CoCl2對NaCl脅迫下大麥生長及幼苗生理指標的影響

孟亞雄，王世紅，汪軍成，徐先良，賴勇，司二靜，馬小樂，2，李葆春，3，楊軻，2，王化俊，2＊

（1.甘肅省作物遺傳改良與種質創新重點實驗室 甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅 蘭州730070；2.甘肅農業大學農學院，甘肅 蘭州730070；3.甘肅農業大學生命科學技術學院，甘肅 蘭州730070；4.甘肅省農業科學院小麥所，甘肅 蘭州730070）

土壤鹽漬化是全世界范圍內影響植物種子萌發和幼苗生長的一種主要的非生物脅迫［1］，種子萌發和幼苗期耐鹽性對植物在鹽漬環境下的形態建成有至關重要的作用［2－3］。我國不同程度鹽漬化土地占可耕地面積的1/4，嚴重影響了農業的生產與發展［4］，提高作物耐鹽堿能力，改善作物對鹽漬環境的適應性，是當前加強開發和利用鹽漬化土壤的有效措施之一。大麥（Hordeumvulgare）是一種主要的糧飼兼用作物，在作物中其耐鹽性僅次于棉花，常作為鹽堿地的先鋒作物種植［5］，研究大麥對鹽脅迫逆境的適應和保護機制，具有重要的理論意義和實際價值。

鈷是土壤中廣泛存在的許多植物和微生物保持正常代謝功能所必需的微量元素之一，也是豆科植物固氮作用所必需的元素［6－7］。現有研究結果表明，通過噴施于土壤或植物葉面等方式施入適宜濃度的鈷會促進多種植物生長［8－9］，提高產量和改善品質［10－12］，植物生長參數與光合色素含量明顯提高［13］。培養基中添加適量的 CoCl2促進了蘋果（Malusdomestica）、玫瑰（Rosarugosa）等體外幼芽的生根，且根的生長加快［14－15］。同時，鈷在植物逆境脅迫中也起到了一些積極的作用［16］，如適量的鈷對Na2CO3脅迫下紫花苜蓿（Medicagosativa）幼苗葉片細胞膜表現出一定的保護作用［17］；可以緩解干旱脅迫對大豆（Glycinemax）葉片的傷害程度［18］；提高了酸脅迫下多花黑麥草（Loliummultiflorum）種子萌發及幼苗抗性［19］；能有效緩解海水脅迫對油菜（Brassicacampestris）幼苗的傷害，誘導增強其耐鹽性，促進幼苗生長［20］。但Co2＋對大麥幼苗鹽脅迫逆境下的生理作用還未見報道。本試驗就CoCl2對NaCl脅迫下大麥種子萌發及幼苗生長特性的影響進行研究，探討了CoCl2對不同程度NaCl脅迫的緩解作用，以期進一步認識鈷在植物逆境脅迫中的生理作用，為鹽漬地大麥種植與生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料處理及方法

試驗于2012年11月初進行，供試大麥種子“博樂”由甘肅省干旱生境作物學重點實驗室提供。試驗前將種子用15%次氯酸鈉溶液浸種15min消毒，蒸餾水反復沖洗干凈，均勻排列在鋪有雙層濾紙的直徑為15cm的培養皿中，每皿40粒，每個處理3次重復。以Hoagland營養液配制不同處理的培養液，每個培養皿中加入10mL培養液，試驗處理分為2組：I.加入 NaCl濃度分別為30，60，90，120mmol/L，CoCl2濃度為0.1mmol/L的培養液；Ⅱ.加入NaCl濃度分別為30，60，90，120mmol/L的培養液，以Hoagland營養液正常培養為對照（CK）。置于光強為4000lx、12h光照/黑暗、相對濕度保持在75%左右、24℃的人工氣候箱中培養14d，培養過程中每24 h更換1次等體積培養液，觀察種子萌發與幼苗生長情況。于相應時期測定種子發芽勢、發芽率、芽長、根長、幼苗內源激素、抗氧化酶活性以及丙二醛含量。

1.2 測定指標及方法

1.2.1 種子發芽與幼苗生長情況 依照《國際種子檢驗規程》（2012版）進行萌發試驗。每天8：00－9：00觀察種子發芽情況，并記錄種子發芽數，以有根有芽、芽長為種子1/2長為發芽標準［21］，計算3d發芽勢（發芽3d時日發芽種子數達到最高峰）、7d發芽率；第7天用游標卡尺測量苗高和根長，每個處理30株（每個重復隨機取10株）。

1.2.2 幼苗內源激素的測定 第7天對幼苗的內源激素進行測定，稱取鮮樣1.0g。提取和測定的方法均根據王若仲等［22］的操作方法進行。采用高效液相色譜法（HPLC）分別測定吲哚－3－乙酸 （IAA）、赤霉素（GA3）和脫落酸（ABA）含量。所用色譜柱：Eclipse plus C18（4.6mm×250mm，5μm），柱溫：25℃；流動相：0.05%甲酸－甲醇（1∶1），流速1.0mL/min；進樣量10μL，檢測波長：220，200，262nm。

1.2.3 幼苗生理指標的測定 第14天對幼苗進行抗氧化酶活性與丙二醛含量的測定，各稱取鮮樣0.3g。超氧化物歧化酶（SOD）活性采用NBT光還原法測定［23］，以可抑制NBT光還原反應50%的酶量作為1個SOD活性單位；過氧化物酶（POD）活性采用愈創木酚法測定［24］；過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外吸收法測定［23］；丙二醛（MDA）采用硫代巴比妥酸法測定［23］。

1.3 試驗數據的處理

運用SPSS 19.0軟件完成數據統計分析，用Duncan法檢測差異顯著性，并進行多重比較，各數據均用平均值±標準誤表示。

2 結果與分析

2.1 NaCl脅迫下CoCl2處理對大麥幼苗生長發育的影響

各處理大麥種子發芽勢與發芽率呈相似變化趨勢，如表1所示，隨著NaCl脅迫濃度的提高，種子發芽勢與發芽率逐漸下降，NaCl脅迫顯著抑制了種子萌發；添加0.1mmol/L CoCl2能在一定程度上緩解NaCl脅迫而顯著提高種子的發芽勢與發芽率，且這種緩解作用隨著NaCl濃度的增大而加強。其中NaCl濃度在90mmol/L以上時，CoCl2對種子的發芽勢與發芽率提高作用最明顯，發芽勢比相同NaCl脅迫處理分別提高7.50%和5.84%，發芽率分別提高了8.33%和10.84%。

隨著NaCl脅迫程度的加重，大麥芽與根的生長受到的抑制作用越明顯，0.1mmol/L CoCl2處理對NaCl脅迫下芽與根的生長有顯著的促進作用，其促進作用的大小因NaCl濃度而異。但30mmol/L NaCl處理下的幼苗根長略長于CK，輕度NaCl脅迫刺激了根的生長，而此NaCl濃度下0.1mmol/L CoCl2處理幼苗根長顯著高于CK，CoCl2處理有助于大麥根的生長。CoCl2處理對NaCl脅迫下芽與根的生長促進作用在較高NaCl濃度下更明顯，當NaCl濃度為90和120mmol/L時，添加CoCl2處理使苗長比相同NaCl脅迫提高25.12%和27.88%，根長分別比相同NaCl脅迫提高23.59%和25.0%。

表1 CoCl2處理對NaCl脅迫下大麥種子萌發和幼苗生長的影響Table 1 Influences of CoCl2on germination of seeds and seedlings growth of barley under NaCl stress

2.2 NaCl脅迫下CoCl2處理對大麥幼苗內源激素含量的影響

NaCl脅迫下0.1mmol/L CoCl2處理大麥幼苗吲哚－3－乙酸 （IAA），赤霉素（GA3），脫落酸（ABA）含量與（IAA＋GA3）/ABA的變化情況如圖1所示。隨著NaCl濃度的升高，幼苗IAA含量顯著降低，添加0.1 mmol/L CoCl2對NaCl脅迫下IAA含量的變化趨勢無明顯影響，與相同濃度NaCl脅迫處理差異不顯著；幼苗GA3含量的變化與IAA相似，呈顯著下降的趨勢，但NaCl濃度為60mmol/L時，0.1mmol/L CoCl2顯著促進了GA3的生成，其余NaCl脅迫處理下對GA3的含量影響不明顯；ABA對NaCl脅迫的響應表現為隨著NaCl脅迫的加重，幼苗ABA含量極顯著升高，添加0.1mmol/L CoCl2處理ABA含量的上升幅度減緩，且與相同NaCl脅迫處理相比較，極顯著降低；0.1mmol/L CoCl2處理不同NaCl脅迫程度的幼苗，生長型激素（IAA＋GA3）與抑制型激素ABA的比值得到了顯著提高，與相同NaCl濃度處理比較，分別提高了0.43，0.60，2.23和1.03倍。由此可見，CoCl2對NaCl脅迫下幼苗體內激素含量水平及平衡狀況產生了影響，且對較高濃度NaCl脅迫下的ABA積累抑制最明顯。

2.3 NaCl脅迫下CoCl2處理對大麥幼苗抗氧化酶活性與MDA含量的影響

超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）與過氧化物酶（POD）是植物細胞內重要的抗氧化酶［25］，MDA是反映細胞膜脂質過氧化程度的重要指標［26］。由圖2可以看出，隨著NaCl脅迫程度不斷加劇，大麥幼苗SOD、CAT的活性持續升高，POD的活性先升高后降低，其中以SOD活性升幅最大，CAT次之，POD在NaCl濃度為60mmol/L時活性最強。0.1mmol/L CoCl2處理后，NaCl脅迫下幼苗SOD、CAT和POD的活性得到不同程度提高，但變化趨勢并沒有改變，在各個濃度NaCl處理中，幼苗SOD活性顯著高于相同NaCl濃度處理；幼苗POD活性除30mmol/L NaCl處理時升高不顯著外，在其余NaCl濃度處理下顯著提高；NaCl濃度在60mmol/L以上時，CAT活性顯著提高；MDA隨著NaCl濃度的提高含量不斷上升，0.1mmol/L CoCl2處理后大麥幼苗 MDA積累減緩，NaCl濃度在60mmol/L以上時，MDA含量與相同NaCl濃度處理比較差異顯著，CoCl2緩解NaCl脅迫對幼苗膜脂質過氧化傷害的作用越明顯。

3 討論

圖1 CoCl2處理對NaCl脅迫下大麥幼苗IAA、GA3、ABA含量與（IAA＋GA3）/ABA的影響Fig.1 Influences of CoCl2on IAA，GA3，ABA contents and（IAA＋GA3）/ABA of seedlings of barley under NaCl stress

圖2 CoCl2處理對NaCl脅迫下大麥幼苗SOD、CAT、POD活性和MDA含量的影響Fig.2 Influences of CoCl2on SOD，CAT，POD activities and MDA content of seedlings of barley under NaCl stress

植物激素作為痕量信號分子，在調節植物各種生長進程與環境響應過程中有著很重要的作用［27］，在鹽脅迫下，植物通過刺激或抑制內源激素的合成來適應鹽生環境［28］。Hashem等［29］研究表明，鹽脅迫下IAA與GA3的生成受到顯著抑制，而ABA大量生成。積累的ABA介導氣孔關閉，從而限制了光合作用，降低生物產量，同時伴隨著活性氧（ROS）的產生［30］。在本試驗中，隨著鹽脅迫的加重，大麥幼苗生長型激素IAA與GA3的合成明顯受阻，抑制型激素ABA的含量迅速提高；芽與根的伸長速度減緩，NaCl脅迫抑制幼苗生長的作用顯著加強，這與上述研究一致。在不同濃度NaCl脅迫水平下，添加0.1mmol/L CoCl2處理后，幼芽IAA與GA3的生成無明顯變化，ABA的生成受到顯著抑制，且在較高NaCl濃度下抑制作用更明顯，幼苗生長加快，這可能與CoCl2的生理功能有關，即鈷作為乙烯合成酶1－氨基環丙烷－1－羧酸氧化酶（ACC）的抑制劑，通過抑制該酶的活性，可顯著抑制乙烯的產生［31］；在鹽脅迫下，與乙烯生物合成途徑相關的酶活性顯著增強，從而促使乙烯大量生成［32］，而誘導產生的乙烯與ABA的積累有關，乙烯的積累加強了ABA的生物合成［33］。最終，鈷元素通過抑制乙烯的產生而減緩了鹽脅迫下ABA的積累，提高了生長型激素（IAA＋GA3）與抑制型激素（ABA）的比值，促進了大麥根與芽的生長，而根系的良好生長狀態加強了NaCl脅迫下對養分與水分的吸收能力，從而提高了幼苗對鹽脅迫逆境的適應性［34］。

植物在各種逆境環境脅迫下會產生氧化應激反應，加快ROS的產生，如單線態氧（1O2），超氧陰離子自由基（O2－），過氧化氫（H2O2）等，同時鹽誘導的氣孔關閉限制了葉片對CO2的攝取能力，降低和抑制了光合作用的進行，進而加快了葉綠體中ROS的生成［35］。增加的ROS通過對脂類，蛋白質和核酸等的氧化損傷嚴重破壞了細胞內的平衡狀態和正常的生長代謝［36］。植物通過抗氧化酶及抗氧化物質來清除這些ROS，且抗氧化能力直接關系到耐鹽性的強弱［37］。在此試驗中，隨著NaCl脅迫程度的不斷加劇，大麥幼苗SOD、POD活性顯著上升，CAT活性先升高后降低，這與甘草（Glycyrrhizauralensis）、藜草（Chenopodiumalbum）等幼苗抗氧化物酶響應鹽脅迫的研究相似［38－39］；Tewari等［40］、Sinha等［41］研究發現，外源鈷可以顯著降低 CAT的活性與脂質過氧化反應，提高POD與SOD等保護酶的活性。本研究結果也顯示0.1mmol/L CoCl2處理顯著誘導了鹽脅迫下大麥幼苗SOD、POD與CAT活性的提高，從而有效緩解了NaCl脅迫下ROS的產生速率，降低了細胞MDA含量，減緩了脂質過氧化程度的加劇，且在較嚴重NaCl脅迫下對抗氧化物酶活力的提高與減緩脂質過氧化水平的作用更顯著。但0.1mmol/L CoCl2處理并沒有顯著抑制CAT活性的增強，反而促進了其活性的升高，這可能是在NaCl脅迫下，較低濃度的Co2＋并不會造成重金屬離子誘導氧化損傷的毒害作用，反而會促進抗氧化保護系統協同清除ROS，緩解了NaCl脅迫對細胞造成的氧化損傷程度。

4 結論

當大麥幼苗由于NaCl脅迫而遭受較為嚴重的細胞傷害時，0.1mmol/L CoCl2通過抑制ABA含量的積累與提高抗氧化酶活性，提高了內源激素（IAA＋GA3）/ABA的值，加強了細胞清除活性氧的能力，有效減緩了細胞中活性氧的大量累積、脂質過氧化進程，從而對鹽脅迫下大麥幼苗表現出一定的保護作用，提高了幼苗對NaCl脅迫環境的適應性。

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