淹水胁迫对丝瓜幼苗生长及呼吸酶活性的影响

刘晓慧,伍海兵,张圣美,尚 静,张爱冬,朱宗文,田守波,吴雪霞*

(1.上海海洋大学,上海 201306;2.上海市农业科学院 园艺研究所,上海 201403; 3.上海市设施园艺技术重点实验室,上海 201403)

近年来,我国强降雨次数逐年增加,致使农作物的洪涝灾害面积不断扩大,农作物的生长及产量受到严重影响,因此洪涝灾害已成为制约我国农业生产的主要逆境因子之一[1]。涝渍引起植物的各种形态、生理和解剖变化,这些变化对植物的生长发育有很大的危害[2]。洪涝灾害造成植物受害的主要原因是使其处于低氧或缺氧环境,无法进行正常呼吸[3]。低氧胁迫加剧了植物细胞膜脂过氧化程度,导致蛋白质变性及核苷酸损伤,最后造成细胞死亡[4]；另一方面植物在低氧胁迫下光合作用强度降低,有氧呼吸受阻,生长受到抑制[5]。有关研究表明,在淹水胁迫下,植物呼吸代谢途径发生改变,有氧呼吸受阻,无氧呼吸加强,产生一定的适应性自我调节[6]。在涝渍胁迫条件下,黄瓜植株发育不良,叶片数量减少,叶片面积、鲜重、干重下降,生理性能、叶绿素、类胡萝卜素、脯氨酸、可溶性糖含量存在差异,总的来说,涝渍胁迫降低了黄瓜植株的净光合作用,对其生物量积累有负面影响[2]。据谢富贵等[7]、涂攀峰等[8]和僧珊珊等[9]报道，淹水导致玉米幼苗的根干重、根总长度、根系活力均明显下降,且随着淹水天数的增加,下降幅度增大,而玉米根系的乙醇脱氢酶(ADH)、丙酮酸脱羧酶(PDC)和乳酸脱氢酶(LDH)活性增加。郭欣欣等[10]的研究结果表明，当不结球白菜幼苗受到淹水胁迫时,其有氧呼吸明显被抑制,而无氧呼吸代谢被促进,并且淹水时间越长、淹水深度越深,根系呼吸代谢受到的抑制作用越大,最终导致不结球白菜根系生长受到抑制。郑俊鶱等[11]研究发现，在土壤紧实胁迫条件下,黄瓜根系中的ADH、PDC和LDH酶活性显著提高,乙醇、乙醛和乳酸等无氧呼吸主要产物含量显著增加,而参与有氧呼吸的苹果酸脱氢酶(MDH)、琥珀酸脱氢酶(SDH)和异柠檬酸脱氢酶(IDH)活性下降。

丝瓜(LuffacylindricaRoem.)是起源于亚洲南部热带多雨地区的一年生攀援藤本植物,属葫芦科丝瓜属,其根系发达,营养丰富,药用价值高,需求量逐年增多,因此栽培面积逐渐增大[12,13]；但是丝瓜对涝渍胁迫的反应少见报道。朱进[12]的研究结果表明：与对照组相比,淹水胁迫使丝瓜幼苗的根系总表面积、总长度等都显著增加,而丙二醛(MDA)含量无显著变化。于斌等[13]研究了淹水胁迫对丝瓜幼苗形态、不定根解剖结构和屏障结构的影响。结果表明:与对照相比,丝瓜幼苗淹水胁迫12 d内株高、叶片数及鲜重差异不显著,到16 d后才显著低于对照,不定根内有发达的通气组织和屏障结构。我们在前人研究的基础上,以丝瓜品种‘江蔬1号’为试验材料,采用双套盆法,模拟大棚生产实践,研究了丝瓜幼苗生长和呼吸代谢在不同淹水时间及淹水程度处理下的生理生化变化,从呼吸代谢与丝瓜幼苗耐涝性之间关系的角度探讨了丝瓜对淹水胁迫的抗耐性以及受淹水胁迫伤害的生理机制,旨在为明确丝瓜的耐淹性机制提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试丝瓜品种为‘江蔬1号’,其种子由江苏省农业科学院提供。

1.2 试验处理

本试验于2018年5～7月进行,丝瓜在上海市农业科学院园艺所温室内培养。首先,将‘江蔬1号’种子于55 ℃温水中浸种10 h,播种于50孔的穴盘内。然后,待幼苗长至3～4片真叶时,选择生长势基本一致的丝瓜幼苗,采用“双套盆法”进行淹水处理。分为对照组(保持常规水分管理)、根淹处理T1(水面淹没幼苗根部基质,超过基质表面0～1 cm)、半淹处理T2(水面刚好淹过幼苗生长点)。各处理每天及时补充散失的水分,保证处理所需的水面高度。于处理0、14、21 d后以及解除胁迫7 d后,先用自来水洗净植株,用滤纸吸干植株表面的水分,测定株高、茎粗、地上部鲜重和根系鲜重。然后随机取样,每个处理皆选用第3片真叶,将其剪碎混匀,用氮速冻后放在-80 ℃冰箱,用于测定各项生理指标。各项指标测定均重复5次。

1.3 测定指标与测定方法

1.3.1 生长指标 分别在淹水0、14、21 d以及解除胁迫7 d后,用自来水冲洗幼苗,吸干叶片表面水,先用卷尺测量幼苗株高,再用游标卡尺测量子叶以下1 cm处的茎粗(淹水部位),最后用电子天平测定其地上部鲜重和根系鲜重。

1.3.2 叶绿素含量的测定 叶绿素含量的测定方法参照吴雪霞等[14]的方法：取0.1 g叶片置于50 mL试管中,加入15 mL 95%乙醇,避光浸提12 h,分别测定665、649 nm下的吸光度,计算叶绿素 a、b含量和类胡萝卜素含量。

1.3.3 活性氧代谢相关指标的测定 丙二醛(MDA)含量、超氧阴离子(O2·-)产生速率和过氧化氢(H2O2)、脯氨酸(Pro)、可溶性糖和可溶性蛋白含量的测定均采用苏州科铭试剂盒法。

1.3.4 无氧呼吸酶和有氧呼吸酶活性的测定 无氧呼吸酶乳酸脱氢酶(LDH)、乙醇脱氢酶(ADH)活性,以及有氧呼吸酶苹果脱氢酶(MDH)活性的测定参照郭欣欣等[10]的方法。酶液制备:称取样品0.5 g,加入2 mL预冷的酶提取液[包含50 mmol/L Tris-HCl(pH 7.0)、5 mmol/L MgCl2、1 mmol/L EDTA、1 mmol/L EGTA和0.1 mmol/L苯甲基磺酰氟],经液氮研磨后,在4 ℃下以12000 r/min离心20 min,提取上清液,即为酶液,用于LDH、ADH和MDH活性的测定。

1.4 统计分析

用Excel进行数据整理,采用Origin 7.5软件作图,用SPSS 19.0软件进行Duncan’s多重比较分析。

2 结果与分析

2.1 淹水胁迫对丝瓜幼苗生长的影响

由表1可知：淹水胁迫显著抑制了丝瓜幼苗的生长,随着淹水时间及淹水程度的加深,丝瓜幼苗的株高、茎粗、地上部鲜重、根系鲜重都显著降低(P<0.05)；当幼苗受淹水胁迫14 d时,与对照相比,根淹(T1)、半淹(T2)处理的丝瓜株高分别显著下降了11.95%、32.41%,茎粗分别显著下降了17.59%、35.70%,地上部鲜重分别显著下降了16.90%、43.10%,根系鲜重分别显著下降了51.52%、60.89%;在淹水胁迫21 d时,根淹(T1)、半淹(T2)处理与对照相比,株高分别显著下降了9.80%、23.17%,茎粗分别显著下降了7.40%、32.20%,地上部鲜重分别显著下降了19.98%、52.65%,根系鲜重分别显著下降了33.02%、58.11%。在两种淹水深度下,随淹水时间的延长,丝瓜幼苗的各项生长指标的下降幅度均增大,说明丝瓜幼苗生长受到的抑制作用越强,并且半淹处理的抑制作用明显大于根淹处理。在胁迫解除7 d后,根淹(T1)、半淹(T2)处理的丝瓜幼苗株高分别恢复至对照的83.56%、74.82%,茎粗分别恢复至对照的94.87%、77.26%,地上部鲜重分别恢复至对照的55.92%、43.85%,根系鲜重分别恢复至对照的84.34%、53.27%,但仍存在显著性差异(P<0.05)。

表1 淹水胁迫处理对丝瓜幼苗生长指标的影响

注:不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

2.2 淹水胁迫对丝瓜幼苗叶绿素和类胡萝卜素含量的影响

光合作用是一系列复杂的代谢反应的总和,是生物界赖以生存的基础,是农作物生长和产量形成的重要代谢过程；叶绿素、类胡萝卜素是植物叶片进行光合作用的主要色素。由图1可知,随着淹水时间及淹水程度的加深,叶绿素a、b和类胡萝卜素的含量都显著下降,并且半淹处理的降幅显著大于根淹处理；在淹水胁迫解除7 d后,丝瓜幼苗的叶绿素和类胡萝卜素含量都得到了一定程度的恢复,但与对照组仍存在着显著差异。说明淹水胁迫使丝瓜幼苗叶片中的光合色素含量减少,幼苗进行光合作用的能力减弱,进而导致物质和能量积累减弱,从而阻碍了丝瓜幼苗的生长。

2.3 淹水胁迫对丝瓜幼苗电导率、MDA含量、O2·-产生速率和H2O2含量的影响

由图2可知,淹水胁迫导致了丝瓜幼苗电导率、丙二醛(MDA)含量、超氧阴离子基(O2·-)产生速率和过氧化氢(H2O2)含量显著增加,且半淹处理的增幅显著大于根淹处理；在淹水胁迫解除7 d后,上述指标均有所下降,但仍明显高于对照。说明丝瓜幼苗受淹水胁迫后,其植株体内代谢失衡,细胞膜被破坏,体液大量外渗,相对电导率增加,根系中的有毒物质MDA、活性氧(O2·-、H2O2)积累,使根组织受到伤害,且淹水时间越长,淹水程度越深,其受到的膜脂过氧化伤害越严重。

2.4 淹水胁迫对丝瓜幼苗无氧和有氧呼吸酶活性的影响

由图3可知,经淹水处理后,丝瓜幼苗的无氧呼吸酶乙醇脱氢酶(ADH)、乳酸脱氢酶(LDH)的活性随着淹水时间的延长及淹水程度的加深表现出一致的上升趋势,均显著高于对照,尤其在淹水14 d时其酶活性达到峰值,之后活性降低。而有氧呼吸酶苹果酸脱氢酶(MDH)的活性被淹水处理明显抑制而急剧降低,并且半淹处理的降幅显著大于根淹处理。在解除胁迫7 d后,MDH的活性仍然显著低于对照。表明淹水胁迫导致丝瓜幼苗有氧呼吸受到抑制,MDH活性急剧下降,维持生存所需的能量主要依赖于无氧呼吸,该途径一方面会产生大量乙醇,诱发根毒害,另一方面又会抑制ADH、LDH活性的升高。

图1 淹水胁迫对丝瓜幼苗叶绿素和类胡萝卜素含量的影响

图2 淹水胁迫对丝瓜幼苗电导率、MDA含量、O2·-产生速率和H2O2含量的影响

2.5 淹水胁迫对丝瓜幼苗可溶性糖和脯氨酸含量的影响

在植物体内,可溶性糖作为主要的可利用碳水化合物之一,其含量能在一定程度上反映植物的碳代谢水平。以游离状态存在于植物体中的脯氨酸(Pro),常作为植物抗逆性的指标之一,其含量在一定程度上可以反映植物的氮代谢水平。由图4可以看出：淹水胁迫导致了丝瓜幼苗可溶性糖及Pro含量显著高于对照组,且淹水时间越长,淹水程度越深,两者的含量的增幅越大,说明,当淹水胁迫发生时,丝瓜幼苗能主动积累可溶性糖,并可能通过降低糖的消耗,以形成保护机制；随着淹水时间的延长,细胞膜脂过氧化发生,Pro含量升高以保持膜结构的完整性,丝瓜幼苗的碳氮代谢水平升高。

3 讨论与结论

涝渍是全球农作物生产的主要制约因素。植物淹水后生长受到抑制。在本试验中,丝瓜幼苗在淹水胁迫下其株高、茎粗、地上部鲜重、根系鲜重都显著降低,这与于斌等[13]的研究结果一致。光合色素是植物进行光合作用的重要物质基础,在光合作用中参与吸收、传递光能；淹水胁迫能够促进光合色素分解进而影响植物的生长[15]。本试验中丝瓜幼苗在淹水胁迫下,叶绿素a、b及类胡萝卜素的含量都显著下降,植株光合作用能力减弱,抑制了幼苗的营养生长,这与Anee等[2]对黄瓜的研究结果一致。

作为防止细胞外物质自由进入的天然保护屏障,细胞膜能够保持细胞内环境的相对稳定,使细胞能够有序地进行各种生理生化反应,保证机体生命活动的正常进行。相对电导率可以用来衡量细胞膜透性,其值越大,表示电解质的渗漏量越多,质膜透性越大,细胞膜受害程度越深[16]。植物体内活性氧(ROS)的产生和清除在正常稳定的内环境中是动态平衡的,而在逆境胁迫下,植物体内的O2·-、H2O2等ROS积累,打破了这种动态平衡,并由此引发和加剧了膜脂过氧化作用,而MDA是膜脂质过氧化的终产物,其积累量通常被作为细胞膜受伤害程度的检测指标[17,18]。蔡进等[16]研究发现,淹水增加了铁线莲膜质过氧化,随着淹水胁迫时间延长及淹水程度加深,2个铁线莲品种的相对电导率和MDA 含量均呈上升趋势。本试验结果也表明,在淹水胁迫下丝瓜幼苗的相对电导率、MDA含量和ROS(O2·-、H2O2)含量都显著增加,细胞膜脂过氧化伤害严重,植株生长受到抑制。渗透调节是植物适应水分胁迫环境过程的一种重要调节方式,植物体内可通过主动积累可溶性糖和Pro来提高细胞液浓度,降低渗透势,使植物继续从外界吸收水分以维持细胞渗透压,减轻淹水胁迫引起的损伤,同时保护酶和膜系统免受伤害,从而增强植物的抗逆性[19-20]。本试验结果显示，随着淹水胁迫时间延长及淹水程度加深,丝瓜幼苗的可溶性糖和Pro含量显著增加,这与彭玉全等[21]对嫁接苦瓜的研究结果一致。

图3 淹水胁迫对丝瓜幼苗无氧呼吸和有氧呼吸酶活性的影响

图4 淹水胁迫对丝瓜幼苗脯氨酸和可溶性糖含量的影响

呼吸作用为植物生命活动提供所需要的大部分能量,淹水胁迫使植物暴露在低氧或者缺氧条件下,MDH活性急剧下降,有氧呼吸明显受阻,ADH、LDH 活性显著升高,无氧呼吸代谢被促进,ATP合成减少,丙酮酸、乙醇等无氧呼吸产物积累[10]。MDH在有氧呼吸三羧酸循环中扮演关键角色。相关研究表明,在低氧胁迫下,黄瓜幼苗根系的三羧酸循环严重受阻[22]。LDH是乳酸发酵途径的关键酶,而乳酸积累会引起细胞质酸化,进而导致植物细胞受伤害,同时细胞质酸化还会引起液泡膜和线粒体结构的破坏[23]。许多研究表明,植物体在受到低氧胁迫下,无氧呼吸代谢会明显增强,LDH、ADH活性迅速升高,进而将植物根系的主要毒害物质之一乙醛转化成乙醇,帮助提高植物对低氧胁迫的耐性[24]。本试验的研究结果与涝渍胁迫对甜瓜[25]、不结球白菜[10]、黄瓜[26]等作物的影响结果一致,经淹水处理后,MDH活性显著降低,ADH、LDH活性显著升高,表明在缺氧时,丝瓜有氧呼吸被抑制,ATP供应不足,此时植物通过启动无氧呼吸途径进行发酵代谢,通过底物水平磷酸化反应,依靠NAD+氧化底物生成ATP来维持丝瓜的生长发育。

本试验结果表明,淹水胁迫对丝瓜幼苗的生长造成了不良影响,抑制了幼苗的营养生长,导致其株高、茎粗、地上部鲜重、根系鲜重都显著降低;淹水处理后丝瓜叶片的光合色素发生了降解,叶绿素和类胡萝卜素含量显著下降;相对电导率、MDA和ROS(O2·-、H2O2)含量显著增加,细胞膜脂过氧化伤害严重,植株生长受到抑制;ADH、LDH 活性显著升高,MDH活性显著降低,有氧呼吸受到抑制,丝瓜生存所需能量主要依赖于无氧呼吸途径;可溶性糖、Pro含量升高,碳氮代谢水平升高以形成保护机制,有利于胁迫解除后的恢复。由此可见,短期淹水会对丝瓜生长产生不良影响,在实际生产过程中,生产者应保持适宜的田间持水量,及时排出积水,这是减轻涝渍灾害的关键措施。