茉莉酸对低温胁迫水稻幼苗的生理效应

蔡克桐+沈其文+黄志谋+耿协议

摘要：茉莉酸（JA）是一种广泛存在于高等植物中的生长调节物质，作为内源信号分子参与低温冷害、高温胁迫、盐胁迫、水分胁迫、病虫害以及机械伤害胁迫等抗逆反应。选用抗冷性存在明显差异的两个水稻（Oryza sativa L.）品种日本晴和IR50作为材料，通过设置对照（未经低温处理）、低温、低温+茉莉酸（JA）3种处理，研究茉莉酸对水稻幼苗的抗冷生理效应。结果表明，添加茉莉酸溶液在一定程度上能减缓低温胁迫对水稻幼苗造成的伤害，有效地提高抗冷性，但这种缓解效应在不同水稻品种间存在一定差异。

关键词：茉莉酸（JA）；低温胁迫；水稻（Oryza sativa L.）；生理效应

中图分类号：S4；S511 文章标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）15-3512-04

Physiological Effects of Jasmonate （JA） on Rice Seedlings under Low Temperature

CAI Ke-tong，SHEN Qi-wen，HUANG Zhi-mou，GENG Xie-yi

（Xianning Academy of Agricultural Sciences， Xianning 437100， Hubei， China）

Abstract： Jasmonic acid（JA） is one the important growth regulators widespread in higher plants， and involved in stresses such as low temperature， salt， water， pests and diseases， and mechanical injury， etc as endogenous signaling molecules. Two rice（Oryza sativa L.） varieties Nipponbare （resistant to low temperature） and IR50（sensitive to low temperature） were treated with the control （before treatment），low-temperature， low temperature plus jasmonic acid（JA）， to study the effects of jasmonic acid on low temperature resistance of rice seedlings. The results showed that jasmonic acid solution can slow down the damage of rice seedling under on low temperature stress to some extent and effectively improve the cold resistance. The effect differred in different rice varieties.

Key words： Jasmonic acid（JA）； low temperature stress； rice（Oryza sativa L.）； physiological effect

收稿日期：2014-02-19

作者简介： 蔡克桐（1983-），男，湖北阳新人，农艺师，硕士，主要从事水稻逆境生理学方面的研究，（电话）15272712243（电子信箱）

sinly11@126.com。

水稻（Oryza sativa L.）是中国第一大粮食作物，对温度变化较敏感。在中国南方地区，双季稻区和高海拔山区早春低温和连续阴雨（倒春寒）是造成籼稻烂秧的主要原因。同时，长江流域秋季迟熟中稻或双季晚稻抽穗扬花期低温冷害（寒露风）也会导致减产。北方地区水稻的整个生长期都可能遇到低温冷害。因此，我国每年预计损失的水稻产量可达50亿～100亿kg[1]。

茉莉酸（JA）是一种广泛存在于高等植物体内的新型植物生长调节物质，在植物生长发育、光合特性、抗逆反应等方面起着重要的调节作用[2]。茉莉酸（JA）作为一种信号物质参与低温冷害、高温胁迫、盐胁迫、水分胁迫、病虫害以及机械伤害胁迫等抗逆反应。同时茉莉酸类物质能抑制植物生长，抑制种子和花粉粒萌发，促进叶片和果实衰老，加速细胞分裂和膨大，促进气孔关闭，诱导禾本科植物的颖花开放[3，4]，此外还能调节植物多种保护酶的活性。在植物受到逆境伤害时，植物体内茉莉酸及其衍生物的含量显著增加，进而诱导与抗逆有关的基因表达，如蛋白酶抑制剂和苯丙氨酸转氨酶等，提高酯氧合酶活性，从而增强植物的抗性。本研究以耐低温品种日本晴和低温敏感品种IR50的水稻幼苗为试验材料，设置对照（未经低温处理）、低温处理、低温+20 μmol/L茉莉酸3种处理方式，经处理的水稻幼苗生长2 d后测定其相关生理指标变化情况，从而为水稻作物的耐冷、稳产提供理论依据和实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

耐低温水稻品种日本晴和低温敏感水稻品种IR50，茉莉酸（JA）购自Sigma公司。

1.2 试验设计及处理

挑选日晒2 d后谷粒饱满有光泽的水稻种子，洗净后98%乙醇消毒30 min，置于38 ℃恒温箱中24 h，30 ℃恒温箱催芽24 h后水培盆中播种，置于光照强度为4 000 lx的人工智能培养箱内生长至三叶一心，进行如下处理：①未经低温处理三叶一心期；②（4±1） ℃低温处理2 d；③（4±1） ℃低温处理的同时添加2.0 μmol/L的茉莉酸溶液生长2 d。每个处理设3个重复，选取充分展开的第2、3水稻叶片为试验材料。

1.3 生理生化指标测定方法

1.3.1 相对电导率的测定 相对电导率的测定方法参照文献[5]，略有改动。将水稻新鲜叶片剪成小片置于已用去离子水冲洗过的小烧杯中，用去离子水冲洗6次，滤纸吸干表面水分，用电子天平精确称量0.3 g叶片，放置于已用去离子水洗过的大离心管中。加入去离子水5 mL，放入摇床（25 ℃，150 r/min）振荡4 h，取出后静置30 min，测得电导率X2（进行同样振荡及静置处理但未加水稻叶片的去离子水电导率为X1）。随后将样品置于-20 ℃冰箱中冷冻24 h以上，取出振荡5 h，静置30 min，测得电导率为X4（进行同样冷冻、振荡及静置处理但未加水稻叶片的去离子水电导率为X3） ，采用下列公式计算相对电导率：相对电导率=（X2-X1）/（X4-X3）×100%。

1.3.2 丙二醛（MDA）的测定 丙二醛（MDA）测定采用TCA-TBA法，参考文献[6]，略有改动。

1.3.3 可溶性蛋白质含量的测定 参照文献[5]采用考马斯亮蓝G-250染色法进行可溶性蛋白质含量的测定。

1.3.4 脯氨酸（Pro）含量的测定 脯氨酸（Pro）含量的测定方法参照文献[5]。

1.3.5 过氧化物酶（POD）活性的测定 POD活性测定方法参照文献[7]， 酶的活性以U/（mg·鲜重）表示。

1.3.6 超氧化物歧化酶（SOD）活性的测定 参照文献[6]采用NBT光还原法测定SOD活性，以NBT光还原50%为一个酶活力单位，酶的活性以U/mg表示。

1.3.7 过氧化氢酶（CAT）活性的测定 参照文献[8]采用Aebi的方法测定CAT活性，以每分钟催化分解1 mg分子底物的酶量为一个单位，酶的活性以mg/g·min表示。

1.4 数据分析

数据采用DPS 7.05数理统计软件进行Duncan新复极差显著性检验和Excel 2003软件作图。

2 结果与分析

2.1 低温处理条件下茉莉酸（JA）对水稻幼苗叶片相对电导率的影响

植物细胞膜对维持细胞微环境和正常的生理代谢起着重要的作用。在正常情况下，细胞膜对物质具有选择透性能力。当植物受到低温危害时，细胞膜遭到破坏，透性增大，使细胞内的电解质外泄，导致植物细胞浸提液的电导率增大。

由图1可见，对照组的日本晴与IR50的相对电导率相差无几，低温处理水稻幼苗2 d后，日本晴和IR50相对电导率分别为40.7%和45.3%，与对照组相比差异均达显著水平，用2.0 μmol/L的茉莉酸（JA）处理水稻幼苗2 d后，日本晴和IR50水稻幼苗的相对电导率分别比低温胁迫降低20.6%和10.2%，日本晴的降低幅度比IR50的降低幅度高，且与未加JA的低温处理相比差异均达显著水平，说明日本晴有很好的耐冷特性。

2.2 低温处理条件下茉莉酸（JA）对水稻幼苗叶片中MDA含量的影响

细胞膜脂质过氧化是评价细胞膜结构被破坏程度的常用指标[9]，其能与蛋白质的氨基或核酸反应生成shiff碱。MDA的积累可加剧细胞膜脂质过氧化的进程，对膜和细胞造成进一步的伤害，因此，常用MDA来表示细胞膜脂质过氧化的程度。

由图2可见，日本晴和IR50两品种经过4 ℃低温处理后，MDA的含量均显著增加，分别比对照增加151.9%和171.6%，经低温+JA处理2 d后，两品种MDA含量均明显降低，日本晴的MDA含量下降18.5%，与低温胁迫相比差异达显著水平。IR50的MDA含量下降9.3%。说明IR50的细胞膜脂质过氧化程度比日本晴高。

2.3 低温处理条件下茉莉酸（JA）对水稻幼苗叶片中可溶性蛋白质含量的影响

可溶性蛋白质是渗透性调节物质之一，植物通过诱导产生大量可溶性蛋白质以抵御低温等外界环境的胁迫。由图3可见，低温处理水稻幼苗2 d后，两品种的可溶性蛋白质含量均有明显增加，与处理前相比差异均达到显著水平，且IR50可溶性蛋白质增加值比日本晴高1.8 mg/g，低温+JA处理2 d后，日本晴可溶性蛋白质含量显著下降，IR50可溶性蛋白质含量下降1.1 mg/g。由此可知，茉莉酸处理能降低水稻叶片中可溶性蛋白质含量，减缓持续低温胁迫对水稻幼苗的危害。

2.4 低温处理条件下茉莉酸（JA）对水稻幼苗叶片中Pro含量的影响

Pro亲水性极强，能稳定原生质胶体及组织内的代谢过程，因而能降低冰点，提高植物的抗寒性。由图4可见，经过低温处理水稻幼苗2 d后，日本晴和IR50的Pro含量显著增加，分别比对照增加82.8%和100.1%。经过低温+JA处理后，日本晴和IR50的Pro含量均明显降低，分别比低温处理降低15.9%和8.2%，差异均达到显著水平。

2.5 低温处理条件下茉莉酸（JA）对水稻幼苗叶片POD活性的影响

由图5可见，经过低温处理后，日本晴的POD活性由30.1 U/mg上升至83.47 U/mg，IR50的POD活性由31.1 U/mg上升至90.93 U/mg。经过低温+JA处理后，日本晴和IR50的POD活性均明显降低，分别比低温处理时降低38.9%和23.9%。说明茉莉酸处理能降低低温胁迫对水稻幼苗叶片POD活性的影响。

2.6 低温处理条件下茉莉酸（JA）对水稻幼苗CAT活性的影响

由图6可见，经低温处理后，IR50的CAT活性快速上升，日本晴和IR50的CAT活性均显著上升，分别达到31.8、38.5 mg/（g·mim）。低温+JA处理后，日本晴与IR50的CAT活性均显著下降，分别下降33.8%、35.8%，日本晴CAT活性下降值低于IR50。

2.7 低温处理条件下茉莉酸（JA）对水稻幼苗叶片SOD活性的影响

由图7可见，日本晴的SOD活性整个变化过程呈先升后降的趋势，且每次变化值均达到显著水平。IR50的SOD活性也呈先升后降的趋势，低温处理时其值为18.2 U/mg，加入茉莉酸后缓慢下降2.8%，下降幅度未达到显著水平。

3 讨论

茉莉酸和茉莉酸甲酯等是植物生长激素物质，在植物逆境条件下传导逆境信号启动抗逆基因，提高植物的抗逆防御能力。现有研究普遍认为，在低温胁迫条件下细胞膜的完整性和稳定性是影响植物抗冷性的重要因素之一[10]。因此，溶质的相对电渗率被用来表示植物受冷害的程度，而细胞膜受冷害的程度可以通过电导率仪测定其外渗溶质来确定[11]。本研究结果表明，低温处理后两个水稻品种的相对电导率、MDA含量均显著上升，其中抗冷性差的品种上升幅度更大，经JA处理后显著降低了抗冷性较强的水稻品种日本晴的相对电导率和MDA的含量，从而改善植株细胞质的泄露，缓解水稻品种的的抗冷性，对抗冷性差的品种IR50的影响程度则小于日本晴。在香蕉[12]、小麦[13]等作物中，茉莉酸及茉莉酸甲酯也被证实具有缓解低温胁迫的效果。

低温胁迫不仅导致植株细胞膜及其内部结构的破坏，还产生活性氧（AOS），作为清除活性氧类的主要酶类如SOD、CAT、POD等能减轻或消除氧自由基对植物生长发育的不良影响[14]。水稻低温胁迫试验结果表明，（4±1） ℃低温胁迫下植物体内各种保护酶活性均呈上升趋势。本研究结果表明，与对照组相比，经低温处理后的两个水稻品种幼苗叶片的SOD、CAT、POD的活性均大幅度增加，而低温+茉莉酸处理后，SOD、CAT、POD的活性则比单独低温处理显著降低。这说明经茉莉酸处理后缓解了低温胁迫的压力，活性氧自由基对质膜的伤害和膜脂过氧化作用降低，相应的抗氧化酶的积累也相对降低。

渗透调节是植物适应干旱逆境的重要生理机制，渗透调节的相溶性物质主要有Pro和可溶性蛋白质等[15]。在低温胁迫发生后，作物体内会积累一些小分子渗透调节物质，这些物质的积累会产生抵抗低温胁迫的作用。本研究表明，对于抗冷性不同的水稻品种，低温胁迫下叶片Pro和可溶性蛋白质含量均显著升高；经低温+茉莉酸处理后，由于植物细胞质膜得到了改善，因此有机渗透调节物质均有不同程度的下降。

总而言之，本研究初步证实了水稻幼苗在低温胁迫条件下，经一定浓度的茉莉酸处理能在一定程度上减轻低温造成的伤害，提高了水稻幼苗的抗冷性，但关于茉莉酸及茉莉酸甲酯诱导水稻抗冷性的分子机理仍需要进一步研究。

参考文献

[1] 赵正武，李仕贵，黄文章，等. 水稻不同低温敏感期的耐冷性研究进展及前景[J].西南农业学报， 2006，19（2）：330-334.

[2] 蔡昆争，董桃杏，徐 涛.茉莉酸类物质（JAs）的生理特性及其在逆境胁迫中的抗性作用[J].生态环境，2006，15（2）：397-404.

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[12] 冯 斗，禤维言，黄政树，等.茉莉酸甲酯对低温胁迫下香蕉幼苗的生理效应[J].果树学报，2009，26（3）：290-393.

[13] 齐付国，李建明，段留生，等.冠菌素和茉莉酸甲酯诱导小麦幼苗低温抗性的研究[J].西北植物学报，2006，26（9）：1776-1780.

[14] 邵从本，罗广华，王爱国.几种检测超氧物歧化酶活性反应的比较[J].植物生理学通讯， 1983（5）： 46-49.

[15] CABUSLAY G S， ITO O， ALEJAR A A. Physiological evaluation of responses of rice （Oryza sativa L.） to water deficit[J]. Plant Science， 2002，163： 815-827.

由图7可见，日本晴的SOD活性整个变化过程呈先升后降的趋势，且每次变化值均达到显著水平。IR50的SOD活性也呈先升后降的趋势，低温处理时其值为18.2 U/mg，加入茉莉酸后缓慢下降2.8%，下降幅度未达到显著水平。

3 讨论

茉莉酸和茉莉酸甲酯等是植物生长激素物质，在植物逆境条件下传导逆境信号启动抗逆基因，提高植物的抗逆防御能力。现有研究普遍认为，在低温胁迫条件下细胞膜的完整性和稳定性是影响植物抗冷性的重要因素之一[10]。因此，溶质的相对电渗率被用来表示植物受冷害的程度，而细胞膜受冷害的程度可以通过电导率仪测定其外渗溶质来确定[11]。本研究结果表明，低温处理后两个水稻品种的相对电导率、MDA含量均显著上升，其中抗冷性差的品种上升幅度更大，经JA处理后显著降低了抗冷性较强的水稻品种日本晴的相对电导率和MDA的含量，从而改善植株细胞质的泄露，缓解水稻品种的的抗冷性，对抗冷性差的品种IR50的影响程度则小于日本晴。在香蕉[12]、小麦[13]等作物中，茉莉酸及茉莉酸甲酯也被证实具有缓解低温胁迫的效果。

低温胁迫不仅导致植株细胞膜及其内部结构的破坏，还产生活性氧（AOS），作为清除活性氧类的主要酶类如SOD、CAT、POD等能减轻或消除氧自由基对植物生长发育的不良影响[14]。水稻低温胁迫试验结果表明，（4±1） ℃低温胁迫下植物体内各种保护酶活性均呈上升趋势。本研究结果表明，与对照组相比，经低温处理后的两个水稻品种幼苗叶片的SOD、CAT、POD的活性均大幅度增加，而低温+茉莉酸处理后，SOD、CAT、POD的活性则比单独低温处理显著降低。这说明经茉莉酸处理后缓解了低温胁迫的压力，活性氧自由基对质膜的伤害和膜脂过氧化作用降低，相应的抗氧化酶的积累也相对降低。

渗透调节是植物适应干旱逆境的重要生理机制，渗透调节的相溶性物质主要有Pro和可溶性蛋白质等[15]。在低温胁迫发生后，作物体内会积累一些小分子渗透调节物质，这些物质的积累会产生抵抗低温胁迫的作用。本研究表明，对于抗冷性不同的水稻品种，低温胁迫下叶片Pro和可溶性蛋白质含量均显著升高；经低温+茉莉酸处理后，由于植物细胞质膜得到了改善，因此有机渗透调节物质均有不同程度的下降。

总而言之，本研究初步证实了水稻幼苗在低温胁迫条件下，经一定浓度的茉莉酸处理能在一定程度上减轻低温造成的伤害，提高了水稻幼苗的抗冷性，但关于茉莉酸及茉莉酸甲酯诱导水稻抗冷性的分子机理仍需要进一步研究。

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由图7可见，日本晴的SOD活性整个变化过程呈先升后降的趋势，且每次变化值均达到显著水平。IR50的SOD活性也呈先升后降的趋势，低温处理时其值为18.2 U/mg，加入茉莉酸后缓慢下降2.8%，下降幅度未达到显著水平。

3 讨论

茉莉酸和茉莉酸甲酯等是植物生长激素物质，在植物逆境条件下传导逆境信号启动抗逆基因，提高植物的抗逆防御能力。现有研究普遍认为，在低温胁迫条件下细胞膜的完整性和稳定性是影响植物抗冷性的重要因素之一[10]。因此，溶质的相对电渗率被用来表示植物受冷害的程度，而细胞膜受冷害的程度可以通过电导率仪测定其外渗溶质来确定[11]。本研究结果表明，低温处理后两个水稻品种的相对电导率、MDA含量均显著上升，其中抗冷性差的品种上升幅度更大，经JA处理后显著降低了抗冷性较强的水稻品种日本晴的相对电导率和MDA的含量，从而改善植株细胞质的泄露，缓解水稻品种的的抗冷性，对抗冷性差的品种IR50的影响程度则小于日本晴。在香蕉[12]、小麦[13]等作物中，茉莉酸及茉莉酸甲酯也被证实具有缓解低温胁迫的效果。

低温胁迫不仅导致植株细胞膜及其内部结构的破坏，还产生活性氧（AOS），作为清除活性氧类的主要酶类如SOD、CAT、POD等能减轻或消除氧自由基对植物生长发育的不良影响[14]。水稻低温胁迫试验结果表明，（4±1） ℃低温胁迫下植物体内各种保护酶活性均呈上升趋势。本研究结果表明，与对照组相比，经低温处理后的两个水稻品种幼苗叶片的SOD、CAT、POD的活性均大幅度增加，而低温+茉莉酸处理后，SOD、CAT、POD的活性则比单独低温处理显著降低。这说明经茉莉酸处理后缓解了低温胁迫的压力，活性氧自由基对质膜的伤害和膜脂过氧化作用降低，相应的抗氧化酶的积累也相对降低。

渗透调节是植物适应干旱逆境的重要生理机制，渗透调节的相溶性物质主要有Pro和可溶性蛋白质等[15]。在低温胁迫发生后，作物体内会积累一些小分子渗透调节物质，这些物质的积累会产生抵抗低温胁迫的作用。本研究表明，对于抗冷性不同的水稻品种，低温胁迫下叶片Pro和可溶性蛋白质含量均显著升高；经低温+茉莉酸处理后，由于植物细胞质膜得到了改善，因此有机渗透调节物质均有不同程度的下降。

总而言之，本研究初步证实了水稻幼苗在低温胁迫条件下，经一定浓度的茉莉酸处理能在一定程度上减轻低温造成的伤害，提高了水稻幼苗的抗冷性，但关于茉莉酸及茉莉酸甲酯诱导水稻抗冷性的分子机理仍需要进一步研究。

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