冷害对多茸毛型线辣椒幼苗生理水平的影响

陈 艳,黄璐瑶,邓昌蓉,张彦君,侯全刚,邵登魁

(青海大学农林科学院/青海省蔬菜遗传与生理重点实验室,西宁 810016)

0 引 言

【研究意义】辣椒(CapsicumannuumL.),属茄科辣椒属植物[1],青海省为高原温带、高原亚寒带和高原寒带[2],其辣椒生产主要依靠日光温室,尤其是冬春季生产100%依靠设施。辣椒受到低温胁迫后,会出现生理生化代谢紊乱、形态发育失调、生活力降低乃至凋亡、植株发育迟缓和生殖生长严重失调[3]等。有研究将辣椒分为4个种,其中茸毛辣椒(CapsicumPubessensKeep.)是在安底斯山区广泛栽培的高原种[4]。茸毛作为一种天然的屏障,可以减少植物与病原物的接触。植物茸毛性状与植物的抗逆性相关,除了抗虫、抗病外,茸毛性状也被认为具有保温和防紫外线的作用[5-8]。研究特色辣椒种质资源,对于选育适宜当地设施栽培的辣椒品种具有重要意义。青线椒2号高花果率高、抗病性强、抗寒性较高,是青海特色种质资源,综合评价青线椒2号,对于新种质的认知和高效利用具有重要意义。【前人研究进展】在西北地区具有茸毛性状的植物可能拥有更好的抗寒性。多数辣椒栽培品种一般不具茸毛[9],而多茸毛型线辣椒青线椒2号是由少茸毛的“循化线辣椒”群体中的天然变异株经选育而成的新品种,其茎、叶柄密着白色茸毛[10]。【本研究切入点】辣椒对温度的要求介于茄子和番茄之间,其生长的最适温度为24～28℃,低于15℃生长发育就会受到阻碍,低于10～12℃就会受到冷害,而且在整个生育期都易受冷害[11, 12]。需研究茸毛型线辣椒种质资源的抗寒性以及对低温的适应性。【拟解决的关键问题】以多茸毛型线辣椒品种青线椒2号为材料,对其进行不同温度、不同周期长度的低温胁迫处理,测定其幼苗在温度梯度处理及时间梯度处理下的SOD活性、可溶性糖含量、可溶性蛋白质含量、丙二醛含量等生理指标的变化,进行显著性分析,为茸毛型种质资源利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

选用多茸毛型线辣椒品种青线椒2号,由青海农林科学院提供。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

田间试验地点在青海省农林科学院园艺创新基地。采用72孔穴盘进行育苗,待幼苗在温室中长至4叶1心时,取长势一致的壮苗移入光照培养箱中进行低温处理,试验共设置4个处理,3次重复,每个重复30株。表1

表1 试验设计

1.2.2 测定指标

各组在分别处理15、30、45、60 d后,在各处理时间段取样,用于测定不同处理下的生理指标。

超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑法[13]测定。

可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法[14],以蔗糖溶液制作标准曲线。

可溶性蛋白含量测定采用考马斯亮蓝染色法[15],可溶性蛋白质的提取同SOD酶液提取方法,以牛血清白蛋白制作标准曲线。

丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸比色法[16]测定。

1.3 数据处理

利用Excel 2010进行数据处理,Origin 2019制图,利用SPSS 22.0进行差异显著性分析与相关性分析。

2 结果与分析

2.1 超氧化物歧化酶(SOD)活性的变化

2.1.1 同一处理天数不同处理间SOD活性比较

研究表明,4个处理的SOD活性在处理60 d时整体上达到最低水平,4个处理的平均值为90.42 μ/g,最小值为处理4,为90.4 μ/g;4个处理的SOD活性峰值出现在处理30 d时,平均值为122.25 μ/g,最大值为处理2,达到138.64 μ/g;与处理15 d时SOD活性最小值相比,增加了16.61%。图1

图1 不同时间下各处理组SOD活性的变化

2.1.2 全周期不同处理间SOD活性比较

研究表明,除了对照组变化不明显外,其它3个处理均是先升高后降低趋势,其中最大值为处理2,峰值出现在处理30 d时,而对照处理的峰值出现在处理45 d时。处理15 d时,各处理组之间SOD活性均存在显著性差异。处理30 d时,各处理与对照间均存在显著差异;处理1和处理2、处理3间存在显著差异;。处理45 d时,各处理和对照间存在显著差异;处理1、处理2与处理3间在显著性差异。处理60 d时,处理1、处理2与对照间存在显著差异。表2,图1

表2 不同温度强度下SOD活性差异性比较

2.2 可溶性糖含量的变化

2.2.1 同一处理天数不同处理间可溶性糖含量比较

研究表明,随低温处理时间延长,可溶性糖含量呈先升高后降低趋势,4个处理可溶性糖含量最低为处理60 d时,平均值为6.08 mg/g,最小值为处理4,为3.5 mg/g;4个处理SOD活性最高为处理处理45 d时,平均值为10.43 μ/g,最大值为处理3,为13.05 mg/g,相较于处理15 d,可溶性糖含量增加66.97%。图2

图2 不同时间下各处理组可溶性糖含量变化

2.2.2 全周期不同处理间可溶性糖含量比较

研究表明,除了处理2可溶性糖含量变化相对较小,其他3个个处理的变化趋势均为先上升后下降。其中最大值为处理3,峰值出现在处理45 d时,而对照组的峰值出现在处理45 d时。处理间显著性检验结果表明,在处理15 d时,各处理与对照间均存在显著差异。处理30 d时,各处理与对照间存在显著差异;处理1、处理2与处理3间存在显著差异。处理45 d时,各处理和对照间存在显著差异;处理1、处理3和处理2间存在显著差异。处理60 d时,各处理组之间可溶性糖含量均存在显著性差异。表3,图2

表3 不同温度强度下可溶性糖含量差异性比较

2.3 可溶性蛋白质含量的变化

2.3.1 同一天数下不同处理间可溶性蛋白质含量比较

研究表明,随低温处理时间延长,可溶性蛋白质含量呈先升高后降低趋势,4个处理组可溶性糖含量最低出现在处理60 d时,平均值为12.62 mg/g,最小值为处理2,含量为11.05 mg/g;4个处理组可溶性糖含量最高为处理30 d时,平均值为45.11 mg/g,最大值为处理4,为64.68 mg/g,相较于处理15 d时,可溶性蛋白含量增加330.00%。图3

图3 不同时间下各处理组可溶性蛋白质含量变化

2.3.2 不同处理间可溶性蛋白质含量比较

研究表明,各处理均是先升高后降低趋势,其中最大值为对照组处理4,峰值出现在处理30 d时。在处理15 d时,各处理组之间可溶性蛋白质含量均存在显著差异。处理30 d时,处理1、处理3与对照间存在显著差异;处理1、处理3和处理2间存在显著差异。在处理45 d时,处理1与对照组间存在显著差异;处理1与处理2、处理3间存在显著差异。到处理60 d时,处理1、处理2、处理3与对照间存在显著差异。表4,图3

表4 不同温度强度下可溶性蛋白质含量差异性比较

2.4 MDA含量的变化

2.4.1 同一天数下不同处理间MDA含量比较

研究表明,随低温处理时间延长,丙二醛含量呈先上升后下降的变化趋势,整体上4个处理丙二醛含量最低值出现在处理60 d,平均值为1.78 mol/L,最小值出现在处理4,为1.62 mol/L;4个处理丙二醛含量最高值出现在处理30 d,平均值为2.63 mol/L,最大值出现在处理3,为3.19 mol/L,相较于处理15 d时,MDA含量增加60.32%。图4

图4 不同时间下丙二醛含量变化

2.4.2 不同处理间丙二醛含量比较

研究表明,处理1、处理2丙二醛含量变化趋势为先下降后上升再下降;处理3、处理4丙二醛含量变化趋势为先上升后下降。在处理15 d时,处理1、处理3与对照组间存在显著差异;处理1和处理3间存在显著差异。在处理30 d时,处理2、处理3与对照组间存在显著差异;处理1、处理2和处理3各处理间存在显著差异。处理45 d时,对照组与其他3组存在显著差异;处理1、处理2和处理3间存在显著差异。到处理60 d时,处理2与对照组间存在显著差异;处理1和处理2之间存在显著差异,处理2与处理3存在显著差异。表5,图4

表5 不同温度强度下丙二醛差异性比较

3 讨论

3.1 SOD活性反映出材料对高低温度响应的差异性

SOD酶活性的变化可以作为评价植物耐热抗寒性的重要指标[17]。试验结果表现为各处理组SOD活性变化趋势为先升高后下降。SOD含量变化幅度最小的是处理4,变化幅度最大的处理2,其变量绝对数值约为处理4的3.7倍。SOD酶活性对植物的抗逆性影响是有一定的阈值的[18]。随着胁迫时间的延长,处理4 SOD活性的变化并不是很大,SOD活性整体水平比较低、启动慢或未启动应激反应,而其他3组峰值的数值与处理15 d时相比增幅均在16%以上,最高接近于18%,在处理60 d时,3组的SOD活性均低于各组在处理15 d时的数值。当植物受到胁迫时,会产生氧化应激反应,造成体内大量ROS积累,引起膜脂过氧化,影响植物体内生理代谢平衡,此时SOD作为重要抗氧化酶协同其他功能蛋白清除活性氧,缓解对植物的伤害。3个处理组的处理温度均低于试验材料的最适宜生长温度,SOD活性的升高可以及时清除低温胁迫下植物体内积累的过氧化物质,但过低的温度又会抑制SOD酶的活性,导致植物体内的ROS大量积累,造成不可逆的损伤[19],随着处理时间的延长,SOD的活性又大幅下降。试验总处理时长为60 d,其中处理4的白天处理温度为30℃,属于长时间稍高温度更倾向于产生对植物的间接伤害。可能是由于持续高温破坏了植物体内的酶结构或酶系统,也可能是随着时间的延长,并不是过于极端的较高温使得植物出现抗逆性,表现出植物在SOD活性水平上的高温适应性。

3.2 可溶性糖变化反映了材料在低温和常温的一致性

研究中各组的可溶性糖含量变化趋势均表现为“升高-降低”,且各组峰值均出现在处理45 d时,处理1和处理3水平相当,处理3的日间处理温度为25℃,是最接近于试材最适宜生长温度的处理,低温造成的水解作用不明显,低温没有引起茸毛型种质资源青线椒2号的糖代谢紊乱,表现为更好的抗寒性,与赵一航等[20]的研究结果相同。处理温度的略高或略低都导致了可溶性糖含量的降低:处理4的可溶性糖水平比较低,原因可能是由于暗处理温度较高,呼吸作用太强,消耗掉了大量的可溶性糖。较低的膜透性是植物耐高温的生理基础[21],随着胁迫时间的延长,导致了在处理4中可溶性糖含量整体水平较低,处理2作为略低温处理,相对于处理4,其可溶性糖含量较高,也更接近于处理3的可溶性糖含量水平。茸毛型品种可能具有更优良的的抗寒性以及对低温胁迫的适应性。

3.3 可溶性蛋白质变化反映出材料在低温下无明显膜氧化

可溶性蛋白为重要的渗透调节物质和营养物质,其含量增加和积累能提高细胞的保水能力,对细胞的生命物质及生物膜起到保护作用,经常用作筛选抗性的指标之一。与可溶性糖含量变化一致,试验可溶性蛋白质含量的变化趋势为先升高后降低。研究中处理1(低温)和处理3(常温)可溶性蛋白质含量水平与变化趋势一致,无显著差异,在这2种处理中蛋白质主要以储存方式存在,溶解性较低,不是以渗透调节和膜过氧化保护形态存在,证明了青线椒2号耐低温性优良。处理4水平较高,受到了高温胁迫,可能是该材料来源于青藏高原冷凉气候条件下的个体变异,对高温的耐受度比较低,也因此较高的光暗处理温度引起其代谢失调,表现出较高的可溶性糖水平,试验结果表明可溶性糖与可溶性蛋白质含量呈极显著负相关,二者同样作为渗透调节物质,均可反应植物对非生物胁迫的耐受力,但可溶性蛋白质含量峰值出现的时间要早于可溶性糖,并且其变化幅度也较大,可溶性蛋白质对于温度胁迫相应更敏感,可溶性蛋白质的快速响应也可以提高植物对非生物胁迫的适应性。

3.4 丙二醛变化反映材料在低温下氧化产物积累不明显

丙二醛作为氧化终极产物,其含量高低代表着受损细胞膜氧化还原反应的水平。处理1变化幅度不大,低温对青线椒2号细胞中的氧化产物积累作用不大,也就间接证明了其抗寒性较强,与前人研究结果一致[20, 22]。而处理3条件下,其温度处理在4各处理间为最适宜的,但其丙二醛水平却是最高,原因为试材受到水盐胁迫,由于在试验处理过程中,每日浇水量以及施肥量均为人工控制,不能做到控制唯一变量从而导致产生误差;试材受到病害或受其他植物影响,试验各处理组分别配置独立低温培养箱,处理3可能在处理过程中受到病害侵染从而产生试验误差。到处理45 d时,丙二醛含量都维持着较高的水平,SOD活性、可溶性蛋白质的含量也较高,植物体内的生理代谢较为旺盛,随着胁迫时间的延长每个指标水平都趋于下降,可能是由于试材经过低温锻炼对低温环境的适应性有所提高。

3.5 材料具有较强抗寒性

温度对于植物的整个生长阶段都有影响,除了影响作物的品质产量外,低温还极大地限制了植物的地理分布,尤其是野生植物[23],了解植物在低温胁迫下的反应机制以及选育抗寒性强的植物种质资源新品种变得尤为重要。

李红霞等[24]认为植物在长期进化的过程中形成了复杂高效的分子调控机制,引起植物细胞形成在生理和生化水平上的适应性调整,对于植物抗寒性的评定还应结合多方面进行分析评价,综合评定植物抗寒性。

4 结 论

4.1随着胁迫时间的延长,各生理指标整体变化趋势为先增加后降低,其中可溶性蛋白质含量的变化幅度最大。在处理的最后1 d,即处理第60 d,不同处理温度下的各指标含量(活性)均低于第15 d时的含量(活性)。而在处理2、处理3中,即处理温度分别为20、25℃的处理组中,在大部分时间下各指标含量要显著高于处理4(CK),表现出更高的生理活性与代谢能力,青线椒2号苗期适宜生长温度范围为20～25℃。在处理第60 d时与处理15 d相比,SOD作为保护物质,以及MDA含量均有所下降,并且可溶性蛋白含量与可溶性糖含量、丙二醛含量具有显著相关性,在线辣椒抗寒性分析时可将其作为评价指标。

4.2青线椒2号各指标都表现出了较高水平,多茸毛型辣椒具有较好的耐低温性,随着胁迫时间的延长,对低温环境的较强适应性,多茸毛材料对低温逆境具有一定抗性,在诱导抗性表现也比较强。