外源褪黑素和硅對(duì)鹽脅迫下芹菜幼苗生長(zhǎng)及生理特性的影響

李紅杰

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014109)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界約有8億hm2的土地遭受鹽害威脅，約占世界陸地面積的6%，而我國(guó)鹽漬土面積約有0.2億hm2，約占可耕作面積的20%，同時(shí)，由于肥料濫用及不合理灌溉等原因，土壤鹽漬化面積仍在持續(xù)增長(zhǎng)[1-2]。土壤鹽漬化對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育及作物產(chǎn)量和品質(zhì)具有嚴(yán)重影響，是阻礙農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一[3]。因此，如何提高植物耐鹽性，促進(jìn)鹽堿地有效利用已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

芹菜(Apiumgraveolens)屬傘形花科芹屬草本植物，具有抗逆性強(qiáng)、適應(yīng)性廣及生長(zhǎng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，已在我國(guó)廣泛種植[4]。大量研究表明，植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑及礦質(zhì)元素在提高植物抗逆性方面具有較大的應(yīng)用潛力[5-7]。褪黑素(Melatonin，MT)又稱N-乙酰-5-甲氧基色胺，是一種在生物體內(nèi)廣泛存在的生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)褪黑素雖然在植物體內(nèi)含量較低，但是其在緩解干旱[8]、低溫[9]、鹽[10]及重金屬脅迫[11]對(duì)植物造成的危害方面效果顯著，其作用機(jī)制主要包括2個(gè)方面：一方面，褪黑素作為一種抗氧化劑，可直接中和OH·、H2O2等活性氧自由基[12]；另一方面，褪黑素作為一種信號(hào)分子，不僅可以誘導(dǎo)抗氧化酶[如超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過(guò)氧化物酶(APX)及谷胱甘肽還原酶(GR)等]活性和抗氧化物質(zhì)[抗壞血酸(AsA)及還原型谷胱甘肽(GSH)等]含量提高，而且可以誘導(dǎo)抗性基因的表達(dá)，如植物WRKY家族(WRKY)、堿性螺旋環(huán)螺旋(bHLH)及轉(zhuǎn)錄因子(TFs)等，從而提高植物抗逆性[8-12]。硅(Si)是植物生長(zhǎng)發(fā)育的必需元素之一，在土壤常以不溶性硅酸鹽形式存在，可被植物吸收利用的Si含量往往較低[13]。適量的Si可促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育，提高植物對(duì)干旱[14]、鹽[15]及重金屬[16]脅迫的抵御能力。目前，雖然利用單一外源物質(zhì)(如褪黑素、油菜素內(nèi)酯、Si、Ca等)來(lái)提高植物耐鹽性方面的研究較多，但是尚未見關(guān)于褪黑素與Si協(xié)同作用對(duì)鹽脅迫下作物鹽害緩解效應(yīng)方面的報(bào)道。鑒于此，以芹菜為試驗(yàn)材料，研究褪黑素和Si配施對(duì)鹽脅迫下芹菜幼苗生長(zhǎng)、光合作用、抗氧化酶活性及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響，以期探索一條利用外源物質(zhì)緩解作物鹽害脅迫的新途徑，為提高植物耐鹽性和鹽堿地利用效率提供一定的參考和科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試芹菜品種為西芹皇后，購(gòu)自內(nèi)蒙古蒙龍種業(yè)科技有限公司；試驗(yàn)用NaCl、褪黑素和SiO2均為分析純，購(gòu)自上海生工生物工程有限公司。采用穴盤育苗方式進(jìn)行育苗，于三葉一心期移栽至花盆進(jìn)行鹽脅迫試驗(yàn)，花盆規(guī)格為15 cm×20 cm，栽培土壤為草炭土，每盆裝1.5 kg基質(zhì)，栽植1株幼苗。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 2018年2月20日在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院日光溫室開始育苗。3月10日移栽至花盆進(jìn)行恢復(fù)，3月16日從恢復(fù)苗中選取大小、長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗進(jìn)行鹽脅迫質(zhì)量分?jǐn)?shù)篩選試驗(yàn)，試驗(yàn)共設(shè)置6個(gè)處理，即分別將栽培基質(zhì)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)置為0(CK)、2.5、5.0、7.5、10.0、12.5 g/kg，每個(gè)處理20株，重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列。鹽脅迫15 d后，測(cè)定各處理生長(zhǎng)指標(biāo)，選取最佳鹽脅迫質(zhì)量分?jǐn)?shù)用于后續(xù)試驗(yàn)。2018年3月10日，在日光溫室進(jìn)行第2次育苗，4月5日從恢復(fù)苗中選取大小、長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗進(jìn)行鹽脅迫試驗(yàn)，NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為預(yù)試驗(yàn)中篩選的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)處理，即CK(0 g/kg NaCl)、SS(7.5 g/kg NaCl)、SS+MT(7.5 g/kg NaCl+80 μmol/L MT)、SS+Si(7.5 g/kg NaCl+5 mmol/L Si4+)、SS+MT+Si(7.5 g/kg NaCl+50 μmol/L MT+3 mmol/L Si4+)，每個(gè)處理30株，重復(fù)3次，共450株，隨機(jī)區(qū)組排列。鹽脅迫前2 d傍晚，分別向芹菜幼苗葉片噴施相應(yīng)濃度的褪黑素、Si4+及二者復(fù)配溶液，噴施量以水珠懸掛不滴為標(biāo)準(zhǔn)，CK噴施等量清水。于鹽脅迫處理15 d后，進(jìn)行生長(zhǎng)指標(biāo)及光合指標(biāo)測(cè)定，并取樣保存于-80 ℃用于測(cè)定生理生化指標(biāo)。

1.2.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法 芹菜幼苗株高、莖粗分別用直尺和游標(biāo)卡尺測(cè)定；葉面積和干質(zhì)量分別采用葉面積儀和烘干法測(cè)定；凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間二氧化碳濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)采用Li-6400便攜式光合作用儀測(cè)定，光強(qiáng)為900 μmol/(m2·s)，流速為500 mL/s；參照吳雪霞等[17]的方法測(cè)定芹菜幼苗葉片丙二醛(MDA)含量、SOD、POD及CAT活性；H2O2含量及APX活性參照郭欣欣等[18]的方法測(cè)定；可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸含量分別采用蒽酮比色法、考馬斯亮藍(lán)G-250法和磺基水楊酸提取法測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)整理和作圖采用Excel 2010軟件進(jìn)行，顯著性差異分析采用SPSS 22.0數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 芹菜鹽脅迫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的篩選

由表1可知，NaCl脅迫會(huì)顯著抑制芹菜幼苗的生長(zhǎng)，且抑制程度隨著NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高而逐漸加劇。NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5 g/kg時(shí)，芹菜幼苗的株高、莖粗、葉面積及干質(zhì)量分別較CK降低21.67%、29.94%、37.18%和20.35%，4個(gè)生長(zhǎng)指標(biāo)均與CK、2.5 g/kg和5.0 g/kg NaCl處理差異顯著(P<0.05)。NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.0、12.5 g/kg時(shí)，芹菜幼苗生長(zhǎng)受抑制程度進(jìn)一步加劇，株高、莖粗、葉面積及干質(zhì)量較7.5 g/kg NaCl處理有所降低，但是差異不顯著(P>0.05)。因此，7.5 g/kg NaCl是本試驗(yàn)的最佳鹽脅迫質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可以應(yīng)用于后續(xù)研究。

表1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鹽對(duì)芹菜幼苗生長(zhǎng)的影響Tab.1 Effects of different concentrations of salt on growth of celery seedlings

注：同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異顯著(P<0.05),下同。

Note:Different letters in the same column indicate significant difference among treatments at 0.05 level,the same below.

2.2 外源褪黑素和Si對(duì)鹽脅迫下芹菜幼苗生長(zhǎng)的影響

由表2可知，鹽脅迫條件下，外源褪黑素、Si單施及二者配施均可促進(jìn)芹菜幼苗的生長(zhǎng)。與SS處理相比，外源褪黑素處理(SS+MT)的芹菜幼苗株高、莖粗、葉面積及干質(zhì)量分別顯著增加10.61%、11.57%、27.01%和7.72%(P<0.05)；外源Si處理(SS+Si)的芹菜幼苗株高、莖粗、葉面積及干質(zhì)量則分別增加7.77%、8.01%、21.84%和4.96%；褪黑素和Si配施處理(SS+MT+Si)效果更加明顯，芹菜幼苗株高、莖粗、葉面積及干質(zhì)量則分別顯著增加22.24%、24.33%、46.74%和14.89%，均與SS、SS+MT及SS+Si處理差異顯著(P<0.05)，且株高、莖粗及干質(zhì)量3個(gè)指標(biāo)的增加幅度高于SS+MT和SS+Si處理之和。說(shuō)明，外源褪黑素和Si配施可顯著緩解鹽脅迫對(duì)芹菜幼苗生長(zhǎng)的抑制程度，且二者具有一定的協(xié)同增效作用。

表2 外源褪黑素和Si對(duì)鹽脅迫下芹菜幼苗生長(zhǎng)的影響Tab.2 Effects of exogenous melatonin and silicon on growth of celery seedlings under salt stress

2.3 外源褪黑素和Si對(duì)鹽脅迫下芹菜幼苗光合作用的影響

如圖1所示，鹽脅迫會(huì)顯著抑制芹菜幼苗的光合作用指標(biāo)。與CK相比，SS處理下芹菜幼苗葉片的Pn、Gs、Ci和Tr分別顯著降低42.65%、52.29%、22.66%和39.53%(P<0.05)。外源褪黑素、Si單施及二者配施均可提升鹽脅迫下芹菜幼苗葉片的光合作用，其中以二者配施增加幅度最大。與SS處理相比，SS+MT+Si處理下芹菜幼苗葉片的Pn、Gs及Tr分別增加59.30%、82.40%和54.11%，Ci降低37.67%，且均與SS、SS+MT及SS+Si處理差異顯著(P<0.05)。說(shuō)明鹽脅迫會(huì)顯著抑制芹菜幼苗葉片的光合作用，外源褪黑素、Si單施及二者配施均可起到顯著的緩解作用，且外源褪黑素和Si具有一定的協(xié)同增效作用，以二者配施緩解效果最佳。

不同字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同

2.4 外源褪黑素和Si對(duì)鹽脅迫下芹菜幼苗MDA和H2O2含量的影響

如圖2所示，鹽脅迫會(huì)顯著增加芹菜幼苗葉片的MDA和H2O2含量。與CK相比，SS處理下芹菜幼苗葉片的MDA和H2O2含量分別顯著增加110.19%和63.01%(P<0.05)。外源褪黑素、Si單施及二者配施均可降低鹽脅迫下芹菜幼苗葉片的MDA和H2O2含量。與SS處理相比，SS+MT處理下芹菜幼苗葉片的MDA和H2O2含量分別顯著降低22.13%和14.46%(P<0.05)；SS+Si處理下葉片的MDA和H2O2含量分別顯著降低15.25%和8.98%(P<0.05)；褪黑素和Si配施處理(SS+MT+Si)效果更加明顯，芹菜幼苗葉片的MDA和H2O2含量分別降低42.94%和29.93%，且均與SS、SS+MT及SS+Si處理差異顯著(P<0.05)。說(shuō)明鹽脅迫會(huì)顯著增加芹菜幼苗葉片的H2O2含量，導(dǎo)致發(fā)生膜脂過(guò)氧化。外源褪黑素、Si及二者配施均可顯著降低H2O2含量，緩解膜脂過(guò)氧化程度，且二者配施具有一定的協(xié)同增效作用，效果最佳。

圖2 外源褪黑素和Si對(duì)鹽脅迫下芹菜幼苗MDA和H2O2含量的影響Fig.2 Effects of exogenous melatonin and silicon on MDA and H2O2 contents of celery seedlings under salt stress

2.5 外源褪黑素和Si對(duì)鹽脅迫下芹菜幼苗抗氧化酶活性的影響

如圖3所示，鹽脅迫會(huì)顯著增加芹菜幼苗的抗氧化酶活性。SS處理?xiàng)l件下，芹菜幼苗葉片SOD、POD、CAT及APX活性分別較CK顯著增加16.27%、17.36%、31.88%和20.70%(P<0.05)。外源褪黑素、Si單施及二者配施均可進(jìn)一步增加鹽脅迫下芹菜幼苗葉片的抗氧化酶活性，其中以二者配施增加幅度最大。與SS處理相比，SS+MT+Si處理下芹菜幼苗葉片的SOD、POD、CAT及APX活性分別增加33.18%、40.35%、30.95%和66.43%，且均與SS、SS+MT及SS+Si處理差異顯著(P<0.05)。說(shuō)明鹽脅迫會(huì)顯著增加芹菜幼苗葉片的抗氧化酶活性，外源褪黑素、Si單施及二者配施均可起到進(jìn)一步增加抗氧化酶活性的作用，從而及時(shí)清除活性氧，降低膜脂過(guò)氧化程度，以二者配施效果最佳。

圖3 外源褪黑素和Si對(duì)鹽脅迫下芹菜幼苗抗氧化酶活性的影響Fig.3 Effects of exogenous melatonin and silicon on antioxidant enzyme activity of celery seedlings under salt stress

2.6 外源褪黑素和Si對(duì)鹽脅迫下芹菜幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

由表3可知，鹽脅迫會(huì)顯著增加芹菜幼苗葉片的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量。SS處理下，芹菜幼苗葉片的可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸含量分別較CK顯著增加23.35%、30.89%和51.64%(P<0.05)；外源褪黑素、Si單施及二者配施均可進(jìn)一步增加鹽脅迫下芹菜幼苗的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量。與SS相比，SS+MT處理的芹菜幼苗葉片可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸含量分別顯著增加24.51%、24.39%和20.10%(P<0.05)；SS+Si處理的芹菜幼苗葉片可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸含量分別顯著增加19.43%、17.17%和12.75%(P<0.05)；SS+MT+Si處理效果最佳，葉片可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸含量分別增加48.64%、58.94%和44.09%，且均與SS、SS+MT及SS+Si處理差異顯著(P<0.05)。說(shuō)明鹽脅迫條件下，同時(shí)噴施外源褪黑素和Si可顯著增加芹菜幼苗葉片的可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸含量，從而起到調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)水分平衡和保護(hù)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的作用。

表3 外源褪黑素和Si對(duì)鹽脅迫下芹菜幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響Tab.3 Effects of exogenous melatonin and silicon on osmoregulatory substances content of celery seedlings under salt stress

3 結(jié)論與討論

鹽脅迫是一種較為常見的非生物脅迫，不僅會(huì)對(duì)植物的生理生化功能產(chǎn)生影響，還會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生抑制，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致死亡[19]。大量研究表明，噴施外源物質(zhì)可明顯緩解鹽脅迫對(duì)植物的危害，促進(jìn)植物生長(zhǎng)[2,6-7,10]。本研究結(jié)果表明，鹽脅迫會(huì)顯著抑制芹菜幼苗生長(zhǎng)，而噴施外源褪黑素或Si均可顯著緩解鹽脅迫對(duì)芹菜幼苗生長(zhǎng)的抑制作用，且二者配施具有一定的協(xié)同增效作用，株高、莖粗、葉面積及干質(zhì)量分別較鹽脅迫處理增加22.24%、24.33%、46.74%和14.89%。本研究結(jié)果與高青海等[3]、劉月等[7]及林麗果等[15]的結(jié)果一致，其原因可能是施用外源褪黑素、Si增加了鹽脅迫下植物葉片的光合效率。二者配施具有一定的協(xié)同增效作用，其原因可能是外源褪黑素、Si在緩解鹽脅迫對(duì)植物危害方面的機(jī)制不同。

光合作用是植物一項(xiàng)重要的生理功能，是植物進(jìn)行生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)，鹽脅迫對(duì)植物光合作用具有顯著的抑制作用[15]。本研究結(jié)果表明，鹽脅迫會(huì)顯著抑制芹菜幼苗葉片的光合作用，Pn、Gs和Tr均顯著降低；鹽脅迫條件下，噴施外源褪黑素或Si均可顯著增加芹菜幼苗葉片的Pn、Gs和Tr，光合作用得到顯著提升，尤其是二者配施效果更佳，Pn、Gs和Tr分別較鹽脅迫處理增加59.30%、82.40%和54.11%，Ci降低37.67%。本研究結(jié)果與李菁等[6]、吳雪霞等[9]、林麗果等[15]及高璽等[20]結(jié)果較為一致，其原因可能是：一方面，外源褪黑素、Si可能提高了鹽脅迫下光合酶活性，促進(jìn)CO2轉(zhuǎn)化；另一方面，外源褪黑素、Si可以對(duì)光合機(jī)構(gòu)起到一定的保護(hù)作用，緩解了鹽脅迫對(duì)光合機(jī)構(gòu)的損傷，從而提高了光合效率。

鹽脅迫條件下，植物體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的活性氧自由基，從而導(dǎo)致細(xì)胞膜膜脂過(guò)氧化，其中，MDA含量是衡量膜脂過(guò)氧化程度的重要指標(biāo)[8]。為了適應(yīng)干旱環(huán)境，植物常通過(guò)提高自身的保護(hù)酶(POD、SOD、CAT、APX)活性來(lái)清除體內(nèi)過(guò)量的活性氧，從而減輕活性氧對(duì)自身的傷害，維持代謝平衡[8-9]。本研究結(jié)果表明，鹽脅迫會(huì)導(dǎo)致芹菜幼苗發(fā)生膜脂過(guò)氧化，葉片H2O2和MDA含量顯著增加；同時(shí)，為了清除過(guò)量活性氧，幼苗葉片POD、SOD、CAT及APX活性均顯著增加。噴施外源褪黑素、Si均可進(jìn)一步增加芹菜幼苗葉片的POD、SOD、CAT及APX活性，降低H2O2和MDA含量，其中，二者配施效果更佳，SS+MT+Si處理下芹菜幼苗葉片的SOD、POD、CAT和APX活性分別增加33.18%、40.35%、30.95%和66.43%，MDA和H2O2含量分別降低42.94%和29.93%。本研究結(jié)果與葉君等[8]、吳雪霞等[9]及康建軍等[14]的結(jié)果較為一致，其原因可能是外源褪黑素和Si可以提高植物葉片中抗氧化酶合成基因的表達(dá)量，提高抗氧化酶活性，增強(qiáng)H2O2清除能力，降低膜脂過(guò)氧化程度。

滲透調(diào)節(jié)也是植物提高耐鹽性的重要機(jī)制之一，通過(guò)增加體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量來(lái)提高細(xì)胞滲透勢(shì)，維持水分平衡，提高耐鹽性[3]。本研究結(jié)果表明，鹽脅迫會(huì)導(dǎo)致芹菜幼苗葉片可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸含量顯著增加；而噴施外源褪黑素、Si均可進(jìn)一步增加芹菜幼苗葉片的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量，其中，二者配施效果更佳，SS+MT+Si處理下芹菜幼苗葉片的可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸含量分別增加48.64%、58.94%和44.09%。本研究結(jié)果與高青海等[3]、李天哲等[16]的結(jié)果一致。說(shuō)明滲透調(diào)節(jié)是外源褪黑素、Si提高植物耐鹽性的重要機(jī)制之一。

綜上所述，外源褪黑素、Si可顯著增加鹽脅迫下芹菜幼苗的抗氧化酶活性，增強(qiáng)活性氧自由基清除能力，降低膜脂過(guò)氧化，緩解了鹽脅迫對(duì)芹菜幼苗的生長(zhǎng)抑制及光合系統(tǒng)的氧化損傷，促進(jìn)其生長(zhǎng)發(fā)育；此外，還可以增加芹菜幼苗的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量，維持水分平衡，顯著提升耐鹽性，其中，二者復(fù)配施用具有一定的協(xié)同增效作用，效果更佳。本結(jié)果可以為提高植物耐鹽性和鹽堿地利用效率提供一定的參考和科學(xué)依據(jù)。