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文檔簡介

1、西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào) 2011,20(8):127-132ActaAgriculturaeBoreali-occidentalisSinica夜間低溫脅迫下鈣對(duì)番茄幼苗根系活力及活性氧代謝的調(diào)控作用李天來,高曉倩,劉玉鳳(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院,設(shè)施園藝省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧省設(shè)施園藝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,沈陽 110866)摘 要:研究夜間低溫脅迫下(25 /6 ,晝/夜)鈣、鈣離子螯合劑(EGTA)和鈣離子通道抑制劑(LaCl3)對(duì)番茄幼苗根系中根系活力、可溶性蛋白含量、膜質(zhì)過氧化程度及活性氧(ROS)代謝的調(diào)控作用。結(jié)果表明,夜間低溫脅迫(蒸餾水灌根)顯著降低番茄幼苗根系活力、可溶性蛋白含量,增加根

2、系MDA、H2O2含量及O2- 產(chǎn)生速率,抑制SOD、CAT和POD活性;45mmol L-1CaCl2灌根顯著提高夜間低溫脅迫下番茄幼苗根系活力、可溶性蛋白含量及SOD、CAT和POD活性,降低根系MDA含量、H2O2含量及O2- 產(chǎn)生速率;EGTA、LaCl3灌根加劇夜間低溫脅迫導(dǎo)致的番茄根系活力的降低及活性氧的增加。表明夜間低溫脅迫對(duì)番茄幼苗地下部根系的活性氧代謝產(chǎn)生顯著的影響,而Ca2+通過提高保護(hù)酶活性、降低膜質(zhì)過氧化水平來提高番茄植株根系的低溫耐受性,進(jìn)一步防止植株低溫傷害。關(guān)鍵詞:番茄根系;鈣;夜低溫;活性氧代謝中圖分類號(hào):S641.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1004-138

3、9(2011)08-0127-06EffectsofCalciumonRootActivityandMetabolismofReactiveOxygenSpeciesofTomatoSeedlingsunderLowNightTemperatureStressLITianlai,GAOXiaoqianandLIUYufeng(KeyLaboratoryofProtectedHorticultureCo-establishedbyLiaoningProvinceandMinistryofEducation,ProvincialKeyLaboratoryofProtectedHorticultur

4、e,CollegeofHorticulture,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang 110866,China)Abstract:Inordertoinvestigatetheregulatingmechanismofcalciumontomatoseedlingsunderlownighttemperaturestress,tomatorootswereusedtostudythechangesofrootactivity,solubleproteincontent,thecontentofMDAandmetabolismofreactiveoxyg

5、enspecies(ROS)afterthetomatoseed-lingsweretreatedbycalciumorinhibitorunderlownighttemperatureof6 (25 /6 ,day/night).TheresultsshowedthatrootpouringofH2Osignificantlydecreaserootactivityandthecon-tentofsolubleprotein,increasethecontentsofMDA,H2O2andproductionrateofO2 ,inhibitac-tivitiesofSOD,CATandPO

6、Doftomatoseedlingsunderlownighttemperature;Cacouldsignif-icantlyincreaserootactivityandthecontentofsolubleprotein,decreasecontentsofMDA,H2O2andproductionrateofO2 ,enhanceactivitiesofSOD,CATandPOD.Onthecontrary,EGTAandLaCl3couldfurtherdecreaserootactivityandenhancemembranelipidperoxidation.Theseresul

7、tsin-dicatedthatlownighttemperaturehassignificanteffectsonROSmetabolisminroots,andcalciummightincreaselowtemperaturetoleranceoftomatoandpreventlownighttemperaturedamagetotheplantbyenhancingtheactivitiesofsomeantioxidantenzymesandreducingROSlevels.Keywords:Tomatoroots;Calcium;Lownighttemperature;Meta

8、bolismofreactiveoxygenspecies(ROS)-2+-*收稿日期:2010-12-16 修回日期:2011-02-20基金項(xiàng)目:國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)專項(xiàng)(Nycytx-35-gw23);遼寧省重大科技攻關(guān)項(xiàng)目(2006215001)。第一作者:李天來,教授,研究方向?yàn)樵O(shè)施蔬菜栽培生理。E-mail:tianlaili128 西 北 農(nóng) 業(yè) 學(xué) 報(bào) 20卷在自然界和農(nóng)業(yè)產(chǎn)地通常在夜間遇到全天最低溫度。設(shè)施番茄節(jié)能栽培中,常遇到低于生長發(fā)育適溫10 左右的夜間低溫,這種溫度影響番茄光合作用及物質(zhì)積累1-3,造成植株MDA含量急劇增加,保護(hù)酶活性受到抑制,加劇細(xì)胞膜質(zhì)過氧化

9、作用產(chǎn)量品質(zhì)。4-55mmol L-1LaCl3溶液(常溫)灌根。處理后第2天取樣,根系活力的測(cè)定采用根尖部位,其他指標(biāo)的測(cè)定采用中間部位。單株取樣,3次重復(fù),用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行方差分析。1.2 測(cè)定方法根系活力的測(cè)定采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法,以TTC還原強(qiáng)度表示根系活力12;丙二醛(MDA)含量的測(cè)定采用硫代巴比妥酸法13,從而影響植株生長發(fā)育及鈣作為植物必需的營養(yǎng)元素,不僅是植物細(xì)胞的一種結(jié)構(gòu)物質(zhì),而且作為偶聯(lián)胞外信號(hào)與胞內(nèi)生理反應(yīng)的第二信使,參與植物對(duì)許多逆境脅迫響應(yīng)的調(diào)節(jié)6-7。已有研究表明,Ca2+在參與植物低溫信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中起著重要的調(diào)節(jié)作用。Ca可明顯提高植物冷脅

10、迫期間可溶性蛋白含量和保護(hù)酶活性,具有一定的抗冷效果9-11。然而,目前關(guān)于環(huán)境脅迫下外源鈣調(diào)控植物活性氧代謝的研究多集中在植株葉片上,但關(guān)于夜間低溫脅迫下外源Ca2+對(duì)番茄根系活性氧代謝的影響鮮有報(bào)道。為此,本試驗(yàn)通過利用CaCl2、EGTA、LaCl3灌根,研究夜間低溫脅迫下Ca對(duì)番茄幼苗根系中根系活力、可溶性蛋白含量、膜質(zhì)過氧化程度及活性氧代謝的影響,探討鈣素在番茄幼苗抗夜間低溫脅迫中的作用,以期為實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用鈣素緩解植株的低溫傷害提供理論依據(jù)。2+82+;超氧化物歧化酶(SOD)活性測(cè)定采用NBT法,以抑制NBT光化學(xué)還原的50%的酶量為1個(gè)酶活性單位;過氧化物酶(POD)活性測(cè)定采

11、用愈創(chuàng)木酚法,以每分鐘OD470變化0.1為1個(gè)酶活單位;過氧化氫酶(CAT)活性測(cè)定采用過氧化氫法,以每分鐘OD值降0.0436的酶量為1個(gè)酶活單位;O2- 產(chǎn)生速率的測(cè)定參照文獻(xiàn)14;H2O2含量的測(cè)定參照文獻(xiàn)15;可溶性蛋白含量的測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)G250染色法,以牛血清蛋白作標(biāo)樣16。2 結(jié)果與分析2.1 夜間低溫脅迫下Ca2+、EGTA和LaCl3對(duì)番茄幼苗根系活力的影響圖1顯示,不同處理番茄幼苗根系活力隨夜間低溫脅迫時(shí)間的延長均呈現(xiàn)逐漸上升趨勢(shì)。其中夜間低溫處理的番茄幼苗根系活力上升幅度較小,脅迫第6天,番茄幼苗根系活力與對(duì)照相比降低41%,呈極顯著差異(P<0.01);Ca

12、Cl2灌根顯著提高夜低溫脅迫下番茄幼苗根系活力;而EGTA和LaCl3灌根的番茄幼苗根系活力受到抑制,脅迫第6天,分別比對(duì)照降低41.09%和44.93%,達(dá)極顯著差異(P<0.01)。表明EGTA、LaCl3加重夜間低溫脅迫對(duì)番茄根系活力的抑制,而Ca2+有效減緩這種抑制作用。2.2 夜間低溫脅迫下Ca2+、EGTA和LaCl3對(duì)番茄幼苗根系MDA含量的影響圖2顯示,夜間低溫處理的番茄幼苗根系MDA含量在脅迫6d時(shí)顯著上升,至夜低溫脅迫11d時(shí)比對(duì)照增加37.86%,達(dá)顯著水平(P<0.05);CaCl2灌根的番茄幼苗根系MDA含量始終低于對(duì)照;EGTA和LaCl3灌根的根系MD

13、A含量在脅迫11d時(shí)分別比對(duì)照增加43.79%和70.22%,達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。表明Ca2+抑制劑EGTA和LaCl3促進(jìn)膜質(zhì)過氧化,加重夜間低溫對(duì)番茄幼苗細(xì)胞膜的損傷,而Ca2+明1 材料與方法1.1 材料與處理供試番茄(LycopersiconesculentumMill.)品種為遼園多麗。試驗(yàn)于2010年春季在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工廠化高效農(nóng)業(yè)工程技術(shù)中心試驗(yàn)基地日光溫室內(nèi)進(jìn)行。采用穴盤基質(zhì)育苗,當(dāng)幼苗長至2片真葉時(shí)分苗至13cm 12cm營養(yǎng)缽內(nèi),待番茄幼苗長至六葉一心時(shí),選取整齊一致的植株放入AGC-D003N型人工氣候室(杭州求是人工環(huán)境有限公司)進(jìn)行正常溫度生長(25

14、 /15 ,晝/夜)。定量澆水,生長3d后,以夜溫15 為對(duì)照,開始進(jìn)行夜間6 低溫處理,白天溫度保持在25 。以正常溫度條件(25 /15 ,晝/夜)下灌溉蒸餾水(H2O)的番茄植株為對(duì)照(CK),低溫處理的植株選取生長一致的分成4組,在夜間低溫處理(25 /6 ,晝/夜)的0、5、10、15d8:00,分別用40mL蒸餾水(H2O),45mmol L-1CaCl2,5mmol L-1EGTA,8期 李天來等:夜間低溫脅迫下鈣對(duì)番茄幼苗根系活力及活性氧代謝的調(diào)控作用 129顯減緩這種細(xì)胞膜傷害。2.3 夜間低溫脅迫下Ca2+、EGTA和LaCl3對(duì)番茄幼苗根系O2- 產(chǎn)生速率的影響圖3顯示,

15、隨著夜間低溫脅迫時(shí)間的延長,不同處理的番茄幼苗根系O2- 產(chǎn)生速率均呈先上升后下降趨勢(shì)。脅迫1d時(shí),夜低溫處理的番茄幼苗根系O2 產(chǎn)生速率與對(duì)照相比增加19.26%,達(dá)顯著水平(P<0.05);Ca-2+-(P<0.05)。表明夜間低溫脅迫下Ca2+灌根可以降低番茄根系O2- 產(chǎn)生速率,延緩根系O2- 對(duì)番茄幼苗細(xì)胞膜的傷害,而EGTA和LaCl3加劇夜低溫對(duì)番茄幼苗細(xì)胞膜的傷害。2.4 夜間低溫脅迫下Ca2+、EGTA和LaCl3對(duì)番茄幼苗根系H2O2含量的影響圖4顯示,不同處理的番茄幼苗根系H2O2含量隨著夜間低溫脅迫時(shí)間的延長均呈先上升后下降的變化趨勢(shì)。其中,夜低溫處理導(dǎo)致番

16、茄幼苗根系H2O2含量大幅度上升,在低溫脅迫1d時(shí),比對(duì)照增加36.64%,差異極顯著(P<0.01);Ca2+灌根后,根系H2O2含量與對(duì)照無顯著差異;EGTA和LaCl3灌根的番茄幼苗根系H2O2含量在整個(gè)低溫脅迫過程中均顯著高于對(duì)灌根降低夜間低溫脅迫下番茄根系O2 產(chǎn)生速率;EGTA和LaCl3灌根的番茄幼苗根系O2 產(chǎn)生速率分別對(duì)照增加36.92%和31.34%,呈顯著差異(P<0.05);至低溫脅迫11d時(shí),EGTA和LaCl3灌根的番茄幼苗根系O2- 產(chǎn)生速率與對(duì)照相比,分別增加了39.31%和33.89%,呈顯著差異圖1 夜間低溫脅迫下Ca2+、EGTA和LaCl3對(duì)

17、番茄幼苗根系活力的影響Fig.1 EffectofCa2+,EGTAandLaCl3ontherootactivityintomatoseedlingsunderlownighttemperature圖3 夜間低溫脅迫下Ca2+、EGTA和LaCl3對(duì)番茄根系O2- 產(chǎn)生速率的影響2+Fig.3 EffectofCa,EGTAandLaCl3onproductionrateofO2- inrootsoftomatoseedlingsunderlownighttemperature圖2 夜間低溫脅迫下Ca2+、EGTA和LaCl3對(duì)番茄根系MDA含量的影響Fig.2 EffectofCa2+,E

18、GTAandLaCl3onMDAcontentintherootsoftomatoseedlingsunderlownighttemperature圖4 夜間低溫脅迫下Ca2+、EGTA和LaCl3對(duì)番茄根系H2O2含量的影響Fig.4 EffectofCa2+,EGTAandLaCl3onthecontentofH2O2intherootsoftomatoseedlingsunderlownighttemperature130 西 北 農(nóng) 業(yè) 學(xué) 報(bào) 20卷照,在低溫脅迫11d時(shí),分別比對(duì)照提高82.58%和79.83%;說明Ca2+灌根減少夜間低溫脅迫下番茄根系H2O2的積累,從而緩解活性

19、氧對(duì)細(xì)胞膜的傷害。2.5 夜間低溫脅迫下Ca2+、EGTA和LaCl3對(duì)番茄幼苗根系SOD活性的影響圖5顯示,夜間低溫處理顯著降低番茄幼苗根系SOD活性,在夜低溫處理11d時(shí),比對(duì)照降低7.21%,達(dá)極顯著差異(P<0.01);Ca2+灌根的番茄幼苗根系SOD活性在夜低溫脅迫1d后達(dá)最低峰,但與對(duì)照無顯著差異,在脅迫11d后,高于對(duì)照;EGTA、LaCl3灌根的番茄幼苗根系SOD活性在夜低溫脅迫11d時(shí)降到最低峰,分別比對(duì)照降低8.95%和9.65%,呈極顯著差異(P<0.01)。說明Ca2+能提高植株幼苗根系SOD活性,并使之維持在較高水平,減輕超氧陰離子對(duì)番茄植株的傷害。2.6

20、 夜間低溫脅迫下Ca2+、EGTA和LaCl3對(duì)番茄幼苗根系POD活性的影響圖6顯示,不同處理的番茄幼苗根系POD活性隨著夜間低溫脅迫時(shí)間的延長均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)。其中夜間低溫處理抑制番茄幼苗根系POD活性,脅迫6d后比對(duì)照降低39.65%,呈顯著差異(P<0.05),至夜低溫脅迫11d時(shí)比對(duì)照降低16.07%,呈極顯著差異(P<0.01);但夜間低溫脅迫下Ca2+灌根明顯提高番茄幼苗根系POD活性,夜低溫脅迫11d時(shí),比對(duì)照增加16.77%;EGTA和LaCl3灌根明顯降低番茄幼苗根系POD活性,脅迫11d時(shí),分別比對(duì)照降低34.35%和24.09%,呈極顯著差異(P<0

21、.01)。表明EGTA和LaCl3處理顯著抑制番茄幼苗根系POD活性,而Ca可極顯著提高夜間低溫脅迫下番茄幼苗根系POD活性,增強(qiáng)植株對(duì)過氧化物的清除能力。2.7 夜間低溫脅迫下Ca、EGTA和LaCl3對(duì)番茄幼苗根系CAT活性的影響從圖7可見,不同處理番茄幼苗根系CAT活性隨夜間低溫脅迫時(shí)間的延長均呈逐漸上升趨勢(shì)。其中夜間低溫處理導(dǎo)致番茄幼苗根系CAT活性顯著降低;Ca2+灌根提高夜間低溫脅迫下2+2+圖6 夜間低溫脅迫下Ca2+、EGTA和LaCl3對(duì)番茄根系POD活性的影響Fig.6 EffectofCa2+,EGTAandLaCl3ontheactiviesofPODintheroot

22、softomatoseedlingsunderlownighttemperature圖5 夜間低溫脅迫下Ca2+、EGTA和LaCl3對(duì)番茄根系SOD活性的影響Fig.5 EffectofCa2+,EGTAandLaCl3ontheactivitiesofSODintherootsoftomatoseedlingsunderlownighttemperature圖7 夜間低溫脅迫下Ca2+、EGTA和LaCl3對(duì)番茄根系CAT活性的影響Fig.7EffectofCa2+,EGTAandLaCl3onCATunderlownighttemperatureactivitiesintherootso

23、ftomatoseedlings8期 李天來等:夜間低溫脅迫下鈣對(duì)番茄幼苗根系活力及活性氧代謝的調(diào)控作用 131番茄幼苗根系CAT活性,在脅迫的11d,比對(duì)照提高32.68%,呈顯著差異(P<0.05);EGTA和LaCl3灌根的番茄幼苗根系CAT活性上升幅度較小,在夜低溫處理11d后分別比對(duì)照降低22.26%和28.56%,呈極顯著差異(P<0.01)。說明Ca灌根能顯著提高夜間低溫下番茄幼苗根系CAT活性,從而減緩過氧化氫對(duì)植株造成的傷害,提高植株對(duì)低溫脅迫的耐受性。2.8 夜間低溫脅迫下Ca2+、EGTA和LaCl3對(duì)番茄幼苗根系可溶性蛋白含量的影響由圖8可以看出,隨著夜間低

24、溫脅迫時(shí)間的延長,不同處理番茄幼苗根系中可溶性蛋白含量均呈先下降后上升的變化趨勢(shì)。在脅迫后11d達(dá)到最高峰。其中夜間低溫脅迫6d后導(dǎo)致番茄幼苗根系中可溶性蛋白含量顯著下降;而Ca2+灌根在整個(gè)夜間低溫脅迫過程中始終高于對(duì)照;EGTA和LaCl3灌根進(jìn)一步加劇夜低溫導(dǎo)致的番茄幼苗根系中可溶性蛋白含量的降低。在脅迫后11d,EGTA和LaCl3灌根的番茄幼苗根系中可溶性蛋白含量分別比Ca2+降低4.23%和4.07%。說明Ca具有提高夜間低溫脅迫下番茄幼苗根系可溶性蛋白含量的作用。2+2+(25 /6 ,晝/夜)下番茄幼苗根系活力顯著下降,EGTA和LaCl3加重夜低溫對(duì)根系活力的影響;而Ca2+

25、顯著提高植株根系活力,從而延緩植株衰老。說明Ca能減緩低溫對(duì)植株根系的傷害,從而表現(xiàn)為較高的根系活力。在正常生理?xiàng)l件下,植物細(xì)胞內(nèi)活性氧的產(chǎn)生和清除處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),活性氧水平較低,而逆境脅迫會(huì)破壞活性氧的動(dòng)態(tài)平衡,從而產(chǎn)生過多的氧自由基,使細(xì)胞的正常生理功能受到傷害。研究表明,MDA是膜脂過氧化分解的主要產(chǎn)物之一,其含量與植物受傷害程度呈正相關(guān)21。本試驗(yàn)中,夜間低溫處理的番茄幼苗根系MDA、H2O2含量顯著上升,O2- 產(chǎn)生速率也顯著高于對(duì)照,說明此時(shí)植株體內(nèi)活性氧產(chǎn)生和清除系統(tǒng)間的平衡遭到破壞,植株細(xì)胞膜已受到傷害,細(xì)胞的生理機(jī)能降低。然而Ca2+灌根的番茄幼苗根系MDA、H2O2含量顯

26、著降低(圖2、圖3),O2 產(chǎn)生速率也受到顯著抑制(圖4)。這可能由于鈣素抑制夜低溫脅迫下番茄幼苗根系膜質(zhì)過氧化,維持了細(xì)胞膜的正常結(jié)構(gòu),從而保證植株體內(nèi)各種代謝正常運(yùn)行。許多研究表明鈣與細(xì)胞膜磷脂分子的極性頭部相連接,發(fā)生交聯(lián)作用,從而使得膜脂雙分子層中的蛋白質(zhì)和磷脂結(jié)合緊密,降低膜透性22-23,保證了膜的穩(wěn)定性。夜間低溫脅迫下番茄根系內(nèi)可溶性蛋白含量顯著降低,但Ca2+灌根顯著提高夜低溫脅迫下番茄幼苗根系可溶性蛋白含量。說明Ca2+作為偶聯(lián)胞外信號(hào)與胞內(nèi)生理反應(yīng)的第二信使,可以在一定程度上增強(qiáng)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量,從而減少夜間低溫脅迫對(duì)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能的損傷,使番茄抗氧化能力增強(qiáng)。SOD、

27、POD和CAT等抗氧化酶在清除氧自-19-202+圖8 夜間低溫脅迫下Ca2+、EGTA和LaCl3對(duì)番茄根系可溶性蛋白含量的影響Fig.8EffectofCa2+,EGTAandLaCl3onsolubleproteincontent由基和阻止自由基形成方面起重要作用。SOD是存在于植物細(xì)胞中最重要的抗氧化酶之一,其主要功能是清除O2 ,而POD、CAT具有分解H2O2的作用。3種保護(hù)酶協(xié)同作用,可以清除體-內(nèi)一定數(shù)量的過剩O2 ,從而使膜系統(tǒng)減輕自由-3 討論根系活力的大小與整個(gè)植株的生命活動(dòng)緊密相關(guān)。低溫脅迫下植物根系活力下降,吸收能力減弱,物質(zhì)代謝失調(diào),從而影響植物正常生長17-18。

28、植株根系活力受Ca2+誘導(dǎo)和調(diào)控,添加一定濃度Ca52+基引發(fā)的過氧化傷害,使植物的抗逆性得到提高。植物的保護(hù)酶活性受Ca誘導(dǎo)和調(diào)控,Ca2+能提高弱光脅迫下番茄葉片SOD、POD和CAT活性,并維持在較高水平3。Ca2+浸種也能提高低溫脅迫下茄子幼苗的SOD和CAT活性,降低MDA的積累,提高茄子幼苗耐寒性25。本試驗(yàn)結(jié)果顯示,夜間低溫脅迫下番茄242+可顯著提高低溫脅迫下黃瓜幼苗根系活力。本試驗(yàn)結(jié)果表明,夜間低溫脅迫132 西 北 農(nóng) 業(yè) 學(xué) 報(bào) 20卷CriticalReviewsinPlantSci,2000,19(4):291-318.9 由繼紅,陸靜梅,楊文杰.鈣對(duì)蘿卜幼苗抗寒性及

29、某些生理指標(biāo)的影響J.植物研究,2001,21(3):410-413.10 張 燕,方力,李天飛,等.鈣對(duì)低溫脅迫的煙草幼苗某些酶活性的影響J.植物學(xué)通報(bào),2002,19(3):342-347.11 LinSZ,ZhangZY,LinYZ.Theroleofcalciumandcalm-odulinfreezing-inducedfreezingresistanceofPopulusto-mentosacuttingsJ.JournalofPlantPhysiologyandMo-lecularBiology,2004,30(1):59-68.12 郝建軍,劉延吉.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)M.沈陽:

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