外源ABA对低温胁迫下火龙果苗活性氧代谢的影响

王楚侨,黄一梅,罗 弦*,贾永霞,唐姗姗

(1 四川农业大学 园艺学院,四川成都 611130; 2 四川农业大学 资源学院,四川成都 611130)

脱落酸(ABA)是一种植物内源激素,对抑制植物衰老、细胞死亡等方面有着重要的调控作用[5],也是植物响应低温[1]、干旱[7]、重金属[8]等多种逆境的重要信号分子。在低温胁迫下,ABA合成途径关键酶活性及其基因表达上调,促使ABA含量大幅上升,植物抗逆性增加[5]。而外源ABA也能够通过促进植物体内ABA的合成和运输,提高植物的耐寒性[9]。研究表明,低温胁迫下,ABA处理提高了小豆[4]和玉米[3]幼苗的SOD、POD、CAT活性,减少了ROS积累和MDA含量,有效缓解了低温对植株造成的伤害。另有研究发现,外源ABA可以提高低温胁迫下黄瓜[9]、甘蔗[6]幼苗的APX和GR等酶活性,增加非酶类抗氧化剂含量,减少电解质外渗和寒害指数,提高植株细胞的稳定性和抗寒能力。由此可见,低温条件下ABA在植物ROS代谢和耐寒性调控中扮演着重要角色。

火龙果(Hylocereusundatus)为仙人掌科量天尺属果树,广泛栽培于中国热带亚热带地区[10],性喜温,5～10 ℃的低温会使其生长缓慢、产量降低,低于5 ℃可能导致其幼芽、嫩枝,甚至部分成熟枝条冻伤,-4 ℃时会被冻死[11-12]。因此,冬季低温严重制约了火龙果产业的发展。目前关于外源ABA调控火龙果耐寒性的研究较少,且ABA对低温下火龙果植株ROS代谢的影响鲜见报道。本研究以营养丰富但耐寒性较弱的‘台湾6号’红心火龙果为试验材料,探讨外源ABA对低温胁迫下火龙果苗ROS含量、细胞膜稳定性、抗氧化酶活性和抗坏血酸—谷胱甘肽(AsA-GSH)循环的影响,揭示外源ABA对火龙果ROS代谢和耐寒性的调控机理,以期为亚热带地区火龙果抗寒栽培提供一定的理论和实践依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验所采用的‘台湾6号’红心火龙果苗购自成都市双流区金桥镇粤蓉火龙果基地,种植于四川农业大学成都校区。选择生长良好、无病虫害的火龙果植株扦插于直径18 cm、高15 cm的花盆中,每盆1株,土壤基质由田园土和通用型营养土按照1∶1配比混匀而成,土壤pH为6.69,有机质含量为35.37 g/kg,碱解氮含量为143 mg/kg,有效磷含量为93 mg/kg,速效钾含量为238 mg/kg。

1.2 材料培养与处理

1.3 测定指标及方法

1.3.1 寒害指数

低温胁迫10 d后,参照高国丽等[12]的方法对火龙果苗的寒害指数(CI)进行统计和等级划分。设火龙果苗0级寒害为无寒害症状;1级(轻度寒害)为有1/3面积茎秆出现水渍状斑点、黄化、萎焉等寒害症状;2级(中度寒害)为有1/2面积茎秆出现寒害症状;3级(中重度寒害)为有2/3面积茎秆出现寒害症状;4级(重度寒害)为整个茎秆出现寒害症状。

寒害指数=(∑各寒害级数×该级别苗数)/(4×总苗数)。

1.3.2 ROS和细胞膜稳定性

1.3.3 抗氧化酶活性

超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑光化学还原法[13]测定,过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法[13]测定,过氧化氢酶(CAT)活性采用紫外分光光度法[13]测定。

1.3.4 AsA-GSH循环指标

总抗坏血酸(AsA)和还原型抗坏血酸(DHA)的含量参照Costa等[15]的方法测定;氧化型谷胱甘肽(GSSG)和还原型谷胱甘肽(GSH)的含量参照Baker等[16]的方法测定;抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性采用抗坏血酸氧化法[13]测定;脱氢抗坏血酸还原酶(DHAR)、单脱水抗坏血酸还原酶(MDHAR)和谷胱甘肽还原酶(GR)活性参照Nakano等[17]的方法测定。

1.4 数据分析

数据采用 Excel 2003和SPSS 23.0进行计算和统计分析,单因素方差分析(one-way ANOVA)、邓肯(Duncan)进行差异显著性(P<0.05)检验,利用Origin 2018软件绘图。图表中数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 外源ABA对低温胁迫下火龙果植株表型和寒害指数的影响

低温处理10 d后,火龙果苗出现大量水渍状斑点,并表现出黄化的症状,受害严重(图1,A);ABA预处理可以有效缓解这些受害症状,火龙果苗仅出现些许水渍状斑点与轻微黄化;常温及常温添加ABA不会影响火龙果苗的植株表型。由图1,B可以看出,火龙果苗在常温(CK+H2O)及常温添加ABA(CK+ABA)的条件下,其寒害指数均为0;单纯低温处理(LT+H2O)10 d后植株寒害指数达0.52,低温下外源ABA(LT+ABA)预处理可以减轻火龙果苗的寒害症状,寒害指数显著降低了0.32,但仍显著高于常温处理(P<0.05)。

CK.常温,28 ℃/18 ℃;H2O.蒸馏水预处理;LT.低温,8 ℃/0 ℃;ABA.150 mg/L ABA预处理;不同小写字母表示处理间在0.05水平存在显著性差异(P<0.05)。下同。

2.2 外源ABA对低温胁迫下火龙果苗产生速率、H2O2、MDA含量和REC的影响

图2 外源ABA对火龙果苗产生速率和H2O2含量的影响

图3显示,火龙果苗MDA含量和REC在CK+ABA处理下均与相应对照CK+H2O没有显著差异,在单纯低温处理(LT+H2O)10 d后均比常温处理(CK+H2O和CK+ABA)显著升高,分别为对照CK+H2O的1.48倍和1.74倍,而在LT+ ABA处理下均比LT+H2O处理显著降低,降幅分别为19.7%和15.1%,但仍显著高于常温对照水平。说明外源ABA预处理有效减轻了低温胁迫对火龙果苗细胞膜的损伤程度,但仍没有恢复至常温对照水平,而对常温下火龙果苗无显著影响。

图3 外源ABA对火龙果苗MDA含量和REC的影响

2.3 外源ABA对低温胁迫下火龙果苗抗氧化酶活性的影响

从图4可以看出,火龙果苗SOD、POD、CAT活性在低温胁迫下(LT+H2O)均比常温对照(CK+H2O)显著增强,增幅分别为77.3%、9.8%和52.8%,而外源ABA预处理(LT+ABA)使低温条件下火龙果苗SOD、POD、CAT活性进一步显著增强,与LT+H2O处理相比分别分别升高了24.4%、9.4%和33.8%。同时,在常温条件下,外源ABA预处理对火龙果苗SOD、POD和CAT活性均无显著影响。

图4 外源ABA对火龙果苗抗氧化酶活性的影响

2.4 外源ABA对低温胁迫下火龙果苗AsA-GSH循环指标的影响

首先,在常温条件下,ABA预处理对火龙果苗AsA、DHA含量以及AsA/DHA比值均没有显著影响;在低温胁迫10 d后,LT+H2O处理火龙果苗AsA、DHA含量比常温对照(CK+H2O)分别显著升高了10.3%和22.6%,而AsA /DHA比值则显著降低10.8%。

与LT+H2O处理相比,外源ABA处理进一步显著提高了低温胁迫下火龙果苗的AsA、DHA含量,同时也显著提高了AsA/DHA比值,但AsA/DHA比值仍显著低于常温对照(图5)。

同时,各处理火龙果苗GSH、GSSG含量和GSH /GSSG比值的变化趋势与相应的AsA、DHA含量以及AsA /DHA比值相似(图5)。在低温胁迫下,LT+H2O处理火龙果苗GSH和GSSG含量显著增加,分别是常温对照的1.25倍和1.55倍,而其GSH/GSSG比值则比常温对照显著下降了18.8%。与单纯低温处理(LT+H2O)相比,外源ABA可显著提高低温胁迫下火龙果苗GSH、GSSG含量和GSH/GSSG比值,增幅分别达到25.0%、16.1%和6.2%。在常温条件下,外源ABA预处理对火龙果苗GSH、GSSG含量和GSH/GSSG比值无明显影响。

另外,在常温条件下,ABA预处理(ABA+H2O)使火龙果苗AsA-GSH代谢关键酶APX、DHAR和MDHAR活性分别比常温对照(CK+H2O)显著增加了15.1%、11.5%和12.8%,对GR活性无显著影响;与常温对照相比,低温胁迫处理(LT+H2O)火龙果苗APX、DHAR、MDHAR和GR活性均显著增强,增幅分别达到34.2%、26.3%、28.4%和61.6%;ABA预处理(LT+ABA)使低温胁迫下火龙果苗APX、MDHAR和GR活性进一步增强,比LT+H2O处理分别显著升高了12.2%、23.5%和47.5%,对DHAR活性没有显著影响(图6)。

图6 外源ABA对火龙果苗AsA-GSH代谢关键酶活性的影响

3 讨 论

另外,AsA-GSH循环是植物体内清除ROS的另一重要系统[29],这一循环中,APX以AsA作为电子供体,催化AsA与H2O2反应,将H2O2分解为H2O,同时AsA被氧化形成MDHA。部分 MDHA在MDHAR的作用下被还原为 AsA,使其可再次参与H2O2的清除;而另一部分 MDHA 则可进一步被氧化形成DHA,DHA又以GSH为底物在DHAR作用下重新生成 AsA,而此反应所产生的GSSG又被GR催化形成 GSH,最终使H2O2分解为H2O[30]。APX、GR、DHAR、MDAR是这一循环系统中的重要酶组分,AsA和GSH是非酶促系统的重要抗氧化剂[29]。本试验中,低温胁迫下火龙果苗AsA-GSH循环相关代谢酶活性均显著升高,AsA、GSH、DHA、GSSG含量均显著增加,但AsA/DHA比值和GSH/GSSG比值有所下降,说明AsA-GSH的ROS清除系统受到破坏,加剧了膜脂过氧化,最终对植物造成寒害。类似的研究结果在棉花[29]和葡萄[31]中也得到证实。外源ABA可以调控植物的抗逆生理,在抵御低温胁迫方面具有多条路径,其中减少ROS类物质的积累至关重要[4]。李丹丹等[8]研究发现,低温下ABA处理可增强AsA-GSH循环活性,减轻低温胁迫对黄瓜幼苗的过氧化伤害。与前人的研究结果相似,本试验中,外源ABA可显著提升低温胁迫下火龙果苗APX、MDHAR和GR活性,保护AsA、GSH等免于氧化,使AsA/DHA、GSH/GSSG比值升高,提升了低温胁迫下火龙果苗的AsA-GSH循环能力,从而使植株分解ROS的能力增强,膜脂过氧化程度和离子渗漏得到有效缓解。这是由于ABA作为抗寒基因表达的启动因子,在低温胁迫下对ROS清除系统具有诱导作用[32];可诱导APX和GR的转录水平提高,较高的GR活性能够维持较高的GSH水平和合适的GSH/GSSG比值,并保持细胞的氧化还原势[33]。另外GSH/GSSG比值可以作为细胞内的信号分子,对抗寒基因表达、蛋白质巯基化以及酶活性等进行直接的调控,增加植物AsA-GSH循环代谢相关酶活性和AsA、GSH等抗氧化剂含量以及AsA/DHA比值[30],最终使植物体内ROS清除能力显著提高。因此,维持了ROS代谢平衡和细胞稳态,减轻了膜脂过氧化,增强了火龙果苗的抗寒性。

综上所述,低温胁迫会打破火龙果苗ROS代谢平衡,使ROS过量积累,膜脂过氧化加剧,火龙果苗受到寒害。外源ABA可以增强火龙果苗抗氧化酶和AsA-GSH循环酶活性,保护AsA、GSH免于氧化,提高AsA/DHA、GSH/GSSG比值,从而清除低温条件下火龙果苗体内过量积累的ROS,减轻膜脂过氧化程度,提高火龙果苗的抗寒性。