1、低溫脅迫對(duì)小麥生理生化特性的影響 （東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 哈爾濱 150030）摘要：本研究以兩個(gè)冬小麥品種冬麥和濟(jì)麥為材料，在低溫脅迫及恢復(fù)處理?xiàng)l件下測定其，用來分析抗寒性不同的冬麥品種在低溫脅迫下適應(yīng)性的差異，結(jié)果表明在-10處理下，小麥隨處理時(shí)間增長，其各項(xiàng)生理指標(biāo)有不同程度的升高或降低，隨恢復(fù)時(shí)間增長，其各項(xiàng)生理指標(biāo)逐漸恢復(fù)正常。其中，濟(jì)麥比冬麥對(duì)冷脅迫更加敏感，各項(xiàng)生理指標(biāo)變化幅度均大于冬麥。關(guān)鍵詞：濟(jì)麥，冬麥，低溫脅迫，生理生化特性前言小麥(Triticum aestivum)是我國北方地區(qū)的主要糧食作物之一，其種植有較強(qiáng)的地域性，產(chǎn)量受氣候和環(huán)境條件影響很大。冷脅迫影響小麥幾

2、乎所有重要生命過程，因而導(dǎo)致減產(chǎn)或絕收，給糧食生產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅，這已經(jīng)成為影響我國乃至世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重大問題。因此了解小麥低溫冷害應(yīng)答的生理過程，是解決低溫冷害對(duì)小麥生產(chǎn)影響的重要基礎(chǔ)。低溫均會(huì)導(dǎo)致植物活性氧自由基積累，進(jìn)而形成氧化脅迫1,2。通過調(diào)節(jié)自身的抗氧化系統(tǒng)，植物可清除活性氧自由基而免受或減少傷害3。以抗壞血酸(ASA)為核心的抗氧化系統(tǒng)在植物清除活性氧過程中具有重要的作用4。植物ASA代謝途徑已較為明確，ASA在抗壞血酸過氧化物酶（APX）作用下氧化生成單脫氫抗壞血酸(MDHA)，MDHA經(jīng)非酶歧化反應(yīng)形成脫氫抗壞血酸（DHA）。兩者分別通過單脫氫抗壞血酸還原酶(MDHA)和脫氫抗

3、壞血酸還原酶(DHAR)、谷胱甘肽還原酶(GR)的作用被還原再生。因此，GalLDH、APX、MDAR、DHAR和GR為影響ASA代謝的重要酶，并被證明參與植物對(duì)活性氧的清除作用5。植物的抗寒性與活性氧代謝關(guān)系密切，低溫脅迫下植物體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的H2O2、O2-·、OH 等活性氧自由基，這些活性氧可導(dǎo)致膜脂過氧化，進(jìn)而造成膜系統(tǒng)的氧化損傷。植物體內(nèi)也存在著一系列酶促的和非酶促的抗氧化劑以活性氧自由基, 保護(hù)植物細(xì)胞免受活性氧的傷害，維持膜系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以增強(qiáng)植株的抗寒力。SOD、POD、CAT、APX 等被認(rèn)為是清除活性氧過程中最主要的抗氧化酶類，SOD 的主要功能是清除 O2-&#

4、183;并產(chǎn)生 H2O2，而 POD、CAT可以清除體內(nèi)的H2O2，APX 能通過 AsA-谷胱甘肽-NADPH 循環(huán)，催化 AsA 氧化，來清除 H2O2和 O2-，H2O2和 O2-等活性氧自由基的及時(shí)清除有利于維持植物體內(nèi)的活性氧代謝平衡，從而使植物能在一定程度上忍耐、減緩或抵抗低溫脅迫39?？箟难峥梢园鸭?xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的具有很強(qiáng)氧化活性的活性氧直接或間接地清除，防止活性氧的級(jí)聯(lián)放大作用，阻止和延緩了細(xì)胞膜系統(tǒng)的脂質(zhì)過氧化作用及生物大分子如蛋白質(zhì)和核酸的氧化損傷，保障了細(xì)胞內(nèi)各種生命代謝活動(dòng)的正常進(jìn)行。丙二醛（MDA）是植物在逆境傷害時(shí)脂質(zhì)發(fā)生過氧化作用的產(chǎn)物之一，它能抑制植物葉片光合速率，

5、降低磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)活性，加速葉綠素的降解，促進(jìn)暗呼吸作用速率，增大細(xì)胞膜泄漏，表現(xiàn)出對(duì)光合作用的明顯傷害。1 材料與方法1.1植物材料供試品種：東農(nóng)冬麥1號(hào)，濟(jì)麥22，由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院植物生理教研室提供。東農(nóng)冬麥1號(hào)， 2007年經(jīng)黑龍江省品種審定委員會(huì)審定推廣，在黑龍江省饒河地區(qū)連續(xù)5年區(qū)域試驗(yàn)的越冬返青率均達(dá)到70以上，最高可達(dá)90。濟(jì)麥22為山東省農(nóng)科院作物研究所選育，該品種在黑龍江省冬季嚴(yán)寒條件下凍害嚴(yán)重，不能越冬。1.2 實(shí)驗(yàn)方法 1.2.1 植物培養(yǎng)及處理將小麥種子播種于鋪有濾紙的培養(yǎng)皿中，在光照培養(yǎng)箱內(nèi)25萌發(fā)，生長至10cm左右后，即為實(shí)驗(yàn)材料。冬

6、麥和濟(jì)麥在-10分別處理24h、72h，之后恢復(fù)處理24h、72h。分別取兩個(gè)品種在各處理時(shí)間點(diǎn)取材備用。1.2.2 生理指標(biāo)測定生理指標(biāo)包括抗壞血酸過氧化物酶（APX）、谷胱甘肽還原酶（GR）、脫氫抗壞血酸還原酶（DHAR）、還原型抗環(huán)血酸（ASA）、脫氫抗壞血酸（DHA）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）、丙二醛（MDA），各項(xiàng)生理指標(biāo)檢測方法參考植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)。2 結(jié)果與分析21 低溫脅迫對(duì)小麥抗壞血酸過氧化物酶（APX）活性的影響 APX是植物和藻類特有的清除過氧化氫(H2O2)的重要酶類,是葉綠體中AsA-GSH循環(huán)的關(guān)鍵酶。經(jīng)低溫處理濟(jì)麥與對(duì)照相

7、比24h和72h后活性明顯增加，72h常溫恢復(fù)，其活性降低，但仍高于對(duì)照組；冬麥1號(hào)，低溫處理72h，APX活性增加，72h常溫恢復(fù)后無明顯變化。圖1低溫脅迫對(duì)小麥抗壞血酸過氧化物酶（APX）活性的影響22 低溫脅迫對(duì)小麥谷胱甘肽還原酶（GR）活性的影響谷胱甘肽還原酶(GR,EC 1.6.4.2)是植物細(xì)胞AsA-GSH循環(huán)中將GSSG還原為GSH的1種關(guān)鍵酶,存在于微粒體以及細(xì)胞液中,在植物氧化還原反應(yīng)中起重要作用,也是清除細(xì)胞內(nèi)H2O2的酶催化系統(tǒng)的組分之一。如圖2所示，低溫處理?xiàng)l件下，與對(duì)照相比，濟(jì)麥24h后酶活性增加，72h酶活性無明顯變化，常溫恢復(fù)24h其活性與低溫處理24h無明顯變

8、化，72h恢復(fù)條件下酶活性較72h低溫酶活性增加且高于對(duì)照組；冬麥1號(hào)，經(jīng)24h、72h低溫處理酶活性增加，但72h低溫酶活性低于24h低溫處理，常溫恢復(fù)24h，酶活性無明顯變化，72h后酶活性明顯增加，且冬麥1號(hào)低溫處理與常溫恢復(fù)過程中始終高于濟(jì)麥處理。 圖2低溫脅迫對(duì)小麥谷胱甘肽還原酶（GR）活性的影響23 低溫脅迫對(duì)小麥脫氫抗壞血酸還原酶（DHAR）活性的影響如圖3，在對(duì)照、24h低溫、72h低溫、24h恢復(fù)和72h恢復(fù)的所有試驗(yàn)組中，濟(jì)麥的脫氫抗環(huán)血酸還原酶活性顯著低于冬麥一號(hào)。圖3低溫脅迫對(duì)小麥脫氫抗壞血酸還原酶（DHAR）活性的影響24 低溫脅迫對(duì)小麥還原型抗環(huán)血酸（ASA）含量的

9、影響從圖4可以看出，冬麥的ASA含量第四組最高，即在室溫下24小時(shí)后取出測量的還原型抗環(huán)血酸含量最高，濟(jì)麥的ASA含量第三組最高，即在零下15攝氏度的環(huán)境下72小時(shí)后取出的還原型抗壞血酸含量最高。從而說明溫度偏低時(shí)，ASA的含量很高。圖4. 低溫下冬麥、濟(jì)麥ASA含量的變化25 低溫脅迫對(duì)小麥脫氫抗壞血酸（DHA）活性的影響由圖5看出冬麥和濟(jì)麥的DHA含量都是在常溫下最高的，隨著冷凍時(shí)間的增加而呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，第三組的冬麥和濟(jì)麥的DHA含量都是最低的。圖5. 低溫下冬麥、濟(jì)麥DHA含量的變化26 低溫脅迫對(duì)小麥過氧化物酶（POD）活性的影響由圖6可以看出，冬小麥具有一定的耐寒能力。在低溫下

10、會(huì)產(chǎn)生大量的過氧化物酶，從而清除體內(nèi)的活性氧，減少凍害對(duì)冬小麥的傷害。其中，在相同脅迫處理下，冬麥分蘗節(jié)中的過氧化氫酶活性比濟(jì)麥的要高。因此，我們可以看出，冬麥比濟(jì)麥更耐冷。圖6. 低溫下冬麥、濟(jì)麥POD活性的變化27 低溫脅迫對(duì)小麥過氧化氫酶（CAT）活性的影響由圖7可以看出，低溫處理對(duì)兩種小麥CAT酶活力均有影響，其中濟(jì)麥CAT酶活力在零下15條件下處理24小時(shí)后的酶活力高于常溫，處理72小時(shí)后酶活力有所下降，之后恢復(fù)至室溫后酶活力有明顯上升，且高于常溫下的酶活力。冬小麥CAT酶活力在零下15條件下處理24小時(shí)后的酶活力低于常溫，處理72小時(shí)后酶活力顯著下降達(dá)到最低值，恢復(fù)室溫后又有所上升

11、，且高于常溫條件下CAT酶活力值。其中冬小麥的CAT活力值在零下15處理后急劇下降，原因可能是其脅迫溫度超過冬小麥的耐受范圍，其CAT活力值明顯下降。而濟(jì)麥處在臨界溫度之上，所以CAT酶活性逐步升高，隨著凍害時(shí)間的延長CAT活力值逐漸下降。之后再恢復(fù)室溫，隨著恢復(fù)室溫時(shí)間的延長，兩種品種的小麥分蘗節(jié)CAT酶活力值均緩慢上升。圖7. 低溫下冬麥、濟(jì)麥CAT活性的變化28 低溫脅迫對(duì)小麥超氧化物歧化酶（SOD）活性的影響由圖8可以看出在未經(jīng)冷凍處理時(shí)，冬麥的SOD活性明顯高于濟(jì)麥；經(jīng)-10°C處理24h后，濟(jì)麥的SOD活性有所上升，表現(xiàn)對(duì)冷脅迫產(chǎn)生響應(yīng)，而冬麥的SOD活性有所下降，但SO

12、D活性仍高于濟(jì)麥；在-10°C處理72h后，二者的SOD均下降，此時(shí)的SOD活性基本相同，該現(xiàn)象可能由于冷處理的時(shí)間對(duì)超氧化物歧化酶的活性造成影響；在恢復(fù)處理24h和72h后，兩種小麥的SOD活性均得到恢復(fù),且兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)測得的SOD活性也基本相同，說明恢復(fù)后的小麥抗冷能力基本相同。由此我們可以得出結(jié)論，在短時(shí)間進(jìn)行冷凍處理后，冬麥的SOD活性高于濟(jì)麥，說明冬麥的抗凍能力高于濟(jì)麥。圖8. 低溫下冬麥、濟(jì)麥SOD活性的變化29 低溫脅迫對(duì)小麥丙二醛（MDA）含量的影響由圖9可以看出在-10處理下，小麥隨處理時(shí)間增長，其丙二醛含量升高，隨恢復(fù)時(shí)間增長，其丙二醛含量下降。其中，濟(jì)麥在低溫脅迫

13、下丙二醛含量要高于冬麥，表明濟(jì)麥比冬麥對(duì)冷脅迫更加敏感，在低溫脅迫后，濟(jì)麥比冬麥膜系統(tǒng)的受損程度更為嚴(yán)重。圖9. 低溫下冬麥、濟(jì)麥MDA含量的變化3 結(jié)論抗環(huán)血酸過氧化物酶（APX）也叫維生素C過氧化物酶，是以抗環(huán)血酸（AsA）作為電子供體的過氧化物酶，APX是清除H2O2的重要酶類。APX試驗(yàn)處理中可能是由于H2O2添加后沒能及時(shí)測定吸光值，使H2O2與抗壞血酸（AsA）反應(yīng)，導(dǎo)致試驗(yàn)誤差增大。冬麥一號(hào)由于其抗寒性較好，因此其植株體內(nèi)抗壞血酸過氧化物酶、脫氫抗壞血酸還原酶和谷胱甘肽還原酶活性要高于不耐寒的濟(jì)麥。從以上分析中可得出如下結(jié)論：（1）低溫脅迫下，APX、GR和DHAR變化顯著，可以

14、作為小麥耐寒性鑒定的輔助指標(biāo)。（2）半冬性品種和弱春性品種苗期抗寒性差異較大，拔節(jié)期差異變小。（3）小麥拔節(jié)期對(duì)低溫脅迫的生理反應(yīng)迅速，但持久性較苗期差，2天后表現(xiàn)出抗寒性減弱，表明該期不耐持續(xù)低溫。（4）在小麥抗寒性育種中，應(yīng)結(jié)合苗期、返青期和拔節(jié)期的生理生化特性和其他指標(biāo)綜合評(píng)定，才能準(zhǔn)確而快速地選育出抗寒性品種。低溫脅迫條件下植物體內(nèi)超常積累活性氧自由基這些自由基與活性氧的超常積累，對(duì)許多生物功能分子有破壞作用 同時(shí)植物體內(nèi)存在一些清除自由基和活性氧的酶類和非酶類物質(zhì)，自由基活性氧和清除它們的酶類和非酶類物質(zhì)在正常條件下維持平衡狀態(tài) SOD是植物抗氧化系統(tǒng)的第一道防線，它可以使Mehle

15、r反應(yīng)中產(chǎn)生的活性氧轉(zhuǎn)化成H2O2，然后通過PODCAT等將H2O2轉(zhuǎn)化為H2O和O2，從而有效地阻止O2 和H2O2相互作用對(duì)細(xì)胞膜產(chǎn)生更大的傷害。低溫下冬小麥GSH活性高低在清除活性氧中具有重要作用，GSH可直接同活性氧反應(yīng)，將其還原10。在低溫脅迫期間, 低溫脅迫處理的小麥幼苗的的GSH含量比對(duì)照組的高,表明低溫處理可以使小麥幼苗根蘗中谷胱甘肽庫中還原狀態(tài)的谷胱甘肽含量明顯增加,以有效地清除低溫脅迫產(chǎn)生的活性氧的危害, 從而提高小麥幼苗的抗寒性。濟(jì)麥在室溫恢復(fù)72小時(shí)階段GSH含量為負(fù)值可能是由于樣品溶液少，測量吸光值效果不好。根據(jù)GSH變化規(guī)律，可以看出兩個(gè)品種小麥抗凍性不同，說明GS

16、H含量的高低與品種的抗寒性也有關(guān)，因此冬麥、濟(jì)麥GSH含量在低溫處理和室溫恢復(fù)階段差異大。這可能也與小麥的生長期不同，從而影響了GSH含量。參考文獻(xiàn)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 dam

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