低温胁迫对不同藜麦幼苗生理生化特性的影响

(1.山西省农业科学院玉米研究所，山西 忻州 034000；2.山西大同大学生命科学学院，山西 大同 037009；3.山西转型综合改革示范区管委会，山西 太原 030032)

2050年世界人口将突破90亿，对食物的需求量不断上升，全球农业生产将面临产量不足的严峻形势[1]。藜麦(Chenopodiumquinoa)原产于南美洲安第斯山脉，营养价值高而全面，因而具备了成为新粮食作物的巨大潜力。联合国粮农组织(FAO)将2013年定为“国际藜麦年”，目的在于使藜麦丰富的生物多样性和极高的营养价值得到全世界的广泛关注，从而充分发挥其在提供粮食产量、改善食品营养、消除地区贫困等方面的重要作用[2-4]。另一方面，藜麦应对土壤盐碱化[5-8]、干旱胁迫[9]、冷冻害[10-13]、病虫害等逆境时均表现出相当强的抗性。因此，藜麦值得大力度大范围推广与种植。

适宜的温度是作物生长的基本条件之一，在植物生长至不同阶段均需要与之相适应的温度才能继续维持生命活动[14]。低温胁迫对植物的危害根据温度的不同可以分为2种：冰点以上的低温对植物造成的危害称为冷害，冰点以下的低温对植物造成的危害称为冻害[15]。近几年来，在探究植物抗寒的生理生化基础、如何提高植物抵御冷冻害的能力、选育具有优良抗寒性状的品种、改良植株低温胁迫下栽培管理途径等方面的科研进程均取得了重要的突破和长足的进展[16]。探索植物抗寒性机理不仅对基础理论丰富化具有重要意义，在解决实际生产过程的问题上也具有广泛的应用价值[17]。

为此,本实验研究了3种藜麦在低温4 ℃环境下(采用智能气候箱人工模拟的方法),幼苗中的游离脯氨酸、丙二醛的含量，SOD和POD的活性,以期了解藜麦在低温环境的胁迫过程中,这些生理生化指标的变化及不同藜麦幼苗抗寒性之间的关系，为后续藜麦的相关低温胁迫研究提供参考。

1 材料处理与方法

1.1 试验材料

不同藜麦种子：黑藜、白藜、红藜，由山西省农业科学院玉米研究所提供。

1.2 试验方法

实验于2018年4月11日在山西大同大学生物工程系细胞工程实验室进行。在2018年3月份预实验的基础上，选取不同藜麦的种子，用黑方塑料小花盆采取每盆50粒种子随机播撒的方法用营养土培育，暗处理待其发芽。待种子出土发芽长至茎长4 cm，茎尖长出2片小叶时开始每2周浇1次营养液，由于小花盆底部多小孔缝，故在下方垫培养皿以浇水和营养液，使其从下方吸水。在其长至4～6片叶片时开始放入人工智能气候箱进行低温胁迫。胁迫温度设为4 ℃，光照时间设为昼16 h/夜8 h，光强为昼120μmol·(m2·s)-1/夜0μmol·(m2·s)-1。相对湿度设为昼60%，夜80%。在藜麦幼苗低温胁迫处理后的0，24，48，72 h以及恢复常温后的24 h(R)进行各项生理生化指标的测定。分别称取不同藜麦幼苗的叶片和茎0.5 g(测定POD活性时取1.0 g)，用研钵研匀，进行各项生理指标的测定，每个指标做3次重复。

1.3 指标测定

藜麦幼苗中游离脯氨酸、丙二醛的含量及SOD 与POD活性测定的相关实验操作参考蔡庆生《植物生理学实验》[18]。

1.4 数据处理

实验数据均做3次重复，用SPSS 20.0软件进行差异显著性分析，用Excel 2016软件作图。

2 结果与分析

2.1 低温胁迫对3种藜麦幼苗主要生理生化指标的影响

2.1.1对游离脯氨酸含量和丙二醛含量的影响

由图1可知，在低温胁迫0～72 h期间，白藜幼苗游离脯氨酸含量呈先下降再上升，红藜幼苗的脯氨酸含量持续下降。白藜在48 h降至最低，而红藜的最小值则出现在72 h。在低温72 h时白藜与对照相比下降了0.5%，差异不显著，红藜减小了27.3%。黑藜幼苗的脯氨酸含量稳定上升，低温72 h 时显著大于对照(p<0.05)。3种藜麦幼苗恢复24 h时的脯氨酸含量均比低温处理 72 h时高。

由图2可知，在低温胁迫0～72 h期间，不同藜麦幼苗的丙二醛含量均呈先上升再下降。白藜和黑藜的丙二醛含量在24 h时上升到最大，红藜的最大值在48 h。不同藜麦幼苗恢复24 h的丙二醛含量相比低温胁迫72 h时均有上升。白藜相比对照上升了2.6%，红藜和黑藜上升了11.11%和11.83%，差异不显著。低温胁迫72 h时不同藜麦的丙二醛含量与对照相比均呈上升趋势，上升的幅度分别为15.5%，45.78%和15.8%。

图1 3种藜麦幼苗在不同低温胁迫时间下脯氨酸含量(p<0.05)

图2 3种藜麦幼苗在不同低温胁迫时间下丙二醛含量(p<0.05)

2.1.2对POD活性和SOD活性的影响

由图3可知，在低温胁迫0～72 h期间，不同藜麦幼苗的POD活性均呈稳定上升趋势，且最大值均出现在胁迫72 h时，此时的POD活性相比对照分别上升了2.27倍，2.36倍和3.02倍。解除低温胁迫时的POD活性相比胁迫72 h时均下降，下降幅度分别为24.9%，10.73%和16.44%。

图3 3种藜麦幼苗在不同低温胁迫时间下POD活性(p<0.05)

由图4可知，在低温胁迫0～72 h期间，不同藜麦幼苗的SOD活性均先上升后下降，且最大值均出现在48 h时。胁迫72 h时的不同藜麦幼苗的SOD活性相比对照分别上升了3倍，0.43倍和0.42倍。恢复24 h之后的SOD活性相比胁迫72 h，不同藜麦均呈下降趋势，下降幅度分别为25%，25%和5.9%。

图4 3种藜麦幼苗在不同低温胁迫时间下SOD活性(p<0.05)

3 讨论与结论

3.1 低温胁迫对不同藜麦幼苗脯氨酸含量和丙二醛含量的影响

研究表明，逆境胁迫下引发植物体内游离脯氨酸的含量大幅增加。此外，正常环境下，抗逆性好的植物品种体内游离脯氨酸的含量高[19]。

在低温胁迫0～72 h期间，白藜幼苗游离脯氨酸的含量先下降后上升，红藜幼苗的脯氨酸含量呈稳定下降的趋势，黑藜幼苗的脯氨酸含量趋于稳定上升，且与对照相比均有变化。这说明在低温胁迫期间，白藜和黑藜的游离脯氨酸含量均出现上升，这有利于缓解低温胁迫对这2种藜麦幼苗造成的伤害，增强了这2种藜麦幼苗的抗逆性。这与邵怡若等[20]关于低温胁迫时间对不同植物体内脯氨酸含量变化的研究结果基本一致。且从脯氨酸含量的变化可分析出黑藜的抗寒性最强，白藜次之，红藜最弱。

低温胁迫严重影响植物细胞内有关活性氧代谢反应的平衡，也会对植物细胞膜造成一定程度的损害，使胞内主要产物丙二醛的含量增加[21]。在低温胁迫0～72 h期间，3种藜麦幼苗的丙二醛含量均呈先上升再下降的趋势。在上升阶段红藜幼苗的上升幅度最大且最大值出现在48 h。说明红藜幼苗胁迫期间的膜脂过氧化程度强且持续时间长，呈现出较弱的抗寒性，这与吴海宁等[22]在低温胁迫对木薯的影响研究中丙二醛含量变化结果基本一致。从黑藜与白藜的上升幅度以及丙二醛含量的大小可以得出黑藜的抗寒性大于白藜。但是随着胁迫时间的延长，丙二醛含量的下降，说明胁迫后期不同藜麦幼苗的细胞膜在一定程度均起到了保护植物免受低温危害的作用。恢复24 h时与低温胁迫72 h时的丙二醛含量相比变化不大，表明低温胁迫恢复后，不同藜麦幼苗胞膜的过氧化程度并没有明显改善。从丙二醛含量的变化可以分析出在抗寒能力的方面红藜小于白藜小于黑藜。

3.2 低温胁迫对不同藜麦幼苗POD活性和SOD活性的影响

SOD是植物重要的耐冷保护酶系统[23]。SOD和 POD的活性与植物抗寒性密切相关，SOD、POD等酶参与了清除活性氧反应的过程，并在其中起着最主要的抗氧化作用，从而使植物在相当程度上增强了对低温胁迫的抗逆性，减弱其对植株自身造成的伤害[24]。本实验表明：在低温处理0～72 h期间，3种藜麦幼苗的POD活性均呈稳定上升的趋势，SOD的活性虽然呈先上升后下降的趋势， 但均高于对照，这表明低温胁迫下藜麦幼苗细胞中活性氧的含量比常温水平高，耐冷系统针对其含量变化开始发挥作用，使胞内的POD和SOD活性提高，进而使幼苗细胞清除自由基的能力增强，这与王小媚[24]的研究结果大致相符。随着低温胁迫时间的延长，黑藜POD活性的升幅高于红藜和白藜，说明长时间的低温处理对其细胞内清除自由基的能力影不大，黑藜的抗寒能力高于红藜和白藜。不同藜麦幼苗SOD活性的最大值均出现在低温胁迫48 h时，且黑藜的SOD活性出现了不同藜麦中的最大值，差异均达到了显著水平，可以得出黑藜面对低温胁迫时具有更强的耐受能力。

在幼苗的萌发过程期间，将不同藜麦的种子放入培养箱进行低温胁迫处理，与常温下进行对照，观察藜麦幼苗在低温下的发芽状况。结果发现，常温下的藜麦种1 d内全部发芽，培养箱中的种子持续观察了1周，1周内也全部发芽。这表明藜麦种子在萌发期间有一定的抗寒性。

综上所述，低温胁迫处理不同的时间能使3种藜麦幼苗的生理生化指标发生变化，游离脯氨酸的含量出现了3种不同的变化，丙二醛的含量先上升后下降，而POD和SOD活性均呈稳定上升的趋势，并且随着低温时间的延长，指标的变化趋于稳定。同时本实验结果表明，黑藜的抗寒能力相比其他2种藜麦幼苗更强，白藜次之，红藜最弱。这将为后续关于低温胁迫对藜麦幼苗生理生化影响的更全面的研究提供一定的参考。