性。本研究应用所建立的最优回归方程对5种杜鹃在不同温度条件下的综合耐热性进行了预测,结果显示:预测值与综合评价值在所有种类及处理间的大小次序完全一致,说明该方法能客观、准确地评价杜鹃苗期的耐热性。
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