鄧 平,趙 英,王 霞,陳秋佑,吳 敏*
(1.玉林師范學(xué)院,桂東南珍稀經(jīng)濟(jì)物種保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,廣西 玉林 537000;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院,陜西 楊凌 712100)
水楊酸(salicylic acid,SA)是高等植物體內(nèi)普遍存在的一種內(nèi)源性激素,可作為植物抗逆反應(yīng)的信號(hào)分子,并激活其防御保護(hù)系統(tǒng),在植物的抗逆過程中起關(guān)鍵作用[5-6]。研究表明,施用一定濃度的外源SA能誘導(dǎo)種子產(chǎn)生許多抗鹽性狀,緩解鹽脅迫對(duì)種子的傷害,提高種子對(duì)鹽脅迫的適應(yīng)性[7-8]。例如,Nimir等[9]研究發(fā)現(xiàn)在100和200 mmol/L NaCl脅迫下,用360.0 μmol/L SA浸泡高粱(Sorghumbicolor)種子,可以顯著提高種子萌發(fā)率、蛋白質(zhì)含量和超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性,降低丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量。Asadi等[10]對(duì)NaCl脅迫鷹嘴豆(Cicerarietinum)種子萌發(fā)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),用1.5和3.0 mmol/L SA浸種均可以增加種子抗氧化酶活性,降低脯氨酸和MDA含量,提高其耐鹽性。Bagheri[11]和Yadav等[12]研究也發(fā)現(xiàn)在NaCl脅迫下,用低濃度的SA浸種玉米(Zeamays)通過提高其過氧化物酶(peroxidase,POD)和過氧化氫酶(catalase,CAT)活性及總蛋白質(zhì)含量,減輕鹽脅迫下細(xì)胞的膜脂過氧化程度,降低細(xì)胞膜滲透率。此外,國內(nèi)學(xué)者對(duì)花椰菜(Brassicaoleraceavar.botrytis)、菜豆(Phaseo-lusvulgaris)、甘草(Glycyrrhizauralensis)和羽衣甘藍(lán)(B.oleraceavar.acephala)等研究也發(fā)現(xiàn),添加適當(dāng)濃度SA能夠相對(duì)提高鹽脅迫條件下種子萌發(fā)的數(shù)量、速度和質(zhì)量,提高滲透調(diào)節(jié)能力和抗氧化能力[13-16]。綜上所述,國內(nèi)外關(guān)于SA對(duì)鹽脅迫下種子萌發(fā)影響的報(bào)道主要集中在農(nóng)作物和園藝產(chǎn)品的研究,而針對(duì)SA作用于重碳酸鹽脅迫下生態(tài)樹種種子萌發(fā)的研究鮮見報(bào)道。
青岡櫟(Cyclobalanopsisglauca)為殼斗科青岡屬,是喀斯特亞熱帶常綠落葉闊葉混交林建群種之一,對(duì)巖溶環(huán)境具有較強(qiáng)的適應(yīng)性,是該地區(qū)植被恢復(fù)的優(yōu)良造林樹種[17]。前期野外調(diào)查發(fā)現(xiàn),青岡櫟雖結(jié)實(shí)量大,但其生境土層淺薄、重碳酸鹽含量高,種子萌發(fā)率低,影響其植物體重建,限制種群自然更新。目前,針對(duì)青岡櫟的研究主要集中在種群生殖生態(tài)、人工林培育、種苗抗旱性等方面[18-22],但從生理生態(tài)學(xué)角度系統(tǒng)研究SA對(duì)重碳酸鹽脅迫下青岡櫟種子萌發(fā)影響的研究鮮見報(bào)道。因此,本試驗(yàn)通過配制不同濃度的NaHCO3溶液,研究喀斯特地區(qū)土壤中重碳酸鹽對(duì)青岡櫟種子萌發(fā)特性以及有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量、抗氧化保護(hù)酶活性變化的影響;用低濃度SA溶液浸種,以期闡明SA對(duì)重碳酸鹽脅迫下青岡櫟種子萌發(fā)是否有促進(jìn)作用;揭示影響種子萌發(fā)的條件,為喀斯特地區(qū)青岡櫟的推廣造林、植被恢復(fù)與重建提供理論參考。
試驗(yàn)地位于青岡櫟種群分布核心區(qū)桂林市雁山區(qū)大埠鄉(xiāng)甘棠村后山(110°18′~110°22′E,25°01′~25°03′N),海拔150~210 m,陽坡或半陽坡,坡度9°~11°。其中,青岡櫟平均樹高(13.43±3.98)m,平均胸徑(21.54±4.73)cm。于2016年11月12—22日,選擇樹勢(shì)健壯、樹冠發(fā)育良好、無病蟲害的母樹,采集其成熟種子,放于牛皮袋標(biāo)記保存帶回實(shí)驗(yàn)室。在實(shí)驗(yàn)室清洗并篩選出下沉健康飽滿的種子,自然陰干,置于4 ℃冰箱儲(chǔ)存。
于2016年12月12日起,取大小相近、飽滿的種子分別用游標(biāo)卡尺(精度0.01 cm)、電子天平(精度0.01 g)和TTC染色法,測(cè)定種子平均百粒質(zhì)量、單粒種子的縱徑和橫徑、新鮮種子活力,上述指標(biāo)均重復(fù)3次取平均值。最終選取供試種子百粒質(zhì)量(428.03±18.79)g、縱徑(2.19±0.28)cm和橫徑(1.98±0.32)cm、活力為90%以上。種子在水中浸泡48 h后,用質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%高錳酸鉀溶液消毒30 min,再用蒸餾水沖洗3次,濾紙吸干表面?zhèn)溆谩?/p>
分別用0、0.05、0.10、0.50、1.00、2.00和4.00 mmol/L的SA對(duì)青岡櫟種子萌發(fā)進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)(每個(gè)梯度100粒種子),發(fā)現(xiàn)0.50 mmol/L SA浸種12 h的青岡櫟種子,其萌發(fā)周期短、速度快,萌發(fā)率最高(圖1),因此,0.50 mmol/L 為促進(jìn)青岡櫟萌發(fā)的SA合理濃度。重碳酸鹽脅迫通過配制不同濃度NaHCO3溶液獲得,共設(shè)7個(gè)濃度梯度,分別為0、24、48、72、96、120、144 mmol/L;SA處理共設(shè)2個(gè)梯度,濃度分別為0和0.50 mmol/L;其中7個(gè)NaHCO3脅迫梯度處理開始前用清水(0 mmol/L SA)浸種12 h,另外7個(gè)NaHCO3脅迫梯度處理開始前用0.50 mmol/L SA浸種12 h,共計(jì)14個(gè)處理,每個(gè)處理5個(gè)重復(fù),每個(gè)重復(fù)20粒種子,故每個(gè)處理共計(jì)100粒種子。培養(yǎng)皿(20 cm × 20 cm)和培養(yǎng)基質(zhì)(珍珠巖)在105 ℃烘箱消毒2 h;青岡櫟種子播于3層醫(yī)用脫脂紗布下鋪有消毒珍珠巖(厚度2 cm)的培養(yǎng)皿中,每個(gè)培養(yǎng)皿放種子20粒(預(yù)先用清水或0.50 mmol/L SA浸泡);最后向培養(yǎng)皿中加入40 mL不同濃度的NaHCO3,每3 d更換1次培養(yǎng)基,置于恒溫25 ℃智能人工氣候箱內(nèi)(BIC-400型,上海博迅醫(yī)療生物儀器公司),相對(duì)濕度60%,周期性光照處理:光12 h/暗12 h,光照強(qiáng)度200 μmol / (m2·s),實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行28 d。
圖1 SA處理下青岡櫟栓皮櫟種子萌發(fā)動(dòng)態(tài)
1.3.1 發(fā)芽指標(biāo)測(cè)定
以種子露白為發(fā)芽標(biāo)志,從實(shí)驗(yàn)開始的第2天起,每天18:00記錄發(fā)芽種子數(shù)量,測(cè)量胚根長度。在實(shí)驗(yàn)?zāi)┢?,?dāng)連續(xù)3 d青岡櫟種子萌發(fā)數(shù)量不足供試種子總數(shù)的1%時(shí),視為發(fā)芽實(shí)驗(yàn)結(jié)束[23]。按下列公式計(jì)算種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)[24-25]:
發(fā)芽率=種子發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù)×100%;
發(fā)芽指數(shù)=逐日發(fā)芽數(shù)/對(duì)應(yīng)的發(fā)芽天數(shù);
活力指數(shù)=發(fā)芽指數(shù)×幼苗鮮質(zhì)量;
耐鹽指數(shù)=處理組活力指數(shù)/對(duì)照組活力指數(shù)×100%;
相對(duì)鹽害率=(對(duì)照組發(fā)芽率-處理組發(fā)芽率)/對(duì)照組發(fā)芽率×100%。
1.3.2 生理指標(biāo)測(cè)定
待種子發(fā)芽實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)(第28天),從各處理中選擇胚根長度>5 cm,且未萌發(fā)出胚芽的種子以液氮速凍,超低溫保存,統(tǒng)一進(jìn)行種子保護(hù)酶、有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和丙二醛(MDA)含量的測(cè)定。超氧化物歧化酶(SOD)活性測(cè)定用氮藍(lán)四唑(NBT)法,設(shè)A560下抑制NBT光化還原50%所需酶量為1個(gè)酶活力單位(記為U);過氧化物酶(POD)活性測(cè)定用愈創(chuàng)木酚熱色法,以1 min內(nèi)A470變化0.01為1個(gè)過氧化物酶活性單位(U);過氧化氫酶(CAT)活性測(cè)定用紫外線吸收法,以1 min內(nèi)A240減少0.1的酶量為1個(gè)酶活性單位(U)??扇苄蕴呛?、可溶性蛋白和脯氨酸含量分別用蒽酮法、考馬斯亮藍(lán)G-250和磺基水楊酸-酸性茚三酮顯色法測(cè)定。丙二醛(MDA)含量用硫代巴比妥酸(TBA)法測(cè)定。以上生理指標(biāo)的測(cè)定均參考李合生[26]的方法,每個(gè)指標(biāo)重復(fù)測(cè)定3次,取其平均值。
用SPSS 18.0軟件進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著性差異法(LSD)檢驗(yàn)比較相同SA處理下,不同濃度NaHCO3處理間青岡櫟種子萌發(fā)的差異顯著性;用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)比較相同濃度NaHCO3處理下,不同濃度SA處理間種子萌發(fā)的差異顯著性。使用Origin 9.0軟件繪圖。
經(jīng)測(cè)定發(fā)現(xiàn)(圖2A),無SA處理時(shí),隨NaHCO3脅迫濃度的增加,青岡櫟種子發(fā)芽率顯著下降(P< 0.05);經(jīng)SA處理后,隨NaHCO3脅迫濃度的增加,發(fā)芽率呈先降后升再下降的趨勢(shì),但當(dāng)NaHCO3濃度分別為0和72 mmol/L時(shí),發(fā)芽率均高于對(duì)照組,且在NaHCO3濃度為72 mmol/L時(shí),發(fā)芽率最高(80.00±6.13)%。在相同NaHCO3脅迫濃度處理下,SA處理后青岡櫟種子發(fā)芽率均高于無SA處理組,其中當(dāng)NaHCO3濃度為24、48、72和96 mmol/L時(shí),分別比無SA處理組顯著增加了16.67%、25.21%、45.45%和14.29%(P< 0.05)。
從圖2B、2C可以看出,無SA處理時(shí),在不同NaHCO3濃度脅迫下青岡櫟種子發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)均顯著低于對(duì)照組(P< 0.05);經(jīng)SA處理后,隨著NaHCO3濃度的增加,種子的發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)均呈先降后升再下降的趨勢(shì),當(dāng)NaHCO3為濃度72 mmol/L時(shí),發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)達(dá)到峰值分別為10.87±0.99和48.15±3.44,且當(dāng)NaHCO3濃度為0~72 mmol/L時(shí)二者的值均高于對(duì)照組。在NaHCO3濃度為24~144 mmol/L時(shí),經(jīng)SA處理青岡櫟種子的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)總是顯著高于無SA處理組(P< 0.05)。
不同小寫字母表示在相同濃度SA處理下,不同濃度NaHCO3處理間差異顯著(P < 0.05);*和**表示在相同濃度NaHCO3處理下,不同SA濃度間差異顯著;*.P<0.05;**.P<0.01。下同。The different lowercase letters indicate significant differences in the same SA concentration among different salt treatments at 0.05 level. * and ** indicate significant differences in the same treatment under different SA concentrations at 0.05 and 0.01 level. The same below.
由SA對(duì)NaHCO3脅迫下青岡櫟種子萌發(fā)耐鹽指標(biāo)(表1)來看,無SA處理時(shí),各NaHCO3濃度下的青岡櫟種子耐鹽指數(shù)均顯著低于對(duì)照組(P< 0.05);經(jīng)SA處理后,當(dāng)NaHCO3濃度為48和72 mmol/L時(shí),耐鹽指數(shù)均高于對(duì)照組,分別比對(duì)照增加了16.74%和29.34%。在相同濃度NaHCO3脅迫處理下,經(jīng)SA處理后種子的耐鹽指數(shù)均顯著高于無SA處理組(P< 0.05)。
無SA處理時(shí),隨NaHCO3脅迫濃度增加,青岡櫟種子的相對(duì)鹽害率迅速顯著增加(P< 0.05,見表1)。經(jīng)SA處理后,當(dāng)NaHCO3脅迫濃度為0~120 mmol/L處理組時(shí),相對(duì)鹽害率均顯著低于無SA處理組(P< 0.05),且在NaHCO3濃度為0和72 mmol/L時(shí),種子未受到毒害,其中在72 mmol/L NaHCO3脅迫下,種子的相對(duì)鹽害率最低。但當(dāng)NaHCO3脅迫濃度為144 mmol/L時(shí),即使種子經(jīng)0.50 mmol/L SA處理也未能顯著降低相對(duì)鹽害率(P> 0.05)。
表1 SA處理對(duì)NaHCO3脅迫處理下青岡櫟種子耐鹽指數(shù)、相對(duì)鹽害率的影響(n=5)
由SA對(duì)NaHCO3處理下青岡櫟種子丙二醛含量的影響(圖3)可以看出,無SA處理時(shí),隨NaHCO3脅迫濃度增加,青岡櫟種子丙二醛(MDA)含量極顯著增加(P< 0.01);經(jīng)SA處理后,隨NaHCO3濃度增加,其MDA含量呈波動(dòng)性變化,在NaHCO3脅迫濃度為0~72 mmol/L時(shí),其含量均低于對(duì)照組,其中當(dāng)NaHCO3脅迫濃度為24 mmol/L,其MDA含量最低,比對(duì)照組減少了12.75%。在相同NaHCO3脅迫濃度下,經(jīng)SA處理的青岡櫟種子MDA含量均顯著低于無SA處理組(P< 0.05)。
圖3 SA處理對(duì)NaHCO3脅迫處理下青岡櫟種子丙二醛含量的影響(n=3)
由SA對(duì)NaHCO3脅迫下青岡櫟種子抗氧化酶活性的影響(圖4A)可知,無SA處理時(shí),隨NaHCO3脅迫濃度增加,青岡櫟種子的SOD活性呈波動(dòng)性變化,但均顯著低于對(duì)照組(P< 0.05);經(jīng)SA處理后,隨NaHCO3脅迫濃度增加,其SOD活性先增加后減少,當(dāng)NaHCO3脅迫濃度為24~72 mmol/L時(shí),其SOD活性均高于對(duì)照組,且在72 mmol/L NaHCO3時(shí),SOD活性達(dá)到峰值(10 122±473)U/g。當(dāng)NaHCO3濃度為24~144 mmol/L時(shí),經(jīng)SA處理的種子SOD活性均極顯著高于無SA處理組(P< 0.01)。
圖4 SA處理對(duì)NaHCO3脅迫處理下青岡櫟種子抗氧化酶活性的影響(n=3)
由圖4B可知,在0和0.50 mmol/L的SA處理下,隨NaHCO3脅迫濃度的增加,青岡櫟種子的POD活性均是先增加后減少,但其活性均高于對(duì)照組;且經(jīng)SA處理后,NaHCO3濃度為72 mmol/L時(shí),POD活性到達(dá)峰值(1 199±72)U/(g·min)。在相同濃度NaHCO3脅迫處理下,SA處理組種子POD活性均極顯著高于無SA處理組(P< 0.01)。
由圖4C可以看出,在0和0.50 mmol/L的SA處理下,隨NaHCO3脅迫濃度的增加,青岡櫟種子的CAT活性均是先增后減;僅在無SA處理,NaHCO3脅迫濃度為144 mmol/L時(shí),其活性低于對(duì)照組;而經(jīng)SA處理后,NaHCO3濃度為96 mmol/L時(shí),CAT活性達(dá)到峰值(460±26)U/(g·min)。在相同濃度NaHCO3脅迫處理下,SA處理組種子CAT活性也均顯著高于無SA處理組(P< 0.05)。
由SA處理對(duì)NaHCO3脅迫下青岡櫟種子滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響(圖5A)可知,無SA處理時(shí),隨NaHCO3脅迫濃度增加,青岡櫟種子可溶性糖含量整體呈增加趨勢(shì),且當(dāng)NaHCO3濃度為96~144 mmol/L時(shí),其可溶性糖含量顯著高于對(duì)照組(P< 0.05);經(jīng)SA處理后,隨NaHCO3脅迫濃度增加,可溶性糖含量先增加后減少,且均高于對(duì)照組,當(dāng)NaHCO3濃度為72 mmol/L時(shí),可溶性糖含量達(dá)到峰值(7.43±0.34)mg/g。在相同濃度NaHCO3脅迫處理下,經(jīng)SA處理后種子可溶性糖含量均顯著高于無SA處理組(P< 0.05)。
由圖5B和5C可知,無SA處理時(shí),隨NaHCO3脅迫濃度增加,青岡櫟種子可溶性蛋白和脯氨酸含量均先增加后減少,且高于對(duì)照組;經(jīng)SA處理后,隨NaHCO3脅迫濃度增加,可溶性蛋白含量呈波動(dòng)性變化,而脯氨酸含量則先增后減,但二者含量均高于對(duì)照組,在NaHCO3脅迫濃度為72 mmol/L時(shí),可溶性蛋白和脯氨酸含量均達(dá)到峰值,分別為(0.43±0.04)mg/g和(250±34)μg/g。在相同濃度NaHCO3處理下,經(jīng)SA處理后種子可溶性蛋白和脯氨酸含量均顯著高于無SA處理組(P< 0.05)。
圖5 SA處理對(duì)NaHCO3脅迫處理下青岡櫟種子滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響(n=3)
種子萌發(fā)是植物生命周期的第一階段,是決定喀斯特森林植被能否成功定居建植的關(guān)鍵因素;若此階段受到重碳酸鹽脅迫,種子萌發(fā)特性常表現(xiàn)為發(fā)芽率下降,萌發(fā)進(jìn)程延遲,甚至導(dǎo)致種子代謝紊亂,失去生活力而致死[27]。然而,外源水楊酸(SA)能夠調(diào)節(jié)植物體內(nèi)多種新陳代謝過程和生理反應(yīng),在鹽脅迫等逆境下影響植物種子的萌發(fā)及生長[28]。本研究結(jié)果顯示,無SA處理時(shí),NaHCO3脅迫抑制了青岡櫟種子的萌發(fā);而經(jīng)SA處理后,對(duì)NaHCO3脅迫下青岡櫟種子萌發(fā)能力和生理指標(biāo)產(chǎn)生了不同程度的影響,一定程度上提高了青岡櫟種子對(duì)重碳酸鹽的耐受力,降低了重碳酸鹽對(duì)青岡櫟種子萌發(fā)的傷害。
SA通過復(fù)雜的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)參與調(diào)節(jié)與鹽脅迫相關(guān)的代謝反應(yīng),能誘導(dǎo)種子產(chǎn)生許多耐鹽性狀,緩解鹽脅迫對(duì)種子的傷害[34-35]。本研究結(jié)果表明,經(jīng)SA處理后,在24~144 mmol/L NaHCO3脅迫處理下,青岡櫟種子的萌發(fā)參數(shù)(發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù))、耐鹽指數(shù)、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量(可溶性糖、可溶性蛋白和游離脯氨酸含量)以及抗氧化酶活性(SOD、POD、CAT)均較無SA處理組有不同程度的提高;MDA含量和相對(duì)鹽害率則有不同程度的降低。這與Nimir等[9]的研究結(jié)論一致。說明SA處理可以緩解NaHCO3脅迫對(duì)種子萌發(fā)的抑制作用,提高種子耐鹽性,但在不同脅迫濃度NaHCO3處理下SA緩解效果不同,且不能有效根除高濃度NaHCO3脅迫對(duì)青岡櫟種子的傷害。
本研究還發(fā)現(xiàn),經(jīng)SA處理后,當(dāng)NaHCO3濃度超過72 mmol/L時(shí),青岡櫟種子的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量(特別是可溶性糖和游離脯氨酸)以及保護(hù)酶活性均呈顯著下降趨勢(shì)。特別是在96~144 mmol/L時(shí),隨NaHCO3脅迫濃度的增加,SOD活性開始低于對(duì)照組,導(dǎo)致MDA含量迅速增加,各萌發(fā)參數(shù)和耐鹽指數(shù)均低于對(duì)照,相對(duì)鹽害率則快速增加;當(dāng)NaHCO3濃度達(dá)到144 mmol/L時(shí),則不能有效抑制相對(duì)鹽害率的增加。說明在一定NaHCO3脅迫濃度范圍內(nèi),SA處理是提高青岡櫟種子萌發(fā)率的一種有效的方法,但在高濃度NaHCO3脅迫處理下,SA作用減弱。
綜合分析表明,盡管青岡櫟種子經(jīng)0.5 mmol/L的SA處理后,可降低NaHCO3脅迫對(duì)青岡櫟種子萌發(fā)造成的傷害,但SA緩解作用在不同NaHCO3濃度下處理效果不同。在NaHCO3濃度為24~72 mmol/L時(shí),特別是當(dāng)NaHCO3為72 mmol/L時(shí),青岡櫟種子可以通過增強(qiáng)抗氧化防御能力、增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)避免其脅迫傷害,促進(jìn)種子萌發(fā),表現(xiàn)出最強(qiáng)的耐重碳酸鹽性。另外,當(dāng)NaHCO3濃度超過72 mmol/L時(shí),SA的作用效果開始減弱,抗氧化酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量開始下降,導(dǎo)致MDA含量迅速增加,相對(duì)鹽害率則開始迅速增加??傊诳λ固貛r溶地區(qū)進(jìn)行青岡櫟實(shí)生苗繁殖過程中,可以在播種前用0.5 mmol/L外源SA浸種,以提高種子萌發(fā)率,且當(dāng)NaHCO3濃度為72 mmol/L時(shí),處理效果最佳。但是否SA處理效果會(huì)受處理時(shí)間和方式等多因素的影響還需進(jìn)一步研究,故在喀斯特巖溶地區(qū)青岡櫟造林育苗生產(chǎn)中還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行處理。
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