外源水杨酸对低温胁迫下小麦幼苗叶绿素荧光特性及抗氧化酶活性的影响

杜思梦， 方保停， 李向东， 张德奇， 岳俊芹， 邵运辉， 王汉芳， 杨 程， 秦 峰

(河南省农业科学院小麦研究所/小麦国家工程实验室/农业农村部黄淮中部小麦生物学与遗传育种重点实验室/农业农村部中原地区作物栽培科学观测实验站/河南省小麦生物学重点实验室/河南省小麦产量-品质协同提升工程研究中心，河南郑州450002)

小麦种植面积占我国粮食作物总面积的22%左右，产量占粮食总产量的20%以上。由于冬小麦生长周期长，跨越秋、冬、春、夏四季，易遭遇干旱、低温、高温、渍害等逆境胁迫，其中低温是冬小麦主产区的主要逆境胁迫之一，致使冬小麦生理特征及产量均受到不同程度的影响。所以研究冬小麦低温伤害机制，探讨减轻冬小麦生长过程中低温伤害的途径和方法，以期为揭示冬小麦低温逆境生理、实现冬小麦抗低温逆境栽培提供理论依据。

水杨酸(salicylic acid，简称SA)是植物界广泛存在且能自身合成的一种小分子酚类化合物，被认为是植物在胁迫中产生的一种信号分子。外施水杨酸可以增强植物叶片光合电子传递能力、减少用于热耗散等的比率，有效减缓高温、低温对PSⅡ反应中心的伤害，提高光合电子传递及对光能的捕获和转换，增强对光合机构的保护作用，提高胁迫下作物对逆境的抗性和耐性。李晓梅等的研究表明外源水杨酸可以提高小麦幼苗的抗寒性。此外，水杨酸处理可以提高水稻、黄瓜、番茄、西瓜的细胞膜保护酶系的活性，有效清除细胞内的活性氧，使膜脂过氧化程度降低，进而提高作物的抗冷性。目前，关于外源水杨酸对植物快速叶绿素荧光诱导曲线及生理效应的调控已有很多报道，但主要集中于浓度筛选。本试验以黄淮南部主要麦区具有代表性的小麦品种郑麦1860和郑麦369为材料，设置2种温度胁迫，探讨不同温度胁迫下外源水杨酸对小麦幼苗叶片的叶绿素快速荧光诱导动力学(OJIP)曲线、最大光化学效率(/)、光合性能指数(PI)、单位面积内反应中心的数量(RC/CSm)、用于电子传递的量子产额()，及过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)活性和丙二醛(MDA)含量的响应机制，以期为小麦幼苗的抗逆研究提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试小麦品种为郑麦1860 和郑麦369，由河南省农业科学院小麦研究所提供。试验于2021年1—5月在河南省农业科学院小麦研究所小麦国家工程实验室、河南省小麦生物学重点实验室进行。

1.2 试验处理

试验种子经过催芽，选取表现良好且一致的种子种植于10 cm×10 cm装土(营养土为PINDSTRUP)塑料盆中，置于培养室(温度为25 ℃)培养，待长至3叶1心时，选取2个品种中生长一致的小麦幼苗，分别置于0 ℃和15 ℃人工气候箱中培养24 h后，一部分幼苗喷施SA(浓度为0.3 g/L)，另一部分喷施清水作为对照(CK)，喷施后6、24 h取样测生理指标，每个处理3次重复；同时处理24 h后进行快速叶绿素荧光诱导动力学曲线的测定，每个处理8次重复，具体试验设置见表1。

表1 试验处理设置

1.3 试验方法

OJIP曲线及相应参数使用多功能植物效率仪(M-PEA，Hansatech Instruments，UK)进行测定，参考杨程等的方法；SOD活性采用氮蓝四唑(NBT)光化还原法测定，以抑制NBT光化还原，50%所需酶量为1个酶活性单位；CAT活性采用紫外吸收法测定，以1 min吸光度()减少0.01为1个酶活性单位；POD活性采用愈创木酚法测定，以1 min变化0.01为1个酶活单位；MDA含量采用硫代巴比妥酸比色法测定。

1.4 数据处理与分析

叶绿素快速荧光诱导动力学曲线及相关参数通过软件M-PEA data-analyzer V.4.4.3 进行原始数据的分析和导出，利用Excel 2010和Sigmaplot 12.5进行数据分析和绘图，采用SPSS 15.0软件进行方差与相关性分析。

2 结果与分析

2.1 外源SA对不同温度小麦品种OJIP曲线的影响

如图1-a、图1-b所示，不同温度处理小麦叶片OJIP曲线明显不同，且不同品种间有差异。通过=(-)/(-)将O-P段标准化，如图 1-c、图1-d所示，与15 ℃相比，0 ℃处理郑麦1860和郑麦369 J点升高；与CK相比，SA处理缓解了J点的升高，SA处理提高了郑麦1860在0 ℃条件下P点的荧光强度，而郑麦369各处理的P点差异不明显。

荧光参数/反映了PSⅡ的最大光化学效率，PI表示PSⅡ的综合性能指数，RC/CSm表示单位面积内反应中心的数量，表示传递到QA-下游的光能占吸收光能的比率。如图2所示，与 15 ℃ 相比，0 ℃处理显著降低了郑麦1860和郑麦369的/、PI、RC/CSm、，SA处理显著减轻了/、PI、RC/CSm、的下降幅度；15 ℃条件下，与CK相比，SA处理的郑麦1860 PI、RC/CSm、显著上升，郑麦369无显著差异。

2.2 外源SA对小麦幼苗丙二醛含量的影响

MDA含量的高低在一定程度上反映植物在逆境胁迫下受损的程度。如图3所示，与15 ℃处理相比，0 ℃ 条件下郑麦1860和郑麦369的MDA含量均大幅降低，说明低温胁迫时小麦能够自我调节来降低膜脂过氧化带来的损伤。外施水杨酸能够降低MDA含量，增加小麦抗寒能力，0 ℃条件下，与CK相比，水杨酸处理6、24 h郑麦1860的MDA含量分别降低34.11%、21.73%，郑麦369的MDA含量分别降低2.80%、23.66%。

2.3 外源SA对小麦幼苗CAT活性的影响

CAT主要存在于过氧化体中，其活性与植物代谢强度及抗寒能力有一定的关系。由图4可知，与对照相比，经SA处理的郑麦1860在15 ℃条件下CAT活性降低，6、24 h分别降低10.90%、19.70%；0 ℃条件下活性升高，6、24 h分别提高122.17%、2.25%。说明外源SA可以提高0 ℃条件下郑麦1860的CAT活性，而对郑麦369在0 ℃条件下CAT活性的影响不明显。

2.4 外源SA对小麦幼苗POD活性的影响

由图5可以看出，15 ℃条件下喷施SA能够增加郑麦1860和郑麦369的POD活性，喷施6、24 h，郑麦1860的POD活性分别提高3.63%、84.60%，郑麦369的POD活性分别提高14.82%、12.02%；0 ℃ 条件下两者POD活性有差异，与CK相比，经SA处理的郑麦1860的POD活性降低，郑麦369在处理6 h时POD活性升高，24 h时活性下降，说明不同温度下外源SA对小麦幼苗POD活性的影响不同，且同一温度下2个小麦品种间POD活性差异显著，可能与小麦自身逆境胁迫下自适应引起的酶活变化有关。

2.5 外源SA处理对小麦幼苗SOD活性的影响

SOD可以清除生物体内超氧阴离子自由基，其活性大小通常作为植物抗逆性强弱的生理指标。由图6可知，15 ℃条件下，郑麦1860各组SOD活性差异不显著，郑麦369经SA处理SOD活性在处理 6 h 提高4.42%，0 ℃条件下，与CK相比，经SA处理的郑麦1860和郑麦369的SOD活性均升高，郑麦1860在处理 24 h 提高10.64%，郑麦369在处理 6 h 提高3.25%。说明0 ℃条件下外施SA可以提高郑麦1860和郑麦369的SOD活性。

3 讨论与结论

PSⅡ反应中心原初光化学反应的相关信息可以通过快速叶绿素荧光诱导动力学曲线进行测定，同时环境因子对光合作用的影响可以通过叶绿素荧光相关参数反映出来。李书鑫等的研究表明，低温胁迫对玉米叶片的OJIP曲线产生了明显影响，同时显著降低了玉米幼苗的、PI、。姜籽竹的研究表明，低温胁迫下SA可以降低玉米幼苗叶片的/下降速率。在本研究中，低温胁迫下，郑麦1860和郑麦369的J点上升、P点下降，/、PI、RC/CSm、均下降，说明低温胁迫下，PSⅡ反应中心捕获光能的效率及电子传递到QA下游电子载体的效率均下降，SA处理可以提高J点荧光强度及/、PI、RC/CSm、，说明SA处理可以缓解低温对PSⅡ光能的吸收和传递的抑制作用。

当植物受到逆境胁迫时，体内活性氧及其他过氧化物增多，对细胞膜系统造成伤害，SOD、CAT、POD等酶促清除系统可以协同作用抵御这种伤害。李璇等的研究表明，在一定强度的环境胁迫下，CAT和POD有互补作用，本研究也印证了这一点。郑麦1860在15 ℃条件下，对照组随着处理时间的延长CAT活性升高，POD活性下降；0 ℃条件下，与对照组相比，处理组CAT活性升高，POD活性降低。此外，通过分析各组小麦SOD活性变化发现，相同温度下，随着处理时间的延长，各处理SOD活性差异不显著，可能是因为相同胁迫温度下随胁迫时间的变化，SOD活性呈波状变化，在增加和减少之间交替变化。随着温度的降低，郑麦1860在处理 6 h 时SOD活性差异不显著，这与刘瑞峰等的研究结果一致，可能在温度预处理过程中，小麦启动自身保护机制使SOD活性维持在一定水平，以防御活性氧的伤害。谢凤仙等对低温胁迫下3个小麦品种MDA含量变化的研究表明，低温处理后，MDA含量均下降，本研究结果与之相同，与15 ℃处理相比，0 ℃条件下郑麦1860和郑麦369对照组MDA含量均显著降低，可能是因为细胞内氧化酶活性增强，清除自由基的能力提高，膜脂过氧化程度降低。

SA作为植物体内信号传递分子，在非生物胁迫中发挥着重要作用。李晓梅等研究发现，SA预处理可能会降低膜透性、提高保护膜系统的活性，增强小麦幼苗的抗寒性。黄儒的研究表明，适当的低温和SA预处理有助于提高东农冬麦1号在低温胁迫中的适应性。通过对黄瓜幼苗、玉米幼苗、小麦幼苗的研究发现，外施水杨酸的效果在各植物、各品种之间有差异，因此试验分析了郑麦1860和郑麦369在2种温度下经外源水杨酸处理后各生理指标的变化，以期来研究外源水杨酸和温度对小麦幼苗抗氧化酶活性及MDA含量的影响。从本研究结果可以看出，0 ℃条件下，经水杨酸处理的郑麦1860 CAT活性在6 h提高122.17%，POD活性无显著性差异，SOD活性在24 h显著提高，MDA含量在6、24 h显著降低；郑麦369的CAT活性在24 h升高但差异不显著，POD活性在6 h升高17.12%，SOD活性在6 h提高3.25%，MDA含量在6、24 h分别降低2.80%、23.66%。说明0 ℃胁迫下，SA可以不同程度诱导抗氧化酶活性的增强，同时抑制膜质过氧化物MDA的增加。此外通过分析2个品种间各生理指标的变化发现，外源水杨酸和温度对2个品种CAT 、POD、SOD活性的影响不一致，但MDA含量变化规律总体一致，说明通过外源物质诱导和低温锻炼均能提高幼苗的逆境适应能力。

综上所述，本研究明确了外源SA和低温诱导对郑麦1860和郑麦369快速叶绿素荧光诱导曲线参数及抗氧化酶活性的变化，0 ℃条件下能够显著降低郑麦1860和郑麦369 的/、PI、RC/CSm、，SA处理可以降低这些参数的下降幅度，此外，SA处理能够显著增加郑麦1860和郑麦369的CAT、SOD活性，降低MDA含量，且品种间有差异。植物对低温的响应是一个复杂的生理过程，每一个与低温相关的指标都能影响到小麦的生长发育，但是这种作用又是微效的，因此针对生产中应用较广泛的品种开展外源物质和逆境条件的抗逆性评价和作用机制研究，对现实生产具有重要意义，对提升小麦主产区抗逆境胁迫的丰产稳产能力具有促进作用。