GA3与ABA对黑穗醋栗二次萌芽总酚含量及代谢酶活性的影响

2019-09-10 07:22员盎然孙小娟马小雯高静谢禛名张妍秦栋霍俊伟
南方农业学报 2019年6期
关键词:亚德酚类叶面

员盎然 孙小娟 马小雯 高静 谢禛名 张妍 秦栋 霍俊伟

摘要:【目的】了解黑穗醋栗发生二次萌芽过程中总酚含量及其合成代谢关键酶活性的变化规律,为揭示黑穗醋栗发生二次萌芽的内在机理及其人工调控提供科学依据。【方法】以易发生二次萌芽的黑穗醋栗品种亚德和不易发生二次萌芽的黑穗醋栗品种布劳德为试材,使用30.0 mg/L赤霉素(GA3)和50.0 mg/L脱落酸(ABA)进行叶面喷施处理,以喷清水为对照(CK1和CK2),利用Folin-酚比色法和酶联免疫分析试剂盒测定各处理黑穗醋栗品种二次萌芽的总酚含量及关键酶活性。【结果】在黑穗醋栗品种亚德和布劳德发生二次萌芽过程中,总酚含量及苯丙氨酸解氨酶(PAL)、查尔酮异构酶(CHI)和肉桂酸-4-羟化酶(C4H)活性降低,多酚氧化酶(PPO)活性升高;经30.0 mg/L GA3处理后亚德和布劳德二次萌芽的总酚含量明显低于CK1和CK2,PAL和CHI活性明显低于CK1和CK2,PPO活性明显高于CK1和CK2,C4H活性总体上低于CK1和CK2;经50.0 mg/L ABA处理后亚德二次萌芽的总酚含量显著高于GA3处理和CK1(P<0.05,下同),经50.0 mg/L ABA处理亚德各测定日期(除8月17日外)的总酚含量均显著高于GA3处理,且明显高于CK2;50.0 mg/L ABA处理的亚德和布劳德PAL活性明显高于GA3处理及CK1和CK2,PPO活性除8月17日外均显著低于GA3处理,且明显低于CK1和CK2,CHI和C4H活性总体上明显高于GA3处理及CK1和CK2。【结论】叶面喷施50.0 mg/L ABA可提高黑穗醋栗品种亚德和布劳德二次萌芽的代谢关键酶PAL、CHI和C4H活性,降低PPO活性,促进总酚合成并抑制其氧化分解,从而抑制黑穗醋栗品种亚德和布劳德发生二次萌芽。

关键词: 黑穗醋栗;二次萌芽;赤霉素(GA3);脱落酸(ABA);酚类物质含量;酶活性

中圖分类号: S663.9                       文献标志码: A 文章编号:2095-1191(2019)06-1263-08

Abstract:【Objective】The aim of the study was to investigate the changes of total phenolic content and anabolic key enzyme activities during the secondary bud burst of black currant,and provide a scientific basis for revealing the internal mechanism and artificial regulation of secondary bud burst. 【Method】The black currant variety Adelinia which was easily to be germinated twice and the black currant variety Brodtrop which was not easily to be germinated twice were used as test materials,and foliar spray treatment with 30.0 mg/L gibberellin(GA3) and 50.0 mg/L abscisic acid(ABA) was set,and water was used as control(CK). Folin-phenol colorimetric assay and enzyme-linked immunosorbent assay kit were used to determine the total phenolic content and its key enzyme activity in secondary bud burst. 【Result】During the se-condary bud burst of the black currant varieties Adelinia and Brodtrop,the total phenolic content decreased gradually,phenylalanine ammonia lyase(PAL),chalcone isomerase(CHI) and cinnamic acid-4-hydroxyl(C4H)activities were decreased,and the activity of polyphenol oxidase(PPO) was increased. The decrease speed of total phenolic content of 30.0 mg/L GA3 treated Adelinia and Brodtrop was  faster than that of CK1 and CK2,respectively. The activities of PAL and CHI were lower than that of CK1 and CK2. PPO activity was higher than CK1 and CK2,C4H activity was lower than CK1 and CK2. The total phenolic content of 50.0 mg/L ABA treated Adelinia secondary bud burst was significantly higher than GA3 treatment and CK1(P<0.05, the same below),and total phenolic content on the date of determination(except Brodtrop on August 17) was significantly higher than that of GA3 treatment, and was also higher than CK2. The PAL activities of 50.0 mg/L ABA treated Adelinia and Brodtrop were higher than GA3 treatment, CK1 and CK2, PPO activity except on August 17 was significantly lower than GA3 treatment, was greatly lower than CK1 and CK2, CHI and C4H activity was higher than GA3 treatment, CK1 and CK2. 【Conclusion】Foliar application of 50.0 mg/L ABA inhibits the activity of key enzymes PAL,CHI and C4H in the secondary bud burst of Adelinia and Brodtrop,promotes PPO activity of key enzymes,promotes total phenol synthesis and inhibits total phenol oxidation,thereby inhibiting the secondary bud burst of Adelinia and Brodtrop.

Key words: black currant(Ribes nigrum L.);secondary sprouting;gibberellin(GA3);abscisic acid(ABA);phenolic content;enzyme activity

0 引言

【研究意义】黑穗醋栗(Ribes nigrum L.)俗称黑加仑,属虎耳草科(Saxifragaceae)茶藨子属(Subgen ribes)植物,果实为紫黑色小果,含有大量糖、有机酸、花青素、矿物质及各种维生素,风味独特且营养丰富(霍俊伟等,2011;胡习祯和徐晓燕,2013;李曙雷,2013;李芳晓,2014),是以富含维生素C而著称的新兴水果之一(Qin et al.,2017b),在亚洲、欧洲和北美洲均有栽培,我国主要集中种植于东北三省及新疆等地(Ghedira et al.,2008;Qin et al.,2012;李芳晓等,2014),南方部分省份也有引种栽培(王瑞等,2016)。黑穗醋栗的叶片可用于制茶,全株经提炼入药可用于预防和治疗贫血、通风及水肿等多种疾病,是整株植株均可开发利用的优良果树品种(杨玉平等,2006;贾丽丽和路金才,2008)。但在实际生产中,黑龙江地区的一些黑穗醋栗品种出现严重的二次萌芽现象(相对于春季萌发,称之为二次萌芽),株丛发生二次萌芽的枝条在90%以上(王欢欢等,2015),使树体营养大量流失,严重影响树体次年的发育,限制了该产业的可持续发展。已有研究表明,外源赤霉素(GA3)可促进甜樱桃萌芽(魏海蓉等,2005a,2015b),而脱落酸(ABA)在一定程度上能抑制黑穗醋栗二次萌芽(秦栋等,2017;张椿浩,2017;张椿浩等,2018),但对其内在机理的研究不够深入。因此,探究黑穗醋栗发生二次萌芽的内在机理,对其人工调控及黑穗醋栗产业的可持续发展具有重要意义。【前人研究进展】魏海蓉等(2005a,2015b)研究发现,外源ABA通过增强甜樱桃PAL活性、降低PPO活性而间接促进酚类物质合成,减缓酚类物质氧化分解速度,从而抑制芽的萌发。王海波等(2006)研究报道,油桃和梨等果树的酚类物质含量及其关键酶活性变化直接影响芽的休眠和萌发进程。Cevallos-Casals和Cisneros-Zevallos(2010)研究认为,植物多酚是次生代谢物的重要组成部分,具有极强的自由基清除能力,也是非常重要的非酶类抗氧化物,参加植物抗逆应答反应,其含量和代谢变化与植物的休眠及萌发密切相关。本课题组前期研究表明,外源GA3在一定程度上可促使黑穗醋栗二次萌芽发生,而ABA可抑制黑穗醋栗二次萌芽发生,且随二次萌芽发生进程的推移,芽内的内源激素及呼吸代谢和细胞超微结构等随之发生变化(秦栋等,2017;张椿浩,2017;Qin et al.,2017a;张椿浩等,2018)。【本研究切入点】目前,关于黑穗醋栗二次萌芽发生过程中总酚含量和关键酶活性变化及外源激素对总酚含量和关键酶活性产生作用的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】测定ABA和GA3处理下2个黑穗醋栗品种发生二次萌芽过程中芽内总酚含量及4种关键酶[(苯丙氨酸解氨酶(PAL)、多酚氧化酶(PPO)、查尔酮异构酶(CHI)、肉桂酸-4-羟化酶(C4H)]活性,为全面揭示黑穗醋栗二次萌芽发生的内在机理提供科学依据,为人工调控黑穗醋栗二次萌芽及促进其产业可持续发展提供技术支持。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

试验于2017年8月在东北农业大学黑穗醋栗资源圃进行,选取生长势一致的黑穗醋栗品种亚德(Adelinia)和布劳德(Brodtrop)各15株为试验用树。其中,亚德为在常规管理下易发生二次萌芽品种,布劳德为在常规管理下不易发生二次萌芽品种。GA3和ABA购自哈尔滨德利福斯试剂公司。

1. 2 试验方法

1. 2. 1 试验设计 参考张椿浩(2017)的方法,配制30.0 mg/L GA3和50.0 mg/L ABA溶液,以清水处理为对照(CK1和CK2),在果实采收后的2017年8月11日开始选择生长势较一致的亚德和布劳德10年生株丛进行喷施处理,连续处理3 d,每个品种分别喷施GA3、ABA和清水各5株,以喷至叶片滴水为止。于2017年8月10日进行第1次采样,此后从处理第1 d算起,每7 d采集1年生枝条的中上部芽1次,每次约采集100个芽,直至完全萌芽,共采样5次(各次采集的黑穗醋栗二次萌芽见图1)。采集的二次萌芽用液氮速冻后带回实验室置于-80 ℃保存,用于测定酚类物质含量和关键酶活性。

1. 2. 2 总酚含量测定 参考秦栋(2009)的方法,利用Folin-酚比色法(略加改进)测定各处理黑穗醋栗芽的总酚含量。

1. 2. 3 酶活性测定 参考李合生(2000)的方法(略加改进)进行PAL提取并测定其活性,参考Kee-nan等(2012)的方法(略加改进)进行PPO活性测定,分别参照植物查尔酮异构酶酶联免疫分析试剂盒和植物肉桂酸-4-羟化酶酶联免疫分析试剂盒(上海酶联生物科技有限公司)说明进行CHI和C4H提取并测定其活性。

1. 3 统计分析

试验数据采用Excel 2003进行整理和绘图,以SPSS 22.0进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2. 1 黑穗醋栗品种二次萌芽的总酚含量变化情况

从图2-A可看出,随测定时间的推移,各处理亚德的总酚含量均呈降低趋势,且在9月7日降至最低值。其中,GA3处理亚德二次萌芽的总酚含量在8月17日—9月7日均低于CK1,但在8月17日和9月7日與CK1差异不显著(P>0.05,下同),在8月24和31日显著低于CK1(P<0.05,下同);ABA处理亚德二次萌芽的总酚含量在8月17日—9月7日均显著高于GA3处理和CK1,其中在9月7日萌芽结束时的总酚含量最低值(5.76 mg/gFW)是GA3处理最低值的2.47倍,是CK1最低值的1.92倍,即ABA处理亚德二次萌芽的总酚含量降速明显慢于GA3处理和CK1,GA3处理则明显快于CK1。说明叶面喷施50.0 mg/L ABA可促进亚德二次萌芽的总酚合成并抑制其分解,而叶面喷施30.0 mg/L GA3会抑制亚德二次萌芽的总酚合成。

从图2-B可看出,各处理布劳德二次萌芽的总酚含量均随测定时间推移而降低,但在8月17日—9月7日的总酚含量均以ABA处理最高,CK2次之,GA3处理始终最低,至9月7日萌芽结束时,ABA处理、CK2和GA3处理的总酚含量分别为6.57、4.05和3.13 mg/gFW。其中,在8月17日三者间的总酚含量无显著差异,在8月24日ABA处理显著高于GA3处理,与CK2差异不显著;在8月31日三者间差异显著;在9月7日ABA处理显著高于GA3处理和CK2,CK2与GA3处理差异不显著,即ABA处理布劳德二次萌芽的总酚含量降速总体上慢于GA3处理和CK2,GA3处理则快于CK2。说明叶面喷施50.0 mg/L ABA可抑制布劳德二次萌芽的总酚分解,而叶面喷施30.0 mg/L GA3会抑制布劳德二次萌芽的总酚合成。

综上所述,叶面喷施30.0 mg/L GA3会促使亚德和布劳德二次萌芽的总酚分解,叶面喷施50.0 mg/L ABA则促进亚德和布劳德二次萌芽的总酚合成。

2. 2 黑穗醋栗二次萌芽的代谢关键酶活性变化特征

2. 2. 1 PAL活性的变化 从图3可看出,各处理亚德和布劳德二次萌芽PAL活性的变化趋势与总酚含量的变化趋势一致,均随测定时间推移而降低,且降速在8月17—24日最快,在9月7日降至最低值。其中,CK1和CK2在8月24日的PAL活性分别为0.82和0.97 ΔOD290/gFW,较其相应的初始PAL活性(分别为2.12和2.10 ΔOD290/gFW)降低61.32%和53.81%,至9月7日萌芽结束时降至最低值(分别为0.45和0.58 ΔOD290/gFW)。说明亚德和布劳德在二次萌芽过程中其PAL活性降低对二次萌芽发生产生一定抑制作用。

从图3-A可看出,在亚德发生二次萌芽过程中,ABA处理二次萌芽的PAL活性在8月17日—9月7日均高于GA3处理和CK1,而GA3处理始终低于CK1。其中,ABA处理二次萌芽的PAL活性在8月17日—9月7日均显著高于GA3处理,在8月17和24日与CK1差异不显著,在8月31日和9月7日显著高于CK1;在9月7日萌芽结束时ABA处理二次萌芽的PAL活性为0.82 ΔOD290/gFW,约是GA3处理(0.45 ΔOD290/gFW)和CK1(0.27 ΔOD290/gFW)的3.04和1.82倍。说明喷施50.00 mg/L ABA可提高亚德的芽内PAL活性,而喷施30.00 mg/L GA3会降低亚德的芽内PAL活性。

从图3-B可看出,各处理布劳德二次萌芽的PAL活性在8月17日无显著差异,在8月24日差异显著,至8月31日时ABA处理显著高于GA3处理和CK2,但GA3处理与CK2差异不显著;在9月7日萌芽结束时GA3处理、CK2和ABA处理的PAL活性分别为0.41、0.58和0.69 ΔOD290/gFW,ABA处理显著高于GA3处理,但二者均与CK2差异不显著。说明喷施50.00 mg/L ABA可提高布劳德的芽内PAL活性,而喷施30.00 mg/L GA3会降低布劳德的芽内PAL活性。

综上所述,叶面喷施30.00 mg/L GA3会降低亚德和布劳德的PAL活性,叶面喷施50.00 mg/L ABA可提高亚德和布劳德的PAL活性。

2. 2. 2 PPO活性的变化 从图4可看出,随测定时间的推移,各处理亚德和布劳德二次萌芽的PPO活性总体上呈升高变化趋势,并在9月7日升至最高值,与总酚含量的变化趋势相反。其中,各处理二次萌芽PPO活性的升速在8月17—24日最快;CK1和CK2二次萌芽的PPO活性在9月7日萌芽结束时升至最高值(分别为19.34和18.02 ΔOD460/gFW),分别为亚德初始PPO活性(8.34 ΔOD460/gFW)的2.32倍、布劳德初始PPO活性(5.21 ΔOD460/gFW)的3.46倍。说明亚德和布劳德在发生二次萌芽过程中其芽内PPO活性的提高对二次萌芽发生产生一定促进作用。

从图4-A可看出,GA3处理亚德二次萌芽的PPO活性在8月17日—9月7日均高于ABA处理和CK1。GA3处理亚德二次萌芽的PPO活性在8月17日—9月7日与CK1无显著差异;ABA处理的PPO活性在8月17日高于CK1,低于GA3处理,但差异均不显著,而在8月24日—9月7日低于CK1,且在8月31日和9月7日显著低于CK1,在8月24日—9月7日均显著低于GA3处理;至9月7日萌芽结束时ABA处理的PPO活性为16.67 ΔOD460/gFW,分别较GA3处理(19.90 ΔOD460/gFW)和CK1(19.34 ΔOD460/gFW)低16.23%和13.81%。说明喷施50.00 mg/L ABA可降低亚德的芽内PPO活性,而喷施30.00 mg/L GA3会提高亚德的芽内PPO活性。

从图4-B可看出,GA3处理布劳德二次萌芽的PPO活性均高于CK2和ABA处理。8月24日—9月7日GA3处理布劳德二次萌芽的PPO活性均显著高于ABA处理,但与CK2无显著差异,ABA处理与CK2也无显著差异;至9月7日萌芽结束时ABA处理的PPO活性为16.23 ΔOD460/gFW,分别较GA3处理(19.01 ΔOD460/gFW)和CK2(18.02 ΔOD460/gFW)低14.62%和9.93%。说明喷施50.00 mg/L ABA可降低布劳德的芽内PPO活性,而喷施30.00 mg/L GA3会提高布劳德的芽内PPO活性。

综上所述,叶面喷施30.00 mg/L GA3會提高亚德和布劳德的芽内PPO活性,喷施50.00 mg/L ABA则降低亚德和布劳德的芽内PPO活性。

2. 2. 3 CHI活性的变化 从图5可看出,各处理二次萌芽的CHI活性随萌芽进程的推移总体上呈降低趋势,与总酚含量的变化规律基本一致,并在9月7日降至最低值。其中,CK1和CK2在9月7日的CHI活性分别为0.54和0.61 U/mgFW,分别较亚德初始CHI活性(2.32 U/mgFW)和布劳德初始CHI活性(2.08 U/mgFW)低76.72%和70.67%。说明亚德和布劳德在发生二次萌芽过程中芽内CHI活性的降低对其二次萌芽的发生具有一定抑制作用。

从图5-A可看出,GA3处理亚德二次萌芽的CHI活性在8月17日—9月7日均低于ABA处理和CK1,而ABA处理亚德二次萌芽的CHI活性在8月17日低于CK1,在8月24日—9月7日均高于CK1。其中,ABA处理亚德二次萌芽的CHI活性在8月17日和9月7日与GA3处理和CK1无显著差异;在8月24和31日显著高于GA3处理,但与CK1差异不显著;至9月7日萌芽结束时,ABA处理的CHI活性为0.77 U/mgFW,稍高于GA3处理(0.53 U/mgFW)和CK1(0.54 U/mgFW)。说明喷施30.00 mg/L GA3会降低亚德二次萌芽的CHI活性,而喷施50.00 mg/L ABA总体上可提高亚德二次萌芽的CHI活性。

从图5-B可看出,ABA处理布劳德二次萌芽的CHI活性在8月17和24日低于CK2,但高于GA3处理,差异不显著;在8月31日ABA处理布劳德二次萌芽的CHI活性高于CK2,且显著高于GA3处理;至9月7日萌芽结束时ABA处理的CHI活性为0.76 U/mgFW,明显高于CK2的0.61 U/mgFW,显著高于GA3处理的0.43 U/mgFW。说明喷施30.00 mg/L会促使布劳德二次萌芽的CHI活性降低,而喷施50.00 mg/L ABA总体上可提高布劳德二次萌芽的CHI活性。

综上所述,喷施30.00 mg/L GA3会促使亚德和布劳德的芽内CHI活性降低,喷施50.00 mg/L ABA可提高亚德和布劳德的芽内CHI活性。

2. 2. 4 C4H活性的变化 从图6可看出,各处理二次萌芽的C4H活性均随萌芽进程的推移均呈降低趋势,并在9月7日降至最低值。其中,CK1和CK2在9月7日的C4H活性分别为0.04和0.06 U/mgFW,分别比CK1初始C4H活性(1.12 U/mgFW)和CK2初始C4H活性(1.11 U/mgFW)降低96.43%和94.59%。说明亚德和布劳德在发生二次萌芽过程中芽内C4H活性的降低对其二次萌芽的发生具有一定抑制作用。

从图6-A可看出,ABA处理亚德二次萌芽的C4H活性在8月17日—9月7日均高于GA3处理和CK1,CK1的C4H活性总体上也高于GA3处理。其中,ABA处理的C4H活性在8月17日显著高于GA3处理和CK1,但GA3处理与CK1差异不显著;ABA处理的C4H活性在8月24日与CK1差异不显著,但显著高于GA3处理;ABA处理的C4H活性在8月31日和9月7日与GA3处理和CK1无显著差异;至9月7日萌芽结束时ABA处理的C4H活性为0.05 U/mgFW,与GA3处理和CK1的C4H活性(均约为0.04 U/mgFW)相近。说明喷施30.00 mg/L GA3对亚德二次萌芽C4H活性降低无明显影响,而喷施50.00 mg/L ABA对提高亚德二次萌芽的C4H活性具有一定促进作用。

从图6-B可看出,ABA和GA3处理对布劳德二次萌芽C4H活性的影响效果与对亚德较相似,说明喷施30.00 mg/L GA3对布劳德二次萌芽C4H活性降低无明显影响,而喷施50.00 mg/L ABA对提高布劳德二次萌芽的C4H活性具有一定促进作用。

综上所述,喷施30.00 mg/L GA3对亚德和布劳德二次萌芽C4H活性变化的影响不明显,而喷施50.00 mg/L ABA可在一定程度上提高亚德和布劳德二次萌芽的芽内C4H活性。

3 讨论

黑穗醋栗是第三代果树的优秀代表,具有极好的发展前景,但生产中亟待解决其发生二次萌芽问题(王欢欢等,2015),而且目前对其二次萌芽的酚类物质代谢特征与发生二次萌芽关系的了解甚少,因此,需全面揭示其发生二次萌芽的机理以促进黑穗醋粟产业的可持续发展。

本研究结果表明,易发生二次萌芽的亚德和不易发生二次萌芽的布劳德在发生二次萌芽过程中其芽内的总酚含量均随芽萌发时间推移而降低,并在萌芽结束时降至最低值,表明酚类物质在黑穗醋栗发生二次萌芽过程中对二次萌芽产生一定程度的抑制作用,与Benkeblia(2003)对洋葱、魏海蓉等(2006)对甜樱桃、毕磊(2009)对梨的研究结果相似。

植物体内酚类物质的主要合成途径包括类黄酮途径、生物碱生物合成途径和异戊二烯代谢途径,其中以类黄酮途径为主(Wojdylo et al.,2008),且在主要代谢酶如PAL、C4H和CHI等的作用下合成(Grotewold,2006;马君兰等,2007;李雪等,2016),在PPO等的作用下氧化分解(代丽等,2007)。本研究结果表明,随黑穗醋栗二次萌芽的发生,休眠被打破,总酚含量降低,PAL、CHI和C4H活性随之降低,而PPO活性升高,与王海波(2006)对油桃、刘芳(2014)对百合的研究结果一致。可见,通过调控PAL、PPO、CHI和C4H等的活性可控制酚类物质含量,进而控制植物芽的休眠或解除进程。

魏海蓉等(2005b)研究表明,外源ABA可增强甜樱桃PAL活性,降低PPO活性,间接促进酚类物质合成,减缓酚类物质氧化分解速度,从而抑制芽的萌发,外源GA3的作用却与之相反。本研究中,叶面喷施30.00 mg/L GA3后,黑穗醋栗品种亚德和布劳德二次萌芽的PPO活性升高,PAL和CHI活性降低,总酚合成减少;而喷施50.00 mg/L ABA后,黑穗醋栗品种亚德和布劳德二次萌芽的PPO活性降低,PAL和CHI活性升高,从而加快总酚合成,减缓总酚氧化分解速度,与魏海蓉等(2005b)的研究结果相似,与Qin等(2017a)的研究结果也吻合。本研究僅探究GA3和ABA对易发生二次萌芽品种亚德和不易发生二次萌芽品种布劳德二次萌芽总酚含量变化的影响,针对单种酚类物质含量变化与二次萌芽的关系还需进一步探究证实。

4 结论

酚类是影响黑穗醋栗发生二次萌芽的物质,叶面喷施30.0 mg/L GA3可降低易发生二次萌芽黑穗醋栗品种亚德和不易发生二次萌芽品种布劳德二次萌芽的PAL、CHI和C4H活性,提高PPO活性,抑制总酚合成,从而促使亚德和布劳德发生二次萌芽;而叶面喷施50.0 mg/L ABA可提高亚德和布劳德二次萌芽的PAL、CHI和C4H活性,降低PPO活性,促进总酚合成并抑制其氧化分解,从而抑制亚德和布劳德发生二次萌芽。

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(责任编辑 思利华)

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