外源甜菜堿和脯氨酸對鹽脅迫下大麥種子萌發及幼苗生長的影響

劉麗蘋,汪軍成,司二靜,姚立蓉,魯宗輝,祁天濤,馬小樂,王化俊,李葆春,趙池銘,尚勛武,孟亞雄

(1.甘肅省干旱生境作物學重點實驗室/甘肅省作物遺傳改良與種質創新重點實驗室,甘肅蘭州 730070; 2.甘肅農業大學農學院,甘肅蘭州 730070; 3. 甘肅農業大學生命科學技術學院,甘肅蘭州 730070; 4.甘肅省定西市臨洮農業學校,甘肅定西 730500)

鹽脅迫是限制農業發展的主要環境因素之一,在全世界范圍內,約有20%的耕地受到鹽脅迫的影響[1]。土壤中高濃度的鹽離子會對植物造成鹽脅迫,影響植物正常的代謝過程,降低光合效率,造成農業損失和生態系統惡化[2]。在農作物生長發育的重要時期使用化學物質干預是提高農作物耐鹽性的有效方法之一[3]。

氨基酸及其衍生物能夠有效提高農作物對土壤鹽脅迫的適應性[4]。甘氨酸甜菜堿(glycine betaine,GB)簡稱甜菜堿,是一種廣泛存在于植物體內的生物堿,能夠有效調節植物細胞滲透壓,維持生物膜完整性[5]。農作物響應土壤鹽脅迫時,可利用自身細胞內積累滲透保護物質調節細胞內外滲透平衡,從而緩解鹽脅迫對農作物生長的影響。通常,鹽脅迫下禾本科植物細胞內甜菜堿的積累水平與植物抵抗逆境脅迫的能力成正比[6]。韓志平等[7]發現,不同濃度GB浸種可以降低黃瓜在萌發期的相對電導率和丙二醛含量,有效緩解鹽脅迫對幼苗細胞膜的氧化損傷,且在1.0～10.0 mmol·L-1范圍內,隨著GB濃度的增加,緩解效果越明顯。華智銳[8]研究表明,施加外源GB可以顯著提高鹽脅迫下千屈菜種子萌發、幼苗生長、葉綠素含量和保護酶活性。GB通過調節滲透平衡緩解鹽脅迫對農作物生長發育帶來的損傷,對鹽堿地作物的增產、增收具有重要意義[9]。

脯氨酸(proline,Pro)是一種重要的滲透調節保護劑,具有分子量小、水溶性大的特征,且對細胞無毒害作用,已被廣泛用于緩解植物鹽堿、干旱、低溫等非生物脅迫中[10]。植物在響應逆境脅迫時,可以通過合成大量的Pro調節滲透平衡,穩定原生質膠體和組織代謝,以緩解因環境脅迫引起的損傷,從而提高抗逆性[11]。施用外源Pro可增加植物對逆境的抵御能力和適應性,尤其對鹽脅迫具有較好的緩解效果[4]。陳曉云等[12]研究表明,20～30 μmol·L-1Pro處理下,蕎麥葉片抗氧化酶活性和凈光合速率均顯著提高。陳奮奇等[13]研究表明,施加250 μmol·L-1Pro顯著促進NaCl脅迫下不同玉米品種幼苗根系和地上部生長,提高葉片抗氧化物酶活性,且對鹽敏感品種效應更大。

大麥是世界上最古老的谷類作物,與小麥、水稻等相比,它對鹽脅迫的耐受性更強[14]。但其品種之間的耐鹽性差異很大,深入研究不同耐鹽性品種在關鍵生育時期對鹽脅迫下施加外源物質的響應,對提高大麥耐鹽性具有重要指導意義。本試驗以耐鹽品種中川大麥和鹽敏感品種ZY218為試驗材料,研究其在鹽脅迫下萌發期及苗期表型和理化指標對外源GB和Pro的響應,以期為大麥耐鹽品種選育提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為中川大麥(耐鹽型)和ZY218(鹽敏感型),分別由甘肅省農科院、甘肅省省部共建干旱生境作物學國家重點實驗室麥類育種課題組提供。

1.2 試驗設計

用200 mmol·L-1NaCl 溶液模擬鹽脅迫,GB處理液設0、0.5、1.0、5.0、10.0 mmol·L-1(G0,G0.5,G1,G5,G10)5個濃度梯度,Pro處理液設0、5、15、30、45 mmol·L-1(P0,P5,P15,P30,P45)5個濃度梯度,均用1/2 Hoagland配制。選取大小一致、飽滿的大麥種子,用10% NaClO溶液浸泡10 min,用蒸餾水沖洗3次,并用濾紙吸干表面水分;將消毒后的種子進行萌發試驗和苗期試驗。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 萌發相關指標測定

取1.2中消毒后大麥種子30粒,均勻擺放在墊有雙層濾紙培養皿中,加入5 mL不同處理液在溫室中進行萌發,每個處理3次重復;萌發后第3 天統計發芽勢;發芽第7 天統計發芽率,并測定幼苗株高、根長、芽長和總根數。以芽長等于根長的1/2作為發芽標準。溫室條件:晝/夜溫度23 ℃/18 ℃,濕度 50%～60%,光周期12 h/12 h (明/暗),光強 400～500 μmol·m-2·s-1。

1.3.2 苗期相關指標測定

取1.2中消毒大麥種子50粒,均勻放入底部用蒸餾水浸潤的發芽盒中,溫室內培養至二葉一心期;用10 L不同處理液培養,每2 d更換相應的培養液;14 d后取樣,測定株高、地上和地下部鮮/干重、葉片SOD、POD、CAT活性及葉綠素含量,采用掃根儀(EPSON Expression 12000XL)測定幼苗總根長、總根體積、總根表面積。溫室條件同1.3.1。每個處理3次重復。葉綠素含量采用丙酮提取法測定[15];超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)活性的測定參照李合生[16]的方法;過氧化氫酶(CAT)活性的測定參照高俊鳳[17]的方法。

1.4 數據處理

使用 Excel 2016進行數據統計、作圖,運用SPSS 19.0的Duncans法進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 外源GB和Pro對鹽脅迫下大麥種子萌發的影響

由表1可知,GB對鹽脅迫下兩個大麥品種的根長與根數均無顯著效應,對發芽勢、發芽率和芽長均有顯著提高作用(P< 0.05)。在1.0 mmol·L-1GB處理下,中川大麥和ZY218的發芽勢、發芽率和芽長均達到最大值;中川大麥較其對照(0 mmol·L-1)的發芽勢、發芽率、芽長增加52.2個百分點、49.5個百分點和63.77%;ZY218較其對照的發芽勢、發芽率、芽長分別增加25.2個百分點、24.5個百分點和62.07%。結果表明,1.0 mmol·L-1GB對鹽脅迫下兩個品種萌發促進效應最佳,且主要促進大麥莖的生長,對根的生長影響不顯著。

表1 外源GB對不同耐鹽性大麥種子萌發的影響Table 1 Effect of exogenous betaine on germination of barley seeds with different salt tolerance

Pro對鹽脅迫下兩個品種根生長無顯著效應,對發芽勢、發芽率和芽長均有顯著提高作用(表2)。中川大麥和ZY218的發芽勢、發芽率和芽長分別在30.0和15.0 mmol·L-1Pro處理下達到最大值;中川大麥的發芽勢、發芽率和芽長較大對照分別增加了48.9個百分點、43.3個百分點和61.54%;ZY218的發芽勢、發芽率和芽長分別增加了44.5個百分點、58.9個百分點和70.71%、64.52%。結果表明,30.0 mmol·L-1Pro對鹽脅迫下中川大麥種子萌發促進作用最佳, 15.0 mmol·L-1Pro對鹽脅迫下ZY218種子萌發促進作用最佳;在最適濃度下,ZY218各萌發指標增幅大于中川大麥;Pro處理對2大麥品種根生長影響不顯著,對莖的生長有顯著促進作用。

表2 外源Pro對不同耐鹽性大麥種子萌發的影響Table 2 Effect of exogenous proline on germination of barley seeds with different salt tolerance

2.2 外源GB和Pro對鹽脅迫下大麥幼苗生長的影響

由表3可知,GB對兩個大麥品種的地下鮮重、總根長、總根表面積、總根體積均無顯著效應,對根冠比有顯著降低作用(P< 0.05)。在1.0 mmol·L-1GB處理下,中川大麥和ZY218的根冠比均達到最小值,與對照相比,中川大麥根冠比降低61.43%,ZY218根冠比降低60.80%。GB對兩個品種的株高、地上鮮重有顯著提高作用(P< 0.05)。在1.0 mmol·L-1GB處理下,中川大麥和ZY218的株高、地上鮮重均達到最大值;與對照相比,中川大麥幼苗的株高、地上鮮重分別增加了34.59%、60.73%,ZY218幼苗的株高、地上鮮重分別增加了56.84%、66.68%。結果表明,適量外源GB能有效緩解鹽脅迫對大麥幼苗生長的影響,以1.0 mmol·L-1GB的緩解效果最佳;GB處理對大麥苗期根生長的影響不顯著,對莖生長有顯著促進作用。

表3 外源GB對不同耐鹽性大麥幼苗生長的影響Table 3 Effects of exogenous betaine on the growth of barley seedlings with different salt tolerance

由表4可知,Pro對兩個麥品種的根冠比均無顯著效應,對株高、地上鮮重、地下鮮重、總根長、總根表面積、總根體積有顯著提高作用(P< 0.05)。在30.0 mmol·L-1Pro處理下,中川大麥的被測指標達到最大值,與對照相比,其株高、地上鮮重、地下鮮重、總根長、總根表面積、總根體積分別增加了33.15%、59.41%、58.27%、 53.58%、66.68%、71.42%;在15.0 mmol·L-1Pro處理下ZY218的被測指標達到最大值,其株高、地上鮮重、地下鮮重、總根長、總根表面積、總根體積較CK2分別增加了66.12%、70.18%、 65.17%、34.48%、63.14%、57.48%。以上結果表明,適量外源Pro能有效緩解鹽脅迫對大麥幼苗生長的影響,其生長顯著提高。

表4 外源Pro對不同大麥幼苗生長的影響Table 4 Effect of exogenous proline on the growth of barley seedlings

2.3 外源GB和Pro對鹽脅迫下大麥幼苗葉綠素含量的影響

由圖1A和圖2A可知,GB和Pro處理對兩個大麥品種幼苗的葉綠素含量均有顯著提高作用(P< 0.05)。在1.0 mmol·L-1GB處理下,中川大麥和ZY218的葉綠素含量均達到最大值,與對照相比,中川大麥葉綠素含量增加62.48%,ZY218葉綠素含量增加57.03%。中川大麥和ZY218幼苗的葉綠素含量分別在30.0 mmol·L-1、15.0 mmol·L-1Pro處理下達到最大值;與對照相比,中川大麥增加33.68%,ZY218增加50.57%。這表明適量外源GB和Pro可以有效緩解鹽脅迫對大麥幼苗葉綠素含量的影響,且不同耐鹽性大麥的最適Pro濃度不同。

圖2 外源脯氨酸對不同大麥幼苗生理指標的影響Fig.2 Effect of exogenous proline on physiological indices of barley seedlings

2.4 外源GB和Pro對鹽脅迫下大麥幼苗保護酶活性的影響

由圖 1和圖2可知,GB和Pro處理對鹽脅迫下兩個大麥品種幼苗的3種保護酶活性均有顯著提高作用(P< 0.05)。在1.0 mmol·L-1GB 處理下,中川大麥和ZY218幼苗的3種保護酶活性均達到最大值,中川大麥幼苗的POD、SOD、CAT活性比對照增加了71.98%、43.40%、54.97%,ZY218幼苗的POD、SOD、CAT活性分別增加了80.95%、24.89%、71.01%。中川大麥在30.0 mmol·L-1Pro處理下幼苗的POD、SOD、CAT活性分別比對照增加了 76.01%、37.43%、74.61%;ZY218的POD、SOD、CAT活性在15.0 mmol·L-1Pro處理下幼苗的POD、SOD、CAT活性分別比增加了83.04%、40.00%、66.48%。以上結果表明,適量外源GB和Pro可以有效緩解鹽脅迫對大麥幼苗保護酶活性的影響,且不同耐鹽性大麥的最適Pro濃度不同。

3 討論

3.1 外源甜菜堿、脯氨酸對鹽脅迫下大麥種子萌發的影響

種子萌發期是植物生長最重要的階段,也是耐鹽性最差的階段[18],故提高種子萌發期的耐鹽性十分重要。研究表明,外源甜菜堿能顯著改善黑枸杞[19]、紫花苜蓿[20]和番茄[21]等在鹽脅迫條件下的種子萌發。華智瑞[8]研究發現,外源甜菜堿能顯著提高千屈菜種子在NaCl脅迫下的發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數等萌發指標。本研究中,外源甜菜堿可以顯著提高鹽脅迫下大麥種子的芽長、發芽勢和發芽率,在1.0 mmol·L-1處理下改善效果最顯著,說明適宜濃度的外源甜菜堿可以有效緩解鹽脅迫對大麥種子萌發的抑制,這與前人研究結果一致。外源甜菜堿對萌發期大麥的根長和根數無顯著影響,這可能與甜菜堿的調控特性有關。

脯氨酸作為一種重要的滲透調節劑,在緩解植物鹽脅迫中發揮著重要作用[22]。已有大量研究證實,外源脯氨酸能提高鹽脅迫下不同作物種子的萌發指標,如水稻[23]、高粱[24]和油菜[25]。本研究發現,外源脯氨酸可以有效緩解鹽脅迫對大麥發芽勢、發芽率和芽長的抑制,但對其根系生長影響不顯著。中川大麥和ZY218最適脯氨酸緩解濃度分別為30.0和15.0 mmol·L-1,這可能與兩種大麥耐鹽性差異有關,這與朱世楊等[26]對花椰菜的研究結果一致。顏志明等[27]發現,同一濃度的外源脯氨酸對不同耐鹽性甜瓜的鹽脅迫的緩解效果不同。因此,在實際生產中,施加外源脯氨酸緩解作物鹽脅迫時,不同品種選用其適宜的處理濃度。

3.2 外源甜菜堿和脯氨酸對鹽脅迫下大麥幼苗生長的影響

鹽脅迫會嚴重抑制作物幼苗的生長,作物也會分泌甜菜堿和脯氨酸等有機滲透調節物質以響應鹽脅迫[28]。楊曉云等[29]研究發現,外源甜菜堿可有效促進NaCl脅迫下玉米幼苗根系和地上部的生長。談建中等[30]研究發現,通過葉片噴施脯氨酸也可顯著緩解鹽脅迫對桑樹幼苗生長的抑制作用。本研究發現,鹽脅迫下施加1.0 mmol·L-1甜菜堿可顯著提高不同耐鹽性大麥幼苗的株高和地上鮮重,且在鹽敏感型品種ZY218的增幅高于耐鹽品種中川大麥,這可能是由于鹽敏感型品種在鹽脅迫下受到更強烈的抑制作用;不同濃度甜菜堿處理對苗期大麥的地下鮮重、總根長、總根體積、總根表面積無顯著影響,而根冠比均低于對照組,這與高 雁等[31]研究一致,推測外源甜菜堿主要通過緩解鹽脅迫對莖生長的抑制調控植株根冠比以響應鹽脅迫。本研究發現,外源脯氨酸不僅緩解了鹽脅迫對不同耐鹽性大麥地上部生長的抑制,同時顯著促進了根系的生長,這說明脯氨酸在參與大麥苗期鹽脅迫響應時可以同時調控根系和地上部的生長。兩種耐鹽性大麥在苗期的最適脯氨酸濃度存在差異。

3.3 外源甜菜堿和脯氨酸對鹽脅迫下大麥幼苗葉綠素含量的影響

葉綠素是植物進行光合作用的主要色素,其含量可作為衡量葉片光合能力的指標[32]。有研究表明,鹽脅迫可降低水稻[33]、番茄[34]、黃瓜[35]等多種植物的葉綠素含量。尹海龍等[36]研究發現,鹽脅迫下,玉米幼苗葉片葉綠素含量顯著下降,但根施甜菜堿可明顯緩解這種抑制作用。與上述結果一致,本研究發現,不同濃度甜菜堿可有效緩解鹽脅迫對不同耐鹽性大麥葉綠素含量的影響 ,1.0 mmol·L-1甜菜堿處理的緩解效果最為顯著。這表明適宜濃度的甜菜堿可通過提高大麥幼苗葉綠素的含量改善光和效率,從而增強抗鹽性。外源脯氨酸在緩解鹽脅迫對植物葉綠素含量的影響方面也起著積極作用。唐依萍等[37]研究發現,鹽脅迫下施加一定濃度的外源脯氨酸可以延緩番茄葉片葉綠素含量的下降趨勢。本研究發現,不同濃度脯氨酸可有效緩解鹽脅迫對大麥幼苗葉綠素含量的影響,但不同耐鹽性大麥的適宜濃度存在差異。這與洪春桃等[38]研究結果一致。

3.4 外源甜菜堿、脯氨酸對鹽脅迫下大麥幼苗抗氧化酶活性的影響

鹽脅迫會導致作物幼苗積累大量活性氧(ROS),而植物主要通過增加SOD、POD以及CAT等酶活性清除體內過多的ROS[39]。本研究結果表明,在鹽脅迫下施加不同濃度的甜菜堿顯著增加了不同大麥品種幼苗葉片的POD、SOD和CAT活性,在1.0 mmol·L-1濃度時效果最顯著。這說明外源甜菜堿可以通過增加大麥的抗氧化能力緩解鹽脅迫對大麥幼苗生長的抑制作用。這與凌欣聞等[40]對早熟禾的研究結果一致。陳曉云等[13]研究發現,外源脯氨酸處理可以顯著降低鹽脅迫下蕎麥葉片的質膜透性和MDA含量,增加POD、SOD 活性,且對鹽敏感蕎麥葉片細胞具有更好的保護作用。與上述結果一致,本研究發現不同濃度脯氨酸可有效緩解鹽脅迫對不同耐鹽性大麥POD、SOD、CAT活性的影響,且對鹽敏感品種ZY218葉片保護酶的緩解效果較好。結果表明,外源甜菜堿和脯氨酸不僅可以直接參與植物鹽脅迫下細胞滲透壓的調節,還能通過調節抗氧化酶系統參與大麥幼苗的鹽脅迫響應。