N+辐照与高温热激对小麦幼苗抗寒性的影响

N+辐照与高温热激对小麦幼苗抗寒性的影响
摘要：植物抗寒性是衡量其抗逆性的一个重要方面，以小麦（Triticum aestivum L.）干种子为材料，经低能离子束辐照处理后，常规培养至其三叶期时经42 ℃热激处理，再经 4 ℃冷处理，研究其抗寒性变化。

结果表明，在某些离子注入量下幼苗的抗寒性明显提高，膜伤害程度降低；高温热激使得低离子注入量下幼苗的脯氨酸和丙二醛含量比常温时升高，而高离子注入量下低于常温；真空高温处理的幼苗细胞膜伤害最小，说明低能离子注入与高温热激共同作用能够进一步提高植物抗寒性。

关键词：小麦（Triticum aestivun L.）；幼苗；抗寒性；N+辐照；高温热激；影响
Influence of N+ Irradiation and High Temperature Heat Shock on Wheat Seedling
Abstract：The cold hardiness of plants is one of the important aspects to measure its resistance. The dry seeds of wheat （Triticum aestivun cv. Xiaoyan81）were irradiated by low-energy N+，and heat shocked at 42 ℃at 3-leaves stage to study the dynamics of its hardiness at 4 ℃. The results showed that the cold hardiness of seedling was obviously increased under some ion implantation quantity as the damage of cell membrane reduced. High temperature increased praline and malondialdehyde content in wheat seedlings with low dose of ion implantation compared to those under normal temperature；while decreased with high ion implantation quantity. The cell membrane of seedling treated by vacuum and high temperature had the minimum damage，indicating that combination of low-energy N+ and high temperature could enhance the cold hardiness of plant.
Key words：wheat（Triticum aestivum L.）；seedling；cold hardiness；N+ irradiation；high temprature heat shock；influence
植物的抗寒能力与可溶性糖、膜磷脂、游离氨基酸、膜脂肪酸的饱和度有关[1]，低温引起的细胞膜结构破坏是导致植物寒害损伤和死亡的根本原因[2]，膜系统功能结构的稳定性是维持和发展植物抗寒能力的基础。

细胞膜是分割细胞内外物质的屏障，具有选择透性，是细胞与周围环境进行物质交换的主要通道。

细胞膜是细胞感受外界胁迫最敏感的部位，逆境胁迫会使细胞膜选择透性改变或消失，导致细胞中包括电解质在内的物质大量外漏，使组织浸泡液的电导率变大[3]。

电解质的渗出量是衡量细胞膜受损害程度的重要指标之一。

植物在逆境中会产生自由基和丙二醛（MDA）等中间产物，丙二醛可以引发或加剧细胞膜脂过氧化作用，对细胞膜有毒害作用[4]，丙二醛含量越高细胞膜的损害程度越大，则细胞膜的透性越强。

丙二醛的积累量代表细胞膜脂过氧化的程度，可间接反映植物组织抗氧化能力的大小。

脯氨酸是植物蛋白质的组分之一，以游离状态广泛存在于植物体中。

在逆境条件下植物体内脯氨酸的含量显著增加。

由于脯氨酸亲水性极强，能稳定原生质胶体及组织内的代谢过程，因而能降低凝固点，有防止细胞脱水的作用。

在低温条件下，植物组织中脯氨酸增加可提高植物的抗寒性，
因此植物体内脯氨酸含量在一定程度上反映了植物的抗逆性[5]。

黄上志等[6]通过研究热激对水稻幼苗的影响，认为水稻种子经42 ℃高温热激处理后幼苗的耐冷性明显增强，膜伤害程度降低，脯氨酸及各种保护酶的含量增加，而丙二醛的含量降低。

综上所述，细胞膜结构的损害强度是在植物受逆境胁迫后多种产物共同作用的结果，即植物的抗寒性也是由这些产物共同影响的。

高温热激对植物抗寒性的影响已有很多报道[6-8]，而离子束辐照作为一种诱变源，诱变优势也早已被认同[9]，但是关于离子束辐照与热激共同作用对抗寒性的影响未见报道。

本研究将小麦种子进行离子束辐照，幼苗经42 ℃高温处理后测定电解质渗出率及丙二醛和脯氨酸的含量，并与常温条件下的幼苗进行了比较，以研究离子束辐照及高温热激对细胞膜的损害程度（抗寒性）的影响，旨在通过研究细胞膜透性的改变来探索植物在不同胁迫下的抗寒性。

1 材料与方法
1.1 材料
供试小麦（Triticum aestivun L.）品种为小偃81。

1.2 试验设计
选取饱满均一的小麦种子，用低能氮离子束直接照射种子胚部。

使用郑州大学离子束生物工程省重点实验室的Titan脉冲式离子注入机在靶室中进行氮离子注入。

离子注入能量为30 keV，真空度为5×10-2 Pa，采用脉冲式注入，束流为200 mA。

注入量分别设为：真空10 min、1×1016、3×1016、5×1016 N+/cm2，以未注入氮离子的种子为对照。

然后将低能氮离子处理好的种子每处理都分为2组，将其种入营养土中，待幼苗长至3叶期时，将其中一组放入42 ℃中培养4 h，另一组25 ℃培养4 h。

之后将两组小麦幼苗都放入4 ℃培养，2 d后再将两组材料25 ℃恢复生长2 d[6]。

1.3 测定指标及方法
1.3.1 电解质渗出率称取1 g幼苗，放入50 mL锥形瓶中，加入15 mL 0.3 mol/L的甘露醇，去离子水定容到50 mL，25 ℃60 r/min振荡3 h后测定渗出液的电阻率，由此算出电导率。

将测量过的带有幼苗的溶液高温灭菌20 min，自然冷却，加去离子水至50 mL，60 r/min振荡15 min测总电阻率，算出电导率[6]。

由公式：电解质渗出率=浸泡液电导率/煮沸后电导率×100%，计算电解质渗出率[3]。

1.3.2 丙二醛含量取1 g叶片剪碎，加入10%三氯乙酸研磨提取丙二醛，以4 000 r/min离心10 min，取上清液，下一步进行显色反应及测量。

方法及药品的配制均参照文献[3]。

1.3.3 脯氨酸含量取0.5 g叶片剪碎，3%磺基水杨酸研磨，将匀浆移至离心管中沸水浴10 min，冷却，3 000 r/min离心10 min后取上清液，然后参照文献[3]测定游离脯氨酸含量。

2 结果与分析
2.1 各处理对细胞膜透性的影响
由图1可以看出，42 ℃热激组的电解质渗出率随氮离子注入量增加呈先上升后下降趋势，在真空处理达到最低值，3×1016 N+/cm2处理达到最高值；25 ℃组电解质渗出率随注入量的增加呈现先下降后上升的趋势，真空处理达最大值，3×1016 N+/cm2处理达最小值。

说明高温热激对未经离子注入的幼苗细胞膜具有保护作用，但离子注入后高温热激对幼苗细胞膜的作用具有随机性，真空高温处理对膜的保护作用较好。

2.2 各处理对脯氨酸含量的影响
从图2可以看出，随离子注入量的增加，25 ℃组的脯氨酸含量呈先下降后上升的趋势，5×1016 N+/cm2处理时达最大值；42 ℃组呈先上升后下降再上升的趋势，1×1016 N+/cm2处理时达最大值。

25 ℃时，真空处理和1×1016 N+/cm2处理脯氨酸含量均低于对照，其他处理均高于对照。

以上结果说明热激在低离子注入量下对幼苗具有保护作用，而在高离子注入量下则有损害作用。

42 ℃时，3×1016 N+/cm2处理的脯氨酸含量最小，仅有0.26%，与其他高温处理组存在明显差异，这与其电解质渗出率最高结果相一致，说明可能经3×1016 N+/cm2低能氮离子束辐照及高温处理后，其抗寒性反而下降。

2.3 各处理对丙二醛含量的影响
由图3可见，25 ℃处理后，幼苗丙二醛含量随离子束注入量的增加呈上升趋势，且变化区间较大，真空处理达到最小值，5×1016 N+/cm2处理达到最大值；
42 ℃处理后，幼苗丙二醛含量在不同离子束注入量处理下变化不大。

说明在低注入量下高温反而会使丙二醛含量增加，高注入量高温会使丙二醛含量下降；常温（25 ℃）下离子注入量对幼苗丙二醛含量影响较大，而高温后随离子注入量的变化丙二醛含量变化不明显，可能是由于高温热激在一定程度上修复了离子注入对丙二醛含量的影响。

3 讨论
植物受到胁迫后，细胞膜会从液晶状态变为凝胶状态，导致膜结构被破坏，膜的透性会增大电解质外漏，从而电解质渗出率增大[2]，因此电解质渗出率的大小能够粗略地反映植物的抗逆性。

前人已通过研究细胞膜的透性研究了植物的抗寒性、抗旱性以及抗盐碱等，证明膜透性是植物抗逆性的有效指标之一[10]。

本实验中未经离子束处理的对照组表明高温热激可以使细胞膜透性降低，证实了前人所研究的高温热激会提高小麦幼苗的抗寒性。

小麦幼苗在受到离子束及高温胁迫后，细胞膜透性在某些注入量下低于不做任何处理的幼苗，说明离子束及高温胁迫在一定条件下可以提高幼苗的抗寒性。

幼苗经真空高温（42 ℃）、
3×1016 N+/cm2常温（25 ℃p当植物受到胁迫时体内游离脯氨酸含量会发生很大变化。

脯氨酸是植物细胞内渗透调节物质，还能够稳定生物大分子结构、降低细胞酸性、解除氨毒以及作为能量库调节细胞氧化还原势等。

冷胁迫下脯氨酸迅速增加，作为防脱水剂降低水势保护植物[11]，幼苗中游离脯氨酸含量越高说明幼苗的抗寒性越强。

1×1016 N+/cm2高温处理的幼苗脯氨酸含量最高，说明此胁迫有助于提高幼苗的抗逆性。

而丙二醛是细胞膜脂过氧化作用的产物之一，因此丙二醛的增加则意味着植物抗逆性的降低[12]。

5×1016 N+/cm2常温处理下幼苗的丙二醛含量最高，则幼苗抗逆性最低。

本研究中细胞膜的电解质渗出率的变化趋势与脯氨酸及丙二醛的变化并不完全一致，这可能是由于细胞膜的透性与膜脂过氧化和膜脂肪酸以及植物体内各种生理指标相联系，而脯氨酸与丙二醛仅是众多影响因素之一，因此细胞膜的损伤程度并不能完全依赖这二者来判断。

综上所述，离子束辐照与高温热激对幼苗抗寒性的影响随离子注入量的变化有一定的变化，但在某个适合幼苗生长的胁迫下（如真空高温），幼苗的抗寒性高于仅进行高温胁迫的幼苗，此研究为选育具有更强抗寒性能作物提供了新的途径。

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