木薯（Manihot esculentaCrantz）为大戟科植物,别名树薯[1]。原产于美洲热带地区的亚马逊河流域,是世界七大粮食作物之一,与马铃薯、甘薯并列为世界三大薯类作物,有着“地下粮仓”“淀粉之王”的美称[2]。木薯用途广泛,具有高膳食纤维、高钙、高钾、低糖、低脂的特点,能加工成鲜食、淀粉、全粉三大类食品[3],工业上,在木薯淀粉加工、清洁能源、医疗、造纸和化工等领域发展。我国木薯每年进口量达千万吨级别,且年增长率处于较高水平[4],相较于我国旺盛的需求,由于种植区域的限制,木薯自给能力较弱,为了保证国家粮食安全,有必要扩大木薯适种区域以及增加产量[5]。
低温对植物正常生长有着较大的负面作用,当植物正常生长温度没有得到满足,会导致生长受抑制,最终造成作物减产[6]。木薯广泛种植于南、北纬30°以内的热带、亚热带地区,适宜生长年平均温度为20 ℃以上地区,当温度低于15 ℃时会抑制其正常生长[7]。中国热带地区处于世界热带地区的北边缘,完全适合木薯生长的地区较少,为了扩大木薯种植面积,保证我国的粮食安全,国家木薯产业技术体系“十二五”期间提出“木薯北移”战略,将湖南、江西、贵州、福建等省份作为木薯北移区域[8]。目前,有关木薯抗渗透方面的研究较少,而可评价与木薯抗渗透相关生理指标研究尚无报道。对低温耐受性木薯‘F200’和低温敏感性木薯‘SC8’进行低温胁迫,分析其耐低温相关形态结构及生理相应的差异,为木薯耐低温性评价及耐低温木薯种质资源筛选提供参考依据。
1 材料与方法
1.1 材料
供试材料为耐低温性极端差异材料低温耐受型木薯‘F200’和低温敏感型木薯‘SC8’,均为国家木薯产业技术长沙综合试验站通过大田低温胁迫和人工低温胁迫中筛选获得。
试验于2019年7月在湖南农业大学园艺学院实验中心人工气候室进行,将试验品种‘F200’和‘SC8’的成熟茎杆截取长度约15 cm的茎段,选取芽点完好且粗细、质量一致的茎段各70根,用育苗基质培养于口径17 cm的育苗盆中。放入FYS-1010W型室内高照度人工气候室中培养60 d（白天温度/光强：28 ℃/7500 lx,晚上22 ℃/0 lx,湿度40%）;当木薯长到7~8片叶片后,2个品种各取生长势一致的木薯30株进行4 ℃（±1 ℃）处理0、3、6、12、24 h,28 ℃为对照。取样叶片为从上往下数第3、4、5片功能叶,第3片用于测量丙二醛（MDA）、脯氨酸（Pro）、可溶性糖（SS）、可溶性蛋白（SP）4个生理指标;第4片叶用于测量叶绿素和相对电导率（REC）;第5片叶用于过氧化氢DAB原位反应。
1.2 方法
1.3 数据处理
采用Excel软件进行均值及标准差分析,利用SPSS 17.0软件进行ANOVA单因素方差分析等,采用Graphpad prism 5软件进行绘图。
2 结果与分析
2.1 生长状态差异分析
结果如图1、图2所示。处理3 h时,‘F200’仅底部小叶轻微变黄,其他叶片无明显变化;‘SC8’中下部叶片轻微萎焉且下部底部小叶变黄。处理6 h时,‘F200’上部叶片轻微萎焉,下部小叶变黄;‘SC8’下部叶片萎焉严重,上午幼叶轻微下垂。处理12 h时‘F200’下部叶片部分变黄,上部萎焉恢复正常;‘SC8’中下部叶片全部下垂、萎焉,上部幼叶部分卷曲。处理24 h时,‘F200’顶部幼叶萎焉,下部黄叶失水凋零;‘SC8’下部叶片开始失水,上部幼叶叶片卷曲严重,失水严重。由此可以看出,随着低温胁迫时间的增加,‘F200’在受到4 ℃低温胁迫时,顶部幼叶和中部功能叶受低温伤害较小,且存在受害之后恢复的过程,主要是底部小叶受伤害。反观‘SC8’受低温伤害情况持续增加,由此可见,‘F200’木薯能够缓解木薯低温伤害。
2.2 低温胁迫对木薯叶片中H2O2含量的影响
图3 ‘F200’木薯低温胁迫后叶片中H2O2含量变化Fig. 3 Changes of hydrogen peroxide content in leaves of ‘F200’ cassava seedlings after 4 ℃ low temperature treatment |
2.3 低温胁迫对木薯叶片Chl含量的影响
如图5可知,随着低温胁迫时间的增加,2个品种木薯幼苗叶片中Chl含量随之下降。低温处理3 h时,总Chl含量‘F200’下降31.34%,‘SC8’下降26.69%;处理6 h,总Chl含量‘F200’下降20.36%,‘SC8’下降31.72%;处理12 h,总Chl含量‘F200’下降43.30%,‘SC8’下降52.89%;处理24 h,总Chl含量‘F200’下降54.01%,‘SC8’下降66.65%。‘F200’木薯叶片中总Chl含量总体呈先下降再上升后降低的变化趋势,处理6 h时达到峰值,仅降低20.36%;而‘SC8’随着时间的增加,总Chl含量持续下降, 且下降幅度大于‘F200’。由此可以看出,‘F200’能减缓低温对叶绿素的降解作用,从而增强光合作用,缓解低温对木薯的伤害。
2.4 低温胁迫对木薯叶片细胞膜系统的影响
如图6、7所示,4 ℃低温处理后,木薯叶片中的REC和MDA均有不同程度的增加。3 h时,‘F200’的REC增加9.68%,‘SC8’增加12.5%;6 h时,‘F200’增加9.43%,‘SC8’增加76.67%。;12 h时,‘F200’增加6.67%;‘SC8’增加180%;24 h时,‘F200’增加11.48%,‘SC8’增加188%。从低温胁迫6 h开始,‘SC8’显著增加,并继续扩大,‘F200’则保持相对稳定。MDA增加幅度远小于REC的增幅。在低温胁迫3 h时,‘F200’增加5.98%,‘SC8’增加26.87%; 6 h时,‘F200’增加10.36%,SC8增加16.96%; 12 h时,‘F200’增加6.65%,‘SC8’增加44.74%;24 h时,‘F200’增加14.74%,‘SC8’增加20.98%。以上结果可以看出,低温胁迫对木薯叶片细胞膜结构产生了损伤,随着时间增加而增加,且低温耐受型品种‘F200’的细胞膜受损程度明显小于‘SC8’。
图6 不同低温胁迫下2种木薯REC变化同时间点不同字母表示处理间差异显著（P<0.05） Fig. 6 Changes in relative conductivity at different low temperature stress times Different letters at the same time point indicate significant difference in different treatment (P <0.05). |
2.5 低温胁迫对木薯叶片渗透调节物质的影响
如图8、9、10所示,随着胁迫时间的增加,2个品种木薯叶片Pro含量、SP和SS在各个胁迫时期相较于CK均在不同程度增加。如图8所示,‘F200’的Pro含量较‘SC8’增幅较大,最大值出现在低温胁迫6 h时差异明显;‘SC8’的Pro含量增幅有限,且各胁迫时间点的Pro含量均显著低于‘F200’。胁迫3 h时,‘F200’增加46.42%;‘SC8’增加9.76%;胁迫6 h时,‘F200’增加65.03%,‘SC8’增加23.52%;胁迫12 h时,‘F200’增加36.21%,‘SC8’增加34.52%;胁迫24 h时,‘F200’增加47.51%,‘SC8’增加27.95%。从图9可以看出,胁迫3、6、12、24 h时,‘F200’的SP分别增加21.33%、35.18%、16.49%、19.80%;‘SC8’分别增加12.96%、14.13、17.83、17.82%。从图10可以看出,SS在各个时期分别增加23.27%、18.25%、49.69%、45.18%;对照组‘SC8’分别增加13.58%、11.10%、8.70%、2.16%。说明低温耐受型木薯‘F200’在低温胁迫下生成Pro、SP和SS的响应速度和强度均优于低温敏感型木薯‘SC8’,即‘F200’能够更好地应对低温胁迫。
图8 不同低温胁迫时间下PRO含量变化同时间点不同字母表示处理间差异显著（P<0.05）。 Fig.8 Changes of Proline content under different low temperature stress time Different letters at the same time point indicate significant difference in different treatment (P<0.05). |
图9 不同低温胁迫时间下SP含量变化同时间点不同字母表示处理间差异显著（P<0.05）。 Fig. 9 Changes of Soluble protein content under different low temperature stress time Different letters at the same time point indicate significant differences in different treatment (P<0.05). |
3 讨论
植物应对低温胁迫时,可通过形态结构改变及生理活性变化以适应环境[12]。在受到非生物胁迫时,植物体内会产生大量活性物质,造成脂膜过氧化,进而产生醛类、烃类等有毒化学物质,对细胞造成损伤[13]。本研究通过H2O2原位检测,发现‘F200’木薯活性氧清除能力强于‘SC8’,这与薛晶晶[14]等胁迫处理下木薯的H2O2含量变化趋势一致。叶片光合色素含量会影响叶绿素对光能的吸收、传递之间的分配,从而影响光合作用[15-16]。有研究表明,植物应对逆境时会通过光合速率及无氧呼吸、抗氧化相关酶活性变化来应对逆境[17]。在本研究中,2个木薯品种相对低温胁迫前叶绿素含量均有所降低,有可能是低温胁迫致使呼吸作用减弱,导致细胞内较多的氧自由基破坏叶绿体膜结构,造成叶绿素分解,这与夏雪琴[18]的研究结果一致。同时低温胁迫会使植物叶绿素合成相关酶活性降低,进而影响叶绿素合成,最终影响光合速率。植物受到低温胁迫后,最先受到伤害的是膜系统,细胞膜渗透性增加,电解质大量泄漏,电导率升高[19]。本研究结果表明：低温胁迫后,木薯叶片的REC和MDA含量呈增长趋势,其与木薯耐寒性呈负相关,这与黄晓梅等[20]和邹苗等[21]结果相似。低温胁迫下,植物体内的Pro、SS、SP等渗透调节物质均有一定程度的增加,这是植物为了适应环境而产生的一种保护机制[22]。同时,Pro除了作为渗透调节物质以外,还可作为能量库、氮素储存剂、羟基清除剂和细胞结构稳定的兼容性溶剂[23]。在本研究中,随着低温胁迫的增加,木薯幼苗叶片中的Pro、SS、SP含量均增加,‘F200’木薯Pro含量显著高于‘SC8’,这与马明杰等[24]研究中Pro增长趋势一致;‘F200’木薯SP含量高于‘SC8’,二者差异不显著;‘F200’木薯SS含量显著大于‘SC8’,这与姚远等[25]发现的木薯耐寒品种ARG中SS的含量研究结果一致。说明‘F200’适应低温胁迫能力强于‘SC8’。
4 结论
在低温胁迫下,低温耐受型木薯‘F200’幼苗的形态结构优于‘SC8’,其活性氧清除能力、叶绿素含量、REC含量、MDA含量、Pro含量、SS含量、SP含量均优于‘SC8’。因此,渗透调节物质含量的增加和活性氧清除能力提高可能是木薯‘F200’耐低温的主要生理因素;木薯幼苗在低温胁迫时的形态结构及生理指标可用于评价木薯耐低温性差异,‘F200’木薯具有一定的作为耐低温的潜力,创制耐低温木薯种质资源提供重要依据。