蔬菜在热胁迫下生理生化变化的研究.pdf

南方蔬菜产业发展研讨会论文集 蔬菜在热胁迫下生理生 化变化的研究* 王利芳 津 何晓明 哟 叶蕙 ( 华 南 农 业 大 学 生 命 科 学院 ， 5 1 o 6 42 : 广东 省 农 业 科 学 院 。 5 1 0 6 40 ; ) 摘要: 本文对热胁迫条 件下， 蔬菜的生理生化变 化做了 概述. 蔬菜受到高温 胁迫， 光合作 用， 呼吸 作用， 蒸腾作用， 体内的保护酶系 统， 可 溶性蛋白， 月 甫 氨酸以 及内源激素含量 都会发生 变化， 研究 这些生理变 化和 机理，为 选育耐热蔬莱 品种和防 御热害 提 供理论依据. 关键词:蔬莱热胁迫保护酶系统热激蛋白内源激素 高温是 蔬菜生产过程中 最常 见的 逆境因 子之一， 严重影响蔬菜的 产量和质量， 根据助beu和 a sn 韶 哟近期研究结果， 植物生长季的平均温度升高1 。 作物产量 可减少高达 1 7 % 。 近年来 夏秋季节的高 温现象越来 越明显， 预计到21 世纪中 期， 我国农业 主产区气温可能 上升1 5， 热害变得 越来越突出， 所以对蔬菜 热害的 研究以 及防御也很具切实 性和紧迫性。在高 温胁迫下， 植物内部的生理生化过程发生不同程度的变化。 因此， 可以通过对热胁迫下植物体内一些生理生 化过程的 研究， 探寻其变 化机理， 从而找到一些与抗热性关 系密 切的指 标， 为解决抗热 性问 题莫 定基础。 本文就蔬菜在热胁迫的条 件下的 生理生化变化的研究做 一概述。 1高温对蔬菜生理作用的影响 l l 高温 对光合作用的影响 植物光合作用将无机物质转化为有机物， 同时固定太阳 光能 ， 是 地球上最重要的化学反应 2 1 。 在 众 多 被 高 温 抑 制的 细 胞 机 能中 ， 光 合 作 用 被 公 认 为 是 对 高 温 胁 迫 特别 敏 感 的 生 理 过 程 陈 礴 jo 研究发现， 经高温胁迫后， 菜豆叶片光合作用普遍受到抑制。 解除 高温 胁迫后 光合速率 有一定回 升， 不耐热品 种的光合速率下降明显 而回 升缓慢囚 。 马德华等 通过对黄 瓜幼苗叶片的研 究认为高 温 处 理 后 光 合 速 率明 显降 低 le 。 高 温 破 坏了 叶 绿 体 外 膜 和 类囊 体 膜 门 ， 光合 作 用 中 的 光 反 应 系 统 存在于类 囊体膜上， 而暗反 应系 统存在于基质中。 研究表明， 光系统n 是叶绿体中对高 温最敏感 的部位15 . 一般认为高温首先阻断光系统1 的光反应， 随后引 起天线色素复合体与光合系 统1 的 光捕获 机构 相分离阴 .同 时高 温叶 绿素降解含量降低，尤其是叶 绿素a含量降低，也说明 叶片 对光能 吸收 和转化能力下降。 sant arius et al“ 1 的研究表明热激导致的 净光合率下降的原因可能是光合磷酸化受阻， 尽管 r ubp狡化 酶本身是热稳定的， 但随光合磷酸化的下降， r u b p狡化酶 对光能的活性也下 降。同 时， 他认为光 合器官的热稳定性与类囊体 膜超微结构 有关， 甘蓝热敏品种 在 3839 高 温胁迫 下叶绿体 膜断裂、 解体 ， 类囊体片层松散、 排列紊乱、 基质片层模糊 不清， 说明热胁迫 下微观结 构的稳定性同 抗热性是密切相关的 【 101 .h avaux阴的研究表明番茄、 茄子、 马铃薯等 在高 温胁迫 下光合系 统n 伊 5 11 ) 发生不可逆性抑制， 而光合系统1伊 5 1) 对 热胁迫有较强的抵抗力。 1 2高温 对呼吸作用的影响 呼吸强 度是植物机体生命力强弱的 标志， 温度影响呼 吸速率主要 是影响呼吸酶的 活性12 。 司 . 本文获广东省科技重大专项 ( a2o 2 010 1 ) 、广州市农业招标项目 ( n k叫01佣2 )资助 通讯作者 南方蔬菜产业发展研讨会论文集 家钢等 发现， 高 温胁迫在 不同 程度上降低了 大白 菜各个品种的呼吸强 度， 且耐热 性越弱， 降低幅 度越大。 因 此认 为， 呼吸 强度在高 温处理与 未处理之间的差异 可作为 衡量大白 菜品种耐 热性的 一 个生理指标 tl2 1 。 有研究发现黄瓜叶片的呼 吸作 用在 2540 之间随 温度的 增高 而增加， 超过 4 0时 开始下降。 而马 德华 对辣椒幼苗研究却表明，呼吸 速率 随高 温先下降后上升 最后下降， 由 此看来， 高 温胁迫下呼 吸作用是一个 极其复杂的过程， 一方面高 温直接影响酶的活力， 使呼吸 强 度降 低; 另一方 面呼吸 作用又可以降 解、 解除高温胁迫下体内一 些有害物质， 减轻高 温逆境为 害. 不同 植物种类高 温逆境胁迫呼吸强 度的 变化规律尚待进一步研 究5 。 1 .3高温对 蒸腾作用 和水分 生理的 影响 蒸 腾作用是植物水分生 理的一个重要 过程， 在高温 下， 植物叶片蒸 腾强度增加能有效 地降低 叶片表面温 度， 使叶片 组织免受高温伤害l3. 温度密切影响着植物的蒸 腾作 用， 进一步影响细 胞内的 水的 含量， 使细胞内 水势 和渗透压发生 变化， 可以 通过渗透作用 来调节细胞内 水分的增减， 渗透调节 是植物忍耐和抵御高 温逆境的重 要生理机制。 金新文等对菜 豆， 芹菜和辣椒的 研究发现， 蒸腾强度 在高 温条件下升高幅 度及其在不同 时段的变化与品种的抗热性成正相 关洲.ku。等对 抗热及热 敏两种类型大白 菜在高温下测定了 植株的 水分潜势、 汁液渗 透势、 汁液电 导势、 相对含 水量。 结 果发现抗热品种 压力势高且相 对含水量较高， 叶片厚， 高温下 保持直立而能达到结 球的 目的. 2 高温 下生物膜结构破 坏及 保护 酶系 统发生变化 2 1 高温对生物膜结 构的 破坏 大量研究表明了， 高温 下细胞膜系统的稳定性同抗性成正相关 1 阎 。m altireau 等161 认为植物 在高温逆 境下的 伤害与 脂质透性的增加是高温伤害的本质之 一。高 温打破了 细胞内 超氧自由基 ( 0 2 ) ， 轻自 由 基(.0 印， 丙二醛( m d a ) ， 等一系列活性氧的产生与 清除之间的平衡 ， 造 成丙二 醛等氧化物的积累， 引 起构成生物膜的蛋白 质和脂类之间的功能键断 裂， 膜蛋白 变性、 分 解和凝 聚， 脂 类脱离膜而形成一 些液化的小囊 泡， 从而破坏膜的结构， 导致 膜丧失选择透性与主 动吸收 的 特性， 膜透性 增大， 细胞膜完整性丢失， 细胞内部的原生 质外渗。 细胞质膜的 相对透性 用电导 率的相 对比 值来表示， 植物受高温胁迫 后相对相对电 导率增加。 有研究 表明， 作物的耐热 程度可 用 伤害 性电 解 质 渗 漏 量 为50% 时 的 温 度 ( 热 致 死 温 度 ) 或 时 间 (5 。 致 死 时 间 ) 来 表 示 117 。 周 人 纲 认为: 50 热致死时间所 表达的 细胞膜热稳定 性能 准确地反映出 植物的耐热性大小， 叶片电 导率 大小是常用的衡 量植 物在遭受温 度胁迫时受害程度的生理指标，方法简便且结果准确 16 . 2 2高 温下保护酶系统的 变化 蔬菜体内众多的酶与 生物体的 代谢密 切相关。 在高温影响下， 酶 活性会发生变化。 利 用酶活 性作为蔬 菜的抗热 性指标可以 揭示蔬 菜在高温下代谢功能的变化规 律， 从 而探讨抗热性的 一些实 质性问 题. 与抗逆性有关 的酶主要有p o d 、 s 0 d 、 c at、 谷胧甘肤还原 酶( gr) 以及 还原性谷胧 甘肤还原酶( g s h ) 等。 司 家钢等在大白 菜上的 研究表明， 受高温热胁迫， 不论抗 热或感热品种， pod活 性均下降112 . 吴国 胜的研究 表明， 抗热大白菜的p o d活性 无论在高 温或常温下 均高于 不抗热品 种; c at 活性在高 温下升高，但品种间 无明 显差 异; s 0 d活性前期下降， 后期 上升， 抗性弱的 波动幅 度高于 抗性强的 l8。 另外， 对萝卜 的 研究表明， 在高 温胁迫后， 其p o d活性上 升，同 工酶带数 增加。 孟 焕文等指出黄瓜品 种在高 温下p o d活性均下降rig。由 此可 看出 热胁迫 ”二 _ . _ _ _一 j 巫 鱼 竺 型 生 暨 塑 鱼 些 进 二 一 一 一 与 p o d 等膜脂过氧化酶的关系十分密切。 3相关的代谢物质的变化 3 . 1内源激素的变化 脱落酸 ( a b a ) 对植 物的抗 逆性具有重要的 意义， 一般认为. 植物在温度逆境胁迫下油源 a b a水平发生变化。毛 胜利等研究结果 表明 ， 在常温下， 耐热与不耐热品种叶片中a b a差异 不 明 显， 但在高温下， 耐热品种叶片ab 人含量提高的幅 度明 显大于不耐 热品种120;在黄瓜上也 有 类似结 果。 马德 华对黄瓜研究发 现， 常温下黄瓜 幼苗体的a b a含 量低， 各品种间差 异不大。 但 经过高 温处理后， 各品种a b a含 量均显著增加，表 现为 耐热性强的比耐热性弱的品 种a b a含 量高， 经两天常温恢复后，各品 种ab a含量高121。 因 此认为，高温胁迫后a b a的含量和品种的耐 热性呈正相关。 a b a被认为是植物适应 高 温逆境， 启动适应性生 理反应的必需 介体. 但也 有学者提出， 高 温胁迫下植物a b a水平不一 定 总 是提高。杜臣等研究在35 以 上根 温下黄瓜 根系中a b a水平，发 现一天以后下降为25 时的112，这种低水平一直持续 到第sd ，在第1 0d 测定高温下生 长的根系中a b a水平却比 25 高近十倍。 有学 者认为高 温引 起植物体内激 素平衡失调，往往 是促衰老型增加，抗衰老 型 减少。在高温作用下， 植物体内生长素、细胞分裂素的合成水平下降， 而乙烯和脱落酸的合成增 强“ 气 3. 2脯氨酸含量的变化 正常情况下， 植物体内的 脯氨酸含 量很低， 但当 其处于逆境时其含 量可急 剧增加。 一 般来讲， 脯氨酸积累量与植物抗逆性呈正相 关。 脯氨酸可以防止 植物 水分散失 和提高原生质 胶体的稳 定 性， 在高 温 胁 迫时 许多 耐 热 的 植 物品 种比 不 耐 热的 品 种 脯 氨 酸 积累 多 122， 在 高 温胁 迫 下 ， 脯 氨 酸含量迅速增加， 耐热大白 菜品种脯氨酸含量增幅远远大 于不耐热品 种， 胁迫 下脯氨酸增加是 个 极灵敏的指标阎 : 高温下耐 热品 种叶细胞持水力的 增大可能与脯氨酸参与渗透调节有关， 耐热品 种脯氨酸含量经高温胁迫后增幅 远大于不耐热品 种，它表明 脯氨酸可能增强了细胞的 抗脱水力， 并 揭示了 脯氨酸作为大白 菜耐热性 鉴定的 生化指标的可能性 阴 . 孟焕文研究 表明， 3个黄瓜品 种脯氨酸含量均随胁迫温度升高 而上升。 游离脯氨酸含 量被 认为 具有调节渗透及保护细胞膜结构 的 作用， 黄瓜耐热品种体内脯氨 酸水平在常温和高温下均高 于不耐热品种，在常温下 相差不大， 仅为 n 一 89% ，而在高温下耐热品 种比不耐热品种子叶 游离脯氨酸含量高48.04% 23 . 有研究指出， 在高 温环境中 ， 植物体内游离脯氨酸 增加，是其体内 水分亏缺所引起的。因为 脯氨酸的水合能力较强， 水分亏缺时 积累的游离脯氨酸可作为一 种溶质来调节细胞水分环境的变 化。 积累的脯氨酸还可作为胁迫时能 量和氨源的 贮存库， 解除胁迫后， 直接参与植物的 代谢以25) 。 3 3热激蛋白的出现 热激蛋白 归ea t shoc k p ro te in， h s p) 是热 胁迫 下植物体内出现的 应激蛋白 质， 植物上最丰富的 热 激蛋白 是小分子量的h s p， 其分子 量一 般是15 50k d， 认为 该组热激蛋白同植 物耐热性关 系较大， 至少认为它的出 现为 植物提供了一种暂时的 保护机制。 min h siun等126 发现大豆在40 时 其 巧1 8 k d组h s p 合成量达 最大，占 总蛋白0 . 76 % 0 . 78 % 。 s chus te r 等人在1988 年证 明了进入叶绿体的 大豆h sp 2628k d可保护光合系统1 1 ps l l) 的 反应中 心在热激时免 受损 伤。刘箭27利用菜豆下胚轴，运 用 35 5一 met标记放射自 显影和二 维电 泳技术，将小分子 量组 南方蔬菜产业发展研讨会论文集 (1 s kd ， 1 4 kd ， ll kd 和1 o k d ) 4种h s p定位于质膜和液泡膜组分中， 将热激蛋白 在细胞中定 位 . fe 电 us on e talt劝 认 为h s p 在 高 温 下 可 保 护 蛋 白 质免 遭降 解 ， 随 着 温 度 升 高 。 h s p 合 成 受 到 抑 制， 蛋白 质则 大量降解. 但k uz net s ovet all 四 1 在 对黄瓜的研究中 指出 : 在热 激开 始时 植物是通过蒸 腾作用来 降温， h s p及其它的细胞保护 体系对于缓解高温的贡献微乎 其微， 在植物体内 形成某种 适应机制 前， h sp 既不能 减少植物的 死亡率， 也不能促进植物向 适应性状态转变， 只是 提供了一 种暂时的 保护机制; 高等 植物在进化过程中h s p的 保护作 用会渐渐失去。 蛋白 质在生物体中具 有极其重要的 功能，目 前大多数 研究表明， h sp 的出现与 细胞的 耐热 潜力发挥 有关， 对h s p 研究的深 入可能会促进对植物耐热性的了 解。 3 .4高温 胁迫与水 杨酸的 关系 水杨 酸即 邻轻基苯甲 酸 (sa ) 。 是 一种简单的酚类化合物， 参与植物的 许多生 理过 程。 特别 是20世 纪00 年 代以 来 ， 水杨 酸 作 为 一 种 植 物 对 胁 迫 反 应 所 必 须 的 信号 分 子 来 研究 闪 . 许 多 实 验 证明 s a是 一 种 重要 的 能 激 活 植 物 过 敏 反 应 ( hy p er s en sit i vere 印 on seh r) 和 系 统 获 得 抗 性 的 内 源信号分 子。高 温胁迫条 件下，s a明显提高。 d at等131 1 首次 报告 对白 芥苗进行高 温驯 化时其 内 源s a迅速提高; 高温 胁迫使黄瓜幼苗的自 由态s a含量 迅速提高2 . 5倍 321 ; 不仅内 源水 杨酸 对逆境可以 做出 应答。 而 且进一步研究发现， 外施s a可以 提高 植物的抗热性3 ，. 4 前景 在高 温胁迫下， 蔬菜的生理生化过 程发生不同程度的 变化，研究 和探寻其变化机理， 从 而找 到一些与 抗热性关系密 切的指标作为耐热性鉴 定指标， 选育出耐热品 种， 找到防御高温伤害的 措 施和制定 应对策略， 从 而为 解决在高温环境中 蔬菜的栽培和生 产问 题， 提高蔬菜品质和产 量， 保 证地方蔬 菜供应， 增加出口 创汇， 加快经济发 展。 参考文献 l o b e l ldb ，as ner gpc l l 幻 l a leandm an鲍e men t con t ri b u t io n s to吟 n l 廿 e n dsinus a g 月 c u ltu阁如咖s ij . s c 比 月 巴 . 2 佣3 ， 2 9 9 : 1 032 . 播瑞 识. 植物生 理学( 第5版) mi. 北京: 高 等教育出 版社 2 以 碎 : 5 6-5 7 ; 钵 8 6 . b e r ry j a. b jor k 人 i an o . p h o t o s ” t h e ti c re s pon s 已 即d ad叩tatio n t o 比 m 讲r a lu 邝i n h i ghe r p l antsj1 a n n u . rev. p白 冲 t p勺百 亡 口 之，1 9 8 0 ， 3 1 : 4 9 1 一 5 4 3 ， q ui n npj ，w i ll i a ms w 只e n v iron men t a ll y i n d u c edc h a n ges i ncbl o r o pl asts mc m b ranes andt h e i r e 欣c ts on户o tos 扣山 e si s aj 卫 a r b e rj ， b akernr ， e d s . pho to 卿t h e t ic mec h 如s ms an d th e e nvi ro n 爬n t c a m引 e l d a m; els e v i er. 飞 蛇5 二 1 o 47. 范双 喜， 谷建田 ， 韩 莹谈园艺 植物高 温逆境生理研究进展. 北京农学院 报， 2 田3，18 ( 2):1 47一1 51 马德华，庞金安.李淑菊. 高温对黄瓜幼苗叶片的光合作用和呼吸作用的影响ij】. 夭津农业科学.l 9 97 ，3 02):38 40 r mo n dpa， bjo rt mano a n ds tash e l inla .d i s s oci a ti o no fs u p ra mo ie c 2u lar c o m p e x e si nc h io r o p i 韶 1 m e m b 砂: a fn 阴ife st a ti 的 o fhea td a n l 日 g et ot h eth o t 沉 y n th e ti ca p 是江 . t u s .b 1 0 c h in 1 b l o外” a d a 1 9 80 ，60 1:4 3 3 一科 2 h e 比e rtsk ， fotkdc， ma 加ns . p h o to a c ous t icm e asu 传men t s inv i v oo f ene 唱yst o r 习 g e b yc yclj c e l e ct ronfl o w i na l g a 朋d h ig h erp l ants . p l a n p h y s i l . 1 9 9 0，9 4 : 9 2 6 9 3 4 a b d a ll aaa， k ver k e rk. g row t b，fl o w e ri 幻 ga n d加i t z s e t o f t b et o lnat oa lhigh tem per 3 加re . n e t h . j. a 幼c . s d， 1 9 6 8. 1 6:7 1 7 6 么1 丘6. 吏 友 夔竺些塑巡塑巡主色一一一一一 1 0. 5 胡 秋rl us k e x ne r m. m印u dl r . e ffec t s o f h ig h te m 伴ra tu 传o n the p h o t o s y n t h e l ic a p p a ra tu i n i s o l a ted 溯 s o p h y l l p rolo plastso f v口 介 向月 如阮usta( 1 ) ij . b e t a c kep h o to s yt h e ti ca. 1 9 9 12 5 ( 1 ) : 1 7 2 6 ， 1 1 .h八 v a u xm. s t resslo le ran c eo f p h o 协s y s te ml l in v i vo: ant ago n i s t ice ffec t sw a l e h c a t . andp h o toi nhib i t滋 o n s tresses ljp l ant p h y s i o logy.1 9 9 2 ， 1 加( 1 ) : 礴 2 4-4 3 2 - 1 2 . 司家 钢. 高温胁迫对大白菜耐热 性相关生理 指标的影响ji 中国 蔬菜， 1 9 9 5 ，4:4 6 13孟令波， 李淑敏， 高温胁 迫对黄瓜生理、 生化过程的影响 . 哈尔滨学院学报. 2 003 .2 4(l 0):l 2 3 一 1 2 4. 14，金新 文， 沈征言. 三种蔬 菜作物高温下燕 腾、 种子活力和八 t p的变化及其 与抗热性的关系j . 中国农 业大 学 学报， 1 9 9 9 ， 4 ( 5 ) : 9 5 一1 02 15 . 马 旭俊. 朱大海一 植物超氧 化酶(s o d)的研究 进展，遗传，2 003， 2 5 ( 2):2 25一 2 31 1 6 . m训n . ea“j r ， s pecht j e . te们 l per aturelo le r anceins o y beans .qa ps c ie n ce， 1 9 7 9 ， 1 9 : 7 5 一8 1 1 7 ，c h enh w e 卜h w ang e t a l ad叩tabil i tyofcrop p la nt s l o hi gh记 m p eratu 瓜c ro p s c i e n c 已1 9 8 2 ， (2 1 ) :7 1 9 7 乃. 18.吴国 胜， 等1细胞膜热稳定 性及保护酶和 大白 菜耐热性的关系1 园艺学报， 1 9 95， 22(4): 3 53 3 58 19.盂焕文，张彦峰. 程智慧等. 黄瓜幼苗对热胁迫的生理反应及耐热鉴定指标筛选j1 . 西北农业学报，2 洲 . 9 ( 1 ) :9 6 9 9 . 20.毛 胜利， 杜永臣 等. 高温胁 迫下番茄体内aba水平的 变化及其 对花粉萌 发的 影响. 园 艺学报2 以 巧 ， 32( 2): 2 3 4 2 3 8 21马德 华， 庞金安， 霍振荣，等.黄瓜对不同温 度逆境的抗 性研究中国 农业科学.l 9 9 9， 3 2 5):2 8 一 3 5 22张昭其段学武， 庞学群等 、 冷激对采后香 蕉几个与耐 热性有关的生理指标的影响. 植物生理学 通讯，2 002，38 (4) :3 3 3 3 3 5 23.何晓 明， 林毓娥， 陈清华 ， 等. 高温对黄 瓜幼 苗生长、 脯氨酸含量 及5 0 0酶活性的影响 ij】 . 上海交 通大学 学报 ( 农业版) ，2 002 ( 1 ) :3 0 3 3 2 4 ，八 s p in 毗d .p a le g l gp toli沈人 c u 妙 呱o n 二p 勿幻 。 lo glc吐凡p 仗 ts，the ， h y 滋 q to 盯出 ld b i o c he皿s l 叮o f d ro u g b t r esi s t即c e i np l ant m 卜n e wyork: a c 记e 而c p res s ， 1 9 8 1 ，2 0 5一 2 1 1 . 25.汤章城. 不同抗早品 种高温苗中 脯氨酸积累的 差异i j. 植物生理 学报， 1 9 86， 1 2 ( 2):i 5 4 一 1 62， 2 6 .m i n h s iu nh 幼 e h . 人c l“ s o f s o y beanl o wm o lec u 恤 weig hth eat s h o ck p rote i ns p 俪t p h y s i of . ，