低溫脅迫對辣椒果實形態和抗氧化酶系統的影響

邵登魁,鄧昌蓉,王亞玲,文軍琴,3,張彥君

(1.青海大學農林科學院,青海 西寧 810016;2.青海省蔬菜遺傳與生理重點實驗室,青海 西寧 810016;3.青藏高原種質資源研究與利用實驗室,青海 西寧 810016)

辣椒(CapsicumannuumL.)屬茄科辣椒屬植物[1],冬春季辣椒生產主要在日光溫室中,由于青海省為高原溫帶、高原亞寒帶和寒帶氣候[2],所以辣椒易受低溫影響。辣椒受到低溫脅迫后,會出現生理代謝紊亂、形態發育失調、生活力下降、植株發育遲緩和生殖生長失調[3]。根據報道,當植物遭遇逆境脅迫時,細胞會產生大量的活性氧和自由基,其大量積累會對細胞產生毒害,為了確保生長發育,植物體會激活主動防御系統。

本試驗選擇了青海省廣泛種植的兩個辣椒品種:華美105和樂都長辣椒為試驗材料,在人工氣候培養箱中對其進行低溫處理,測定其生長指標和生理指標中的酶活性變化,研究低溫脅迫對辣椒果實形態及生理特性的影響,旨在為辣椒抗低溫冷害育種和?；ū９夹g研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選擇兩種耐低溫性不同的辣椒品種材料:樂都長辣椒(耐低溫結實性弱)和華美105(耐低溫結實性強),其中樂都長辣椒的種子由青海省農林科學院園藝所提供,華美105種子由山東省春禾種業公司提供。每個品種育苗150株,在辣椒4葉1心期時轉入人工氣候箱中進行不同溫度處理。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計

本試驗共設2個品種4個處理,每處理設3次重復,每個處理樣本量為50株;試驗條件如表1。培養箱低溫處理25 d后移栽到大田,進行后續觀察。試驗在青海省農業科學院園藝研究所3號試驗園及青海省蔬菜遺傳與生理實驗室中開展。

表1 試驗設計

1.2.2 植物形態指標測定

株高用直尺(20 cm)測量;展葉數是對全株葉長大于2 cm的葉片數進行統計;鮮重用千分之一電子天平稱重,將鮮株體置于電加熱恒溫鼓風爐中,在105 ℃下殺青30 min,然后在80 ℃下烘干,用電子天平稱量植株干重。

1.2.3 辣椒花芽分化及花器官觀察

花器官和幼果用OLYMPUS-SZX 7體視顯微鏡觀察拍照。分別于初現蕾期、開花前3 d、開花當日、開花1日、開花3日和開花5日進行觀察。

1.2.4 生理指標測定

可溶性糖測定采用蒽酮比色法[4];葉綠素含量測定采用乙醇法[5];超氧化物歧化酶(SOD)活性測定和氧化氫酶(CAT)活性測定參考陳建勛等的方法[6-7];過氧化物酶(POD)活性測定參考《植物生理實驗指導》的方法;抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性測定參考趙世杰等的方法[8]。

1.2.5 數據分析

使用Microsoft Excel 2019對試驗數據進行計算;采用Origin 2019 繪圖。

2 結果與分析

2.1 低溫脅迫對辣椒花器官顯微結構的影響

如圖1A所示,樂都長辣椒部分胚珠壞死,只有授粉管伸長正常的部位胚珠發育比較正常,其余胚珠大量壞死呈褐色。結合對照分析,樂都長辣椒花朵脫落是低溫環境造成辣椒授粉不完全,胚珠發育受阻,導致大部分胚珠壞死,從而影響辣椒子房發育,造成結果期落果現象的發生。樂都長辣椒在低溫條件下落花落果的可能原因是低溫影響花粉萌發和花粉管伸長,導致胚珠受精不良而敗育,進而引起子房體發育不良或停止。從圖2和圖3比較可以看出,在低溫脅迫下,樂都長辣椒在開花后子房體發育緩慢,花瓣脫落晚(圖2e,圖2f),而華美105花瓣在開花后3日就萎蔫脫落(圖3e),開花后5日子房體明顯長大(圖3f),二者的差異可能就來源于受精或花粉管生產刺激與否。由于華美105屬于耐低溫結實性品種,試驗當季未發生明顯的落花落果現象,而樂都長辣椒不耐低溫結實,發生了落花落果。

圖1 低溫處理下樂都長辣椒脫落花器官圖Fig.1 Low temperature treatment led to the fall of the long pepper shedding flower organ map

圖2 低溫脅迫下樂都長辣椒花器官結構Fig.2 Ledulong peppe flower organ structure under low temperature stress

圖3 低溫脅迫下華美105花器官結構Fig.3 Huamei 105 flower organ microstructure under low temperature stress

2.2 低溫脅迫對辣椒表型及生物量的影響

由圖4可知,低溫對辣椒表型有明顯的影響,在低溫處理下,兩種材料生長變緩。華美105辣椒在處理25 d后株高、完全功能葉片數、鮮重、干重較對照分別降低63%、39.3%、63.5%、73.7%;樂都長辣椒在低溫處理25 d后株高、完全功能葉片數、鮮重、干重較對照分別降低50%、30%、64.9%、71.4%。但是華美105在低溫條件下生物量積累優于樂都長辣椒,其它指標樂都長辣椒受溫度影響比華美105較小。由此看見,低溫條件下兩個品種的株高、功能葉片數、鮮重、干重均低于對照。

圖4 不同溫度處理對辣椒株高、完全功能葉數、鮮重、干重的影響Fig.4 The effects of high,leaf,fresh weight,and dry weight of chili pepper were treated at different temperatures

2.3 低溫脅迫對辣椒葉綠素含量及可溶性糖含量的影響

由圖5a可知,常溫條件下兩個品種葉綠素含量均隨時間延長不斷增加,25 d時都達到最大值。低溫處理下兩個品種葉綠素含量呈先降低后升高的趨勢,在低溫處理的第10 d時兩個品種的葉綠素含量值均最低,然后又隨著時間延長葉綠素含量逐漸增加,但是低溫處理的葉綠素含量始終低于常溫條件下兩個品種葉綠素含量,且華美105的葉綠素含量始終高于樂都長辣椒。

圖5 不同溫度處理對辣椒葉綠素和可溶性糖含量的影響Fig.5 Effects of different temperature treatments on the content of capsaicin and soluble sugars

由圖5b可知,常溫下隨著時間的推移,兩個材料的可溶性糖含量整體上均呈先上升后下降趨勢;而低溫下兩種材料可溶性糖含量呈現先降低再緩緩增加后降低的趨勢,5 d后降低到最小,但是兩個品種低溫處理的可溶性糖含量始終明顯低于常溫條件下可溶性糖含量。

由此可知,低溫處理可使得葉綠素含量和可溶性糖含量下調,兩個品種相比,華美105葉綠素含量和可溶性糖含量降幅相對較小,說明樂都長辣椒中葉綠素含量和可溶性糖變化對低溫處理更敏感。

2.4 低溫脅迫對辣椒抗氧化酶活性的影響

由圖6可知,低溫條件下,隨著生長期延伸,兩個品種辣椒葉片中 SOD活性均是先下降后上升的趨勢,且培育15 d后達到最低值。與華美105相比,樂都長辣椒中SOD活性受溫度影響變化更加明顯,變化幅度更大。低溫條件下, 兩個品種的POD活性均是先升高后下降,低溫處理的POD活性均高于常溫的兩個品種。兩個品種CAT活性整體上表現出先降低后升高趨勢,低溫條件與常溫條件相比CAT酶活性明顯降低,且樂都長辣椒低溫處理后變化幅度更加明顯。在低溫條件下,兩個品種的APX活性在常溫條件下表現出先下降后升高再下降的趨勢。APX活性在處理的前10 d酶活性降低,之后與常溫條件酶活性變化趨勢一致。

圖6 不同溫度處理對辣椒抗氧化酶活性的影響Fig.6 Effects of different temperature treatmented on antioxidant enzyme activity of chili pepper

由此可知,低溫處理下,除POD酶活性增強外,其它3種抗氧化酶活性均降低。整體上樂都長辣椒抗氧化酶活性對低溫響應更敏感。

3 討論與結論

綜上所述,通過對兩種耐低溫辣椒品種進行低溫脅迫處理發現,華美105不像樂都長辣椒,當季未發生明顯的落花落果現象;兩個品種的株高、功能葉片數、鮮重、干重均低于對照;華美105葉綠素、可溶性糖、SOD、CAT和APX含量降幅相對小,整體上樂都長辣椒對低溫響應更敏感。

通過本研究發現,低溫敏感型品種樂都長辣椒和耐低溫結實型品種華美105在花蕾期生長速度基本一致,開花以后到花后5 d二者的發育速度明顯不一致,其表現為樂都長辣椒子房體發育遲緩,花瓣脫落期延后,華美105在花后3 d花瓣脫落,第5 d子房體明顯長大。對樂都長辣椒低溫落果解剖發現,子房體中只有少數胚珠顏色正常,其余胚珠全部褐化,由此可知低溫敏感型辣椒品種在冬季低溫設施條件下的落花落果可能是因為花粉萌發和花粉管伸長受阻,進而不能完成受精作用或對胚珠刺激而致使子房體發育畸形或停止,變現為果實變小皺縮和脫落。這一結果與王興娥[9]的研究結果一致。

本研究發現,在低溫脅迫下,樂都長辣椒和華美105的生長均受到一定程度的影響,整體上低溫下華美105的生長量積累要高于樂都長辣椒,從葉片數和株高方面而言,樂都長辣椒受到影響表現較低,這一結果和宋靜爽等[10]在辣椒苗期對低溫脅迫的響應的研究結果存在一定的差異,可能與本試驗中處理時間長度和處理溫度設置有關,需進一步驗證。研究發現低溫處理會導致辣椒苗期葉綠素含量降低,這與常靜等[11]研究發現低溫弱光脅迫對辣椒葉片葉綠素光合熒光參數及部分生理特性均存在一定程度的影響一致。葉綠素作為光合作用的重要色素,其合成經常會受到長期亞低溫處理和短期低溫處理的影響。有研究表明,低溫導致葉綠素含量下降的觀點有兩種:一是葉綠素的減少,既是因為色素的合成受到阻礙,又是因為低溫對葉綠素的傷害;二是低溫抑制了葉綠素的合成,而非葉綠素的破壞[12-14],本研究中低溫敏感品種葉綠素降低幅度大于耐低溫品種,結果一定程度上支持上述理論。本研究發現低溫敏感品種的可溶性糖在低溫條件下變化幅度很大,這可能是這類品種在低溫脅迫初期的應激反應,因為可溶性糖含量增加有利于提高細胞的修復,所以低溫敏感品種可溶性糖含量應激增加是為了保護細胞免遭低溫損傷,使植物體能夠完成正常的生理代謝;相對而言耐低溫品種的可溶性糖變幅較小,其應激反應比較溫和。

低溫脅迫使植物體產生破壞蛋白質、脂質、膜結構和核酸等細胞成分的活性氧,植物體細胞通過生成SOD、POD、CAT等小分子抗氧化酶,消除自由基使之保持在一定水平,防止活性氧對植物造成過度傷害[15]。研究中發現兩個品種低溫脅迫下SOD和CAT活性是先降低后增高,POD和APX活性是先增高后降低,整體上華美105在低溫脅迫下四種酶活性變化幅度均小于樂都長辣椒,反映了兩種不同抗性辣椒品種之間的應激酶活性差異。吳琴等對抗氧化酶活性的研究發現,SOD能通過歧化作用將有害環境中產生的超氧自由基去除,避免植物體內O2-和H2O2結合,最終形成羥自由基-OH,對細胞造成損傷[16]。SOD催化歧化反應生成的H2O2可被其它酶去除,但CAT只存在于過氧化酶體中,而細胞質中的H2O2不會被CAT清除,所以在細胞質中存在的APX以抗壞血酸為底物來清除H2O2。在本試驗中,POD活性在低溫處理全過程中都表現為高于對照,SOD、APX和CAT酶活性在低溫處理時均低于對照,說明辣椒可以通過抗氧化酶活性的提高來緩解低溫初期損傷。在低溫過程中兩個品種的SOD活性在短暫下降后又表現出上升,說明在其它抗氧化酶作用變弱后SOD才啟動保護機制,但隨著脅迫作用的不斷持續,POD和APX保護作用逐漸降低,而CAT作為抗氧化酶體中的保護性機制也同時啟動,SOD的作用也持續加強,形成比較持久的保護機制。

筆者對低溫處理后移栽至田間的辣椒落花現象進行觀察統計發現:樂都長辣椒85%的門椒脫落,而對椒未受到低溫影響表現正常生長;華美105門椒未脫落,說明低溫脅迫早期容易造成落花落果,隨著多個抗氧化保護機制的啟動,植株在一定程度上可以適應低溫,從而減少落花落果,耐低溫結實品種表現更加優良。下一步將對低溫脅迫下辣椒落花、假果形成過程中內源激素水平,以及不同品種相應低溫關鍵基因表達水平方面開展研究,為今后的育種工作提供更加科學的理論支持。