夏秋秋季美人蕉属植物叶片生理响应的初步研究

夏秋秋季美人蕉属植物叶片生理响应的初步研究

科登科是美国蕉科的一个独特学科。它的种子约有10种，来自美国和亚热带地区。美人蕉属植物叶似芭蕉,花大美丽,花色娇艳,花期长,易管理,因此被广泛栽种于世界各地。该属中植物芭蕉芋(C.edulisKer)的块茎富含淀粉,可作为经济作物栽培,是一种极具开发前途的两用植物。夏秋季节既是美人蕉的观花期,又是其根状茎营养贮存积累的重要时期,而芭蕉芋根茎的淀粉积累也主要集中在这个时期,此时植物的生长状况直接关系到翌年种苗的质量及芭蕉芋根茎的产量和品质,因此夏秋之交是美人蕉属植物年生长周期中的重要阶段。但夏末秋初之时,光温变化幅度较大,目前,尚未见关于美人蕉属植物对夏末秋初光温变化生理响应机制的研究。为此,本研究以“黄花美人蕉”和芭蕉芋的新品种“兴芋-2”为试材,分析夏秋之交2种植物叶片多项生理指标的动态变化规律,旨在阐明美人蕉属植物对初秋光温变化的响应机理,以期为夏末秋初美人蕉属植物的科学管理提供理论依据。1材料和方法1.1种质资源与栽植以美人蕉属2个栽培品种“黄花美人蕉”(C.indicavar.flava)和“兴芋-2”(C.eduliscv.Xingyu-2)为试材。其中“黄花美人蕉”种球取自西北农林科技大学博览园,“兴芋-2”种球取自贵州省兴义市。于2010年3月下旬,选取无病虫害发育良好的种球,按株行距50cm×30cm种植于西北农林科技大学园艺学院种质资源圃内,常规栽培管理。待幼苗长至两叶一心(5月下旬)时,选取生长健壮、长势一致的幼苗移植到45cm×40cm×30cm的盆内,盆内装20kg风干的园土。移栽后遮荫,缓苗后移入四面通风的东西向温室内。1.2抗氧化酶活性测定叶片d驳岸和d东南角样品采集与测定工作于2010-09-13-10-11在西北农林科技大学园艺植物栽培与设施园艺实验室进行。在取样过程中,为避免水分差异对试验造成的影响,于取样前1d下午浇透水(其他浇水时间视土壤干湿状况而定),次日07:00-09:00取样;以植株高度的1/2划定上部叶片和下部叶片,每品种6盆,2盆为1个重复,每重复选取上部和下部叶片各10片做好标记;每次取样用锋利的剪刀从标记好的叶片上,剪取宽约2cm叶片并放入干净的取样袋中,置于冰盒中带回实验室;用自来水将叶片冲洗干净,然后用蒸馏水冲洗3遍,吸水纸擦干后立即测定相关生理指标并提取酶液,按照测定指标分装提取酶液,-70℃保存待测。每隔7d取样1次,共取5次。取样时的各项环境指标见表1。1.3抗氧化酶活性测定叶片组织的相对含水量和水分饱和亏缺采用浸泡法测定,水分饱和亏缺=100%-相对含水量;含水量(%,质量分数)采用烘干法测定,干物质含量(%,质量分数)=100%-含水量;叶绿素含量采用体积分数80%丙酮浸泡法测定;相对电导率采用DDS307电导仪测定;丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法测定;超氧化物歧化酶(SOD)活性采用NBT光化还原法测定;过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法测定;过氧化氢酶(CAT)活性采用紫外分光光度法测定;可溶性蛋白含量采用紫外分光光度法测定。为减小误差,每个指标再平行测定3次,取平均值。1.4数据处理和分析试验数据采用Excel和SAS统计软件进行处理和方差分析。2结果与分析2.1夏末、秋初的光温变化对香蕉叶片和干物质含量的影响2.1.1相对含水量的变化相对含水量和水分饱和亏缺可指示植物体内水分含量状况和亏缺程度,在干旱胁迫条件下,植物的相对含水量越大,则其水分饱和亏缺就越小,其抗干旱胁迫能力就越强。由图1可见,夏秋之交,美人蕉属植物上下部叶片的相对含水量存在明显差异,表现为下部叶片的相对含水量显著低于上部叶片(“兴芋-2”09-20和09-27除外)。从2010-09-13-10-11,2个美人蕉属植物品种上部叶片的相对含水量变化不大,规律不明显;下部叶片的相对含水量均呈现先升后降的变化趋势,尤其是“兴芋-2”,自2010-10-04开始,其下部叶片的相对含水量明显低于同年9月份。叶片水分饱和亏却表现出与相对含水量相反的变化规律。由此可见,入秋之后,由于美人蕉属植物对水分的利用率有所下降,尤其是下部叶片的水分亏缺程度更为严重,即使水分供应充足,也会使下部叶片的生理代谢功能逐渐失衡,这种变化在“兴芋-2”上表现得尤为明显。2.1.2“花试样”/叶片含水量由图2可见,2种美人蕉属植物的叶片含水量均表现出先升后降的变化趋势,且除10-11“兴芋-2”的上部与下部叶片含水量无显著差异外,其他各个时期下部叶片的含水量均显著(或极显著)高于上部叶片。随着季节的变化,“兴芋-2”含水量的降低时间早于“黄花美人蕉”,从09-27-10-04的7d时间内,其上、下部叶片的含水量分别下降了1.53%和1.84%,且10月份叶片含水量显著低于9月份。09-27-10-24,“黄花美人蕉”的下部叶片含水量没有明显变化,上部叶片的含水量在10-04明显降低,而下部叶片的含水量在10-11才显著下降。干物质含量表现与含水量变化趋势基本相反。说明随着季节的变化,下部叶片的干物质降解较快或向其他器官转运增多,美人蕉属植物在干物质的库源分配上有所调整,以适应气候的变化。2.2叶绿素含量的变化叶绿素是植物体内最重要的光合色素,其生物合成的适宜温度一般为30℃。由表2可以看出,09-13-10-11,夏秋之交,由于光温变化较大,美人蕉属植物的叶绿素总量(Chl(a+b))、叶绿素a、叶绿素b含量不断下降,叶绿素b的降解在老龄(10-04-10-11)叶片中表现得尤为明显。可见,叶龄也是叶绿素含量变化的一个主要影响因子。由表2还可见,在本研究的采样期内,2个美人蕉属植物品种的上部叶片叶绿素含量(Chl(a+b)和Chla)均显著或极显著高于下部叶片;在取样初期,上、下部叶片的叶绿素b含量差异不大,但到后期差异达到了显著或极显著水平。统计结果表明,“黄花美人蕉”上部叶片的Chl(a+b)、Chla和Chlb平均值均极显著高于‘兴芋-2’(P<0.01)。可见,随着气温的降低及光照时间的缩短,美人蕉属植物叶绿素合成与分解的平衡被打破,叶绿素含量明显减少。2.3夏末、秋初的光温变化对香蕉叶片膜的渗透性的影响2.3.1相对电导率的变化叶片相对电导率的高低反映了细胞膜透性的大小。由图3可以看出,夏末秋初,美人蕉属植物上部叶片的相对电导率变化不明显,下部叶片的相对电导率明显升高,上、下部叶片相对电导率差异基本达显著或极显著水平。“兴芋-2”上部叶片的相对电导率为21.83%～24.67%,且在各个时期的变化幅度较小;下部叶片的相对电导率为27.77%～44.67%,其中09-13-10-04,相对电导率变化不大,10-04-10-11,叶片的相对电导率大幅上升,最高可达44.67%,表明细胞膜透性出现了跃变式增加。“黄花美人蕉”上部和下部叶片的相对电导率分别为23.63%～28.97%和29.27%～47.20%,均高于“兴芋-2”。09-13-09-20,“黄花美人蕉”上部叶片的相对电导率显著增高,09-20-10-11上部叶片相对电导率无显著变化;10-04-10-11,其下部叶片的相对电导率也出现了跃变式上升,显著高于前4个采样时期。2.3.2不同品种上、下叶片的mda含量MDA是细胞膜脂过氧化的产物,是表征细胞膜透性的另一个重要指标,其数值越大,表明细胞膜脂过氧化程度越高,细胞膜透性也越大。表3显示,2种美人蕉属植物叶片的MDA含量均在10-11大幅上升,此时,“兴芋-2”上、下部叶片的MDA含量分别是前4个时期中最高值的1.32和1.47倍;“黄花美人蕉”上、下部叶片的MDA含量分别是前4个时期中最高值的1.41和1.29倍。09-13-10-04,2个品种上部叶片的MDA含量变化不大;09-20下部叶片的MDA含量均显著高于09-13,其后的14d内变化不大。在各取材时期,2个品种间及同一品种上、下部叶片间的MDA含量均无显著差异(“黄花美人蕉”09-27除外)。2.4夏末、秋初的光温变化对美人蕉科植物酶活性和可溶性固形物含量的影响2.4.1下叶片sod活性的变化SOD是抗氧化酶系统中的“先锋”,其活性的高低与植物的衰老密切相关。由图4可见,随着季节的变化,美人蕉属植物叶片内的SOD活性明显升高,其中“兴芋-2”上部叶片从09-13日到09-27直线上升,并于09-27达到峰值(431.21U/(g·h)),之后逐渐趋于稳定;下部叶片的SOD活性在09-13-09-20有所下降,但幅度不大,但09-20-09-27,下部叶片的SOD活性呈直线上升,也于09-27达到峰值(399.15U/(g·h)),之后变化幅度较小。“黄花美人蕉”上部叶片SOD活性变化规律与“兴芋-2”上部叶片一致;而其下部叶片在09-13-09-20迅速增加,之后呈下降趋势。2.4.2管理体系内pod活性的变化美人蕉属植物叶片POD活性对夏末秋初光温变化的响应规律见图5。由图5可见,POD活性在2种美人蕉属植物种间差异明显。“黄花美人蕉”上部叶片POD活性最小值(525.76U/(g·min))与“兴芋-2”上部叶片的最大值(586.95U/(g·min))相当,而其最大值是‘兴芋-2’最大值的1.76倍。由夏季转入秋季的季节变化中,“兴芋-2”上部叶片的POD活性持续上升,下部叶片的POD活性则先上升后下降,并于10-04达到峰值,为441.97U/(g·min)。“黄花美人蕉”上、下部叶片的POD活性均表现出先上升后下降的变化趋势,且其峰值出现时间与“兴芋-2”下部叶片相同。美人蕉属植物上、下部叶片的POD活性在9月份差异不显著;但立秋后由于上部叶片POD活性的大幅升高,上、下部叶片的POD活性差异不断增大,至10-11二者差异达显著(“兴芋-2”)或极显著(“黄花美人蕉”)水平。2.4.3叶片cat活性图6显示,夏秋之交,2种美人蕉属植物上部叶片的CAT活性持续升高,并于10-11达到峰值,“兴芋-2”为3.387U/(g·min),“黄花美人蕉”为2.853U/(g·min);下部叶片CAT活性先升高后降低,其中“兴芋-2”峰值出现在10-04,为1.999U/(g·min),“黄花美人蕉”的CAT活性峰值出现在09-27,为1.653U/(g·min)。“黄花美人蕉酶”的CAT活性总体小于“兴芋-2”,但差异不显著(P>0.05)。“兴芋-2”和“黄花美人蕉”上部与下部叶片间的CAT活性仅在10-11时差异达到了显著水平,此时二者上部叶片CAT活性分别是下部叶片的5.06和2.49倍。2.4.4可溶性蛋白质含量由图7可以看出,夏秋之交,2种美人蕉属植物叶片的可溶性蛋白质含量均持续升高,且上部叶片的升高幅度大于下部叶片。09-13,2个品种下部叶片的可溶性蛋白质含量均略高于上部叶片,但从09-20开始,“兴芋-2”上部叶片的可溶性蛋白质含量迅速增加,且高于下部叶片,直至10-11上、下部叶片差值达了46.09mg/g,差异达显著水平。与“兴芋-2”相比,从09-20开始,“黄花美人蕉”上部叶片的可溶性蛋白含量增加幅度较小,至10-11,上部叶片仅比下部叶片多23.16mg/g,且差异未达显著水平。在整个取样期间,2个品种间的可溶性蛋白质含量差异较小,且“黄花美人蕉”上部叶片的可溶性蛋白含量始终低于“兴芋-2”(10-04除外);除了09-13之外,其他各个时期“黄花美人蕉”下部叶片的可溶性蛋白质含量始终高于“兴芋-2”。3美人蕉属植物保护酶系统变化的规律水分与植物的新陈代谢密切相关。本研究发现,夏秋之交,美人蕉属植物的叶片水分含量逐渐降低,干物质含量逐渐升高。即使在水分供应充足的条件下,美人蕉属植物下部叶片也会逐渐出现水分亏缺现象,因此在秋季,应适当减少土壤水分供给,降低细胞含水量,抑制美人蕉属植物生长,逐渐提高其耐冷性。本研究结果表明,夏末秋初,美人蕉属植物叶片的叶绿素总量、叶绿素a和叶绿素b含量均有不同程度降低,且植物下部叶片的叶绿素含量较低,降幅更大;同时上部叶片Chla/Chlb逐渐下降,表明叶绿素a的降解速度大于叶绿素b,由于叶绿素b呈黄绿色,因此叶片逐渐变成黄色,这也是植物对环境变化(如降温、日照时间缩短等)的适应性调节。本研究中,从夏末到秋初季节变化过程中,美人蕉属植物的细胞膜相对透性不断变大,MDA含量逐步增加;同时由于膜系统遭受破坏,细胞透性增加,细胞内溶质渗漏,相对电导率逐渐升高,并于10月中旬左右出现跃变式增加。这种变化在下部叶片表现得尤为突出。可溶性蛋白作为一种重要的渗透调节物质,具有较强的亲水性,能明显增强植物细胞的持水力。本研究中,夏末秋初,美人蕉属植物的可溶性蛋白质含量持续增加,而可溶性蛋白含量的增加可以束缚更多的水分,一方面可以使植物继续从土壤中吸收水分,另一方面有助于植物维持细胞内膨压,以维持植物正常