低溫對水稻突變體cisc(ta)苗期抗氧化系統和氨基酸積累的影響

龔曉平 況曉明 羅挺 李加勝 莫春紅 何煥然 趙許兵 余偉 張致力

摘要 [目的]對低溫脅迫下苗期水稻（Oryza sativa L.）進行耐冷性生理學和形態學鑒定，為耐冷相關基因定位和克隆奠定基礎。[方法]以耐冷秈稻材料P1211和冷敏型秈稻突變體cisc（ta）為試驗材料，于苗期在人工氣候箱中進行低溫脅迫處理（12 ℃），以適溫處理（25 ℃）的參試材料作為對照，研究低溫脅迫對水稻冷敏感突變體cisc（ta）苗期抗氧化系統和氨基酸積累的影響。[結果]與適溫處理相比，P1211和cisc（ta）在低溫下幼苗株高、冠鮮重、冠干重、最長根長、根鮮重、根干重顯著下降;同時葉片抗氧化酶活性（SOD、POD、CAT），可溶性蛋白，光合色素含量不同程度降低，冷敏型秈稻突變體cisc（ta）幼苗的降幅大于耐冷秈稻材料P1211;此外，在長期低溫脅迫下，突變體cisc（ta）葉片丙二醛含量極顯著增加，而P1211無顯著差異。低溫脅迫后P1211和突變體cisc（ta）的脯氨酸、精氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、賴氨酸含量極顯著增加，而亮氨酸、甲硫氨酸、異亮氨酸的含量極顯著降低，其中突變體cisc（ta）精氨酸的含量增幅最大?；謴驼Ｌ幚砗?，突變體cisc（ta）葉片光合色素含量恢復到正常（CK）水平，但株高顯著變矮，成熟期結實率和產量降低。[結論]低溫脅迫處理影響突變體cisc（ta）幼苗生長特性，降低了葉片抗氧化酶活性，提高了脯氨酸和游離氨基酸的含量。該研究加深了對水稻苗期耐冷性生理基礎的全面認識，并為相關基因的克隆及水稻耐冷分子育種奠定基礎。

關鍵詞 水稻;低溫脅迫;耐冷性;抗氧化系統;游離氨基酸

中圖分類號 S511? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）24-0055-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.24.013

Effects of Low Temperature Stress on Antioxidant System and Amino Acid Accumulation of Rice Mutant cisc （ta） at Seedling Stage

GONG Xiao-ping，KUANG Xiao-ming，LUO Ting et al （Yudongnan Academy of Agricultural Sciences，Chongqing 408000）

Abstract [Objective]To identify the physiological and morphological of cold tolerance of rice （Oryza sative L.）at seedling stage under low temperature stress，so as to lay a foundation for the localization and cloning of cold tolerance related genes.[Method] Using cold-tolerant indica rice material P1211 and cold-sensitive indica rice mutant cisc（ta） as test materials，low-temperature stress treatment （12 ℃） was carried out in an artificial climate incubator at the seedling stage，and suitable temperature treatment （25 ℃） was used as the test material.The test materials were used as controls to study the effects of low temperature stress on the antioxidant system and amino acid accumulation in the seedling stage of the cold-sensitive mutant cisc（ta） of rice.[Result]Compared with the suitable temperature treatment，the seedling height，shoot fresh weight，shoot dry weight，longest root length，root fresh weight and root dry weight of P1211 and cisc（ta） were significantly reduced under low temperature;at the same time，the activities of antioxidant enzymes （SOD，POD，CAT），soluble protein and photosynthetic pigment in leaves decreased in varying degrees.The decline of cold sensitive indica rice mutant cisc（ta） seedlings was greater than that of cold tolerant indica rice material P1211;in addition，under long-term low temperature stress，the content of malondialdehyde in leaves of mutant cisc（ta） increased significantly，but there was no significant difference in P1211.After low temperature stress，the contents of proline，arginine，aspartate，glutamate and lysine in P1211 and mutant cisc（ta） increased significantly，while the contents of leucine，methionine and isoleucine decreased significantly.The content of arginine experienced the biggest growth in the cisc（ta） mutant.After the normal treatment was restored，the photosynthetic pigment content of the mutant cisc（ta） leaves returned to the normal （CK） level，but the plant height was significantly shorter，and the seed setting rate and yield at the maturity stage were reduced.[Conclusion]Low temperature stress treatment affected the growth characteristics of mutant cisc（ta） seedlings，reduced leaf antioxidant enzyme activities，and increased the contents of proline and free amino acids.This study deepened the comprehensive understanding of the physiological basis of rice cold tolerance at seedling stage，and laid a foundation for the cloning of related genes and rice cold tolerance molecular breeding.

Key words Rice;Low temperature stress;Cold tolerance;Antioxidative systems;Free amino acid

基金項目 重慶市基礎研究與前沿探索項目（cstc2018jcyjAX0447）。

作者簡介 龔曉平（1980—），男，重慶墊江人，副研究員，博士，從事水稻遺傳育種、分子生物學研究。*通信作者，研究員，主要從事水稻遺傳育種研究。

收稿日期 2021-04-11

水稻（Oryza sativa L.）是世界上最重要的禾谷類作物，也是超過50%人口的主要糧食。需要培育具有高產潛力和對逆境脅迫具有強且持久抗性的品種，以滿足人們對水稻的需求。水稻起源于熱帶/亞熱帶地區，因此對低溫脅迫非常敏感，低溫冷害對水稻造成多種損害，包括種子發芽不良、幼苗失綠白化或枯萎、分蘗減少、孕穗期不育以及抽穗開花期穎殼不張開、花藥不開裂、花粉不發育而造成不育[1-3]。因此，低溫冷害是限制水稻產量和種植面積擴大的世界性問題。近年來，直播水稻因成本低、操作簡潔而在世界范圍內得到廣泛應用。然而，將預發芽種子直接播種在冷水田里很容易受到冷脅迫的影響，提高水稻在萌發期和芽期的耐冷性成為直播水稻品種選育過程中的主要難題。因此，鑒定水稻耐冷性相關基因，深入了解水稻對冷脅迫的反應機制，將有助于水稻耐寒性的遺傳改良。

植物在冷脅迫下會發生許多生理變化，包括對細胞膜的直接和間接損傷。冷脅迫可以使細胞膜受到損傷，引起電解質滲漏，同時破壞細胞環境，導致細胞器功能下降[4-5]。光系統II （PSII）被認為是與逆境脅迫或衰老相關的光合作用元件損傷的主要部位[6]，而冷脅迫下PSII損傷可引起葉綠素熒光強度的變化。低溫脅迫導致亞細胞內活性氧（ROS，如H2O2、O2-和HO-）的積累[7]。這些過多的活性氧在低溫下不僅破壞細胞膜和葉綠體結構，抑制光合作用和葉綠素熒光，而且會導致蛋白質、DNA和脂類的氧化損傷，進一步導致細胞功能受損甚至植株死亡[8]。丙二醛（MDA）是磷脂中不飽和脂肪酸過氧化的產物，是導致冷脅迫下細胞膜損傷的主要原因[9-10]。植物已經建立了利用防御酶提高抗寒能力的高效活性氧清除體系，防御酶包括超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT），這些防御酶在植物細胞中對ROS的積累起積極的抑制作用[11]。同時，植物也可以通過增加可溶性蛋白、可溶性糖、游離氨基酸和脫落酸（ABA）等滲透物質的含量來減少冷脅迫造成的損害[12-13]。游離氨基酸具有很強的親和性，能增加細胞液的濃度，對原生質的保水能力及膠體穩定性有一定作用[14]，游離氨基酸中的脯氨酸廣泛參與滲透調節、碳氮代謝，保護多數酶類物質，增強植物抗低溫脅迫能力[15]。

水稻苗期耐冷性形態學和生理學的準確鑒定是耐冷相關基因定位和克隆的基礎。該研究以耐冷秈稻材料P1211和冷敏型秈稻突變體cisc（ta）為試驗材料，進行低溫脅迫處理，檢測其表型特征、抗氧化生理指標和氨基酸積累的差異。深入分析冷敏型秈稻突變體cisc（ta）幼苗在低溫脅迫下的生長變化和生理特性，為鑒定和分離出水稻耐冷脅迫潛在的候選基因，并全面、深入了解水稻耐冷性的分子機制奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 突變體cisc（ta）是在重慶渝東南農業科學院開展水稻育種過程中發現的1個苗期低溫失綠突變體，材料命名為cisc（ta）（cold-induced seedling chlorosis）。經連續多代自交得到純合的穩定遺傳株系。秈稻材料P1211和突變體cisc（ta）的秧苗經低溫脅迫處理后進行表型特征觀察和相關生理指標測定，均以適溫（25 ℃）處理條件下的P1211和突變體cisc（ta）為對照。

1.2 低溫脅迫處理 各選取P1211與突變體cisc（ta）籽粒飽滿的種子進行浸種、催芽，將萌發一致的芽谷分別播種于8 個塑料盤中，置于人工氣候箱中，在28 ℃/ 25 ℃，14 h/10 h 光暗交替培養，植株生長到三葉期時，將其分別置于低溫（恒溫12 ℃）和適溫（恒溫25 ℃）的人工氣候箱，光照強度為180 μmol /（m2·s），光照12 h和黑暗12 h，處理7 d后，測定幼苗生長狀況和耐冷相關生理指標。低溫處理后的突變體cisc（ta）經適溫恢復14 d后大田移栽，測定苗期經過低溫（12 ℃）脅迫處理和適溫（25 ℃）處理的cisc（ta）CK在分蘗期和抽穗期葉綠素含量以及成熟期的農藝性狀。

1.3 幼苗生長狀況調查 低溫脅迫后，取10 株幼苗進行株高、單株總根數、最長根長的測量;取100 株幼苗，將根與地上部分開，吸干表面水分后稱量根和冠鮮重，然后在恒溫烘干箱80 ℃烘干，冷卻后稱量根和冠干重。

1.4 生理性狀測定 在苗期，采集12和25 ℃條件下的P1211和突變體cisc（ta）的葉片，放入采樣袋，-20 ℃冰箱保存備用。葉綠素含量采用分光光度法測定[16]，丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸比色法測定[17]，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250染色法測定[18]，過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外分光光度法測定[19]，過氧化物酶（POD）活性采用愈創木酚法測定[20]，超氧化物歧化酶（SOD）活性采用淡藍四唑法測定[21]，游離氨基酸（脯氨酸、亮氨酸等）含量采用酸性茚三酮法測定[22]。

2 結果與分析

2.1 低溫對P1211和突變體cisc（ta）幼苗植株形態的影響 經低溫脅迫處理（12 ℃）后，突變體cisc（ta）幼苗地上部分（株高、冠鮮重、冠干重）和地下部分（總根數、最長根長、根鮮重和根干重）各形態指標均顯著降低，且各指標的降幅均大于P1211;低溫脅迫下，P1211的地上部分和地下部分指標除總根數外，其余指標均有顯著降低（表1）。低溫脅迫處理對水稻幼苗地上部和地下部生長都產生了不利影響，且對突變體cisc（ta）的影響大于P1211，表明P1211的耐冷性顯著強于突變體cisc（ta）。

2.2 P1211和突變體cisc（ta）苗期低溫處理后葉片抗氧化生理性狀比較 經低溫脅迫處理后，P1211和突變體cisc（ta）的氧化酶活性（SOD、POD、CAT），光合色素和可溶性蛋白含量不同程度降低，且突變體cisc（ta）的降幅遠大于耐冷材料P1211（表2），表明低溫脅迫后突變體cisc（ta）清除超氧陰離子的能力嚴重下降，使得過氧化氫在植株內積累，通過代謝過程將多余的氧氣轉化為對植株有毒的活性氧（ROS），導致葉片葉綠體結構受到破壞、光合作用能力減弱。同時，突變體cisc（ta）的MDA含量極顯著增加，而P1211的MDA含量與對照間無顯著差異，表明突變體cisc（ta）在低溫脅迫后膜脂過氧化，造成生物膜損傷，引起磷脂中不飽和脂肪酸過氧化產物MDA的極顯著增加，低溫脅迫下P1211的抗氧化防御系統清除ROS的能力明顯強于突變體cisc（ta）。

2.3 P1211和突變體cisc（ta）苗期低溫處理后葉片游離氨基酸含量比較 經低溫脅迫后，植物細胞可以通過積累脯氨酸等滲透調節物質來減少或消除低溫損傷，增強其耐冷性[23]。在該研究中，經過低溫處理（12℃）后，P1211和突變體cisc（ta）葉片的脯氨酸（Pro）、精氨酸（Arg）、天冬氨酸（Asp）、谷氨酸（Glu）、賴氨酸（Lys）極顯著增加，亮氨酸（Leu）、甲硫氨酸（Met）、異亮氨酸（Ile）的含量極顯著降低，突變體cisc（ta）積累Pro含量明顯比P1211要多，同時突變體cisc（ta）在低溫脅迫處理（12 ℃）后Arg的含量相當于適溫處理（25 ℃）下的6.48倍（表3），表明可能是由于突變體cisc（ta）耐冷性功能基因缺失導致產生了過多的Arg。

2.4 苗期低溫脅迫處理對突變體cisc（ta）生長發育及農藝性狀的影響 在苗期，低溫脅迫處理后大田觀測突變體cisc（ta）葉片呈白色，光合色素含量極顯著低于適溫（25 ℃）處理條件下的cisc（ta） CK，將低溫處理后的植株移栽至大田，苗期、分蘗期和抽穗期的觀察結果發現，突變體cisc（ta）葉片逐漸從白色轉為綠色，光合色素含量逐漸恢復到正常水平，但株高顯著變矮（圖1）。成熟期，突變體cisc（ta）的株高、每穗總粒數、一次枝梗數、二次枝梗數和結實率分別為對照的95.51%、68.92%、79.41%、68.75%和93.51%（表4）。突變體cisc（ta）的一次枝梗數和二次枝梗數極顯著減少，導致其每穗總粒數顯著減少。

3 結論與討論

當植物遭受低溫脅迫時，能夠通過信號傳導使其體內在分子、細胞、生理和生化水平上進行相應調整，及時產生一系列的刺激應答以抵御和適應低溫脅迫[9]。當植物完整的葉綠體發育受到長期低溫脅迫后會嚴重破壞其葉綠體的微觀結構和光合代謝，抑制光合色素的生物合成，最終導致葉片顏色的差異甚至植物死亡[24]。植物葉片的葉綠素含量高低和葉綠素熒光參數大小通常被作為判斷植物耐受逆境脅迫的重要指標[25]。該研究中，P1211和突變體cisc（ta）在低溫脅迫后幼苗株高、冠鮮重、冠干重、最長根長、根鮮重、根干重極顯著下降，突變體cisc（ta）的降幅大于P1211，表明P1211的耐冷性顯著強于突變體cisc（ta）。將低溫處理后的突變體cisc（ta）恢復正常大田種植，其葉片從白色逐漸轉為綠色，光合色素含量逐漸恢復到正常水平。但在成熟期突變體cisc（ta）的一次枝梗數和二次枝梗數顯著減少，導致其每穗總粒數的減少，表明由于突變體cisc（ta）苗期耐冷性差，影響其農藝性狀及經濟性狀。

大量的研究表明，在植物正常生長條件下，植物體內活性氧（ROS）的產生和清除處于平衡狀態，當植物遭受低溫脅迫時，植物體內ROS大量積累，引發膜脂過氧化，從而造成細胞膜系統損傷[26]。ROS 還會促進多聚不飽和脂肪酸降解并產生MDA，導致冷脅迫下細胞膜進一步的損傷[9-10]。植物擁有由抗氧化酶系統和非酶小分子抗氧化劑組成的抗氧化防御系統來清除ROS，從而減輕 ROS 對細胞的傷害[27]。該研究中，經低溫脅迫處理后，P1211和突變體cisc（ta）的氧化酶活性（SOD、POD、CAT），光合色素和可溶性蛋白含量降低，且突變體cisc（ta）的降幅遠大于耐冷材料P1211，表明低溫脅迫后突變體cisc（ta）葉片中的氧化酶活性（SOD、CAT）極顯著降低后，不能充分將超氧陰離子和過氧化氫變成水和氧分子，同時，過氧化物酶（POD）活性極顯著降低也減弱了POD以酚類化合物為底物分解H2O2的能力，使得H2O2在植株內積累，通過代謝過程將多余的氧氣（O2）轉化為對植株有毒的活性氧（ROS），進而導致葉片葉綠體結構受到破壞、光合作用能力減弱。此外，低溫脅迫下突變體cisc（ta）的MDA含量極顯著增加，表明突變體cisc（ta）在低溫脅迫后膜脂過氧化，造成生物膜損傷，引起磷脂中不飽和脂肪酸過氧化產物MDA的極顯著增加。該結果為低溫脅迫下突變體cisc（ta）的基因功能及表達譜分析奠定基礎。

游離氨基酸具有很強的親和性，能增加細胞液的濃度，對原生質的保水能力及膠體穩定性有一定作用[14]。在持續低溫下，植物體中脯氨酸能夠清除低溫逆境反應產生的過量氫離子（H+），維持細胞質中有氧呼吸的最佳pH，通過其疏水基團與蛋白質結合來提高蛋白的親水性，保護低溫下多數酶類物質，避免酶變性失活，維持蛋白合成[15]。龔明等[28]研究發現，在長期冷害處理下抗冷性弱的IR24積累脯氨酸含量明顯比抗冷性強的青林9號多。在該研究中，經過低溫處理后，P1211和突變體cisc（ta）葉片中的Pro、Arg、Asp、Glu、Lys含量極顯著增加，Leu、Met、Ile含量極顯著降低，突變體cisc（ta）積累脯氨酸含量明顯比P1211多，同時突變體cisc（ta）在低溫脅迫處理后Arg含量相當于適溫處理下的6.48倍，表明可能是由于突變體cisc（ta）耐冷性功能基因缺失導致產生了過多的Arg。突變體cisc（ta）過多的Arg是否與緩解因冷凍脫水造成的滲透脅迫有關，或者作為滲透調節物質來減少或消除低溫損傷，還需進一步研究。

該試驗結果表明，低溫脅迫處理嚴重影響突變體cisc（ta）幼苗生長特性，降低了葉片抗氧化酶活性，提高了葉片中Pro、Arg、Asp、Glu、Lys的含量，特別是Arg的含量，由于突變體cisc（ta）耐冷性功能基因的缺失，其耐冷性極顯著弱于P1211。該研究加深了對水稻苗期耐冷性生理基礎的認識，為突變體cisc（ta）耐冷性功能缺失基因的克隆及水稻耐冷機理研究奠定了基礎。

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