不同品种红掌叶片细胞膜稳定性和渗透调节物质对高温胁迫的响应

王宏辉,顾俊杰,房伟民,陈发棣,张栋梁

(1 南京农业大学园艺学院,南京210095;2 通辽市科尔沁区农业技术推广中心,通辽028000;3上海鲜花港企业发展有限公司,上海201303)

高温胁迫首先伤害植物的细胞膜系统,一方面改变膜脂组成,破坏膜的选择透过性,引起胞内电解质外渗,导致渗透势升高;另一方面高温产生的活性氧分子会氧化膜脂中的不饱和脂肪酸,进而影响细胞膜的稳定性[1]。 渗透调节是植物抵御高温胁迫和进行自我保护的重要生理机制,植物体通过主动积累渗透调节物质来降低渗透势,避免或减少高温对机体的伤害[2],其中脯氨酸含量和可溶性蛋白含量是重要的渗透调节物质。 细胞膜稳定性和渗透调节物质的变化广泛应用于观赏凤梨(Bromeliaceae)[3]、灰岩皱叶报春(Primula forrestii)[4]、海州常山(Clerodendrum trichotomum)[5]、观赏海棠(Malusspp.)[6]、杜鹃花(Rhododendron)[7]和葡萄(Grape)[8]等植物的耐热性研究。

红掌(Anthurium andraeanumLind.)是天南星科(Araceae)花烛属(AnthuriumSchott)常绿宿根花卉,又称安祖花、花烛等,具有艳丽多彩的花苞和优美的叶片,广泛应用于盆栽和切花[9]。 但红掌对温度较为敏感,当温度高于35 ℃时,其花苞褪色、寿命缩短、观赏性降低。 迄今为止,关于不同耐热性红掌对高温胁迫生理响应差异的研究较少,张伟等[10]研究了‘火焰’‘阿拉巴马’和‘粉冠军’3 种不同耐热性红掌品种在高温胁迫下的超氧物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、可溶性蛋白和可溶性糖含量的变化,指出耐热性强的品种具有较强的细胞渗透调节能力、蛋白质合成能力以及消除活性氧伤害的能力,但并未对细胞膜稳定性进行研究。 本试验以4 个耐热性不同的红掌品种为材料,通过测定39 ℃高温胁迫不同时间下的相对电导率、丙二醛含量、脯氨酸含量和可溶性蛋白含量,分析不同耐热性红掌品种的细胞膜稳定性和渗透调节物质的变化规律,以探索红掌耐热性机制。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料为上海鲜花港企业发展有限公司提供的株龄为5 个月的4 个红掌盆花品种,其耐热能力由强到弱依次为‘阿瓦托’(‘Arento’)、‘马都拉’(‘Madural’)、‘特伦萨’(‘Turenza’)、‘甜冠军’(‘Sweet champion’)[11]。

1.2 试验方法

试验在南京农业大学实验室进行,将4 种红掌于RXZ-430A 人工气候室内进行39 ℃高温6 h、12 h、24 h、36 h、48 h 处理,设置空气相对湿度70%—80%,光照强度10 000—15 000 lx。 对照置于室温下培养。 每处理5 盆,4 次重复,每个处理选取5 株植株,取上部第1 片成熟叶测定各项生理指标。

1.3 测定项目

相对电导率(REC)采用电导仪测定,丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法测定,脯氨酸(Pro)含量采用酸性茚三酮比色法测定,可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝比色法测定[12]。

1.4 数据统计分析

采用Excel 2007 软件作图,运用SPSS 20.0 软件进行方差分析和显著性检验。

2 结果与分析

2.1 红掌品种叶片细胞膜稳定性对高温胁迫的响应

2.1.1 相对电导率的变化

相对电导率是衡量高温对植物细胞膜透性影响程度的一个指标[13]。 由图1 可知,高温处理前,耐热性最差的‘甜冠军’的相对电导率(REC)显著大于其他3 个红掌品种,耐热性最强的‘阿瓦托’的REC 最小,‘马都拉’和‘特伦萨’的REC 没有显著差异。 高温处理后,4 个红掌品种叶片的相对电导率随着胁迫时间延长呈上升趋势。 胁迫6 h 时,4 个红掌品种叶片的REC 与对照没有显著差异;当胁迫12 h 时,‘甜冠军’的REC 的升高幅度最大,比对照增加了68.08%,‘阿瓦托’的REC 升高幅度最小,比对照增加了21.25%,‘马都拉’和‘特伦萨’的REC 分别比对照增加了38.69%、31.72%;高温胁迫48 h 时,各品种叶片的相对电导率由大到小依次为‘甜冠军’‘特伦萨’‘马都拉’‘阿瓦托’,分别比对照增加了1.49 倍、1.42 倍、1.41 倍、1.12 倍,差异显著。

2.1.2 丙二醛含量的变化

丙二醛(MDA)是植物在高温胁迫下膜脂过氧化的重要产物[2]。 由图2 可知,4 个红掌品种叶片的MDA 含量变化趋势与相对电导率变化趋势一致,即随着胁迫时间延长呈上升趋势。 高温处理前,耐热性最差的‘甜冠军’MDA 含量显著大于其他3 个红掌品种,耐热性最强的‘阿瓦托’的MDA 含量最小,‘马都拉’和‘特伦萨’的MDA 含量没有显著差异;胁迫6 h 时,4 个红掌品种叶片的MDA 含量与对照没有显著差异;胁迫12 h 时,‘甜冠军’MDA 含量升高幅度最大,比对照增加了38.34%,‘阿瓦托’的MDA 含量升高幅度最小,比对照增加了10.41%,‘马都拉’和‘特伦萨’的MDA 含量分别比对照增加了15.98%、17.71%;胁迫48 h 时,各品种叶片的MDA 含量由高到低依次为‘甜冠军’‘特伦萨’‘马都拉’‘阿瓦托’,分别比对照增加了59.41%、48.68%、47.75%和30.10%,差异显著。

2.2 红掌品种叶片渗透调节物质对高温胁迫的响应

2.2.1 脯氨酸含量的变化

由图3 可知,4 个红掌品种的脯氨酸含量在胁迫过程中均呈先升高后降低的趋势,但是升高幅度以及达到峰值所需的时间不同。 处理前,耐热性最差的‘甜冠军’脯氨酸含量显著大于其他3 个品种,而‘阿瓦托’‘马都拉’和‘特伦萨’间无显著差异;胁迫6 h时,‘阿瓦托’和‘马都拉’的脯氨酸含量显著大于‘特伦萨’和‘甜冠军’;耐热性最强的‘阿瓦托’在胁迫24 h时脯氨酸含量达到峰值且显著大于其他3 个品种,比对照增加了82.43%,而‘马都拉’‘特伦萨’和‘甜冠军’均在胁迫12 h 时达到峰值,分别比对照增加了49.88%、37.55%和28.86%,其中‘马都拉’的脯氨酸含量显著大于其他2 个品种,但显著小于‘阿瓦托’;胁迫48 h 时,‘阿瓦托’和‘马都拉’脯氨酸含量均显著大于对照,分别比对照增加了63.47% 和20.24%,而‘特伦萨’和‘甜冠军’则比对照减少了4.04%和12.05%,其中‘特伦萨’的脯氨酸含量与对照没有显著差异,而‘甜冠军’显著小于对照。

2.2.2 可溶性蛋白含量的变化

由图4 可知,4 个红掌品种的可溶性蛋白含量随胁迫时间延长呈先上升后下降的趋势,处理前,4 个红掌品种的可溶性蛋白含量没有显著差异;胁迫6 h 时,‘特伦萨’和‘甜冠军’可溶性蛋白含量达到峰值,分别比对照增加了17.72%和21.81%,显著大于‘阿瓦托’和‘马都拉’;胁迫12 h 时,‘马都拉’达到峰值,比对照增加了32.90%,显著大于‘特伦萨’和‘甜冠军’,但与‘阿瓦托’间没有显著差异;胁迫24 h 时,‘阿瓦托’叶片的可溶性蛋白含量达到峰值,比对照增加了51.48%,显著大于其他3 个品种;高温胁迫48 h 时,耐热性最强的‘阿瓦托’叶片可溶性蛋白含量显著大于对照,比对照增加了22.13%,而‘马都拉’‘特伦萨’和‘甜冠军’分别比对照减少了3.35%、42.31%和48.53%,其中‘马都拉’可溶性蛋白含量与对照没有显著差异,而‘特伦萨’和‘甜冠军’均显著小于对照。

3 讨论与结论

细胞膜稳定性是衡量植物抗热性的一个重要指标[14],相对电导率和丙二醛含量可以反应逆境下细胞膜的稳定性。 本试验结果表明,高温处理前耐热性强的品种相对电导率和丙二醛含量显著小于耐热性差的品种,随着胁迫时间延长,4 个红掌品种叶片的相对电导率和丙二醛含量均表现升高趋势,且耐热性最差的‘甜冠军’升高幅度最大,耐热性最强的‘阿瓦托’升高幅度最小,说明越耐热的品种,细胞膜的稳定性越高。 朱鑫等[15]研究指出高温胁迫下芹菜(Apium graveolensL.)耐热品系的膜稳定性高于不耐热品系,王国霞等[16]研究表明油茶(Camellia oleifera)在高温胁迫下感热型品种的叶片相对电导率和丙二醛含量变化幅度明显高于耐热性品种,张景云等[17]研究表明小白菜(Brassica campestrisssp.Chinensis)在高温胁迫下耐热材料的相对电导率和丙二醛含量升高幅度低于不耐热材料,与本研究的结果一致。

在一定的逆境胁迫下,植物体可以通过积累脯氨酸和可溶性蛋白等渗透调节物质来避免或减少伤害。 脯氨酸可以提高原生质胶体的稳定性,有利于保持机体的水分,减少蒸腾作用导致的水分散失。 可溶性蛋白质可以增强植物耐脱水能力、保护细胞结构并且延缓衰老[18]。 本研究表明,所有品种叶片的脯氨酸含量和可溶性蛋白含量随着胁迫时间延长均表现出先升高后降低的趋势,耐热性越强的品种升高的幅度越大,达到峰值所需的时间越长,且胁迫结束后仍保持较高的含量。 耐热性较差的‘甜冠军’和‘特伦萨’叶片的可溶性蛋白含量在胁迫6 h 后降低,而其脯氨酸含量在12 h 才开始降低,可能是高温使其可溶性蛋白水解成部分脯氨酸所致。 李敏等[19]研究表明水稻(Rice)耐热性强的品种在开花期高温胁迫处理后剑叶游离脯氨酸含量增加幅度大,赵森等[20]研究表明爪哇稻(Oryza staviaL.ssp.javanica)耐热品种在高温胁迫下保持了较高的可溶性蛋白和脯氨酸含量,杨华庚等[21]研究表明蝴蝶兰(Phalaenopsis)在高温胁迫下耐热性强的品种脯氨酸积累量越多,可溶性蛋白含量的增幅越大,均与本研究的结果一致。

综上所述,高温胁迫下耐热性越强的红掌品种叶片的相对电导率和MDA 含量升高幅度越小,脯氨酸和可溶性蛋白含量积累量越多。 说明红掌的耐热能力与细胞膜稳定系统及渗透调节物质有关,可将其作为红掌不同品种耐热性评价的参考指标。