γ-氨基丁酸對NaCl脅迫下不同鹽敏感性番茄幼苗生理特性的影響

黃天嬌，劉會(huì)芳，韓宏偉，莊紅梅，楊 濤，姜秀梅，王 強(qiáng)*，秦 勇

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院 園藝作物研究所，新疆 烏魯木齊 830091）

近年來，土壤鹽漬化對農(nóng)業(yè)的威脅已成為一個(gè)全球性的問題［1］，影響了全球10%的地表［2］和中國42.9%的受保護(hù)土壤［3］，這一問題成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)的主要阻礙。不同地區(qū)的土壤組成成分差異很大，如新疆的土壤以富含Na+和Cl-的鹽堿地為主［4］，而Na+和Cl-不是植物必需的礦物質(zhì)，其在土壤中的存在會(huì)對植物產(chǎn)生鹽脅迫和傷害［5］。番茄（Solanum lycopersicum L.）是我國種植最廣泛的蔬菜作物之一，且對土壤鹽分的變化較為敏感［6-7］。土壤中鹽分過量會(huì)造成離子毒性，引起滲透脅迫，導(dǎo)致養(yǎng)分缺乏等，進(jìn)而降低番茄植株的光合效率，擾亂其生理代謝，最終影響其果實(shí)的產(chǎn)量和品質(zhì)，甚至引發(fā)植株死亡。施加外源物質(zhì)是緩解植物鹽害的一種快速而有效的方法。

γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid， GABA）是一種四碳非蛋白氨基酸，連接著植物體內(nèi)碳和氮2條主要代謝途徑，廣泛存在于各種植物及植物的各個(gè)部分中，其含量明顯高于其他非蛋白氨基酸［8］。γ-氨基丁酸作為信號物質(zhì)或代謝產(chǎn)物，通過調(diào)節(jié)細(xì)胞質(zhì)的pH值，充當(dāng)臨時(shí)氮庫和誘導(dǎo)抗氧化反應(yīng)，影響植物的生長和發(fā)育［9-10］。有研究表明，鹽脅迫可誘導(dǎo)、激活GABA的合成代謝，如番茄、茶葉、煙草和擬南芥在受到鹽脅迫后，植物體內(nèi)GABA的積累開始迅速增加［11-15］。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)源性GABA積累與外源GABA的補(bǔ)充密切相關(guān)，在鹽脅迫下，經(jīng)0.5 mmol/L GABA處理后無殼大麥的內(nèi)源GABA含量增加了29%，脯氨酸含量也顯著升高；在檸條中內(nèi)源GABA含量增加了1倍［16-17］。因此，在鹽脅迫下，施用外源GABA可以誘導(dǎo)植物內(nèi)源GABA的產(chǎn)生，再通過調(diào)節(jié)植物的生理代謝來抵御鹽脅迫。但是對于不同植物或者同一植物的不同品種來說，澆灌外源GABA的適宜濃度存在較大的差異，而且外源GABA的加入是否會(huì)改變不同鹽敏感性植物品種的耐鹽性尚不清楚。

為此，筆者以2個(gè)不同鹽敏感性番茄品種為試驗(yàn)材料，在NaCl脅迫下澆灌外源GABA，通過觀測番茄幼苗生長、物質(zhì)積累、光合色素含量、活性氧積累量和抗氧化酶活性等指標(biāo)，研究了施用外源GABA對NaCl脅迫下番茄幼苗生理特性的影響，以期篩選出施用外源GABA的適宜濃度，為番茄的耐鹽性栽培提供理論依據(jù)和實(shí)踐參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試番茄品種為耐鹽性品種IL7-7-5和鹽敏感性品種M82。GABA以及配制營養(yǎng)液的其他化合物均為分析純試劑。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2021年5～8月在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝作物研究所科技創(chuàng)業(yè)中心智能人工氣候室和生理生化實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。取飽滿、整齊一致的番茄種子，經(jīng)消毒、沖洗后用吸水紙吸干水分，做好標(biāo)記，分別放在墊有濾紙的培養(yǎng)皿內(nèi)催芽。當(dāng)2個(gè)品種的種子大約80%露白后，將其播種于草炭∶蛭石=3∶1的基質(zhì)中。當(dāng)幼苗生長至2葉1心時(shí)，選取長勢一致的幼苗移栽于裝有蛭石∶珍珠巖=1∶1基質(zhì)的方形盆（9 cm×9 cm）中，在此期間澆灌1/2 Hoagland營養(yǎng)液。當(dāng)番茄幼苗生長至4葉1心時(shí)，澆灌1倍Hoagland營養(yǎng)液，在預(yù)培養(yǎng)3 d后進(jìn)行不同處理。本試驗(yàn)的培養(yǎng)液設(shè)置5個(gè)處理：采用正常濃度的營養(yǎng)液，為對照（CK）；在正常濃度的營養(yǎng)液中添加NaCl（T1）；在正常濃度的營養(yǎng)液中同時(shí)添加NaCl和15 mmol/L GABA（T2）；在正常濃度的營養(yǎng)液中同時(shí)添加NaCl和25 mmol/L GABA（T3）；在正常濃度的營養(yǎng)液中同時(shí)添加NaCl和35 mmol/L GABA（T4）。每個(gè)處理6次重復(fù)，并在試驗(yàn)過程中隨機(jī)擺放各重復(fù)的方形盆。在處理3 d后取樣并測定相關(guān)指標(biāo)。

為了防止鹽激反應(yīng)，將NaCl與營養(yǎng)液配制為100 mmol/L的NaCl溶液，分別于2 d同一時(shí)間澆灌于幼苗根部，使最終處理濃度達(dá)到200 mmol/L（此濃度是在預(yù)備試驗(yàn)的基礎(chǔ)上篩選出來的半致死濃度）。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 鹽害指數(shù) 于NaCl脅迫第3天，調(diào)查第2片真葉的鹽害狀況。鹽害等級的分級標(biāo)準(zhǔn)如下：0級，無鹽害癥狀；1級（輕度鹽害），少部分葉尖及葉緣變黃；2級（中度鹽害），約1/2的葉尖及葉緣枯焦；3級（重度鹽害），大部分葉尖及葉緣焦枯或脫落；4級（極重度鹽害），葉落，最終死亡。按以下公式計(jì)算鹽害指數(shù)：鹽害指數(shù)＝∑（鹽害等級×相應(yīng)鹽害等級的植株數(shù)）/（總植株數(shù)×鹽害最高等級）×100%。

1.3.2 植株形態(tài)指標(biāo)的測定 于NaCl處理第3天，每個(gè)處理隨機(jī)取3株幼苗，將植株從方形盆中小心完整地取出，先用清水沖洗植株，再用蒸餾水漂洗2次，然后用吸水紙吸干植株表面水分，測定株高（用直尺測定莖基部到生長點(diǎn)的距離）、葉長和葉寬（參考吳遠(yuǎn)藩［18］的方法計(jì)算葉面積）、莖粗（用游標(biāo)卡尺測量子葉脫落部位）。然后將幼苗從根莖連接處剪斷，分別稱取地上部鮮重和地下部鮮重。最后將地上部和地下部鮮樣分裝于做好標(biāo)記的信封中，在105 ℃下殺青15～30 min，于75 ℃下烘干至恒重，冷卻后稱重，分別記為地上部干重、地下部干重。

1.3.3 葉綠素、超氧陰離子、丙二醛、過氧化氫含量的測定 葉綠素含量采用高俊鳳［19］的方法測定；超氧陰離子（Superoxide anion，OFR）產(chǎn)生速率，以及丙二醛（malondialdehyde，MDA）和過氧化氫（H2O2）的含量均按照試劑盒（由蘇州科銘生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)）說明書中的步驟測定。

1.3.4 抗氧化酶活性的測定 過氧化氫酶（catalase，CAT）、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、氧化物酶（peroxidase，POD）的活性均按照試劑盒（由蘇州科銘生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)）說明書中的步驟測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為由3次重復(fù)計(jì)算得出的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。采用Microsoft Excel 2010對原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；選用SPSS 17.0數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（Statistical product and service solutions）進(jìn)行方差分析，并應(yīng)用Duncan’s法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。用GraphPad Prism 7.0繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源GABA對NaCl脅迫下不同鹽敏感性番茄幼苗表型的影響

番茄品種M82的幼苗處理后的表現(xiàn)：T1處理，在NaCl脅迫第2天普遍出現(xiàn)葉面卷曲，呈半球形；植株下垂，略微傾倒；第1真葉、第2真葉變色，并隨著脅迫時(shí)間的延長逐漸萎蔫。加入外源GABA后，T2處理的葉片一直保持拉伸狀態(tài)，未出現(xiàn)卷曲現(xiàn)象，且葉片發(fā)黃程度較T1輕。

番茄品種IL7-7-5的幼苗處理后的表現(xiàn)：T1處理，在NaCl脅迫第2天，第1真葉開始變色；在第3天第1真葉枯萎，第2真葉開始變色。加入外源GABA的T2、T3、T4處理與T1處理比較，在一定程度上減輕了葉片的萎蔫及枯萎程度。由圖1可見，2個(gè)番茄品種的幼苗經(jīng)NaCl+GABA處理后，其大部分葉子明顯比在單獨(dú)NaCl脅迫下更健康。

圖1 在鹽脅迫下番茄幼苗受到傷害的情況

2.2 外源GABA對NaCl脅迫下不同鹽敏感性番茄幼苗鹽害指數(shù)的影響

圖2表明，在NaCl處理下番茄幼苗的鹽害指數(shù)均超過了60%，其中M82幼苗的最高鹽害指數(shù)為66%，IL7-7-5幼苗的最高鹽害指數(shù)為60%。外源GABA的施用降低了幼苗的鹽害指數(shù)，M82幼苗在T2、T3、T4處理下的鹽害指數(shù)分別較T1處理下降了25.0%、2.0%和8.5%，其中T2、T4處理與T1間的差異達(dá)到了顯著性水平；IL7-7-5幼苗在T2、T3、T4處理下的鹽害指數(shù)較T1處理分別下降了17.0%、16.0%和1.5%，其中T2、T3處理與T1間的差異達(dá)到了顯著性水平，說明與IL7-7-5相比，NaCl脅迫對M82幼苗的鹽害更嚴(yán)重，外源GABA的施用能夠降低NaCl脅迫對番茄幼苗的鹽害。

圖2 外源GABA對NaCl脅迫下不同鹽敏感性番茄幼苗鹽害指數(shù)的影響

2.3 外源GABA對NaCl脅迫下不同鹽敏感性番茄幼苗生長的影響

由表1可知：與CK相比，2個(gè)不同鹽敏感性番茄品種在NaCl脅迫下的株高、地下部鮮重、地下部干重都有不同程度的降低，其中地下部鮮重、地下部干重下降較為明顯；經(jīng)GABA處理后，2個(gè)番茄品種的株高、莖粗、地上部鮮重、地下部鮮重、地下部干重相比于NaCl脅迫處理（處理T1）均有不同程度的增加；施加不同濃度的外源GABA后M82的株高、地上部鮮重、地上部干重、地下部鮮重、地下部干重相比于處理T1均有所提高，其中T3、T4處理的番茄幼苗地上部鮮重分別提高了1.3%、35.0%，T4處理的幼苗各項(xiàng)形態(tài)指標(biāo)都有不同程度的增加，株高的增加達(dá)到了顯著水平，且地下部鮮重較CK和T1處理分別提高了37.5%和122.2%；對IL7-7-5施加外源GABA后，T3處理幼苗的株高、莖粗、地上部鮮重均比CK有所提高，且在T4處理下IL7-7-5的莖粗與M82的莖粗有顯著性差異，說明T4處理的GABA濃度更有利于IL7-7-5的生長。從各形態(tài)指標(biāo)可以看出：對于M82來說，T4處理對NaCl脅迫的緩解效果最佳；而就IL7-7-5而言，T3、T4處理的GABA濃度較為合適。

表1 外源GABA對NaCl脅迫下不同鹽敏感性番茄幼苗生長的影響

2.4 外源GABA對NaCl脅迫下不同鹽敏感性番茄幼苗光合色素的影響

由表2可知：施加外源GABA后，與NaCl脅迫的T1處理相比，M82幼苗的葉綠素含量均呈下降的趨勢，但類胡蘿卜素含量總體表現(xiàn)出增加的趨勢，其中T2、T3處理分別增加了137.0%和61.0%；經(jīng)T3處理后，IL7-7-5幼苗的葉綠素b和葉綠素a+b含量均比CK和T1處理有所增加，其中葉綠素b含量比T1增加了67.0%，比CK增加了19.0%，葉綠素a+b含量比T1增加了11.0%。在T3處理下，2個(gè)品種間幼苗的葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素含量都有顯著性差異，IL7-7-5幼苗的葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素含量均顯著高于M82。

表2 外源GABA對NaCl脅迫下不同鹽敏感性番茄幼苗光合色素含量的影響

2.5 外源GABA對NaCl脅迫下不同鹽敏感性番茄幼苗葉片MDA、內(nèi)源H2O2含量和O2-產(chǎn)生速率的影響

由圖3A可知：與CK相比，在受到NaCl脅迫后，M82幼苗葉片的MDA含量增加，而IL7-7-5的MDA含量降低，且IL7-7-5的MDA含量顯著低于M82。在施加外源GABA后，與T1處理相比，M82幼苗葉片的MDA含量呈降低趨勢，T3、T4處理分別降低了36.7%、46.0%，差異達(dá)到了顯著水平，且顯著低于對照；而IL7-7-5番茄幼苗葉片的MDA含量表現(xiàn)出增長趨勢，T2、T3和T4處理的MDA含量分別比T1處理增加了63.6%、94.7%、103.0%，且差異均達(dá)到了顯著水平。

由圖3B可知：與CK相比，在受到NaCl脅迫后，M82幼苗葉片的內(nèi)源H2O2含量增加，而IL7-7-5的內(nèi)源H2O2含量降低，且顯著低于M82。在施加外源GABA后，與T1處理相比，M82番茄幼苗葉片的內(nèi)源H2O2含量降低，T2、T3、T4處理分別降低了21.9%、59.0%和19.0%，且T3處理較CK低17%；與T1處理相比，在施加外源GABA后，IL7-7-5幼苗葉片的內(nèi)源H2O2含量逐漸升高，T2、T3、T4處理分別升高了22.0%、62.0%和93.0%。

由圖3C可知：與CK相比，在受到NaCl脅迫后，M82幼苗葉片的O2-產(chǎn)生速率升高了29.0%，而IL7-7-5的O2-產(chǎn)生速率下降了65.0%，且顯著低于CK。在施加外源GABA后，與T1處理相比，T2處理的M82幼苗葉片的O2-產(chǎn)生速率降低了1.7%，而T3、T4處理的O2-產(chǎn)生速率分別升高了6.6%和2.7%。對于IL7-7-5來說，與T1處理相比，T2處理的幼苗葉片的O2-產(chǎn)生速率降低了9.3%，而T4處理的O2

圖3 外源GABA對NaCl脅迫下不同鹽敏感性番茄幼苗MDA、內(nèi)源H2O2含量和O2-產(chǎn)生速率的影響

-產(chǎn)生速率升高了33.0%，差異達(dá)到了顯著水平。

2.6 外源GABA對NaCl脅迫下不同鹽敏感性番茄幼苗抗氧化酶活性的影響

由圖4A可知：與CK相比，2個(gè)不同鹽敏感性番茄品種在NaCl脅迫下幼苗葉片的CAT活性均下降。在施加外源GABA后，與T1處理相比，M82幼苗葉片的CAT活性明顯提高，其中T2、T3處理的CAT活性分別提高了223.0%和192.0%，差異達(dá)到了顯著水平，且T2處理的CAT活性顯著高于對照，增加了75.0%。在施加外源GABA后，IL7-7-5幼苗葉片的CAT活性逐漸升高，T4處理的CAT活性比T1處理提高了30.0%。在T4處理下，IL7-7-5幼苗葉片的CAT活性顯著高于M82。

從圖4B可以看出：與CK相比，NaCl脅迫處理使2個(gè)番茄品種幼苗葉片中的SOD活性下降。在施加外源GABA后，與T1處理相比，M82幼苗葉片的SOD活性有所增強(qiáng)，且T2和T4處理SOD活性分別比T1處理增加了13.0%和4.0%。對于IL7-7-5來說，T3、T4處理的幼苗葉片的SOD活性均高于T1處理，分別增加了21.0%和14.0%，并且高于對照。

由圖4C可見；與CK相比，NaCl脅迫處理使2個(gè)番茄品種幼苗葉片中的POD活性顯著下降。施加外源GABA的T2、T3、T4處理與T1處理相比，M82幼苗葉片的POD活性分別增加了49.0%、30.0%和76.0%，差異均達(dá)到了顯著水平，其中T2和T4處理顯著高于對照。對于IL7-7-5而言，T3、T4處理的幼苗葉片的POD活性均高于T1處理，分別增加了31.0%和100.0%，且均顯著高于對照，分別增加了13.0%和73.0%。在T4處理下，IL7-7-5幼苗葉片的POD活性顯著高于M82，說明T4處理對IL-7-7-5葉片POD活性的促進(jìn)效果更為明顯。

圖4 外源GABA對NaCl脅迫下不同鹽敏感性番茄幼苗抗氧化酶活性的影響

3 討論

近年來，利用外源物質(zhì)調(diào)控NaCl脅迫下的植物成為研究熱點(diǎn)。新疆作為全國最大的番茄醬加工地區(qū)，有著特殊的鹽堿地環(huán)境。為此，研究外源物質(zhì)對NaCl脅迫下不同鹽敏感性番茄幼苗生理特性的影響，可以為新疆番茄產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供一定的理論依據(jù)，從而促進(jìn)該地區(qū)番茄產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

3.1 外源GABA對NaCl脅迫下不同鹽敏感性番茄幼苗表型和鹽害指數(shù)的影響

植物的耐鹽性是一個(gè)復(fù)雜性狀，受多種因素的影響。在鹽脅迫條件下，植物會(huì)變得較為敏感，鹽脅迫會(huì)影響植物的生長發(fā)育，所以可以用植物的生長指標(biāo)和形態(tài)來判斷植物在鹽脅迫下受傷害的程度，以及施加外源物質(zhì)后植物是否具有耐鹽性［20］。本試驗(yàn)結(jié)果表明：在NaCl脅迫下，鹽敏感性番茄品種M82的表現(xiàn)更為明顯；施加外源GABA明顯減輕了番茄幼苗受到的鹽脅迫傷害，且鹽害指數(shù)達(dá)到了顯著差異水平。相比于M82，耐鹽性番茄品種IL7-7-5的幼苗在NaCl脅迫下生長情況更好，這是因?yàn)镮L7-7-5具有較強(qiáng)的耐鹽性，能夠通過調(diào)節(jié)自身的生理代謝來緩解NaCl脅迫造成的傷害。

3.2 外源GABA對NaCl脅迫下不同鹽敏感性番茄幼苗生長和光合色素的影響

有研究發(fā)現(xiàn)，番茄幼苗在受到鹽脅迫后生長會(huì)受到顯著的抑制［21］；鄭州元等［22］研究發(fā)現(xiàn)鹽脅迫降低了番茄幼苗的株高、莖粗、苗根鮮重和干重。鹽脅迫還會(huì)降低植物的光合作用能力，引起光合色素含量的下降，使原生質(zhì)膜受損，使植物的光合機(jī)構(gòu)遭到破壞［23］。本試驗(yàn)研究結(jié)果顯示，NaCl脅迫抑制了2個(gè)不同鹽敏感性番茄品種幼苗的生長，這與其他研究報(bào)道的結(jié)果一致。與NaCl處理相比，在施加外源GABA后，2個(gè)番茄品種幼苗的株高、莖粗、地上部鮮重、地上部干重、地下部鮮重、地下部干重均有所增加，且M82幼苗的類胡蘿卜素含量升高，IL7-7-5幼苗的葉綠素b含量升高。從各形態(tài)指標(biāo)可以看出，M82在T4處理下表現(xiàn)最好，IL7-7-5在T3和T4處理下表現(xiàn)較好，說明施加外源GABA能夠緩解NaCl脅迫對番茄幼苗生長的抑制作用。

3.3 外源GABA對NaCl脅迫下不同鹽敏感性番茄幼苗活性氧代謝的影響

植物在鹽脅迫的負(fù)面影響下，在其體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的活性氧（ROS），而ROS會(huì)損傷生物膜的結(jié)構(gòu)，從而影響生物膜的功能。3種抗氧化酶SOD、POD、CAT可以有效地清除植物細(xì)胞中的過氧化物，增強(qiáng)植物的抗逆性。孟德云等［24］的研究表明，在盆栽花生中，SOD、POD、CAT三者相互協(xié)調(diào)，共同作用，可以快速有效地清除花生體內(nèi)積累的活性氧，從而提高花生的抗氧化能力。羅黃穎等［25］的研究表明，通過GABA浸種后，番茄葉片SOD、POD、CAT等抗氧化酶的活性顯著提高了，O2-的產(chǎn)生速率，以及H2O2和MDA的含量也得到了顯著提高。本研究結(jié)果表明，在NaCl脅迫下，2個(gè)番茄品種幼苗葉片中的CAT、SOD、POD活性明顯下降，而在施加外源GABA后表現(xiàn)為顯著升高，這說明外源GABA可以增強(qiáng)番茄植株體內(nèi)的抗氧化酶活性。IL7-7-5在受NaCl脅迫后，其幼苗葉片中的MDA和H2O2含量降低，而在施加外源GABA后，其幼苗葉片中的MDA和H2O2含量都有升高趨勢，說明該耐鹽性品種表現(xiàn)出了一定的耐鹽特性，這與王柏柯等［26］的研究結(jié)果一致。有研究［8］表明，外源GABA通過調(diào)節(jié)Na+吸收、氨基酸合成和ROS代謝來緩解鹽脅迫，內(nèi)源GABA主要通過誘導(dǎo)滲透調(diào)節(jié)和抗氧化反應(yīng)來緩解鹽脅迫。在本試驗(yàn)中，IL7-7-5幼苗葉片中的MDA、H2O2含量升高，抗氧化酶（CAT、SOD、POD）活性也升高，這驗(yàn)證了外源GABA可以通過調(diào)節(jié)抗氧化酶系統(tǒng)來緩解鹽脅迫對植株造成的傷害這一結(jié)論。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明：在NaCl脅迫下，施用適宜濃度的GABA可以緩解NaCl脅迫對番茄幼苗表型的影響，緩解植株萎蔫、枯黃等現(xiàn)象，提高番茄幼苗的株高、莖粗、干鮮重等形態(tài)指標(biāo)，顯著增強(qiáng)抗氧化酶的活性。外源GABA能夠緩解NaCl脅迫對番茄幼苗造成的傷害，且呈現(xiàn)出一定的濃度效應(yīng)。M82在15和35 mmol/L GABA濃度處理下緩解鹽脅迫的效果較好；IL7-7-5在25和35 mmol/L GABA濃度處理下緩解鹽脅迫的效果較好。