水楊酸預處理對干旱脅迫下甜高粱種子萌發(fā)及生理特性的影響

梁 佳，瑪依努·吾斯曼，方志剛，＊

1.喀什大學生命與地理科學學院，新疆喀什 844000 2.新疆帕米爾高原生物資源與生態(tài)重點實驗室，新疆喀什 844000

我國干旱、半干旱區(qū)面積占土地總面積近50%，其中西北內陸干旱區(qū)占國土面積24.5%。水分是干旱區(qū)種子萌發(fā)的關鍵因素，有研究表明，干旱脅迫通過影響種子吸水過程，呼吸作用、淀粉水解及碳水化合物的轉變進而抑制或促進種子萌發(fā)。水楊酸（salicylic acid，SA）是植物體內的小分子酚類物質，通過復雜的信號轉導網絡參與植物響應逆境的生理過程。研究表明，使用一定濃度的SA浸種或噴施可以提高多種植物對干旱的適應能力。如二色補血草（Limonium bicolor）種子經水楊酸浸種后，可顯著促進種子萌發(fā)和幼苗生長。

甜高粱（Sorghum bicolor L.Moench），一年生C4植物，植株生物量大、抗旱性強，是優(yōu)良的可再生能源作物及飼草作物，適合在干旱區(qū)種植。本文以甜高粱品種大力士為試驗材料，設置不同濃度水楊酸預處理，探尋干旱脅迫下水楊酸對甜高梁種子萌發(fā)及生理特性的影響。并篩選出緩解甜高粱芽苗期干旱脅迫效應較好的水楊酸濃度水平，以期為水楊酸緩解甜高粱干旱脅迫的機理提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

選用甜高粱品種大力士，挑選籽粒飽滿、大小一致的甜高梁種子，用5%NaClO消毒20 min，蒸餾水沖洗干凈，備用。

1.2 試驗方法

用PEG-6000模擬干旱脅迫,根據本課題組預實驗結果設定PEG濃度為10%。設置6個處理，以0 mmol·L-1SA濃度作干旱脅迫（10%PEG）預處理時用等量蒸餾水浸泡，分別用蒸餾水（CK）、0 mmol·L-1（10%PEG）、0.5 mmol·L-1（SA1）、1.0 mmol·L-1（SA2）、2.0 mmol·L-1（SA3）和4.0 mmol·L-1（SA4）的SA預處理（20℃黑暗條件下，浸泡2 h）甜高粱種子之后，將其取出，吸水紙擦干稱重，即為原始質量。取上述預處理的種子均勻擺放在鋪有雙層濾紙的培養(yǎng)皿內（直徑9 cm），每皿25粒種子，3次重復，向CK培養(yǎng)皿中加入8 mL蒸餾水，其他培養(yǎng)皿中加入8 mL10%PEG溶液。培養(yǎng)皿置于暗處進行實驗，待種子萌發(fā)后，將其置于夜光周期12 h，晝夜溫度23/15℃，光照強度300 molm-2s-1條件下繼續(xù)培養(yǎng)。第3天開始記錄種子萌發(fā)數（以胚根突破種皮2 mm為標準），第8天在每培養(yǎng)皿內隨機挑5粒均勻的幼苗，測種子根長、芽長、鮮重及干重。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 種子吸水能力及發(fā)芽指標的測定

種子吸水量（g）Y1=Xtn-Xtn-1；種子吸水百分率（%）Y2=（Xtn-Xt0）/Xt0×100%；種子吸水速率（%/h）Y3=Y1/（tn-tn-1）[7]。Xtn、Xtn-1為第n、n-1次稱重時25粒種子質量；Xt0為25粒甜高梁種子原始質量。

發(fā)芽率（%）=（第七天的萌發(fā)種子數/供試種子總數）×100%；發(fā)芽勢（%）=（發(fā)芽高峰期種子發(fā)芽數/供試種子數）×100%；活力指數（VI）=GI×S；發(fā)芽指數（GI）=Σ（Gt/Dt）。Gt為種子第t天發(fā)芽粒數，Dt為相應的發(fā)芽天數；S為最后一天測得每粒種子的平均鮮重（g）。

1.3.2 生理生化指標的測定

實驗第4天取剛萌發(fā)的種子測定α-淀粉酶活性，第8天取芽鞘和葉子測量脯氨酸含量。測定方法均參照李小方、張志良主編的《植物生理學實驗指導》。

1.3.3 數據分析

采用Origin9.0軟件繪圖，采用SPSS25.0軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫與水楊酸浸種對甜高粱種子吸水的影響

2.1.1 吸水量

表1 水楊酸預處理對干旱脅迫下甜高粱種子吸水量（g）的影響

從表1可以看出，不同處理條件下，甜高粱種子的吸水量0～4 h最大，4 h之后快速減小；12 h之后逐漸趨于穩(wěn)定。與對照相比，10%PEG處理甜高粱種子吸水量在0～8 h和12～24 h內均顯著降低。干旱脅迫下，SA2和SA3預處理甜高粱種子吸水量在0～8 h顯著提高。其中，SA3預處理使甜高粱種子吸水量恢復至CK水平。

CK：對照；10%PEG：干旱脅迫；SA1：0.5 mmol·L-1SA；SA2：1.0 mmol·L-1SA；SA3：2..0 mmol·L-1SA；SA4：4.0 mmol·L-1SA。同列數值后不同字母表示在0.05水平差異顯著。下同。

2.1.2 吸水率

圖1 干旱脅迫與水楊酸預處理下甜高粱種子吸水率的變化

圖2 干旱脅迫與水楊酸預處理下甜高粱種子吸水速率的變化

從圖1可以看出，不同處理下，甜高粱種子吸水率在4～8 h急劇增加，8～12 h緩慢增加，12 h后逐漸趨于穩(wěn)定。與CK相比，10%PEG處理種子吸水百分率顯著降低。干旱脅迫下，SA1預處理種子吸水率在4～12 h內降低，SA4預處理種子吸水率在不同時段內均顯著低于干旱處理，經SA2和SA3預處理的種子吸水率較10%PEG處理顯著增加，且SA3預處理種子吸水率達到對照水平。

2.1.3 吸水速率

從圖2可以看出，不同處理中，甜高粱種子吸水速率在4 h最高，隨時間延長不斷降低，12 h之后趨于穩(wěn)定。4～8 h和12～24 h內，10%PEG處理種子吸水速率顯著低于對照。不同時間，SA1預處理與10%PEG處理的種子吸水速率無顯著差異。4～8 h內SA2及SA3預處理可顯著提高干旱脅迫下甜高粱種子的吸水速率；且12～24 h，SA3預處理的吸水速率達對照水平。8～24 h內，SA4預處理與10%PEG處理無顯著差異。

2.2 干旱脅迫與水楊酸浸種對甜高粱種子萌發(fā)的影響

表2 水楊酸預處理對干旱脅迫下甜高粱種子萌發(fā)的影響

從表2可以看出，10%PEG處理的甜高粱種子萌發(fā)指標與CK相比都顯著下降。SA2和SA3預處理均能顯著提高干旱脅迫下甜高粱種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數及活力指數；SA3預處理中，上述指標分別增長26.40%、36.36%、27.64%、48.31%。相同條件下，SA濃度增加至4.0 mmol·L-1（SA4）時，甜高粱種子的各個萌發(fā)指標與10%PEG處理均無顯著差異。

2.3 干旱脅迫與水楊酸浸種對甜高粱幼苗生長的影響

表3 水楊酸預處理對干旱脅迫下甜高粱幼苗生長的影響

由表3可見，10%PEG處理顯著抑制了甜高粱胚根長、胚芽長、鮮重及干重。干旱脅迫下，隨SA濃度增加，上述指標呈現出先增加后減小的趨勢。與干旱脅迫相比，SA1預處理顯著增加了種子胚根長，SA2預處理則顯著增加了種子胚根長和胚芽長，SA3預處理增加了胚根長、胚芽長及干重。但SA4與SA3預處理相比，其根長、芽長、干重，分別降低了39.10%、24.97%、21.05%（P＜0.05）。

2.4 干旱脅迫與水楊酸浸種對甜高粱種子生理指標的影響

2.4.1 α-淀粉酶活性

圖3 水楊酸預處理對干旱脅迫下甜高粱種子α-淀粉酶活性的影響

圖3表明，與對照相比，10%PEG預處理時，甜高粱種子α-淀粉酶活性顯著增加。干旱脅迫下，隨著SA濃度的升高，α-淀粉酶活性表現出先降低再升高的趨勢。SA1與SA4預處理種子α-淀粉酶活性分別較對照顯著增加53.66%、43.90%；經SA2與SA3預處理后種子α-淀粉酶活性與對照相比無顯著差異。

2.4.2 脯氨酸含量

圖4 水楊酸預處理對干旱脅迫下甜高粱幼苗脯氨酸含量的影響

圖4表明，10%PEG處理使甜高粱幼苗脯氨酸含量顯著高于對照，經梯度SA預處理后，幼苗中脯氨酸含量呈現出先升高后降低的趨勢。其中，SA2和SA3預處理脯氨酸含量分別比10%PEG處理增加46.91%、60.02%，且上述兩個處理間差異顯著。當水楊酸濃度增加到4.0 mmol·L-1（SA4）時，與SA2、SA3相比脯氨酸含量顯著降低，但仍顯著高于10%PEG預處理。

3 討論與結論

水分對種子萌發(fā)至關重要，干旱脅迫造成環(huán)境中可利用水分不足，影響種子吸水進程，嚴重時抑制種子萌發(fā)。本實驗表明，不同處理條件下，甜高粱種子在0～4 h快速吸水，吸水量最大；4 h之后吸水快速減??；12 h之后逐漸穩(wěn)定，這與前人的研究結果一致[9]，表明甜高粱種子吸水4 h后，逐漸從物理吸脹到萌發(fā)吸水。常用發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數和活力指數等指標評價種子在芽苗期應對環(huán)境因子脅迫的抗性[10]。本實驗中，0～24 h內，10%PEG處理可顯著降低甜高粱種子吸水量和吸水速率，抑制了種子吸水進程，從而使種子萌發(fā)指標及幼苗生長降低（圖2、表2-3），但α-淀粉酶活性較對照顯著升高（圖3），實驗中觀察到該處理下甜高粱種子萌發(fā)出現延遲，可能是α-淀粉酶活性相對較高的原因。SA被證明能通過調節(jié)植物體內代謝通路來調控種子萌發(fā)及幼苗生長過程，但其機制尚不完全清楚。本研究中，適當濃度SA預處理明顯提高了干旱脅迫下種子的吸水量，其中以2.0 mmol·L-1的SA預處理效果最優(yōu)（表1），說明適宜濃度SA預處理可優(yōu)化干旱脅迫下甜高粱種子吸水進程。用 0.5 mmol·L-1和4.0 mmol·L-1的SA預處理后，并沒有顯著改變種子在干旱環(huán)境中的萌發(fā)效應，一方面是由于過低的SA預處理未影響種子在干旱環(huán)境中的吸水量及吸水速率，種子萌發(fā)出現延遲現象，此時α-淀粉酶活性仍維持在較高水平（表1，圖3）；另一方面，過高濃度SA預處理，可能破壞甜高梁種子萌發(fā)過程中激素平衡，抑制種子萌發(fā)及幼苗生長（表3）。這與張利霞等[11]的研究結果類似，說明高濃度水楊酸預處理種子也可能間接對種子萌發(fā)造成傷害。

種子萌發(fā)初期，α-淀粉酶通過水解淀粉，為種子萌發(fā)提供能量，但是環(huán)境因子變化會影響淀粉酶水解及種子呼吸等生理過程，進而影響種子萌發(fā)[12]。本研究發(fā)現，不同濃度SA預處理種子，α-淀粉酶活性和脯氨酸含量變化趨勢不同，10%PEG處理條件下，α-淀粉酶活性和脯氨酸含量較對照均顯著增加，這主要是由于干旱脅迫導致種子延遲萌發(fā)及幼苗產生滲透調節(jié)物質。SA濃度升到2.0 mmol·L-1時，α-淀粉酶活性下降到最小，脯氨酸含量上升到峰值（圖3、圖4），推測種子萌發(fā)后，幼苗根系開始吸收水分，降低了種子中α-淀粉酶活性，同時葉片開始進行光合作用，積累一些糖類物質，為新物質合成提供底物。趙會君等[13]實驗證明，種子在萌發(fā)前60-72 h淀粉酶活性達到最大，之后快速下降，表明α-淀粉酶活性峰值主要出現在種子萌發(fā)前期，隨著胚根生長，其活性持續(xù)下降。也有研究表明，干旱條件下，0.5～1.5 mmol·L-1水楊酸預處理能提高茄子（Solanum melongena L）種子的α-淀粉酶活性[14]，與本實驗結果不同，這與種子萌發(fā)所需時間有關，本實驗在種子萌發(fā)第4天取樣，α-淀粉酶可能完成了淀粉的水解，故其相對活性降低。脯氨酸通過調節(jié)植物細胞水勢減輕脅迫對植物的傷害，其含量變化在一定程度上反映了植物的抗旱性[15]。本研究中2.0 mmol·L-1SA預處理后甜高粱幼苗積累大量脯氨酸，推測干旱環(huán)境中，適當濃度SA預處理可能通過誘導甜高粱幼苗積累脯氨酸，降低幼苗葉片中的水勢維持體內水分平衡，促進碳氮代謝，從而緩解甜高粱的干旱脅迫效應。有關水楊酸預處理導致甜高粱幼苗碳氮代謝的改變需在今后的研究中進一步驗證。

綜上所述，本實驗條件下，干旱環(huán)境中，適宜濃度的SA預處理可改善甜高粱種子吸水能力、調節(jié)α-淀粉酶活性，誘導脯氨酸積累，促進甜高粱種子萌發(fā)及幼苗生長，有效提高甜高粱在芽苗期的抗旱性。結果表明，2.0 mmol·L-l的SA預處理種子，緩解甜高粱芽苗期的干旱脅迫效應最優(yōu)。