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Effects of low magnesium on photosynthesis characteristics and antioxidant system in cucumber seedlings under low temperature.

低镁胁迫对低温下黄瓜幼苗光合特性和抗氧化系统的影响


以‘津优3号’黄瓜幼苗为试材,以Hoagland全营养液处理为对照(CK),研究低镁(30%Mg)胁迫对低温(昼/夜温度12 ℃/8 ℃)下黄瓜幼苗光合特性和抗氧化系统的影响.结果表明: 低温下30%Mg处理黄瓜幼苗叶片Mg含量显著低于CK,而根中Mg含量与CK差异不显著.随着低温胁迫时间的延长,黄瓜幼苗叶片的叶绿素含量、净光合速率(Pn)、气孔导度(gs)和羧化效率(CE)逐渐降低,胞间CO2浓度(Ci)趋于升高.与CK相比,低温下30%Mg处理叶片叶绿素含量、Pn、gs和CE显著降低,Ci变化不大,叶绿体膜损伤严重,叶绿体数、基粒数和片层数较少,淀粉粒数增加,淀粉粒较长,丙二醛(MDA)含量升高,而超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)和谷胱甘肽还原酶(GR)活性降低.可见,低温下镁运输受阻引起的缺镁是叶片失绿的主要原因;低温引起Pn降低的主要原因是非气孔限制,低镁胁迫会加大低温对黄瓜Pn的影响,而由此引起的Pn降低的主要原因是气孔限制.
 
 

The effects of low magnesium (30% Mg) stress on photosynthesis characteristics and antioxidant system in ‘Jinyou 3’ cucumber (Cucumis sativa) seedlings under low temperature (day/night temperature was 12 ℃/8 ℃) were investigated, with Hoagland nutrient solution treatment as the control. The results showed that the 30% Mg treatment showed a significantly lower Mg content in leaves, compared with the control. However, no marked difference in roots between the 30% Mg treatment and the control was found. Low temperature significantly decreased the chlorophyll content, net photosynthetic rate (Pn), stomatal conductance (gs), and carboxylation efficiency (CE), while increased the intercelluar CO2 concentration (Ci). The 30% Mg treatment showed significantly lower chlorophyll content, Pn, gs and CE, compared with the control. No marked change was found in Ci between the 30% Mg treatment and the control. Low magnesium stress resulted in a more serious damage in chloroplast membrane under low temperature, and showed lower chloroplasts, grains and lamellas, while more and larger starch grains in cucumber seedlings. Low magnesium stress also led to an increase in MDA content, while a decrease in activities of superoxide dismutase (SOD), peroxidase (POD), catalase (CAT), ascorbate peroxidase (APX) and glutathione reductase (GR). These data suggested that magnesium deficiency caused by its hindered transportation under low temperature was the main reason for the chlorosis of cucumber leaves. The decrease in Pn was mainly caused by the nonstomatal limitation. Low magnesium stress increased the influence of low temperature on Pn, and the resulting decline in Pn was caused by the stomatal limitation.


全 文 :低镁胁迫对低温下黄瓜幼苗光合特性
和抗氧化系统的影响∗
朱  帅1  吴帼秀1  蔡  欢1  刘张垒1  刘  婧1  杨  瑞2  艾希珍1∗∗
( 1山东农业大学园艺科学与工程学院 /作物生物学国家重点实验室 /农业部黄淮地区园艺作物生物学与种质创制重点开放实
验室, 山东泰安 271018; 2北京市农业应用新技术重点实验室 /北京农学院植物科学技术学院, 北京 102206)
摘  要  以‘津优 3号’黄瓜幼苗为试材,以 Hoagland 全营养液处理为对照(CK),研究低镁
(30%Mg)胁迫对低温(昼 /夜温度 12 ℃ / 8 ℃)下黄瓜幼苗光合特性和抗氧化系统的影响.结
果表明: 低温下 30%Mg处理黄瓜幼苗叶片 Mg含量显著低于 CK,而根中 Mg含量与 CK差异
不显著.随着低温胁迫时间的延长,黄瓜幼苗叶片的叶绿素含量、净光合速率(Pn)、气孔导度
(gs)和羧化效率(CE)逐渐降低,胞间 CO2浓度(C i)趋于升高.与 CK 相比,低温下 30%Mg 处
理叶片叶绿素含量、Pn、gs和 CE显著降低,C i变化不大,叶绿体膜损伤严重,叶绿体数、基粒数
和片层数较少,淀粉粒数增加,淀粉粒较长,丙二醛(MDA)含量升高,而超氧化物歧化酶
(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)和谷胱甘肽还原
酶(GR)活性降低.可见,低温下镁运输受阻引起的缺镁是叶片失绿的主要原因;低温引起 Pn
降低的主要原因是非气孔限制,低镁胁迫会加大低温对黄瓜 Pn的影响,而由此引起的 Pn降低
的主要原因是气孔限制.
关键词  低镁胁迫; 低温; 叶绿素; 光合作用; 黄瓜
∗山东省农业重大应用技术创新项目和“十二五”国家科技支撑计划项目(2011BAD12B03)资助.
∗∗通讯作者. E⁃mail: axz@ sdau.edu.cn
2014⁃04⁃03收稿,2015⁃02⁃28接受.
文章编号  1001-9332(2015)05-1351-08  中图分类号  S65  文献标识码  A
Effects of low magnesium on photosynthesis characteristics and antioxidant system in cucum⁃
ber seedlings under low temperature. ZHU Shuai1, WU Guo⁃xiu1, CAI Huan1, LIU Zhang⁃lei1,
LIU Jing1, YANG Rui2, AI Xi⁃zhen1 ( 1College of Horticultural Science and Engineering, Shandong
Agricultural University / State Key Laboratory of Crop Biology / Ministry of Agriculture Key Laboratory
of Horticultural Crop Biology and Germplasm Innovation, Tai’an 271018, Shandong, China; 2Bei⁃
jing Key Laboratory for Agricultural Application and New Technique / College of Plant Science and
Technology, Beijing University of Agriculture, Beijing 102206, China) . ⁃Chin. J. Appl. Ecol.,
2015, 26(5): 1351-1358.
Abstract: The effects of low magnesium (30% Mg) stress on photosynthesis characteristics and an⁃
tioxidant system in ‘Jinyou 3’ cucumber (Cucumis sativa) seedlings under low temperature (day /
night temperature was 12 ℃ / 8 ℃) were investigated, with Hoagland nutrient solution treatment as
the control. The results showed that the 30% Mg treatment showed a significantly lower Mg content
in leaves, compared with the control. However, no marked difference in roots between the 30% Mg
treatment and the control was found. Low temperature significantly decreased the chlorophyll con⁃
tent, net photosynthetic rate ( Pn ), stomatal conductance ( gs ), and carboxylation efficiency
(CE), while increased the intercelluar CO2 concentration (C i). The 30% Mg treatment showed
significantly lower chlorophyll content, Pn, gs and CE, compared with the control. No marked
change was found in C i between the 30% Mg treatment and the control. Low magnesium stress resul⁃
ted in a more serious damage in chloroplast membrane under low temperature, and showed lower
chloroplasts, grains and lamellas, while more and larger starch grains in cucumber seedlings. Low
magnesium stress also led to an increase in MDA content, while a decrease in activities of superox⁃
ide dismutase (SOD), peroxidase ( POD), catalase ( CAT), ascorbate peroxidase (APX) and
glutathione reductase (GR). These data suggested that magnesium deficiency caused by its hin⁃
应 用 生 态 学 报  2015年 5月  第 26卷  第 5期                                                         
Chinese Journal of Applied Ecology, May 2015, 26(5): 1351-1358
dered transportation under low temperature was the main reason for the chlorosis of cucumber leaves.
The decrease in Pn was mainly caused by the non⁃stomatal limitation. Low magnesium stress in⁃
creased the influence of low temperature on Pn, and the resulting decline in Pn was caused by the
stomatal limitation.
Key words: low magnesium stress; low temperature; chlorophyll; photosynthesis; Cucumis sativa.
    镁是植物叶绿素分子的组成成分,不仅参与光
合作用及碳水化合物、脂肪、类脂、蛋白质和核酸的
合成[1],还可维持叶绿体类囊体膜的结构稳定[2] .因
此,研究镁胁迫对植物的调控机理具有重要意义.植
物缺镁会使叶绿体结构受到破坏,基粒数下降,被膜
损伤,类囊体数目降低[3], 基粒片层结构被破坏[4] .
镁还是植物体内多种酶的活化剂,植物的光合作用、
糖酵解、三羧酸循环、氮和硫的同化及 ATP 合成等
过程中的几十种酶都需要镁激活[5] .因此,镁对植物
的生理功能起着非常重要的调节作用.黄瓜(Cucu⁃
mis sativus)属于冷敏感植物,在北方日光温室生产
中经常遭遇低温弱光胁迫,是影响其生长发育、产量
和品质的重要因素.研究发现,黄瓜受到低温胁迫时
往往导致叶片失绿,呈现叶脉间黄化的缺镁症
状[6],但是该症状是由镁的吸收和运输受阻引起
的,还是叶绿素降解引起的,目前还不清楚.近年来,
已知缺镁导致作物叶片黄化,进而引起产量和品质
显著降低[7-9];还有研究发现,植物叶片缺镁致使活
性氧伤害也可能是叶绿素含量降低及植物叶片失绿
黄化的原因之一[8,10] .但有关低温与缺镁的交互作
用及其对黄瓜生长、光合作用与抗氧化酶活性的影
响机理的研究,尚未见报道.本文采用石英砂培养
法,研究低镁胁迫对低温下黄瓜幼苗生长量、色素含
量、气体交换参数、叶绿体超微结构和抗氧化系统的
影响,旨在探明低镁胁迫对低温下黄瓜镁的吸收、运
输和分配规律的影响,揭示镁对黄瓜光合作用和抗
氧化系统的调控机理,为日光温室冬春季黄瓜栽培
中叶片失绿症状的正确诊断,并寻求其有效的缓解
途径提供科学依据.
1  材料与方法
1􀆰 1  供试材料与试验设计
试验于 2012年在山东农业大学园艺实验站进
行.供试黄瓜品种为‘津优 3号’,栽培基质用膨化珍
珠岩.2012年 8月 28日播种,用直径 8 cm的营养钵
育苗,光量子通量密度(PFD)日均值 550 μmol·m-2
·s-1,昼 /夜气温 26 ℃ / 15 ℃ .试验设低镁(30%Mg)
和 100% Mg(CK)2 个处理,CK 用去离子水配制全
营养液,含 0.5 mmol·L-1NH4H2PO4、2.0 mmol·L
-1
Ca ( NO3 ) 2 ·4H2 O、 3. 2 mmol · L
-1 KNO3 和 1􀆰 0
mmol·L-1 MgSO4·7H2O,微量元素为全浓度,电导
率 2􀆰 2~2􀆰 5 mS·cm-1,pH 6.8 ~ 7.0.低镁处理营养
液中 Mg浓度为 Hoagland 营养液的 30%.黄瓜幼苗
长至 3叶 1心时(9月 21日)移至光照培养箱(GXZ
型,宁波)中进行低温处理:昼 /夜温度 12 ℃ / 8 ℃,
PFD 100 μmol·m-2·s-1,光周期 12 h / 12 h.分别于
低温胁迫 0、3、6、9、12 d 取样,每处理重复 3 次,每
重复 10 株.
1􀆰 2  测定项目与方法
1􀆰 2􀆰 1幼苗生长量  低温胁迫 0 、3 、6 、9 、12 d时用
直尺测定各处理幼苗的叶长,按照龚建华等[11]的方
法计算叶面积;用称量法测定干物质量.
1􀆰 2􀆰 2镁含量  称取黄瓜幼苗根、茎、叶鲜样 5 g,用
李合生等[12]的原子吸收法测定镁含量.
1􀆰 2􀆰 3叶绿素含量   用丙酮法[13]测定各处理黄瓜
叶片的叶绿素含量.
1􀆰 2􀆰 4气体交换参数与羧化效率   用英国 PP⁃
Systems公司生产的 Ciras⁃1 型光合仪测定 PFD 600
μmol·m-2·s-1、CO2浓度 350 ~ 360 μL·L
-1、叶温
(25±1) ℃下黄瓜幼苗最佳功能叶(上数第 2 片叶)
的光合速率 (Pn )、气孔导度 ( gs )、胞间 CO2浓度
(C i)和蒸腾速率(Tr),PFD、CO2浓度和叶温分别由
仪器的可调光源、内置式 CO2供气系统和温度监控
装置控制.用光合仪供气系统调节 CO2浓度,在 PFD
600 μmol·m-1·s-1下测定 Pn⁃C i曲线,初始斜率即
为羧化效率(CE) [14] .
1􀆰 2􀆰 5叶绿体超微结构  9:00—10:00 取样,在叶片
中部主脉两侧切去 1~2 mm见方小块,用 3%戊二醛
前固定,pH 7.2磷酸缓冲液冲洗,1%锇酸后固定,梯
度乙醇⁃丙酮脱水,Spurr 树脂包埋,LEIKA EM UC6
型超薄切片机切片,醋酸铀⁃柠檬酸铅双重染色,日
立 H7650型透射电镜观察、测量并照相.每处理观测
10~15个视野,取平均值.
1􀆰 2􀆰 6丙二醛(MDA)含量及抗氧化酶活性  采用李
合生等[12]的硫代巴比妥酸(TBA)比色法测定丙二
醛(MDA)含量;用氮蓝四唑(NBT)还原法测定超氧
2531 应  用  生  态  学  报                                      26卷
化物歧化酶(SOD)活性,以抑制光化还原 50%为 1
个酶活性单位;用愈创木酚法测定过氧化物酶
(POD)活性;参照 Chance 等[15]的方法测定过氧化
氢酶(CAT)活性;按 Foyer 等[16]的方法测定谷胱甘
肽还原酶(GR)活性,以 1 min 内 340 nm 吸光度值
的变化值表示酶活性;参照赵世杰等[17]的方法测定
抗坏血酸氧化酶(APX)活性.
1􀆰 3  数据处理
采用 Excel软件进行数据统计分析,用 DPS 软
件对数据进行单因素方差(one⁃way ANOVA)分析,
利用 Duncan 检验法进行差异显著性检查 ( α =
0􀆰 05).利用 SigmaPlot 10.0软件作图.
2  结果与分析
2􀆰 1  低温下黄瓜幼苗镁含量变化
由图 1可以看出,低温胁迫前,30%Mg 处理黄
瓜幼苗叶片中Mg含量显著低于CK,胁迫3 d后,
图 1  低温下黄瓜幼苗根、茎、叶中 Mg含量变化
Fig.1  Changes of Mg content in the roots, stems and leaves of
cucumber seedlings under low temperature treatment.
A: 叶 Leaf; B: 茎 Stem; C: 根 Root. 不同字母表示处理间差异显著
(P<0.05)Different letters meant significant difference between different
treatments at 0.05 level. 下同 The same below.
二者均略有增加,30%Mg 处理 Mg 含量比 CK 低
47􀆰 5%,之后 Mg 含量随着低温胁迫时间的延长而
降低,30%Mg处理始终低于 CK.
与叶片相比,黄瓜幼苗的茎和根系中 Mg 含量
较低.低温胁迫前,30%Mg 处理和 CK 的 Mg 含量差
异不显著,胁迫后二者的变化趋势与叶片相似,即胁
迫初期有所增加,3 d 后逐渐下降,胁迫前期 2 个处
理茎中 Mg含量也无显著差异,但胁迫时间延长至 9
d后,30%Mg 处理明显低于 CK;而根中 Mg 含量除
胁迫 3 d 时 30%Mg 处理较低外,其他时间均与 CK
差异不显著.可见,低温可抑制黄瓜幼苗对 Mg 的吸
收,低镁处理对黄瓜叶片中 Mg 含量影响最大,而对
茎和根的影响较小.
2􀆰 2  低镁胁迫对低温下黄瓜幼苗生长量的影响
由表 1可以看出,低温胁迫期内(12 d),30%Mg
处理和 CK 黄瓜幼苗的单株叶面积日增量分别为
0􀆰 084 和 0.041 cm2,前者显著小于后者.低镁胁迫不
仅影响黄瓜幼苗叶面积的扩展,还导致其植株较小,
茎蔓细弱,干物质积累量明显减少.低温处理 12 d
时,30%Mg处理干物质日增量较 CK低 46.2%.
2􀆰 3  低镁胁迫对低温下黄瓜幼苗叶绿素含量的
影响
由图 2可以看出,低温胁迫前,30%Mg 处理叶
绿素 a和叶绿素 b含量分别比 CK低 7.9%和 9.1%,
说明低镁胁迫对黄瓜幼苗的叶绿素合成具有明显的
抑制作用.低温胁迫后,30%Mg处理和 CK的叶绿素
a、b含量均逐渐降低.胁迫结束时(12 d),30%Mg 处
理叶绿素 a 和叶绿素 b 含量分别比胁迫前降低了
26.3%和 38.1%,CK 的分别较胁迫前降低了 23.0%
和 32.5%,表明低镁胁迫不仅影响常温下黄瓜幼苗
叶片的叶绿素合成,还可以加剧低温下叶绿素降解.
2􀆰 4  低镁胁迫对低温下黄瓜幼苗气体交换参数与
羧化效率的影响
2􀆰 4􀆰 1 对气体交换参数的影响   由图3可以看出,
表 1  低镁胁迫对低温黄瓜幼苗叶面积和干物质量的影响
Table 1  Effects of low magnesium stress on leaf area and
dry mass in cucumber seedlings under low temperature
treatment
处理
Treatment
日增叶面积
Increase of leaf
area per day
(cm2·plant-1·d-1)
日增干物质量
Increase of dry
mass per day
(g·plant-1·d-1)
CK 0.084±0.015a 0.013±0.000a
30% Mg 0.041±0.014b 0.007±0.001b
同列不同字母表示差异显著(P<0.05)Different letters in the same col⁃
umn meant significant difference at 0.05 level. 下同 The same below.
35315期                      朱  帅等: 低镁胁迫对低温下黄瓜幼苗光合特性和抗氧化系统的影响           
低温胁迫前,30%Mg 处理黄瓜幼苗叶片 Pn显著低
于 CK.低温胁迫初期,两者的 Pn均快速下降,30%
Mg处理仍显著低于 CK.3 d后各处理黄瓜幼苗的 Pn
持续降低,但降低幅度有所减小,胁迫结束时,30%
Mg处理 Pn比 CK 低 57.3%.可见,低镁胁迫会加大
低温对黄瓜幼苗 Pn的影响.低温胁迫前,30%Mg 处
理黄瓜幼苗 gs显著低于 CK,说明低镁胁迫可引起
叶片气孔关闭.胁迫后 2个处理 gs均大幅度下降,但
3 d后呈增加趋势,6 d后趋于平稳或缓慢下降,30%
Mg处理仍显著低于 CK.低温处理结束时,30%Mg
处理 gs比 CK低 45.7%.随着低温处理时间的延长,
黄瓜幼苗叶片 C i逐渐升高,表明 12 ℃ / 8 ℃下黄瓜
幼苗 Pn降低的主要原因是非气孔限制.30%Mg 处理
C i与 CK差异不显著(胁迫 12 d时显著低于 CK),表
明低温、低镁胁迫下黄瓜叶片 Pn降低幅度增大与叶
肉组织损伤无关.低温下黄瓜幼苗 Tr的变化趋势与
gs相似,但胁迫后期呈增加趋势,与 CK 相比,30%
Mg处理的 Tr始终较低.
2􀆰 4􀆰 2对羧化效率的影响   羧化效率(CE)是反映
植物叶片内 Rubisco活化量和 CO2利用效率的重要
指标.由图 4可以看出,低温胁迫前 30%Mg 处理黄
瓜幼苗的 CE显著低于 CK.胁迫后二者均逐渐降低,
低温处理结束时,30%Mg 处理 CE 较胁迫前降低了
68.3%,而 CK 降低了 59.9%,前者的降低幅度大于
后者,表明低镁胁迫会抑制黄瓜幼苗 Rubisco 的活
化 ,且加重低温对Rubisco活化量的影响.这可能是
图 2  低镁胁迫对低温下黄瓜幼苗叶绿素含量的影响
Fig.2  Effects of low magnesium stress on chlorophyll content of
cucumber seedlings under low temperature treatment.
图 3  低镁胁迫对低温下黄瓜幼苗气体交换参数的影响
Fig.3  Effects of low magnesium stress on gas exchange parame⁃
ters of cucumber seedlings under low temperature treatment.
图 4  低镁胁迫对低温下黄瓜幼苗羧化效率的影响
Fig.4   Effects of low magnesium stress on carboxylation effi⁃
ciency (CE) of cucumber seedlings under low temperature treat⁃
ment.
4531 应  用  生  态  学  报                                      26卷
表 2  低镁胁迫对低温下黄瓜幼苗叶绿体超微结构的影响
Table 2  Effects of low magnesium stress on ultrastructure of chloroplast in cucumber leaves under low temperature treat⁃
ment
处理
Treatment
叶绿体 /细胞
Chloroplast /
cell
叶绿体大小
Chloroplast size

Length
(μm)

Width
(μm)
基粒数 /
叶绿体
Ggranas /
chloroplast
片层数 /
基粒
Lamellas /
grana
淀粉粒 /
细胞
Starch
grain / cell
淀粉粒大小
Starch grain size

Length
(μm)

Width
(μm)
低温前 Before low 30% Mg 8.8±0.8b 3.4±0.7b 1.7±0.3b 14.4±0.9b 19.6±1.3b 10.8±0.8b 0.9±0.2b 0.4±0.1b
temperature CK 13.6±1.1a 4.5±0.9a 1.8±0.4a 20.2±0.8a 25.0±1.0a 7.4±0.5a 1.3±0.2a 0.6±0.1a
低温后 After low 30% Mg 5.4±0.5b 4.1±0.5a 2.8±0.8a 9.8±1.1b 14.6±1.6a 19.2±1.6a 1.9±0.4b 0.9±0.1a
temperature CK 10.0±0.7a 3.8±0.7a 2.8±0.2a 15.6±1.1a 17.4±0.9b 24.0±0.7b 2.2±0.5a 0.9±0.2a
图 5  低镁胁迫对低温下黄瓜幼苗叶绿体超微结构的影响
Fig.5  Effects of low magnesium stress on ultrastructure of chlo⁃
roplast in cucumber leaves under low temperature treatment.
Ⅰ: 低温处理前 CK CK before low temperature treatment; Ⅱ: 低温处
理前 30% Mg 30% Mg before low temperature treatment; Ⅲ: 低温处理
后 CK CK after low temperature treatment; Ⅳ: 低温处理后 30% Mg
30% Mg after low temperature treatment. C: 细胞壁 Cytoderm; CM: 细
胞膜 Cytomembrane; GL: 基粒 Grana; SL: 淀粉粒 Starch grains; P:
嗜锇体 Osmophore.
低镁导致低温下黄瓜 Pn降低幅度加大的重要机制
之一.
2􀆰 5  低镁胁迫对低温下黄瓜叶片叶绿体超微结构
的影响
电镜观察结果(图 5,表 2)表明,低温胁迫前,
30%Mg处理栅栏组织细胞内叶绿体膜略有损伤,数
目显著少于 CK,个体长度较短,基粒数和基粒片层
数分别较 CK减少 28.8%和 21.6%;单个细胞的平均
淀粉粒数为 10.8个,比 CK增加 45.9%,淀粉粒显著
变小.表明低镁胁迫严重影响黄瓜幼苗的叶绿体结
构,光合产物运输受阻,从而导致淀粉粒积累.
低温胁迫 6 d 后,黄瓜幼苗叶片的叶绿体膜边
缘模糊,个体略显膨胀;30%Mg 处理和 CK 叶绿体
数目比胁迫前分别减少 38.6%和 26.5%,基粒数和
基粒片层数均显著降低,淀粉粒数显著增加,淀粉粒
明显变大.与 CK 相比,30%Mg 处理基粒数、片层数
较少,而淀粉粒数较多,淀粉粒长度增加.表明低温
下黄瓜幼苗叶片的叶绿体结构严重受损,缺镁会加
重其受损程度.
2􀆰 6  低镁胁迫对低温下黄瓜幼苗MDA含量和抗氧
化酶活性的影响
MDA是脂质过氧化的主要产物之一,其含量高
低可以反映植物膜系统的受伤程度.由图 6 可以看
出,低温胁迫前,30%Mg处理黄瓜幼苗叶片 MDA含
量显著高于 CK;胁迫后两处理的 MDA 含量均逐渐
增加.胁迫结束时,30%Mg 处理 MDA 含量较 CK 高
16.4%.可见,低镁胁迫加重了低温引起的黄瓜叶片
膜脂过氧化.
低温胁迫前 30%Mg 处理黄瓜幼苗叶片的 SOD
活性与 CK差异不显著,胁迫后逐渐升高,但 30%Mg
处理的升高幅度显著低于 CK.胁迫结束时,30%Mg
处理 SOD活性较 CK 低 20.0%.低温下黄瓜幼苗叶
片的 POD活性快速增加,30%Mg处理多与 CK差异
不显著.CAT 活性的变化趋势与 SOD 相反,即随着
胁迫时间的延长趋于下降,与 CK 相比,30%Mg 处
理 CAT活性显著降低(胁迫前差异不显著).低温胁
迫初期,APX活性明显升高,3 d 后快速下降,胁迫
结束时,30%Mg 处理 APX 活性较 CK 低 39.5%.GR
活性的变化趋势与APX相似,即胁迫初期逐渐升
55315期                      朱  帅等: 低镁胁迫对低温下黄瓜幼苗光合特性和抗氧化系统的影响           
图 6  低镁胁迫对低温下黄瓜幼苗 MDA含量和抗氧化酶活性的影响
Fig.6  Effects of low magnesium stress on MDA content and antioxidant enzyme activities in cucumber seedlings under low temperature
treatment.
高,3 d后趋于下降,30%Mg处理显著低于 CK.
3  讨    论
低温胁迫初期,黄瓜幼苗叶、茎和根中 Mg 含量
多呈增加趋势(30%Mg处理的有所降低),这可能与
植物的自我防御机制有关,即低温下黄瓜幼苗可通
过加速对 Mg 的吸收、运输和积累,促进叶绿素合
成,以弥补低温引起的叶绿素降解,并有效地捕获有
限的光能.然而,当低温胁迫时间超过 3 d 时,Mg 含
量快速下降,表明此时低温对黄瓜根、茎的吸收与运
输功能的影响已经超出其自我调节和适应能力,导
致叶片严重缺镁,叶绿素合成受阻.研究发现,低温
胁迫时间延长至 6~9 d 时,黄瓜叶片表现出明显的
失绿症状(未发表).与 CK 相比,30%Mg 处理叶片
中 Mg和叶绿素含量均显著降低,失绿症状严重,表
明低温下镁运输受阻引起的缺镁是叶片失绿的主要
原因.
逆境条件下植物叶片光合速率降低的因素分为
气孔限制和非气孔限制两类.Farquhar等[18]认为,当
gs与 C i同时下降时,Pn下降主要是由气孔限制引起
的,如果 Pn的降低伴随着 C i升高,光合作用的主要
限制因素则是非气孔因素.有研究表明,低温下植物
Pn降低的主要原因是非气孔限制[19] .本研究中,低
温下黄瓜幼苗的 Pn和 gs均显著降低,而 C i随着胁迫
时间的延长而增加,表明引起 Pn降低的主要因素是
非气孔限制.然而,低温胁迫前 30%Mg 处理黄瓜幼
苗叶片的 Pn和 gs显著低于 CK,而 C i与 CK 差异不
显著;低温胁迫后二者的差异与胁迫前相似,表明常
温下低镁胁迫可引起黄瓜叶片气孔关闭,气孔限制
是低镁黄瓜幼苗 Pn降低的主要原因.
叶绿素酶存在于叶绿体膜上,而叶绿素蛋白质
复合物存在于类囊体上.完整叶绿体的叶绿素酶与
叶绿素单独分布,叶绿体受到损伤时叶绿素酶与叶
绿素接触,从而使叶绿素降解加速[20] .本研究表明,
低镁胁迫导致黄瓜幼苗叶片叶绿体受到破坏,数目
明显减少,低温下被膜损伤加重,基粒数减少,基粒
片层数松散,致使叶绿素 a、b含量降低,这表明叶绿
6531 应  用  生  态  学  报                                      26卷
体结构变化引起叶绿素合成减少或受阻,降解加速.
植物叶片中的叶绿素含量在多数情况下与 Pn呈正
相关[21-22],而本研究表明,低温处理前 30%Mg 处理
叶绿素 a 和叶绿素 b 含量分别比 CK 低 7􀆰 9%和
9􀆰 1%,Pn比 CK低 14.9%;低温处理结束时(12 d),
30%Mg处理叶绿素 a和叶绿素 b含量分别比 CK低
12.0%和 16.3%,而 Pn比 CK低 38.5%.可见,低镁胁
迫引起的叶绿素含量减少与 Pn降低不呈正比,这与
韩艳婷等[22]研究结果一致.缺镁状态下,即使温度
适宜也不能弥补叶绿素缺乏对光合作用的不利影
响,而且缺镁会加剧低温对黄瓜 Pn的影响.
植物细胞内活性氧的产生和清除处于动态平衡
状态,但当受到逆境胁迫时,植物对活性氧的调控能
力降低,活性氧(O2
-·、·OH 等)则会在细胞内积
累[23] .叶绿体是活性氧形成的主要场所.王爱国
等[24]研究发现,活性氧积累到一定程度以及由此引
起的膜脂过氧化,往往使叶绿体结构受到损伤,最终
使叶片失绿,严重时出现坏死症状.Cakmak[10]认为,
缺镁植株老叶叶绿素的逐步减少和叶片脉间失绿以
及坏死症状的出现可能是活性氧胁迫造成的.本研
究表明,低温下 30%Mg 处理黄瓜幼苗更易产生缺
镁症状,MDA含量显著高于 CK,这与前人[10,24]的研
究结果一致.逆境不仅会提高细胞活性氧水平,同时
也可诱发植物防御体系的建立,从而避免或减轻活
性氧对植物的伤害.多数研究认为,镁参与活性氧代
谢[10,25] .镁缺乏时,植株的抗氧化酶活性和抗氧化分
子浓度都明显增加[8,26] .然而,本研究中,低温胁迫
前 30%Mg处理黄瓜幼苗叶片的 SOD、POD、CAT 活
性与 CK 差异不显著,而 APX、GR 多显著低于 CK;
低温胁迫后,抗氧化酶活性多显著低于 CK,这与前
人[8,26]的研究结果不同.短时间缺镁时,植物可通过
提高抗氧化酶活性减轻伤害,但时间过长,防御体系
遭到破坏,自我调节能力减弱,从而导致抗氧化酶活
性下降,低镁伤害加重.
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作者简介  朱  帅,男,1987年生,硕士研究生. 主要从事蔬
菜栽培生理研究. E⁃mail: zshuaiedu@ 163.com
责任编辑  孙  菊
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