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    種子引發(fā)對(duì)鹽脅迫下向日葵種子萌發(fā)和幼苗生理特性的影響

    2018-06-05 11:04:59張耀強(qiáng)李旭紅鄭喜清韓海軍
    河南農(nóng)業(yè)科學(xué) 2018年4期
    關(guān)鍵詞:透性成苗脯氨酸

    邸 娜,張耀強(qiáng),李旭紅,鄭喜清, 韓海軍

    (1.河套學(xué)院 農(nóng)學(xué)系,內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000;2.北京新禾豐農(nóng)化資料有限公司,北京 100020;3.巴彥淖爾市農(nóng)牧業(yè)技術(shù)推廣中心,內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000)

    向日葵是我國(guó)種植的主要油料作物之一,由于其耐貧瘠、抗干旱,對(duì)土壤具有一定的脫鹽作用,已成為開(kāi)發(fā)鹽堿地、生物治理鹽漬化土壤的首選作物。但由于耐鹽性有限,當(dāng)土壤的鹽堿度超過(guò)向日葵的忍耐范圍時(shí),種子萌發(fā)明顯延遲、出苗率降低,呼吸作用受到損害,光合作用被抑制,導(dǎo)致植株的生長(zhǎng)受到嚴(yán)重阻礙,產(chǎn)量下降,種仁含油量降低[1]。

    種子引發(fā),又稱(chēng)滲透調(diào)節(jié),是一項(xiàng)控制種子緩慢吸水和逐步回干的種子處理技術(shù)[2-3]。種子引發(fā)可提高種子活力,在溫度和水分脅迫等逆境條件下能顯著縮短植物的萌發(fā)時(shí)間,提高發(fā)芽率和成苗率,提高幼苗整齊度[4-6]。尤其在逆境條件下,對(duì)種子進(jìn)行引發(fā)可顯著提高幼苗的耐逆性,如種子引發(fā)可增強(qiáng)大豆幼苗的耐旱性[7]和雜交水稻幼苗的耐鹽性[8],這主要是由于種子引發(fā)增加了幼苗體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累量, 提高了保護(hù)酶的活性。目前,關(guān)于種子引發(fā)對(duì)向日葵幼苗生長(zhǎng)的影響研究還未見(jiàn)報(bào)道。為此,設(shè)置種子引發(fā)時(shí)間和引發(fā)劑濃度2種處理,研究鹽脅迫條件下引發(fā)處理后向日葵的出苗情況及生理生化特性,進(jìn)而為種子引發(fā)技術(shù)應(yīng)用于向日葵生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

    1 材料和方法

    1.1 試驗(yàn)材料

    本試驗(yàn)選用食用向日葵品種LD3939作為供試材料。

    1.2 試驗(yàn)方法

    1.2.1 種子引發(fā)處理 對(duì)大小均勻、完整飽滿(mǎn)的種子分別設(shè)置引發(fā)時(shí)間和引發(fā)劑濃度2組處理:(1)用100 mmol/L NaCl溶液,于25 ℃人工氣候箱中分別對(duì)種子引發(fā)0、4、8、12、18、24、36、48 h;(2)分別用0、50、100、150、200、250、300 mmol/L NaCl溶液,于25 ℃人工氣候箱中對(duì)種子引發(fā)12 h。引發(fā)處理后,用蒸餾水沖洗種子3遍,吸水紙吸干后室溫下72 h晾干,每個(gè)處理重復(fù)3次。以未引發(fā)的種子作為對(duì)照。

    1.2.2 鹽脅迫處理 將充分洗凈的干細(xì)河砂, 裝入直徑17 cm、高13 cm的花盆內(nèi),播種前每盆澆200 mL 100 mmol/L NaCl溶液,模擬鹽脅迫條件,挑選飽滿(mǎn)、均勻一致的種子,每盆均勻播種10粒,覆蓋約2 cm干細(xì)河砂,再澆100 mL 100 mmol/L的NaCl溶液。播種后視干旱程度每次定量澆50 mL蒸餾水,澆透但水分不滲出,以保證各處理間鹽脅迫條件不變。待幼苗生長(zhǎng)至第10天每盆澆100 mL 1/2 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液。每個(gè)處理播種10盆,未引發(fā)種子作對(duì)照。

    1.2.3 出苗過(guò)程檢測(cè) 觀(guān)察種子出苗過(guò)程,子葉出土視為出苗,統(tǒng)計(jì)各處理引發(fā)種子及未引發(fā)種子的出苗數(shù)和出苗時(shí)間,計(jì)算出苗率,出苗率=(出苗數(shù)/播種數(shù))×100%。以出苗后能夠正常生長(zhǎng),且15 d后仍存活的幼苗定義為成苗,計(jì)算成苗率,成苗率=(成苗數(shù)/播種數(shù))×100%。

    1.2.4 生理指標(biāo)的測(cè)定 出苗后第20天,每個(gè)處理隨機(jī)選取10株幼苗,取新鮮功能葉片混勻,參照高俊鳳[9]和張景云等[10]的方法分別測(cè)定光合色素含量、細(xì)胞膜透性以及丙二醛和脯氨酸的含量。每個(gè)處理重復(fù)3次。

    1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

    用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行差異顯著性分析,用Excel 2003進(jìn)行圖表制作。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 種子引發(fā)對(duì)鹽脅迫下向日葵出苗的影響

    由表1可知,在鹽脅迫條件下,向日葵的出苗時(shí)間隨引發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)和引發(fā)劑濃度的增加均呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì),但引發(fā)處理顯著短于未引發(fā)處理(引發(fā)劑濃度為100 mmol/L處理除外)。其中,種子引發(fā)時(shí)間為12 h及引發(fā)劑濃度為150 mmol/L時(shí),向日葵的出苗時(shí)間最短,分別為3.20 d和3.31 d,顯著短于其他引發(fā)處理。在鹽脅迫條件下,向日葵出苗率和成苗率隨引發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)和引發(fā)劑濃度的增加均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì),除引發(fā)劑濃度300 mmol/L處理外,其他引發(fā)處理均顯著高于未引發(fā)處理 。其中,種子引發(fā)12 h和引發(fā)劑濃度分別為100、150 mmol/L時(shí)出苗率均達(dá)100%,與其他處理差異顯著,分別比未引發(fā)處理高45.62%和49.99%、49.99%;成苗率在種子引發(fā)12 h和引發(fā)劑濃度為150 mmol/L時(shí)均達(dá)93.10%,引發(fā)劑濃度為100 mmol/L時(shí)成苗率略低,為92.33%,與引發(fā)劑濃度為150 mmol/L時(shí)無(wú)顯著差異。由以上結(jié)果可以看出,在鹽脅迫條件下,除個(gè)別處理外,種子引發(fā)總體上可以顯著提高向日葵的出苗率和成苗率,縮短出苗時(shí)間,緩解鹽脅迫對(duì)種子萌發(fā)的抑制作用,提高種子萌發(fā)階段向日葵的耐鹽性。

    表1 種子引發(fā)處理對(duì)鹽脅迫下向日葵出苗的影響

    注:同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。

    2.2 種子引發(fā)對(duì)鹽脅迫下向日葵幼苗光合色素含量的影響

    由圖1可知,在鹽脅迫條件下,隨著種子引發(fā)時(shí)間延長(zhǎng),葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量和色素總量呈相似的變化趨勢(shì),均表現(xiàn)為先升高再降低后趨于平緩,12 h時(shí)均達(dá)到最大值,分別為2.177 mg/g、1.257 mg/g、3.235 mg/g和3.592 mg/g,顯著高于其他處理;引發(fā)時(shí)間超過(guò)12 h后色素含量顯著下降,36 h后色素含量趨于穩(wěn)定。

    由圖2可知,在鹽脅迫條件下,隨引發(fā)劑濃度增加色素含量顯著增加,當(dāng)引發(fā)劑濃度為100 mmol/L時(shí),葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量和色素總量均達(dá)到最大值,分別為2.182 mg/g、0.873 mg/g、3.055 mg/g和3.458 mg/g,當(dāng)引發(fā)劑濃度增加到150 mmol/L時(shí),色素含量急劇下降,其后色素含量有少量增加并趨于平緩,但仍顯著高于未引發(fā)處理。綜上,種子引發(fā)處理可顯著增加鹽脅迫下向日葵幼苗光合色素的含量,減小鹽脅迫條件下由于光合色素含量下降對(duì)向日葵幼苗光合效率的影響。

    不同字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05),下同

    圖2 引發(fā)劑濃度對(duì)鹽脅迫下向日葵幼苗光合色素含量的影響

    2.3 種子引發(fā)對(duì)鹽脅迫下向日葵幼苗細(xì)胞膜相對(duì)透性的影響

    由圖3可知,在鹽脅迫條件下,當(dāng)種子引發(fā)時(shí)間低于12 h(≤12 h)時(shí),隨著引發(fā)時(shí)間延長(zhǎng)向日葵幼苗的細(xì)胞膜相對(duì)透性迅速下降,顯著低于未引發(fā)處理,當(dāng)引發(fā)時(shí)間為12 h時(shí),細(xì)胞膜相對(duì)透性最低,為12.24%,較未引發(fā)處理低28.21%;當(dāng)引發(fā)時(shí)間超過(guò)12 h后,細(xì)胞膜相對(duì)透性急劇增加,當(dāng)引發(fā)時(shí)間為24 h時(shí),細(xì)胞膜相對(duì)透性增加到19.49%,較未引發(fā)處理高14.31%。

    由圖4可知,在鹽脅迫條件下,隨種子引發(fā)劑濃度增加向日葵幼苗的細(xì)胞膜相對(duì)透性呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì),當(dāng)引發(fā)劑濃度分別為50 mmol/L和100 mmol/L時(shí),細(xì)胞膜相對(duì)透性均顯著低于未引發(fā)處理,分別降低26.36%和33.39%;當(dāng)引發(fā)劑濃度≥150 mmol/L時(shí),細(xì)胞膜相對(duì)透性持續(xù)增加,當(dāng)引發(fā)劑濃度≥200 mmol/L時(shí),細(xì)胞膜相對(duì)透性開(kāi)始高于未引發(fā)處理,其中引發(fā)劑濃度為300 mmol/L時(shí),細(xì)胞膜相對(duì)透性達(dá)38.21%,是未引發(fā)處理的2倍。因此,適當(dāng)?shù)姆N子引發(fā)可以有效抑制鹽脅迫引起的細(xì)胞膜透性增加,其中尤以100 mmol/L NaCl引發(fā)12 h抑制效果最顯著。

    圖3 引發(fā)時(shí)間對(duì)鹽脅迫下向日葵幼苗細(xì)胞膜相對(duì)透性的影響

    圖4 引發(fā)劑濃度對(duì)鹽脅迫下向日葵幼苗細(xì)胞膜相對(duì)透性的影響

    2.4 種子引發(fā)對(duì)鹽脅迫下向日葵幼苗丙二醛含量的影響

    由圖5可知,引發(fā)時(shí)間分別為4 h、8 h和12 h時(shí),鹽脅迫下向日葵幼苗MDA含量顯著下降,分別為0.145 mmol/g、0.144 mmol/g和0.121 mmol/g,分別比未引發(fā)處理降低6.45%、7.10%和21.94%;當(dāng)引發(fā)時(shí)間為18 h時(shí),MDA含量急劇增加,達(dá)0.157 mmol/g,其后趨于穩(wěn)定。

    圖5 引發(fā)時(shí)間對(duì)鹽脅迫下向日葵幼苗丙二醛含量的影響

    由圖6可知,與未引發(fā)處理相比,鹽脅迫下引發(fā)處理向日葵幼苗MDA含量顯著降低,尤其引發(fā)劑濃度為100 mmol/L時(shí),MDA含量最低,為0.166 mmol/g,較未引發(fā)處理降低29.96%。從以上結(jié)果來(lái)看,種子引發(fā)處理可緩解鹽脅迫下細(xì)胞的膜脂過(guò)氧化作用,穩(wěn)定細(xì)胞膜結(jié)構(gòu),維持細(xì)胞膜完整,提高細(xì)胞耐鹽性。

    圖6 引發(fā)劑濃度對(duì)鹽脅迫下向日葵幼苗丙二醛含量的影響

    2.5 種子引發(fā)對(duì)鹽脅迫下向日葵幼苗脯氨酸含量的影響

    由圖7可知,種子引發(fā)4 h時(shí),鹽脅迫下向日葵幼苗脯氨酸含量與未引發(fā)處理無(wú)顯著差異;引發(fā)8 h和12 h時(shí),向日葵幼苗脯氨酸含量顯著增加,分別達(dá)9.531 μg/g和9.966 μg/g,均顯著高于未引發(fā)處理;其后隨引發(fā)時(shí)間增加,脯氨酸積累量迅速下降,且均低于未引發(fā)處理。由圖8可知,種子引發(fā)劑濃度≤150 mmol/L時(shí),隨引發(fā)劑濃度增加,鹽脅迫下向日葵幼苗脯氨酸積累量持續(xù)增加,且均顯著高于未引發(fā)處理,其中引發(fā)劑濃度為150 mmol/L時(shí),脯氨酸積累量最高,達(dá)11.587 μg/g,為未引發(fā)處理的1.70倍;當(dāng)引發(fā)劑濃度≥200 mmol/L時(shí),向日葵幼苗的脯氨酸含量呈波動(dòng)性下降,僅350 mmol/L處理與未引發(fā)處理無(wú)顯著差異,其余2個(gè)處理仍顯著高于未引發(fā)處理。由此可見(jiàn),引發(fā)處理總體上可顯著提高鹽脅迫條件下向日葵幼苗的脯氨酸積累量,降低細(xì)胞水勢(shì),提高細(xì)胞的吸水和保水能力,從而增加向日葵幼苗對(duì)鹽脅迫的抵抗能力。

    圖7 引發(fā)時(shí)間對(duì)鹽脅迫下向日葵幼苗脯氨酸含量的影響

    圖8 引發(fā)劑濃度對(duì)鹽脅迫下向日葵幼苗脯氨酸含量的影響

    3 結(jié)論與討論

    3.1 種子引發(fā)對(duì)鹽脅迫下向日葵出苗的影響

    鹽脅迫對(duì)植物幾乎所有重要的生命過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生一定的影響,如影響種子的萌發(fā)出苗、幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育、植株的光合作用和呼吸作用等[11]。因此,土壤的含鹽量是影響植物生長(zhǎng)和作物產(chǎn)量的一個(gè)重要因素,鹽濃度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致植物減產(chǎn)乃至死亡。植物在高鹽情況下能否生長(zhǎng),取決于植物種子是否能夠萌發(fā)成苗。鹽脅迫條件下,種子的多個(gè)發(fā)芽指標(biāo)如發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)等顯著下降,種子萌發(fā)顯著受到抑制[12-14]。利用種子引發(fā)技術(shù)在播種前進(jìn)行種子處理,可縮短種子的出苗時(shí)間,提高幼苗的整齊度,增強(qiáng)種子和幼苗的抗逆性。種子引發(fā)技術(shù)作為一種提高植物耐逆性的有效手段,已普遍應(yīng)用于多種作物的抗性栽培和育種中,如高粱[6,15-16]、玉米[17-19]、大豆[7,20-21]、小麥[22-23]、水稻[8,24]等。研究表明,相較于直接播種,種子引發(fā)處理可顯著縮短鹽脅迫下高粱[6]、玉米[17]、紫花苜蓿[25]的出苗時(shí)間,提高出苗率和成苗率,這與本研究的結(jié)果一致。本研究結(jié)果表明,引發(fā)時(shí)間為12 h和引發(fā)劑濃度為150 mmol/L時(shí),向日葵出苗時(shí)間顯著短于未引發(fā)處理,分別為3.20 d和3.31 d,出苗率、成苗率顯著高于未引發(fā)處理,分別為100%、93.10%和100%、93.10%。因此,鹽漬化土壤在播前對(duì)種子進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊l(fā)處理,能夠顯著縮短出苗時(shí)間,提高出苗率和成苗率,增加作物存活率,降低鹽脅迫下的苗期致死率。

    3.2 種子引發(fā)對(duì)鹽脅迫下向日葵幼苗光合色素含量的影響

    植物光合作用以光合色素對(duì)光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ),其中葉綠素是植物最主要的光合色素。植物在鹽脅迫下,葉綠體遭到破壞,導(dǎo)致葉綠素合成速度減慢,分解速度加快[26]。本研究中,鹽脅迫下向日葵幼苗葉片中的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量、光合色素總量,在種子引發(fā)時(shí)間為12 h 和引發(fā)劑濃度為100 mmol/L時(shí)達(dá)到最大,分別為2.177、1.257、3.235、3.592 mg/g和2.182、0.873、3.055、3.458 mg/g,均顯著高于未引發(fā)處理,這與楊小環(huán)等[6]和杜錦等[17]研究結(jié)果一致。這說(shuō)明種子引發(fā)處理可以緩解鹽脅迫引起的植物光合色素含量降低,減輕鹽脅迫對(duì)光合作用的影響,維持鹽脅迫下植物正常的生長(zhǎng)發(fā)育。

    3.3 種子引發(fā)對(duì)鹽脅迫下向日葵幼苗生理特性的影響

    鹽脅迫下植物體內(nèi)自由基代謝平衡被打破,使自由基大量積累,生物膜發(fā)生膜脂過(guò)氧化作用,破壞了膜的完整性,使細(xì)胞膜透性增加[27]。MDA是膜脂過(guò)氧化的主要產(chǎn)物之一,通過(guò)測(cè)定MDA含量可間接衡量細(xì)胞膜脂過(guò)氧化程度[28]。本研究中,種子引發(fā)后細(xì)胞膜相對(duì)透性和MDA含量顯著低于未引發(fā)處理,這與史雨剛等[22]和肖雪峰等[29]分別對(duì)鹽脅迫下小麥和通關(guān)藤幼苗的生理特性研究結(jié)果一致??赡苁且?yàn)橐l(fā)處理促進(jìn)了細(xì)胞膜的修復(fù),增強(qiáng)了自由基的清除能力,降低了鹽脅迫條件下膜脂過(guò)氧化作用,保持了細(xì)胞膜的完整性。

    鹽脅迫條件下,外界溶液滲透勢(shì)較低,對(duì)植物細(xì)胞產(chǎn)生滲透脅迫,造成細(xì)胞吸水困難甚至失水。細(xì)胞為了維持正常的水分代謝,會(huì)主動(dòng)積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),其中脯氨酸是最普遍、最重要的一種有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。本研究結(jié)果表明,不同的種子引發(fā)時(shí)間和引發(fā)劑濃度下,向日葵幼苗脯氨酸積累量顯著高于對(duì)照,積累量最高分別達(dá)未引發(fā)處理的1.30倍和1.70倍。楊小環(huán)等[7]、阮松林等[8]、馬金虎等[30]也得出相似結(jié)果。種子引發(fā)處理可以通過(guò)調(diào)節(jié)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累,來(lái)緩解鹽脅迫對(duì)向日葵造成的水分脅迫,提高細(xì)胞的吸水和保水能力,增強(qiáng)向日葵對(duì)鹽脅迫的抵抗能力。

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