低温胁迫下高粱幼苗对外源脯氨酸的响应

(山西省农业科学院高粱研究所/高粱遗传与种质创新山西省重点实验室，山西 晋中 030600)

高粱耐冷性研究表明，不同高粱种质具有不同的耐冷能力[1]。对高粱幼苗低温逆境下生理特性的研究表明，低温胁迫后耐冷和冷敏材料的MDA含量、SOD活性、POD活性等发生了不同的变化[2]，耐冷性不同的材料低温胁迫下脯氨酸(proline Pro)的累积能力也不同，脯氨酸的含量越高品种的抗冷能力越强，脯氨酸对高粱苗期冷害有缓解作用[3]。汤章成研究认为，胁迫条件下生物体内游离脯氨酸的累积对生物体的抗渗透胁迫是有利的[4]，可见，作物可以通过多种方式来自我调节适应低温胁迫，增加抵抗逆境的能力。

脯氨酸作为一种重要的细胞渗调物质优先储存在植物液泡中，当细胞受到渗透胁迫时将脯氨酸运至细胞质，通过增大细胞质浓度，降低渗透势，从而保持细胞原生质与外界环境的渗透平衡[5]，达到降低逆境对作物危害的目的。在外源脯氨酸对荞麦幼苗耐盐生理特性影响研究方面，认为外源脯氨酸可明显改善盐胁迫下荞麦幼苗的生理特性，对盐胁迫具有较好的缓解作用[6]。探究外源脯氨酸对镍胁迫下小麦根系生长发育的影响，认为外源脯氨酸可以显著提高小麦根的抗氧化能力，进而增强小麦的抗逆性，缓解镍对小麦根系的毒害作用[7]。鉴于外源脯氨酸对许多作物逆境危害的缓解作用，本研究利用植物渗透调节物质缓解作物逆境伤害原理，分析外源脯氨酸对高粱幼苗多项生理指标的影响，实现对高粱幼苗冷害后的有效调控，为高粱逆境生理提供新的理论依据，也将进一步扩大植物渗透调节物质的应用范围。

1 材料和方法

1.1 试验材料

本试验材料为冷敏高粱晋303，由山西省农业科学院高粱研究所提供。

1.2 试验方法

选取饱满、整齐一致的种子播于装有石英砂的营养钵中(10 cm×10 cm)，昼温25～32 ℃，夜温18～25 ℃，将试材分成6组，每组种植10穴，每穴种2粒，出苗后留1株健壮苗，重复3次，待幼苗达到3叶1心时，每天08：00时开始处理，第1组喷施清水作为对照(ck)；第2组喷施1 mmol·L-1脯氨酸；第3组喷施3 mmol·L-1脯氨酸；第4组喷施5 mmol·L-1脯氨酸；第5组喷施7 mmol·L-1脯氨酸；第6组喷施9 mmol·L-1脯氨酸。每天喷施1次，叶片正反面均匀喷施，每株喷施约5 mL，连续处理3 d后，将1～6组处理材料移入ZGX-258 C型人工智能光照培养箱(杭州钱江仪器设备有限公司制造)进行2～4 ℃的低温胁迫处理，2 d后取各组幼苗第2、3片叶的中间部分，每组处理随机采集，测定超氧化物岐化酶(SOD)活性、过氧化物酶(POD)活性、丙二醛(MDA)含量、可溶性糖含量及叶绿素含量。

1.3 测定方法

1.3.1SOD活性、POD活性、MDA含量及可溶性糖含量的测定采用Ding等[8]的方法。

1.3.2叶绿素的测定采用植物生理学试验手册[9]中的试验方法。

2 结果与分析

2.1 外源Pro处理对高粱叶片SOD活性的影响

SOD在生理意义上属植物抗性系统酶，在适应逆境的过程中起着重要的作用[10]。方差分析结果表明，浓度1 mmol·L-1、3 mmol·L-1处理与ck及其他浓度水平之间均达显著水平，其余浓度水平之间差异均不显著。与ck相比，5组处理SOD活性全部升高(见图1)，1 mmol·L-1、3 mmol·L-1脯氨酸的处理可使高粱叶片中的SOD活性有显著提升，其他3组处理SOD活性较对照略有升高。这表明较低浓度外源Pro处理可明显增强SOD活性，改善低温胁迫下高粱幼苗的生理特性，提高高粱幼苗耐冷能力。

注：图中数据柱上方不同小写字母表示差异显著(α=0.05)。下同。图1 不同浓度Pro处理SOD总活性

2.2 外源Pro处理对高粱叶片POD活性的影响

一般认为植物POD酶活性与抗寒性密切相关，抗寒的品种酶活性高于不抗寒品种，这在紫花苜蓿、石竹、水稻、黄瓜、龙舌兰和小麦等植物抗寒性研究中得到了证实[11]。方差分析结果表明，Pro浓度为1 mmol·L-1、3 mmol·L-1、5 mmol·L-1、7 mmol·L-1、9 mmol·L-1与ck水平之间差异均达显著水平，其余浓度水平之间差异均不显著。本试验中所有5组处理的POD酶活性都比对照高，尤以喷施5 mmol·L-1脯氨酸的第4组处理POD酶活性最高(见图2)。与SOD一样，加入外源Pro后，高粱叶片POD活性都有不同程度的增加。

2.3 外源Pro处理对高粱叶片MDA含量的影响

MDA是膜脂过氧化作用的最终产物，对质膜有毒害作用[12]。MDA的大量积累可对细胞特别是膜造成一定的伤害[13]。从图3可看出，2～6组Pro处理的高粱叶片MDA含量较对照略有降低，方差分析也表明MDA含量不同浓度之间差异均不显著，但总的趋势是降低的，这表明低温胁迫下外源Pro处理能降低高粱叶片MDA的含量，对低温胁迫造成的膜脂伤害有一定的缓解作用。

图2 不同浓度Pro处理POD总活性

图3 不同浓度Pro处理MDA含量

2.4 外源Pro处理对高粱叶片可溶性糖含量的影响

糖类物质是构成植物体的重要组成成分之一，也是新陈代谢的主要原料和贮存物质。植物体内可溶性糖含量的变化在一定程度上能反映其对不良环境的适应能力[14]。方差分析表明，Pro浓度5 mmol·L-1、7 mmol·L-1、9 mmol·L-1与ck水平之间差异均达显著水平，浓度1 mmol·L-1与7 mmol·L-1之间差异达显著水平，其余浓度水平之间差异均不显著。与ck相比，5组处理可溶性糖含量都有升高，在本试验Pro浓度设置范围内浓度越大增幅越大(见图4)。这表明外源Pro处理有利于可溶性糖含量的积累。

2.5 外源Pro处理对高粱叶片叶绿素含量的影响

叶片叶绿素含量与光合速率密切相关，通常把叶绿素含量作为叶片功能的一个重要指标[15]。方差分析结果表明，Pro浓度5 mmol·L-1与1 mmol·L-1、3 mmol·L-1、9 mmol·L-1、ck水平之间差异均达显著水平，ck与浓度1 mmol·L-1、7 mmol·L-1水平之间差异达显著水平，其余浓度水平之间差异均不显著。5个外源Pro处理的叶绿素含量都不同程度的高于对照，第4组喷施5 mmol·L-1脯氨酸处理后叶绿素含量最大(见图5)，这表明外源Pro处理能维持叶片较高的叶绿素含量。

图4 不同浓度Pro处理可溶性糖含量

图5 不同浓度Pro处理叶绿素含量

3 结论与讨论

SOD能够清除细胞内氧自由基，维持细胞质膜的完整性，提高植物体对逆境胁迫的适应性[16]，SOD活性的高低在一定程度上反映了植物抗逆境的强弱，POD也有类似的作用。本研究表明，不同浓度Pro处理可显著提高低温胁迫下高粱叶片SOD、POD酶的活性，SOD酶活性以3 mmol·L-1脯氨酸处理的效果最为明显，而POD酶活性则以5 mmol·L-1脯氨酸处理的效果最为明显。说明适当浓度的外源Pro处理可明显增强高粱叶片清除氧自由基的能力，有利于提高高粱幼苗的耐冷能力。

MDA含量是植物膜系统稳定性的重要指标，膜系统的稳定性与植物的抗逆能力密切相关。郭启芳等研究表明，在盐胁迫下添加外源甜菜碱处理可明显降低小麦幼苗的MDA含量[17]。本研究中，不同浓度Pro处理对低温胁迫下高粱叶片MDA含量的降低有一定影响，但与对照比差异不显著，说明外源Pro对低温胁迫下高粱叶片清除MDA、缓解细胞质膜损伤作用有限。

可溶性糖作为一种重要的渗透调节物质，其含量的增加可以从一定程度上反映植物所受逆境胁迫的程度[18]。试验中不同浓度的脯氨酸处理能够增加高粱叶片可溶性糖含量，从而增强对低温胁迫的适应能力。

叶片叶绿素是叶片功能的关键指标。在一定范围内，叶绿素含量与光合作用呈正相关关系，不良环境也能造成叶绿素含量的降低。不同浓度外源Pro处理，高粱叶片叶绿素含量都不同程度的提高，说明外源Pro能维持较高的叶绿素含量，进而维持较高的光合作用能力，保证植株有充足的能量来源和较高的同化物转化效率，促进幼苗生长。

总体来说，利用外源脯氨酸对高粱幼苗的低温冷害进行干预，有效改善了低温胁迫下高粱幼苗的生理特性，可以缓解低温对幼苗的伤害，提高幼苗抵抗冷害的能力，实现对高粱幼苗冷害后的有效调控，为预防和减轻高粱生产中环境胁迫，为优质高效生产提供理论依据。研究者认为，春季高粱播种出苗后，如低温来临或幼苗受到低温侵袭，及时喷施3～5 mmol·L-1的脯氨酸可有效抑制和缓解这种伤害。