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Effects of low temperature stress on antioxidant enzymes activities in the subcellular of two Sabina species

低温胁迫对两种圆柏属植物亚细胞抗氧化酶活性的影响



全 文 :广 西 植 物 Guihaia Sept.2014,34(5):700-705           http://journal.gxzw.gxib.cn 
DOI:10.3969/j.issn.1000G3142.2014.05.021
王晓晓,汪志辉,熊博,等.低温胁迫下外源SOD对枇杷幼果抗寒性影响机理[J].广西植物,2014,34(5):700-705
WangXX,WangZH,XiongB,etal.ColdresistancemechanismstudyonefectofexogenousSODunderlowtemperaturestressofyoungloquatfruits[J].
Guihaia,2014,34(5):700-705
低温胁迫下外源SOD对枇杷幼果抗寒性影响机理
王晓晓,汪志辉∗,熊 博,廖凤玲,范茜茜,高婧斐,张婷婷
(四川农业大学 园艺学院,四川 雅安625014)
摘 要:以大五星枇杷幼果为试验试材,在自然低温胁迫下,研究不同浓度的聚天冬氨酸锰(MSOD)喷施枇
杷幼果后的抗氧化酶活性、细胞膜透性及丙二醛含量.结果表明:不同浓度 MSOD(5.0、12.5、20.0mg/L)均
能提高幼果抗氧化酶系统中的超氧化物歧化酶 (SOD)、过氧化氢酶 (CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)和
过氧化物酶 (POD)的活性、减少细胞膜透性和丙二醛(MDA)含量.而在试验浓度范围内,12.5mg/L的
MSOD处理为最佳喷施浓度.
关键词:低温胁迫;枇杷;抗氧化酶;聚天冬氨酸锰
中图分类号:Q945.78;S661.9  文献标识码:A  文章编号:1000G3142(2014)05G0700G06
Coldresistancemechanismstudyoneffectof
exogenousSODunderlowtemperature
stressofyoungloquatfruits
WANG XiaoGXiao,WANGZhiGHui∗,XIONGBo,LIAOFengGLing,
FANQianGQian,GAOJingGFei,ZHANGTingGTing
(DepartmentofHorticulture,SichuanAgriculturalUniversity,Ya’an625014,China)
Abstract:Youngloquatfruits’activitiesofantioxidantenzymes,celmembranepermeabilityandcontentofmaG
londialdehyde(MDA)aftersprayingdifferentconcentrationsofPolyGasparticMangan(MSOD)underlow
temperaturestresswerestudied.TheresultsshowedthatMSODwithdifferentconcentrations(5.0,12.5,20.0
mg/L)couldreducecel membranepermeabilityandcontentofMDAandenhancetheactivitiesofsuperoxide
dismutase(SOD),catalase(CAT),ascorbateperoxidase(APX)andperoxidase(POD),theconcentrationof
12.5mg/Lhadthebesteffect.
Keywords:lowtemperaturestress;Eriobotryajaponica;antioxidantenzymes;PolyGasparticMangan
  枇杷(Eriobotryajaponica)为蔷薇科(RosaceG
ae)枇杷属(Eriobotrya)常绿小乔木,是我国特有果
树.枇杷原产于高温多湿的亚热带地区,其系统发
育受气候环境影响形成了对低温敏感的特性.由于
枇杷一般秋冬开花坐果,幼果的生长发育期处于一
年中气温最低的12月份至翌年2月份,一旦遭遇低
温极易发生冻害.枇杷各器官的耐寒能力以树体最
强,枝叶与花芽较强,花次之,幼果最弱(吴汉珠,
2002).黄寿波(2000)认为枇杷花器官受冻害的温
度指标为G6℃,幼果受冻害的温度指标为G3℃.近
收稿日期:2013G10G08  修回日期:2013G12G23
基金项目:四川省科技富民强县专项(行动计划项目)
作者简介:王晓晓(1988G),女,重庆沙坪坝区人,硕士研究生,主要从事果树栽培及生理研究,(EGmail)bleach_wang1216@163.com.
∗通讯作者:汪志辉,博士,教授,博士生导师,主要从事果树栽培及生理研究,(EGmail)wangzhihui318@126.com.
年来,随着全球气候环境恶化,冻害等自然灾害天气
发生频率越来越高.2003-2010年间,福建、江西、
四川等我国枇杷主栽区屡受严重冻害,造成枇杷连
年减产,果园受损严重(谢钟琛,2006;熊南兴,2006;
李靖,2011).由此可见,低温胁迫已经成为制约枇
杷产量和影响枇杷产业的一项重要因素.
超氧化物歧化酶(SOD)是植物抗性系统酶.植
物在逆境胁迫下,SOD等抗氧化酶活性提高,以保
护膜组织受伤害,增强抵御逆境的能力.增加植物
抗氧化酶活性能增强其抗逆性(鲁振强,2007).对
逆境胁迫下活性氧和抗氧化酶的研究大多以“胁迫”
方式来激活植物提高抗氧化酶的活性,这对正处于
逆境的植物则无异于加重其受害程度.对逆境条件
下的植物施加外源SOD是提高植物抗逆性的有效
途径(廖升荣,2007).聚天冬氨酸锰(MSOD)具有
天然酶的高效性和人工合成化合物的稳定性,既能
增加植物抗寒、抗旱、抗病和抗早衰能力,又有农药
和微肥的作用,已成为农业抗逆研究热点(瘳展如,
2000).该产品被用于油菜(刘京萍,2011)、菠菜(刘
京萍,2012)等抗逆研究,效果显著.目前未见该产
品在果树抗逆性方面的报道.笔者选择石棉大五星
枇杷幼果进行自然条件下的低温胁迫试验,探究不
同浓度的 MSOD喷施对低温胁迫下枇杷幼果生理
生化指标及抗寒性的影响及其机理,以期为 MSOD
在枇杷幼果抗寒防冻方面的应用提供依据.
1 材料与方法
1.1材料
1.1.1试验地条件 本试验在四川省雅安市石棉县
红旗村枇杷园区内进行.该地属于亚热带季风气候
为基带的山地气候,海拔为1300m,年平均气温
16.96℃,无霜期年均为326d,年平均降水量为
819.3mm.土质多为沙壤土、褐红壤.霜期为头年
11月至次年3月,最低气温达G3.6℃.
1.1.2试验材料 试验以露地栽培长势基本一致的
5年生大五星枇杷为材料,株行距为300cm×400
cm,植株平均树高350cm,干周36cm,冠幅300cm
×330cm,栽培管理方式一致.
MSOD为黄色至红棕色粘稠液体,是一种人工
仿生合成 SOD 模型化合物.其固体含量大于
30%,20 ℃下的密度大于等于1.15,pH 在8.5~
10.5之间.由德赛化工有限公司提供.
1.2方法
1.2.1采样方法 根据石棉县气象局气象预报及枇
杷园区内温度记录情况,于2012年12月22日冻害
发生前采样,分别从10株挂牌树树冠东西南北中五
个方位,随机摘取生长正常、大小一致、无病虫害、无
损伤的枇杷幼果各5颗,共50颗幼果用0.03mm
厚聚乙烯袋封口当天带回实验室.鲜样用于测细胞
膜透性,剩余样品用液氮处理迅速放入G80℃冰箱
备用.由于石棉县从2012年12月至2013年1月
无有效降雨,2013年1月8日开始,石棉县发生由
剧烈变温引起的干冻.2013年1月10日冻害后,
用同样方法采样一次.
1.2.2试验方法 根据往年气象数据分析冻害发生
时间,于冻害发生前2013年1月2日分别采用4个
处理:5.0mg/L(MSODA)、12.5mg/L(MSODB)、
20.0mg/L(MSODC)的 MSOD溶液各2.5L均匀
喷施于叶面和幼果,以喷清水处理为对照2(CK2).
2012年12月22日冻害发生前采样的幼果为对照1
(CK1).以单株为小区,3次重复.采样方法和时
间同冻害后.
1.2.3 指标测定 相对电导率测定参照王学奎
(2006)的方法并加以修改.采用汤章诚(1999)硫代
巴比妥酸反应法(TBA)略加修改测定 MDA含量.
参照王学奎(2006)氮蓝四锉法(NBT)略加修改测
定SOD的活性.参照杨兰芳,庞静等(2009)紫外分
光光度法略加修改测定CAT的活性.参照王学奎
(2006)愈创木酚法测定POD活性.参照孔祥生
(2008)紫外分光光度法测量APX的活性.以上实
验测定重复3次.
在实验室内用解剖刀切开幼果,统计幼果冻害指
数.冻害分级标准为0级,无冻害;1级,果肉未褐变,
30%以下的种子发生褐变;2级,果肉未褐变,30%~
60%的种子发生褐变;3级,果肉未褐变,60%以上种
子发生褐变;4级,果肉发生褐变,种子全部发生褐
变.冻害指数=∑(冻害级果数×冻害级别)/(调查
总果数×冻害最高一级代表值)×100%.
2 结果与分析
2.1MSOD对枇杷幼果细胞膜透性的影响
从图1看出,低温胁迫下CK2的幼果相对电导
率明显高于CK1和 MSOD的处理.以12.5mg/L
处理的幼果相对电导率最低,分别比CK1和CK2
1075期        王晓晓等:低温胁迫下外源SOD对枇杷幼果抗寒性影响机理
图1 低温胁迫下 MSOD对枇杷幼果细胞膜透性的影响
Fig.1 EfectsofMSODoncelmembranepermeabilityin
youngloquatfruitsunderlowtemperaturestress
降低了22.96%和73.03%.12.5mg/L MSOD处
理的幼果相对电导率与CK1和CK2间的差异达极
显著性水平(P<0.01).说明低温胁迫导致幼果细
胞膜透性增大,而喷施 MSOD能抑制胞内物质外
渗,在一定程度上缓解低温对细胞膜的伤害.
2.2MSOD对枇杷幼果 MDA含量的影响
从图2看出,经低温胁迫后,大五星枇杷幼果中
的 MDA 含量明显增加.以 MSOD 处理的幼果
MDA含量均明显低于CK1和CK2,说明MSOD对
枇杷幼果 MDA的含量有一定的抑制作用.以12.5
mg/LMSOD处理的幼果 MDA含量最低,分别比
CK1和CK2降低了55.67%和65.67%.
图2 低温胁迫下 MSOD对枇杷幼果 MDA含量的影响
Fig.2 EfectsofMSODonMDAcontentinyoung
loquatfruitsunderlowtemperaturestress
2.3MSOD对枇杷幼果SOD活性的影响
作为植物体内的一种保护酶,SOD在逆境下与
CAT、APX、POD以及其他酶类相互协调,有效地
清除代谢过程产生的活性氧,使生物体内活性氧维
持在低水平上.由图3可知,低温胁迫对幼果SOD
活性具有抑制作用,低温胁迫下经不同浓度 MSOD
处理的幼果SOD活性均高于CK1和CK2,CK2幼
果的SOD 活性比不同浓度 MSOD 处理的幼果
SOD活性分别低31.40%,55.41%和29.12%,差异
达极显著水平(P<0.01).随着MSOD处理浓度的
增加,幼果SOD活性呈先上升后下降的趋势,而
12.5mg/L MSOD处理在试验浓度范围内对提高
低温胁迫下枇杷幼果SOD活性效果较为明显.
图3 低温胁迫下 MSOD对枇杷幼果SOD活性的影响
Fig.3 EfectsofMSODonSODactivityinyoung
loquatfruitsunderlowtemperaturestress
2.4MSOD对枇杷幼果CAT和APX活性的影响
由图4和图5可以看出,低温胁迫对幼果CAT
和APX活性起抑制作用.MSOD处理能显著提高
低温胁迫下幼果CAT和 APX的活性.CK2幼果
的CAT活性比不同浓度 MSOD处理下的CAT活
性分别降低了15.28%、34.29%和27.21%;CK2幼
果的APX活性比不同浓度 MSOD处理下的 APX
活性分别降低了61.79%、93.29%和9.3%.以12.5
mg/L MSOD 处理对提高低温胁迫下枇杷幼果
CAT和APX活性效果相对较为明显,在12.5mg/
L的浓度下,APX比CAT活性增长高出59%,可
能是因为APX以抗坏血酸作为底物,并与 H2O2的
亲和力强,所以活性增长较多;而CAT虽然可直接
分解H2O2,但它与 H2O2的亲和力相对于APX较
弱,故活性增长较少.而20.0mg/LMSOD处理的
幼果APX活性与CK2的无明显差异,可能是因为
浓度过高对提高低温胁迫下幼果抗氧化酶活性不
利;采用适当的 MSOD浓度处理可在一定程度上提
高CAT和APX保护酶活性以缓解低温对幼果的
伤害.
207 广 西 植 物                  34卷
图4 低温胁迫下 MSOD对枇杷幼果CAT活性的影响
Fig.4 EfectsofMSODonCATactivityinyoung
loquatfruitsunderlowtemperaturestress
图5 低温胁迫下 MSOD对枇杷幼果APX活性的影响
Fig.5 EfectsofMSODonAPXactivityinyoung
loquatfruitsunderlowtemperaturestress
2.5低温胁迫对枇杷幼果POD活性的影响
POD为清除活性氧的重要酶类,能防止膜质氧
化,与植物的生长发育、抗病性、抗衰老、抗旱、抗寒
密切相关.从图6可以看出,经 MSOD处理的幼果
POD酶活性大小依次为12.5mg/L MSOD>5.0
mg/L MSOD>20.0 mg/L MSOD,CK2幼果的
POD活性均低于 MSOD处理下POD的活性,5.0、
12.5、20.0mg/L处理的幼果POD活性分别比CK2
上升64.71%、94.59% 和41.48%,差异均达极显著
性水平(P<0.01).CK1幼果的 POD活性高于
CK2.表明低温胁迫对枇杷幼果POD活性具有抑
制作用,MSOD处理可提高低温胁迫下幼果的POD
活性.
2.6枇杷幼果的冻害指数及相关生理指标的关系
在低温胁迫前后及不同浓度 MSOD喷施后对
枇杷幼果果肉及种子进行的冻害情况调查表明(表
图6 低温胁迫下 MSOD对枇杷幼果POD活性的影响
Fig.6 EfectsofMSODonPODactivityinyoung
loquatfruitsunderlowtemperaturestress
1),各个处理之间差异明显.除冻害前调查的幼果
(CK1)均未见冻害反应外,其他处理的果实均表现
出不同程度的受冻情况.其中用不同浓度 MSOD
处理后的幼果受冻害的数量分别比用清水处理的
(CK2)低62.22%、84.44%和66.67%.CK2在各处
理中冻害级数最高,且最高冻害级数中幼果冻害个
数最多,占调查总数的20%.由冻害级数可知,枇
杷幼果的种子比果肉更容易受冻,且种子60%以下
褐变为枇杷幼果受冻的主要情况.用不同浓度
MSOD处理后的幼果其冻害指数分别比CK2下降
50.19%、77.01%、54.02%.
表1 低温胁迫下枇杷幼果冻害情况调查
Table1 Theinvestigationoffreezinginjuryinyoung
loquatfruitsunderlowtemperaturestress
处理
Treatments
冻害级数
Seriesoffreezinginjury
0 1 2 3 4
调查总数
Investigation
count
(个)
冻害指数
Indexof
freezing
injury
(%)
CK1 50 0 0 0 0 50 0
CK2 5 13 22 10 0 50 58
MSODA 13 9 7 1 0 30 28.889
MSODB 23 6 1 0 0 30 13.333
MSODC 15 8 5 2 0 30 26.667
  由表2可知,枇杷幼果相对电导率、MDA含量
与冻害指数间呈现显著正相关,回归方程分别为y
=0.750x+0.050、y=0.070x+1.339,相关系数分
别为0.985、0.901;枇杷幼果SOD活性、CAT活性、
POD活性与冻害指数间呈显著负相关,回归方程分
别为y=G0.437x+40.98、y=G0.069x+10.00、y=
G4.685x+499.2,相关系数分别为G0.801、G0.870、
G0.896.说明在CK2和不同浓度 MSOD处理下枇
3075期        王晓晓等:低温胁迫下外源SOD对枇杷幼果抗寒性影响机理
表2 低温胁迫下枇杷幼果冻害指数及相关生理指标的关系
Table2 Therelationshipofindexoffreezinginjuryandrelatedphysiologicalindex
inyoungloquatfruitsunderlowtemperaturestress
处理
Treatments
冻害指数
Indexof
freezinginjury
(%)
相对电导率
Relative
conductivity
(%)
MDA含量
MDAcontent
(mmol/g)
SOD活性
SODactivity
(U/g)
CAT活性
CATactivity
(mgH2O2/min􀅰g-1)
APX活性
APXactivity
(U/min􀅰g-1)
POD活性
PODactivity
(U/min􀅰g-1)
CK1 0 15.59 4.011 22.296 7.238 5.307 391.774
CK2 58 44.53 5.179 17.723 6.141 4.319 233.422
MSODA 28.889 22.03 3.723 25.837 7.249 11.282 384.477
MSODB 13.333 12.01 1.778 39.750 9.346 61.728 454.213
MSODC 26.667 18.86 3.597 25.004 8.473 4.762 330.249
杷幼果果肉组织细胞中较低的相对电导率、较少的
MDA含量以及较高的 SOD、CAT、POD 活性是
12.5mg/L MSOD处理后幼果抗寒性强于其他处
理的重要生理原因.
3 讨论与结论
当植物受到胁迫时,体内产生大量自由基,植物
抗氧化酶系统在清除自由基、防止活性氧毒害方面
起着重要作用.SOD作为清除自由基的第一道防
线,其功能是首先将 O-2 􀅰歧化为H2O2,然后由
APX、CAT和POD再分解多余的 H2O2.四者的
活性协调一致能使自由基维持正常的生理水平(潘
瑞炽,1995).人工合成的聚天冬氨酸锰具有一定的
SOD活性(瘳展如,2000).在实验室用 MSOD处
理过的植物受到胁迫后能维持较高的SOD等抗氧
化酶的活性(王煜,1995;许文亮,2000;扶惠华,
1996),因而可增加植物抗寒性.
本研究表明,大五星枇杷幼果自身在低温胁迫
下抗氧化酶无明显提高,说明其本身抗寒性差.低
温胁迫下,不同浓度 MSOD 对诱导枇杷幼果的
SOD、CAT、POD、APX活性的促进作用不尽相同,
但均能有效降低 MDA的含量,减小细胞膜透性,说
明 MSOD能激活枇杷幼果的抗氧化酶活性从而增
强其抗寒性.其活性随着 MSOD浓度增大均呈先
增大后减小趋势.用20.0mg/LMSOD喷施,其抗
氧化酶活性与喷清水处理的变化不显著,POD、
APX的活性甚至低于未受冻害的幼果,这可能是由
于在石棉县2012年12月至2013年1月连续干旱
缺水条件下,引起干冻,从而使较高的 MSOD浓度
不利于植物体内抗氧化酶活性的提高.各条件下用
浓度为12.5mg/L的 MSOD喷施均为效果最好(P
<0.05).12.5mg/L处理下枇杷幼果果肉组织中
较低的相对电导率、较少的 MDA 含量及较高的
SOD、CAT、POD活性是其抗寒性强于其他处理的
主要生理原因.在试验浓度范围内,12.5mg/L为
提高大五星枇杷幼果抗寒能力的最佳喷施浓度.
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合性学术期刊,国内外公开发行.本刊为国家中文核心期刊(北大)、中国自然科学核心期刊、中国科技核心期
刊、中国科学引文数据库(CSCD)核心期刊和RCCSE中国核心学术期刊(AG)、广西十强期刊、广西十佳科技期
刊,并为CA、CSA、UIPD、CICSC、AJ、IndexKewensis、CABI、CABA、JST、IC、GlobalHealth、中国生物学文摘、中
国生物医学文献数据库(SinoMed)、中国化学化工文献数据库、中国生命科学文献数据库、中国科学引文数据
库、中国学术期刊网络出版总库、中国数字化期刊群、中文科技期刊数据库、中文电子期刊服务数据库—思博网
(CEPS)等国内外著名刊库收录.曾荣获中国期刊方阵双效期刊奖、多次荣获广西新闻出版政府奖:十佳科技期
刊奖、年度期刊奖、2013年荣获广西首届“十强期刊奖”.
本刊主要报道植物学及各分支学科具有创新水平的原始研究成果、植物学领域的新发现和新技术以及反
映国际最新研究水平的短篇综述(以约稿为主)等.凡从事植物学、生态学、自然地理学以及农、林、园艺、医药、
食品、轻化工和环境保护等领域的科研、教学、技术人员及决策者均可从本刊获得相关学科领域的研究进展和
信息.
本刊为双月刊,大16开本,每期144页,全铜版纸印刷.全国各地邮局均可订阅.若错过征订时间或需补
齐1997年至2014年各期者,请直接与编辑部联系邮购.1997年至1999年每年20元;2000年全年24元;2001
年全年32元;2002年全年48元;2003年至2006年每年60元;2007年全年72元;2008年至2011年每年90元;
2012年至2013年每年150元;2014年每期50元,全年300元(均含邮资,如需挂号另付挂号费3元).
编辑部地址:广西桂林市雁山区雁山镇雁山街85号广西植物研究所内(邮编541006);电话/传真:0773G
3550074,EGmail:guihaia@gxib.cn.本刊网址:http://journal.gxzw.gxib.cn.
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5075期        王晓晓等:低温胁迫下外源SOD对枇杷幼果抗寒性影响机理