外源水楊酸對(duì)低溫脅迫下谷子幼苗生長(zhǎng)的影響

閆 鋒

(黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院齊齊哈爾分院,黑龍江齊齊哈爾 161006)

谷子是一種起源于我國(guó)的古老糧食作物,在我國(guó)已經(jīng)有8 000年左右的種植歷史,對(duì)我國(guó)北方旱作農(nóng)耕文明影響深遠(yuǎn)[1]。谷子具有適應(yīng)性廣、耐瘠薄等特點(diǎn),是典型的環(huán)境友好型作物,也是一種重要的戰(zhàn)略儲(chǔ)備作物[2-3]。黑龍江地處高緯度,由于獨(dú)特的地理環(huán)境導(dǎo)致春季氣溫變化大,倒春寒頻發(fā)[4-5],低溫冷害已成為導(dǎo)致谷子產(chǎn)量低且品質(zhì)差的主要原因,如何緩解春季低溫對(duì)谷子幼苗的傷害是谷子生產(chǎn)中亟待解決的問(wèn)題。因此,研究谷子苗期耐低溫機(jī)制及栽培技術(shù),提高谷子苗期耐低溫能力,對(duì)該地區(qū)谷子的生產(chǎn)具有重要意義。低溫可抑制植物細(xì)胞代謝,從而使活性氧自由基(ROS)大量積累,加劇細(xì)胞膜脂過(guò)氧化損傷[6-7]。植物內(nèi)源激素可以調(diào)控植物的生長(zhǎng)及對(duì)逆境的應(yīng)答[8],水楊酸作為一種廣泛存在于植物組織中的內(nèi)源激素,在植物的抗寒、抗旱、鹽脅迫、重金屬脅迫等非生物脅迫方面起著重要的調(diào)節(jié)作用[9]。外源激素通過(guò)改變內(nèi)源激素水平調(diào)節(jié)植物生理代謝,利用外源激素對(duì)作物預(yù)先處理,被廣泛利用于作物抗逆栽培中[10]。

前人研究發(fā)現(xiàn),可以通過(guò)增加水楊酸在細(xì)胞中的含量,促進(jìn)植物在低溫逆境中的光合作用,進(jìn)而提高植物葉片的光合效率[11-13];提高抗氧化酶活性,減緩細(xì)胞膜脂過(guò)氧化作用,穩(wěn)定膜的結(jié)構(gòu)與功能,增強(qiáng)細(xì)胞膜的抗逆能力,以適應(yīng)低溫逆境的變化[14-16];提高脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量,抵御低溫冷害[17-19]。雖然前人關(guān)于水楊酸對(duì)緩解低溫脅迫作用的機(jī)制做了大量研究,但關(guān)于谷子方面的研究仍鮮見(jiàn)報(bào)道。本試驗(yàn)在前期研究的基礎(chǔ)上,以冷敏感品種魯谷7號(hào)為試材,探討不同濃度外源水楊酸對(duì)谷子遭受低溫冷害的緩解作用,并明確其調(diào)控作用,篩選出最適外源水楊酸濃度,以期為研究水楊酸緩解谷子低溫冷害的作用機(jī)制提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

選用前期試驗(yàn)篩選出的冷敏感谷子品種魯谷7號(hào)為研究材料,該材料由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所陸平研究員提供。水楊酸購(gòu)自天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2022年春季在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院齊齊哈爾分院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,將種子浸入溫水中催芽 12 h,露白后每個(gè)處理挑取100粒飽滿、均勻一致的種子播種于小塑料盆中(每盆播種5粒,20盆作為1個(gè)處理),待谷苗長(zhǎng)到3葉1心時(shí),用濃度為0(T0)、50(T1)、100(T2)、150(T3)、200 mg/L(T4)的水楊酸溶液對(duì)谷子幼苗葉片進(jìn)行葉面噴施處理,施藥處理后2 d將谷子幼苗放入人工氣候箱進(jìn)行低溫處理,脅迫溫度為12 ℃/6 ℃ (晝12 h/夜12 h),以 25 ℃ 噴施清水為對(duì)照,每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù),處理時(shí)間為7 d。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

低溫脅迫7 d時(shí)從各處理隨機(jī)選取10株谷苗進(jìn)行根長(zhǎng)、葉長(zhǎng)(頂二葉)、苗鮮質(zhì)量(地上部)等相關(guān)形態(tài)指標(biāo)的測(cè)定。低溫脅迫處理0、3、5、7 d時(shí),從各處理隨機(jī)選取5株葉片剪碎混合后進(jìn)行相關(guān)生理生化指標(biāo)的測(cè)定,分別參照劉萍等的方法采用酸性茚三酮法測(cè)定脯氨酸含量,采用硫代巴比妥酸法測(cè)定丙二醛(MDA)含量,采用氮藍(lán)四唑法測(cè)定超氧化物歧化酶(SOD)活性,采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定過(guò)氧化物酶(POD)活性[20]。低溫脅迫處理0、3、5、7 d時(shí),從各處理隨機(jī)選取5株,使用CI-340型光合作用測(cè)定儀測(cè)定谷子倒二葉中部位置的蒸騰速率、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 20.0進(jìn)行顯著性分析,用Excel 2019軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源水楊酸對(duì)低溫脅迫下谷子幼苗生長(zhǎng)的影響

由表1可知,低溫脅迫處理7 d時(shí)除了T2處理下苗鮮質(zhì)量與對(duì)照差異不顯著外,其余各處理下谷子幼苗的根長(zhǎng)、葉長(zhǎng)及苗鮮質(zhì)量均顯著低于對(duì)照。不同水楊酸濃度處理下谷子幼苗的根長(zhǎng)、葉長(zhǎng)及苗鮮質(zhì)量均高于T0處理,隨著水楊酸溶液濃度上升,谷子幼苗各形態(tài)指標(biāo)呈先上升后下降的變化規(guī)律,說(shuō)明一定濃度范圍內(nèi)的外源水楊酸可以緩解低溫冷害對(duì)谷子幼苗造成的傷害,但隨著濃度的增加緩解作用逐漸減弱。所有水楊酸處理中以T2處理下谷子幼苗的根長(zhǎng)、葉長(zhǎng)及苗鮮質(zhì)量最大,比T0處理分別增加了26.56%、29.76%、36.36%,說(shuō)明T2處理下低溫對(duì)谷子生長(zhǎng)的抑制作用最小。

表1 外源水楊酸處理對(duì)低溫脅迫7 d 后谷子幼苗生長(zhǎng)的影響

2.2 外源水楊酸對(duì)低溫脅迫下谷子幼苗光合指標(biāo)的影響

2.2.1 水楊酸對(duì)低溫脅迫下谷子幼苗氣孔導(dǎo)度的影響 由圖1可知,脅迫0 d時(shí)各處理間氣孔導(dǎo)度差異不顯著,處理3、5、7 d時(shí)各處理氣孔導(dǎo)度均顯著低于對(duì)照,隨著脅迫時(shí)間延長(zhǎng)谷子幼苗的氣孔導(dǎo)度呈逐漸降低的變化趨勢(shì),且均在處理7 d時(shí)達(dá)到最低,說(shuō)明低溫脅迫逐漸加重。除脅迫0 d外,各水楊酸濃度處理下的氣孔導(dǎo)度均高于T0處理,且差異性顯著,隨著水楊酸處理濃度增加,谷子幼苗的氣孔導(dǎo)度表現(xiàn)為先上升后下降。在脅迫3、5、7 d時(shí),除對(duì)照和T0處理外,以T2處理下氣孔導(dǎo)度最高,T4處理最低,其中T2 處理的氣孔導(dǎo)度均顯著高于其他噴施處理,緩解低溫脅迫效果最好。

2.2.2 水楊酸對(duì)低溫脅迫下谷子幼苗蒸騰速率的影響 由圖2可知,脅迫0 d時(shí)各處理的蒸騰速率與對(duì)照差異不顯著,隨著脅迫時(shí)間延長(zhǎng)谷子幼苗葉片的蒸騰速率逐漸下降,且均在處理7 d時(shí)達(dá)到最低,與對(duì)照相比均顯著降低,說(shuō)明低溫脅迫逐漸加重。隨著水楊酸處理濃度增加,谷子幼苗葉片的蒸騰速率先上升后下降,T2處理下的蒸騰速率最高,在脅迫3、5、7 d時(shí)比T0處理分別高22.86%、21.21%、34.48%。

2.2.3 水楊酸對(duì)低溫脅迫下谷子幼苗凈光合速率的影響 由圖3可知,脅迫0 d時(shí)各處理與對(duì)照凈光合速率差異不顯著,隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),各處理谷子幼苗的凈光合速率逐漸降低,且均在脅迫7 d時(shí)達(dá)到最低,各處理均與對(duì)照差異顯著,說(shuō)明低溫脅迫作用逐漸加重。水楊酸處理組在脅迫5、7 d時(shí)的凈光合速率均顯著高于T0處理,隨著水楊酸處理濃度增加,凈光合速率先上升后下降,說(shuō)明一定濃度的水楊酸溶液能緩解低溫脅迫對(duì)光合作用的抑制。在脅迫3、5、7 d時(shí),除對(duì)照和T0處理外,均以T2處理下凈光合速率最高,T4 處理最低,其T2處理的凈光合速率比T0處理分別高34.96%、50.96%、71.76%。

2.3 外源水楊酸對(duì)低溫脅迫下谷子幼苗生理指標(biāo)的影響

2.3.1 對(duì)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響 由圖4可知,低溫脅迫0 d時(shí)各處理與對(duì)照脯氨酸含量差異不顯著;在脅迫3、5、7 d時(shí),除脅迫7 d的T0處理外,其余各處理的脯氨酸含量均顯著高于對(duì)照,隨著脅迫時(shí)間的推移谷子幼苗中脯氨酸含量均表現(xiàn)為先上升后下降,在脅迫5 d時(shí)達(dá)到最高。與對(duì)照和T0處理相比,噴施不同濃度水楊酸溶液均可使脯氨酸含量顯著升高,表明在低溫脅迫下谷子葉片內(nèi)部迅速合成脯氨酸,且經(jīng)過(guò)水楊酸處理可顯著提高脯氨酸含量,緩解了低溫對(duì)谷子幼苗的傷害。所有處理中,T1和T4處理在低溫脅迫3、5、7 d時(shí)差異均不顯著,T1和T3處理在脅迫7 d時(shí)差異不顯著。低溫脅迫3、5、7 d時(shí),均以T2處理下脯氨酸含量最高,比T0處理分別高66.10%、93.50%、129.77%。

2.3.2 對(duì)膜脂過(guò)氧化程度的影響 由圖5可知,低溫脅迫3、5、7 d時(shí),各處理MDA含量均與對(duì)照差異顯著,隨著脅迫時(shí)間的推移,谷子幼苗葉片中的MDA含量逐漸上升,并在脅迫7 d時(shí)達(dá)到最高。隨著水楊酸處理濃度增加,谷子幼苗葉片中MDA含量先下降后上升,與T0相比,除了T4處理在低溫脅迫7 d外,其余處理均可使MDA含量顯著降低;所有處理中,T3和T4處理在低溫脅迫3、5、7 d時(shí)差異均不顯著,T1、T3、T4處理在脅迫3 d時(shí)差異不顯著,T1、T3處理在脅迫5 d時(shí)差異不顯著。低溫脅迫3、5、7 d時(shí),除對(duì)照處理外,均以T2處理下MDA含量最低,在脅迫3、5、7 d時(shí)T2比T0處理分別降低24.07%、33.08%、33.28%。

2.3.3 對(duì)抗氧化酶活性的影響 由圖6可知,低溫脅迫0 d時(shí)各處理與對(duì)照SOD、POD活性差異均不顯著,隨著脅迫時(shí)間推移,SOD與POD活性均表現(xiàn)為先上升后下降,各處理的SOD與POD活性均在脅迫5 d時(shí)達(dá)到最高且與對(duì)照差異顯著。不同濃度水楊酸處理下的SOD與POD活性差異顯著性有所不同,在脅迫3 d時(shí),T0處理的POD活性與T1、T3、T4處理差異不顯著,在脅迫5、7 d時(shí),T0處理的POD活性與T4處理差異不顯著,在脅迫3、5、7 d時(shí)T0處理的SOD活性與其余各處理均差異顯著。在脅迫3、5、7 d時(shí),均以T2處理的抗氧化酶活性最高。

3 討論

3.1 水楊酸對(duì)低溫脅迫下谷子幼苗生長(zhǎng)的影響

水楊酸可提高植物對(duì)多種生物脅迫及非生物脅迫的抵抗能力[21]。李穎等的研究表明,低濃度水楊酸處理可以有效緩解低溫對(duì)扁蓿豆發(fā)芽、幼苗生長(zhǎng)的抑制作用[22]。張榮萍研究認(rèn)為,水楊酸預(yù)處理可使巨胚稻幼苗抗寒性提高,對(duì)幼苗地上部分和根系生長(zhǎng)具有一定的促進(jìn)作用[23]。本研究表明,在低溫脅迫7 d后,除T2處理下苗鮮質(zhì)量與對(duì)照差異不顯著外,其余各處理在低溫脅迫后谷子幼苗的根長(zhǎng)、葉長(zhǎng)、苗鮮質(zhì)量均低于對(duì)照,說(shuō)明低溫對(duì)谷子幼苗生長(zhǎng)具有顯著的抑制作用。谷子幼苗根長(zhǎng)、葉長(zhǎng)及苗鮮質(zhì)量隨著水楊酸處理濃度的增加表現(xiàn)為先上升后下降,說(shuō)明一定濃度范圍內(nèi)外源水楊酸處理可以有效緩解低溫對(duì)谷子幼苗的脅迫,但隨著濃度的增加緩解作用逐漸減弱,呈現(xiàn)出一定的劑量效應(yīng),這與王星劍等的研究結(jié)果[24]一致。

3.2 水楊酸對(duì)低溫脅迫下谷子幼苗光合指標(biāo)的影響

對(duì)植物光合作用以及植物內(nèi)部光合原件進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)低溫脅迫影響植物生長(zhǎng),并直接影響內(nèi)部光合原件的結(jié)構(gòu)與活性,間接影響光合作用,光合作用的強(qiáng)弱也可以通過(guò)光合參數(shù)反映出來(lái)。楊樸麗等研究認(rèn)為,諾麗幼苗遭遇低溫冷害后,其葉片各項(xiàng)光合指標(biāo)與對(duì)照相比顯著降低[25]。孫玉珺等對(duì)玉米的研究表明,外源水楊酸能提高低溫脅迫下玉米幼苗的凈光合速率[26]。本研究表明,除脅迫0 d外,經(jīng)低溫脅迫處理后谷子幼苗的各項(xiàng)光合指標(biāo)均顯著低于對(duì)照,噴施不同濃度水楊酸溶液后,T1～T4處理各光合指標(biāo)均高于T0處理,說(shuō)明一定濃度范圍內(nèi)的水楊酸溶液能緩解低溫脅迫下谷子幼苗光合指標(biāo)的降低,該結(jié)果與周艷麗等對(duì)甜瓜的研究結(jié)果[11]相一致。

3.3 水楊酸對(duì)低溫脅迫下谷子幼苗細(xì)胞膜的影響

低溫脅迫下植物細(xì)胞膜會(huì)發(fā)生各種膜脂過(guò)氧化反應(yīng),導(dǎo)致細(xì)胞 MDA 含量增加[27]。辛慧慧等研究發(fā)現(xiàn),棉花幼苗經(jīng)過(guò)低溫脅迫后,葉片中MDA含量與對(duì)照相比顯著增加,施用外源水楊酸后,丙二醛的產(chǎn)生受到抑制[28]。本研究表明,各水楊酸濃度處理的谷子幼苗經(jīng)低溫處理后,在脅迫3、5、7 d時(shí),葉片中MDA含量均低于T0處理,這與前人的研究結(jié)果相一致。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是低溫脅迫導(dǎo)致谷子幼苗細(xì)胞膜脂過(guò)氧化,促進(jìn)了丙二醛的大量產(chǎn)生,外源水楊酸的施用保護(hù)了細(xì)胞膜的穩(wěn)定性,維持了細(xì)胞結(jié)構(gòu)的完整性。研究表明,植物細(xì)胞內(nèi)的脯氨酸在植物受到低溫脅迫時(shí)參與抵御作用,脯氨酸含量的增加可以在一定程度上維持細(xì)胞膜的滲透勢(shì),保持水分平衡[29]。本研究表明,與對(duì)照相比,除脅迫0 d外,低溫脅迫下不同水楊酸濃度處理均能提高脯氨酸含量,隨著時(shí)間推移脯氨酸含量均表現(xiàn)為先上升后下降,這可能與谷子葉片逐漸適應(yīng)低溫環(huán)境有關(guān)。

3.4 外源水楊酸對(duì)低溫脅迫下谷子幼苗抗氧化系統(tǒng)的影響

植物在受到低溫脅迫時(shí),細(xì)胞中的活性氧自由基大量積累,造成細(xì)胞損傷,植物可以通過(guò) SOD、POD和 CAT 三者協(xié)同作用清除大量自由基,從而使細(xì)胞內(nèi)氧自由基維持在較低水平[30]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,除脅迫0 d外,各水楊酸處理能夠顯著提高低溫脅迫下谷子葉片的 SOD、POD活性,且抗氧化酶活性隨水楊酸濃度增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。這與秦文斌等的研究結(jié)果[31-32]一致,說(shuō)明適宜濃度外源水楊酸的施用能夠提高低溫脅迫下谷子幼苗的抗氧化酶活性,維持谷子幼苗對(duì)抗活性氧自由基的能力,緩解低溫帶來(lái)的過(guò)氧化傷害,提高幼苗對(duì)低溫的適應(yīng)能力。

4 結(jié)論

低溫脅迫處理7 d時(shí)除了T2處理下苗鮮質(zhì)量與對(duì)照差異不顯著外,其余各處理下谷子幼苗的根長(zhǎng)、葉長(zhǎng)及苗鮮質(zhì)量均顯著低于對(duì)照。除脅迫0 d外,隨著脅迫時(shí)間推移谷子幼苗中脯氨酸含量均表現(xiàn)為先上升后下降;MDA含量表現(xiàn)為持續(xù)升高;抗氧化酶SOD、POD活性均較對(duì)照顯著增強(qiáng),且均表現(xiàn)為先上升后下降的變化趨勢(shì);各光合指標(biāo)均顯著低于對(duì)照,且隨著時(shí)間推移各光合指標(biāo)持續(xù)降低。除脅迫0 d外,與T0處理相比,T1～T4處理下的MDA含量均降低,根長(zhǎng)、葉長(zhǎng)、苗鮮質(zhì)量及脯氨酸含量升高,抗氧化酶活性增強(qiáng),以100 mg/L水楊酸處理對(duì)谷子幼苗低溫脅迫的緩解效果最好。