高级植物生理实验-低温胁迫对小麦生理生化特性的影响

1、低温胁迫对小麦生理生化特性的影响 （东北农业大学生命科学学院 哈尔滨 150030）摘要：本研究以两个冬小麦品种冬麦和济麦为材料，在低温胁迫及恢复处理条件下测定其，用来分析抗寒性不同的冬麦品种在低温胁迫下适应性的差异，结果表明在-10处理下，小麦随处理时间增长，其各项生理指标有不同程度的升高或降低，随恢复时间增长，其各项生理指标逐渐恢复正常。其中，济麦比冬麦对冷胁迫更加敏感，各项生理指标变化幅度均大于冬麦。关键词：济麦，冬麦，低温胁迫，生理生化特性前言小麦(Triticum aestivum)是我国北方地区的主要粮食作物之一，其种植有较强的地域性，产量受气候和环境条件影响很大。冷胁迫影响小麦几

2、乎所有重要生命过程，因而导致减产或绝收，给粮食生产带来严重威胁，这已经成为影响我国乃至世界农业生产的重大问题。因此了解小麦低温冷害应答的生理过程，是解决低温冷害对小麦生产影响的重要基础。低温均会导致植物活性氧自由基积累，进而形成氧化胁迫1,2。通过调节自身的抗氧化系统，植物可清除活性氧自由基而免受或减少伤害3。以抗坏血酸(ASA)为核心的抗氧化系统在植物清除活性氧过程中具有重要的作用4。植物ASA代谢途径已较为明确，ASA在抗坏血酸过氧化物酶（APX）作用下氧化生成单脱氢抗坏血酸(MDHA)，MDHA经非酶歧化反应形成脱氢抗坏血酸（DHA）。两者分别通过单脱氢抗坏血酸还原酶(MDHA)和脱氢抗

3、坏血酸还原酶(DHAR)、谷胱甘肽还原酶(GR)的作用被还原再生。因此，GalLDH、APX、MDAR、DHAR和GR为影响ASA代谢的重要酶，并被证明参与植物对活性氧的清除作用5。植物的抗寒性与活性氧代谢关系密切，低温胁迫下植物体内会产生大量的H2O2、O2-、OH 等活性氧自由基，这些活性氧可导致膜脂过氧化，进而造成膜系统的氧化损伤。植物体内也存在着一系列酶促的和非酶促的抗氧化剂以活性氧自由基, 保护植物细胞免受活性氧的伤害，维持膜系统的稳定性，以增强植株的抗寒力。SOD、POD、CAT、APX 等被认为是清除活性氧过程中最主要的抗氧化酶类，SOD 的主要功能是清除 O2-并产生 H2O2

4、，而 POD、CAT可以清除体内的H2O2，APX 能通过 AsA-谷胱甘肽-NADPH 循环，催化 AsA 氧化，来清除 H2O2和 O2-，H2O2和 O2-等活性氧自由基的及时清除有利于维持植物体内的活性氧代谢平衡，从而使植物能在一定程度上忍耐、减缓或抵抗低温胁迫39。抗坏血酸可以把细胞内产生的具有很强氧化活性的活性氧直接或间接地清除，防止活性氧的级联放大作用，阻止和延缓了细胞膜系统的脂质过氧化作用及生物大分子如蛋白质和核酸的氧化损伤，保障了细胞内各种生命代谢活动的正常进行。丙二醛（MDA）是植物在逆境伤害时脂质发生过氧化作用的产物之一，它能抑制植物叶片光合速率，降低磷酸烯醇式丙酮酸羧化

5、酶(PEPC)活性，加速叶绿素的降解，促进暗呼吸作用速率，增大细胞膜泄漏，表现出对光合作用的明显伤害。1 材料与方法1.1植物材料供试品种：东农冬麦1号，济麦22，由东北农业大学生命科学学院植物生理教研室提供。东农冬麦1号， 2007年经黑龙江省品种审定委员会审定推广，在黑龙江省饶河地区连续5年区域试验的越冬返青率均达到70以上，最高可达90。济麦22为山东省农科院作物研究所选育，该品种在黑龙江省冬季严寒条件下冻害严重，不能越冬。1.2 实验方法 1.2.1 植物培养及处理将小麦种子播种于铺有滤纸的培养皿中，在光照培养箱内25萌发，生长至10cm左右后，即为实验材料。冬麦和济麦在-10分别处理

6、24h、72h，之后恢复处理24h、72h。分别取两个品种在各处理时间点取材备用。1.2.2 生理指标测定生理指标包括抗坏血酸过氧化物酶（APX）、谷胱甘肽还原酶（GR）、脱氢抗坏血酸还原酶（DHAR）、还原型抗环血酸（ASA）、脱氢抗坏血酸（DHA）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）、丙二醛（MDA），各项生理指标检测方法参考植物生理学实验。2 结果与分析21 低温胁迫对小麦抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性的影响 APX是植物和藻类特有的清除过氧化氢(H2O2)的重要酶类,是叶绿体中AsA-GSH循环的关键酶。经低温处理济麦与对照相比24h和72h后活性明

7、显增加，72h常温恢复，其活性降低，但仍高于对照组；冬麦1号，低温处理72h，APX活性增加，72h常温恢复后无明显变化。图1低温胁迫对小麦抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性的影响22 低温胁迫对小麦谷胱甘肽还原酶（GR）活性的影响谷胱甘肽还原酶(GR,EC 1.6.4.2)是植物细胞AsA-GSH循环中将GSSG还原为GSH的1种关键酶,存在于微粒体以及细胞液中,在植物氧化还原反应中起重要作用,也是清除细胞内H2O2的酶催化系统的组分之一。如图2所示，低温处理条件下，与对照相比，济麦24h后酶活性增加，72h酶活性无明显变化，常温恢复24h其活性与低温处理24h无明显变化，72h恢复条件下酶活

8、性较72h低温酶活性增加且高于对照组；冬麦1号，经24h、72h低温处理酶活性增加，但72h低温酶活性低于24h低温处理，常温恢复24h，酶活性无明显变化，72h后酶活性明显增加，且冬麦1号低温处理与常温恢复过程中始终高于济麦处理。 图2低温胁迫对小麦谷胱甘肽还原酶（GR）活性的影响23 低温胁迫对小麦脱氢抗坏血酸还原酶（DHAR）活性的影响如图3，在对照、24h低温、72h低温、24h恢复和72h恢复的所有试验组中，济麦的脱氢抗环血酸还原酶活性显著低于冬麦一号。图3低温胁迫对小麦脱氢抗坏血酸还原酶（DHAR）活性的影响24 低温胁迫对小麦还原型抗环血酸（ASA）含量的影响从图4可以看出，冬麦

9、的ASA含量第四组最高，即在室温下24小时后取出测量的还原型抗环血酸含量最高，济麦的ASA含量第三组最高，即在零下15摄氏度的环境下72小时后取出的还原型抗坏血酸含量最高。从而说明温度偏低时，ASA的含量很高。图4. 低温下冬麦、济麦ASA含量的变化25 低温胁迫对小麦脱氢抗坏血酸（DHA）活性的影响由图5看出冬麦和济麦的DHA含量都是在常温下最高的，随着冷冻时间的增加而呈现明显的下降趋势，第三组的冬麦和济麦的DHA含量都是最低的。图5. 低温下冬麦、济麦DHA含量的变化26 低温胁迫对小麦过氧化物酶（POD）活性的影响由图6可以看出，冬小麦具有一定的耐寒能力。在低温下会产生大量的过氧化物酶，

10、从而清除体内的活性氧，减少冻害对冬小麦的伤害。其中，在相同胁迫处理下，冬麦分蘖节中的过氧化氢酶活性比济麦的要高。因此，我们可以看出，冬麦比济麦更耐冷。图6. 低温下冬麦、济麦POD活性的变化27 低温胁迫对小麦过氧化氢酶（CAT）活性的影响由图7可以看出，低温处理对两种小麦CAT酶活力均有影响，其中济麦CAT酶活力在零下15条件下处理24小时后的酶活力高于常温，处理72小时后酶活力有所下降，之后恢复至室温后酶活力有明显上升，且高于常温下的酶活力。冬小麦CAT酶活力在零下15条件下处理24小时后的酶活力低于常温，处理72小时后酶活力显著下降达到最低值，恢复室温后又有所上升，且高于常温条件下CAT

11、酶活力值。其中冬小麦的CAT活力值在零下15处理后急剧下降，原因可能是其胁迫温度超过冬小麦的耐受范围，其CAT活力值明显下降。而济麦处在临界温度之上，所以CAT酶活性逐步升高，随着冻害时间的延长CAT活力值逐渐下降。之后再恢复室温，随着恢复室温时间的延长，两种品种的小麦分蘖节CAT酶活力值均缓慢上升。图7. 低温下冬麦、济麦CAT活性的变化28 低温胁迫对小麦超氧化物歧化酶（SOD）活性的影响由图8可以看出在未经冷冻处理时，冬麦的SOD活性明显高于济麦；经-10C处理24h后，济麦的SOD活性有所上升，表现对冷胁迫产生响应，而冬麦的SOD活性有所下降，但SOD活性仍高于济麦；在-10C处理72

12、h后，二者的SOD均下降，此时的SOD活性基本相同，该现象可能由于冷处理的时间对超氧化物歧化酶的活性造成影响；在恢复处理24h和72h后，两种小麦的SOD活性均得到恢复,且两个时间点测得的SOD活性也基本相同，说明恢复后的小麦抗冷能力基本相同。由此我们可以得出结论，在短时间进行冷冻处理后，冬麦的SOD活性高于济麦，说明冬麦的抗冻能力高于济麦。图8. 低温下冬麦、济麦SOD活性的变化29 低温胁迫对小麦丙二醛（MDA）含量的影响由图9可以看出在-10处理下，小麦随处理时间增长，其丙二醛含量升高，随恢复时间增长，其丙二醛含量下降。其中，济麦在低温胁迫下丙二醛含量要高于冬麦，表明济麦比冬麦对冷胁迫更

13、加敏感，在低温胁迫后，济麦比冬麦膜系统的受损程度更为严重。图9. 低温下冬麦、济麦MDA含量的变化3 结论抗环血酸过氧化物酶（APX）也叫维生素C过氧化物酶，是以抗环血酸（AsA）作为电子供体的过氧化物酶，APX是清除H2O2的重要酶类。APX试验处理中可能是由于H2O2添加后没能及时测定吸光值，使H2O2与抗坏血酸（AsA）反应，导致试验误差增大。冬麦一号由于其抗寒性较好，因此其植株体内抗坏血酸过氧化物酶、脱氢抗坏血酸还原酶和谷胱甘肽还原酶活性要高于不耐寒的济麦。从以上分析中可得出如下结论：（1）低温胁迫下，APX、GR和DHAR变化显著，可以作为小麦耐寒性鉴定的辅助指标。（2）半冬性品种和

14、弱春性品种苗期抗寒性差异较大，拔节期差异变小。（3）小麦拔节期对低温胁迫的生理反应迅速，但持久性较苗期差，2天后表现出抗寒性减弱，表明该期不耐持续低温。（4）在小麦抗寒性育种中，应结合苗期、返青期和拔节期的生理生化特性和其他指标综合评定，才能准确而快速地选育出抗寒性品种。低温胁迫条件下植物体内超常积累活性氧自由基这些自由基与活性氧的超常积累，对许多生物功能分子有破坏作用 同时植物体内存在一些清除自由基和活性氧的酶类和非酶类物质，自由基活性氧和清除它们的酶类和非酶类物质在正常条件下维持平衡状态 SOD是植物抗氧化系统的第一道防线，它可以使Mehler反应中产生的活性氧转化成H2O2，然后通过PO

15、DCAT等将H2O2转化为H2O和O2，从而有效地阻止O2 和H2O2相互作用对细胞膜产生更大的伤害。低温下冬小麦GSH活性高低在清除活性氧中具有重要作用，GSH可直接同活性氧反应，将其还原10。在低温胁迫期间, 低温胁迫处理的小麦幼苗的的GSH含量比对照组的高,表明低温处理可以使小麦幼苗根蘖中谷胱甘肽库中还原状态的谷胱甘肽含量明显增加,以有效地清除低温胁迫产生的活性氧的危害, 从而提高小麦幼苗的抗寒性。济麦在室温恢复72小时阶段GSH含量为负值可能是由于样品溶液少，测量吸光值效果不好。根据GSH变化规律，可以看出两个品种小麦抗冻性不同，说明GSH含量的高低与品种的抗寒性也有关，因此冬麦、济麦

16、GSH含量在低温处理和室温恢复阶段差异大。这可能也与小麦的生长期不同，从而影响了GSH含量。参考文献1. Liux z, huang B R. Heat stress injury in relation to membrane lipid peroxidation in creeping bent grass.Crop Scicence 2000 40:503-5102. Yong I K Jiss Nilda R B ,etal Antioxidantive enzymes offer protection from chilling damage in rice plants. Crop

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