外源DA-6調(diào)控干旱脅迫下棉花種子萌發(fā)的生理機制

婁 慧, 朱金成, 楊若歡, 李志博, 張 薇

(石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院,新疆石河子 832000)

棉花是我國重要的的經(jīng)濟作物,是天然植物纖維的主要來源。新疆是我國最大的植棉地區(qū),經(jīng)統(tǒng)計部門數(shù)據(jù)表明,2021年新疆棉花播種面積達 250.62萬hm2,占全國棉花種植面積的82.76%;已連續(xù)25年保持單產(chǎn)、總產(chǎn)和調(diào)出量全國第一[1]。植物在整個生育期中,會受到各種生物和非生物脅迫的影響,如蟲害、病害、鹽堿、干旱等。其中,干旱對植物的影響很大[2]。試驗表明,供水不足時會引起植物體內(nèi)的水分和內(nèi)源激素間平衡紊亂,導(dǎo)致氧化傷害以及細胞膜、蛋白質(zhì)的損傷,嚴(yán)重影響作物生長及生理代謝功能。長時間的水分缺失則會嚴(yán)重影響植物生長,使其株高矮小和生物量減少,甚至死亡[3]。新疆是典型的干旱、半干旱地區(qū),干旱脅迫是影響新疆棉花產(chǎn)量穩(wěn)定的關(guān)鍵限制要素之一。因此,明確干旱脅迫對棉花種子萌發(fā)的影響,探尋運用植物生長調(diào)節(jié)劑提高棉花的耐旱性,對提升棉花的產(chǎn)量及品質(zhì),促進新疆棉花長期發(fā)展具有重大意義。

己酸二乙氨基乙醇酯(diethyl aminoethyl hexanoate,簡稱DA-6),是一種廣譜性植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì),具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、易分解、無殘留、價格低廉、使用方便等優(yōu)點,因此深受歡迎[4-5]。大量研究證實,DA-6 能促進作物生長、增強作物的抗逆性[6-7]。噴施9 μg/g DA-6,可顯著增加番茄幼苗的株高和莖粗,以及植株的干質(zhì)量、鮮質(zhì)量[8]。通過外源噴施10 mg/L DA-6,番茄在低夜溫脅迫下的光合能力比對照組有所增強,可以提高其耐寒性[9]。利用DA-6浸種可顯著影響棉花老化種子萌發(fā)及增強低溫脅迫下幼苗的光合特性[10]。DA-6包衣處理可明顯提高干旱脅迫下大豆的抗氧化酶活性,減少丙二醛(MDA)含量,進而保持植物體內(nèi)活性氧的代謝平衡,并增加產(chǎn)量[11]。于小麥開花后6 d噴施6 g/L DA-6,可顯著提高小麥種子的千粒質(zhì)量及蛋白質(zhì)含量,增強其種子活力,表明外源噴施DA-6是提升種子活力的有效途徑[12]。

前人試驗多采用DA-6外源噴施的方式,增加農(nóng)作物產(chǎn)量和種子活力等,然而,關(guān)于使用植物生長調(diào)節(jié)劑DA-6緩解棉花干旱脅迫的報道較少。因此,以海島棉品種新海14號作為試驗材料,研究在模擬干旱脅迫下DA-6對棉花種子萌發(fā)指標(biāo)及生理特性的影響,篩選緩解棉花種子干旱脅迫的DA-6最適濃度,為外源施用DA-6增強棉花種子抗旱性提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以海島棉品種新海14號作為供試材料,DA-6購自鄭州銀海化工有限公司。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2021年3—6月在石河子大學(xué)農(nóng)科樓進行。聚乙二醇(PEG)濃度篩選:取大小一致的棉種,用乙醇(75%)消毒8～10 min,蒸餾水洗滌3次,并晾干。放于鋪有3層濾紙的發(fā)芽盒中,分別加入10 mL不同濃度(5%、10%、15%、20%、25%)的PEG溶液,以蒸餾水作為對照。每盒放40粒棉種,設(shè)3次重復(fù),發(fā)芽盒放置在25 ℃培養(yǎng)箱中。每天定時加適量PEG溶液保持濕潤,并記錄發(fā)芽數(shù)直至發(fā)芽結(jié)束。根據(jù)記錄的發(fā)芽數(shù)據(jù)選出最適PEG濃度。

外源DA-6處理:棉花種子經(jīng)上述方法消毒后,分別用0 (CK)、15、25、50、75 mg/L的DA-6溶液浸種處理24 h,放置于陰涼通風(fēng)處回干至種子原始含水量。放于鋪有3層濾紙的發(fā)芽盒中,并加入10 mL 15% PEG-6000溶液。每盒放40粒棉種,設(shè)3次重復(fù),發(fā)芽盒放置在25 ℃培養(yǎng)箱中。每天加適量DA-6溶液保持濕潤,并記錄發(fā)芽數(shù)直至發(fā)芽結(jié)束。發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)為種皮裂開,胚根突破種皮的胚芽長度超過棉花種子的50%。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 種子發(fā)芽能力的測定 以將培養(yǎng)皿放入培養(yǎng)箱的時間為準(zhǔn),每天同一時間統(tǒng)計發(fā)芽數(shù),直至萌發(fā)結(jié)束。于第3天計算發(fā)芽勢,第7天計算發(fā)芽率。計算公式參考夏軍等的方法[13]。

發(fā)芽勢=第3天的發(fā)芽數(shù)/種子總數(shù)×100%;

(1)

發(fā)芽率=第7天的發(fā)芽數(shù)/種子總數(shù)×100%;

(2)

發(fā)芽指數(shù)(GI)=∑(Gi/i)。

(3)

式中:Gi為在第i天萌發(fā)的種子個數(shù)。

1.3.2 胚根長度的測定 在種子萌發(fā)的最后一天,分別從5個不同濃度處理中取10粒種子,用游標(biāo)卡尺測量其長度,重復(fù)3次。

1.3.3 萌發(fā)種子的干質(zhì)量和鮮質(zhì)量的測定 在種子萌發(fā)的最后一天,分別從5個不同濃度處理中取10粒種子,稱其鮮質(zhì)量,烘干后稱其干質(zhì)量,各重復(fù)3次。

1.3.4 生理指標(biāo)的測定 在種子萌發(fā)的0、3、7 d,選取萌發(fā)程度相近的棉花種子(去掉外殼)3～5 g,用液氮速凍后,置于-80 ℃冰箱中備用。過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT) 、多酚氧化酶(PPO)、超氧化物歧化酶(SOD) 活性,丙二醛(MDA)、可溶性蛋白質(zhì)(SP)、可溶性糖(SS)含量測定參考關(guān)明霄的方法[9]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel軟件進行數(shù)據(jù)處理和作圖,用GraphPad Prism 8軟件進行相關(guān)性與差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度PEG-6000處理對棉花種子萌發(fā)的影響

為篩選合適的PEG-6000濃度作為干旱脅迫處理濃度,本試驗選取了5種不同濃度模擬干旱脅迫。由圖1可知,棉花種子的發(fā)芽率隨著PEG-6000濃度的增加呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢。在5%的PEG-6000脅迫下,種子發(fā)芽率為70.66%,與對照相比,降低了5.07%,但差異不顯著;10%、15%、20%、25%的PEG-6000脅迫下種子的發(fā)芽率均顯著降低,與對照相比分別降低了25.61%、37.94%、54.37%、58.11%。表明PEG-6000濃度越高,對棉花種子萌發(fā)的抑制作用越嚴(yán)重。當(dāng)PEG-6000的濃度為15%時,棉花種子的發(fā)芽率最接近對照組發(fā)芽率的50%,因此,本試驗選擇該濃度作為干旱脅迫處理的最適濃度。

2.2 DA-6浸種處理對干旱脅迫下種子萌發(fā)特性的影響

由表1可知,在15%的PEG-6000模擬干旱條件下,DA-6處理組的發(fā)芽率、發(fā)芽勢及發(fā)芽指數(shù)均顯著高于CK,且隨著DA-6濃度的增加,3個萌發(fā)指標(biāo)均表現(xiàn)出先升后降的變化趨勢。當(dāng)DA-6處理濃度為50 mg/L時,棉花種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢及發(fā)芽指數(shù)均達到最高,分別是75.63%、66.88%、37.49,比對照分別增加124.09%、122.93%、171.67%,但隨著DA-6處理濃度達到75 mg/L時,種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢及發(fā)芽指數(shù)卻與25 mg/L時接近。結(jié)果表明,適宜濃度的DA-6處理能有效減輕干旱脅迫對種子的影響,促進種子萌發(fā);過低或過高濃度的DA-6對干旱脅迫的緩解作用較小。

表1 不同濃度DA-6對干旱脅迫下種子萌發(fā)的影響

發(fā)芽至第7天時,測量種子的胚根長度以及干質(zhì)量、鮮質(zhì)量。從圖2、圖3可以看出,與對照相比,DA-6 處理能顯著增加干旱脅迫下棉花種子胚根長度以及干質(zhì)量、鮮質(zhì)量,且隨著DA-6處理濃度的增加,呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢,在50 mg/L DA-6處理下,種子胚根長度以及干質(zhì)量、鮮質(zhì)量均達最大值,與對照相比,分別增加了116.13%、45.00%、24.61%。表明在干旱脅迫下,適宜的 DA-6 濃度能緩解干旱脅迫對胚根造成的損害,促進種子的生長。

2.3 DA-6浸種處理對干旱脅迫下棉花種子抗氧化酶活性的影響

抗氧化酶SOD、POD、CAT、PPO等對植物生長發(fā)育極為重要,它們的主要作用是去除植物體內(nèi)過多的活性氧,而活性氧會影響植物生長發(fā)育,故而認(rèn)為植物體內(nèi)的抗氧化酶能減輕逆境脅迫造成的損害[6,14-15]。

從圖4可以看出,在干旱脅迫下,棉花種子中POD活性隨著萌發(fā)期的延長均呈逐漸上升的變化趨勢。萌發(fā)3 d和7 d時,DA-6處理組的POD活性都比未使用DA-6的對照顯著提高。種子萌發(fā) 3 d 和7 d時,在50 mg/L DA-6處理下,POD活性均顯著高于其他濃度處理,與CK相比,POD活性分別提高了60.00%和62.16%,表明用 DA-6浸種能顯著提高干旱脅迫下棉花種子中POD的活性,其中 50 mg/L DA-6處理效果最好。

如圖5所示,干旱脅迫下,CK和DA-6 4個濃度處理組的PPO活性在種子萌發(fā)期都呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢。萌發(fā)0 d時,各處理之間PPO活性無顯著差異;萌發(fā)3 d時,PPO活性迅速上升并達到最高,且DA-6處理組的PPO活性均顯著高于CK,與CK相比,PPO活性分別提高了31.75%、22.98%、53.54%、33.08%,其中50 mg/L DA-6處理下種子的PPO活性最高,為998 U/g,表明DA-6浸種能顯著增加干旱脅迫下棉花種子中PPO的活性,且以50 mg/L DA-6處理效果最好。

由圖6可知,CAT活性變化趨勢與PPO活性基本一致。從萌發(fā)0 d開始直至7 d萌發(fā)結(jié)束,棉花種子中CAT活性變化表現(xiàn)為先升高后降低,在萌發(fā) 3 d 時各處理的CAT活性達到最大,分別為17.03、15.80、19.80、17.14 U/g,其中DA-6濃度為 50 mg/L 時,CAT活性與比CK相比提高了64.59%。說明在干旱脅迫下50 mg/L的DA-6處理對CAT活性的增加效果最明顯。

如圖7所示,SOD活性在不同濃度DA-6處理下,從萌發(fā)0 d至7 d均展現(xiàn)出先升高后下降的變化趨勢。DA-6處理下SOD活性高于CK,在萌發(fā)3、7 d 時,50 mg/L DA-6處理下SOD活性分別為289、230 U/g,分別比CK顯著提升了14.23%、36.09%,并且50 mg/L處理下SOD活性均高于其他3個濃度處理。結(jié)果表明,DA-6能有效提升模擬干旱脅迫條件下棉花種子的抗氧化酶活性,進而減輕對種子萌發(fā)抑制的影響及對種子的損傷。

2.4 DA-6浸種處理對干旱脅迫下棉花種子MDA含量的影響

丙二醛(MDA)作為膜脂過氧化過程的生成物質(zhì),它通常被當(dāng)作是膜脂過氧化的指標(biāo),植物體內(nèi)MDA含量的變化能夠在一定程度上反映出干旱脅迫給植物體造成的損傷[16]。從圖8可以看出,干旱脅迫下對照種子中的MDA含量明顯增加,且隨著萌發(fā)時間的延長,其含量持續(xù)上升,萌發(fā)7 d時,其含量達20.20 nmol/g,比0 d的CK增加了55.26%,說明干旱脅迫下會產(chǎn)生植物膜脂過氧化的損傷。DA-6處理組中,除50 mg/L DA-6處理組外,其他3個處理的MDA含量雖隨萌發(fā)時間的延長也呈緩慢上升趨勢,但上升幅度低于CK;DA-6浸種濃度為50 mg/L時,在萌發(fā)3、7 d時,種子中MDA含量均顯著低于同時期的對照,與未進行干旱脅迫時的含量接近,說明DA-6處理能在一定程度上緩解干旱脅迫引起的膜脂過氧化損傷,其中50 mg/L DA-6 處理組的效果較好。

2.5 DA-6浸種處理對干旱脅迫下棉花種子滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

可溶性糖(SS)、可溶性蛋白(SP)作為重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),可起到保持植物體生物膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用[17]。如圖9所示,在干旱脅迫下,隨著棉花種子萌發(fā)期的延長,DA-6處理組和CK種子中SS含量均呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢,且DA-6處理組種子的SS含量均高于CK。萌發(fā)3、7 d,50 mg/L DA-6浸種處理SS含量達到最高,分別為28.00、22.32 mg/g,與同時期CK相比,分別增加了86.67%、81.46%。

可溶性蛋白(SP)與可溶性糖(SS)的含量變化趨勢類似(圖10)。在干旱脅迫下,隨著萌發(fā)期的延長,DA-6處理組和CK種子中SP含量均呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢,且DA-6處理過的種子的SP含量均高于未使用DA-6處理的種子。萌發(fā)3、7 d,50 mg/L DA-6處理的SP含量均極顯著高于同期CK種子中的含量。上述結(jié)果表明,DA-6處理能有效提高干旱脅迫下SS和SP的含量,減輕干旱脅迫對細胞膜的傷害。

3 討論與結(jié)論

3.1 DA-6浸種處理對種子萌發(fā)的影響

種子萌發(fā)是作物生長發(fā)育的第一步,種子能順利發(fā)芽,是植物生存的基本條件。種子萌發(fā)階段是對水分缺失最敏感的時期,干旱會抑制種胚發(fā)育。利用生長調(diào)節(jié)劑作用于植物體,能在一定程度上促進其生長,提高對逆境脅迫的抗性[18]。DA-6作為一種細胞分裂類生長發(fā)育調(diào)節(jié)作用的有機化合物,具有多種功能,有促進植物生長的作用[19]。以向日葵為研究對象,通過試驗發(fā)現(xiàn),DA-6浸種能促進種子萌發(fā),顯著提高種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)以及活力指數(shù)[20]。以水稻種子為研究對象,研究DA-6對種子萌發(fā)的影響,結(jié)果表明DA-6處理能促進水稻種子萌發(fā)[21]。本研究結(jié)果表明,在干旱脅迫下棉花種子的各項萌發(fā)指標(biāo)隨DA-6濃度增加而表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢,進一步證實了 DA-6 對種子萌發(fā)的促進作用,且DA-6濃度為 50 mg/L 時,棉花種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、胚根長度以及生物量均達到最大值。

3.2 DA-6浸種處理對種子抗氧化酶活性的影響

植物面對各種逆境脅迫時會利用自身的抗氧化酶機制進行自我保護,清除活性氧并減輕對細胞膜的傷害[22-23]。通過研究發(fā)現(xiàn),在干旱條件下,DA-6 浸種大豆可減少苗期葉片MDA的積累,提高了抗氧化酶的活性,表明DA-6浸種可增強苗期對不良環(huán)境的抵抗能力[24]。相關(guān)研究表明,使用不同濃度DA-6對水稻苗期進行噴施處理,其中以 5 μg/L 處理效果最好,與對照相比抗氧化酶活性顯著增加,MDA含量有所下降[25]。通過對玉米種子進行24 h的DA-6浸種處理,結(jié)果表明其過氧化氫酶活性與對照組差異明顯,活性顯著增強[26]。本研究發(fā)現(xiàn),與對照相比,棉花種子在不同濃度DA-6浸種處理下均增強了SOD、PPO、CAT、POD活性,DA-6能夠促進棉花種子激活體內(nèi)的抗氧化系統(tǒng),緩解模擬干旱脅迫所引起的膜脂過氧化傷害。此外,本研究還發(fā)現(xiàn),隨著種子萌發(fā)期的延長,棉花種子抗氧化酶活性均表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。本試驗通過對棉花種子MDA含量的測定發(fā)現(xiàn),MDA含量隨著萌發(fā)期的延長逐漸上升,說明干旱脅迫會造成植物體內(nèi)MDA含量上升,造成細胞膜損傷,經(jīng)過DA-6浸種處理的種子體內(nèi)的MDA含量低于對照,且隨著萌發(fā)時間的延長上升幅度顯著低于對照。說明DA-6能在一定程度上延緩干旱脅迫下植物體內(nèi)MDA含量的上升速度,減輕植物體因干旱脅迫所受到的傷害。

3.3 DA-6浸種處理對種子滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

可溶性糖(SS)和可溶性蛋白(SP)是細胞重要的成分,對滲透調(diào)節(jié)起關(guān)鍵作用[25]。研究發(fā)現(xiàn)藜麥種子經(jīng)DA-6浸種處理后,其SS和SP含量顯著高于蒸餾水對照[27]。在低溫脅迫下,通過DA-6浸種可顯著增加棉花老化種子的SS及SP的含量[10]。使用DA-6對玉米種子進行浸種處理,相較于對照組,其SS和SP含量明顯增高[26]。本研究結(jié)果與前人所得結(jié)論相一致,棉花種子的SS和SP含量均隨著發(fā)芽時間的延長表現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢。說明DA-6有利用作物滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累。

綜上所述,不同濃度的DA-6浸種能改善 PEG-6000 模擬干旱脅迫下棉花種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、胚根長以及干鮮質(zhì)量,促進種子萌發(fā),增加種子中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)SS、SP的含量,增強抗氧化酶POD、SOD、PPO、CAT的活性,降低MDA的積累,從而增強對干旱脅迫的抵御能力,其最適合的 DA-6浸種濃度為50 mg/L。