藜異型性種子后代植株鹽響應(yīng)生理機(jī)制

李曉榮，姚世響，陳莎莎，蘭海燕

新疆大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,新疆生物資源基因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046

藜異型性種子后代植株鹽響應(yīng)生理機(jī)制

李曉榮，姚世響，陳莎莎，蘭海燕*

新疆大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,新疆生物資源基因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046

種子異型性是植物適應(yīng)異質(zhì)生境的重要策略，異型性對(duì)后代植株的影響值得深入研究。以具有種子異型性的荒漠植物藜為材料，測定了異型種子后代植株在不同濃度(0, 50, 300mmol/L)NaCl脅迫下的表型及與耐鹽相關(guān)的生理指標(biāo)變化，探討了異型種子后代植株之間對(duì)鹽脅迫生理響應(yīng)機(jī)制的差異。結(jié)果顯示，褐色種子后代植株在各濃度鹽脅迫下的表型(株高、分枝數(shù))均優(yōu)于黑色種子。對(duì)其生理指標(biāo)測定結(jié)果顯示，褐色種子植株除電導(dǎo)率顯著低于黑色種子植株外，氧化損傷指標(biāo)(氧自由基、丙二醛含量)及抗氧化酶(SOD、CAT、POX)活性、抗氧化劑(Car、AsA)含量、滲調(diào)物質(zhì)(可溶性糖、脯氨酸、甜菜堿)含量等在兩者之間無明顯差異。研究結(jié)果暗示，藜異型性種子后代植株的早期生長表型在鹽脅迫下所產(chǎn)生的差異可能是由種子胚的大小及萌發(fā)快慢差異所導(dǎo)致，而這種差異并未引起鹽脅迫下兩種植株抗氧化系統(tǒng)響應(yīng)的差異。

藜；異型性種子后代植株；抗氧化系統(tǒng)；鹽脅迫

種子異型性指同一植株上產(chǎn)生兩種或多種在形態(tài)結(jié)構(gòu)、萌發(fā)、休眠等特性有顯著差異的種子的現(xiàn)象[1-4]。它是植物長期進(jìn)化過程中應(yīng)對(duì)頻繁擾動(dòng)、強(qiáng)烈脅迫等異質(zhì)生境形成的適應(yīng)性策略[5]。許多鹽生植物具有種子異型性(如褐色和黑色種子)，如中亞濱藜(Atriplexcentralasiatica)[6]，異子蓬(Suaedaaralocaspica)[7]，鹽地堿蓬(Suaedasalsa)[8]和Suaedasplendens[9]等。通常異型性種子中褐色種子較大、不休眠、萌發(fā)率高，能在鹽脅迫較強(qiáng)的生境中迅速萌發(fā)，以完成種群的建立及擴(kuò)張。但由于鹽堿地環(huán)境異質(zhì)多變，當(dāng)褐色種子一次性大量萌發(fā)，其幼苗死亡風(fēng)險(xiǎn)也較高，屬于高風(fēng)險(xiǎn)萌發(fā)策略[10]；黑色種子較小、休眠、萌發(fā)率較低，對(duì)鹽分較敏感，在萌發(fā)季節(jié)，一部分種子打破休眠狀態(tài)萌發(fā)，其余黑色種子則形成持久種子庫，在無法預(yù)測環(huán)境下補(bǔ)充種群個(gè)體數(shù)，屬于謹(jǐn)慎萌發(fā)策略[10]。鹽生植物種子異型性拓寬了種子萌發(fā)時(shí)間，分散了單次萌發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，降低了環(huán)境時(shí)空異質(zhì)性的變化，確保至少部分后代在劇烈變化的生境中存活[11]，有效保證了種群的順利繁殖，這是鹽生植物在種子階段適應(yīng)高鹽環(huán)境的重要策略[12]，同時(shí)也具有重要的進(jìn)化生態(tài)學(xué)意義[13]。

目前對(duì)種子異型性已有較多報(bào)道，大多集中在異型性種子的形態(tài)差異以及由此引起的萌發(fā)、休眠及耐鹽性的差異等方面[7,14-16]。然而，種子異型性的形態(tài)特征除了通過種子階段(萌發(fā)、休眠等特性)的差異確保植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)，是否還對(duì)后代植株的生長及生理特性產(chǎn)生影響，即異型種子后代的生長發(fā)育特征、抗逆能力是否有差異，目前的研究較為有限。異型性種子后代植株在幼苗發(fā)育階段通常存在顯著差異，這種差異可能會(huì)一直保持，或在后期的發(fā)育過程中消失[17]。三角濱藜(Atriplextriangularis)的大種子產(chǎn)生的幼苗較大，而且在后續(xù)生長中一直保持這種差異，播期實(shí)驗(yàn)證明這種差異是由大種子萌發(fā)顯著快于小種子所造成的[18]。Mandak的研究發(fā)現(xiàn)，韃靼濱藜(Atriplexsagittata)的褐色種子大，萌發(fā)率高，其后代植株的生物量也較大；黑色種子在自然生境中萌發(fā)率低，導(dǎo)致種群密度低，但植株生長速度較褐色種子快[3]。菊科植物Hedypnoiscretica大種子產(chǎn)生的幼苗在前期生物量明顯優(yōu)于小種子，后期兩者差異不顯著[19]；Crepisaspera的異型種子也表現(xiàn)為前期幼苗葉片數(shù)和葉片長度差異顯著，在隨后的生長發(fā)育中差異性消失[19]。意大利蒼耳(XanthiumitalicumMoretti)具上位和下位兩種異型種子的植物，下位種子大于上位種子且不休眠，至發(fā)育中期下位種子植株的表型顯著優(yōu)于上位植株[20]。菊科金盞草(Calendulaarvensis)的瘦果具有嘴形、船形和彎曲形三種不同形態(tài)的種子，嘴形和船形種子后代植株的早期生長發(fā)育及開花期均明顯優(yōu)于彎曲形的[21]。菊科植物異果菊(Dimorphothecasinuate)的中間花種子和邊花種子后代植株結(jié)實(shí)量有明顯差異[22]。盡管如此，目前多數(shù)研究傾向于異型性種子后代植株在結(jié)實(shí)量上并無明顯差異[2,23]。

異型種子后代植株通常在脅迫后會(huì)顯示較明顯差異。兩種菊科植物Dimorphothecasiauata和南非雛菊(Arctotisfastuosa)異型種子在不同水分脅迫、播種期和生長密度下產(chǎn)生后代種子量會(huì)發(fā)生顯著改變[22]。Suaedasplendens的黑色種子能在低鹽濃度下萌發(fā), 但是對(duì)鹽濃度的升高特別敏感, 而且在光照條件下, 萌發(fā)受到抑制。褐色種子萌發(fā)不受光照的影響, 能在高鹽濃度下萌發(fā), 而且萌發(fā)速率較快[9]。菊科Crepissancta的異型性種子植株在沒有競爭情況下，營養(yǎng)因素對(duì)兩種種子植株生物量沒有影響，而在種間競爭存在的情況下，邊緣種子的后代比中間種子相對(duì)具有優(yōu)勢[24]。環(huán)境脅迫在影響異型性種子植株發(fā)育的同時(shí)，也會(huì)造成種子異型性比率發(fā)生改變。如鹽脅迫可以改變Crepissancta瘦果種子的異型性比例[24]；海篷子屬Salicorniapatula如果生長在低于0.1%的土壤含鹽量的環(huán)境中，則種子異型性現(xiàn)象消失[25]。菊科植物L(fēng)eontodonsaxatilis的外圍果和中央果產(chǎn)生的幼苗總生物量和根莖重量比均無顯著差異, 但水分減少會(huì)增加植株中央果的數(shù)量[2]。藜(Chenopodiumalbum)的異型性種子后代植株在非脅迫條件下生長特性及結(jié)實(shí)量均無顯著差異，但鹽脅迫后，兩種種子后代產(chǎn)生褐色種子的比率顯著升高[26]。異子蓬異型種子在鹽脅迫下的出苗和成苗情況不同，褐色種子出苗和成苗對(duì)高鹽均較敏感，而黑色種子一旦出苗則比褐色種子更耐受鹽脅迫[27]。然而，目前對(duì)異型性種子后代植株生長發(fā)育及脅迫的生理生化響應(yīng)機(jī)制的深入探索鮮見報(bào)道。

藜(Chenopodiumalbum)為藜科(Chenopodiaceae)藜屬(Chenopodium)一年生草本植物，廣泛分布于新疆干旱區(qū)的荒地及輕度鹽堿化土壤生境，具有較強(qiáng)的抗逆性[28]。藜能在300mmol/L NaCl脅迫下正常生長[29]，因此在修復(fù)鹽堿地生態(tài)過程中具有較大潛力[30]。藜植株能產(chǎn)生兩類種子，其中褐色種子較大，占50%以上，不休眠，成熟后在適宜條件下可迅速萌發(fā)；黑色種子較小，休眠，萌發(fā)較慢且萌發(fā)率較低。為了進(jìn)一步搞清異型性種子后代植株在脅迫條件下的內(nèi)在響應(yīng)機(jī)制，本實(shí)驗(yàn)在前期對(duì)藜種子異型性及其產(chǎn)生機(jī)制的研究基礎(chǔ)上，擬對(duì)藜褐色和黑色異型種子后代植株在鹽脅迫下的生長發(fā)育以及生理響應(yīng)(包括氧化/抗氧化系統(tǒng)改變、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)變化等)進(jìn)行分析比較，旨在深入探索異型種子后代植株耐鹽性差異(如果存在)的生理生化機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 植物材料與鹽脅迫處理

將藜種子播于珍珠巖∶蛭石(1∶3)基質(zhì)中，黑色種子和褐色種子種于同一花盆內(nèi)的兩邊(由于異型性種子出苗率存在差異，播入的種子數(shù)量以兩種種子出苗數(shù)量相當(dāng)為標(biāo)準(zhǔn))，光周期為16h光照/8h黑暗，25—32℃，相對(duì)濕度28%—50%。當(dāng)植株生長至3個(gè)月大小時(shí)，選取植株長勢一致的花盆，每處理十盆進(jìn)行兩個(gè)月的鹽脅迫，具體方案為：(1)不含鹽溶液的Hoagland 營養(yǎng)液處理作為對(duì)照;(2)含50mmol/L NaCl的Hoagland營養(yǎng)液作為低鹽處理；(3)含300mmol/L NaCl的Hoagland營養(yǎng)液作為高鹽處理。脅迫前，一周補(bǔ)充一次不含鹽溶液的Hoagland 營養(yǎng)液，脅迫后每周補(bǔ)充一次相應(yīng)處理液(以多數(shù)盆中三分之一上層珍珠巖：蛭石變干為標(biāo)準(zhǔn))。取樣時(shí)，取生長狀態(tài)一致的不同植株第3至第4片(從上往下數(shù))嫩葉，每處理3個(gè)重復(fù)，每重復(fù)0.1g樣品，置于液氮中備用。

1.2 生化指標(biāo)測定

葉綠素(Chl)和類胡蘿卜素(Car)含量的測定參照Porra方法[31]；采用抽氣法測定電導(dǎo)率[32]；參照Li and Gong方法檢測氧自由基生成速率[33]；采用硫代巴比妥酸(TBA)比色法測定MDA含量[34]；氮藍(lán)四唑(NBT)比色法測定SOD活性[35]；采用H2O2反應(yīng)測定CAT活性[35]；利用愈創(chuàng)木酚比色法測定POX活性[35]；參照陳建勛[35]方法測定AsA含量。蒽酮比色法測定可溶性糖含量[34]；利用磺基水楊酸法測定脯氨酸含量[34]；采用比色法測定甜菜堿含量[36]；蛋白含量采用Bradford試劑盒(TaKaRa, 大連)測定。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

本研究中株高和分枝數(shù)由18株植株計(jì)算獲得，其它所有數(shù)據(jù)均來自3個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)。圖中的bar值表示標(biāo)準(zhǔn)誤。所有的數(shù)據(jù)用GraphPad Prism Version 4.02Windows軟件(GraphPad Software, San Diego, CA)進(jìn)行分析。獨(dú)立樣本用非配對(duì)t-檢驗(yàn)，多個(gè)樣本用單因素或雙因素方差分析。當(dāng)存在顯著效應(yīng)時(shí)，再用Tukey多重比較檢驗(yàn)各樣本間的差異顯著性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 NaCl長期處理對(duì)植株生長、葉綠素含量的影響

黑色種子和褐色種子后代植株在對(duì)照和低鹽脅迫時(shí)，生長表型相似(圖1)。而300mmol/L鹽脅迫則顯著抑制了植株生長，株高和分枝數(shù)比對(duì)照有顯著降低(圖1)，而褐色種子植株表型明顯好于黑色種子。進(jìn)一步對(duì)植株地上和地下部分質(zhì)量的分析發(fā)現(xiàn)，300mmol/L鹽脅迫使地上部分/地下部分質(zhì)量顯著下降(圖2)。而異型種子產(chǎn)生的兩種植株的地上部分/地下部分比例在各種鹽處理之間均無明顯差異(圖2)。鹽脅迫特別是高鹽(300mmol/L)使兩種種子植株的葉綠素含量明顯降低(圖3)，而兩種種子植株之間的葉綠素含量在各種鹽濃度處理下無顯著性差異。

圖1 NaCl脅迫對(duì)藜異型性種子后代植株生長的影響Fig.1 Effect of NaCl stress on growth of plants from dimorphic seeds of C.album不同小寫字母表示存在顯著性差異(P<0.05)

圖2 NaCl脅迫對(duì)藜異型性種子后代植株生物量的影響Fig.2 Effect of NaCl stress on biomass of plants from dimorphic seeds of C.albumFW: 樣品鮮重Fresh weight, DW: 樣品干重Dry weight;不同小寫字母表示存在顯著性差異(P<0.05)

圖3 NaCl脅迫對(duì)藜異型性種子后代植株葉綠素含量的影響Fig.3 Effect of NaCl stress on chlorophyll content in leaves of plants from dimorphic seeds of C.album相同小寫字母表示不存在顯著性差異

圖4 NaCl脅迫對(duì)藜異型性種子后代植株葉片相對(duì)電導(dǎo)率的影響Fig.4 Effect of NaCl stress on electrolyte leakage in leaves of plants from dimorphic seeds of C.album不同小寫字母表示存在顯著性差異(P<0.05)

2.2 NaCl長期處理對(duì)葉片電導(dǎo)率的影響

鹽處理下植株的相對(duì)電導(dǎo)率逐漸升高，300mmol/L鹽處理下兩種種子后代植株的電導(dǎo)率均比對(duì)照顯著增加(圖4)，且褐色種子植株的相對(duì)電導(dǎo)率顯著低于黑色種子植株，這與植株生長表型數(shù)據(jù)相符(圖1,圖2)。

2.3 NaCl長期處理對(duì)氧化脅迫水平的影響

通過比較鹽脅迫對(duì)藜兩種種子植株活性氧(氧自由基)和丙二醛含量的影響發(fā)現(xiàn)，氧自由基濃度在低鹽脅迫時(shí)不變，在高鹽脅迫時(shí)則明顯升高(圖5)；低鹽脅迫和高鹽脅迫對(duì)丙二醛含量的上升都有明顯的促進(jìn)作用(圖5)。無論是低鹽還是高鹽處理，兩種植株之間的活性氧和丙二醛水平無明顯差異。

2.4 NaCl處理對(duì)抗氧化酶活性的影響

本研究中，鹽脅迫顯著激活了超氧化岐化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POX)的活性(圖6)。SOD的活性隨著鹽濃度的增加顯著升高，在300mmol/L NaCl處理時(shí)，褐色種子植株的酶活性顯著高于黑色種子植株的酶活性(圖6)。CAT活性在低鹽脅迫時(shí)顯著升高，而高鹽時(shí)與對(duì)照無顯著差異，且兩種植株CAT活性在300mmol/L鹽處理時(shí)無顯著差異(圖6)。POX活性在低鹽脅迫下與對(duì)照無明顯差異，而高鹽則可顯著促進(jìn)植株的酶活，兩種植株間的POX活性無顯著差異(圖6)。

2.5 NaCl對(duì)兩種幼苗非酶促類抗氧化劑的影響

除了酶促類抗氧化劑參與清除過量活性氧外，還包括類胡蘿卜素(Car)和抗壞血酸(AsA)在內(nèi)的非酶促類抗氧化劑。本研究發(fā)現(xiàn)，藜葉片的Car含量在50mmol/L鹽處理時(shí)無明顯變化，而300mmol/L鹽處理時(shí)則顯著下降(圖7)；AsA含量在50mmol/L鹽處理時(shí)呈升高趨勢，而在300mmol/L鹽處理時(shí)則降至對(duì)照水平(圖7)。在各種鹽濃度處理下，兩種植株之間的非酶促類抗氧化劑(Car或者AsA)含量均無顯著差異(圖7)。

2.6 NaCl脅迫對(duì)兩種植株滲調(diào)物質(zhì)的影響

3種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量在各種鹽處理下變化趨勢各不相同。低鹽脅迫時(shí)，藜葉片中的可溶性糖含量明顯上升，而高鹽脅迫時(shí)則恢復(fù)至對(duì)照水平(圖8)。在各種鹽處理時(shí)，兩類植株的可溶性糖含量均無顯著差異(圖8)。脯氨酸對(duì)鹽脅迫十分敏感，在50和300mmol/L鹽處理時(shí)，藜葉片中脯氨酸含量均顯著升高(圖8)。高鹽脅迫時(shí)，兩種植株的脯氨酸量無顯著差異(圖8)。兩種植株的甜菜堿含量在低鹽或高鹽脅迫時(shí)均無顯著差異(圖8)。

圖5 NaCl脅迫對(duì)藜異型性種子后代植株氧化脅迫水平的影響Fig.5 Effect of NaCl stress on oxidative stress level of plants from dimorphic seeds of C.album相同小寫字母表示不存在顯著性差異

圖6 NaCl脅迫對(duì)藜異型性種子后代植株抗氧化酶活性的影響Fig.6 Effect of NaCl stress on activities of antioxidant enzymes in plants from dimorphic seeds of C.album相同小寫字母表示不存在顯著性差異

圖7 NaCl 脅迫對(duì)藜異型性種子后代植株非酶促抗氧化劑含量的影響Fig.7 Effect of NaCl stress on antioxidant contents in leaves of plants from dimorphic seeds of C.album相同小寫字母表示不存在顯著性差異

圖8 NaCl脅迫對(duì)藜異型性種子后代植株滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響Fig.8 Effect of NaCl stress on osmotic adjustments contents in leaves of plants from dimorphic seeds of C.album相同小寫字母表示不存在顯著性差異

3 討論

種子異型性是許多植物適應(yīng)脅迫生境的一種有效策略。具種子異型性的物種通?？稍诙喾N逆境(如鹽堿、荒漠、干旱等)中生存，主要通過種子的異型性拓展物種萌發(fā)的時(shí)間和空間，從而有利于幼苗建成和種群繁衍[5]。由于異型性種子之間存在種子大小的差別，而種子大小(特別是胚的大小)對(duì)幼苗大小具有決定性作用，因此異型性種子后代在生長發(fā)育方面可能會(huì)產(chǎn)生差異[2]。本研究結(jié)果顯示藜的兩種種子后代植株在鹽脅迫下早期出現(xiàn)生長表型的明顯差異，而隨后對(duì)異型種子后代植株的抗逆生理分析則未表現(xiàn)顯著差異，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果暗示藜異型性種子對(duì)后代植株的的影響可能局限于早期植株表型。

最近的研究表明，鹽生植物異型性種子后代在逆境適應(yīng)能力方面具有差異。如藜科植物Suaedasplendem異型種子后代植株在400mmol/L NaCl (接近其自然生境) 濃度時(shí)生長良好，而褐色種子后代植株對(duì)低鹽 (200mmol/L) 的耐受能力較弱[9]。鹽脅迫造成植物的生長發(fā)育遲緩，其最顯著表型就是株高和分枝數(shù)受到抑制[41]。本研究結(jié)果顯示，高鹽脅迫下藜的株高和分枝數(shù)均受到嚴(yán)重抑制，地上部分/地下部分質(zhì)量顯著下降，而褐色種子植株的株高和分枝數(shù)明顯高于黑色種子植株，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的可能原因之一是褐色種子胚大于黑色種子而引起后代植株的差異[37]；其二可能是褐色種子萌發(fā)比黑色種子快的緣故(觀察數(shù)據(jù)未顯示)。他人的研究結(jié)果也顯示大種子具有一定的優(yōu)勢，可以產(chǎn)生較大的苗以競爭光及提高二氧化碳的固定，并且某些物種中這種優(yōu)勢可以保持到生殖發(fā)育完成[37-39]。但也有研究顯示種子的重量與幼苗的相對(duì)生長量呈反比，如蒼耳Xanthiumstrumarium小種子在種內(nèi)競爭存在的情況下產(chǎn)生的植株具有更高的相對(duì)生長率[24,40-41]。對(duì)這一現(xiàn)象解釋為，大種子產(chǎn)生的苗較小種子的具有更大的根/莖比，從而導(dǎo)致地上部分生長相對(duì)較慢[38]。Crepissancta的大種子僅在高密度的競爭中才表現(xiàn)出優(yōu)勢[38]。Leontodonautumnalis的邊花種子雖然較小，但是形成的幼苗適應(yīng)能力強(qiáng)，活力也較大，能夠在較深的土壤中發(fā)芽；而中間花的大種子正好相反[42]。Wulff的研究表明在干旱脅迫初期，Desmodiumpaniculatum的大種子幼苗有一定的優(yōu)勢，但是種子大小對(duì)苗的存活率沒有影響[43]。

在研究過程中發(fā)現(xiàn)，作為脅迫下膜系統(tǒng)受損傷的標(biāo)志-電導(dǎo)率的測定結(jié)果顯示，褐色種子植株明顯低于黑色種子植株，結(jié)合對(duì)表型的觀測結(jié)果暗示，褐色種子后代植株與黑色種子植株的耐鹽性似乎存在差異?；诖?，對(duì)藜異型性種子后代植株間的耐鹽性進(jìn)行了深入研究。由于抗氧化系統(tǒng)對(duì)其植株耐受高鹽脅迫具有較大的貢獻(xiàn)[44]，因此系統(tǒng)研究了鹽脅迫對(duì)植株的氧化損傷(氧自由基、丙二醛)、抗氧化酶(SOD、CAT、POX)、非酶促類抗氧化劑(Car、AsA)、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)(可溶性糖、脯氨酸、甜菜堿)含量的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在低鹽和高鹽脅迫下兩種植株的氧自由基和丙二醛都有明顯升高，表明藜在高鹽脅迫下膜系統(tǒng)發(fā)生了氧化，然而，兩種植株間的氧自由基和丙二醛的含量并沒有顯著差異；高鹽脅迫下抗氧化酶SOD、CAT、POX均有顯著升高，說明高鹽脅迫促進(jìn)了抗氧化酶的活性，以清除活性氧，抵御氧化脅迫。隨鹽濃度升高，抗氧化劑AsA和Car均有下降趨勢，暗示其可能參與了活性氧的清除。非酶促類抗氧化劑AsA不僅參與活性氧的清除，還可作為APX(抗壞血酸過氧化物酶)的輔酶間接清除H2O2[45-46]。但是抗氧化酶和抗氧化劑的含量在兩種植株之間也沒有顯著差異。最新研究表明，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)如脯氨酸、甜菜堿可作為抗氧化劑，參與清除活性氧的生理途徑[47]。在本研究中，無論低鹽與高鹽脅迫下，藜兩種植株的脯氨酸含量均明顯高于對(duì)照，而甜菜堿沒有顯著變化，表明脯氨酸在藜的滲透調(diào)節(jié)中起著重要作用。然而滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量在兩類植株間也沒有顯著差異。以上對(duì)鹽脅迫下藜的氧化指標(biāo)、抗氧化酶、抗氧化劑以及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的分析結(jié)果顯示，鹽脅迫對(duì)藜異型性種子后代植株的抗氧化系統(tǒng)產(chǎn)生了一定的影響，但兩種異型性植株之間并沒有明顯差異。由此暗示，藜異型性種子后代植株在鹽脅迫下早期形態(tài)差異并未導(dǎo)致生理響應(yīng)的改變。對(duì)韃靼濱藜(Atriplexsagittata)異型性種子后代種群的遺傳變異和適應(yīng)能力的研究發(fā)現(xiàn)，褐色種子在沒有鹽脅迫下萌發(fā)的植株遺傳變異很大，而在鹽脅迫下產(chǎn)生的植株中等位酶差異(遺傳變異)很小，等位酶變異和物種適合度呈正相關(guān)，因此鹽生植物的褐色種子雖然萌發(fā)率較高，但其植株在適應(yīng)異質(zhì)化生境時(shí)可能相對(duì)黑色種子較弱[48]。種子或胚大小可能造成異型性種子在出苗率、存活率、幼苗生長速率以及結(jié)實(shí)量等方面的差異[49]。而這種優(yōu)勢延續(xù)時(shí)間的長短則因物種而有所不同，如三角葉濱藜(Atriplextriangularis)異型種子中大種子植株一直較大[18]；而菊科植物Hedypnoiscretica的異型性種子的差異只在生長早期存在[19]。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果顯示，藜異型性種子后代植株的早期生長表型在鹽脅迫下會(huì)產(chǎn)生差異，但其相關(guān)生理指標(biāo)除電導(dǎo)率外均無顯著差異。由此暗示，藜異型性種子后代植株早期的表型差異并未引起鹽脅迫下兩種植株抗氧化系統(tǒng)響應(yīng)的差異。

[1] Sorensen A E.Somatic polymorphism and seed dispersal.Nature, 1978, 276(5684): 174-176.

[2] Br?ndel M.Ecology of achene dimorphism inLeontodonsaxatilis.Annals of Botany, 2007, 100(6): 1189-1197.

[3] Mandák B, Py?ek P.Fruit dispersal and seed banks inAtriplexsagittata: the role of heterocarpy.Journal of Ecology, 2001, 89(2): 159-165.

[4] Br?ndel M.Dormancy and germination of heteromorphic achenes ofBidensfrondosa.Flora, 2004, 199(3): 228-233.

[5] Imbert E.Ecological consequences and on togeny of seed heteromorphism.Perspectives in Plant Ecology, Evolution and Systematics, 2002, 5(1): 13-36.

[6] Li W Q, Liu X J, Khan M A, Tsuji W, Tanaka K.The effect of light, temperature and bracteoles on germination of polymorphic seeds ofAtriplexcentralasiaticaIljin under saline conditions.Seed Science and Technology, 2008, 36(2): 325-338.

[7] Wang L, Huang Z Y, Baskin C C, Baskin J M, Dong M.Germination of dimorphic seeds of the desert annual halophyteSuaedaaralocaspica(Chenopodiaceae), a C4plant without Kranz anatomy.Annals of Botany, 2008, 102(5): 757-769.

[8] Li W Q, Liu X J, Khan M A, Yamaguchi S.The effect of plant growth regulators, nitric oxide, nitrate, nitrite and light on the germination of dimorphic seeds ofSuaedasalsaunder saline conditions.Journal of Plant Research, 2005, 118(3): 207-214.

[9] Redondo Gómez S, Mateos Naranjo E, Cambrollé J, Luque T, Figueroa M E, Davy A J.Carry-over of differential salt tolerance in plants grown from dimorphic seeds ofSuaedasplendens.Annals of Botany, 2008, 102(1): 103-112.

[10] Venable D L.The evolutionary ecology of seed heteromorphism.The American Naturalist, 1985, 126(5): 557-595.

[11] Cheplick G P, Quinn J A.The shift in aerial/subterranean fruit ratio inAmphicarpumpurshii: causes and significance.Oecologia, 1983, 57(3): 374-379.

[12] Weber D J.Salinity and Water Stress.Netherlands: Springer, 2009: 179-185．

[13] Venable D L, Dyreson E, Morales E.Population dynamic consequences and evolution of seed traits ofHeterospermapinnatum(Aateraceae).American Journal of Botany, 1995, 82(3): 410-420.

[14] Song J, Fan H, Zhao Y Y, Jia Y H, Du X H, Wang B S.Effect of salinity on germination, seedling emergence, seedling growth and ion accumulation of a euhalophyteSuaedasalsain an intertidal zone and on saline inland.Aquatic Botany, 2008, 88(4): 331-337.

[15] Wei Y, Dong M, Huang Z Y.Seed polymorphism, dormancy, and germination ofSalsolaaffinis(Chenopodiaceae), a dominant desert annual inhabiting the Junggar Basin of Xinjiang, China.Australian Journal of Botany, 2007, 55(4): 464-470.

[16] Mandák B, Py?ek P.How does seed heteromorphism influence the life history stages ofAtriplexsagittata(Chenopodiaceae)?.Flora, 2005, 200(6): 516-526.

[17] 王雷, 董鳴, 黃振英.種子異型性及其生態(tài)意義的研究進(jìn)展.植物生態(tài)學(xué)報(bào).2010, 34(5): 578-590.

[18] Ellison A M.Effects of seed dimorphism on the density-dependent dynamics of experimental population ofAtyilxtriangularis(Chenopodiaceae).American Journal of Botany, 1987, 74(8): 1280-1288.

[19] E1-Keblawy A.Effects of achene dimorphism on dormancy and progeny traits in the two ephemeralsHedypnoiscretlcaandCrepisaspera(Asteraceae).Canadian Journal of Botany, 2003, 81(6): 550-559.

[20] 吳冬, 黃姝博, 李宏慶.意大利蒼耳二形性種子萌發(fā)、植株生長差異及生態(tài)適應(yīng)性.生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 29(10): 5258-5264.

[21] De Clavijo E R.The reproductive strategies of the heterocarpic annualCalendulaarvensis(Asteraceae).Acta Oecologica, 2005, 28(2): 119-126.

[22] Beneke K, van Rooyen M W, Theron G K, van de Venter H A.Fruit polymorphism in ephemeral species of Namaqualand Ⅲ.Germination differences between the polymorphic diaspores.Journal of Arid Environments, 1993, 24(4): 233-247.

[23] Baker G A, O′Dowd D J.Effects of parent plant density on the production of achene types in the annualHypochoerisglabra.Journal of Ecology, 1982, 70(1): 201-215.

[24] Jurado E, Westoby M.Seedling growth in relation to seed size among species of arid Australia.Journal of Ecology, 1992, 80(3): 407-416.

[25] Olivieri I, Berger A.Seed dimorphism for dispersal: physiological, genetic and demographic aspects // Jacquard P, Heim G, Antonovics J.Genetic Differentiation and Dispersal in Plants.Berlin: Springer Verlag, 1985: 413-429.

[26] Yao S X, Lan H Y, Zhang F C.Variation of seed heteromorphism inChenopodiumalbumand the effect of salinity on the descendants.Annals of Botany, 2010, 105(6): 1015-1025.

[27] 何美香, 杜曉峰, 陳玲, 呂秀云, 蘭海燕.鹽分、變溫和激素處理對(duì)鹽生植物異子蓬異型性種子萌發(fā)及成苗的影響.生態(tài)學(xué)雜志, 2013, 32(1): 45-51.

[28] 姚世響, 油天鈺, 徐棟生, 李秀明, 王浚桉, 蘭海燕.新疆干旱區(qū)植物藜的種子異型性及其萌發(fā)機(jī)理.生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 30(11): 2909-2918.

[29] Hamidov A, Beltrao J, Neves A, Khaydarova V, Khamidov M.ApocynumlancifoliumandChenopodiumalbum-potential species to remediate saline soils.Transactions on Environment and Development, 2007, 3(7): 123-128.

[30] 孫存華, 李揚(yáng), 賀鴻雁, 孫東旭, 杜偉, 鄭曦.藜對(duì)干旱脅迫的生理生化反應(yīng).生態(tài)學(xué)報(bào), 2005, 25(10): 2556-2561.

[31] Porra R J, Thompson W A, Kriedemann P E.Determination of accurate extinction coefficients and simultaneous equations for assaying chlorophyllsaandbextracted with four different solvents: verification of the concentration of chlorophyll standards by atomic absorption spectroscopy.Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Bioenergetics, 1989, 975(3): 384-394.

[32] 陳愛葵, 韓瑞宏, 李東洋, 凌連蓮, 羅慧霞, 唐上劍.植物葉片相對(duì)電導(dǎo)率測定法法比較研究.廣東教育學(xué)院學(xué)報(bào), 2010, 30(5): 88-91.

[33] 李忠光, 龔明.植物中超氧陰離子自由基測定方法的改進(jìn).云南植物研究, 2005, 27(2): 211-216.

[34] 鄒琦.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M].北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 2000.

[35] 陳建勛, 王曉峰.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M].廣州: 華南理工大學(xué)出版社, 2006.

[36] 王金賀, 王麗麗, 吳玉梅, 周芹.比色法測定飼料甜菜中甜菜堿含量.中國甜菜糖業(yè), 2008, (1): 5-7.

[37] Wilson J B.The effect of initial advantage on the course of plant competition.Oikos, 1988, 51(1): 19-24.

[38] Imbert E, Escarré J, Lepart J.Seed heteromorphism inCrepissancta(Asteraceae): performance of two morphs in different environments.Oikos, 1997, 79(2): 325-332.

[39] Ford E D, Diggle P J.Competition for light in a plant monoculture modelled as a spatial stochastic process.Annals of Botany, 1981, 48(4): 481-500.

[40] Gleeson S K, Tilman D.Plant allocation, growth rate and successional status.Functional Ecology, 1994, 8(4): 543-550.

[41] Zimmerman J K, Weis I M.Fruit size variation and its effects on germination and seedling growth inXanthiumstrumarium.Canadian Journal of Botany, 1983, 61(9): 2309-2315.

[42] Clavijo E R.The role of dimorphic achenes in the biology of the annual weedLeontodonlongirrostris.Weed Research, 2001, 41(3): 275-286.

[43] Wulff R D.Seed size variation inDesmodiumpaniculatumII: effects on seedling growth and physiological performance.The Journal of Ecology, 1986, 74(1): 99-114.

[44] Yao S X, Chen S S, Xu D S, Lan H Y.Plant growth and responses of antioxidants ofChenopodiumalbumto long-term NaCl and KCl stress.Plant Growth Regulation, 2010, 60(2): 115-125.

[45] Padh H.Cellular functions of ascorbic acid.Biochemistry and Cell Biology, 1990, 68(10): 1166-1173.

[46] Foyer C H, Halliwell B.The presence of glutathione and glutathione reductase in chloroplast: a proposed role in aseorbic acid metabolism.Planta, 1976, 133(1): 21-25.

[47] Rodriguez R, Redman R.Balancing the generation and elimination of reactive oxygen species.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2005, 102(9): 3175-3176.

[48] Mandák B, Bimová K, Placˇková L.Genetic structure of experimental population and reproductive fitness in a heterocarpic plantAtriplextatarica(Chenopodiaccae).American Journal of Botany, 2006, 93(11): 1640-1649.

[49] Van M?lken T, Jorritsma Wienk L D, Van Hoek P H W, de Kroon H.Only seed size matters for germination in different population of the dimorphicTragopogonpratensissubsp.pratensis(Asteraceae).American Journal of Botany, 2005, 92(3): 432-437.

Physiological responses to salt stress of plants derived from heteromorphic seeds ofChenopodiumalbum

LI Xiaorong, YAO Shixiang, CHEN Shasha, LAN Haiyan*

XinjiangKeyLaboratoryofBiologicalResourcesandGeneticEngineering,CollegeofLifeScienceandTechnology，XinjiangUniversity,Urumqi830046,China

Seed heteromorphism is an important strategy of plants for adapting to heterogeneous environments, and the effect of heteromorphism on the descendant is worth studying in detail.In the present study, a comparison of the physiological responses to salinity stress between the brown seed plant and black seed plant ofChenopodiumalbum (Imbikicane) was performed by analyzing the effects on growth and physiological changes under different concentrations (0, 50, and 300mmol/L NaCl) of salt stress.The results indicated that the growth characteristics (plant height and branch number) of plants from the brown seed performed better than those of plants from the black seed under various salt concentrations.In addition to electrolyte leakage, for which the black seed plant had significantly higher values than the brown seed plant, all salt tolerance-related indices, such as oxidative damage parameters (O.-2, MDA), antioxidants (Car, AsA), antioxidant enzymes (SOD, CAT, POX), and osmolytes (Soluble sugar, Pro, and GB) showed no significant difference between two types of plants.This suggests that the difference between early growth characteristics of the two types of plants might be caused by diverse differences in the seed embryo size and germination speed, which did not to apply to the antioxidative system.

Chenopodiumalbum;descendants of heteromorphic seeds;antioxidative system;salt stress

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31260037,31060027);新疆自治區(qū)優(yōu)秀青年科技人才培養(yǎng)項(xiàng)目(2013721013);新疆生物資源基因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(XJDX0201-2011-03)

2014-08-01; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期:

日期:2015-05-21

10.5846/stxb201408011539

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lanhaiyan@ xju.edu.cn

李曉榮，姚世響，陳莎莎，蘭海燕.藜異型性種子后代植株鹽響應(yīng)生理機(jī)制.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(24):8139-8147.

Li X R, Yao S X, Chen S S, Lan H Y.Physiological responses to salt stress of plants derived from heteromorphic seeds ofChenopodiumalbum.Acta Ecologica Sinica,2015,35(24):8139-8147.