高温胁迫下外源亚精胺对生菜抗氧化酶系统的影响

李书涵，韩莹琰，郝敬虹，秦晓晓，刘超杰，范双喜

(北京农学院 植物科学技术学院，北京 102206)

生菜是世界广泛种植的蔬菜种类之一，性喜冷凉，在20～25 ℃时生长健壮[1,2]。高温胁迫是指环境温度高于植物适宜生长温度10～15 ℃时，制约植物生长发育的现象[3]，生产中，高温胁迫是影响生菜生长的主要环境因素之一[1,2]，严重影响其生长发育及产量[4]。全球变暖使高温胁迫变得越来越强烈和频繁[5]。

高温胁迫下植物细胞产生大量剩余自由基，致膜脂过氧化，产生丙二醛，对植物造成伤害[4]。植物本身具备耐热性机制来减轻这种伤害，抗氧化酶系统是植物的耐热性机制之一[6]，通过调控自由基清除来实现植物在高温下的存活[7]。抗氧化酶系统主要包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)及抗坏血酸过氧化物酶(APX)。已有研究证实，抗氧化酶的活性上升可提高植物对高温、干旱等逆境的耐受能力[8]。

多胺是生物代谢过程中产生的一类低分子量脂肪族含氮碱[9]，可以直接或间接地作为自由基清除剂清除植物组织中的自由基[10]。亚精胺(Spd)是植物中的一种常见的多胺，通过影响一系列生理生化作用参与调控各种非生物胁迫。在以往的研究中，外源亚精胺在缓解生姜幼苗[11]、黄瓜幼苗[9]和豇豆幼苗[12]的高温胁迫伤害中均取得了理想的效果，但在生菜中的作用效果及机制并不明确。

本试验模拟高温处理，并对生菜叶片喷施外源Spd，旨在研究外源Spd调控生菜的抗氧化酶系统和丙二醛(MDA)减轻生菜逆境伤害的生理生化机制，为外源亚精胺应用到高温环境下生菜生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2019年4月至2019年8月在北京农学院植物科学技术学院进行，生菜品种为不耐热生菜品种‘北散生3号’。选取饱满、大小均匀的生菜种子200粒，在昼夜温度为20 ℃/15 ℃，相对湿度为70%～75%的光照培养箱中进行浸种催芽，48 h后取出播种于穴盘中，在北京农学院日光温室中继续进行培育。生菜幼苗培育至2叶1心时，单株种植于口径10 cm、装满育苗基质的塑料盆中，每2 d浇1次水。在(25±1) ℃下培养至4叶1心时，挑选长势一致的植株进行后续试验处理，每个处理15盆，每盆定植1株，每个处理重复3次。

1.2 方 法

利用可调控温度和湿度的两间小型智能温室，分别模拟正常和高温生长环境。正常生长环境温室昼夜温度设置为20 ℃/15 ℃、光周期为12 h/12 h，光照强度控制为200 μmol·m-2·s-1，相对湿度为70%～75%；模拟高温生长环境的温室昼夜温度设置为30 ℃/25 ℃、光周期为12 h/12 h，光照强度控制为200 μmol·m-2·s-1，相对湿度为70%～75%。

设置4个处理:(1)CK: 正常环境中栽培，叶面喷施蒸馏水；(2)Spd: 正常环境中栽培，叶面喷施1 mmol·L-1Spd；(3)H: 高温环境中栽培，叶面喷施蒸馏水；(4) H+Spd: 高温环境中栽培，叶面喷施1 mmol·L-1Spd。

处理中外源Spd的浓度参照李承洁[13]等的研究设定。处理中蒸馏水和1 mmol·L-1Spd的喷施量以生菜叶面、叶背湿润且液体不滴落为准。试验处理共进行8 d，试剂喷施次数共计8次，每天10:00使用小型喷雾器在叶面和叶背均匀喷施去离子水和1 mmol·L-1Spd。处理第0、2、4、6和8天傍晚19:00采集主要功能叶测定指标。

测定株高、全株鲜质量、全株干质量、地上部鲜质量、地上部干质量，并取全株鲜质量及全株干质量计算植株含水量。

叶片中叶绿素含量测定采用乙醇、丙酮混液浸提法[14]，丙二醛含量测定使用硫代巴比妥酸法[15]，过氧化氢酶活性测定使用过氧化氢紫外分光光度法[16]，过氧化物酶活性测定用愈创木酚法[16]，超氧化物歧化酶活性测定用氮蓝四唑(NBT) 光化学还原法[16]，抗坏血酸过氧化物酶活性测定使用分光光度法[17]。

数据使用SPSS Stastics 18(IBM，美国)进行差异显著性分析(LSD，P<0.05)。图表均使用Excel 2010(Microsoft，美国)制作完成。

2 结果与分析

2.1 外源亚精胺对高温胁迫下生菜生长的影响

如表1所示，Spd处理的生菜幼苗株高、全株鲜质量、全株干质量、地上部鲜质量、地上部干质量均与对照无显著差异，植株含水量与对照有差异，但不显著。高温处理下，胁迫时长至8d时，生菜幼苗的全株鲜质量、全株干质量、地上部鲜质量、植株含水量显著减少，但地上部干质量、株高与对照差异不显著。在高温胁迫下喷施外源Spd，生菜幼苗的全株鲜质量、地上部鲜质量均显著提高，较未喷施Spd相比，分别提高了29.5%和29.0%。但高温胁迫下喷施外源Spd对于生菜植株的全株干质量、地上部干质量、株高、植株含水量的提升效果不显著。以上结果可知，外源喷施Spd能显著提升生菜幼苗的全株鲜质量、地上部鲜质量，但对其全株干质量、地上部干质量、株高及植株含水量无显著提升效果。

2.2 外源亚精胺对高温胁迫下生菜叶片色素含量的影响

如表2所示，与CK相比，Spd处理中生菜叶片的叶绿素a含量、叶绿素b含量、叶绿素总量均未发生显著变化。高温胁迫至8 d时，生菜叶片的叶绿素a含量、叶绿素b含量、叶绿素总量均显著高于对照株，分别较对照提升了84.6%、79.5%和82.4%。在高温胁迫下喷施Spd，生菜叶片的叶绿素a含量、叶绿素b含量、叶绿素总量均与高温胁迫组无显著差异。结果说明，在8 d的处理周期内，外源Spd对高温胁迫诱导的叶绿素a含量、叶绿素b含量及叶绿素总量的上升现象无显著改善。

表1 外源Spd对高温胁迫下生菜生长的影响

表2 外源Spd对高温胁迫下生菜叶绿素含量的影响

2.3 外源亚精胺对高温胁迫下生菜丙二醛含量的影响

如图1所示，Spd处理的生菜叶片中丙二醛含量与对照无显著差异，高温胁迫至4 d时，生菜叶片中丙二醛含量显著增加，且随着胁迫时间的延长，丙二醛含量不断积累，到达8 d时较对照增加19.25%。在高温胁迫下喷施外源Spd对植物叶片中丙二醛含量的影响随胁迫时间的延长呈现不同的变化，从6 d开始，叶片中丙二醛含量较高温胁迫组显著减少，与高温胁迫相比，6 d和8 d的丙二醛含量分别下降了11.72%和6.25%。以上结果说明，在高温胁迫下喷施Spd显著降低了生菜叶片中的MDA水平。

图1 外源亚精胺对高温胁迫下生菜幼苗的丙二醛含量的影响

2.4 外源亚精胺对高温胁迫下生菜叶片抗氧化酶活性的影响

如图2所示，Spd处理的生菜幼苗SOD活性显著高于对照，CAT活性与对照无显著差异，POD、APX活性显著低于对照。高温处理下，随着高温胁迫时间的延长，SOD、CAT活性呈先增后降趋势，POD活性呈递增趋势，APX活性呈先增后降再增趋势。高温胁迫至8 d时，SOD、CAT活性显著低于对照，APX活性与对照差异不显著，POD活性显著高于对照。在高温胁迫下喷施外源Spd显著提升了生菜叶片SOD活性、CAT活性和APX活性，与未喷施外源Spd相比，喷施外源Spd使生菜叶片中SOD活性、CAT活性和APX活性分别最大提升了28.6%、19.0%和42.4%，提升了SOD、CAT、APX对活性氧的清除能力。同时，喷施外源Spd还显著降低了POD 活性，与高温处理相比POD活性降低了21.0%。以上结果可知，高温胁迫下，喷施外源Spd提升了SOD、CAT、APX活性，降低了POD活性。

3 讨 论

高温胁迫是植物主要非生物胁迫之一，严重影响着作物的生长发育和产量[3]。蔬菜作物在芽苗期、营养生长期等时间遇高温，其地下与地上部分的生长发育均会受到不同程度的影响[2，4]。白菜在营养生长期遇高温胁迫生长缓慢、叶片变黄[4]。在高温胁迫下，生姜叶片呈现出明显的水分亏缺状及叶绿素降解[11]，豇豆幼苗生长受到明显的抑制，鲜质量、干质量等生理指标显著降低[12]。本试验中，高温环境使生菜幼苗植株长势明显减弱，且叶片较为褶皱，舒展度较差，生菜鲜质量、干质量、地上部鲜质量均显著低于对照组植株。而高温胁迫下外源喷施Spd有效恢复了生菜植株长势，其鲜质量、地上部鲜质量均被显著提高。外源喷施Spd能够显著提升生菜的生长品质，缓解高温胁迫对生菜苗期生长造成的伤害。

图2 外源亚精胺对高温胁迫下生菜幼苗的抗氧化酶活性的影响

高温胁迫下叶绿素的含量与以往研究中显著下降的趋势不同，本试验中高温胁迫下生菜幼苗叶片中叶绿素含量显著上升。通常认为高温胁迫下植物叶片中叶绿素含量下降与叶绿体结构被破坏，光合色素被降解有关[7,11,18]。而有研究表明中度和重度干旱的夏蜡梅幼苗由于相对含水量的迅速下降会导致叶绿素浓度上升，在胁迫中期出现叶绿素含量显著上升的现象[18]。本试验表明，胁迫至8 d时，植株含水量显著降低，高温胁迫间接诱导生菜植株中的水分亏缺，由此引发叶片含水量的迅速下降，最终导致叶绿素含量的显著升高。

当植物遭受环境胁迫时，植物细胞产生自由基与清除自由基的对立统一平衡会遭到破坏，自由基累积从而导致膜脂过氧化，最终使膜差别透性遭到破坏，抑制植物生长发育[19]。丙二醛是自由基作用于脂质发生过氧化反应的终产物，会引起蛋白质、核酸等生命大分子的交联聚合，且具有细胞毒性[20]。本试验中高温胁迫使生菜叶片中丙二醛含量显著增加，对植物产生毒害。试验结果表明在外源喷施Spd后的第6天起，生菜叶片中的丙二醛含量开始逐渐大幅度减少，说明外源喷施Spd能够抑制膜脂过氧化，减少丙二醛的生成，从而缓解高温对植物体的伤害。

植物体中，抗坏血酸(AsA)和谷胱甘肽(GSH)对防御膜脂过氧化起重要作用。他们和抗坏血酸过氧化物酶(APX)等抗氧化酶构成了能有效清除自由基的循环系统即ASA-GSH循环[9]。APX是植物AsA-GSH氧化还原途径中的重要酶组分，APX利用H2O2和AsA生成脱氢抗坏血酸和H2O[24]。本研究中，在高温处理的同时对叶面喷施1 mmol·L-1外源Spd会显著提高APX活性，从而提升生菜植株对H2O2的清除能力，来减少植株在高温环境下受到的伤害。

综上所述，本研究表明在高温环境中对生菜喷施外源亚精胺，可通过调控过氧化氢酶、超氧化物歧化酶、抗坏血酸过氧化物酶的活性升高及调控过氧化物酶的活性降低来削弱膜脂过氧化，减少高温胁迫对生菜造成的伤害，进而提高其耐热性。