黄瓜（Cucumis sativus L.）嫁接苗耐低温及光抑制的探讨

【摘要】： 本研究以黑籽南瓜(Cucurbita ficifolia)作为砧木,以津春4号黄瓜(Cucumis sativus L. cv. Jinchun4)作为接穗,对黄瓜自根苗、黄瓜嫁接苗、黑籽南瓜苗在低温(4℃)弱光(100μmol m~(-2) s~(-1) PFD)下的叶绿素荧光参数、根系活力、RUBP酶活性、活性氧清除酶活性的变化、MDA的含量、矿质元素的吸收等方面进行对比研究,探讨黄瓜嫁接苗耐低温光抑制的可能机制。研究结果如下: 1.以黑籽南瓜作为砧木,津春4号黄瓜作为接穗。我们研究了在低温弱光下,自根黄瓜和嫁接黄瓜的根系活性和光系统的光合活性。与暗适应条件下的幼苗比,自根黄瓜与嫁接黄瓜的叶绿素a的荧光快相曲线和光系统Ⅰ反应中心P700+的可氧化能力均下降。在冷处理末期,相对于黄瓜嫁接苗,黄瓜自根苗叶片的光系统Ⅱ和光系统Ⅰ受到较大抑制;用琥珀酸脱氢酶活性(TTC)表示的砧木的根系活性保持稳定,而自根黄瓜的根系活力显著降低。在常温和低温条件下,嫁接黄瓜根系的超氧化物歧化酶(SOD)活性高于自根黄瓜。在低温条件下,反映膜脂过氧化程度的丙二醛(MDA)含量在自根黄瓜根系中显著增加,而在嫁接黄瓜根系中却保持相对稳定。 2.短期(8h)低温弱光胁迫,黄瓜嫁接苗和黄瓜自根苗的Fv/Fm、Fo、φPSⅡ、ETR、Fv′/Fm′、qP等荧光参数都随着胁迫时间的延长而逐渐下降,而NPQ却逐渐升高。这表明低温弱光胁迫下黄瓜的PSⅡ反应中心发生了光抑制。至胁迫8h时,黄瓜嫁接苗各项指标高于黄瓜自根苗且二者差异显著(P0.05),说明黄瓜嫁接苗的PSⅡ反应中心比黄瓜自根苗有较强的耐低温弱光能力。 随着胁迫时间的延长,黄瓜嫁接苗、黄瓜自根苗的氧化态P700都降低,说明低温弱光胁迫对二者的PSⅠ都有抑制作用。处理期间黄瓜嫁接苗氧化态P700与黄瓜自根苗差异显著(P0.05),表明黄瓜自根苗的PSⅠ比黄瓜嫁接苗对低温弱光更敏感。 RuBPCase活性随胁迫时间的延长均呈下降趋势,说明低温弱光处理抑制了RuBPCase的活性。胁迫结束时,黄瓜嫁接苗明显高于黄瓜自根苗,差异极显著(P0.01)。RuBPCase是植物光合作用的限速酶,说明黄瓜嫁接苗的光合作用受低温弱光影响也较黄瓜自根苗低,是黄瓜嫁接苗耐低温弱光因素之一。 低温弱光处理下,随着胁迫时间的延长,黄瓜嫁接苗、黄瓜自根苗的SOD活性均呈上升趋势,表明活性氧清除酶活性增强。胁迫结束时,黄瓜嫁接苗SOD活性明显高于黄瓜自根苗(P0.05)。由此可见,活性氧清除酶活性的增强也是黄瓜嫁接苗比黄瓜自根苗更耐低温弱光的原因之一。 总之,低温弱光胁迫下PSⅡ反应中心的活性降低(Fv/Fm),PSⅡ的电子传递受阻(φPSⅡ),但并未破坏PSⅡ作用中心(Fo)。同时也对黄瓜的PSⅠ产生光抑制作用,RuBPCase活性的降低,说明光合暗反应也受到影响。 3.弱光胁迫下根区低温(4℃)处理,Fv/Fm、氧化态P700、RuBPCase在胁迫初期(2h)无明显变化,随着胁迫时间的延长,Fv/Fm、φPSⅡ、ETR、qP、氧化态P700和RuBPCase都呈下降趋势,表明胁迫对黄瓜的PSⅡ、PSⅠ和RuBPCase产生了抑制作用。至胁迫结束(8h)时,黄瓜嫁接苗的Fv/Fm、φPSⅡ、ETR、qP、氧化态P700和RuBPCase明显高于黄瓜自根苗,差异显著(P0.05),说明黄瓜嫁接苗较黄瓜自根苗对弱光胁迫下根区低温有较高的抗性。 4.较长期(5d)低温弱光胁迫下,黄瓜嫁接苗和黄瓜自根苗的Fv/Fm、X耗散、φPSⅡ、ETR、Fv′/Fm′、qP等荧光参数都随着胁迫时间的延长而逐渐下降,说明低温弱光胁迫下黄瓜的PSⅡ反应中心发生了光抑制。黄瓜嫁接苗Fv/Fm、φPSⅡ、ETR、Fv′/Fm′在适宜条件下的迅速恢复表明低温弱光胁迫只会引起黄瓜嫁接苗PSⅡ轻微光抑制。低温弱光胁迫下,黄瓜嫁接苗NPQ明显升高,说明NPQ有效地耗散了部分能量。NPQ的增强有利于降低ETR,降低了能量向PSⅠ的再分配,从而减轻下游电子受体的激发压力,有利于保护光系统免受光氧化破坏。P700的氧化状态可由叶片在820 nm的光吸收反映,低温弱光胁迫过程中,黄瓜嫁接苗叶片氧化态P700的变化与黄瓜自根苗有明显差异,黄瓜自根苗叶片PSⅠ的光抑制要严重得多。 5.低温弱光胁迫影响黄瓜嫁接苗和自根苗叶片和根系的活性氧清除酶(SOD,POD,CAT,APX)的活性,并造成一定程度的活性氧积累。胁迫过程中,SOD活性下降,抑制了O2的歧化反应使水—水循环不能运行,从而引起O2的明显积累,活性氧积累造成膜脂过氧化,MDA的含量明显上升。随胁迫时间延长POD、APX活性上升,POD、APX活性上升,反映了冷害的发展程度。黄瓜嫁接苗与自根苗在低温胁迫下,两者叶片及根系可溶性蛋白含量均增加,可见冷胁迫过程中有许多新的蛋白质合成。 6.低温弱光胁迫前和恢复后,黄瓜嫁接苗叶片和根系中Ca、Mg、Cu、Mn、Zn含量均显著高于黄瓜自根苗叶片和根系中的含量。低温弱光条件下Ca~(2+)和Mg~(2+)对生物膜起到了一定稳定作用。而且Ca~(2+)和Mg~(2+)在一定程度上可能促进了某些生化过程,如与膜脂-膜蛋白的相互作用、活化光合反应中心、与能量耗散有关的环式电子传递等。而膜本身的完整性有利于能量耗散和生化过程的进行。Cu、Mn、Zn是SOD的辅基,Zn还能维持CAT活性。因此,嫁接苗叶片中较高Cu、Mn、Zn水平对于低温胁迫下维持较高SOD、CAT活性,清除生物自由基,防止冷害具有重要作用