固體基質引發對NaCl 脅迫下青花菜和花椰菜種子萌發和生理生化指標的影響

吳凌云,盧盼玲,沈海斌

(上海市農業科學院設施園藝研究所,上海市設施園藝技術重點實驗室,上海 201403)

土壤鹽漬化作為一種非生物脅迫因子,已成為除干旱外影響作物生長發育和產量的第二大生態逆境。 鹽脅迫是影響作物生產的主要因素[ 1]。 種子萌發和早期幼苗形成在植物生長發育過程中非常關鍵,且對土壤中鹽分敏感[ 2-3]。 鹽脅迫下,種子萌發和早期幼苗生長被抑制,導致出苗率低,生長緩慢,最終產量下降[ 4]。

青花菜和花椰菜是重要的蔬菜作物,富含蛋白質、礦物質、含硫化合物、維生素和抗氧化劑等。 近年來,青花菜和花椰菜栽培面積迅速增加,目前已成為國內外蔬菜市場的主要蔬菜種類之一。

種子引發是一種有效的種子處理技術,經引發的種子活力增加,抗逆性增強,耐低溫,出苗快而齊,成苗率高[ 5]。 引發可以提高種子的抗逆性,當低溫或其他脅迫延遲種子萌發時,引發對種子萌發速率和均一性的提高更加明顯[ 6]。 種子萌發過程中所需要的養料和能量主要來自其自身貯藏物質的轉化與利用,這些物質在種子萌發時水解成簡單的營養物質,并運轉到生長部位作為構成新組織的成分和產生能量的原料[ 7-8]。 在此過程中,淀粉酶催化淀粉水解為可溶性糖,與種子萌發生命活動密切相關[ 9]。 本試驗研究固體基質引發對NaCl 脅迫下青花菜和花椰菜種子萌發以及吸脹種子中淀粉酶活性和可溶性糖含量的影響,旨在為利用種子引發技術提高花菜種子萌發過程中抗鹽脅迫能力提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用青花菜‘滬綠5 號’和花椰菜‘滬松85’種子由上海市農業科學院設施園藝研究所提供。

1.2 固體基質引發

將種子與蛭石按照質量比為1∶1.5 混合,再加入兩者總質量50%的蒸餾水攪拌均勻置于燒杯中,于20 ℃恒溫箱中黑暗條件下引發48 h,引發結束后,用篩子將蛭石篩除,將種子置于25 ℃烘箱內回干2 d。

1.3 種子萌發試驗

以未進行引發處理的種子為對照(CK),把引發的種子和未引發的種子分別放入裝有雙層發芽紙的發芽盒(13 cm×19 cm×16 cm)內,分別加入7 mL 濃度為0 mmol∕L、50 mmol∕L、100 mmol∕L、150 mmol∕L、200 mmol∕L 的NaCl 溶液,放入20 ℃培養箱內進行發芽。 每個處理重復3 次,每個重復50 粒種子。 發芽期內每天兩次計數,以胚根伸出1 mm 為發芽標準。 計算第2 天發芽勢、第6 天發芽率、發芽指數以及平均發芽時間。

發芽勢(GV) =(nt∕N) ×100%,nt為第2 天正常發芽的種子數,N為供試種子數;

發芽率(FGR) =(n∕N) ×100%,n為第6 天正常發芽的種子數,N為供試種子數;發芽指數(GI) =∑(Gt∕Tt),Gt為第t日的發芽種子數,Tt為Gt相對應的發芽時間(d);平均發芽時間(MGT) =∑(Gt×Tt)∕∑Gt。

1.4 生理生化指標的測定

未引發和引發的種子在1.3 條件下培養皿中吸脹1 d 后,取吸脹種子液氮磨粉后,采用試劑盒(蘇州科銘生物技術有限公司)測定α-淀粉酶活性、β-淀粉酶活性和可溶性糖含量,重復3 次。

1.5 數據分析

試驗數據采用Excel 2010 和SPSS 21.0 軟件進行整理和顯著性分析(Duncan’s 多重極差檢驗,P＜0.05)。

2 結果與分析

2.1 固體基質引發對NaCl 脅迫下‘滬綠5 號’和‘滬松85’種子萌發的影響

如圖1 所示,在0—200 mmol∕L NaCl 溶液脅迫下,‘滬綠5 號’種子發芽勢、發芽率和發芽指數隨著NaCl濃度的增加而降低,平均發芽時間隨著NaCl 濃度的增加而增加。 與對照(未引發種子)相比,經固體基質引發的‘滬綠5 號’種子發芽勢、發芽率、發芽指數增加,平均發芽時間減少。 ‘滬松85’也表現出相同的趨勢。以上結果說明,固體基質引發在一定程度上緩解了NaCl 脅迫對青花菜和花椰菜種子活力的影響。

圖1 固體基質引發對NaCl 脅迫下‘滬綠5 號’和‘滬松85’種子萌發的影響Fig.1 Effects of solid matrix priming on seed germination of ‘Hulv No.5’and ‘Husong 85’ under NaCl stress

2.2 固體基質引發對NaCl 脅迫下‘滬綠5 號’和‘滬松85’吸脹種子相關生理生化指標的影響

如圖2 所示,在0—100 mmol∕L NaCl 脅迫下,‘滬綠5 號’吸脹種子中α-淀粉酶活性幾乎沒有變化,當NaCl 濃度增加至150 mmol∕L 和200 mmol∕L 時,‘滬綠5 號’吸脹種子中α-淀粉酶活性顯著增加。 在0—200 mmol∕L NaCl 脅迫下,‘滬松85’吸脹種子中α-淀粉酶活性幾乎沒有變化。 與對照(未引發)相比,經固體基質引發的‘滬綠5 號’和‘滬松85’吸脹種子中α-淀粉酶活性幾乎沒有變化,當NaCl 濃度為150 mmol∕L和200 mmol∕L 時,固體基質引發的‘滬綠5 號’吸脹種子中α-淀粉酶活性表現出降低的趨勢。

圖2 固體基質引發對NaCl 脅迫下‘滬綠5 號’和‘滬松85’吸脹種子相關生理生化指標的影響Fig.2 Effects of solid matrix priming on physiological and biochemical indexes related to imbibed seeds of ‘Hulv No.5’and ‘Husong 85’ under NaCl stress

在0—200 mmol∕L NaCl 脅迫下,‘滬綠5 號’和‘滬松85’吸脹種子中β-淀粉酶活性和可溶性糖含量隨著NaCl 濃度的增加,表現出先增加后降低的趨勢。 與對照(未引發)相比,經固體基質引發的‘滬綠5號’和‘滬松85’吸脹種子中β-淀粉酶活性和可溶性糖含量均顯著增加。

3 結論與討論

種子萌發是植物生長發育的前提,也是植物產量形成的基礎[ 10]。 鹽脅迫是主要的非生物脅迫之一,其對植物所造成的直接傷害表現為種子萌發受到抑制,萌發時間延長,發芽勢和發芽率降低,導致幼苗和根系生長緩慢,生物量下降[ 11-13]。 本研究表明,NaCl 脅迫下,青花菜和花椰菜種子發芽勢、發芽率和發芽指數降低,平均發芽時間增加;固體基質引發提高了NaCl 脅迫下種子發芽勢、發芽率和發芽指數,減少了平均發芽時間。 這與引發提高NaCl 脅迫下番茄、辣椒、棉花、燕麥種子活力的結論一致[ 14-17]。

當種子萌發時,淀粉被淀粉酶分解并轉化為可溶性糖,供幼苗生長[ 18]。 一般情況下,種子在萌發過程中先激活和釋放出束縛態的β-淀粉酶,之后隨著呼吸作用的加強,RNA 控制的蛋白質合成新的α-淀粉酶,由兩種酶共同作用催化淀粉水解[ 19]。 隨著NaCl 濃度的增加,青花菜和花椰菜吸脹種子中β-淀粉酶活性和可溶性糖含量表現出先增加后降低的趨勢。 與對照(未引發)相比,經固體基質引發的‘滬綠5 號’和‘滬松85’吸脹種子中β-淀粉酶活性增加,同時可溶性糖含量提高,這些糖在種子吸脹期間可被用來支持能量及碳代謝。 這與Amooaghaie 等[ 20]報道PEG 滲透調節引發顯著增加了β-淀粉酶活性,同時伴隨著可溶性糖積累結果一致;滲透調節引發增加了淀粉酶活性,種子中含有更多可溶性糖,從而支持代謝活性,刺激種子萌發,提高出苗率。 這也與馮岳等[ 21]報道的水引發提高了小麥種子β-淀粉酶活性結論一致。

本研究表明:在0—200 mmol∕L NaCl 脅迫下,固體基質引發提高了青花菜和花椰菜吸脹種子中β-淀粉酶活性和可溶性糖含量,從而刺激了種子萌發,提高了種子活力。 因此,固體基質引發可作為提高鹽脅迫下青花菜和花椰菜種子活力的一種經濟有效的方法。