自然越冬期软枣猕猴桃雌雄株的生理生化响应差异

金 君,辛树权,韦欣霈,宋任锋,万 楚

(长春师范大学生命科学学院,吉林 长春 130032)

软枣猕猴桃(Actinidiaarguta)是猕猴桃科猕猴桃属的一种多年生、大型落叶藤本植物,又名软枣子、奇异莓等[1]。它的枝条螺旋缠绕生长,叶互生,果实表面光滑无毛、呈圆形或卵圆形,广泛分布于我国的南北山区[2-4]。软枣猕猴桃味道鲜美,且富含维生素C、氨基酸、类胡萝卜素、酚类物质及钾、钠、镁、铁等多种营养成分[5],被誉为第四代“水果之王”,在我国以及美国、新西兰、澳大利亚等国家都有商业化种植[6]。研究表明,软枣猕猴桃不仅具有抗氧化、抗炎、抗肿瘤、抗病毒、保护肝脏和防治心脑血管疾病等功效,还能提高人体的免疫力[7-15]。随着软枣猕猴桃产业的蓬勃发展,有关软枣猕猴桃的研究也不断深入。

近年来,围绕软枣猕猴桃雌株种质资源[16]、 采后贮藏[17]及生理生化[18]等方面的研究逐步深入,软枣猕猴桃虽然能在 -38 ℃ 的低温下安全越冬且抗寒性较强,但一旦开始萌芽则对低温更加敏感。我国东北地区的冬春季节温度较低,容易造成软枣猕猴桃植株冻害的发生,情况严重时甚至会导致植株死亡,严重阻碍了软枣猕猴桃产业的发展[19]。目前关于软枣猕猴桃抗寒性的研究较少且都未考虑软枣猕猴桃雌雄异株的特征,未将雌株与雄株的抗寒性进行比较研究。

本文对软枣猕猴桃雌雄株在越冬过程中不同时期相关生理生化指标的差异进行比较,分析软枣猕猴桃雌雄株之间的抗寒性差异,为认识和了解软枣猕猴桃雌雄株间差异的内在机制奠定理论基础,同时也为软枣猕猴桃的生理生态学研究和农林业生产实践提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

供试材料为7年生软枣猕猴桃龙城2号雌株及其授粉雄株的1年生木质化枝条,雌雄株各 3 株,品种优良、长势良好,种植于吉林省长春市农业学校软枣猕猴桃种植基地。

1.2 实验方法

1.2.1 取材方法

从 2021年10月至2022年2月,每月取样1次,取样间隔30 d左右。雌株与雄株随机选取 3 株长度25～30 cm、直径 0.8～1.0 cm的植株,在每株的中部外围剪取3根10 cm长且粗细均匀的1年生枝条。用超纯水将取样后的枝条冲洗干净,用滤纸擦干保存。所取的枝条分为两部分:一部分保存于4 ℃低温冰箱进行细胞质膜透性、渗透调节物质等生理生化指标的测定;另一部分经液氮处理后保存于-80 ℃的超低温冰箱以备进行抗氧化酶活性的测定。

1.2.2 检测方法

相对电导率(REC)采用电导率仪法测定;丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸比色法测定;可溶性糖(SS)含量采用蒽酮显色法测定;可溶性蛋白(SP)采用考马斯亮蓝 G-250 染色法测定;游离脯氨酸(Pro)含量采用茚三酮显色法测定;超氧化物歧化酶(SOD)采用氮蓝四唑法测定;过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法测定;过氧化氢酶(CAT)采用紫外分光光度法测定[20]。

1.3 数据处理

采用Excel 2019 软件对实验的原始数据进行计算,利用GraphPad Prism 8作图,运用Origin 2018进行显著性差异分析。

2 结果与分析

2.1 软枣猕猴桃雌雄株枝条的细胞膜透性

2.1.1 软枣猕猴桃雌雄株枝条的相对电导率

由图1可见,软枣猕猴桃雌雄株枝条的相对电导率均呈现先升后降的趋势,在温度最低的1月份达到最大值,此时雌株与雄株的相对电导率分别为59.18%、47.99%。之后,随着外界温度的升高,软枣猕猴桃雌雄株枝条的相对电导率逐渐降低(不同小写字母代表雌雄株间有显著差异,P<0.05)。在整个自然越冬期间,软枣猕猴桃雌株的相对电导率均显著高于雄株(P<0.05)。

图1 软枣猕猴桃雌株和雄株的相对电导率

2.1.2 软枣猕猴桃雌雄株枝条的丙二醛含量

由图2可见,软枣猕猴桃雌雄株枝条的MDA含量在自然越冬期间均呈现先升高后降低的趋势,且均在1月份达到最大值,此时雌株与雄株的 MDA 含量分别为5.92 mmol·g-1、5.22 mmol·g-1。雌株与雄株的MDA 含量只在10月差异不显著,其余时期软枣猕猴桃雌株的 MDA 含量均显著高于雄株(P<0.05)。

图2 软枣猕猴桃雌株和雄株的枝条丙二醛含量

2.2 软枣猕猴桃雌雄株枝条的渗透调节物质

2.2.1 软枣猕猴桃雌雄株枝条的可溶性糖含量

由图3可见,软枣猕猴桃雌雄株枝条的可溶性糖含量在自然越冬期间均呈先升后降的趋势。雌株与雄株的可溶性糖含量在10月和12月差异显著(P<0.05),其余时期差异不显著。软枣猕猴桃雄株枝条的可溶性糖含量均高于雌株。

图3 软枣猕猴桃雌株和雄株的可溶性糖含量

2.2.2 软枣猕猴桃雌雄株枝条的可溶性蛋白含量

由图4可见,软枣猕猴桃雌雄株枝条的可溶性蛋白含量均在自然越冬期间呈先升后降的趋势,且均在1月份达到峰值,此时雌株与雄株的可溶性蛋白含量分别为104.84 mg·g-1、112.01 mg·g-1。在整个自然越冬过程中,雄株的可溶性蛋白含量均显著高于雌株(P<0.05)。

图4 软枣猕猴桃雌株和雄株的可溶性蛋白含量

2.2.3 软枣猕猴桃雌雄株枝条的游离脯氨酸含量

自然越冬期间,软枣猕猴桃雌雄株枝条的游离脯氨酸含量变化趋势如图5所示,软枣猕猴桃雌雄株枝条的游离脯氨酸含量在越冬初期的10月份相对较低。12月至次年1月,随着气温的不断降低,软枣猕猴桃雌雄株枝条的游离脯氨酸含量逐渐升高。软枣猕猴桃雌雄株的游离脯氨酸含量均在1月份达到最大值,此时雌株与雄株的游离脯氨酸含量分别为43.96 μg·g-1、48.32 μg·g-1。后期随着气温的升高,雌雄株枝条的游离脯氨酸含量逐渐降低。雌株与雄株的游离脯氨酸含量只在2月份差异不显著,其余时期软枣猕猴桃雄株的游离脯氨酸含量均显著高于雌株(P<0.05)。

图5 软枣猕猴桃雌株和雄株的游离脯氨酸含量

2.3 软枣猕猴桃雌雄株枝条的抗氧化酶活性

2.3.1 软枣猕猴桃雌雄株枝条的超氧化物歧化酶活性

由图6可见,随着外界温度的变化,软枣猕猴桃雌雄株枝条的SOD活性均呈现先升后降的变化趋势并在1月份达到最高值,此时雌株与雄株的SOD活性分别为276.20 U·g-1·min-1、285.66 U·g-1·min-1。总体来看,越冬期间软枣猕猴桃雄株的SOD活性均显著高于雌株的SOD活性(P<0.05)。

图6 软枣猕猴桃雌株和雄株的SOD活性

2.3.2 软枣猕猴桃雌雄株枝条的过氧化物酶活性

由图7可见,自然越冬期间,随自然温度的变化,软枣猕猴桃雌雄株枝条的POD活性均呈现先升后降的趋势,并在1月份达到最大值,此时雌株与雄株的POD活性分别为36.48 U·g-1·min-1、41.88 U·g-1·min-1。总体来看,越冬期间软枣猕猴桃雄株的POD活性均显著高于雌株(P<0.05)。

图7 软枣猕猴桃雌株和雄株的POD活性

2.3.3 软枣猕猴桃雌雄株枝条的过氧化氢酶活性

由图8可知,自然越冬期间,软枣猕猴桃雌雄株枝条的CAT活性均呈先降后升的趋势,且1月份的CAT活性均达到越冬以来的最低水平,雌株与雄株CAT活性分别为38.25 U·g-1·min-1、34.28 U·g-1·min-1。总体来看,自然越冬期间软枣猕猴桃雌株的CAT活性均显著高于雄株(P<0.05)。

图8 软枣猕猴桃雌株和雄株的CAT活性

3 结论与讨论

植物在逆境条件下生物膜系统受到损伤后会导致电解质大量外渗,进而导致细胞代谢功能紊乱,严重时会导致植物细胞膜解体或死亡[21]。低温胁迫条件下,通过测定电导率可以判断植物细胞膜受损伤程度和抗寒性强弱。本试验结果表明,在整个自然越冬过程中,软枣猕猴桃雌株的相对电导率均显著高于雄株,说明雌株的抗寒性相对较弱,而雄株的抗寒性相对较强。柴弋霞等[22]研究了铁冬青雌雄株抗寒性差异,结果表明,随着温度的降低,铁冬青雌雄株的相对电导率上升,且相对电导率存在显著的性别差异,雌株的相对电导率显著高于雄株,这与本实验得到的结论一致。

本研究发现自然越冬期间,软枣猕猴桃雌株枝条的MDA含量较高,说明雌株的细胞膜脂化程度更高,受低温损伤程度较重,抗寒力也较弱。柴弋霞等[22]发现随着温度的降低,铁冬青雌雄株的MDA含量上升,且MDA存在显著的性别差异。郭海燕等[23]的研究结果表明,随着温度的降低,葎草雌株的MDA含量显著大于雄株。上述研究得到的结果都与本实验得到的结果一致。

可溶性糖是植物体中一种重要的渗透调节物质。低温条件下,植物可以通过增加可溶性糖的含量来减轻低温环境对其细胞膜造成的损伤。本研究结果表明,软枣猕猴桃雄株的可溶性糖含量均高于雌株。胡曼筠[24]的研究表明,华中冬青雌雄株的可溶性糖含量呈先升后降的变化趋势,与外界温度变化相关。杨盛等[25]的研究表明,温度的降低会导致梨树中可溶性糖含量的增加,而当温度升高时可溶性糖含量逐渐下降。郭海燕等[23]的研究表明,葎草雄株的可溶性糖含量显著高于雌株。上述实验结果都与本实验得出的结论一致。

低温条件下,可溶性蛋白含量的增加可以调控植物的抗寒性[20]。柴弋霞等[22]发现,随着温度的降低,铁冬青雌雄株的可溶性蛋白含量表现为先上升后下降的趋势,雌株的可溶性蛋白含量显著低于雄株。郭海燕等[23]的研究表明,葎草雄株的可溶性蛋白含量显著高于雌株。吴娜等[26]的研究表明植物体内可溶性蛋白的增加在提高植物的抗寒性方面具有重要作用。本研究结果表明,软枣猕猴桃雄株的可溶性蛋白含量均高于雌株。这与上述实验得到的结果一致,说明雄株的抗寒性在一定程度上强于雌株。

本研究结果表明,软枣猕猴桃雌雄株枝条的游离脯氨酸含量均随着外界气温的降低而逐渐升高,这与胡曼筠[24]研究华中冬青以及王旺田等[27]研究葡萄幼苗的抗寒性得到的结果一致。2～3 月份,气温逐渐升高,软枣猕猴桃雌雄株枝条的游离脯氨酸含量却逐渐降低,这可能是脯氨酸可以作为植物从寒冷环境恢复过来时,碳、氮以及还原力的一种快速补充来源[20]。柴弋霞等[22]发现随着温度的降低,铁冬青雌雄株的脯氨酸含量表现为先升后降的趋势,雌株的脯氨酸含量显著低于雄株。本实验中软枣猕猴桃雄株的游离脯氨酸含量高于雌株,说明雄株通过积累更多的脯氨酸来减轻低温伤害。

SOD、POD、CAT是抗氧化酶系统中重要的保护酶,它们的活性与植物抗寒性密切相关。彭昌操等[28]的研究发现,在低温条件下,柑桔叶片中的SOD和CAT酶活性会随着胁迫温度的降低而逐渐升高,且酶活性越高植物的抗寒性越强。高福元等[29]的研究表明,在整个越冬期间,各彩叶草品种的SOD和POD活性都呈先升后降的趋势,且抗氧化酶活性与植物抗寒性呈显著正相关关系。本研究发现,自然越冬期间,软枣猕猴桃雄株的SOD和POD酶活性较高,CAT酶活较低,这表明雄株的抗寒性较雌株更强。

软枣猕猴桃雌雄株枝条的生理生化指标变化表明,自然越冬期间雌株对低温更加敏感,雄株比雌株具备更好的抗寒能力。有研究发现,在不同的野外环境下,雌雄异株植物会表现出不同的性别比例,如在水分、养分充足或自然状态下,其性别比例偏向雌性,而在干旱、贫瘠或受到人为因素干扰的环境下,则性别比例偏向雄性[30-31]。在不同的胁迫下,雌雄株也具有不同的敏感性和耐受性。在低温胁迫下,软枣猕猴桃的雌株表现为对低温更加敏感,雄株则更耐受低温,这很大程度上可能是由于雌株在繁殖方面比雄株消耗了更多的资源,雌株具有更大的生殖投入,而雄株具有更多的能量用于抵抗外界低温。