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      不同倍性西瓜原生質(zhì)體制備與低溫耐受性分析

      2015-12-23 12:14:32王靜喬飛江雪飛黨選民詹園鳳
      江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2015年10期
      關(guān)鍵詞:低溫脅迫多倍體西瓜

      王靜 喬飛 江雪飛 黨選民 詹園鳳

      摘要:以同源二倍體、四倍體西瓜為試驗(yàn)材料,對(duì)其葉片及葉片制備的原生質(zhì)體進(jìn)行低溫處理,分別測(cè)定葉片電解質(zhì)外滲率、原生質(zhì)體細(xì)胞膜導(dǎo)水系數(shù),分析不同倍性西瓜對(duì)亞低溫的耐受能力。結(jié)果表明:(1)將2.7%纖維素酶+0.78%離析酶R-10溶于0.4 mol/L甘露醇中,于80 r/min下酶解120 min,西瓜葉片原生質(zhì)體產(chǎn)率最高,制備效果最好;(2)四倍體西瓜原生質(zhì)體直徑為11.26 μm,比二倍體直徑為10.41 μm的高8.2%;(3)用電導(dǎo)法測(cè)西瓜葉片電解質(zhì)外滲率發(fā)現(xiàn),-20、0 ℃處理時(shí),二倍體西瓜的抗寒性略高于四倍體,但10~20 ℃的亞低溫范圍內(nèi)沒有檢出差異;(4)15~25 ℃的亞低溫處理原生質(zhì)體,測(cè)定細(xì)胞膜導(dǎo)水系數(shù)發(fā)現(xiàn),二倍體導(dǎo)水系數(shù)的增幅極顯著小于四倍體,說明二倍體西瓜對(duì)亞低溫的耐受能力明顯高于四倍體。研究結(jié)果為植物種質(zhì)資源低溫抗性鑒定及多層次評(píng)價(jià)提供了新的研究思路和技術(shù)參考。

      關(guān)鍵詞:西瓜;多倍體;低溫脅迫;原生質(zhì)體;導(dǎo)水系數(shù)

      中圖分類號(hào): S651.034 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A 文章編號(hào):1002-1302(2015)10-0206-04

      西瓜(Citrullus lanatus)起源于熱帶,為喜溫作物,極不耐寒,遇霜即死,屬于冷敏感植物,尤其在冬春反季節(jié)栽培的西瓜常會(huì)遇到低溫天氣導(dǎo)致其產(chǎn)量、品質(zhì)的下降[1]。近年來,隨著日光溫室、塑料大棚的大面積應(yīng)用,設(shè)施栽培西瓜幾乎很少出現(xiàn)0 ℃以下低溫凍害,偶爾會(huì)遭遇極端低溫冷害(0~8 ℃左右),但最常見的低溫逆境其實(shí)是亞低溫冷害。所謂亞低溫(也稱亞適溫或偏低溫)是指僅使作物生長緩慢但不使作物受到較大傷害而導(dǎo)致其生長停滯的溫度條件[2]。植物對(duì)亞低溫的耐受能力被稱為低溫耐受性,它與植物對(duì)冷害的抵抗能力即耐冷性之間既有聯(lián)系又相互區(qū)別[3-4]。大多起源于熱帶、亞熱帶的喜溫耐熱植物的亞低溫范圍在10~23 ℃[5-7]。

      目前關(guān)于亞低溫對(duì)蔬菜的影響研究報(bào)道不多,袁偉、白潔發(fā)現(xiàn),長時(shí)間亞低溫下,黃瓜表現(xiàn)出生長緩慢或停滯、花打頂、黃化、萎蔫、坐果率低、畸形瓜多、產(chǎn)量下降等[5,8];王麗娟等研究得出,長期夜間亞低溫(15 ℃)改變了西紅柿光合產(chǎn)物分配方向[7];Ventura等發(fā)現(xiàn),只要設(shè)置適當(dāng)?shù)膩喌蜏?,果?shí)質(zhì)量不但不會(huì)下降,反而會(huì)得到改良[6]。

      有關(guān)同源多倍體西瓜抗性也已有多方面的研究[9-12]。郭啟高等試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),四倍體西瓜耐熱能力明顯高于同源二倍體[12]。但亞低溫能否對(duì)西瓜產(chǎn)生影響,如果產(chǎn)生影響,會(huì)是什么樣的影響;不同倍性西瓜經(jīng)短時(shí)間亞低溫處理后,其低溫耐受性有何區(qū)別,這些都尚未見報(bào)道。

      Lyons早就提出細(xì)胞膜系是低溫冷害發(fā)生的首要部位[13],本研究以不同倍性西瓜葉片制備原生質(zhì)體,對(duì)其進(jìn)行短時(shí)間的亞低溫處理,通過測(cè)定原生質(zhì)體的細(xì)胞膜導(dǎo)水系數(shù)、細(xì)胞電解質(zhì)外滲率分析不同倍性西瓜的低溫耐受能力,以期為西瓜多倍體抗性形成機(jī)制和抗性育種精確鑒定等方面提供技術(shù)參考。

      1 材料與方法

      1.1 試驗(yàn)材料

      以同源二倍體(FR-32-1B-2n)、四倍體(FR-32-1B-4n)西瓜為試驗(yàn)材料,其中四倍體由同源二倍體通過秋水仙素誘導(dǎo)獲得。試驗(yàn)材料由中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所提供。

      1.2 試驗(yàn)方法

      1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 原生質(zhì)體制備方法的優(yōu)化:以二倍體和同源四倍體西瓜葉片為材料,設(shè)置2種酶液組合:酶1(2.7%纖維素酶+0.78% 離析酶R-10)、酶2(2.7%纖維素酶+0.78%離析酶R-10+0.155% 果膠酶),2種酶液組合均溶解在0.40 mol/L的甘露醇中;設(shè)置5個(gè)酶解時(shí)間:30、75、120、165、210 min;設(shè)置5個(gè)甘露醇濃度:0.30、0.35、0.40、0.45、0.50 mol/L,通過測(cè)定不同處理原生質(zhì)體產(chǎn)出率等綜合篩選最佳制備方法。

      不同倍性西瓜葉片細(xì)胞大小的比較:以制備好的原生質(zhì)體為試驗(yàn)材料,采用顯微照相,AxioVision Re1.4.8軟件測(cè)量原生質(zhì)體直徑,比較不同倍性西瓜細(xì)胞直徑的差異。

      不同倍性西瓜低溫耐受性比較:(1)以制備好的原生質(zhì)體為試驗(yàn)材料,對(duì)其進(jìn)行短時(shí)間的亞低溫處理,處理溫度分別設(shè)為15、20、25 ℃(25 ℃為對(duì)照,CK),處理時(shí)間為15 min,通過測(cè)定并計(jì)算細(xì)胞膜導(dǎo)水系數(shù)(Lp)評(píng)價(jià)不同倍性西瓜低溫耐受性。(2)以西瓜葉片為試驗(yàn)材料,對(duì)其進(jìn)行低溫處理,處理溫度設(shè)為-20、0、10、15、20、25 ℃(25 ℃為對(duì)照,CK),處理時(shí)間為30 min,通過電導(dǎo)法測(cè)定其相對(duì)電解質(zhì)外滲率,評(píng)價(jià)不同倍性西瓜低溫耐受性。試驗(yàn)均設(shè)3次重復(fù)。

      1.2.2 試驗(yàn)方法 原生質(zhì)體的制備:取西瓜完全展開的葉片,切成5 mm2左右的塊狀,稱取1 g葉片,加入5 mL酶解液混勻,于25 ℃、80 r/min搖床上振蕩酶解。酶解后的溶液用160目的尼龍網(wǎng)過濾,收集濾液。用0.4 mol/L甘露醇清洗,定容至6 mL,于400 r/min下離心5 min,棄上清,重復(fù)1次。為降低細(xì)胞壁的再生對(duì)測(cè)定細(xì)胞膜導(dǎo)水系數(shù)的影響,在已制備出的原生質(zhì)體懸浮溶液中加入酶液(1% 纖維素酶、0.3% 離析酶R-10,溶于0.4 mol/L甘露醇),加入量為懸浮液 ∶ 酶液=15 ∶ 1。

      原生質(zhì)體產(chǎn)出率的測(cè)定:采用血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)法測(cè)定,吸取20 μL稀釋后的原生質(zhì)體懸浮液滴在血球計(jì)數(shù)板上,然后置于10×物鏡顯微下觀察(Zeiss,M1)計(jì)數(shù),n≥200,重復(fù)3次,取平均值。

      原生質(zhì)體初始直徑測(cè)定:取制備好的原生質(zhì)體滴在血球計(jì)數(shù)板上顯微觀察照相,樣本數(shù)n≥30個(gè)/次,重復(fù)3次,然后用AxioVision Re1.4.8軟件對(duì)原生質(zhì)體直徑進(jìn)行測(cè)定,每個(gè)重復(fù)測(cè)定30個(gè)原生質(zhì)體,取平均值。endprint

      細(xì)胞膜導(dǎo)水系數(shù)測(cè)定:細(xì)胞膜導(dǎo)水系數(shù)的測(cè)定參考Liu等的方法[14]。具體如下:取制備好的原生質(zhì)體20 μL,加入等體積水混合,即開始計(jì)時(shí)(t=0);迅速將混合液轉(zhuǎn)移至血球計(jì)數(shù)板上,再在40×物鏡下分別于90、150 s照相;通過測(cè)量原生質(zhì)體直徑的變化計(jì)算原生質(zhì)體體積的變化,再用以下公式計(jì)算細(xì)胞膜導(dǎo)水系數(shù):

      Lp=dV/dtSΔΨw≈(V150 s-V90 s)/60 sSΔosm

      。

      式中:ΔΨw為水勢(shì)的變化值;V90 s為90 s時(shí)原生質(zhì)體的體積,μm3;V150 s為150 s時(shí)原生質(zhì)體的體積,μm3;Δosm為加水混勻前后滲透勢(shì)的差值,mmol/kg,滲透勢(shì)由WESCOR 5600滲透勢(shì)儀測(cè)定;S為原生質(zhì)體的表面積,μm2。

      西瓜葉片相對(duì)電解質(zhì)外滲率測(cè)定:參考史樹德等的測(cè)定方法[15]。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 不同酶組合在不同酶解時(shí)間下對(duì)原生質(zhì)體制備的影響

      由圖1可以看出,2種酶液組合均可制備獲得西瓜葉片原生質(zhì)體,原生質(zhì)體產(chǎn)率均隨著酶解時(shí)間的延長呈先升高后降低的趨勢(shì)。酶解時(shí)間不同,原生質(zhì)體產(chǎn)率差異很大,經(jīng)方差分析,2種酶液組合的最佳酶解時(shí)間都在120~165 min范圍內(nèi),<120 min或>165 min原生質(zhì)體產(chǎn)率都極顯著降低。

      2種酶液組合的變化一致,但變化幅度并不一樣,酶1的上升幅度和下降幅度均大于酶2,且酶1組合的原生質(zhì)體最高產(chǎn)率可達(dá)1.28×105個(gè)/mL,比酶2高15.4%。由此可知,選用酶1組合,在酶解120 min下制備西瓜葉片原生質(zhì)體既省時(shí)產(chǎn)出率又高。

      2.2 不同甘露醇濃度對(duì)原生質(zhì)體制備的影響

      去除細(xì)胞壁后的原生質(zhì)體需要一個(gè)合適的滲透環(huán)境才能維持正常形態(tài)。Cochrane等研究發(fā)現(xiàn),甘露醇在水中的濃度和滲透勢(shì)有著較好的線性關(guān)系[16],所以將甘露醇作為滲透調(diào)節(jié)劑在很多研究中都有應(yīng)用。由圖2可知,甘露醇濃度對(duì)西瓜葉片原生質(zhì)體產(chǎn)率有較大影響,濃度過低或過高都會(huì)降低原生質(zhì)體的產(chǎn)率。當(dāng)甘露醇濃度為0.40 mol/L時(shí),原生質(zhì)體產(chǎn)率最高,且經(jīng)方差分析,與0.30、0.50 mol/L處理的差異達(dá)到極顯著水平,說明0.40 mol/L甘露醇最有利于西瓜葉片原生質(zhì)體的形成。因此,本研究的西瓜原生質(zhì)體制備方法優(yōu)化為:酶1組合(2.7% 纖維素酶+0.78% 離析酶 R-10)溶于0.4 mol/L甘露醇中,于80 r/min下酶解120 min,西瓜葉片原生質(zhì)體的產(chǎn)出率最高,制備效果最好(圖3)。

      2.3 不同倍性西瓜葉片細(xì)胞直徑的比較

      多倍體與普通二倍體西瓜相比,不僅染色體數(shù)量增加,大多還表現(xiàn)出細(xì)胞體積增大或某些器官的巨型化,例如花瓣、果實(shí)或種子等器官的大型化。本試驗(yàn)選用的四倍體西瓜(FR-32-1B-4n)的葉片就比其同源二倍體(FR-32-1B-2n)的葉片大,但是其葉片大是由于葉片中細(xì)胞的體積較大還是細(xì)胞數(shù)量較多引起的并不清楚。本研究通過比較不同倍性西瓜葉片原生質(zhì)體的直徑分布(圖4)可知,二倍體西瓜葉片原生質(zhì)體的平均直徑為10.41 μm,分布在8.0~10.0 μm之間的原生質(zhì)體數(shù)約占總數(shù)的40%,分布在10.0~14.0 μm之間的原生質(zhì)體數(shù)約占總數(shù)的60%;四倍體的平均直徑為 11.26 μm,分布在8.0~10.0 μm之間的原生質(zhì)體數(shù)約占總數(shù)的22.9%,分布在10.0~14.0 μm之間的原生質(zhì)體數(shù)占總數(shù)的71.4%,另外還有5.7%的分布在14.0~16.0 μm范圍內(nèi)。由此可知,細(xì)胞個(gè)體增大是四倍體西瓜葉片巨型化的重要原因之一。

      2.4 低溫處理對(duì)不同倍性西瓜葉片相對(duì)電導(dǎo)率的影響

      從Dexter將電導(dǎo)法應(yīng)用于生物抗寒性鑒定[17]以來,人們已公認(rèn)此方法較可靠。由圖5可以看出:(1)處理溫度與西瓜葉片相對(duì)電導(dǎo)率間有較好的相關(guān)關(guān)系,即在-20~25 ℃范

      圍內(nèi),溫度越低,其西瓜葉片的相對(duì)電導(dǎo)率越大,表明西瓜葉片細(xì)胞內(nèi)電解質(zhì)外滲的越多,細(xì)胞膜受傷害程度越大;(2)不同倍性西瓜在同一溫度處理下的相對(duì)電導(dǎo)率差異不大,只有-20、0 ℃處理能看出四倍體西瓜葉片的相對(duì)電導(dǎo)率稍高于二倍體,而10~20 ℃的亞低溫范圍內(nèi),兩者的相對(duì)電導(dǎo)率幾乎重疊在一起,沒有顯著差異。二倍體和四倍體西瓜對(duì)亞低溫的耐受性是否真的沒有差異,對(duì)此我們進(jìn)一步用細(xì)胞膜導(dǎo)水系數(shù)法進(jìn)行分析。

      2.5 亞低溫處理對(duì)不同倍性西瓜細(xì)胞膜導(dǎo)水系數(shù)的影響

      低溫逆境下,植物對(duì)水分的吸收、運(yùn)輸受限[18],而細(xì)胞體積的迅速變化可以通過原生質(zhì)體來觀察[14]。如圖6所示,將原生質(zhì)體轉(zhuǎn)移到低滲透勢(shì)的溶液中,原生質(zhì)體體積會(huì)逐漸變大,而其增大的速度可以通過細(xì)胞膜導(dǎo)水系數(shù)(Lp)來表示。本研究表明,15、20 ℃亞低溫處理后,同源二倍體和四倍體西瓜原生質(zhì)體的Lp明顯比對(duì)照(25 ℃)的Lp有大幅提高,但二者的增幅不同,經(jīng)方差分析,四倍體的原生質(zhì)體細(xì)胞膜導(dǎo)水系數(shù)的增幅(ΔLp)極顯著高于同源二倍體的(圖7)。由此也可看出,亞低溫處理下,二倍體西瓜原生質(zhì)體的Lp表現(xiàn)出比四倍體更好的穩(wěn)定性,即二倍體西瓜對(duì)亞低溫逆境有更好的耐受能力。

      3 結(jié)論與討論

      多倍體育種在西瓜中極其普遍,生產(chǎn)上常見的有二倍體、三倍體和四倍體。劉文革等研究發(fā)現(xiàn),西瓜染色體經(jīng)加倍后,其抗逆性也會(huì)發(fā)生改變[19]。這在其他多倍體物種中也普遍存在,如杜鵑和黑麥草的同源四倍體就比二倍體適應(yīng)性更強(qiáng),

      但其耐冷性卻較差[20-21]??墒墙?jīng)過抗逆鍛煉后,不同倍性材料的抗性提高程度表現(xiàn)不同。如經(jīng)低溫鍛煉后,四倍體西瓜幼苗細(xì)胞膜保護(hù)酶SOD、POD活性較高,比二倍體表現(xiàn)出更加耐冷[22]。以上研究表明,同源多倍體抗性形成可能存在多種機(jī)制。

      細(xì)胞膜作為植物內(nèi)部與外界環(huán)境交流的界面,對(duì)逆境最為敏感[18]。低溫可對(duì)細(xì)胞膜造成直接物理損傷從而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)電解質(zhì)外滲,滲漏的多少可以體現(xiàn)損傷程度,滲漏的多少可以用Dexter等提出的電導(dǎo)率儀法[17]測(cè)定。目前,該方法結(jié)合Logistic方程還可以進(jìn)一步定量確定植物組織的半致死溫度(LT50),抗熱性[23]和抗寒性[24]。本研究應(yīng)用該方法測(cè)定不同低溫條件下,同源二倍體和四倍體西瓜葉片電解質(zhì)滲漏的情況時(shí),發(fā)現(xiàn)該方法能較好地區(qū)分不同處理溫度時(shí)的樣品電解質(zhì)的滲漏情況,但是不能區(qū)分不同倍性西瓜的電解質(zhì)的滲漏差異,特別是在亞低溫(10~20 ℃)范圍內(nèi)。但通過測(cè)定原生質(zhì)體的細(xì)胞膜導(dǎo)水系數(shù)卻能明顯區(qū)分,且差異達(dá)到了極顯著水平(P<0.01)。由此表明,細(xì)胞膜導(dǎo)水系數(shù)或許可用于植物亞低溫下低溫耐受能力的分析。endprint

      通過原生質(zhì)體體積變化測(cè)定細(xì)胞膜導(dǎo)水系數(shù)涉及各種生理過程。在原生質(zhì)體體積快速增大或縮小的情況下,細(xì)胞膜的表面積在幾秒鐘內(nèi)就表現(xiàn)出明顯變化,而細(xì)胞膜面積的迅速增大與囊泡運(yùn)輸、細(xì)胞骨架等多種亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能有關(guān)[14,25],說明染色體加倍后細(xì)胞自身生理調(diào)節(jié)機(jī)制也發(fā)生了變化。

      本研究?jī)?yōu)化了不同倍性西瓜葉片原生質(zhì)體的制備方法,同時(shí)從細(xì)胞膜導(dǎo)水系數(shù)和細(xì)胞膜傷害率2個(gè)方面對(duì)不同倍性西瓜的低溫耐受能力進(jìn)行了分析。這些結(jié)果為研究多倍體西瓜抗性提供了新的思路,為西瓜抗性的多層次評(píng)價(jià)提供了技術(shù)參考。

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