NaCl脅迫下西瓜種子對蛭石引發(fā)的響應

姚東偉, 刁倩楠, 陸世鈞, 孫 建, 張永平

(1.上海市農(nóng)業(yè)科學院園藝研究所/上海市設施園藝技術(shù)重點實驗室, 上海 201403;2.上海農(nóng)科種子種苗有限公司, 上海 201106)

西瓜(Citrulluslanatus(Thumb.) Matusm &Nakai)是世界十大水果之一,是我國重要的經(jīng)濟作物,栽培面積和產(chǎn)量均居世界首位。西瓜對鹽比較敏感,不耐鹽堿,土壤鹽漬化嚴重影響西瓜的生長和發(fā)育,降低西瓜的產(chǎn)量和品質(zhì)。不少學者在緩解西瓜鹽害的種子處理方法方面進行了探索,耿書德等[1]研究發(fā)現(xiàn),外源褪黑素浸種可以提高鹽脅迫下西瓜幼苗根系活力和凈光合速率,促進幼苗生長;馬廣民等[2]研究發(fā)現(xiàn),水楊酸處理對于西瓜鹽害具有緩解作用,可以促進鹽脅迫下西瓜種子萌發(fā)和幼苗生長;賀滉等[3]研究發(fā)現(xiàn),茉莉酸甲酯、氯化鈣和脯氨酸浸種處理能夠緩解鹽脅迫對西瓜種子的傷害,促進西瓜種子的萌發(fā)。

種子引發(fā)可以加快種子萌發(fā),提高種子在發(fā)芽逆境下的發(fā)芽速度和出苗率[4]。Nawaz等[5]研究發(fā)現(xiàn),砂引發(fā)能夠促進番茄(LycopersiconesculentumMill.)種子在鹽脅迫下的發(fā)芽;Nasri等[6]發(fā)現(xiàn),KNO3引發(fā)可以促進生菜(LactucasativaL.)種子在鹽脅迫下的萌發(fā),提高幼苗磷酸酶和植酸酶活性;Fazlali等[7]發(fā)現(xiàn),利用抗壞血酸引發(fā)可以誘導南瓜(Cucurbitapepovar.styriaca)耐鹽性。適宜萌發(fā)條件下引發(fā)對西瓜種子的促萌作用已有報道[8-10],但引發(fā)對鹽脅迫下西瓜種子萌發(fā)和幼苗生長影響報道較少。本研究通過蛭石引發(fā)西瓜種子,測定不同鹽脅迫水平下西瓜種子萌發(fā)及幼苗相關生理指標的影響,探討蛭石引發(fā)緩解西瓜鹽脅迫的生理機制,為引發(fā)在西瓜生產(chǎn)上應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試西瓜品種為 “小皇冠” “早佳8424”,均來自上海農(nóng)科種子種苗有限公司,引發(fā)蛭石由新疆尉犁新隆有限責任公司提供,種子萌發(fā)袋購于北京啟維益成科技有限公司。

1.2 種子引發(fā)

種子經(jīng)0.1% HgCl表面消毒5 min后, 按照種子和蛭石1∶2質(zhì)量比混合, 再加入蒸餾水,蒸餾水質(zhì)量為種子和蛭石總質(zhì)量的35%, 攪拌均勻置于燒杯中, 在 20 ℃黑暗條件下引發(fā)4 d, 每天進行攪拌。最佳比例和時間通過預實驗篩選測定。引發(fā)結(jié)束后, 用篩子將蛭石和種子分離,再用水沖洗干凈種子, 然后在鼓風干燥箱中35 ℃干燥24 h待用。

1.3 種子發(fā)芽

試驗在上海市農(nóng)業(yè)科學院園藝研究所進行,2022年2月7日進行種子蛭石引發(fā),2月14日進行種子發(fā)芽試驗,分別將2個西瓜品種的未引發(fā)種子和引發(fā)種子放入萌發(fā)袋(大號),每袋25粒種子,每袋分別加入不同濃度(0,50,75,100,125 mmol/L)NaCl溶液40 mL,每袋一個處理,每處理4次重復。發(fā)芽在光照培養(yǎng)箱內(nèi)進行,溫度設置25 ℃恒溫,12 h光照/12 h黑暗循環(huán),光強4 000 lx,相對濕度70%。每日統(tǒng)計發(fā)芽數(shù)(以胚根長度大于1 cm為發(fā)芽標準),第3天統(tǒng)計發(fā)芽勢,第10天統(tǒng)計胚根長、胚芽數(shù)、胚軸長、發(fā)芽率,并進行胚根取樣測定生理指標。

發(fā)芽勢/%=(3 d內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù))×100%;

發(fā)芽率/%=(10 d內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù))×100%;

胚芽數(shù)/%=(10 d內(nèi)子葉長出的發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù))×100%;

胚根長為種子放置位置到根尖的距離,胚軸長為種子放置位置到子葉的距離。

1.4 測定指標

超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、丙二醛(MDA)、過氧化氫(H2O2)、可溶性糖含量的測定參照蘇州科銘生物技術(shù)有限公司試劑盒說明書進行。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel軟件繪圖,顯著性分析采用SPSS 16.0軟件進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 蛭石引發(fā)對NaCl脅迫下西瓜種子萌發(fā)的影響

由表1可知,非鹽脅迫下,2個西瓜品種未引發(fā)處理和引發(fā)處理的種子發(fā)芽率沒有顯著性差異,引發(fā)處理可顯著提高種子發(fā)芽勢及胚根和胚軸長度,“小皇冠”和“早佳8424”引發(fā)處理種子的發(fā)芽勢分別比未引發(fā)處理提高了46%和34%。

表1 引發(fā)對NaCl脅迫下西瓜種子萌發(fā)的影響

隨著NaCl溶液濃度的升高,2個西瓜品種未引發(fā)處理種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢逐漸降低,胚根和胚芽長度逐漸減少。“小皇冠”種子A 1～A 4處理的發(fā)芽率分別比A 0(非鹽脅迫)減少了5%,27%,56%,74%,“早佳8424”種子A 1～A 4處理的發(fā)芽率分別比A 0減少了6%,26%,47%,74%,A 4(125 mmol/L NaCl)處理條件下,“小皇冠”種子胚芽已不能生長,“早佳8424”種子胚芽數(shù)僅6個,說明該濃度下西瓜種子已無法正常萌發(fā),“早佳8424”的耐鹽性好于“小皇冠”。

隨著NaCl溶液濃度的升高,2個西瓜品種引發(fā)處理種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢也表現(xiàn)為逐漸降低,胚根和胚芽長度逐漸減少。“小皇冠”種子B 1～B 4處理的發(fā)芽率分別比B 0(非鹽脅迫)減少了1%,9%,28%,47%,“早佳8424”種子B 1～B 4處理的發(fā)芽率分別比B 0(非鹽脅迫)減少了1%,11%,23%,43%。2個品種引發(fā)處理發(fā)芽率隨NaCl溶液濃度升高下降的幅度低于未引發(fā)處理。在50 mmol/L NaCl條件下,2個西瓜品種引發(fā)處理的發(fā)芽率與正常發(fā)芽條件沒有顯著性差異。100 mmol/L NaCl條件下,“小皇冠”西瓜引發(fā)處理的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、胚根長、胚芽數(shù)分別比未引發(fā)處理提高了29%,21%,61.00%,150.00%;“早佳8424”西瓜引發(fā)處理的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、胚根長、胚芽數(shù)分別比未引發(fā)處理提高了25%,25%,81.54%,56.67%。

2.2 蛭石引發(fā)對NaCl脅迫下西瓜幼苗保護酶活性的影響

由圖1可以看出,非鹽脅迫下,2個西瓜品種胚根中SOD、POD和CAT活性引發(fā)處理顯著高于未引發(fā)處理,其中“小皇冠”西瓜引發(fā)處理胚根中SOD、POD、CAT的活性分別比未引發(fā)處理增加了38.45%,28.00%,60.63%;“早佳8424”西瓜引發(fā)處理胚根中SOD、POD、CAT的活性分別比未引發(fā)處理增加了21.69%,54.39%,92.86%。

注:不同小寫字母表示處理之間的差異顯著(p<0.05)。下同。

鹽脅迫下,未引發(fā)處理的2個西瓜品種胚根SOD酶活性升高,其中“小皇冠”西瓜A 3和A 4處理胚根中SOD酶活性顯著高于A 0;“早佳8424”西瓜4個不同濃度鹽脅迫處理的SOD酶活性差異不顯著。引發(fā)處理的2個西瓜品種胚根的SOD酶活性隨著NaCl溶液濃度的升高而增加,其中B 4處理最高,“小皇冠”和“早佳8424”B 4處理胚根中SOD酶活性分別比B 0增加了206.00%,68.59%,分別比A 0增加了23.66%,105.17%。

NaCl脅迫下,“小皇冠”西瓜未引發(fā)處理和引發(fā)處理胚根POD酶活性均表現(xiàn)為隨著NaCl溶液濃度的升高而增加,其中在50 mmol/L、75 mmol/L、100 mmol/L處理下,引發(fā)處理胚根POD酶活性均顯著高于未引發(fā)處理,分別提高了52.42%、49.27%、15.46%。“早佳8424”種子未引發(fā)處理胚根POD酶活性表現(xiàn)為隨著NaCl溶液濃度的升高而增加,引發(fā)處理胚根POD酶活性表現(xiàn)為隨著NaCl溶液濃度的升高先增后降,其中在50 mmol/L、75 mmol/L的處理下,引發(fā)處理胚根POD酶活性顯著高于未引發(fā)處理,分別提高了43.23%,35.59%;在100 mmol/L的處理下,引發(fā)處理與未引發(fā)處理的胚根POD酶活性差異不顯著;在125 mmol/L的處理下,引發(fā)處理胚根POD酶活性顯著低于未引發(fā)處理。

NaCl脅迫下,“小皇冠”種子未引發(fā)處理和引發(fā)處理胚根CAT酶活性均表現(xiàn)為隨著NaCl溶液濃度的升高而增加,在50 mmol/L、75 mmol/L、100 mmol/L、125 mmol/L的處理下,引發(fā)處理CAT酶活性均相應高于未引發(fā)處理,分別比未引發(fā)處理增加了35.04%,34.03%,29.36%,41.28%。“早佳8424”種子未引發(fā)處理和引發(fā)處理胚根POD酶活性均表現(xiàn)為隨著NaCl溶液濃度的升高先增后降,在50 mmol/L、75 mmol/L、100 mmol/L、125 mmol/L的處理下,引發(fā)處理CAT酶活性相應比未引發(fā)處理分別增加了33.17%,7.90%,55.03%,69.73%。

2.3 蛭石引發(fā)對NaCl脅迫下西瓜幼苗MDA和H2O2含量的影響

由圖2可知,非鹽脅迫下,2個西瓜品種胚根中MDA含量和H2O2含量引發(fā)處理顯著低于未引發(fā)處理,其中“小皇冠”西瓜引發(fā)處理胚根中MDA和H2O2的含量分別比未引發(fā)處理降低了25.68%,42.86%;“早佳8424”西瓜引發(fā)處理胚根中MDA和H2O2的含量分別比未引發(fā)處理降低了35.55%,32.34%。

圖2 引發(fā)對NaCl脅迫下西瓜幼苗MDA和H2O2含量的影響

NaCl脅迫下,“小皇冠”西瓜未引發(fā)處理胚根MDA和H2O2的含量均表現(xiàn)為隨著NaCl溶液濃度的升高而增加,引發(fā)處理胚根MDA和H2O2的含量在相應濃度的NaCl脅迫下均低于未引發(fā)處理。在50 mmol/L、75 mmol/L、100 mmol/L、125 mmol/L的處理下,“小皇冠”種子引發(fā)處理胚根MDA含量分別比未引發(fā)處理降低了21.37%,14.62%,21.22%,26.04%。

“小皇冠”種子引發(fā)處理胚根H2O2含量分別比未引發(fā)處理降低了21.89%,7.69%,22.54%,19.33%;“早佳8424”西瓜引發(fā)處理胚根MDA含量分別比未引發(fā)處理降低了34.44%,18.03%,11.07%,14.58%;“早佳8424”西瓜引發(fā)處理胚根H2O2含量分別比未引發(fā)處理降低了22.86%,6.99%,9.89%,17.27%。

2.4 蛭石引發(fā)對NaCl脅迫下西瓜幼苗可溶性糖含量的影響

由圖3可知,非鹽脅迫下,2個西瓜品種胚根中可溶性糖含量引發(fā)處理顯著高于未引發(fā)處理,“小皇冠”和“早佳8424”西瓜引發(fā)處理胚根中可溶性糖含量分別比未引發(fā)處理增加了103.70%,125.47%。

圖3 引發(fā)對NaCl脅迫下西瓜幼苗可溶性糖含量的影響

NaCl脅迫下,“小皇冠”西瓜未引發(fā)處理胚根中可溶性糖含量增加,A 2～A 4處理間差異不顯著;在50 mmol/L、75 mmol/L、100 mmol/L、125 mmol/L的處理下,“小皇冠”種子引發(fā)處理胚根中可溶性糖含量相應的比未引發(fā)處理分別增加了78.52%,37.77%,60.92%,63.56%。“早佳8424”西瓜A 1～A 4處理胚根中可溶性糖含量顯著高于A 0,但A 1～A 4處理間差異不顯著;“早佳8424”西瓜引發(fā)處理胚根中可溶性糖含量表現(xiàn)為隨著NaCl溶液濃度的升高而增加,且顯著高于相應鹽濃度下的未引發(fā)處理。

3 討 論

本試驗利用種子萌發(fā)袋發(fā)芽的方法測定不同濃度NaCl脅迫下西瓜種子萌發(fā)情況,隨著鹽濃度的增加,西瓜種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、胚根和胚軸長度逐漸下降,這與孫敏紅等[11]的研究結(jié)果一致。隨著NaCl濃度的增加,2個西瓜品種引發(fā)處理的發(fā)芽率也逐漸下降,但下降幅度小于未引發(fā)處理,在50 mmol/L NaCl脅迫下,引發(fā)處理的西瓜種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽率與非鹽脅迫沒有顯著性差異,不同濃度鹽脅迫下,引發(fā)處理的發(fā)芽勢和發(fā)芽率均高于未引發(fā)處理,說明蛭石引發(fā)處理提高了西瓜種子在鹽脅迫下的發(fā)芽能力。

鹽脅迫可以通過氧化脅迫、滲透脅迫和干擾水勢及離子分布穩(wěn)態(tài)等方面影響種子發(fā)芽。鹽脅迫下,細胞內(nèi)產(chǎn)生和消除活性氧(ROS)的動態(tài)平衡被打破,導致ROS大量積累,對細胞造成毒害,引發(fā)可以通過提高植物抗氧化能力緩解鹽脅迫傷害。Nawaz等[5]研究發(fā)現(xiàn),砂引發(fā)能夠提高鹽脅迫下番茄幼苗CAT、POD、SOD和抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性, 減少MDA的積累,從而增強番茄幼苗的耐鹽能力。Chen等[12]研究發(fā)現(xiàn),滲透引發(fā)增強了低溫脅迫下菠菜(Spinaciaoleracea)幼苗抗氧化劑含量,提高了抗氧化能力,促進了菠菜種子在低溫脅迫下的萌發(fā)。本研究中,鹽脅迫下,經(jīng)過引發(fā)處理的2個西瓜品種幼苗胚根中SOD、POD、CAT酶活性提高,說明引發(fā)后西瓜幼苗抗氧化能力增強,2個品種氧化酶活性隨NaCl濃度變化的規(guī)律不完全一致,這可能與品種有關。

NaCl脅迫下,植物體內(nèi)活性氧自由基大量積累,會啟動細胞膜脂過氧化反應,膜脂過氧化使得細胞膜通透性增強,內(nèi)容物滲漏,影響種子發(fā)芽,膜脂過氧化會造成MDA積累,MDA的積累可以看成是細胞膜受到損害遭受氧化脅迫的指示劑。本研究中,經(jīng)過引發(fā)處理的西瓜幼苗胚根中MDA含量不僅在非鹽脅迫下顯著低于未引發(fā)處理,在不同濃度NaCl下均顯著低于未引發(fā)處理,說明引發(fā)處理可以減少膜脂過氧化產(chǎn)物的積累,緩解鹽脅迫對西瓜幼苗的傷害。

細胞內(nèi)H2O2的水平是活性氧過量積累的信號,高水平的H2O2會對細胞造成嚴重傷害。本研究發(fā)現(xiàn),未引發(fā)處理的西瓜幼苗胚根H2O2酶活性隨著NaCl溶液濃度的升高而增加,而經(jīng)過引發(fā)處理的西瓜幼苗胚根H2O2酶活性均顯著低于未引發(fā)處理,且在75～125 mmol/L NaCl濃度下差異不顯著,說明引發(fā)處理能夠減少西瓜幼苗體內(nèi)H2O2的積累,從而緩解鹽脅迫對西瓜幼苗的傷害。

植物對高鹽誘導的滲透脅迫的一種應答方式是滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的合成和積累,有機溶質(zhì)的積累可以降低細胞的水勢,從而吸收更多的水分。阮松林等[13]研究發(fā)現(xiàn)引發(fā)處理提高了鹽脅迫后水稻幼苗可溶性總糖、果糖及水稻幼苗耐鹽指數(shù)。本研究中,無論是非鹽脅迫還是鹽脅迫,經(jīng)過引發(fā)處理的西瓜幼苗胚根中可溶性糖含量顯著高于未引發(fā)處理,說明引發(fā)可以促進西瓜幼苗可溶性糖的積累,減輕鹽脅迫對西瓜幼苗的傷害。

種子引發(fā)是商業(yè)化生產(chǎn)中為促進種子萌發(fā)使用的一種處理技術(shù),有水引發(fā)、滲透引發(fā)、基質(zhì)引發(fā)等不同方法[4,14],研究者一般采用滲透引發(fā)方法將種子浸泡在NaCl、脯氨酸、甜菜堿溶液中處理種子來提高作物耐鹽性[15]。本研究采用蛭石引發(fā)的方法,引發(fā)劑為水,沒有添加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),可以提高西瓜幼苗耐鹽性。西瓜引發(fā)過程中種子含水量控制在30%～35%之間,可以看作是干旱脅迫,引發(fā)過程中可以誘導脅迫反應,引發(fā)結(jié)束后種子被重新干燥,可能存在“脅迫記憶”,誘導交叉耐性,當引發(fā)種子在鹽脅迫條件下萌發(fā)時,產(chǎn)生脅迫反應,從而提高抗鹽性[16]。