低温胁迫下外源褪黑素对番茄幼苗光抑制的缓解效应.pdf

赵海亮 左璐 张璐 等 低温胁迫下外源褪黑素对番茄幼苗光抑制的缓解效应 应用生态学报 低温胁迫下外源褪黑素对番茄 幼苗光抑制的缓解效应 赵海亮 左 璐 张 璐 郭天宇 张 毅 李小靖 胡晓辉 王玉萍 山西农业大学园艺学院 山西晋中 山西农业大学实验教学中心 山西晋中 西北农林科技大学园艺学 院 陕西杨凌 摘 要 为了探究外源褪黑素对低温逆境条件下番茄光合系统破坏的缓解机制 设置常温 水 常温 褪黑素 低温 水 低温 褪黑素 个处理 对番茄幼苗光合与叶绿素荧光参数 叶绿体抗坏 血酸 谷胱甘肽 循环效率进行分析 结果表明 与 相比 的光合速率下降了 叶绿体中的丙二醛含量升高了 超氧阴离子产生速率 含量分别升高了 而低温下施用褪黑素显著缓解了这一趋势 处理光合速率比 提升了 丙二醛含量 超氧阴离子产生速率 含量分别降低了 与 相比 处理光系统 光化学能转化系数和调节性能量耗损系数分别升高了 和 非调节性能量耗损系数下降了 循环中关键代谢酶活性均有不同程度的增强 综 上 低温下施用外源褪黑素可以平衡光系统 的能量分布 增强叶绿体中 循环的活性氧清除效率 进而缓解低温引起的光抑制 关键词 番茄 褪黑素 低温 光抑制 叶绿体 本文由山西省重点研发计划项目 国家重点研发计划项目 山西省应用基础研究项目 和山西农业大学科技创新基金项目 资助 收稿 接受 通讯作者 应用生态学报 年 月 第 卷 第 期 节能型日光温室与塑料大棚是我国秋冬季节园 艺生产设施的主要类型 由于大部分没有配备加热 设备 其环境调控能力普遍较弱 雨雪天气时棚内极 易出现低温逆境 近年来大气污染引发的雾霾天气 又进一步加剧了低温逆境的危害 低温条件 下 植物体内大部分代谢酶的活性急剧下降 质膜系 统发生相变 功能减弱 导致各项生理活动受阻 极 大地限制了植物的生长发育进程 光合作用是植物体内极其重要的生命活动过 程 所产生的有机物是植物细胞生长与分化 器官形 成等生命活动物质和能量的来源 光合作用的 正常进行依赖于光能吸收与转化的平衡 当植 物遭受低温逆境时 代谢酶活性下降导致卡尔文循 环运转效率降低 使得光系统吸收的光能不能及时 转化 多余的激发能则会诱导活性氧 的大量 产生 对植物细胞造成伤害 从而进一步削弱光合作 用的强度 为了应对可能产生的光抑制 植物 体逐步形成了一系列的应对机制 当植物叶片吸收 的太阳辐射能超过光系统的转化需求时 过多的光 能将会被以热能的形式耗散掉 同时环式电子传递 假环式电子传递及叶黄素循环的效率也会相应提 升 加强对多余光能的耗散能力 得益于植物 无损检测技术的进步 植物对多余光能的耗散能力 可以通过叶绿素荧光参数来评价 此外 植物体 内一些抗氧化酶活性也会显著提升 从而加强对 的清除能力 褪黑素是植物体内广泛存在并具有与生长素相 似功能的一种吲哚类物质 褪黑素及其代谢 物不仅是一种高效的 清除物质 而且近年来关 于干旱 温度逆境 重金属胁迫等方面的研究结果表 明 褪黑素可以激活植物的抗氧化能力 提高 的清除速率 尽管关于褪黑素提高植物抗逆 性的研究取得了很多进展 但大多在组织细胞水平 上研究褪黑素对抗氧化酶的调控 而关于低温胁迫 下褪黑素调控植物光合系统的研究仍不够深入 作为一种重要的园艺作物 番茄 在反季节栽培中时常遭遇低温胁迫 因 此 本研究以番茄为试材 通过测定幼苗光合荧光 及叶绿体抗坏血酸 谷胱甘肽 循环参数 系统研究外源施用褪黑素对番茄光合系统的保 护机制 以期为设施园艺作物抗寒栽培提供理论 指导 材料与方法 试验材料培育 试验于 年在山西农业大学园艺学院实验 室和人工气候室 进行 选取 合作 番茄为试材 于 月 日将番茄种子播 种于装有 金沃德 育苗基质的 孔穴盘中 然后 置于人工气候室培养 人工气候室相对湿度为 白天 夜间 光周期设定为 光 暗 光强为 试验设计 待番茄幼苗长至三叶一心时 将其平均分为两 组 一组浇灌 的褪黑素溶液 褪黑素 溶于微量无水乙醇后 用清水定容 一组浇灌清水 含相同浓度的无水乙醇 连续预处理 后 以 上两组分别选取一半的番茄幼苗移至另外一个气候 室进行为期 的低温处理 该气候室白天温度设 定为 夜晚温度设定为 其他环境参数同 上 这样就形成了 个处理 常温 水对照 常温 褪黑素 低温 水 低温 褪黑素 每处理设定 个重复 随机区组排列 每个 重复 株番茄幼苗 在 的低温处理期间 各 试验组继续浇灌对应溶液 低温处理的第 天 各重复随机选取 株幼苗用于样品采集 考虑到试验处理期间不同处理番茄植株的叶片数为 片不等 故各处理统一采集自植株顶端向下的 第 片功能叶用于提取叶绿体 光合和荧光参数测定 于低温处理的第 天和第 天 各处理随机选 取 株番茄 上午利用 光合仪测定自植株 顶端向下第 片功能叶的光合速率 光合仪 通过气管连接缓冲瓶供气 叶室光强设定为 气路流速设定为 叶 室混合扇转速设定为 于低温处理第 天的夜晚 植株在经过至少 的充分暗适应后 选取植株顶端向下的第 片功 能叶利用 调制型叶绿素荧光仪测定初 始荧光 稳态荧光 最大荧光 等叶绿 素荧光参数 测量光强度设定为 档 活化光强度 设定为 档 饱和脉冲光强度设定为 档 光化学 淬灭参数 光系统 最大光合效率 非光化学淬灭参数 光系统 光化学能 转化系数 光系统 调节性能量耗损系数 光系统 非调节性能量耗损系数 应 用 生 态 学 报 卷 参照 等 的方法计算 激 发能分配系数 激发能分配系数 与 之间激发能分配的不平衡性 参照 李恺等 的方法计算 叶绿体提取及 循环相关生化指标测定 叶绿体参照 等 的方法提取 超氧 阴离子 产生速率参照 等 的方法测定 丙二醛 含量参照 等 的方法测定 含量参照 等 的方法测定 单脱氢 抗坏血酸 还原型谷胱甘肽 抗坏血 酸 和氧化型谷胱甘肽 含量参照 等 的方法测定 超氧化物歧化酶 活性参 照 的方法测定 抗坏血酸过氧化物酶 活性参照 等 的方法测定 单脱氢抗 坏血酸还原酶 活性参照 等 的方 法测定 脱氢抗坏血酸还原酶 活性参照 等 的方法测定 谷胱甘肽还原酶 活 性参照 等 的方法测定 数据处理 利用 软件对试验数据进行统计分析 采用 单因素和 法进行方差分析和多重比较 采用 软件作图 采用 软件组图 图表中数据为平均值 标准差 结果与分析 外源褪黑素对番茄光合速率和叶绿素荧光参 数的影响 光合速率 常温环境下 番茄幼苗的光合速 率维持在 图 当幼苗移 至低温环境后 光合速率急剧下降 处理后 和 时 处理的光合速率只有 处理的 和 而低温下施用褪黑素显著缓解了光合速率的 下降趋势 在处理 和 时 处理的光合速率 分别比 处理高 和 15 12 9 6 3 0 6 12 UNI5904UNI7406UNI65f6UNI95f4Treatment time d P n m o l m s 2 1 NW NM CW CM a a c b a a c b 图 外源褪黑素对番茄幼苗光合速率 的影响 常温 水 常温 褪黑素 低温 水 低温 褪 黑素 不同小写字母表示同一时间不同处理间差 异显著 下同 荧光参数 如表 所示 低温胁迫引起了光 系统 最大光合效率 和 激发 能分配系数 的显著下降 却导致初始荧光 激发能分配系数 与 之间激发能 分配的不平衡性 显著上升 与 处理相 比 处理的 和 分别下降了 和 则分别升高了 与 处理相比 处理的 和 分 别提高了 和 则分别下降了 这说明低温胁迫对番茄光合 系统产生了破坏作用 打破了光系统间的平衡关系 引起了光抑制 低温下施用褪黑素可以显著缓解 的下降及 的升高 维持 与 之间的平衡关系 如图 所示 低温胁迫导致番茄光化学淬灭参 数 明显下降 同时引起非光化学淬灭参数 显著上升 与 处理相比 处理的 下降了 上升了 与 处理相比 表 外源褪黑素对番茄幼苗叶绿素荧光参数的影响 处理 常温 水 常温 褪黑素 低温 水 低温 褪黑素 下同 初始荧光 光系统 最大光化学效率 光系统 激发能分配系数 光系统 激发能分配系数 光系统 与光系统 之间激发能分配的不平衡性 不同小写字母表示不同处理间差异显著 期 赵海亮等 低温胁迫下外源褪黑素对番茄幼苗光抑制的缓解效应 图 外源褪黑素对番茄幼苗光化学淬灭系数 和非光 化学淬灭系数 的影响 处理的 提升了 提升了 这 说明低温胁迫引起番茄 光合活性的下降及热 耗散的提高 而施用褪黑素不仅缓解了光合活性的 下降 而且加速了光合热耗散的进程 外源褪黑素对番茄幼苗 激发能分配的影响 如图 所示 低温胁迫导致光系统 光化学能 转化系数 大幅度下降 却引起了调节性能 量耗损系数 和非调节性能量耗损系数 的上升 与 处理相比 处理的 下降了 而 和 则分别 上升了 和 与 处理相比 处理 的 和 分别提高了 和 则下降了 表明褪黑素的施用显著 缓解了低温胁迫引起的 下降和 升高 却进一步加剧了 的升高 外源褪黑素对番茄幼苗叶绿体中丙二醛含量 超氧阴离子产生速率和 含量的影响 低温胁迫下 和 处理番茄叶绿体中丙二 醛 含量均显著升高 其中 处理 期 间的增速最快 增幅达到 时 含量比 时升高了 图 虽然在低温胁迫的后 含量增速相对减缓 但是增速仍维持在 截止处理 时 含量已升高 至 时的 倍 低温处理的前 施用褪黑素 与否并未引起 含量的差异 然而从第 天开 始 施用褪黑素显著抑制了 的积累 处理 中的 含量在第 天分别比 处理低 和 说明褪黑素的缓解作用随 时间的推移有所减弱 由图 可知 低温胁迫引起 和 处理叶 绿体中超氧阴离子 产生速率显著升高 处理 第 天时 产生速率已达到 时的 倍 随后 维持在 左右 褪黑素的施用 显著缓解了低温引起的 产生速率的上升 与 处理相比 处理的 产生速率在第 天分别下降了 在低温胁迫的前 处理叶绿体中 含量急速上升 到第 天时 含量已是 的 倍 随后 含量的增速显著减缓 在低温处 理的前 施用褪黑素显著降低了叶绿体中 含量 但缓解效应随着时间的推进逐渐减弱 在第 天 处理叶绿体中 含量分别比 处理低 但到第 天时二者 数值趋于一致 图 外源褪黑素对番茄幼苗叶绿体中 循 环组分含量的影响 由图 可知 低温胁迫开始后 处理叶绿体 NW NM CW CM Y Y NPQ Y NO 图 外源褪黑素对番茄幼苗 激发能分配的影响 光系统 光化学能转化系数 光系统 调节性能量耗损系数 光系统 非调节性能量耗损系数 应 用 生 态 学 报 卷 1 8 1 5 1 2 0 9 0 6 0 3 0 0 3 6 9 12 UNI5904UNI7406UNI65f6UNI95f4Treatment time d M D A UNI542b UNI91cf M D A c o n t e n t m o l m g 1 NW NM CW CM a a c b a a a a c c a b b b a a c c c c 图 外源褪黑素对番茄幼苗叶绿体中丙二醛 含量 的影响 图 外源褪黑素对番茄幼苗叶绿体中超氧阴离子 产生速率和 含量的影响 中抗坏血酸 含量急剧升高 到 时达到峰 值 在随后的 中先是小幅下降 后又略有上升 低温胁迫也引起 处理中 含量升高 变化趋 势与 处理基本相同 处理中的 含量除 在第 天时比 处理低 外 在 时 均显著高于 处理 分别高 低温处理开始后的前 处理叶绿体中单脱氢 抗坏血酸 含量大幅度升高 在接下来的 中 含量先是略有下降后又明显上升 于 时达到峰值 低温期间 处理 含量也表现 出与 处理相同的变化趋势 与 处理相比 处理 含量在 和 时显著下降 但在 和 时二者无显著性差异 低温胁迫开始后 和 处理中 含量的变化趋势基本与 含量相同 低温胁迫 导致 随着时间的推进大致呈梯度下降的 趋势 时 只有 时的 施用 褪黑素在一定程度上缓解了低温引起的 下降 和 处理除在 时差异不显著外 处理中 在 时分别比 处理高 低温胁迫开始后的前 处理中还原型谷 胱甘肽 含量表现为缓慢增长 随后开始急剧 上升 处理中 含量在低温处理后的前 并未发生明显变化 在随后的 中急剧上升 在 时达到峰值 增幅显著高于 处理 随后 含量又略有下降 到 时 与 处理中的 含量无显著性差异 含量的变化 趋势与 类似 和 处理中氧化型谷胱甘肽 含 量在低温胁迫的前 均缓慢上升 时急速 上升 随后增速趋缓 于 时达到峰值 除 和 外 与 处理中 含量均无显著性差异 低温也导致 和 处理中 的急剧下 降 与 处理相比 处理的 虽然在 降幅更大 但随后的下降幅度显著趋缓 处理的 在 时分别比 处理 低 外源褪黑素对番茄叶绿体中超氧化物歧化酶 及 循环关键酶活性的影响 低温胁迫开始后 处理叶绿体中超氧化物 歧化酶 活性急剧上升 于 时达到峰值 随 后开始下降 但仍远高于常温对照 在 时仍比 常温对照高 处理叶绿体中 活性在 低温处理后也急剧升高 其升高趋势持续到低温处 理的第 天 随后开始下降 处理的 活性 除在 时低于 处理外 在 时分别比 处理高 图 说明施用 褪黑素有利于番茄叶绿体中 活性维持在较高 水平 由图 可知 低温开始后 和 处理中抗 坏血酸过氧化物酶 活性均表现为急速升高 但第 天开始增速趋于平缓 整个低温处理期间 期 赵海亮等 低温胁迫下外源褪黑素对番茄幼苗光抑制的缓解效应 11 10 9 8 7 6 5 A s A D H A 0 3 6 9 12 UNI5904UNI7406UNI65f6UNI95f4Treatment time d 9 8 7 6 5 G S H G S S G 0 0 3 3 6 6 9 9 12 12 18 16 14 12 10 8 6 4 2 1000 900 800 700 600 500 400 G S S G n m o l m g 1 A s A n m o l m g 1 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 160 140 120 100 80 60 40 120 100 80 60 40 20 120 100 80 60 40 20 A s A D H A n m o l m g 1 D H A n m o l m g 1 G S H G S S G n m o l m g 1 G S H n m o l m g 1 NW NM CW CM 图 外源褪黑素对番茄幼苗叶绿体中 循环组分含量的影响 抗坏血酸 还原型谷胱甘肽 单脱氢抗坏血酸 氧化型谷胱甘肽 UNI5904UNI7406UNI65f6UNI95f4Treatment time d 1 6 1 4 1 2 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 S O D UNI6d3b UNI6027 S O D a c t i v i t y U m g 1 0 3 6 9 12 NW NM CW CM 图 外源褪黑素对番茄幼苗叶绿体中超氧化物歧化酶 活性的影响 处理中 活性均远高于 处理 在 时分别高 两处 理的单脱氢抗坏血酸还原酶 活性也于低 温胁迫后大幅度升高 均于 时达到峰值 随后又 小幅下降 处理的 活性除在 时低于 处理外 在 时分别比 处理高 低温处理的前 处理中脱氢抗坏血酸还 原酶 活性急剧升高 后增幅远小于前 处理中 活性在处理的前 与 处理基本持平 在 时增幅远大于 处理 在 有小幅波动 在 时分别比 处理 高 和 处理中谷胱甘 肽还原酶 活性在胁迫开始后变化趋势基本一 致 均先升高后下降 于 时达到峰值 但 处 理中 活性从第 天开始均显著高于 处理 在 时分别高 讨 论 番茄是一类喜温作物 当遭遇低温时 其细胞内 的各项生理进程会受到明显的影响 作为植物体内 最重要的生理进程 光合作用也极易受低温胁迫的 影响 本试验结果表明 低温胁迫导致番茄光合速 应 用 生 态 学 报 卷 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 3 6 9 12 UNI5904UNI7406UNI65f6UNI95f4Treatment time d D H A R UNI6d3b UNI6027 D H A R a c t i v i t y m o l D H A m g m i n 1 1 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 30 0 25 0 20 0 15 0 10 0 05 G R UNI6d3b UNI6027 G R a c t i v i t y m o l D H A m g m i n 1 1 0 40 0 35 0 30 0 25 0 20 0 15 0 10 0 05 A P X A P X a c t i v i t y UNI6d3b UNI6027 1 1 m o l A s A m g m i n M D H A R UNI6d3b UNI6027 M D H A R a c t i v i t y m o l N A D H m g m i n 1 1 0 3 6 9 12 NW NM CW CM 图 外源褪黑素对番茄幼苗叶绿体中 循环关键酶活性的影响 抗坏血酸过氧化物酶 单脱氢抗坏血酸还原酶 脱氢抗坏血酸还原 酶 谷胱甘肽还原酶 率出现大幅度下降 而外源褪黑素的施用显著缓解 了这一进程 这与在黄瓜中的研究结果一致 得 益于植物无损监测技术的进步 植物叶绿素荧光参 数的变化可以衡量植物光系统的运转状况 的变化表征了光系统反应中心的受损程度 则反映了植物 光能转换的最大潜能 本试 验低温胁迫导致番茄叶片 的显著升高和 的明显下降 而施用褪黑素显著缓解了这一变化趋 势 这说明低温胁迫下番茄叶片 结构受损 发 生光抑制 而施用褪黑素有助于维持 的功能与 结构完整 等 研究表明 褪黑素有利于维持 黄瓜叶绿体结构的完整性 减轻类囊体的变形 逆 境条件下 植物 和 均会遭受不同程度的 损害 引起两个光系统之间激发能分配的严重失 衡 本试验结果表明 低温导致 的下降和 的上升 引发 与 之间激发能分配的不平 衡性 而褪黑素的施用显著缓解了这一变化趋势 说 明褪黑素对番茄光合系统的保护是整体性的 同时 也反映了褪黑素缓解番茄低温胁迫机制的复杂性 反映了 吸收的光能用于光化学反应的 比例 而 则反映了 吸收的光能用于热耗 散的比例 低温导致 的下降和 的升 高 而褪黑素的施用缓解了 的下降 却进一步促 进了 的升高 这说明褪黑素不仅有利于维持 光能转化的进行 而且促进了过多激发能的耗 散 缓解了过多激发能对光合系统的压力 为了进 一步了解褪黑素对番茄光合系统的保护机制 本试 验对 的光能分配状况进行了分析 吸收 的光能根据其流向可以分为三部分 形成化学 能 被光合作用等生理进程消耗 这部分能量所占比 例用 表示 转化为热量或荧光 这部分能 量所占比例用 表示 通过叶黄素循环等生 理过程以热量的形式耗散掉 这部分能量所占比例 用 表示 本研究中 低温导致番茄 下降 和 升高 而施用褪黑 素减弱了 的降低与 的升高 促进了 的升高 等 研究表明 低温胁迫下 施用褪黑素可以促进番茄叶黄素循环效率 结合低 温下褪黑素对番茄 和 的维持作用 说明褪黑素 的施用可能通过叶黄素循环加快了过多激发能的耗 散速率 从而缓解了光系统的能量压力 维持了光合 电子链的正常传递 逆境胁迫下植物可以通过自身调节作用加速对 过多激发能的耗散进程 然而受自身调节能力的限 制 仍有一定比例的激发能不能被有效利用或耗散 掉 那么这部分能量中的一部分就会转化为电能 引 发 的过量产生 多余的 会与质膜发生 反应形成 破坏植物膜系统 引起叶绿体等器 官的变形 导致蛋白变性 受损 生物酶钝化 扰乱卡尔文循环等各项生理进程 多项研究 期 赵海亮等 低温胁迫下外源褪黑素对番茄幼苗光抑制的缓解效应 表明 褪黑素可以有效缓解盐胁迫 干旱 重金属 衰 老等逆境胁迫引起的植物体内 的爆发 在 本试验中 褪黑素的施用显著抑制了低温胁迫引起 的 及 的大量产生 减少了 的积累 这 对维持叶绿体结构与功能的完整性发挥了重要的 作用 循环是植物体内一条重要的 清 除途径 研究表明 逆境条件会在一定程度上激发 该循环的高效运转 过量的 首先在 的催化 下形成 而产生的 又会在 的催化下 形成 在这一过程中 扮演了电子受体的角 色 并转化为 而 和 在 及 的作用下相互转化又推动了 向 的再 生 本研究低温胁迫开始后 番茄 含量均显著升高 却明显下降 这意味着 低温促进了 和 的生成 同时为了将过量 产生的 还原为 更高比例的 转化为 而 含量的升高及 的下 降说明 向 的转化加强 以匹配 向 的转化再生 等酶活性的升高则加速了 循环效率 可 见 褪黑素的施用进一步提升了 含量 提 高了 等酶的活性 使 循环效率进一步提升 从而缓解了 的下降 这与 等 在 苹果叶片衰老中的研究结果相一致 结 论 低温逆境条件下番茄对光能的需求下降 过多 的激发能引起了 的过量产生 外源褪黑素的施 用促进了 过量激发能的有序耗散 减轻了光系 统激发能的压力 同时加强了叶绿体中 的 循环效率 增强了 的清除速率 从而减轻了低 温逆境诱发的光抑制 参考文献 应 用 生 态 学 报 卷 李恺 张丽丽 邵长勇 等 亚高温下冷等离子体处 理番茄种子对幼苗生长和光能利用的影响 园艺学 报 杜清洁 代侃韧 李建明 等 亚低温与干旱胁迫对 番茄叶片光合及荧光动力学特性的影响 应用生态 学报 耿庆伟 邢浩 翟衡 等 臭氧胁迫下不同光强与温 度处理对 赤霞珠 葡萄叶片 光化学活性的影 响 中国农业科学 汪宽鸿 朱祝军 祝彪 在植物应对非生 物胁迫中的作用综述 园艺学报 作者简介 赵海亮 男 年生 博士 讲师 主要从事 设施园艺作物生长发育与环境调控研究 责任编辑 张凤丽 期 赵海亮等 低温胁迫下外源褪黑素对番茄幼苗光抑制的缓解效应