PQQ对低温胁迫下早稻幼苗生理特性的影响?

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　　摘 要：以早稻品种湘早籼42号为材料，研究不同浓度的PQQ溶液对低温胁迫下早稻幼苗生理特性的影响。结果表明：低温胁迫前叶面喷施0.5和1 μmol/L PQQ溶液，活苗率较对照大幅提高，分别达到40.23%和43.14%，与对照差异显著;而PQQ溶液浓度≥25 μmol/L时活苗率反而降低;低温胁迫前喷施0.5 μmol/L的PQQ，对株高、鲜重、干重和含水量的影响与对照差异不显著;而低温胁迫5 d时，PQQ处理过的幼苗电导率降低了7.19个百分点、MDA含量减少了5.23 nmol/g、脯氨酸和可溶性糖含量分别增加了8.02 μg/g和23.4 mg/g、SOD和POD酶活性分别提升了9.19%和11.45%，与对照的差异均达显著水平。这表明PQQ可通过提高抗氧化酶活性和调节非酶促防御系统同时减轻低温胁迫对水稻幼苗造成的伤害，提高水稻幼苗耐冷能力。
　　关键词：水稻幼苗;低温胁迫;PQQ;生理指标
　　中图分类号：Q946.885.9 文献标识码：A 文章编号：1006-060X（2020）05-0017-04
　　Effects of PQQ on Physiological Characteristics of Early Rice Seedlings Under Low Temperature Stress
　　 HE Shu-guang1，LI Hua-ping1，DAI Li2，LIU Yang2，KUANG Wei2，FANG Bao-hua2，ZHAO Yang2
　　（1. Linxiang Agricultural Bureau， Yueyang 414300， PRC; 2. Hunan Rice Research Institute， Changsha 410125， PRC）
　　Abstract： The effects of different concentrations of pyrroloquinoline quinone （PQQ） solution on physiological characteristics of early-rice seedlings were studied with Xiangzaoxian 42 as the material. The results showed that sprayed with 0.5μmol/L and 1μmol/L PQQ solutions on the leaf surface before low temperature stress， the live seedling rates of the treatments were significantly higher than those of the control， reaching 40.23% and 43.14%， respectively; when the PQQ concentration was ≥25μmol/L， the live seedling rates contrarily decreased. Through the analysis on agronomic characteristics and physiological indices of the cold-damaged seedlings， it was found that spraying PQQ before low temperature stress had no significant effects on plant height， fresh weight， dry weight and water content in contrast with the control. After 5d low temperature treatment， PQQ reduced the conductivity by 7.19 percent， decreased the MDA content by 5.23nmol/g， increased proline and soluble sugar contents， SOD and POD activities by 8.02μg/g ， 23.4 mg/g， 9.19% and 11.45%， respectively， all of which were significantly different from the control. It means that PQQ could reduce the damage caused by low temperature stress and improve the cold tolerance of rice seedlings by improving the activity of antioxidant enzymes and regulating non-enzymatic defense system.
　　Key words： rice seedlings; low temperature stress; PQQ; physiological index
　　水稻起源于熱带，喜高温多湿环境，栽培稻耐冷性强于野生稻，表明经人类驯化后水稻耐冷性有一定提高，但仍较难适应低温。在全球气候变暖的趋势下，低温对水稻的影响仍不能忽视[1-3]。水稻苗期生长最低温度为12℃左右，最适生长温度为25～35℃。湖南省早稻育苗期间常出现“倒春寒”天气，而苗期低温冷害可导致幼苗叶片褪色，引发幼苗感染绵腐病、立枯病和青枯病等疾病，甚至烂秧。气候正常年份水稻的烂种烂秧比例较低，约为5%;低温冷害轻微的年份烂种烂秧比例可达25%，而低温冷害严重时烂种烂秧比例甚至可超过50%[4]。这种情况发生后必将延误农事季节，导致栽插面积无法按计划完成，进而影响水稻丰产群体的建立，打乱作物布局，使全年水稻生产陷于被动。有研究指出，苗期受低温胁迫后可间接影响籽粒灌浆持续时间，进而影响稻米品质，主要表现为糙米率、精米率、糊化温度和胶稠度等指标大大降低[5]。 　　关于如何提高水稻苗期耐冷性，许多学者做了大量研究，除培育耐冷品种外，发现外源施用某些物质可一定程度提高水稻耐冷性。近年来，吡咯喹啉醌在微生物界、动物界和植物界引起广泛关注。吡咯喹啉醌化学名称为4，5-二氢-4，5-二氧-1-氢吡咯（2，3-f）醌-2，7，9-三羧酸，简称PQQ，是继黄素核苷酸和烟酰胺核苷酸之后，在細菌脱氢酶中发现的第三种辅基，号称为“第十四种维生素”。该辅酶于20世纪60年代首次被发现，1979年Duine和 Salisbury 等确定其结构式[6-8]。国内外对PQQ的研究多限于微生物与动物领域，而PQQ作为生物体内的一种活性因子在植物体内的效应如何，报道甚少。研究以PQQ为研究对象，探讨低温胁迫下外源施用PQQ对水稻幼苗耐冷性和其他生理特性的影响。这对于水稻耐冷种质的筛选及耐冷机理研究都有重要意义。
　　1 材料与方法
　　1.1 试验材料
　　供试材料为冷敏感水稻品种湘早籼42号。种子经0.08%三氯异氰尿酸消毒浸种48 h催芽后，将发芽一致的种子播种于塑料盆（17.0 cm×11.5 cm×6.5 cm）中，内装稻田土，每盆50～60株。当幼苗生长至2叶一心时进行处理。
　　1.2 试验设计
　　1.2.1 PQQ处理浓度筛选 选取长势基本一致的2叶一心水稻幼苗，用小型喷雾器将不同浓度的PQQ溶液（含0.2%吐温）均匀喷撒至水稻幼苗叶片上。处理浓度分别为0（CK）、0.1、0.25、0.5、1、25、50、100、500 μmol/L，每个处理用量为30 mL，每种浓度喷施3盆。喷施12 h后，移入低温培养箱（MLR-352-PC，松下电器）。低温胁迫的初始温度为26.0℃，以2℃/h的速度降温至8.0±1.0℃，连续处理3 d;每天7：00 —19：00光照12 h，光照强度为8 400 lx，相对湿度为70%～80%。处理结束后，将幼苗移至自然条件下继续生长9 d，统计低温活苗率。低温活苗率（%）=（活幼苗数/总幼苗数）×100%。
　　1.2.2 低温胁迫下PQQ对早稻幼苗生理特性的影响试验 设2个处理，试验组为适宜浓度的PQQ处理，对照组为等量蒸馏水（含0.2%吐温），均匀喷洒在2叶一心水稻幼苗叶片上，每各处理喷施3盆，喷施12 h后，移入低温培养箱。低温胁迫的初始温度为26.0℃，以2℃/h的速度降温至10.0±1.0℃，连续处理5 d;每天7：00—19：00光照12 h，光照强度为8 400 lx，相对湿度为70%～80%。
　　1.3 测定指标及方法
　　分别于低温处理0、1、3和5 d时取样，测定幼苗株高、鲜重、干重和含水量4项农艺性状指标和电导率、丙二醛（MDA）、脯氨酸（PRO）、可溶性糖含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性和过氧化物酶（POD）活性6项生理指标。采用电导率仪法[9]测定电导率，硫代巴比妥酸比色法[9]测定MDA含量，酸性茚三酮法[9]测定PRO含量，蒽酮比色法测[10]定可溶性糖含量，氮蓝四唑法[10]测定SOD活性，愈创木酚法[10]测定POD活性;每个处理设3次重复，每个样品重复测定4次，取平均值。
　　1.4 数据分析
　　采用Excel 2010 和SPSS 10.0 软件进行数据整理和分析。
　　2 结果与分析
　　2.1 最适PQQ处理浓度
　　如图1所示，低温胁迫下，随着PQQ浓度的增加，活苗率呈先上升后下降的趋势，当浓度为0.5和1 μmol/L时，活苗率大幅提高，分别达到40.23%和43.14%，较对照增加15.28和18.19个百分点，差异显著。而当PQQ浓度增加至25 μmol/L以上时，活苗率降为30%左右。因此，从活苗率和成本2个方面考虑，后续研究中采用浓度0.5 μmol/L的PQQ溶液继续试验。
　　2.2 低温处理下PQQ对幼苗农艺性状的影响
　　从图2中可以看出，随着低温处理时间的延长，水稻幼苗的鲜重和含水量呈降低趋势，干重呈增加趋势，表明幼苗通过降低植株水分含量、增加干物质重来抵御低温冷害，但试验组与对照组之间的差异均不显著;处理5 d时，试验组（喷施PQQ）水稻幼苗的鲜重、含水量和干重分别为处理前的56.25%、65.23%、121.43%。从图2中还可以看出，株高随低温胁迫时间的延长呈小幅降低趋势。这可能与含水量降低导致植株萎蔫有关，也是幼苗抵御低温逆境的保护性反应。
　　2.3 低温处理下PQQ对幼苗生理指标的影响
　　由表1可知，随着低温处理时间的延长，水稻幼苗细胞膜结构或功能受损，电解质外渗，电导率不断增大;胁迫5 d时，试验组的电导率较对照组低7.19个百分点，差异显著。这表明喷施PQQ溶液可以减轻低温对细胞膜的损害。另一个反映细胞膜受损的指标——膜脂过氧化积累产物丙二醛（MDA）具有同样的变化趋势，随着低温时间的延长，MDA含量不断增加;胁迫3 d时，试验组的MDA含量比对照组低4.85 nmol/g;胁迫5 d时，试验组的MDA含量比对照组低5.23 nmol/g;差异均达显著水平。这表明喷施PQQ溶液可在一定程度上保护细胞膜，减轻膜脂过氧化作用。脯氨酸和可溶性糖这2种渗透调节物质在低温胁迫下可大量积累来提高细胞溶质浓度，使细胞保持一定的渗透压，防止水分散失，提高细胞持水力。低温胁迫1、3、5 d时，试验组的脯氨酸含量较对照组分别增加6.23、10.02和8.02 μg/g，差异均达显著水平;低温胁迫1和3 d时，试验组的可溶性糖含量较对照组分别增加5.0和23.4 mg/g，差异均达显著水平。这表明PQQ溶液可促使细胞积累更多的渗透调节物质，保持细胞水分，从而提高幼苗耐冷能力。
　　由表2可知，试验组和对照组水稻幼苗的抗氧化酶活性在短时低温胁迫下差异不显著，低温胁迫3 d时，试验组的SOD和POD酶活性分别较对照组增加9.57%和14.73%;低温胁迫5 d，试验组的SOD和POD酶活性分别较对照组增加9.19% 和11.45%。这表明喷施PQQ溶液更有利于增加水稻幼苗的SOD和POD酶活性，达到清除过剩自由基、减少膜脂过氧化作用、稳定膜结构的目的。 　　3 结论与讨论
　　PQQ是一种氧化还原酶辅基，参与生物体内氧化还原反应，能有效地清除体内的自由基，减少自由基对生物体的伤害，保护机体组织。它也是一种生长因子，可刺激生物生长，微量的PQQ就能提高生物体组织的代谢能力和生长机能[11]。该试验在低温胁迫下叶面喷施PQQ能够明显提高水稻幼苗的成活率，但不同浓度的PQQ对活苗率提升的幅度有所差异。PQQ浓度增加，幼苗活苗率不断上升，但当浓度低于0.5 μmol/L时，处理的活苗率与对照差异不显著;当PQQ浓度增加至0.5和1 μmol/L时，活苗率大幅提升，幼苗耐冷能力最强;PQQ浓度继续增加，活苗率又呈降低趋势，这与朱云集等[12]和卫秀英等[13]的研究结果一致。因此，笔者认为低温胁迫下喷施适当浓度的PQQ，可提高水稻幼苗抵御低温冷害的能力。
　　植物受低温胁迫后，植株体内会发生一系列生理变化，如提高产量构成因素[14]、增加抗氧化酶活性、积累渗透调节物质、改变激素水平等。PQQ作为生理活性物质，不但有较强的氧化还原能力，还有保护酶和巯基的作用。在逆境胁迫中植物体内酶促和非酶促防御系统共同作用维持植物体内自由基的平衡，才使生物体具有正常的生理机能[15]。刘卫群等[16]报道了低温胁迫下叶片喷施和根灌PQQ能提高黄瓜幼苗子叶超氧化物歧化酶和抗坏血酸过氧化物酶的活性，增加谷胱甘肽含量，缓解电解质泄漏，减缓膜脂过氧化作用，表明PQQ通过直接消除和间接酶促反应2个方面的作用调节植物细胞内的活性氧浓度，进而增强植物的抗逆性，是一个多因素的复杂效应。在半固体培养基中添加PQQ能明显提高烟草花粉萌发率、花粉管生长速率和花粉萌发时的呼吸速率，可能也是在花粉萌发过程中刺激某种酶、增强酶活性所致[17-19]。
　　该研究结果显示，在低温胁迫前喷施0.5 μmol/L的PQQ溶液，对幼苗农艺性状产生的影响较小，与对照差异不显著，但是引发了一系列生理特性变化。与对照相比，喷施PQQ能够有效防治细胞电解质外
　　渗，减少过氧化产物MDA的积累，增加渗透调节物脯氨酸和可溶性糖的含量，提高SOD和POD活性。这说明PQQ处理的水稻幼苗细胞膜结构较完整，体内自由基含量较低，抗氧化能力较强，膜脂过氧化作用轻，细胞渗透势低，细胞保水力较强，细胞膨压保持在正常范围，有助于维持幼苗的正常生理代谢。
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　　（责任编辑：成 平）
　　收稿日期：2020-03-17
　　基金项目：湖南省农业科技创新资金项目（2018QN07）
　　作者简介：何曙光（1970—），男，湖南岳阳市人，农艺师，主要从事作物栽培研究。
　　通信作者：赵 杨
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