外源NO對(duì)NaCl脅迫下扁蓿豆種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響

魚(yú)小軍，徐長(zhǎng)林，景媛媛，陳陸軍，楊海磊，張建文，牛鑫斌

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心,甘肅 蘭州 730070)

土壤鹽漬化是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的全球性問(wèn)題[1]，全世界約有9.5×108hm2的鹽漬土，在中國(guó)每6.7×107hm2耕地中就有10%的鹽漬化土壤[2]。土壤中高濃度的鹽會(huì)導(dǎo)致植物體內(nèi)離子紊亂、造成高滲透脅迫，導(dǎo)致植物生長(zhǎng)減緩，直接影響到植物的產(chǎn)量[3]。鹽害已成為制約牧草生產(chǎn)的主要逆境因素之一，提高牧草耐鹽性是克服土壤鹽漬化的一條重要途徑[4]。一氧化氮(NO)是廣泛分布于生物體的一類氣體生物活性分子，屬于活性氧范疇，通過(guò)酶促和非酶促途徑產(chǎn)生，具有毒害和保護(hù)生物細(xì)胞的雙重性[5]。NO在植物體內(nèi)廣泛存在，通過(guò)一氧化氮合酶(NOS)和硝酸還原酶(NR)合成，并與植物的抗病和對(duì)各種脅迫的應(yīng)答，以及細(xì)胞編程性死亡有關(guān)[6,7]。已有研究表明，NO廣泛存在于植物組織中，并參與種子萌發(fā)、植株生長(zhǎng)及對(duì)各種逆境脅迫的應(yīng)答等過(guò)程[8]，能明顯減緩鹽脅迫對(duì)玉米(Zeamays)[5，9]、黑麥草(Loliumperenne)[10]、沙蔥(Alliummongolicum)[11]、柳枝稷(Panicumvirgatum)[12]、紫花苜蓿(Medicagosativa)[13]等種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的傷害。

扁蓿豆(Medicagoruthenica)又名花苜蓿、野苜蓿，屬豆科苜蓿屬植物，廣泛分布于我國(guó)甘肅、青海、新疆、內(nèi)蒙古、山西、河北、遼寧、吉林及黑龍江等地，是一種生態(tài)適應(yīng)性廣、抗旱抗寒、耐貧瘠、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高的優(yōu)良野生豆科牧草[14-16]。扁蓿豆可以與羊草(Leymuschinensis)等禾本科牧草建立混播栽培草地，在改良草地、建立人工草地、防治水土流失等方面具有重要意義，尤其在寒冷半干旱、土壤貧瘠區(qū)引種具有特殊意義[16]。目前，對(duì)扁蓿豆的研究集中于分布、形態(tài)、生物學(xué)特性以及引種選育等方面[16-20]，對(duì)于施加外源NO來(lái)緩解鹽堿對(duì)扁蓿豆種子的萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的傷害報(bào)道較少。為此，研究以150 mmol/L NaCl作為鹽脅迫條件，研究了不同濃度的外源NO對(duì)扁蓿豆種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響，探討提高扁蓿豆種子萌發(fā)期耐鹽性的途徑，以期為扁蓿豆的栽培提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

試驗(yàn)于2013年3～5月在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，供試扁蓿豆種子為自選8號(hào)新品系。

1.2 研究方法

試驗(yàn)設(shè)置7個(gè)處理，S0(0% SNP+0 mmol/L NaCl)、S1(0% SNP+150 mmol/L NaCl)、S2(0.01% SNP+150 mmol/L NaCl)、S3(0.05% SNP+150 mmol/L NaCl)、S4( 0.1% SNP + 150 mmol/L NaCl)、S5(0.5% SNP+150 mmol/ L NaCl)和S6(SNP 1.0%+150 mmol/ L NaCl)。

選取飽滿均勻一致的扁蓿豆種子，用砂紙打磨，以種皮出現(xiàn)紋痕為好。然后吸取配置好的溶液10 mL導(dǎo)入鋪有濾紙的培養(yǎng)皿，后將處理好的扁蓿豆種子置入培養(yǎng)皿，每皿50粒，重復(fù)3次。為保證處理濃度穩(wěn)定，每隔2 d更換1次處理液。每天觀察發(fā)芽情況，處理第8 d取樣測(cè)定芽長(zhǎng)和根長(zhǎng)，每皿隨機(jī)測(cè)定10株。

發(fā)芽率(GP)=100×GN/SN

發(fā)芽指數(shù)(GI)=∑ (Gt/Dt)[21，22]

活力指數(shù)(VI)=GI×S[21，22]

式中：GN為總的種子發(fā)芽數(shù)，SN為供試種子總數(shù)；Gt為在t日的發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)；S為幼苗長(zhǎng)度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差表示，采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Microsoft Excel 2003軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 NaCl脅迫下NO對(duì)扁蓿豆種子發(fā)芽率的影響

單獨(dú)鹽脅迫(S1)顯著抑制了扁蓿豆種子的發(fā)芽率(P<0.05)(圖1A)。在鹽脅迫下，處理S3(0.05%SNP+150 mmol/L NaCl)處理后扁蓿豆種子發(fā)芽率為86%，顯著高于S1(46%)、S2(0.01%SNP+150 mmol/L NaCl)(28%)、S4(0.10%SNP+150 mmol/L NaCl)(52%)、S5(0.50%SNP+150 mmol/L NaCl)(27%)和S6(1.00%SNP+150 mmol/L NaCl)(35%)處理(P<0.05)，但和S0(83%)(0%SNP +0 mmol/L NaCl)處理下的發(fā)芽率無(wú)差異顯著(P>0.05)。

150 mmol/L的NCl溶液的鹽脅迫(S1)處理顯著抑制了發(fā)芽速率，降低了扁蓿豆種子的發(fā)芽指數(shù)(P<0.05)(圖1B)。S2(0.01%SNP+150 mmol/L NaCl)、S3(0.05%SNP+150 mmol/L NaCl)、S4(0.10%SNP+150 mmol/L NaCl)、S5(0.50%SNP+150 mmol/L NaCl)和S6(1.00%SNP+150 mmol/L NaCl)處理中，S3處理下的發(fā)芽指數(shù)最高為24，顯著高于S1(6)處理和其他處理；其他處理均未能顯著提高扁蓿豆種子的發(fā)芽指數(shù)(P>0.05)。

圖1 外源NO對(duì)鹽脅迫下扁蓿豆種子發(fā)芽率(A)和發(fā)芽指數(shù)(B)的影響Fig.1 The effect of NO on the germination percentage (A) and germination index (B) of Medicago ruthenica seeds under NaCl stress注：不同小寫字母表示5%水平差異顯著，下圖同

圖2 外源NO對(duì)鹽脅迫下扁蓿豆幼苗芽長(zhǎng)和根長(zhǎng)的影響Fig.2 The effect of NO on the plumule (A) aNd radicle (B) length of Medicago ruthenica seedling under NaCl stress

S1處理顯著抑制了扁蓿豆種子的發(fā)芽指數(shù)，降低了發(fā)芽速率(P<0.05)(圖1B)。S2、S3、S4、S5和S6處理中，僅有S3處理顯著增加了扁蓿豆種子的發(fā)芽指數(shù)(P<0.05)，其他處理均未能顯著提高扁蓿豆種子的發(fā)芽指數(shù)(P>0.05)。

2.2 NaCl脅迫下NO對(duì)扁蓿豆幼苗生長(zhǎng)的影響

單獨(dú)鹽脅迫(S1)顯著抑制了扁蓿豆種苗幼芽的生長(zhǎng)(P<0.05)(圖2A)。S2、S3、S4、S5和S6處理中，僅有S3處理顯著促進(jìn)了扁蓿豆種苗幼芽的生長(zhǎng)(P<0.05)，其他處理均未能顯著提高扁蓿豆種苗幼芽的生長(zhǎng)(P>0.05)。在鹽脅迫下，S3處理下扁蓿豆幼芽長(zhǎng)度長(zhǎng)于S0處理，兩者皆顯著高于其他處理(P<0.05)。

單獨(dú)鹽脅迫(S1)顯著抑制了扁蓿豆種苗幼根的生長(zhǎng)(P<0.05)(圖2b)。S2、S3、S4、S5和S6處理中，僅有S3處理顯著促進(jìn)了扁蓿豆種苗幼根的生長(zhǎng)(P<0.05)，其他處理均未能顯著提高扁蓿豆種苗幼根的生長(zhǎng)(P>0.05)。S3處理下扁蓿豆幼根長(zhǎng)度長(zhǎng)于S0處理，兩者皆顯著高于其他處理(P<0.05)。

2.3 NaCl脅迫下NO對(duì)扁蓿豆種苗活力指數(shù)的影響

單獨(dú)鹽脅迫(S1)顯著抑制了扁蓿豆種苗活力指數(shù)(P<0.05)。S3處理顯著促進(jìn)了扁蓿豆種苗的活力指數(shù)(P<0.05)，其他處理均未能提高扁蓿豆種苗活力指數(shù)(P>0.05)(圖3)。

圖3 外源NO對(duì)鹽脅迫下扁蓿豆種子活力指數(shù)的影響Fig.1 The effect of NO on the vigor index of Medicago ruthenica seeds under NaCl stress

3 討論與結(jié)論

鹽脅迫會(huì)降低種子的發(fā)芽率，發(fā)指數(shù)和幼苗的生長(zhǎng)[23]。NO是在植物體內(nèi)廣泛存在的一類氣體生物活性分子，可以減少非生物脅迫下植物體內(nèi)活性氧(ROS)的積累，緩解各種脅迫造成的氧化損傷，從而增強(qiáng)植物的適應(yīng)能力[24]。有研究表明，外源NO供體硝普鈉能顯著促進(jìn)滲透脅迫下小麥種子的萌發(fā)[25]，可以提高水稻幼苗的耐鹽性、提高鹽分脅迫下玉米幼苗的干物重積累速率[26，27]。鹽脅迫對(duì)種子影響機(jī)理主要有2個(gè)方面，一是滲透作用，植物細(xì)胞內(nèi)滲透勢(shì)大于細(xì)胞外滲透勢(shì)，細(xì)胞失水致使植物缺水形成生理干旱，二是離子毒害作用，Na+等離子滲入細(xì)胞后使原生質(zhì)凝集和葉綠素被破壞，蛋白質(zhì)合成受到抑制，產(chǎn)生丁二胺、戊二胺等[28，29]。已有研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，NO提高植物耐鹽性的機(jī)理一方面與其能提高植株的抗氧化能力有關(guān)，另一方面也與其能調(diào)節(jié)植物離子平衡相關(guān)[30-33]。試驗(yàn)結(jié)果表明，外源NO在一定程度上緩解了鹽脅迫對(duì)扁蓿豆幼苗的發(fā)芽率、芽長(zhǎng)和根長(zhǎng)的影響，但存在濃度效應(yīng)，適宜濃度(0.5 mmol/L)的NO處理才表現(xiàn)出對(duì)鹽脅迫的緩解效應(yīng)；另外，NO具有毒害和保護(hù)生物細(xì)胞的雙重性[5]，因此，過(guò)低和過(guò)高濃度的NO無(wú)緩解效應(yīng)。

外源 NO供體SNP對(duì)鹽脅迫下種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的調(diào)節(jié)作用可能還需要葡萄糖和果糖信號(hào)的參與[29]，種植于土壤的種子，包括溫度、水分及土壤理化和酶學(xué)性質(zhì)都對(duì)其萌發(fā)產(chǎn)生重要影響[23]。因此，扁蓿豆種子萌發(fā)期耐鹽能力的調(diào)控及機(jī)理還有待于進(jìn)一步研究。

外源NO對(duì)NaCl脅迫下扁蓿豆種子的萌發(fā)和幼苗的生長(zhǎng)緩解具有劑量效應(yīng)，以0.05 mmol/L的NO處理效果最好，顯著提高了扁蓿豆種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)和活力指數(shù)。

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