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褪黑素對模擬干旱脅迫下羅勒幼苗光合性能及抗氧化酶活性的影響

2024-04-08 11:22郄亞微賀濤
江蘇農業科學 2024年3期
關鍵詞:干旱羅勒光合作用

郄亞微 賀濤

摘要:為了研究干旱脅迫下施加褪黑素對羅勒幼苗光合性能及抗氧化酶活性的影響,以羅勒幼苗為試驗材料,設置對照(CK)、干旱脅迫(DR)、褪黑素預處理+干旱脅迫(ME+DR)3種處理,在干旱脅迫7 d后測定葉片的光合生理參數、根系形態參數、抗氧化酶活性。結果表明,DR處理顯著抑制羅勒幼苗的光合作用,影響根系形態,降低光合色素含量;同時,DR處理下羅勒幼苗的可溶性糖、脯氨酸、過氧化氫、丙二醛、超氧陰離子含量均有所提高。與DR處理相比,褪黑素可通過恢復葉綠素含量、根系結構、氣體交換參數,改善DR處理造成的不利影響。此外,外源褪黑素可增強超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、抗壞血酸過氧化物酶、谷胱甘肽還原酶、脫氫抗壞血酸還原酶、單脫氫抗壞血酸還原酶的活性,降低相對電導率,通過調節超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶、抗壞血酸過氧化物酶、谷胱甘肽還原酶、谷光甘肽S-轉移酶、脫氫抗壞血酸還原酶、單脫氫抗壞血酸還原酶的相對基因表達,對羅勒幼苗進行膜質過氧化水平的穩定和滲透調節。綜上所述,褪黑素可以有效改善羅勒幼苗在干旱脅迫下的根系特征、葉片光合作用、抗氧化機制,從而提高幼苗對干旱脅迫的適應性。

關鍵詞:羅勒;光合作用;根系生長;氧化損傷;褪黑素;干旱

中圖分類號:S636.901? 文獻標志碼:A

文章編號:1002-1302(2024)03-0179-05

我國的干旱、半干旱地區約占國土面積的26.73%,干旱已經成為限制植物生長、產量和品質的重要因素之一[1]。研究表明,干旱脅迫會導致植物色素含量降低、離子穩態失衡、蒸騰作用降低、氣孔關閉、細胞增大減小,最終導致植物死亡[2-4]。在缺水條件下,植物活性氧的過度積累會引起氧化損傷,從而導致細胞器嚴重損傷[5]?;钚匝醴肿影℉2O2、O-2·等,與細胞膜系統相互作用,主要破壞細胞中存在的大分子[6]?;钚匝踹^量積累,導致電子傳遞鏈氧化損傷,葉綠體、線粒體脂質過氧化增強,酶活性、蛋白質、核酸失活,最終降低作物的光合作用和產量[7]??寡趸?、非酶抗氧化劑分子有效減少活性氧的積累,從而平衡活性氧的合成和信號,增強植物的耐干旱脅迫能力[8]。此外,滲透物的積累也有助于抵抗干旱脅迫,防止植物的氧化膜損傷[9]。全球氣候變暖顯著影響了作物產量,其中干旱脅迫是主要因素之一。為了有效避免干旱所造成的危害,在農業生產中通常使用植物激素或生物刺激劑等農藝措施來提高植物的耐旱性,促進生理、生化和分子過程,對植物的生長調節和恢復力產生積極影響。因此,研究植物激素的作用機制,對提高植物抗逆性具有重要意義。

褪黑素是一種天然、多功能、無毒、具有調節性的吲哚類激素物質[10]。迄今為止,褪黑素被證明可以增強植物對不同非生物脅迫的抗性,如干旱、熱、冷、鹽、重金屬、化學物質、病原體[11-13]等。此外,褪黑素在細胞和組織水平上促進植物根系形態、種子萌發、光合作用、幼苗生長,延緩葉片衰老,提高抗氧化效率,促進果實成熟[11-13]。具體而言,活性氧穩態和抗氧化能力的增強,與干旱脅迫下幼苗中較高的褪黑素含量有關[14-15]。前人研究表明,在干旱脅迫下,外源褪黑素可增強小麥的植株生長屬性[16],改善生菜的根結構系統[15],提高菊花的光合效率[13],降低大豆的脂質過氧化和活性氧積累[17],改善燕麥的抗氧化酶系統[12]。

羅勒(Ocimum basilicum L.)為唇形科羅勒屬藥食兼用芳香植物,廣泛分布于熱帶與亞熱帶地區[18]。缺水對羅勒的生理、形態、生化、解剖結構都有顯著的抑制作用[19]。在水分虧缺條件下,有關褪黑素如何調節羅勒植物的生理、形態、生化的機制目前尚不清晰。本試驗通過研究干旱脅迫下,褪黑素對羅勒幼苗光合性能、膜損傷、根系結構、葉綠體結構、活性氧穩態的影響,探索褪黑素在增強羅勒干旱耐受性方面的調控機制,旨在為羅勒植物耐旱性評價和旱地引種栽培提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2022年在中國熱帶農業科學院熱帶作物品種資源研究所南藥圃進行,以綠葉羅勒 (Ocimum basilicum Improved Genovese Compact)為試材,種子經5% NaClO消毒20 min,蒸餾水洗凈,置于鋪有濕潤濾紙的培養皿內。種子露白后,將其播于含有草炭、蛭石、珍珠巖混勻的塑料盆(內徑? 18 cm、高11 cm) 中。待幼苗長至3張真葉時,充分灌溉后停水(土壤絕對含水量為40%~45%),水分脅迫組為自然干旱,試驗設置3個處理:CK,正常供水;DR處理,干旱脅迫,置于20%? PEG-6000溶液中處理7 d;MT+DR處理,褪黑素預處理+干旱脅迫,在含100 μmol/L褪黑素培養液中預處理 72 h,置于20%? PEG-6000溶液中處理7 d。每個處理重復 3 次,試驗重復2次。干旱脅迫7 d后,取羅勒幼苗,進行光合生理指標的測定。

1.2 測定指標及方法

1.2.1 光合特征參數 采用可見光分光光度法分別在645、663、440 nm處測量吸光度,計算葉綠素a、葉綠素b 、類胡蘿卜素含量;利用 Li-6400XT型便攜式光合儀測定光合參數,包括凈光合速率、胞間CO2濃度、氣孔導度、蒸騰速率。

1.2.2 滲透調節物質和膜脂過氧化水平 采用酸性茚三酮比色法測定游離脯氨酸含量;采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量;采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛含量;用DDS-307電導率儀測量葉片電導率;過氧化氫、超氧陰離子含量的測量參照郭欣欣等的方法[20]。

1.2.3 抗氧化酶活性 參照南京建成試劑盒中的操作指南,記錄超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶、抗壞血酸過氧化物酶、谷胱甘肽還原酶、谷光甘肽S-轉移酶、脫氫抗壞血酸還原酶、單脫氫抗壞血酸還原酶分別在550、405、290、340、412、420、412、340 nm 波長處的活性。

1.2.4 根系形態參數 干旱脅迫7 d后,取3株羅勒幼苗根系,用自來水沖洗干凈,使用根系掃描儀掃描根系,然后使用Win RHIZO根系分析系統得到根系形態參數,包括根長、根體積、根表面積、根尖數、根系平均直徑。

1.3 統計分析

使用SPSS 22.0統計軟件對數據進行單因素方差分析(ANOVA),并使用LSD(最小顯著性差異)檢驗有無顯著性(α=0.05)。

2 結果與分析

2.1 褪黑素對干旱脅迫下羅勒幼苗光合色素含量的影響

由表1可見,與CK相比,DR脅迫處理下羅勒幼苗葉片中的葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素含量分別顯著降低62.04%、47.54%、66.67%;ME+DR處理下,葉片葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素含量較CK分別顯著降低21.30%、19.67%、29.73%,但比DR處理分別顯著提高107.32%、53.13%、110.81%。

2.2 褪黑素對干旱脅迫下羅勒幼苗光合參數的影響

由表2可見,與CK相比,DR脅迫處理下羅勒幼苗葉片凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率分別顯著降低74.22%、75.00%、42.09%、66.47%;ME+DR處理下,上述參數分別比CK降低47.87%、50.00%、26.71%、47.31%,但比DR處理分別顯著提高102.22%、99.98%、26.55%、57.14%。

2.3 褪黑素對干旱脅迫下羅勒幼苗根系形態的影響

由表3可見,與CK相比,DR處理顯著降低羅勒幼苗根系形態的參數值,總根長、根體積、根表面積、根尖數、根系平均直徑分別顯著降低67.56%、69.49%、74.70%、71.58%、62.71%;ME+DR處理下,上述根系形態參數分別比CK降低45.77%、54.24%、54.43%、49.40%、27.12%,但與DR處理相比分別顯著增加67.16%、50.00%、80.08%、78.06%、95.45%。

2.4 褪黑素對干旱脅迫下羅勒幼苗滲透調節物質的影響

由圖1可見,與CK相比,DR處理下葉片的脯氨酸、可溶性糖含量分別顯著增加130.54%、49.55%;ME+DR處理下,脯氨酸、可溶性糖含量分別比CK增加85.74%、21.50%,但與DR處理分別顯著降低19.44%、18.76%。

2.5 褪黑素對干旱脅迫下羅勒幼苗膜脂過氧化物的影響

由表4可見,與CK相比,DR處理下羅勒幼苗過氧化氫含量、超氧陰離子含量、丙二醛含量、相對電導率分別顯著增加131.36%、142.11%、122.28%、31.13百分點;ME+DR處理下,上述參數分別比CK增加76.58%、102.63%、68.27%、17.88百分點,但比DR處理分別顯著降低23.68%、16.30%、24.30%、13.25百分點。

2.6 褪黑素對干旱脅迫下羅勒幼苗抗氧化酶活性的影響

由表5可見,在DR脅迫下,超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶、抗壞血酸過氧化物酶、谷胱甘肽還原酶的活性較CK分別提高56.08%、83.72%、87.89%、8.97%、8.77%,而谷光甘肽 S-轉移酶活性較CK降低26.35%;ME+DR處理下,超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶、抗壞血酸過氧化物酶、谷胱甘肽還原酶的活性較CK分別提高93.09%、90.70%、124.55%、40.79%、148.61%,而谷光甘肽S-轉移酶活性較CK降低12.72%。與DR脅迫處理相比,ME+DR處理下,超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶、抗壞血酸過氧化物酶、谷胱甘肽還原酶、谷光甘肽S-轉移酶的活性分別提高23.72%、3.80%、19.51%、29.21%、33.16%、18.50%。此外,與CK相比,DR脅迫處理幼苗的脫氫抗壞血酸還原酶、單脫氫抗壞血酸還原酶的活性分別顯著提高26.81%、27.70%。與DR脅迫處理相比,ME+DR處理下脫氫抗壞血酸還原酶、單脫氫抗壞血酸還原酶活性分別提高33.71%、16.94%。

2.7 褪黑素對干旱脅迫下羅勒幼苗抗氧化酶基因相對表達量的影響

由表6可見,在DR處理下,超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶、抗壞血酸過氧化物酶、谷胱甘肽還原酶的相對基因表達量較CK分別降低了8.31%、53.21%、36.42%、0.99%、7.03%,而谷光甘肽S-轉移酶的相對基因表達量較CK降低了74.75%。與DR脅處理相比,ME+DR處理下,超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶、抗壞血酸過氧化物酶、谷胱甘肽還原酶、谷光甘肽S-轉移酶的相對基因表達量分別提高144.30%、94.12%、73.37%、114.57%、65.55%、73.99%。此外,與CK相比,DR脅迫處理下,幼苗的脫氫抗壞血酸還原酶、單脫氫抗壞血酸還原酶的相對基因表達量分別顯著提高59.60%、3.50%。與DR脅迫處理相比,ME+DR處理下,脫氫抗壞血酸還原酶、單脫氫抗壞血酸還原酶的相對基因表達量分別提高103.80%、126.09%。

3 討論

光合作用是對干旱脅迫高度敏感的生理過程之一,干旱對光合作用的生物能過程有不利影響[2-5]。本研究結果表明,在干旱脅迫下,經褪黑素預處理的羅勒幼苗,其葉片凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率均顯著得到改善;這與前人在大豆[2]、銀杏[4]、燕麥[5]等植物上的結論相一致。植物受到干旱脅迫時,會降低葉片氣孔導度,從而減少水分散失,同時CO2吸收也受到影響,最終導致光合速率降低[21-22]。而經褪黑素預處理后,植物可以對干旱環境進行較快的響應,以減少干旱對植物光合系統及其功能造成的損傷[16,23]。光合色素是植物進行光合作用過程所必需的元素[24]。本研究結果表明,DR處理使羅勒幼苗葉片中的葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素顯著降低;施用褪黑素顯著提高了羅勒幼苗的光合色素含量,這與前人在小麥上的研究結果[16]一致。由于光合作用能力得到增強,植物獲得了更多的能量,這使它們能夠應對干旱所造成的的環境壓力[25]。

根系不僅為植物的地上部分提供結構支撐,而且還提供營養和水分[26]。因此,植物的生存取決于其適當的生長發育和根系功能。本研究結果表明,干旱脅迫顯著降低了羅勒幼苗的根表面積、根體積、根長度、根尖數、根系平均直徑;經褪黑素處理的羅勒幼苗根系形態參數明顯增強,這與前人在番茄上的研究結果[27]一致。其主要原因是,經褪黑素預處理的植物修復了被破壞的根系,從而維持了根系的正常功能。同時,外源褪黑素的施用可以改善非生物脅迫所造成的根系損傷[26]。

在干旱脅迫下,脯氨酸、可溶性糖作為重要的滲透調節物質,可以提高植物的抗逆性[9]。前人研究表明,干旱脅迫下番茄[28]、山核桃[29]葉片含水量降低,導致脯氨酸、可溶性糖含量增加,本研究結果與之是一致的,說明干旱脅迫條件下,作物通過增加滲透調節物質來維持細胞滲透勢平衡。逆境條件下,活性氧過度積累,導致脂質過氧化,損害細胞膜結構,從而危害植物的生長[7]。在本研究中,干旱脅迫下羅勒幼苗的氧化損傷水平(過氧化物含量、氧離子含量、丙二醛含量、電導率)顯著增加;外源褪黑素可以有效保護植物細胞免受氧化損傷,這與前人在冬小麥上的研究結果[7]一致。由此可見,褪黑素可以通過平衡活性氧過度積累,來減少DR引起的氧化損傷,并修復受損細胞膜。

抗氧化酶在植物抵御生物、非生物脅迫的防御系統中起著重要作用[30-32]。本研究結果表明,DR脅迫顯著提高了羅勒幼苗葉片的超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶、抗壞血酸過氧化物酶、谷胱甘肽還原酶、脫氫抗壞血酸還原酶、單脫氫抗壞血酸還原酶的活性及其相關基因表達,這與DR脅迫對黑麥草、苜??寡趸傅牡挠绊懡Y果[30]類似。褪黑素被認為是一種普遍的抗氧化劑,它能夠通過清除過量的活性氧和維持氧化還原穩態來降低逆境脅迫對植物的損傷[10,33]。在本研究中,褪黑素預處理的羅勒幼苗,其超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶、抗壞血酸過氧化物酶、谷胱甘肽還原酶、脫氫抗壞血酸還原酶、單脫氫抗壞血酸還原酶的活性和相對基因表達量上調,說明褪黑素可顯著增強干旱脅迫下各種植物抗氧化酶的活性。此外,褪黑素的應用可提高抗氧化系統的性能,激發抗氧化酶的活性[34]。

4 結論

干旱脅迫下,由于羅勒幼苗光合性能受損,膜脂過氧化產物過量積累,滲透失衡,根系形態受損,導致抗旱能力顯著下降。相反,外源褪黑素能有效緩解干旱脅迫,減少膜脂過氧化損傷,提高滲透調節能力,增強根系結構,提高光合性能。此外,干旱脅迫下,經褪黑素預處理的羅勒幼苗的可溶性糖、脯氨酸含量顯著下降,說明外源褪黑素是一種有效保護劑,可以通過增強抗氧化酶活性和減少氧化損傷,來提高羅勒幼苗的耐旱能力。

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