外源亞精胺對鹽脅迫下馬鈴薯幼苗生長和抗逆生理特征的影響

劉 易,江應紅,王亞玲,楊茹薇,吳 燕

(新疆農業科學院綜合試驗場,烏魯木齊 830013)

土壤鹽漬化導致土壤生產力降低[1],影響全球糧食安全,嚴重地區減產幅度高達97%[2]。鹽脅迫造成植物膜結構和功能發生變化[1],嚴重影響作物生長和發育,導致作物產量和品質下降。馬鈴薯是中國第四大糧食作物,是糧、菜、飼兼備的作物,具有較高的經濟價值和營養價值。然而,土壤鹽漬化、干旱、溫度等非生物脅迫嚴重制約著馬鈴薯產業發展[3]。如何提升馬鈴薯植株耐鹽性,保證其在鹽漬化土壤中的生存能力,是保障鹽漬化區域馬鈴薯種植提質增效的有效途徑。

多胺(polyamine,PAs)包括精胺(Spm)、亞精胺(Spd)、腐胺(Put),是生物體內具有生理活性的低分子量脂肪族含氮堿,在植物生長、形態建成、防止衰老和抵抗環境脅迫等方面起重要作用。在逆境脅迫下,植物可通過改變體內多胺含量穩定細胞膜結構,緩解氧化壓力,保護生物大分子結構并參與逆境脅迫信號傳遞[4-5]。在鹽脅迫條件下,Spd可以緩解植物代謝紊亂[6]、減輕氧化損傷[7]、維持正常的光合效率[8],促進植物生長。但Spd對鹽脅迫下馬鈴薯植株,以及不同耐鹽性馬鈴薯品種對Spd的響應差異等機理研究尚未有報道。因此,本研究以不同耐鹽程度的馬鈴薯品種‘晉薯16 號’、‘冀張薯12號’幼苗為試驗材料,采用不同濃度NaCl模擬鹽脅迫處理,探究Spd增強馬鈴薯幼苗耐鹽性的生理調節機制,了解不同耐鹽性馬鈴薯品種對Spd的響應差異,以期為亞精胺在馬鈴薯抗鹽栽培中實際應用,以及鹽漬化區域馬鈴薯品種選擇提供理論依據,促進鹽漬化區域馬鈴薯產業的可持續發展。

1 材料和方法

1.1 供試材料與試驗設計

1.1.1幼苗培養

試驗于2021年5月-2022年6月在新疆農業科學院綜合試驗場組培實驗室和網室內進行。以本研究團隊前期確定的中度耐鹽品種‘晉薯16號’、輕度耐鹽品種‘冀張薯12號’[9]為供試材料,脫毒苗由新疆農業科學院綜合試驗場通過莖尖剝離、擴繁等流程繁育。篩選長勢一致無病毒感染的馬鈴薯脫毒苗,根部用 0.1% HgCl2消毒 5 min,再用蒸餾水沖洗干凈后,均勻扦插在底部有孔、裝有蛭石的硬質塑料苗盤(每盤 50 株,苗盤高 20 cm,長 40 cm,寬 25 cm)中,于人工氣候培養箱中[(25/20±1) ℃],光照14 h/黑暗10 h,相對濕度 60%～70%)培養,期間每 3 d用 1/4 Hongland 營養液澆灌1次。待幼苗第3片真葉展開時,拔除長勢差和太密集的幼苗,從人工氣候箱中取出轉為網室內自然培養,自然培養 2 周后,每盤定苗 32 株。

1.1.2Spd溶液配制

亞精胺(Spd)為 Sigma 公司產品,先用去離子水配成 100 mmol/L母液,4 ℃保存,稀釋成相應濃度待用。

1.1.3試驗處理

為了得到馬鈴薯幼苗外源Spd處理的適宜濃度和NaCl脅迫適宜濃度,經過查閱文獻進行相關預試驗。其中,NaCl脅迫下外源Spd噴施濃度預試驗設置0.3,0.6,0.9,1.2 mmol/L 4個Spd濃度梯度,結果表明0.9 mmol/L Spd濃度對鹽脅迫的緩解效果最明顯,且對正常條件下馬鈴薯幼苗沒有傷害;馬鈴薯幼苗對鹽脅迫的響應預試驗設置25～500 mmol/L NaCl濃度,結果表明100～300 mmol/L NaCl脅迫條件下馬鈴薯幼苗表現出生長減弱、失綠、萎蔫現象,但未出現死亡。參考以上預試驗結果,設定本試驗Spd和NaCl濃度處理。

試驗共設置8個處理:(1)CK,對照,1/4 Hoagland 營養液+葉面噴施蒸餾水;(2)S,單獨Spd處理,1/4 Hoagland 營養液+葉面噴施Spd(0.9 mmol/L);(3)-(5)N100、N200和N300,單獨鹽處理,1/4 Hoagland 營養液+NaCl溶液(100,200,300 mmol/L)+葉面噴施蒸餾水;(6)-(8)SN100、SN200、SN300,Spd和鹽復合處理,1/4 Hoagland 營養液+NaCl溶液(100,200,300 mmol/L)+葉面噴施Spd(0.9 mmol/L)。

當馬鈴薯脫毒幼苗長至 4～5 片真葉時,于每天10∶00 和 16∶00 各葉面噴施1次處理液,每盤每次噴施量為10 mL,以葉片正反面都無溶液滴下為標準,共連續處理 7 d。每個試驗處理32株馬鈴薯幼苗,設置5次重復,各試驗處理隨機排列;馬鈴薯幼苗處理結束后生長10 d取部分樣品進行非損傷測試,剩余樣品選取植株自上而下的第2～3 片功能葉進行植株生物量、滲透調節物質含量、抗氧化酶活性及抗氧化物質含量等指標的測定,樣品用去離子水洗凈,放液氮中速凍后,置于-80 ℃冰箱中保存待測,每次取樣 8 株,每個指標測定3 次重復。

1.2 測定項目與方法

1.2.1生長指標

(1)株高和莖粗:用直尺測量幼苗的第1片子葉著生點到生長點的距離作為幼苗株高;用游標卡尺測定同期幼苗距離子葉節下1 cm 處莖部直徑作為莖粗;(2)鮮重和干重:將幼苗地上、地下部分分開,迅速用蒸餾水洗凈并吸干表面水分,稱取鮮重后,先在110 ℃烘箱殺青10 min,之后轉至75 ℃ 烘干至衡重,稱干重。地上部鮮重和干重以8株幼苗的平均值表示。

1.2.2根系活力和葉綠素含量

根系活力采用 TTC 法測定[10];葉綠素含量采用乙醇、丙酮浸泡法提取,分光光度計測定其吸光度并計算其含量[10]。

1.2.3滲透調節物質含量

幼苗脯氨酸含量采用酸性茚三酮比色法測定,可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定,氨基酸總量采用茚三酮顯色法測定[11]。

1.2.4抗氧化酶活性及抗氧化物質含量

幼苗超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍四唑(NBT)光化還原法測定[12];過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)活性按張志良等[10]方法測定;抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性按照 Nakano 等的方法測定[13];抗壞血酸(ASA)和谷胱甘肽(GSH)含量參照陳建勛等[14]方法測定。

1.3 數據分析

數據處理使用Excel 2010軟件,使用SAS 8.1軟件進行方差分析和Duncan多重比較。

2 結果與分析

2.1 葉面噴施Spd對鹽脅迫下馬鈴薯幼苗生長的影響

圖1顯示,與CK 相比,單獨Spd處理(S處理)的“晉薯16號”、“冀張薯12號”植株株高、莖粗、鮮重、干重等生長指標均不同程度提高,其中株高、鮮重的增幅顯著(P＜0.05)。

圖1 外源亞精胺對鹽脅迫下馬鈴薯幼苗生長的影響CK.Spray distilled water on leaf surface;S.The leaf surface was sprayed with 0.9 mmol/L Spd;N100_N300.The leaves were treated with distilled water sprayed under 100,200 and 300 mmol/L NaCl stress.SN100-SN300.Under 100,200,300 mmol/L NaCl stress,0.9 mmol/L Spd was sprayed on the leaves.The different lowercase letters for same cultivar indicate significant difference among treatments at 0.05 level (P＜0.05).The same below.Fig.1 Effects of exogenous spermidine on the growth of potato seedlings under salt stress

各濃度單獨鹽脅迫處理(N100、N200、N300)的2個品種馬鈴薯幼苗生長指標均比CK 顯著降低,且降幅隨著鹽脅迫濃度的增加而增大。其中,在N300處理下,幼苗株高、鮮重和干重在‘晉薯16號’中較CK 分別顯著降低32.17%、41.18%、32.18%,在‘冀張薯12 號’分別顯著降低25.38%、38.46%、36.05%。可見,在本試驗條件下,外源Spd對馬鈴薯幼苗的生長有促進作用,而不同程度的鹽脅迫均顯著抑制了幼苗的生長,尤其是株高和鮮重表現得更為明顯。同時,與單獨鹽脅迫相比,Spd復合處理(SN100、SN200、SN300)均促使鹽脅迫下兩品種幼苗的生長指標顯著增加(個別處理的莖粗除外),但其增幅在不同程度鹽脅迫處理間存在差異。其中,‘晉薯16號’植株株高、莖粗、鮮重、干重的增幅分別在SN100、SN300、SN300、SN200處理時達到最大,分別較相應的單獨鹽脅迫處理顯著增加25.38%、4.80%、15.00%、36.92%;‘冀張薯12號’植株以上各指標增幅均在SN100處理時達到最大,分別較相應單獨鹽脅迫處理顯著增加30.31%、5.51%、18.52%、32.86%。以上結果表明,外源Spd可緩解鹽脅迫對馬鈴薯植株的生長抑制,但緩解作用在不同耐鹽性品種間有差異。外源Spd對馬鈴薯植株鹽害的緩解作用在100 mmol/L鹽脅迫(N100)下表現為輕度耐鹽品種‘冀張薯12號’優于中度耐鹽品種‘晉薯16號’,在200 mmol/L 鹽脅迫(N200)下則表現相反。

2.2 葉面噴施Spd對鹽脅迫下馬鈴薯幼苗葉綠素含量和根系活力的影響

2個馬鈴薯品種幼苗葉綠素含量和根系活力在各處理下的變化特征與生長指標基本一致,即在單獨Spd處理下得到不同程度促進,在不同程度單獨鹽脅迫下均受到顯著抑制,在復合Spd處理下均得到不同程度恢復,恢復程度在品種間和鹽脅迫程度間存在差異(圖2)。其中,S處理對幼苗葉綠素含量和根系活力的促進作用除‘冀張薯12號’的葉綠素含量外均達到顯著水平;各濃度鹽脅迫(N100、N200、N300)植株葉綠素含量和根系活力的降幅均達到顯著水平,且降幅隨著鹽脅迫程度增加而增大,‘晉薯16號’和‘冀張薯12號’在N300處理下葉綠素含量分別比CK 降低70.04%、67.47%,根系活力分別比CK 降低50.31%、59.72%。復合Spd處理葉綠素含量和根系活力均高于相應單獨鹽脅迫處理,且大多差異顯著;在SN200處理下,Spd 對鹽脅迫下‘晉薯16號’和‘冀張薯12號’葉綠素含量和根系活力的促進作用均較大,其葉綠素含量分別較N200處理顯著提高40.88%、77.10%,根系活力則較N200處理分別顯著提高40.85%、88.39%,即“冀張薯12號”的提升幅度均顯著高于“晉薯16號”。

圖2 外源亞精胺對鹽脅迫下馬鈴薯幼苗葉綠素含量和根系活力的影響Fig.2 Effects of exogenous spermidine on chlorophyll content and root activity of potato seedlings under salt stress

2.3 葉面噴施Spd對鹽脅迫下馬鈴薯幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

首先,與CK 相比,2 個馬鈴薯品種幼苗葉片SOD、POD、CAT、APX 活性在S 處理下均不同程度增加,且APX 和SOD 活性增幅達到顯著水平(圖3)。其次,與CK 相比,各酶活性在低濃度鹽脅迫下大多表現出增強趨勢,在高濃度脅迫下均表現出降低趨勢。其中,‘晉薯16號’幼苗葉片SOD、POD、CAT 活性在N100、N200處理下均顯著高于CK,在N300處理下顯著低于CK,而其APX 活性在N100處理下稍高于CK,在N200和N300處理下均大幅顯著低于CK。就‘冀張薯12號’幼苗而言,N100處理葉片的SOD、POD 和CAT 活性均顯著高于CK,此時其APX 活性稍高于CK,并以CAT 活性增幅最大(147.03%);N200處理葉片的CAT 活性仍顯著高于CK 約127.60%,SOD 活性稍高于CK,其POD和APX 活性均顯著低于CK;N300處理葉片的SOD活性與CK 相近,其余酶活性均顯著低于CK。

圖3 外源亞精胺對鹽脅迫下馬鈴薯幼苗葉片抗氧化物酶活性的影響Fig.3 Effects of exogenous spermidine on antioxidant enzyme activities in leaves of potato seedlings under salt stress

另外,與單獨鹽脅迫處理相比,Spd復合處理幼苗葉片SOD、POD、CAT、APX 活性大多顯著提高(僅‘晉薯16號’葉片POD 活性在SN100處理下受到顯著抑制),但增加幅度在不同品種間和鹽脅迫程度間存在差異。其中,‘晉薯16號’幼苗葉片POD、CAT 和APX活性均在SN200處理下達到最高,較相應的N200分別顯著提高16.69%、37.36%和137.08%,而‘冀張薯12號’上述3種酶活性均在SN100處理下達到峰值,較相應的N100處理分別顯著提高15.19%、66.34%和96.29%;‘晉薯16號’和‘冀張薯12號’幼苗的SOD 活性則均在SN100處理下達到峰值,較相應N100處理分別顯著提高1.12倍和2.32倍,且Spd對各濃度鹽脅迫下‘冀張薯12號’SOD 活性促進程度均高于‘晉薯16號’。以上結果說明,馬鈴薯耐鹽性與抗氧化酶活性強弱相關,中度耐鹽品種‘晉薯16號’抗氧化酶活性高于輕度耐鹽品種‘冀張薯12 號’;外源Spd能通過提高SOD、CAT、POD 和APX 等抗氧化酶活性來減少活性氧產生,改善鹽堿脅迫下馬鈴薯葉片的膜保護功能,提高馬鈴薯幼苗對鹽脅迫的抗性。

2.4 葉面噴施Spd對鹽脅迫下馬鈴薯幼苗葉片抗氧化物質含量的影響

由圖4可知,S處理的‘晉薯16號’葉片ASA含量比CK 顯著增加,其GSH 含量比CK 顯著降低,而S處理的‘冀張薯12號’葉片ASA 和GSH含量均與CK 無顯著差異。各濃度鹽脅迫處理(N100、N200、N300)的‘晉薯16號’、‘冀張薯12號’葉片ASA 和GSH 含量均較CK 顯著降低,且鹽脅迫越嚴重降幅越大,在N300處理下,兩品種ASA 含量降幅分別為28.91%和48.01%,GSH 含量降幅分別為50.87%和51.44%。復合Spd處理葉片ASA含量均比相應濃度鹽脅迫處理不同程度提高,且僅‘冀張薯12號’SN300處理增幅未達顯著水平;隨鹽脅迫程度增加,‘晉薯16號’葉片 ASA 含量逐漸顯著增加,而“冀張薯12 號” ASA 含量逐漸顯著降低。葉片GSH 含量在各復合Spd處理下變化趨勢完全不同,與相應單獨鹽脅迫相比,SN100處理下‘晉薯16號’顯著降低,而‘冀張薯12號’顯著升高68.94%,SN200處理下兩品種均稍有升高,SN300處理下兩品種均顯著降低。

圖4 外源亞精胺對鹽脅迫下馬鈴薯幼苗葉片抗氧化物質含量的影響Fig.4 Effects of exogenous spermidine on the antioxidant contents in leaves of potato seedlings under salt stress

2.5 葉面噴施Spd對鹽脅迫下馬鈴薯幼苗葉片滲透調節物質含量的影響

植物體內較高的可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸水平可使其維持更低的滲透勢,從而增強抗逆性[15]。由圖5 可知,單獨Spd 處理僅使‘晉薯16號’葉片的可溶性蛋白顯著增加,而對兩個品種葉片其他滲透調節物質含量均沒有顯著影響。在鹽脅迫條件下,兩品種葉片可溶性蛋白、脯氨酸、可溶性糖含量均比CK 顯著增加,且隨鹽脅迫程度增加大多呈現先增高后降低的趨勢。復合Spd處理下兩品種葉片脯氨酸和可溶性糖含量大多比相應鹽脅迫處理顯著升高,而其葉片游離氨基酸含量大多比相應鹽脅迫處理顯著降低,但各品種和鹽濃度的升降幅度不同。其中,‘晉薯16號’、‘冀張薯12號’葉片脯氨酸和可溶性糖含量均在SN200處理達到峰值,與相應鹽脅迫處理相比,它們脯氨酸含量增幅分別以SN300、SN100處理增幅最大,分別達到118.57%和132.29%,可溶性糖含量增幅均以SN100處理最高,分別到達47.75%和85.29%,‘冀張薯12號’的增幅比‘晉薯16號’更大;‘晉薯16號’和‘冀張薯12號’葉片游離氨基酸含量分別在SN200和SN100處理下降至最低,分別較相應鹽脅迫處理顯著降低74.50%和52.38%,‘晉薯16號’降幅更大。

圖5 外源亞精胺對鹽脅迫下馬鈴薯幼苗葉片滲透調節物質含量的影響Fig.5 Effects of exogenous spermidine on osmotic regulatory substance contents in leaves of potato seedlings under salt stress

以上結果說明外源Spd主要通過增加葉片滲透調節物質脯氨酸和可溶性糖含量來增強了馬鈴薯幼苗的耐鹽性。

3 討論

鹽脅迫是影響植物生長發育及產量的主要非生物脅迫之一,近年來研究發現 Spd 通過調控生長發育、改變光合性能、清除活性氧、積累滲透調節物質等機制改善植株對鹽脅迫的耐受性[16-19]。然而關于外源Spd對不同鹽脅迫程度和耐鹽性馬鈴薯品種的表型、生理生化影響的相關研究鮮見報道。因此,本研究以中度耐鹽品種‘晉薯16號’和輕度耐鹽品種‘冀張薯12號’幼苗為材料,在不同鹽濃度脅迫下考察葉面噴施Spd對其生長及抗逆生理指標的影響,探討外源Spd 增強馬鈴薯耐鹽性的生理機制。

鹽脅迫對植株莖生長的影響表現為株高降低、生物量減少,對其根系的影響表現在根系活力的降低,根系數量減少,根系長度變短,對其葉片的影響表現在萎蔫、發黃等表觀形態變化[20-22]。有研究顯示外源 Spd 可緩解鹽脅迫對植株光系統結構和功能的損傷,促進光合作用,提高光合效率,從而改善植株生長,提高植株生物量、葉面積等生長指標[23-26]。本研究結果表明,不同程度鹽脅迫均抑制了馬鈴薯株高、干重、鮮重、根系活力、葉綠素含量;噴施 Spd 可提升馬鈴薯幼苗葉綠素含量,促進光合作用,增加干物質積累,該結果與上述研究一致。但不同耐鹽性馬鈴薯品種間、鹽脅迫程度間對 Spd 的響應存在差異,外源Spd 對‘晉薯16號’、‘冀張薯12號’鹽脅迫傷害的緩解效果分別在200,100 mmol/L NaCl脅迫時最顯著。

植物抗氧化系統分為酶促和非酶促兩類。酶促類包括POD、CAT、谷胱甘肽還原酶(GR)、SOD、單脫氫抗壞血酸還原酶(MDHAR)等;非酶促類包括類胡蘿卜素(Car)、GSH、ASA 和甘露醇等。兩類抗氧化系統共同維持植物體內活性氧代謝平衡,提高植物抗逆性[27]。多胺可與抗氧化酶系統結合阻止脂質氧化以抵抗氧化脅迫[28],緩解氧化脅迫對植物的傷害。前人研究表明,鹽脅迫下Spd 可提高甜高粱[24]、大豆[29]、葡萄[17]等抗氧化酶活性,以修復植物細胞膜結構,保持細胞內環境穩定,減輕鹽脅迫導致的氧化損傷。Spd對鹽脅迫下植物抗逆生理指標的影響與作物品種、鹽分濃度有關。本研究結果表明,100,200 mmol/L NaCl脅迫下馬鈴薯植株葉片抗氧化酶SOD、POD、CAT、APX 等活性顯著提高,但300 mmol/L NaCl脅迫下各酶活性下降,表明當鹽分脅迫大于植株自身防御能力的閾值時,會造成細胞結構和功能的損傷。同時,本研究中馬鈴薯植株葉片非酶促類抗氧化系統的ASA、GSH 含量在受到鹽脅迫后均顯著下降,推測鹽脅迫在抑制ASA合成速度的同時,ASA 作為抗氧化劑參與了自由基的淬滅而自身被氧化;而GSH 作為胞內過氧化物的重要清除劑,在ROS清除過程中損耗。外源Spd對正常生長條件下的馬鈴薯葉片SOD、CAT、APX、POD等活性均呈現出低濃度促進,高濃度抑制的趨勢;在鹽脅迫條件下,外源Spd處理‘晉薯16號’葉片SOD、CAT、APX 活性以及‘冀張薯12號’葉片SOD、CAT、APX、POD 等活性均較單純鹽脅迫顯著提高,且葉片ASA 含量也顯著高于單純鹽分處理,這表明外源Spd可誘發和激活保護性反應,提高鹽脅迫下馬鈴薯幼苗活性氧清除能力,緩解氧化損傷,這與前人研究結果一致。

同時,在鹽脅迫條件下,植株通過積累如脯氨酸、可溶性糖等滲透調節物質來維持體內滲透壓的平衡,從而提升吸收外界水分,減少自身水分滲出的能力。有研究表明Spd作為信號分子,在鹽脅迫下能通過信號轉導誘導滲透調節相關基因的表達,促進脯氨酸、可溶性糖等滲透調節物質的合成,減輕了鹽脅迫對番茄的損傷[6,16];也有研究發現鹽脅迫下,Spd能夠激活滲透調節物質合成途徑中相關酶的活性,從而促進滲透調節物質的合成與積累,增強植株對鹽脅迫的耐受性[30];還有研究發現,鹽脅迫下Spd通過增強滲透調節物質的代謝,如Spd 促進碳水化合物代謝,提高鹽脅迫下苜蓿可溶性糖的含量[31]。本研究結果表明,馬鈴薯葉片脯氨酸、可溶性糖、游離氨基酸含量在鹽脅迫條件下均顯著增加。推測可能是在鹽脅迫下植物細胞內大量積累脯氨酸,作為滲透溶質、酶和細胞結構的保護劑與活性氧清除劑共同起保護作用,增強植物的抗逆性[32-34];在鹽脅迫條件下,外源Spd處理可使馬鈴薯幼苗葉片脯氨酸、可溶性糖含量顯著高于單純鹽脅迫處理,可能是Spd通過提高脯氨酸、可溶性糖、氨基酸含量來提高滲透調節能力,提升幼苗對鹽脅迫的耐受性[35-36],這一結果與辣椒[37]、黃瓜[33]、桑樹[19]、番茄[38]、南瓜[39]、青稞[40]等植物上的研究結果一致。另外,在100 mmol/L NaCl脅迫條件下外源Spd對‘冀張薯12號’葉片脯氨酸、可溶性糖含量的促進增幅大于‘晉薯16號’。但在300 mmol/L NaCl脅迫條件下外源Spd對馬鈴薯植株各項生理指標變化趨勢影響存在差異性,其作用機理還需做進一步研究。

4 結論

鹽脅迫降低了馬鈴薯幼苗生物量累積、葉綠素含量和根系活力,葉面噴施Spd可通過促進根系活力,提升葉片葉綠素含量和抗氧化系統活性,提高滲透調節物質含量,緩解鹽脅迫逆境帶來的傷害,但不同耐鹽性品種間的響應有差異。外源Spd對輕度耐鹽品種‘冀張薯12號’抗逆性的促進作用在100 mmol/L NaCl脅迫條件下高于中度耐鹽品種‘晉薯16號’,而在200 mmol/L NaCl脅迫條件下低于中度耐鹽品種“晉薯16號”。