抗壞血酸引發(fā)對(duì)Na2SO4脅迫下燕麥種子活力的影響

夏方山，王雅聰，董秋麗，王明亞，丁荷星，朱慧森，董寬虎

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科技學(xué)院，山西 太谷 030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，山西 太谷 030801；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科技學(xué)院，北京 100193)

土壤鹽漬化是目前人類面臨的主要生態(tài)危機(jī)之一，我國(guó)鹽漬化土地面積約有3.5×107hm2，占耕地面積的1/3，這嚴(yán)重制約著我國(guó)農(nóng)業(yè)的增產(chǎn)和增收[1]。種子萌發(fā)與幼苗建成不僅直接決定著植物的生長(zhǎng)發(fā)育，對(duì)外界環(huán)境的感應(yīng)也最為敏感[2]。然而，土壤鹽漬化會(huì)造成植物種子的萌發(fā)率降低、萌發(fā)時(shí)間變長(zhǎng)、幼苗生長(zhǎng)緩慢等問題，進(jìn)而直接制約著植物的種群分布與繁衍以及農(nóng)牧業(yè)的生產(chǎn)成敗[3,4]。因此，如何促進(jìn)植物種子的耐鹽性萌發(fā)能力是最大限度地利用鹽漬化土地的根本保障。種子引發(fā)被認(rèn)為是促進(jìn)植物種子萌發(fā)的有效途徑，而采用生理活性物質(zhì)進(jìn)行種子引發(fā)則是目前該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題[5,6]。研究表明，抗壞血酸(ascorbic acid，ASC)作為種胚細(xì)胞內(nèi)普遍存在的重要生理活性物質(zhì)，不僅能增強(qiáng)鷹嘴豆(Cicerarietinum)[7]、甘蔗(Saccharum)[8]、燕麥(Avenasativa)[9]、菜豆(Phaseolusvulgaris)[10]及小麥(Triticumaestivum)[11]等植物的耐鹽性，還可提高油菜(Brassicacampestris)[12]和燕麥[13]等植物種子的耐鹽性萌發(fā)能力。然而，關(guān)于外源ASC引發(fā)促進(jìn)植物種子耐鹽性萌發(fā)的研究報(bào)道仍然較少，其具體機(jī)理也尚不清楚。

燕麥作為傳統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)糧飼兼用作物，在我國(guó)北方干旱和半干旱的農(nóng)牧交錯(cuò)帶廣泛種植，具有耐瘠薄、耐鹽堿及抗旱耐寒等優(yōu)點(diǎn)[14,15]。燕麥產(chǎn)量高、營(yíng)養(yǎng)豐富、適口性好，是制作青干草和優(yōu)質(zhì)青貯飼料的重要原材料[16]。同時(shí)，燕麥種子富含對(duì)人類健康起關(guān)鍵作用營(yíng)養(yǎng)成分[17]，其油脂含量高達(dá)3.1%～11.6%，不飽和脂肪酸含量高于80%[13]。然而，不飽和脂肪酸及其衍生物往往易于劣變或酸敗，因萌發(fā)時(shí)對(duì)逆境脅迫更敏感而使其種用價(jià)值下降[13,18]。所以，這也是鹽堿地制約燕麥生產(chǎn)的關(guān)鍵原因，且春季返鹽時(shí)最嚴(yán)重[19]。我國(guó)燕麥主產(chǎn)區(qū)的土壤鹽分主要是NaCl和Na2SO4[20]。我們前期研究發(fā)現(xiàn)，外源ASC引發(fā)能促進(jìn)NaCl脅迫下燕麥種子的萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)[13]，然而，在以Na2SO4為主要鹽分的土壤中，外源ASC引發(fā)的燕麥種子能否保持較高的活力水平仍然不是很清楚，從而制約著ASC引發(fā)燕麥種子在鹽漬化土地上生產(chǎn)的應(yīng)用。因此，本研究以外源ASC引發(fā)的燕麥種子為材料，選擇Na2SO4進(jìn)行鹽脅迫處理，以探究外源ASC引發(fā)對(duì)Na2SO4脅迫燕麥種子的萌發(fā)是否具有相似的效果，并試圖探索能夠最大限度地提高Na2SO4脅迫下燕麥種子活力的途徑，以期系統(tǒng)揭示外源ASC引發(fā)對(duì)鹽脅迫燕麥種子活力的影響，從而為保障農(nóng)牧業(yè)健康發(fā)展和解決人類糧食安全問題提供指導(dǎo)。

1 材料方法

1.1 種子來源與ASC引發(fā)處理

供試燕麥種子品種為太陽神(Titan)，由北京正道生態(tài)科技有限公司提供，并于-20 ℃條件下保存至進(jìn)行試驗(yàn)，其它具體信息及ASC引發(fā)處理的詳細(xì)操作均參照已發(fā)表文獻(xiàn)[21]。

1.2 發(fā)芽試驗(yàn)與指標(biāo)測(cè)定

發(fā)芽條件參照國(guó)際種子檢驗(yàn)協(xié)會(huì)制定的種子檢驗(yàn)規(guī)程(2015)[22]，具體試驗(yàn)操作參照已發(fā)表文獻(xiàn)[21]。發(fā)芽率的計(jì)算參照國(guó)際種子檢驗(yàn)協(xié)會(huì)制定的種子檢驗(yàn)規(guī)程(2015)[22]，發(fā)芽指數(shù)及幼苗活力指數(shù)的計(jì)算參照Abdul-Baki和Anderson[23]的方法，平均發(fā)芽時(shí)間參照Ellis和Roberts[24]的方法計(jì)算。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2010以及SAS 9.0軟件分析，并以Duncans法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 Na2SO4脅迫下ASC引發(fā)燕麥種子發(fā)芽率的變化

相同濃度ASC引發(fā)時(shí)，燕麥種子發(fā)芽率隨Na2SO4濃度的增加呈下降趨勢(shì)(表1)，但在Na2SO4濃度為0和50 mmol·L-1時(shí)無顯著(P>0.05)差異，而在100 mmol·L-1時(shí)顯著(P<0.05)降低。隨ASC引發(fā)濃度的增加，燕麥種子發(fā)芽率在Na2SO4濃度為0和50 mmol·L-1時(shí)沒有發(fā)生顯著(P>0.05)變化，但在100 mmol·L-1的Na2SO4時(shí)呈先升后降的趨勢(shì)，在ASC濃度為1.5 mmol·L-1時(shí)達(dá)到最大值，并顯著(P<0.05)高于ASC濃度為0、0.5和2.0 mmol·L-1時(shí)。

2.2 Na2SO4脅迫下ASC引發(fā)燕麥種子發(fā)芽指數(shù)的變化

相同濃度ASC引發(fā)時(shí)，燕麥種子發(fā)芽指數(shù)會(huì)隨Na2SO4濃度的增大呈顯著(P<0.05)下降趨勢(shì)(表2)。在0 mmol·L-1Na2SO4時(shí)，燕麥種子發(fā)芽指數(shù)會(huì)隨ASC濃度的增大呈下降趨勢(shì)，濃度為0和0.5 mmol·L-1的ASC引發(fā)下燕麥種子發(fā)芽指數(shù)顯著(P<0.05)高于ASC濃度為1.5和2.0 mmol·L-1時(shí)；Na2SO4濃度為50 mmol·L-1時(shí)，燕麥種子發(fā)芽指數(shù)也隨ASC濃度的增加呈下降趨勢(shì)，ASC濃度為0 mmol·L-1引發(fā)的燕麥種子發(fā)芽指數(shù)顯著(P<0.05)高于ASC濃度為0.5～2.0 mmol·L-1時(shí)，并在ASC濃度為2.0 mmol·L-1時(shí)顯著(P<0.05)低于其濃度為0～1.0 mmol·L-1時(shí)；Na2SO4濃度為100 mmol·L-1時(shí)，燕麥種子發(fā)芽指數(shù)隨ASC濃度的增加呈先升后降的趨勢(shì)，在ASC濃度為1.0和1.5 mmol·L-1時(shí)顯著(P<0.05)高于其它濃度引發(fā)，而濃度為0(CK)mmol·L-1的ASC引發(fā)下燕麥種子發(fā)芽指數(shù)顯著低于ASC濃度為0.5～2.0 mmol·L-1時(shí)。

表1 Na2SO4脅迫下ASC引發(fā)對(duì)燕麥種子發(fā)芽率的影響Table 1 Influence of ASC-priming on germination percentage of oat seeds during Na2SO4 stress

注：同行不同大寫字母表示差異顯著(P<0.05)，同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: Means with the different small letters in same row are significant differences (P<0.05), means with the different capital letters in same column are significant differences (P<0.05), the same below.

表2 Na2SO4脅迫下ASC引發(fā)對(duì)燕麥種子發(fā)芽指數(shù)的影響Table 2 Influence of ASC-priming on germination index of oat seeds during Na2SO4 stress

2.3 Na2SO4脅迫下ASC引發(fā)燕麥種子平均發(fā)芽時(shí)間的變化

相同濃度ASC引發(fā)時(shí)，燕麥種子平均發(fā)芽時(shí)間隨Na2SO4濃度的增大而顯著(P<0.05)增加(表3)。在0～100 mmol·L-1的Na2SO4時(shí)，燕麥種子平均發(fā)芽時(shí)間隨ASC引發(fā)濃度的增大均增加，并均在ASC濃度為2.0 mmol·L-1時(shí)顯著(P<0.05)高于其它ASC濃度時(shí)；Na2SO4濃度為0 mmol·L-1時(shí)，濃度為0(CK)和0.5 mmol·L-1的ASC引發(fā)下燕麥種子平均發(fā)芽時(shí)間顯著(P<0.05)小于ASC濃度為1.0～2.0 mmol·L-1時(shí)；Na2SO4濃度為50和100 mmol·L-1時(shí)，濃度為0(CK)mmol·L-1的ASC引發(fā)下燕麥種子平均發(fā)芽時(shí)間均顯著(P<0.05)高于ASC濃度為0.5～2.0 mmol·L-1時(shí)，并在ASC濃度為2.0 mmol·L-1時(shí)顯著(P<0.05)小于其余濃度引發(fā)時(shí)。

表3 Na2SO4脅迫下ASC引發(fā)對(duì)燕麥種子平均發(fā)芽時(shí)間的影響Table 3 Influence of ASC-priming on mean germination time of oat seeds during Na2SO4 stress

2.4 Na2SO4脅迫下ASC引發(fā)燕麥種子幼苗活力指數(shù)的變化

相同濃度ASC引發(fā)時(shí)，燕麥種子幼苗活力指數(shù)隨Na2SO4濃度的增大呈顯著(P<0.05)下降趨勢(shì)(表4)。在0～100 mmol·L-1Na2SO4時(shí)，燕麥種子幼苗活力指數(shù)均隨ASC濃度的增加呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)，但濃度為0 mmol·L-1的Na2SO4脅迫下，燕麥種子幼苗活力指數(shù)隨ASC引發(fā)濃度的增大而無顯著(P>0.05)變化；在50和100 mmol·L-1Na2SO4時(shí)，用0(CK)mmol·L-1的ASC引發(fā)下燕麥種子幼苗活力指數(shù)會(huì)顯著(P<0.05)小于0.5～2.0 mmol·L-1ASC引發(fā)時(shí)；在50 mmol·L-1Na2SO4時(shí)，1.5 mmol·L-1的ASC引發(fā)下燕麥種子幼苗活力指數(shù)與在2.0 mmol·L-1的Na2SO4脅迫時(shí)無顯著(P>0.05)差異，但是顯著(P<0.05)大于0～1.0 mmol·L-1的Na2SO4脅迫時(shí)時(shí)；在100 mmol·L-1的Na2SO4脅迫時(shí)，濃度為1.5 mmol·L-1的ASC引發(fā)下燕麥種子幼苗活力指數(shù)顯著(P<0.05)大于其它濃度引發(fā)。

表4 Na2SO4脅迫下ASC引發(fā)對(duì)燕麥種子幼苗活力指數(shù)的影響Table 4 Influence of ASC-priming on seedling vigor index of oat seeds during Na2SO4 stress

2.5 ASC和Na2SO4濃度對(duì)燕麥種子萌發(fā)影響的雙因素方差分析

雙因素方差分析顯示(表5)，Na2SO4和ASC濃度對(duì)燕麥種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、平均發(fā)芽時(shí)間和幼苗活力指數(shù)存在極顯著(P<0.01)的影響，Na2SO4和ASC濃度的交互作用也極顯著(P<0.01)的影響了燕麥種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)及平均發(fā)芽時(shí)間，并對(duì)其幼苗活力指數(shù)存在顯著(P<0.05)影響。

表5 Na2SO4和ASC濃度影響燕麥種子活力的雙因素分析Table 5 Bifactor analysis of the concentration of ASC and Na2SO4 on oat seed vigor

3 討論

鹽脅迫會(huì)造成燕麥種子萌發(fā)及其幼苗生長(zhǎng)能力、產(chǎn)量與品質(zhì)的下降[16,25]。試驗(yàn)結(jié)果表明，除50 mmol·L-1的Na2SO4脅迫下，燕麥種子發(fā)芽率與其濃度為0 mmol·L-1時(shí)差異不顯著(P>0.05)外，燕麥種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)及幼苗活力指數(shù)在Na2SO4脅迫下均出現(xiàn)顯著(P<0.05)下降，但其MGT則顯著(P<0.05)增大，這表明Na2SO4脅迫降低了燕麥種子的活力。劉鳳岐等[16]也發(fā)現(xiàn)，燕麥種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、株高及根長(zhǎng)在NaCl脅迫下出現(xiàn)顯著(P<0.05)降低，并均隨NaCl脅迫強(qiáng)度的增加而加強(qiáng)。復(fù)合鹽堿脅迫還會(huì)降低燕麥種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、胚根和胚芽的生長(zhǎng)[4]。因此，鹽漬化導(dǎo)致的燕麥種子活力喪失是制約其廣泛種植的關(guān)鍵因素。

植物ASC既能直接抵御其氧化應(yīng)激導(dǎo)致的活性氧增加，還能調(diào)節(jié)其生長(zhǎng)、誘導(dǎo)開花、延緩衰老等重要作用[26]。ASC缺乏的轉(zhuǎn)基因水稻(Oryzasativa)會(huì)出現(xiàn)生長(zhǎng)緩慢、植株矮小、開花延遲、開花數(shù)及結(jié)實(shí)率下降等現(xiàn)象[27]。ASC含量增加會(huì)誘導(dǎo)植物根系快速發(fā)生細(xì)胞分裂，從而促進(jìn)其伸長(zhǎng)[28]。所以ASC既能維持種子的活力水平，又能促進(jìn)其萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)[29]。然而，本試驗(yàn)結(jié)果表明，在CK條件下，隨ASC濃度的增大，燕麥種子發(fā)芽率和幼苗活力指數(shù)無顯著的(P>0.05)變化(表1和4)，其平均發(fā)芽時(shí)間顯著(P<0.05)升高(表3)，但其發(fā)芽指數(shù)則逐漸減小，在1.5及2.0 mmol·L-1ASC引發(fā)時(shí)顯著(P<0.05)小于0(CK)及0.5 mmol·L-1時(shí)(表2)。這說明在無Na2SO4脅迫的條件下，ASC引發(fā)對(duì)燕麥種子活力影響不大，但延長(zhǎng)了其發(fā)芽時(shí)間。這可能由于燕麥種子本身活力較高(初始發(fā)芽率為100%)，而ASC濃度的升高降低了其溶液的水勢(shì)，導(dǎo)致燕麥種子發(fā)生滲透損傷[30]。因此，種子自身活力與萌發(fā)條件是決定外源ASC引發(fā)技術(shù)應(yīng)用成敗的關(guān)鍵。

植物ASC含量與其抗逆性呈正相關(guān)，植物內(nèi)ASC含量增加能有效提高其抗逆性[31]。所以，外源ASC處理能促進(jìn)植物種子在鹽脅迫下的萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)能力，這已在油菜[32]、燕麥[13]、紫花苜蓿(Medicagosativa)[33]以及黃芩(Scutellariabaicalensis)[34]等植物種子的耐鹽性萌發(fā)及其幼苗生長(zhǎng)中被驗(yàn)證。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在50 mmol·L-1的Na2SO4脅迫下， ASC引發(fā)燕麥種子發(fā)芽率與CK差異不顯著(P>0.05)，且其發(fā)芽指數(shù)顯著降低，但其平均發(fā)芽時(shí)間和幼苗活力指數(shù)均顯著(P<0.05)升高，其幼苗活力指數(shù)在ASC濃度為1.5 mmol·L-1時(shí)達(dá)到最大值。這說明ASC引發(fā)不能提高燕麥種子在50 mmol·L-1的Na2SO4脅迫下萌發(fā)，但能促進(jìn)其幼苗生長(zhǎng)。然而，100 mmol·L-1Na2SO4脅迫時(shí)，ASC引發(fā)的燕麥種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)及幼苗活力指數(shù)都顯著(P<0.05)高于CK，并均在1.5 mmol·L-1ASC時(shí)達(dá)到最大值，但其平均發(fā)芽時(shí)間也顯著高于CK(P<0.05)。這說明ASC引發(fā)雖然延長(zhǎng)了燕麥種子在Na2SO4脅迫下的萌發(fā)時(shí)間，但有效地促進(jìn)其萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)。盡管外源ASC處理可通過提高植物種子內(nèi)滲透調(diào)節(jié)及抗氧化功能以緩解鹽脅迫的抑制作用[34,35]，但外源ASC引發(fā)促進(jìn)燕麥種子耐鹽性萌發(fā)的機(jī)制是否如此尚有待于深入探討。

外源ASC濃度與增強(qiáng)植物種子在鹽脅迫下的萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)能力密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)， 20 mg·L-1ASC處理能更好地促進(jìn)油菜種子在30%海水脅迫時(shí)的萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)[32]。江緒文等[34]則發(fā)現(xiàn)0.50 mmol·L-1ASC促進(jìn)種子萌發(fā)及提高其幼苗耐鹽性的效果最好。然而，本試驗(yàn)結(jié)果表明，不同鹽脅迫及ASC引發(fā)濃度對(duì)燕麥種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、平均發(fā)芽時(shí)間和幼苗活力指數(shù)的影響差異極顯著(P<0.01)，而且兩者的交互作用對(duì)其發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和平均發(fā)芽時(shí)間的影響也差異極顯著(P<0.01)，對(duì)其幼苗活力指數(shù)的影響差異顯著(P<0.05)，這說明外源ASC引發(fā)對(duì)Na2SO4脅迫燕麥種子活力的影響與兩者濃度有關(guān)，用1.5 mmol·L-1ASC引發(fā)對(duì)100 mmol·L-1Na2SO4脅迫下燕麥種子活力的效果最好。因此，應(yīng)結(jié)合燕麥種子的自身活力和脅迫強(qiáng)度選擇最佳的ASC濃度予以引發(fā)。

4 結(jié)論

Na2SO4脅迫降低了燕麥種子活力水平，而ASC引發(fā)則可緩解這種不利作用，ASC引發(fā)的緩解效果與Na2SO4和ASC濃度密切相關(guān)，在100 mmol·L-1的Na2SO4脅迫下采用1.5 mmol·L-1的ASC引發(fā)效果最好。因此，ASC引發(fā)技術(shù)的應(yīng)用需結(jié)合燕麥種子自身活力與鹽脅迫強(qiáng)度來謹(jǐn)慎選擇其濃度。