马铃薯东农303、大西洋在低温胁迫下生理生化及光合特性的比较

周真珍,史端甫,李 力,徐 明,贺利雄*

(1.湖南农业大学 生物科学技术学院，湖南 长沙 410128；2.湖南农业大学 资源环境学院，湖南 长沙 410128)



马铃薯东农303、大西洋在低温胁迫下生理生化及光合特性的比较

周真珍1,史端甫2,李 力1,徐 明1,贺利雄1*

(1.湖南农业大学 生物科学技术学院，湖南 长沙 410128；2.湖南农业大学 资源环境学院，湖南 长沙 410128)

摘要：以马铃薯品种大西洋、东农303幼苗为试验材料，综合分析了低温胁迫下马铃薯幼苗的丙二醛、叶绿素、脯氨酸和SOD等生理生化指标，以及光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度等光合特性，结果表明，马铃薯大西洋品种表现出的抗寒性优于东农303。

关键词：马铃薯；幼苗；低温胁迫；生理生化；光合特性

马铃薯(Solanumtuberosum)是茄科茄属一年生草本植物，其块茎富含丰富的维生素、淀粉和蛋白质，我国马铃薯种植面积和鲜薯产量均居世界首位[1-3]。

随着中国马铃薯主粮化发展战略的提出[4]，对马铃薯品种的要求越来越高，需要开发新的增产途径，扩大种植面积的重点是南方冬闲田的开发利用。我国南方地域广阔，适宜种植马铃薯。近几年来，冬闲田种植马铃薯发展迅速；但是南方冬闲田种植的品种大多为北方品种或者国外品种，对于南方地区的冬季低温、阴湿和倒春寒等环境适应性差，对马铃薯的产量和品质影响很大，严重影响了马铃薯的经济效益。因此选择抗寒性较强的马铃薯栽培品种是一个能改善南方马铃薯生产的有效途径。抗寒性与植物的细胞膜结构和光合作用有密切的关系[5]。运用人工模拟低温胁迫试验，通过分析马铃薯的有关生理生化指标及光合作用的变化，探讨了低温对不同品种马铃薯幼苗的丙二醛、叶绿素、脯氨酸、SOD以及光合作用的影响，为南方马铃薯生产用品种的抗寒性比较提供了理论依据。

1材料与方法

1.1材料

1.1.1供试材料供试品种为马铃薯栽培品种东农303、大西洋，由湖南省马铃薯工程技术研究中心提供。

1.1.2仪器与试剂仪器：分光光度计、分析天平、研钵、水浴锅、高速离心机、烘干箱。

试剂：愈创木酚、30% H2O2、三氯乙酸、硫代巴比妥酸、无水乙醇、茚三酮、乙酸、磷酸、磺基水杨酸、甲苯、盐酸羟胺、对氨基苯磺酸、α-萘胺、丙酮、硫酸、硫酸钛、浓氨水均为国产分析纯；SOD试剂盒购自南京建成生物工程研究所。

1.2试验方法

1.2.1苗期低温处理选取马铃薯生长良好和长势一致的盆栽幼苗5株，移入人工气候室(AGC-D003N，浙江大学求是人工环境有限公司)中进行低温处理(3 ℃，5000 lx，光照12 h)。分别在低温胁迫0、1、3、5 d时测定各项指标，并采集马铃薯叶片，液氮处理磨碎后置于超低温冰箱-80 ℃下保存，用于低温抗性指标的测定。

1.2.2光合速率的测定选取自顶端开始第4节位成熟叶，在14:00利用LI-6400便携式光合作用仪(LI-COR Inc.，USA)分别测定马铃薯东农303和大西洋品种在低温0、1、3、5 d时的净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度。

1.3生理生化指标的测定方法

丙二醛(MDA)含量测定采用硫代巴比妥酸比色法(TBA)[6]；脯氨酸含量测定采用酸性茚三酮法[7]；叶绿素含量测定采用无水乙醇法[8]；SOD酶活性的测定采用SOD试剂盒测定(南京建成公司)。

2结果与分析

2.1低温胁迫期间马铃薯植株的生理变化

马铃薯植株在遭受低温胁迫时会引起一系列的生理生化变化，冷害会导致丙二醛积累、叶绿体含量下降和光合作用降低等变化。在低温胁迫期间，植株除了被动地发生生理变化外，还会通过调整自身的生理生化变化，增加植物体内可溶性物质含量来增强低温抗性，如脯氨酸、甜菜碱等物质；酶促抗氧化剂的合成水平上升，如超氧化物歧化酶活增加等，能有效清除代谢过程中产生的活性氧，从而在低温胁迫中继续生存。

2.1.1马铃薯幼苗丙二醛含量的变化当植物受到逆境胁迫，植物的许多代谢过程都会产生活性氧，累积的活性氧将诱发生物膜发生脂质过氧化作用，导致细胞膜系统严重损伤，植物膜脂过氧化物产物丙二醛大量积累，其含量的变化直接反映脂膜过氧化的程度[9-10]。低温胁迫将引起丙二醛的产生，并随着低温胁迫时间的延长而增加。

由图1可知，随着低温胁迫处理时间的延长，大西洋和东农303的丙二醛含量都呈现出逐渐增加的趋势，但大西洋的增加幅度明显小于东农303，大西洋在冷胁迫3 d时丙二醛含量增加幅度最大，在低温胁迫的3、5 d时，丙二醛含量变化较小；而东农303在低温胁迫期间，丙二醛含量一直上升，在5 d时达到最高。说明大西洋在低温胁迫中的脂膜过氧化程度小于东农303。

2.1.2马铃薯幼苗SOD活性的变化在正常的生长条件下，马铃薯体内的活性氧处于一种动态平衡，若低温持续时间长，自由基的增加导致植株的伤害并最终导致植物死亡。为了保护植物体免受自由基和活性氧的强氧化伤害，植物体内的清除自由基的抗氧化体系会发挥作用，其中包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)等。其中超氧化物歧化酶(SOD)能催化植物体内超氧自由基(·O2-)发生歧化反应而清除·O2-,在植物体的自我保护系统中起着极为重要的作用[11]。在植物低温胁迫中，体内的抗氧化酶类SOD活性会逐渐升高，且抗寒性强的升高幅度比较大。

由图2可以看出，随着低温胁迫时间的延长，大西洋的SOD活性呈降低趋势，在低温胁迫1 d时，大西洋SOD活性呈下降趋势；在低温胁迫3、5 d时，其SOD活性变化很小。东农303的变化趋势与大西洋不同，在低温胁迫1 d时，其SOD活性上升变化最大；低温胁迫3、5 d时，其SOD活性只略微上升；2个品种的差异较为明显。

2.1.3马铃薯幼苗叶绿素含量的变化植物叶片在低温胁迫下叶绿素含量降低，其原因：一方面是低温降低了叶绿素合成酶的活性，限制了叶绿素的合成[12]；另一方面是原有叶绿体色素氧化分解，引起减少。由图3可知，2个品种马铃薯的叶绿素含量在低温胁迫中都出现了一定程度的下降，其中大西洋叶绿素含量在低温胁迫时逐步下降，在胁迫5 d时下降了0.116 mg/g,东农303的叶绿素含量在低温胁迫中逐步下降，在胁迫5 d时减少了0.121 mg/g，在低温胁迫中，大西洋叶绿素含量的减少值低于东农303。

2.1.4马铃薯幼苗脯氨酸含量的变化当遭遇低温胁迫时，植物会调整自身代谢、强化专一的生理代谢，积累相溶性物质来提高细胞液浓度、降低细胞水势和冰点，从而提高马铃薯的抗寒性。脯氨酸是植物体内的主要渗透调节物质之一，是衡量低温伤害的主要生理指标[13]，在低温胁迫下，抗寒性越强的植株，其脯氨酸含量越高[14]。

游离脯氨酸含量的测定结果如图4所示，低温胁迫可以引起植株体内脯氨酸含量的积累。随着低温胁迫处理时间的延长，大西洋和东农303的脯氨酸含量均呈增加的趋势。大西洋在低温胁迫中，脯氨酸含量增加值高于东农303，更好地为大西洋的抗逆性提供了保障。

2.2低温胁迫对光合作用的影响

光合作用是植物积累营养物质和产量形成的基础，较高的光合碳同化能力是植物抵抗逆境胁迫的前提。低温胁迫对光合作用的影响很大，主要原因有：一是低温胁迫能够通过光抑制影响植物的光合系统，严重的低温胁迫还会导致光氧化被破坏；二是低温会降低植物体内的光合作用酶活性，从而影响光合作用[15-16]。

2.2.1低温胁迫期间马铃薯幼苗净光合速率的变化净光合速率是植物光合系统功能的直接体现，也是植物光合系统工作正常与否的判断指标。从图5可以看出，低温胁迫下的马铃薯的光合活性受到抑制，光合速率持续下降。低温胁迫为1、3、5 d时，东农303的净光合速率分别为处理前的50%、35%、25%，大西洋的净光合速率分别为处理前的55%、37%、32%，东农303的净光合速率的下降幅度明显大于大西洋。低温胁迫期间大西洋的光合活性高于东农303，说明其抗寒性优于东农303。

2.2.2低温胁迫期间马铃薯幼苗气孔导度的变化气孔是植物与大气进行CO2和水汽交换的通道，植物在光下进行光合作用，通过气孔吸收CO2，其中气孔导度会影响植物的光合作用[17]。从图6可以看出，随着低温胁迫时间的延长，2种马铃薯幼苗的气孔导度均出现下降。2种品种的马铃薯幼苗在低温1 d时，下降幅度都很大，因为低温胁迫导致气孔关闭，在低温3 d的时候，东农303的下降幅度更大；在低温5 d时，大西洋的气孔导度略高于东农303。

2.2.3低温胁迫期间马铃薯幼苗胞间CO2浓度的变化CO2是植物进行光合作用的原料，胞间CO2浓度可以影响到植物的光合速率。随着低温胁迫时间的延长，2种马铃薯的胞间CO2浓度变化呈现了不同的变化趋势。

从图7可以看出，大西洋和东农303的胞间CO2浓度均呈现持续上升的趋势，但东农303的上升幅度明显高于大西洋。在低温胁迫1 d时，东农303的胞间CO2浓度上升达到峰值，而大西洋在低温胁迫5 d时胞间CO2浓度才达到峰值。一般低温胁迫会导致气孔关闭，引起胞间CO2浓度降低。在低温逆境胁迫期间，东农303的气孔开度低于大西洋，但其胞间CO2浓度高于大西洋，这可能是由于光合酶活性受到抑制，导致不能进行暗反应固定CO2，从而导致胞间CO2累积、浓度增加。这一变化说明了大西洋的光合系统的低温抗性优于东农303，低温胁迫的损伤时间推迟，即大西洋的低温抗性优于东农303。

3小结

马铃薯幼苗抗寒性是受保护性酶、丙二醛和渗透调节物质等共同调节的，需要对大西洋和东农303这2个马铃薯品种幼苗期低温胁迫下的多个生理生化指标和光合特性，结合各指标间的相关分析来评价。低温胁迫下马铃薯的大西洋和东农303品种的脯氨酸和SOD活性含量的增加，有助于维持渗透压的平衡，减少对质膜过氧化程度，维护细胞，减少低温对马铃薯幼苗的伤害[5]。其中大西洋脯氨酸含量的增长幅度明显大于东农303脯氨酸含量，并且综合净光合速率、气孔导度和胞间CO2浓度的指标可以看出，马铃薯品种大西洋的抗寒性优于东农303，为南方马铃薯低温育种的筛选提供了参考。

本试验仅对几个抗性生理指标进行了探讨，为了提高对马铃薯品种低温抗性评价的准确性，建议继续开展后续试验的验证：(1)本试验研究低温对光合作用的影响，还可以通过测定光合作用酶活性和叶绿素荧光参数等作进一步探究；(2)低温胁迫下的抗氧化酶的种类还有很多，通过测定更多的酶活性指标来评价马铃薯品种的抗寒性；(3)本试验的低温环境都是人工模拟，所得数据是人工低温处理的结果，还应通过大田试种试验，从而获取更多的参考依据。

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(责任编辑：曾小军)

Comparison of Physiological-biochemical Indexes and Photosynthetic Characteristics between Potato Varieties Dongnong 303 and Daxiyang under Low Temperature Stress

ZHOU Zhen-zhen1, SHI Duan-fu2, LI Li1, XU Ming1, HE Li-xiong1*

(1. College of Biological Science and Technology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China;2. College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)

Abstract：Taking Dongnong 303 potato and Daxiyang potato as experimental materials, analyzed comprehensively the physiological-biochemical indexes such as malondialdehyde(MDA), chlorophyll, proline and SOD and the photosynthetic characteristics such as photosynthetic rate, stomatal conductance and intercellular CO2concentration of potato seedlings under low temperature stress. The results showed that the cold resistance of Daxiyang potato was better than that of Dongnong 303 potato.

Key words：Potato; Seedling; Low temperature stress; Physiological and biochemical indexes; Photosynthetic characteristics

收稿日期：2015-11-15

基金项目：国家自然科学基金新疆联合基金项目(U1203184)；湖南省长沙市科技局项目(k1403164-21)。

作者简介：周真珍(1990─)，女，湖南永州人，硕士研究生。*通讯作者：贺利雄。

中图分类号：S532

文献标志码：A

文章编号：1001-8581(2016)05-0024-04