低温对狗牙根根系呼吸电子传递的影响及其与抗寒性的关系.pdf

DOI:10.11829/j.issn.1001-0629.2022-0514赵尧尧，张泽程，刘美君，陈蝶，柴国梁.低温对狗牙根根系呼吸电子传递的影响及其与抗寒性的关系.草业科学,2023,40(5):1258-1265.ZHAOYY,ZHANGZC,LIUMJ,CHEND,CHAIGL.EffectsoflowtemperatureonrootrespirationofCynodon dactylonanditsrelationshipwithcoldresistance.PrataculturalScience,2023,40(5):1258-1265.低温对狗牙根根系呼吸电子传递的影响及其与抗寒性的关系赵尧尧，张泽程，刘美君，陈蝶，柴国梁（新疆农业大学草业学院,新疆乌鲁木齐830052）摘要：呼吸作用为狗牙根(Cynodon dactylon)根系细胞的生命活动提供能量，也是狗牙根能否正常生长和顺利越冬的关键。本研究以抗寒性不同的新农 1 号(XinnongNo.1)和矮生天堂草(C.dactylon C.transvaalensis)为试验材料，在对照室温 25 和低温 4 处理后，研究低温对狗牙根根系呼吸作用的影响及其与抗寒性的关系。结果表明，低温胁迫会导致狗牙根根系活力下降，相对电导率和 H2O2含量显著上升(P0.05)，与新农 1 号相比，低温对矮生天堂草的伤害更重。低温胁迫会导致狗牙根根系总呼吸速率、细胞色素氧化酶(COX)呼吸速率和交替氧化酶(AOX)呼吸速率均显著降低，且新农 1 号下降程度更大，但新农 1 号根系 AOX 呼吸占总呼吸的比率显著上升(P0.05)；在低温下 AOX 呼吸受抑，加重了新农 1 号狗牙根根系活力的下降、相对电导率的增加以及 H2O2的积累，显著(P0.05)，这表明，在低温胁迫下，AOX 有效地减轻了活性氧的积累，降低了细胞膜的氧化伤害，维持了较高的根系活力，从而对根系起重要保护作用。新农 1 号狗牙根根系AOX 呼吸的相对活性显著上调，增加了其对低温的抗性。关键词：低温胁迫；狗牙根根系；呼吸速率；交替氧化酶呼吸；细胞色素氧化酶呼吸；活性氧；抗寒性文献标志码：A文章编号：1001-0629(2023)05-1258-08Effects of low temperature on root respiration of Cynodon dactylonand its relationship with cold resistanceZHAOYaoyao,ZHANGZecheng,LIUMeijun,CHENDie,CHAIGuoliang(CollegeofGrasslandScience,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi830052,Xingjiang,China)Abstract:Rootrespirationinbermudagrass(Cynodon dactylon)istheonlysourceofenergyandiscrucialfornormalgrowthandwintersurvival.Inthisstudy,XinnongNo.1andTifdwarfBermudagrasswithdifferentlevelsofcoldresistancewereselectedandtheeffectoflow-temperatureonrootrespirationofbermudagrassanditsrelationshipwithcoldresistancewasexaminedat25(control)and4.Theresultsshowedthatlow-temperaturestressnotablydecreasedtherootactivityofbermudagrassandincreasedtherelativeconductivityandH2O2content.ComparedwithXinnongNo.1,theeffectoflow-temperatureonTifdwarfBermudagrasswassignificantlymoresevere(P0.05).Thelow-temperatureexposurereducedthetotal respiration rate and the cytochrome oxidase and alternative oxidase(AOX)respiration rates in the roots ofbermudagrass;however,thedecreaseinXinnongNo.1wasmoresignificant(P0.05).Furthermore,theratioofAOXrespirationtototalrespirationintherootsofXinnongNo.1increasedsignificantly(P0.05).Underlow-temperature,the收稿日期：2022-06-22接受日期：2022-10-31基金项目：国家级大学生创新创业训练计划(202210758005)；自治区自然基金(2523ZZQZRJJ)；作物生物学国家重点实验室开放课题(2021KF05)第一作者：赵尧尧(1998-)，男，贵州桐梓人，在读硕士生，研究方向为植物逆境生理。E-mail:通信作者：刘美君(1988-)，女，山西五台人，副教授，博士，研究方向为牧草生理。E-mail:1258-1265草业科学第40卷第5期5/2023PRATACULTURALSCIENCEVol.40,No.5http:/inhibitionofAOXrespirationsignificantlydecreasedtherootactivity,increasedrelativeconductivity,andaccumulationofH2O2(P 0.05)compared with those subjected to 25,but did not significantly differ from those of TifdwarfBermudagrass.TheseresultsindicatethatAOXreducedreactiveoxygenspeciesaccumulation,reducedoxidativedamagetothecellmembrane,andmaintainedahighrootactivityunderlow-temperature,thusplayinganimportantroleinprotectingtherootsystem.TherelativeactivityofAOXrespirationintherootsofbermudagrasswassignificantlyincreased(P0.05)inXinnongNo.1,whichincreaseditsresistancetolow-temperature.Keywords:low-temperaturestress;bermudagrassrootsystem;rateofrespiration;alternativeoxidasepathway;cytochromeoxidaserespiration;reactiveoxygenspecies;coldresistanceCorresponding author:LIUMeijunE-mail:狗牙根(Cynodon dactylon)属禾本科多年生草本植物，在我国广泛分布，具有抗旱、耐践踏等优良特性且广泛用于公路护坡、足球场和高尔夫球场等建植1-4，但由于抗寒能力比较差，限制了其在我国北方及世界较寒冷地区的应用。尤其是新疆特殊的地理气候条件，春季霜冻寒潮、冬季低温等极端天气，使狗牙根常常遭受冷害和冻害的威胁，严重限制了它的推广应用3-4。低温已经成为限制狗牙根产业发展的重要的环境因素，因此，认识并深入开展狗牙根的抗寒性机理研究，对狗牙根的安全越冬及其推广和应用具有很重要的理论与实践意义。目前，研究人员已经从狗牙根根系形态5、化学组分6-7、脂肪酸代谢8等方面对狗牙根抗寒性的生理机制进行了详细研究。狗牙根几丁质酶基因在低温驯化过程中受到诱导，促进了狗牙根耐寒，阐释了狗牙根抗寒性的分子机制9。此外，外源添加 H2S、Ca2+10以及乙烯11等也都可以在代谢组或光合作用等方面增强狗牙根抗寒性。迄今为止，国内外对狗牙根抗寒性机理开展了大量研究且大多是对狗牙根地上部分的研究，但是对于多年生的狗牙根而言，它主要以根的形式越冬12，因此，狗牙根的抗寒性以及成功越冬的关键在于其根部的抗寒性，在没有叶绿体不能进行光合作用的根部，呼吸作用是提供 细 胞 所 需 能 量 腺 嘌 呤 核 苷 三 磷 酸(adenosinetriphosphate,ATP)的唯一途径。植物线粒体中存在细胞色素(cytochromeoxidase,COX)和交替氧化酶(alternativeoxidase,AOX)两条电子传递途径13，其中 COX 途径期间偶联质子的跨膜运输形成跨膜质子梯度用于 ATP 的合成。线粒体电子传递链是活性氧(reactiveoxygenspecies,ROS)的主要产生位点，也是主要攻击位点14-15，AOX呼吸途径由于不受跨膜质子梯度和 ATP/ADP 的限制，在线粒体呼吸电子传递链中有效地促进分子氧与还原醌的结合，降低了 ROS 的产生，从而减少了ROS 对细胞的伤害14-18，低温下根部既要产生足够的 ATP，又要避免产生 ROS，是狗牙根顺利越冬的关键所在。目前，对于低温如何影响狗牙根根部呼吸以及ATP 的产生从而影响狗牙根根部的抗寒性的机制尚不清楚。关于低温对狗牙根根系呼吸电子传递及抗寒性的相关研究未见报道，因此，本研究选用抗寒性较强品种新农 1 号狗牙根(C.dactylonXinnongNo.1)和抗寒性较弱品种矮生天堂草(C.dactylon C.transvaalensis)，通过测定低温后不同呼吸途径的变化，以及低温对根部活性和根部氧化还原平衡状态的影响，研究低温对根部呼吸电子传递及 ATP 合成的影响机制，进一步探讨低温下线粒体呼吸途径与根部抗寒性的关系，以期为狗牙根高抗寒性品种的培育提供理论依据，对狗牙根抗寒育种和栽培有重要意义。1 材料与方法 1.1 试验材料选用抗寒性不同的两个狗牙根品种，分别是能在乌鲁木齐25.6 安全越冬、抗寒性较强的新农1 号狗牙根，以及不能安全越冬抗寒性较弱的矮生天堂草19，供试材料均由新疆农业大学草业学院提供。1.2 试验设计将供试种子先用 98%浓硫酸处理 25min，再用5%次氯酸钠溶液消毒 5min，最后用去离子水清洗5 遍。在培养室恒温 25 下进行培养，每周浇 3 次第5期赵尧尧等：低温对狗牙根根系呼吸电子传递的影响及其与抗寒性的关系1259http:/营养液以促进其生长。待其生长 6 周后，将长势一致的完整植株移至人工气候培养箱内，人工气候室光照强度为 5000lx，光照 16h，黑暗 8h。分别进行25 室温和 4 低温以及 4 低温+水杨羟肟酸(salicylhydroxamicacid,SHAM)处理，光暗条件下温度不变。其中 SHAM 是 AOX 的专一性抑制剂，用来研究根系 AOX 呼吸对狗牙根根系的抗寒性的作用。根据预试验结果，选用含有 lmmolL1SHAM的营养液浇灌进行处理。处理 72h 后，取根系样品，用清水洗净，测定各生理指标。1.3 根系活力测定采用氯化三苯基四氮唑(2,3,5-triphenyltetrazoliumchloride,TTC)法测定，用四氮唑的还原强度表示根系活力，单位为 g(gh)120。1.4 根系 ATP 含量测定采用 ATP 生物体发光检