壳寡糖对冬小麦幼苗抗冷性的影响

Effect of chito-oligosaccharide on cold resistance of winter wheat

摘要

目的 探究壳寡糖对冬小麦幼苗低温胁迫的缓解机制及最适浓度。 方法 以盆栽土培法培养冬小麦（东农冬麦1号和济麦22），利用光照培养箱设置低温环境对两种小麦进行低温胁迫，以去离子水为对照，研究了3个浓度（50、100、150 mg/mL）壳寡糖对小麦生长状况、MDA含量、抗氧化酶活性以及渗透调节物质的影响。 结果 低温胁迫下喷施壳寡糖溶液对东农冬麦1号和济麦22幼苗生长均有促进作用，以100 mg/L壳寡糖效果最明显；与对照相比，喷施50、100 mg/L壳寡糖后东农冬麦1号MDA含量显著降低，分别降低了28.69%和39.06%，济麦22无显著变化；不同浓度的壳寡糖使两种冬小麦的抗氧化酶活性和渗透调节物质含量提高，以喷施100 ml/L壳寡糖效果最好，与对照相比东农冬麦1号和济麦22的SOD活性分别增加了114.56%、102.37%，POD活性增加了39.89%和37.90%，CAT活性增加了84.93%和68.74%，可溶性糖含量增加了142.10%和134.21%，可溶性蛋白增加了11.16%和4.95%，脯氨酸含量增加了457.53%和503.20%。 结论 壳寡糖提高冬小麦抗冷性的最佳喷施浓度为100 mg/L。低温胁迫下喷施适宜浓度的壳寡糖能促进冬小麦幼苗生长，冬小麦通过降低膜脂过氧化程度，提高抗氧化酶活性以及渗透调节物质来增强抗寒能力，且对抗寒性强的东农冬麦1号效果更好。

Abstract

Objective To explore the mitigation mechanism and optimal concentration of Chito-oligosaccharide on winter wheat seedlings under low temperature stress. Method The cultivars of Dongnong dongmai 1 and Jimai 22 were subjected to low temperature stress in polt soil by light incubator.To explore the effects of different concentrations of chito-oligosaccharide solution（50 mg/L、100 mg/L、150 mg/mL）on the growth，MDA contents，antioxidant enzyme activity and osmosis-regulating substances contents of winter wheat. Result The results showed that spraying 3 concentrations of chito-oligosaccharide could promote growth of Dongnong dongmai 1 and Jimai 22 seedlings under low temperature stress and the growth increased significantly of 100 mg/L chito-oligosaccharide.Foliar-spraying 100 mg/L chito-oligosaccharide significantly decreased the MDA content of Dongnong dongmai under low temperature stress and the MDA content of Dongnong dongmai decreased by 39.06%，the MDA content of Jimai 22 decreased without significant change.Spraying 3 concentrations of chito-oligosaccharide could promote antioxidant enzyme activity and osmosis-regulating substances contents of two cultivars winter wheat under low temperature stress.100 mg/L chito-oligosaccharide has the best effect，the SOD activity of Dongnong dongmai 1 and Jimai 22 increased by 114.56%、102.37%，the POD activity increased by 39.89%、37.90%，the CAT activity increased by 84.93%、68.74%，the soluble sugar increased by142.10%、134.21%，the soluble protein increased by11.16%、4.95% and proline contents increased by 457.53%、 503.20%. Conclusion The best spraying concentration of chito-oligosaccharide is 100 mg/L.The appropriate spraying concentration of chito-oligosaccharide solution could enhance Dongnong dongmai 1 and Jimai 22 resistance to low temperature stress by promoting growth，decreasing membrane lipid peroxidation，iproving the antioxidant enzyme activity and osmosis-regulating substances contents.And chito-oligosaccharide had better effect on Dongnong dongmai 1 with strong cold resistance.

Graphical abstract

关键词

壳寡糖 / 冬小麦 / 抗冷性

Key words

chito-oligosaccharide / wheat / cold resistance

小麦（Triticum aestivum）为禾本科植物，是世界三大粮食作物之一，占世界谷物种植总面积的30%。小麦是我国重要的粮食作物、主要的商品粮和战略储备粮^［1］，而冬小麦是我国主要种植品种，占我国小麦种植面积的84%~90%。在越冬过程中，冬小麦易受低温冻害影响^［2］，低温胁迫可使冬小麦叶面积减小，膜系统损伤，甚至导致植株死亡，造成小麦严重减产^［3］。因此对冬小麦低温胁迫的适应能力和抵抗能力的研究具有重要意义。

壳寡糖是由2~10个氨基葡萄糖通过β-1，4糖苷键连接而成的寡聚糖，是天然糖中唯一仅存的碱性阳离子低聚糖。据研究报道，壳寡糖能提高植物防卫能力^［4］、抗病毒能力^［5］，增强植物抗寒、抗旱以及抗盐能力^［6-8］。如田路^［9］研究发现，100 mg/L壳寡糖处理可提高贵州六盘水花椒幼苗的抗寒性；郑典元等^［10］研究表明，壳寡糖处理能够促进水稻幼苗的生长，减轻低温对质膜的伤害，并提高CAT活性。壳寡糖可以减少低温胁迫下小麦叶片的损伤面积，减少低温对小麦产量造成的损失^［6］，但低温条件下，壳寡糖对冬小麦幼苗的生长情况是否有影响，以及壳寡糖是否可以提高冬小麦的抗冷性还有待进一步探讨。因此，本试验采用盆栽土培法，探讨喷施不同浓度壳寡糖溶液对低温胁迫下冬小麦幼苗生长、膜脂过氧化水平、抗氧化酶活性以及渗透调节物质含量的影响，旨在揭示壳寡糖对冬小麦低温胁迫的缓解机制，为壳寡糖调控植物抗冷性的研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为强寒性冬小麦东农冬麦1号（可在黑龙江省高寒地区越冬）和弱寒性品种济麦22（可在山东省越冬），试验在齐齐哈尔大学生命科学与农林学院植物代谢生理实验室进行。

1.2 试验设计

试验采用盆栽法进行破坏性试验，盆的直径为10 cm，高为10 cm。将用去离子水浸泡生长良好的发芽种子移至盆中，每盆4~5粒种子，栽培时保持浇水相同。每个品种小麦分为4组，每组15盆每盆5粒种子，对照组使用去离子水浇灌，试验组使用50、100、150 mg/L壳寡糖溶液浇灌，生长到两叶一心时移至恒温培养箱（白天10 ℃、夜晚5 ℃）进行模拟低温处理，两周后采集样本进行各项指标的测定。

1.3 测定方法

1.3.1 小麦幼苗株高与根长的测量

取10株长势一致的幼苗，采用直尺直接测量其株高和根长。

1.3.2 小麦幼苗地上部干质量与根部干质量的测量

取小麦地上部和根部在70 ℃烘箱中烘干至恒重，用分析天平对烘干的样品进行称量。

1.3.3 小麦幼苗生理指标的测定

丙二醛 （MDA）和可溶性糖含量测定采用TBA比色法^［11］，游离脯氨酸含量测定采用磺基水杨酸法^［11］，过氧化物酶（POD）活性测定采用比色法^［12］，过氧化氢酶（CAT）活性测定采用高锰酸钾滴定法^［12］，超氧化物歧化酶（SOD）活性测定采用NBT显色法^［13］，可溶性蛋白含量测定采用考马斯亮蓝法^［14］。

1.4 数据分析

采用 Microsoft Excel 365和SPSS 21.0软件对数据进行处理和统计分析，通过Duncan's Multiple Range Test方法检验差异显著性。

2 结果与分析

2.1 壳寡糖对低温胁迫下冬小麦幼苗生长特性的影响

由表1可知，低温胁迫两周后，不同浓度的壳寡糖对东农冬麦1号和济麦22号的生长都有促进作用，且东农冬麦1号效果明显好于济麦22。与对照组相比，东农冬麦1号处理，喷施100 mg/L壳寡糖小麦幼苗的株高、根长和根部干质量增加最明显，分别增加了16.99%、29.86 %、18.69%、15.48%，差异显著（P<0.05），地上部干质量增加不显著；喷施50 mg/L壳寡糖小麦幼苗株高、根长分别增加5.51%、18.49%，差异显著（P<0.05），地上部干质量与根部干质量降低；喷施150 mg/L壳寡糖小麦幼苗株高、根长分别增加8.15%、18.69%，差异显著（P<0.05），地上部干质量和根部干质量降低。济麦22试验组中，与对照相比，喷施100 mg/L壳寡糖小麦幼苗株高、根长、地上部干质量和根部干质量增加最为显著，分别增加了5.89%、15.12%、44.05%、16.10%，差异显著（P<0.05）；喷施50 mg/L壳寡糖小麦幼苗根长和地上部干质量分别增加18.86%、56.96%，差异显著（P<0.05），株高和根部干质量差异不显著；喷施150 mg/L壳寡糖小麦幼苗株高、根长和地上部干质量分别增加4.96%、18.51%、79.73%，差异显著（P<0.05），根部干质量无明显变化。由此可知，喷施100 mg/L壳寡糖对两种冬小麦效果最为明显。

2.2 壳寡糖对低温胁迫下冬小麦叶片MDA含量的影响

植物细胞膜受到损伤后会使MDA含量增加，因此在植物逆境生理的研究中MDA是衡量植物抗逆性最常用的一项指标。由图1可知，与对照相比，壳寡糖溶液处理的东农冬麦1号MDA含量呈现先下降后上升的趋势，而壳寡糖溶液处理的济麦22变化则不显著。在东农冬麦1号试验组中，喷施50 mg/L和100 mg/L壳寡糖后MDA含量分别降低了28.69%、39.06%，与对照相比差异显著（P<0.05）；喷施150 mg/L壳寡糖的MDA含量与对照相比差异不显著。由此可知，100 mL/L壳寡糖溶液处理后东农冬麦1号MDA含量下降最多，说明此处理东农冬麦1号的膜损伤程度最低，而壳寡糖溶液处理未对济麦22的膜损伤程度造成明显影响。

2.3 壳寡糖对低温胁迫下冬小麦幼苗叶片抗氧化酶活性的影响

抗氧化酶可以清除植物体内的活性氧从而抵御逆境条件带来的损伤，所以抗氧化酶活性是体现植物抗逆性的重要指标。喷施壳寡糖溶液可不同程度提高低温胁迫下的两种冬小麦3种抗氧化酶的活性（图2~4）。随壳寡糖施用浓度的提高，3种酶活性都呈现先上升后下降的趋势。东农冬麦1号各处理组3种酶活性均高于济麦22。在东农冬麦1号试验组中，与对照相比，喷施100 mg/L壳寡糖溶液的冬小麦叶片SOD、POD和CAT的活性上升最多，分别提高了114.56%、39.89%和84.93%，与对照相比差异显著（P<0.05）；与对照相比，喷施50 mg/L壳寡糖溶液的冬小麦叶片SOD、POD和CAT的活性也分别提高了100.88%、24.12%和26.84%，与对照相比差异显著（P<0.05）；而喷施150 mg/L壳寡糖溶液的冬小麦叶片SOD和CAT活性变化不显著，POD提升了19.86%。在济麦22试验组中，与对照相比，喷施100 mg/L壳寡糖溶液的冬小麦叶片SOD、POD和CAT活性上升最多，分别提高了102.37%、37.90%和68.74%，与对照相比差异显著（P<0.05）；喷施50 mg/L和150 mg/L壳寡糖的SOD、POD的活性也提升明显，分别提高了56.48%、23.39%和34.60%、18.34%，CAT无明显变化。由此可知，100 mg/L壳寡糖溶液对两种冬小麦作用最为明显，东农冬麦1号抗氧化酶活性提高得更多。

2.4 壳寡糖对低温胁迫下冬小麦的幼苗叶片渗透调节物质含量的影响

植物在受到逆境胁迫时细胞渗透压会发生改变，渗透调节物质可以缓解逆境导致的渗透压变化，因此渗透调节物质是衡量植物抗逆性的重要指标。由图5~7可知，喷施壳寡糖的两种冬小麦叶片中的3种渗透调节物质含量总体呈现增加趋势，且随着壳寡糖浓度的增加呈现先上升后下降的趋势。在东农冬麦1号试验组中，与对照相比，喷施50 mg/L壳寡糖的冬小麦叶片可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸含量显著增加，分别增加了70.71%、5.37%、291.10%，可溶性糖和脯氨酸含量与对照比差异显著（P<0.05）；喷施100 mg/L壳寡糖的冬小麦叶片可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸含量增加最为显著，分别增加了142.10%、11.16%、457.53%，与对照相比差异均达到显著水平（P<0.05）；喷施150 mg/L壳寡糖的冬小麦叶片脯氨酸显著增加了21.92%，而可溶性糖和可溶性蛋白含量变化不显著。在济麦22试验组中，喷施50 mg/L壳寡糖的可溶性糖和脯氨酸与CK相比增加了72.31%和324.80%，而可溶性蛋白含量变化不显著；喷施100 mg/L壳寡糖对冬小麦叶片可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸的影响最为显著，分别增加了134.21%、4.95%和503.20%（P<0.05）；喷施150 mg/L壳寡糖的冬小麦叶片脯氨酸含量较对照组相比增加了18.40%（P<0.05），可溶性糖和可溶性蛋白含量变化不显著。这说明了100 mg/L壳寡糖溶液的效果最为明显。

3 讨论

3.1 壳寡糖对冬小麦幼苗生长及MDA的影响

低温胁迫会使植物细胞产生大量活性氧从而破坏植物的细胞膜结构。MDA是植物细胞内膜脂过氧化反应的产物，低温胁迫会导致MDA含量增多，使植物细胞膜系统受损^［15-16］。研究发现，壳寡糖作为植物应答逆境胁迫的重要生长调节物质，可诱导植物基因表达，能够明显缓解重金属^［17］、干旱^［18］、盐碱^［19］等非生物逆境胁迫对植物生长的抑制。本研究中适量浓度的壳寡糖能有效缓解低温对两种冬小麦幼苗生长的抑制，促进了地上部与根部的生长，说明在低温胁迫下壳寡糖同样也具有调节作用，且以100 mg/L壳寡糖处理效果最为明显。吴莉等^［20］研究发现喷施壳寡糖可降低低温胁迫下葡萄叶片MDA含量，本研究中也得到类似的结果，适量浓度的壳寡糖可降低抗寒性强的东农冬麦1号幼苗叶片中MDA含量，且以100 mg/L壳寡糖效果最为明显，济麦22无明显变化。这说明了壳寡糖能促进低温胁迫下冬小麦幼苗生长，降低MDA活性来保护细胞结构，从而增强冬小麦幼苗的抗寒能力。东农冬麦1号长势更好，且MDA降低的幅度高于济麦22。

3.2 壳寡糖对抗氧化酶活性的影响

在正常条件下，植物体内的活性氧的产生与清除处于动态平衡状态，而低温会促使植物产生大量活性氧而打破原有的动态平衡，引起活性氧代谢紊乱，影响植物正常生长发育^［21］，植物细胞内存在SOD、POD、CAT等抗氧化系统以保护自身不受活性氧的伤害。陈芊如等^［22］利用不同浓度的壳寡糖对低温下的烟草幼苗进行喷施，发现喷施壳寡糖溶液的烟草幼苗叶片中SOD、POD 和 CAT 活性增强，且以100 mg/L浓度最佳。本研究也得到类似结果，但不同浓度的壳寡糖对两种冬小麦的影响存在差异，喷施100 mg/L的壳寡糖能够显著提高低温胁迫下东农冬麦1号和济麦22幼苗叶片中的SOD、POD和CAT活性，增加对活性氧的清除能力，增强冬小麦幼苗对低温胁迫的抵抗能力，且东农冬麦1号抗氧化酶活性提高的幅度高于济麦22。

3.3 壳寡糖对渗透调节物质的影响

可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸是植物体内广泛分布的渗透调节物质，这些渗透调节物质有助于提高细胞液浓度，维持细胞膨压，减缓原生质脱水^［23］，因此可溶性糖、可溶性蛋白以及脯氨酸等渗透调节物质是评价植物对低温环境适应能力的重要指标。研究发现，在逆境胁迫下植物的渗透调节物质能够维持细胞渗透平衡，缓解逆境胁迫对植株造成的伤害^［24］。本研究中，喷施不同浓度的壳寡糖溶液的两种冬小麦的可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量均有不同程度的增加，其中脯氨酸积累最多，这与匡银近等^［25］在茄子幼苗中的研究，陈巧等^［26］在水稻幼苗中的研究结论相似。本研究中100 mg/L壳寡糖溶液对两种冬小麦可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量提高效果最为显著，且东农冬麦1号这3种渗透调节物质的增加量均高于济麦22。

4 结论

壳寡糖能够有效缓解低温胁迫对两种冬小麦的伤害，促进低温条件下两种冬小麦的生长，提高抗氧化酶活性和渗透调节物质的含量，降低低温对细胞膜的伤害，壳寡糖处理的最适浓度为100 mg/L，对强抗寒品种东农冬麦1号的效果好于弱抗寒品种济麦22。总之，本研究为生产实践中通过喷施适宜浓度的壳寡糖提高冬小麦幼苗的抗寒能力提供理论参考和技术支撑。

参考文献

[1] 徐澜，刘艳超，安伟，等.冬麦春播小麦对苗期干旱胁迫的生理响应［J］.甘肃农业大学学报，2020，55（6）：40-47.

[2] 陈翔，于敏，蔡洪梅，等.小麦倒春寒研究现状与进展［J］.应用生态学报，2021，32（8）：2999-3009.

[3] Wu Y F， Zhong X L， Hu X，et al.Frost affects grain yield components in winter wheat［J］.New Zealand Journal of Crop and Horticultural Science，2014，42：194-204.

[4] 郭红莲，杜昱光，白雪芳.寡糖激发子对植物防卫反应的诱导［J］.植物生理学通讯，2002（5）：475-480.

[5] 杨普云，李萍，张善学，等.植物免疫诱抗剂氨基寡糖素应用技术［M］.北京：中国农业出版社，2017.

[6] 王梦雨，王文霞，赵小明，等.壳寡糖提高小麦低温抗性的作用效果初探［C］∥2014年中国植物保护学会学术年会论文集，2014：228-234.

[7] MA L， LI Y， YU C，et al.Alleviation of exogenous oligochitosan on wheat seedlings growth under salt stress ［J］.Protoplasma，2012，249（2）：393-399.

[8] 朱迎春，孙德玺，刘君璞，等.壳寡糖对NaCl胁迫下耐盐性不同西瓜幼苗生理特性的影响［J］.果树学报，2020，37（6）：866-874.

[9] 田路.壳寡糖对花椒幼苗抗寒性的影响［D］.杨凌：西北农林科技大学，2019.

[10] 郑典元，夏依依，丁占平.壳寡糖对水稻幼苗生长及抗寒性能的影响［J］.江苏农业科学，2012，40（4）：77-79.

[11] 苍晶，赵会杰.植物生理学实验教程［M］.北京：高等教育出版社，2013.

[12] 李玲.植物生理学模块实验指导［M］.北京：科学出版社，2009.

[13] 王学奎.植物生理生化实验原理和技术［M］.2版.北京：高等教育出版社，2006.

[14] 张志良，翟伟菁，李小芳.植物生理学实验指导［M］.北京：高等教育出版社，2009.

[15] Tartoura，KAH，Youssef，et al.Stimulation of ROS-scavenging systems in squash （Cucurbita pepo L.） plants by compost supplementation under normal and low temperature conditions［J］.Sci Hortic-Amsterdam，2011，2011，130（4）：862-868.

[16] Baxter A， Mittler R， Suzuki N.ROS as key players in plant stress signalling［J］.Journal of experimental botany，2014，65（5）：1229-1240.

[17] Zong H， Li K， Liu S，et al.Improvement in cadmium tolerance of edible rape （Brassica rapa L.） with exogenous application of chitooligosaccharide［J］.Chemosphere，2017，181：92-100.

[18] Dzung N A， Khanh V T P， Dzung T T.Research on impact of chitosan oligomers on biophysical characteristics，growth，development and drought resistance of coffee［J］.Carbohydrate Poly mers，2010，84（2）：751-755.

[19] 刘强，王庆成，王占武，等.外源壳寡糖对苍耳盐害的缓解作用［J］.东北林业大学学报，2014，42（6）：73-76.

[20] 吴莉，单守明.叶面喷施壳寡糖对赤霞珠葡萄幼苗抗低温胁迫的影响［J］.中国南方果树，2020，49（4）：107-120.

[21] Guo X M， Liu J Z， Liu Y J，et al.Overview of cold resistance in woody plants［J］.Subtropical Plant Science，2014，200（4）：237-245.

[22] 陈芊如，丁蓬勃，胡希好，等.外源壳寡糖对低温胁迫条件下烟草幼苗的保护作用［J］.江苏农业科学，2022，50（1）：80-85.

[23] 王静，饶超奇，侯振武，等.喷施壳寡糖与水扬酸对晒红烟诱导抗性及品质的影响［J］.河南农业大学学报，2021，55（6）：1021-1028.

[24] Iwaya-inoue M， Sakurai M， Uenura M，et al.Survival strategies in extreme cold and desiccation adaptation mechanisms and their applications foreword［J］.Adv Exp Med Biol，2018，10：215-232.

[25] 匡银近，彭惠娥，叶桂萍，等.壳寡糖提高茄子幼苗抗冷性的效应研究［J］.北方园艺，2009（9）：14-17.

[26] 陈巧.壳寡糖对水稻幼苗抗寒性的诱抗机制探究［D］.上海：华东理工大学，2016.

基金资助

黑龙江省省属高等学校基本科研业务费科研项目(135509502)

2021年齐齐哈尔大学研究生创新科研项目(YJSCX2021019)