温度胁迫下大白菜生理生化变化研究

摘要

大白菜原产我国北方，是我国主要的蔬菜作物之一，其生长发育过程中对温度有严格的要求：不耐高温，耐冷但不耐冻。高温、低温胁迫是目前限制大白菜生长发育、产量品质、引种推广的主要因子。本文研究了高温、低温胁迫对两种大白菜生理生化指标的影响，并用叶绿素快相荧光动力学技术系统分析了两种大白菜在高温和低温胁迫下的光合功能变化，总结了温度胁迫对大白菜的伤害机制，分析了大白菜对温度胁迫的适应能力。本文的研究结果可为大白菜的栽培和育种提供重要参考。
　　本实验选用农业生产中种植范围较广的两个大白菜品种天津青麻叶和38快菜为实验材料，在植物培养室中培育大白菜幼苗，待白菜幼苗长至5～7片真叶时，用恒温人工气候箱准确控温，分别进行高温和低温处理。高温胁迫以25℃为对照，处理温度为30℃、35℃、40℃、45℃、50℃等5个高温胁迫处理。低温胁迫以20℃为对照，处理温度为15℃、10℃、5℃、0℃、-5℃等5个低温胁迫处理。每个胁迫温度处理2小时。然后立即测定生理生化指标。主要研究结果如下。
　　从外观形态上看，天津青麻叶在45℃的高温胁迫下表现出轻微的热害症状；38快菜在35℃的高温胁迫下就表现出明显的热害症状。叶绿素含量、质膜透性和MDA含量结果也显示，天津青麻叶在45℃的高温胁迫下才表现出明显的热害症状，而38快菜30℃的高温就表现出一定的热伤害。低温胁迫条件下，随着胁迫温度的逐渐降低，天津青麻叶在0℃时外观形态上未出现明显的冷害症状，而38快菜在0℃时就已表现出明显的冷害症状，低温下两种大白菜的MD A含量和质膜透性也显示出类似的结果。
　　温度胁迫下，两种大白菜在生理生化上均显示出一定的适应性变化。高温胁迫下两种大白菜的可溶性蛋白质含量、可溶性糖含量、脯氨酸含量与对照相比均有不同程度的升高，对大白菜适应高温环境具有一定的保护作用。在轻度高温胁迫下天津青麻叶的POD和SOD活性均表现出适应性升高，而38快菜的 POD和 SOD活性在高温下均低于对照，这可能是38快菜对高温敏感的原因之一。低温胁迫下两种大白菜的可溶性蛋白质含量和可溶性糖含量较为稳定，脯氨酸含量和 POD、SOD活性则随着温度的下降呈降低趋势，说明这些渗透保护物质和抗氧化酶可能不是大白菜耐冷的关键机制。大白菜的耐冷机制仍需进一步研究。
　　光合作用是植物最重要的生物学功能，光合能力的大小是衡量植物抗逆性的重要指标。净光合速率的结果显示，高温胁迫下，随着胁迫温度的升高，两种大白菜的净光合速率均呈显著地下降趋势。低温胁迫下，两种大白菜的净光合速率则相对稳定（常温下测定），直至-5℃冷冻低温时，光合系统受到显著破坏，光合速率急剧下降为零。
　　用叶绿素荧光动力学技术可以更为系统、灵敏地检测大白菜的光合功能。高温胁迫下两种大白菜叶绿素荧光动力学曲线的共同特征是：高温下J相和P相显著下降，在45℃和50℃的高温胁迫下出现一个明显的 K相。叶绿素快相荧光动力学参数中，Tfm、Sm、N随着胁迫温度的升高而明显增加，RC/CSO随着胁迫温度的升高而逐渐降低，这4项荧光参数对高温胁迫最为敏感，30℃高温处理即发生显著变化。40℃及以上高温下其他荧光参数也发生了明显的变化，两种大白菜的共同特征是dVG/dto、dV/dto显著变慢，φPo、φEo、φRo不断减少，φDo不断增加，说明两种大白菜的电子传递速率减缓、效率降低热耗散增大。高温胁迫还显著破坏了PSII的结构，导致单个反应中心的光合活性相对升高，而单位激发态面积的光合活性急剧下降。最终表现为两种大白菜的结构指数（SFI）和性能指数（PI）下降。在45℃和50℃高温胁迫下天津青麻叶的SFI、PI显著好于38快菜，也证明天津青麻叶的耐热性好于38快菜，不过两种大白菜经45℃和50℃高温处理后均失去了同化CO2的能力。
　　低温胁迫对两种大白菜叶绿素荧光动力学曲线的影响主要表现在J相、I相和P相上，其中J相对低温最为敏感，随温度的降低而显著升高；I相和P相则随温度降低而逐渐降低。在-5℃低温下，两种大白菜还出现了微弱的K相，说明在-5℃的低温胁迫下也导致放氧复合体部分解离。对低温胁迫较敏感的叶绿素荧光动力学参数中，T f m、Vj随胁迫温度的降低而增大，ψE、φEo则呈逐渐下降的变化趋势。在-5℃的低温胁迫下两种大白菜的Fv/Fm显著降低，说明PSⅡ的结构均受到破坏，光合功能降低。在0℃～10℃的温度区间内，天津青麻叶通过增大RC/CSO来适应低温，而38快菜不具备这样的能力。综合性能指数SFI和PI结果显示，天津青麻叶在0℃以上的低温胁迫下未表现出冷害症状，而38快菜在10℃的低温胁迫处理后，SFI和PI已显著下降，证明天津青麻叶抗冷性显著好于38快菜。
　　以上研究结果说明，两种大白菜均不耐高温，对低温胁迫有一定耐性，但不耐冷冻。天津青麻叶对高温和低温胁迫的抗性均显著好于38快菜。相对于生理生化指标，叶绿素快相荧光动力学技术可以更为灵敏、准确地检测大白菜在高温和低温胁迫下的耐性，是研究大白菜抗逆性的理想方法。

目录

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 综述

1 高温胁迫对植物的伤害及植物耐热性研究进展

2 低温胁迫对植物的伤害及植物耐冷性研究进展

3 叶绿素快相荧光动力学技术在植物耐热性和耐冷性研究中的应用

第二章 实验材料与方法

1 所用仪器与试剂

2 实验材料和方法

3 数据分析

第三章 实验结果

1 温度胁迫下大白菜的形态变化

2 温度胁迫下大白菜的生理生化变化

3 温度胁迫下抗氧化物酶活性能力的变化

4 温度胁迫下大白菜叶片光合作用的变化

第四章 讨论

1 大白菜对高温胁迫的响应

2 大白菜对低温胁迫的响应

第五章 结论

1 两种大白菜对温度逆境的适应性

2 两种大白菜对温度逆境的适应方式

3 叶绿素荧光技术在检测大白菜温度胁迫抗性中的优势

附录A

参考文献

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢