低温胁迫下聚乙二醇对烟草生理生化特性的影响

低温胁迫下聚乙二醇对烟草生理生化特性的影响

低温冷害是影响牧草产量和质量的主要限制因素之一。适当的保护可以提高牧草苗的活力，提高抗寒性。聚乙二醇(PEG)渗透调节处理是近年来很有前途的种子预处理技术之一,作为高分子化合物其本身不能渗入种子活细胞内,但在种子吸涨过程中能通过渗透调节作用使种子赢得足够时间来修补膜系统,从而提高种子活力及抗逆性。PEG预处理种子提高幼苗抗冷性在大豆、花生、水稻等作物上已有报道,但有关PEG与烟草幼苗抗冷性之间的关系尚未见报道。因此,为了探讨低温胁迫过程中PEG对烟草幼苗抗冷性的作用,我们以PEG-6000浸种,观察了经PEG处理的烟草幼苗对低温胁迫能力的反应,比较了低温胁迫前后烟草幼苗中可溶性糖、脯氨酸含量、产生速率和丙二醛(MDA)水平等有关的生理生化指标及细胞膜透性和膜保护酶(SOD和CAT)等活性的变化,以研究在PEG作用下烟草抗冷性生理状况与有关酶活性之间的内在联系,为烟草的抗低温栽培提供理论依据。1材料和方法1.1种子处理和萌发挑选大小一致的烟草(Nicotianatabacum)种子分别用0(蒸馏水,对照)和20%的PEG溶液浸种24h后用蒸馏水洗去表面PEG,再用滤纸擦干种子表面水分后做2种处理:(1)对照种子和20%PEG浸种处理24h的种子分别放入50mL烧杯中,在5℃低温下吸胀1～6d,每天测定种子吸胀液中有机物质渗漏量。(2)对照和PEG处理的种子整齐地播种于装有粗砂(高温消毒)的白瓷盘中,种子萌发后,每天补充Hongland培养液,每天光照12h,温度(25±3)℃。幼苗长至四叶期时(大十字期)放入5℃低温下胁迫0～5d,选取生长一致的幼苗测定与烟草抗冷性有关的生理生化指标。1.2理化指标及酶活性测定叶片细胞质膜透性用DDS—307型电导率仪测定,以相对电导率表示质膜透性;外渗液中可溶性糖含量以蒽酮法测定;可溶性蛋白质含量用考马斯亮蓝法测定;叶绿素含量测定用Arnon法;核酸含量用二苯胺法,呼吸速率用瓦氏呼吸计测定;超氧阴离子()含量参照王爱国的方法测定;脯氨酸含量用酸性茚三酮法测定;丙二醛(MDA)含量用硫代巴比妥酸法测定;SOD酶活性参照王爱国的方法测定;CAT酶活性按李柏林和梅慧生的方法测定,以上测定均重复3次,取平均值。2结果与分析2.1烟草幼苗低温胁迫对mda含量的影响PEG对烟草幼苗耐低温胁迫能力和质膜相对透性的影响见图1和图2。由图1可见:PEG处理能提高烟草幼苗耐低温胁迫能力。经PEG处理的烟草幼苗在低温胁迫5d后,幼苗的萎焉率和死亡率较对照明显降低。对照幼苗的萎焉率和死亡率分别为51.7%和73.2%,PEG处理幼苗的萎焉率和死亡率分别是32.6%和56.6%。细胞膜透性反映了低温下植物细胞膜受伤害的程度。由图2可见:PEG处理幼苗和对照幼苗叶片细胞膜透性均随低温胁迫时间的延长而增大。但经PEG处理的幼苗不仅叶片细胞膜透性低于对照,而且膜透性增大的幅度也明显较对照缓慢,表明PEG对细胞膜具有良好的保护作用。是O2的单电子产物。由图3可见:低温胁迫使烟草叶片产生速率加快。随低温胁迫时间的延长,叶片细胞内含量逐渐升高,经PEG处理后幼苗叶片内含量的增加速度明显低于对照。低温胁迫5d后,PEG处理的幼苗含量与对照相比仅为对照的73.3%。这表明PEG处理能有效地降低低温下的积累,对膜脂过氧化作用有一定的抑制效应。MDA是细胞膜脂过氧化的产物,其含量的高低反映了细胞膜脂过氧化水平。由图4可见,幼苗在低温胁迫下叶片MDA含量随低温时间的延长逐渐增加,其变化趋势与含量的变化密切相关,两者之间呈显著正相关(r=0.9537)。低温条件下对照叶片MDA含量增加较快,PEG处理叶片的MDA含量增加较慢,随低温持续时间的延长,PEG处理叶片的MDA含量与对照差异增大(P<0.01),表明PEG有减缓膜脂过氧化、降低MDA积累的作用。2.2peg对烟草幼苗和mda含量的影响PEG对烟草幼苗和MDA含量的影响见图3和图4。2.3peg对种子低温吸收过程中有机物质的渗透的影响PEG对种子低温吸胀期间有机物质渗漏的影响见图5。2.4烟草幼苗叶绿素含量对peg用量的影响随着低温天数的增加叶片叶绿素含量逐渐减少,不仅叶绿素总含量下降,而且Chla/Chlb的比值增大(表1)。这表明低温引起叶绿素受到破坏,且Chlb的降解速度大于Chla。经PEG处理后的幼苗叶绿素含量较低温处理前降低了44.59%,而对照幼苗的叶绿素含量降低了54.38%,表明PEG能减缓叶绿素的分解速度。随着低温胁迫时间的延长,烟草幼苗叶片中总核酸、DNA和RNA含量均表现为减少,其中RNA的减少速度快于DNA(表2)。由表2可知:低温处理5d后,PEG处理幼苗中RNA含量较处理前下降了55.94%,对照幼苗RNA含量下降了65.29%;PEG处理和对照幼苗DNA含量分别下降了30.81%和41.03%。这表明低温胁迫更多地是降低了核酸中的RNA含量,PEG处理能减缓低温下核酸的降解,尤其是RNA的降解。2.5peg处理对幼苗呼吸速率的影响PEG处理幼苗和对照幼苗的呼吸速率在低温胁迫初期都呈上升趋势,随低温持续时间的延长呼吸速率开始下降(见表3)。PEG处理幼苗其呼吸速率下降的速度和幅度均低于对照。与此相反,幼苗中脯氨酸的含量却显著增加,PEG处理幼苗和对照幼苗脯氨酸含量分别较低温前增长了161.84%和118.03%。低温胁迫期间,可溶性糖含量在PEG处理的幼苗中呈逐步上升趋势,对照幼苗先下降后升高,但上升幅度明显小于前者。2.6低温胁迫对幼苗抗氧化酶活性的影响超氧物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)是生物体内消除自由基对细胞膜伤害的保护酶。低温可引起植物体内等活性氧含量增加,降低SOD活性(图6和图7)。由图6和图7可知:低温胁迫条件下,PEG处理幼苗和对照幼苗SOD活性均随低温胁迫时间的延长而持续下降,同时CAT的活性也不断下降。PEG处理幼苗中2种酶活性均高于对照苗。低温胁迫5d后,PEG处理幼苗SOD和CAT活性分别降低了42.42%和46.78%,对照SOD和CAT活性则分别降低了59.15%和63.33%。可见PEG处理对维持烟草幼苗中较高的SOD和CAT酶活性有一定的促进作用。3烟草幼苗抗冷性种子低温吸涨时,往往表现出膜透性增加,细胞内含物渗漏。吕小红等证明,PEG渗调处理后,能降低种子膜透性,减少渗漏。陈秉初也证明,经PEG预处理后,能使种子在萌发前有足够的时间修复细胞膜选择透性,使低温吸涨过程中浸泡液的电导率降低。本试验结果表明,烟草种子在5℃低温吸胀后,细胞内可溶性糖和可溶性蛋白质的渗漏量随低温吸涨时间延长而增加,经PEG处理的种子在低温吸涨时的渗漏明显较未经渗调处理的种子低,这一研究结果与前人的研究一致。自从Fridovich提出生物自由基伤害学说以来,人们已经认识到植物处于逆境条件下会增加细胞内活性自由基的含量,自由基的增加能引起细胞膜损伤,导致膜透性增大并诱发膜脂过氧化作用。植物的抗冷性与植物细胞对活性氧的清除能力密切相关。植物体内同时存在着清除氧自由基的SOD和CAT。SOD和CAT的重要功能是通过清除低温胁迫诱导产生的细胞内活性氧自由基,减少MDA的积累,维持细胞膜的稳定性和完整性,提高植物对低温胁迫的适应性。本研究结果显示,PEG处理能明显提高SOD和CAT保护酶系统活性,从而有利于清除过多的自由基。因此在低温胁迫下,经PEG处理的幼苗氧自由基和MDA产生量明显较对照低,质膜相对透性降低。说明PEG处理后的烟苗细胞膜系统受损伤程度明显减轻。细胞中脯氨酸和可溶性糖的积累已被证明与植物的抗冷性有关。本研究结果表明,PEG处理的