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Effects of High Temperature on PSII and Antioxidant Enzymes Activities in Heat-Tolerant Scallion

高温对耐热大葱品种PSⅡ和抗氧化酶活性的影响



全 文 :园 艺 学 报 2012,39(1):175–181 http: // www. ahs. ac. cn
Acta Horticulturae Sinica E-mail: yuanyixuebao@126.com
收稿日期:2011–10–09;修回日期:2011–12–05
基金项目:山东省科技发展计划项目(2011GGB01013);国家重点基础研究发展计划(‘973’)项目(2009CB118505);国家自然科学
基金项目(30970854)基金项目
* 通信作者 Author for correspondence(E-mail:sjzhao@sdau.edu.cn;weiyouying911@163.com)
高温对耐热大葱品种 PSⅡ和抗氧化酶活性的影

梁 雪 1,颜 坤 2,梁 燕 1,张雯婷 1,魏佑营 1,*,董新纯 1,孟庆伟 1,
赵世杰 1,*
(1 作物生物学国家重点实验室,山东省作物生物学重点实验室,山东农业大学生命科学学院,山东泰安 271018;
2中国科学院烟台海岸带研究所,山东烟台 264003)
摘 要:以‘章丘大葱’为对照,研究了 25 ~ 50 ℃下耐热大葱品种‘春味’、‘吉叶晚抽’和‘长悦’
叶片丙二醛含量,电解质外渗率,叶绿素荧光参数和抗氧化酶活性的变化。结果表明,高温下耐热大葱
品种叶片光系统Ⅱ(PSⅡ)最大光化学效率的下降和电解质外渗率的增加幅度小于章丘大葱,说明耐热
大葱品种 PSⅡ和细胞膜热稳定性高于章丘大葱。高温下,3 个耐热大葱品种和章丘大葱叶片超氧化物歧
化酶(SOD)、过氧化物酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性上升,但耐热品种上升幅度显著高
于章丘大葱,表明其叶片抗氧化能力较高。因此,耐热大葱品种叶片较高的抗氧化酶活性是其耐热性较
强的原因之一。
关键词:大葱;耐热性;叶绿素荧光;抗氧化酶
中图分类号:S 633.1 文献标识码:A 文章编号:0513-353X(2012)01-0175-07

Effects of High Temperature on PSⅡ and Antioxidant Enzymes Activities
in Heat-tolerant Scallion
LIANG Xue1,YAN Kun2,LIANG Yan1,ZHANG Wen-ting1,WEI You-ying1,*,DONG Xin-chun1,
MENG Qing-wei1,and ZHAO Shi-jie1,*
(1State Key Lab of Crop Biology,Shandong Key Laboratory of Crop Biology,College of Life Sciences,Shandong
Agricultural University,Tai’an,Shandong 271018,China;2Yantai Institute of Coastal Zone Research,Chinese Academy
of Sciences,Yantai,Shandong 264003,China)
Abstract:Using‘Zhangqiu Dacong’scallion as control,changes of malondialdehyde(MDA)content,
electrolyte leakage,chlorophyll fluorescence parameters and antioxidant enzyme activities were studied in
leaves of heat-tolerant scallion,‘Chunwei’,‘Jiye Wanchou’And‘Changyue’,at 25–50 ℃. The results
showed that the extent of decrease in the maximum photochemical efficiency of photosystem Ⅱ and of the
increase in electrolyte leakage in leaves of the heat-tolerant scallion was less than that in leaves of the
‘Zhangqiu Dacong’scallion at high temperature,indicating that the thermostability of photosystem Ⅱ and
cell membrane was higher in the heat-tolerant scallion than that in the‘Zhangqiu Dacong’scallion. At high

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temperature,the activities of superoxide dismutase(SOD),catalase(CAT)and ascorbate peroxidase
(APX)increased in leaves of the heat-tolerant scallion and‘Zhangqiu Dacong’scallion,but the increase
extent was greater in the summer scallion,which suggests that heat-tolerant scallion had a higher
antioxidant capacity than the‘Zhangqiu Dacong’scallion did. Having higher antioxidant ability is one of
the reasons for higher heat tolerance in the leaves of heat-tolerant scallion.
Key words:summer scallion;heat tolerance;chlorophyll fluorescence;antioxidant enzymes

光合作用是植物对高温胁迫最敏感的生理活动之一,光系统Ⅱ(PSⅡ)是光合机构中最易受高
温伤害的部位(Berry & Bjorkman,1980)。研究证实,高温胁迫首先伤害小麦叶片 PSⅡ受体库,随
着胁迫温度的升高,PSⅡ供体侧才受到伤害(陈锋 等,2006);高温胁迫降低柑橘叶片 PSⅡ光化学
效率,导致光合速率下降(Guo et al.,2006)。
植物正常生理代谢下,叶片吸收的光能大部分用于光合电子传递和热耗散,少量过剩光能会诱
导活性氧生成(王强 等,2000)。植物体内有完善的抗氧化酶系统,负责清除正常生理代谢过程中
产生的过量活性氧,保证植物正常的生长发育。高温破坏叶片光合机构,阻碍光合电子传递,导致
过剩光能增加,产生较多活性氧,造成叶片氧化伤害,加重光合机构的损伤,进而影响植物的生长
发育(Allakhverdiev et al.,2008;陈大印 等,2011;王俊玲 等,2011)。因此,植物抗氧化酶在
抵御高温胁迫中会起到重要作用。研究证实,在高温胁迫初期,一品红叶片抗氧化酶活性增加,缓
解了活性氧含量的上升,避免了细胞膜损伤(陶俊 等,2008)。嫁接菊花叶片高温下较高的抗氧化
酶活性是其耐热性增强的原因(房伟民 等,2009)。罗丽兰等(2008)也证实百合通过增强叶片抗
氧化酶活性来保护光合机构免受高温伤害。
高温炎热的夏季,大葱生长缓慢,8 ~ 10 d 才能伸出一片叶,抗病性减弱,进入半休眠期,应
加强中耕除草,并注意排水和病虫害防治(倪会娟和高忠贤,2001)。目前,国内外选育了部分耐热
大葱新品种应对夏季高温,保证夏季大葱的供应,但耐热大葱对高温的生理响应机制未见报道。本
文从抗氧化酶活性、叶绿素荧光参数、膜脂过氧化和电解质外渗率等方面探讨耐热大葱对高温的适
应机理,为其高产栽培提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料
供试材料为大葱‘春味’、‘吉叶晚抽’、‘长悦’3 个耐热品种和‘章丘大葱’品种。章丘大葱
是适宜秋季栽培的品种,作为对照,购自山东省章丘市明水种子公司,其他 3 个品种均为日本品种,
购自山东省安丘市种子公司。
章丘大葱属耐寒性蔬菜,对土壤的适应性较强,但富含有机质的粘性土壤是其获得优质高产的
必须条件,忌连作,常与小麦或非鲜茎类蔬菜轮作。
‘春味’大葱生长势旺盛,不易被风折叶,可以密植栽培,抽薹晚,具有一定的耐热和耐低温
能力,叶鲜绿色,叶鞘部生长快,葱白部紧实。
‘吉叶晚抽’大葱耐热性和耐寒性较强,属黑柄系列品种,叶片直立,浓绿色,不易被风折断。
‘长悦’大葱叶鞘颈部紧实,葱白部分有光泽,紧实,口味佳,品质好,抗葱锈病、霜霉病、
黑斑病能力较强,耐热性较强,抽薹极晚。
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1.2 方法
试验于 2006 年 9 月至 2007 年 12 月在山东农业大学网室及光合生理研究室进行。2006 年 9 月
在大田里育苗,2007 年 5 月移栽于直径 25 cm、高 23 cm 塑料盆中,每盆 6 株,每个品种 10 盆,常
规管理。生长 50 d 后,选择长势一致的植株,连盆一起放置到光照培养箱(I36VLX,PERCIVAL,
USA)中,分别在 25、30、35、40、45 和 50 ℃处理 2 h,光照强度为 100 μmol · m-2 · s-1,每个品种
处理 1 盆(6 株)。处理后将材料取出,放置在 800 μmol · m-2 · s-1 大型生物效应灯下光适应 1 h 之后,
取全展的倒 2 叶和倒 3 叶用于各项生理指标的测定。
1.3 测定
1.3.1 MDA 含量和电解质外渗率测定
采用硫代巴比妥酸显色法测定叶片 MDA 含量(Heath & Packer,968)。采用 DDS-12DW 型电
导率仪(理达,中国)测定叶片电解质外渗量(Sui et al.,2007)。
1.3.2 抗氧化酶活性的测定
抗氧化酶活性测定时采用同一提取液体系,提取液为 pH 7.8(0.05 mol · L-1)磷酸缓冲液。SOD
活性测定采用 NBT 法(Beyer & Fridovich,1987)。APX 酶活性的测定采用 Krivosheeva 等(1996)
的方法。CAT 酶活性的测定采用 Aebi(1984)的方法。
1.3.3 叶绿素荧光参数的测定
参考 Strasser 和 Strasser(1995)的方法,采用 Pocket PEA 植物效率仪(Hansatech,UK)测定
大葱叶片的 OJIP 曲线。叶片测定前暗适应 15 min,每一温度处理选择 5 个叶片作为重复。该曲线
由 3 000 μmol · m-2 · s-1 的饱和光诱导,荧光信号记录从 10 μs 开始,至 1 s 结束,前 2 ms 内是以每秒
105 个点记录数据,2 ms 以后是以每秒 1 000 个点记录数据,以 50 μs 的荧光信号作为初始荧光 Fo,
300 μs 的荧光强度为 Fk,2 ms 的荧光强度为 Fj,最大荧光强度为 Fm。在 OJIP 曲线中可以获得单位
横截面积反应中心数量(RC/CSo),PSⅡ最大光化学效率[Fv/Fm =(Fm–Fo)/Fm]、捕获光能用于
QA
-以后的比例[Ψo = 1–(Fj–Fo)/(Fm–Fo)]、K 点相对荧光强度[Wk =(Fk–Fo)/(Fj–Fo)]。
1.4 数据处理
应用 SPSS16.0 软件对试验数据进行统计分析。采用单因素方差分析(One-way ANOVA)的最
小显著差异法(LSD)比较同一指标不品种大葱间的差异是否达到显著水平(P < 0.05)。
2 结果与分析
2.1 高温对耐热大葱叶绿素荧光参数的影响
由图 1 可见,25 ℃到 40 ℃处理之间,耐热大葱和章丘大葱叶片 Fv/Fm、RC/CSo 和 Wk 无显著
差异。45 ℃处理后,耐热大葱春味、吉叶晚抽和长悦 Fv/Fm分别下降 10.8%、20.5%、22.9%,RC/CSo
分别下降 22.2%、33.0%、33.0%,Wk 分别上升 43.3%、174%、103%,章丘大葱 Fv/Fm 和 RC/CSo
分别下降 29.0 和 43.2%,Wk 上升 264%,章丘大葱变化幅度显著高于耐热大葱(P < 0.05)。当胁迫
温度达到 50 ℃处理时,耐热大葱 Fv/Fm和 RC/CSo 下降幅度显著低于章丘大葱,而 Wk 上升幅度显
著高于章丘大葱(P < 0.05)。
30 ℃处理显著降低了章丘大葱 Ψo,耐热大葱没有显著变化,随胁迫温度的增加,章丘大葱 Ψo
下降幅度显著高于耐热大葱(P < 0.05)。

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图 1 高温对耐热大葱和对照章丘大葱叶片叶绿素荧光参数的影响
Fig. 1 Effects of high temperature on chlorophyll fluorescence parameters
in leaves of heat-tolerant scallion

2.2 高温对耐热大葱叶片 MDA 含量和电解质外渗率的影响
由图 2 得出,随胁迫温度的增加,耐热大葱和章丘大葱叶片 MDA 含量和电解质外渗率逐渐上
升。35 ℃到 40 ℃之间,章丘大葱叶片 MDA 含量显著高于耐热大葱,40 ℃处理后,耐热大葱春味、
吉叶晚抽和长悦 MDA 含量分别上升 5.88%、11.1%、9.76%,章丘大葱 MDA 含量上升 22.7%,章丘
大葱变化幅度显著高于耐热大葱(P < 0.05)。45 ℃到 50 ℃处理之间,章丘大葱叶片 MDA 含量与
吉叶晚抽和长悦夏大葱差异不显著,但显著高于春味大葱;40 ℃到 50 ℃处理之间,章丘大葱叶片
电解质外渗率显著高于耐热大葱(P < 0.05),50 ℃处理后,耐热大葱春味、吉叶晚抽和长悦电解质
外渗率分别上升到 58.9%、62.4%、63.2%,章丘大葱电解质外渗率上升到 82%,差异显著(P < 0.05)。

图 2 高温对耐热大葱和对照章丘大葱叶片 MDA 含量和电解质外渗率的影响
Fig. 2 Effects of high temperature on MDA content and electrolyte
leakage in leaves of heat-tolerant scallion
1 期 梁 雪等:高温对耐热性大葱 PSⅡ和抗氧化酶活性的影响 179

2.3 高温对耐热大葱叶片抗氧化酶活性的影响
从图 3 可以看出,25 ℃到 45 ℃之间,3 个耐热大葱品种和章丘大葱叶片 SOD 和 CAT 活性上升,
耐热大葱上升幅度较大,35 ℃到 45 ℃之间,耐热大葱与章丘大葱叶片 SOD 和 CAT 活性差异最为
显著(P < 0.05),50 ℃处理降低了耐热大葱与章丘大葱叶片 SOD 和 CAT 活性,两者差异不显著;
25 ℃到 40 ℃之间,耐热大葱和章丘大葱叶片 APX 活性上升,耐热大葱上升幅度较大,35 ℃和 40 ℃
之间,耐热大葱与章丘大葱叶片 APX 活性差异显著(P < 0.05),40 ℃处理耐热大葱春味、吉叶晚
抽和长悦 APX 活性分别上升 243%、223%、233%,章丘大葱 APX 活性上升 195%,耐热大葱 APX
活性升高的幅度显著高于章丘大葱(P < 0.05),随后的高温处理导致耐热大葱与章丘大葱叶片 APX
活性下降,两者差异不显著。
图 3 高温对耐热大葱和对照章丘大葱叶片抗氧化酶活性的影响
Fig. 3 Effects of high temperature on antioxidant enzyme activities in
leaves of heat-tolerant scallion
3 讨论
Fv/Fm是 PSⅡ最大光化学效率,反映 PSⅡ的光化学潜力。高温下,章丘大葱 Fv/Fm下降幅度大
于耐热大葱,说明耐热大葱 PSⅡ具有较高的热稳定性。在 PSⅡ蛋白复合体中,由 17 kD、23 kD 和
33 kD 外周多肽以及锰簇、氯和钙离子组成的放氧复合体,位于类囊体膜基粒片层的外侧。由于位
置上的特殊性,它们对外界环境的变化十分敏感。一些研究表明:放氧复合体是高温伤害 PSⅡ的原
初部位,对放氧复合体的损伤必然影响到 PSⅡ的耐热性(Thompson et al.,1989;Mamedov et al.,
1993)。Wk 的上升表示供体侧放氧复合体受到伤害(Strasser et al.,1997;Li et al.,2009)。高温下,
耐热大葱 Wk 上升幅度较小,PSⅡ供体侧供应电子的能力比章丘大葱高。此外,高温下,耐热大葱
有活性的 PSⅡ反应中心数量也多于章丘大葱。研究证实 PSⅡ受体侧电子传递更易受高温伤害(Wen
et al.,2005;Yan et al.,2011)。30 ℃处理下,章丘大葱 Ψo 显著下降,说明 PSⅡ受体侧电子传递已
经受到高温影响,随着胁迫温度的增加,Ψo 下降幅度逐渐增大,而耐热大葱 Ψo 维持了较高水平,
说明耐热大葱 PSⅡ受体侧电子传递体耐热性较强。
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高温下,耐热大葱 PSⅡ光能转换效率较高,光合机构过剩激发能较少,因此产生活性氧的几率
小于章丘大葱。由于膜脂中不饱和脂肪酸双键电子云密度较大,易受到活性氧攻击,发生一系列氧
化反应,造成膜脂过氧化(Montillet et al.,2004)。MDA 作为膜脂过氧化产物,其含量大小反映了
膜脂过氧化的程度。高温下,耐热大葱叶片 MDA 含量低于章丘大葱,表明受氧化伤害较轻。电解
质外渗率的增加表明细胞膜受到损伤,细胞膜是细胞与外界环境联系的界面,其结构的破坏必然会
影响细胞的正常生理代谢。在高温下,耐热大葱细胞膜的热稳定性也高于章丘大葱(图 2)。
SOD、APX 和 CAT 是植物体内重要的活性氧清除酶。SOD 催化超氧阴离子发生歧化反应生成
过氧化氢(H2O2)和 O2,CAT 和 APX 可以有效地清除 H2O2。高温诱导 SOD、APX 和 CAT 活性上
升,活性氧清除能力增强,减轻氧化伤害(罗丽兰 等,2008;陶俊 等,2008;房伟民 等,2009;
Djanaguiraman et al.,2010;Zhang et al.,2010)。30 ℃到 45 ℃处理之间,耐热大葱叶片 SOD 和 CAT
活性显著高于章丘大葱,30 ℃到 40 ℃处理之间,耐热大葱叶片 APX 活性显著高于章丘大葱,这可
能是耐热大葱细胞膜和 PSⅡ受高温伤害较轻的原因之一。50 ℃处理后,耐热大葱和章丘大葱叶片
SOD、APX 和 CAT 活性下降,这可能是高温胁迫破坏了抗氧化酶的结构,导致其活性的下降。抗
氧化防御系统活性的下降会加重高温对耐热大葱和章丘大葱的伤害。50 ℃处理后,虽然耐热大葱和
章丘大葱 SOD、APX 和 CAT 活性差异不显著(图 3),但耐热大葱 PSⅡ和细胞膜受伤害程度仍较轻,
说明其它胁迫防御系统发挥了重要作用。
总之,耐热大葱叶片细胞膜和 PSⅡ耐热性高于章丘大葱。高温下,耐热大葱叶片抗氧化酶活性
较高是其耐热性较强的原因之一。
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