低温胁迫对毛尖紫萼藓、东亚砂藓生理生化及光合特性的影响

2014-11-22李孝凯等

江苏农业科学 2014年10期

李孝凯等

摘要：研究低温胁迫对毛尖紫萼藓、东亚砂藓生理生化特性，以及解除胁迫后生理生化和光合特性的影响。结果表明，低温胁迫下，2种藓游离脯氨酸、可溶性糖含量显著上升；-20 ℃处理下，2种藓可溶性蛋白含量显著下降，其他低温胁迫下可溶性蛋白含量显著上升；解除胁迫后，随恢复时间的延长，2种藓可溶性糖、可溶性蛋白含量显著高于对照，实际光化学量子产额、电子传递效率显著上升，非光化学淬灭系数显著下降；低温胁迫下，2种藓能通过渗透调节物质的积累来提高植物抗逆性从而适应低温；在解除胁迫恢复过程中，2种藓类植物渗透调节物质及光合特性能够迅速恢复到正常生长状态，说明极端低温并没有对2种藓造成不可恢复的伤害，2种藓类植物均能够适应极端低温。

关键词：毛尖紫萼藓；东亚砂藓；低温胁迫；渗透调节；光合特性

中图分类号： Q945.78文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）10-0355-04

收稿日期：2013-11-14

基金项目：国家自然科学基金（编号：31070180、31270254）。

作者简介：李孝凯（1986—），男，黑龙江佳木斯人，硕士研究生，研究方向为植物遗传学。E-mail：075lxk@163.com。

通信作者：沙伟，教授，研究方向为苔藓植物分子生物学和遗传学。E-mail：shw1129@263.net。春旱、秋霜冻为我国北方地区的主要自然灾害，这些灾害对植物生长、产量、分布起决定性作用，因此低温已成为限制植物地理分布和植物产量的重要环境因素之一。植物抗寒性研究表明，低温环境下植物的生理生化和光合特性最先受到影响，植物在适应低温的过程中会积累渗透调节物质和调节光合特性[1]。植物生理生化及光合特性通常被作为衡量植物抗寒性的重要指标，因此研究低温对植物生理生化及光合特性影响具有重要意义。苔藓植物隶属于高等植物中较为低等的类群，是自然界的拓荒者之一，是种数仅次于种子植物的高等植物，全世界约有23 000多种苔藓植物，我国已发现 2 200多种，占全世界的9.1%[2]。在中国，从年均气温低于 0 ℃ 的极地到年均气温超过53 ℃的温泉都有苔藓植物分布，由此可见，苔藓植物在我国分布范围极其广泛，由于很多种类的苔藓植物能够在极度低温和阳光直射的逆境环境下正常生长，甚至寒温带仍有苔藓植物生长，很多种类的苔藓植物往往被作为抗寒性研究材料[3]。黑龙江省五大连池风景区冬季严寒漫长，夏季凉爽短暂，年均气温-0.5 ℃，最低气温为-42 ℃，毛尖紫萼藓（Grimmia pilifera）、东亚砂藓（Racomitrium japonicum）2种藓类植物在该条件下均能够正常生长，因此其抗寒机制具有重要探索价值。目前，植物抗寒性相关报道很多，但鲜有这2种藓抗寒性相关研究。因此，本研究通过人工模拟低温条件，从渗透调节物质及光合特性等方面综合分析2种藓类植物的抗寒机制，旨在为苔藓植物抗寒性研究提供理论基础。

1材料与方法

1.1材料

将采自黑龙江省五大连池风景区的已干燥毛尖紫萼藓、东亚砂藓清洗干净，自然复水，25 ℃培养至材料达到自然生长状态。

1.2处理

将正常生长的植物分别放在-80、-40、-20、4 ℃冰箱中进行低温胁迫，胁迫时间分别为5、10、15、20、25、30 d，取其茎尖部分，每个处理3次重复，测定相应生理指标。将不同温度胁迫30 d后的2种藓分别进行解冻恢复5 d（R）处理，分别测定其生理指标及恢复过程中的光合特性变化，以25 ℃正常生长植物作为对照（CK）。

1.3方法

1.3.1生理指标测定脯氨酸含量的测定采用磺基水杨酸法[4]；可溶性糖含量的测定采用蒽酮法[4]；可溶性蛋白含量的测定采用考马斯亮蓝 G250染色法[4]。

1.3.2光合指标测定采用美国Li-COR公司生产的 Li-6400 便携式光合系统分析仪于08：00测定2种藓的实际光化学量子产额

2结果与分析

2.1低温胁迫下毛尖紫萼藓、东亚砂藓脯氨酸含量的变化

植物体内脯氨酸作为最重要的渗透调节物质之一，在外界环境因子（如干旱、高盐、高温、低温等）胁迫时，脯氨酸含量均会升高，并积累在植物器官里[5-6]。由图1可以看出，-80～4 ℃胁迫30 d后2种藓脯氨酸含量极显著高于对照（P<0.01），-80、-40、-20、4 ℃处理下，毛尖紫萼藓脯氨酸含量分别是对照的288%、188%、195%、154%，东亚砂藓脯氨酸含量分别是对照的419%、326%、292%、230%。随着胁迫温度下降，2种藓脯氨酸含量急剧上升，并且东亚砂藓脯氨酸含量增幅较毛尖紫萼藓更大。2种藓解除胁迫恢复 5 d 后脯氨酸含量下降，此时其含量仍显著高于对照（P<005）。

2.2低温胁迫下毛尖紫萼藓、东亚砂藓可溶性糖含量变化

由图2可以看出，4、-20、-80 ℃胁迫下，毛尖紫萼藓、东亚砂藓可溶性糖含量极显著上升（P<0.01），胁迫30 d后，毛尖紫萼藓可溶性糖含量分别是对照的118%、107%、153%，东亚砂藓可溶性糖含量分别是对照的116%、141%、145%。-40 ℃胁迫下，2种藓可溶性糖含量与对照差异不显著，可能是该温度能够激发2种藓其他渗透调节物质的积累，与可溶性糖产生协同作用抵御寒冷，使得该温度下2种藓可溶性糖含量与对照差异不显著。2种藓在解除胁迫恢复过程中可溶性糖含量与对照差异不显著。

2.3低温胁迫下毛尖紫萼藓、东亚砂藓可溶性蛋白含量变化

由图3可以看出，低温胁迫下，毛尖紫萼藓、东亚砂藓可溶性蛋白含量显著上升（P<0.05）。4、-40、-80 ℃胁迫 30 d 后，毛尖紫萼藓可溶性蛋白含量分别是对照的198%、107%、117%，东亚砂藓可溶性蛋白含量分别是对照的122%、103%、105%。-20 ℃胁迫30 d后，2种藓可溶性蛋白含量显著极低于对照（P<0.01），毛尖紫萼藓、东亚砂藓可溶性蛋白含量分别是对照的42%、47%，说明该温度下2种藓可溶性蛋白大量降解。解除胁迫恢复后，2种藓可溶性蛋白含量显著高于对照（P<0.05）。

2.4低温复苏下毛尖紫萼藓、东亚砂藓实际光化学量子产额变化

正常生长植物在光合作用下PSⅡ总的光化学量子产额

慢上升，说明恢复过程中其光能转换能力逐渐提高。

2.5低温复苏下毛尖紫萼藓、东亚砂藓电子传递速率（ETR）变化

植物进行光合作用时其光合机构吸收光能，电荷分离产生的电子会沿着电子传递链向下传递，电子传递速率能够反映 PSⅡ 反应中心的电子捕获效率[8]。由图5可以看出，解除低温胁迫后毛尖紫萼藓、东亚砂藓ETR与Yield变化规律基本一致，都随胁迫处理时间延长呈逐渐上升趋势，各处理间差异显著（P<0.05）。-80、-40、-20、4 ℃处理下，解除胁迫于室温25 ℃下恢复4 d后毛尖紫萼藓ETR分别是对照的106%、106%、102%、108%；东亚砂藓ETR分别是对照的117%、118%、111%、117%。表明2种植物PSⅡ 反应中心的电子捕获效率在恢复过程中逐渐提高。

2.6低温复苏下毛尖紫萼藓、东亚砂藓非光化学淬灭系数（qN）变化

qN反映植物天然色素在光合作用下吸收的光能不能用于光合电子传递而以热形式耗散掉的部分光能，是PSⅡ 中重要的保护机制[9]。由图6可以看出，解除低温胁迫后毛尖紫萼藓、东亚砂藓qN显著下降，各处理间差异显著（P<005）。-80、-40、-20、4 ℃处理下，解除胁迫于室温25 ℃下恢复4 d后毛尖紫萼藓qN分别为对照的0.96%、0.41%、038%、0.90%；东亚砂藓qN分别是对照的0.26%、0.34%、091%、0.89%。说明2种藓随PSⅡ 中ETR的提高，能将更多吸收的光用于光合作用，使qN逐渐下降。

3结论与讨论

脯氨酸是植物体内重要的渗透调节物质之一，在低温环境下能提高胞内溶质浓度，降低细胞冰点，防止细胞过度脱水，降低低温对植物细胞造成的损伤。大量研究表明，脯氨酸与植物的抗寒性有一定相关性，且脯氨酸还是活性氧的清除

剂，能保护膜结构，防止膜脂过氧化[10-12]。本研究表明，2种藓在不同温度胁迫下脯氨酸含量变化规律基本一致，随着胁迫时间延长，其含量呈急剧上升趋势，可见随着胁迫时间延长，2种藓能够诱导脯氨酸合成，这可以说明脯氨酸参与了2种藓的生理代谢和能量代谢，其含量增加正是2种藓应对低温的生理响应。在低温胁迫的15 d内，2种藓类植物脯氨酸含量出现了一些波动，这和一般植物在低温胁迫过程中的变化规律基本相似，说明在胁迫初期脯氨酸积极参与调节植物细胞之间渗透压平衡，防止细胞过度失水，减少低温对植物体的伤害，这与史玉炜等的研究结果[10]一致。胁迫后期，毛尖紫萼藓脯氨酸含量略有下降，但整个胁迫过程其含量均显著高于对照，经分析发现随胁迫时间延长，2种藓的抗氧化系统受到一定损伤，导致脯氨酸氧化分解。

可溶性糖、可溶性蛋白作为重要的渗透调节物质，在植物抗寒方面起重要调节作用[13-15]。植物体内可溶性糖含量的增加可以提高细胞液浓度，增强细胞保水能力，降低冰点，保持细胞液水溶状态，防止细胞受到低温损伤。同时在低温下，增加糖代谢能够为渗透调节提供碳骨架，以维持细胞结构和膜系统稳定，防止细胞溶解结晶[16-18]。植物体内的可溶性蛋白具有很强的亲水性，在低温下能够束缚大量水分，从而降低细胞结冰程度，但其结构和功能对外界环境变化很敏感[19]。本研究从可溶性糖和可溶性蛋白含量变化规律可以发现，4 ℃ 处理下，随着时间延长，2种藓可溶性糖含量呈先上升后下降趋势，可溶性蛋白含量显著上升，说明该温度能激发2种藓的抗寒保护机制，但并没有对植物组织造成大的伤害。当温度降至-20 ℃时，2种藓可溶性糖含量急剧上升，而可溶性蛋白含量急剧下降且极显著低于对照，经分析发现，该温度下细胞内物质代谢可能发生紊乱，蛋白酶系统受到损伤，导致可溶性蛋白水解量大于合成量。当胁迫温度降至-40 ℃时，2种藓可溶性糖含量显著上升，可溶性蛋白含量呈先下降后上升的趋势，但在胁迫后期可溶性糖含量与对照基本持平，可溶性蛋白含量极显著高于对照，说明2种藓在大量积累可溶性糖的同时可能还诱导新的抗冻蛋白合成。当温度继续下降至-80 ℃时，2种藓可溶性糖、可溶性蛋白含量均急剧上升。说明该极端低温通过大量积累可溶性糖、可溶性蛋白来共同抵御寒冷。综上可知，不同低温胁迫下，2种藓可溶性糖积极参与生理代谢，通过可溶性糖的大量积累防止极端温度下细胞内部结冰，维持细胞组织的水溶性，这与吴娜对卫矛科 3 种常绿阔叶植物的研究结论[20]一致。-20 ℃ 低温会造成2种藓可溶性蛋白降解，但当温度降至-40、-80 ℃ 时，2种藓可溶性蛋白含量极显著提高，说明极端低温能诱导新的抗冻蛋白的合成，极端低温下2种藓通过可溶性糖、可溶性蛋白的协同作用来抵御寒冷，-40 ℃很可能是这些抗冻蛋白合成的临界温度，其中-80 ℃下可溶性蛋白大量积累，说明随温度的降低，这些抗冻蛋白合成量变大。笔者认为，可溶性蛋白含量变化对毛尖紫萼藓、东亚砂藓抗寒机制研究具有指导意义，也为以后苔藓植物抗寒性研究提供了理论基础。

目前，叶绿素荧光技术已成为研究非生物胁迫对植物光合作用影响的重要方法[21]。Yield、ETR、qN等叶绿素荧光技术参数。如果植物不受非生物因素影响，Yield、ETR、qN等叶绿素荧光技术参数一般不会发生大的波动。本研究表明，2种藓在解除胁迫后1 d，Yield、ETR很低，说明在胁迫过程中光合机构受到一定破坏，造成PSⅡ反应中心活性减弱。qN则反映PSⅡ天线色素吸收的光能没有被用于光合电子传递，而以热的形式被耗散掉，此时qN极显著升高，以热的形式耗散掉过剩光能，从而保护光合电子传递链不被过剩光能破坏，维持相对较高的电子传递速率。而在解除胁迫1～4 d，2种藓的Yield、ETR变化规律整体保持一致，都呈显著上升趋势，qN极显著下降，说明PSⅡ反应中心活性逐渐增强，这可能是2种藓在解除胁迫过程中脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白的大量积累保持了类囊体膜与细胞质膜的结构完整性与功能稳定性[22-23]，从而使PSⅡ蛋白复合体能迅速恢复到正常功能，PSⅡ 反应中心受体侧的电子传递链以及反应中心均能得到快速而有效的恢复，提高实际光化学效率，减少过剩光的积累，其相应反应中心qN逐渐下降[24]。

综上所述，2种藓脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量的变化与抗寒性具有一定的相关性。在不同低温胁迫过程中，2种藓均能通过渗透调节物质的积累来防止细胞膜脂的过氧化，维持细胞膜的完整性，保证细胞膜脂各项生理生化反应能够正常进行。低温胁迫过程中，这3种渗透调节物质含量的峰值出现在不同时间点，分析认为3种渗透调节物质在抵御寒冷过程中有一定的先后顺序，相互间通过协同作用来增强2种藓的抗寒保护机制。解除胁迫后，2种藓渗透调节物质以及光合特性能够维持在可恢复状态。因此，毛尖紫萼藓、东亚砂藓能够通过渗透调节物质及光合特性调节来适应寒冷。

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