糖浸種對(duì)鹽脅迫玉米種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響

張成冉， 徐廣海， 宋朝玉， 伊祖濤， 江緒文， 孫 鵬， 張海艷

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 山東 青島 266109； 2.青島市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院， 山東 青島 266071；3.山東登海華玉種業(yè)有限公司， 山東 萊州 261411)

土壤鹽漬化問(wèn)題在全世界廣泛存在，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界鹽堿地面積達(dá)9.54億hm2，中國(guó)各類(lèi)鹽堿地面積總計(jì)9 913.3萬(wàn)hm2[1]。土壤中鹽分積累過(guò)多導(dǎo)致植物體中離子狀態(tài)失衡，并產(chǎn)生離子毒害、逆境脅迫、營(yíng)養(yǎng)虧缺等，嚴(yán)重制約植物生長(zhǎng)，是鹽堿地區(qū)糧食生產(chǎn)的主要逆境脅迫因素。目前，如何提高植物對(duì)鹽脅迫的適應(yīng)能力，是土壤鹽漬化領(lǐng)域關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)。

植物生長(zhǎng)中，種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)期是受鹽脅迫最敏感的階段[2]。探索一種有效提高鹽脅迫下種子發(fā)芽的方法，對(duì)于鹽堿地區(qū)的植物生長(zhǎng)具有重要的意義。糖是光合作用的主要產(chǎn)物，不僅作為代謝物質(zhì)為植物生長(zhǎng)發(fā)育提供能量，還是主要的細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)劑，并作為植物體內(nèi)的一種信號(hào)分子參與植物生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程的調(diào)控。葡萄糖和蔗糖是可溶性糖，在生物脅迫和非生物脅迫中起信號(hào)調(diào)節(jié)作用[3]；果糖也是植物在逆境脅迫下的一種重要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[4]；殼聚糖是甲殼素脫乙酰化后得到的一種聚氨基葡萄糖，能夠增強(qiáng)植株對(duì)逆境脅迫的抗性[5]；海藻糖是非還原性雙糖，對(duì)生物大分子和生物體具有非特異性保護(hù)作用，逆境條件下可以保護(hù)細(xì)胞活性物質(zhì)、促進(jìn)蛋白質(zhì)合成、增強(qiáng)質(zhì)膜流動(dòng)性及功能酶穩(wěn)定性[6]。

關(guān)于外源糖對(duì)鹽脅迫下種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響，前人有一些報(bào)道。汪菊香[7]發(fā)現(xiàn)，外源葡萄糖通過(guò)抑制黃瓜根中Na+和Cl-向地上部運(yùn)輸，減輕葉片中Na+和Cl-積累誘導(dǎo)的離子毒害，緩解鹽脅迫對(duì)光合作用的抑制，從而促進(jìn)鹽脅迫下黃瓜幼苗的生長(zhǎng)。凌騰芳等[8]發(fā)現(xiàn)，果糖能明顯提高鹽脅迫下水稻種子的萌發(fā)。趙瑩等[9]發(fā)現(xiàn)，外源蔗糖可顯著提高鹽脅迫下玉米體內(nèi)可溶性糖含量，降低細(xì)胞滲透勢(shì)，減緩鹽脅迫引起的細(xì)胞失水。徐衛(wèi)紅等[5]發(fā)現(xiàn)，外源殼聚糖處理提高了大豆幼苗SOD活性，對(duì)鹽脅迫下大豆幼苗體內(nèi)活性氧淬滅、減少膜脂過(guò)氧化、降低細(xì)胞膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物含量、緩解鹽害有重要作用。田禮欣等[10]發(fā)現(xiàn)，海藻糖處理能緩解鹽脅迫對(duì)玉米幼苗根系的抑制作用，提高根系持水能力，減輕鹽脅迫對(duì)玉米幼苗根系生物膜損害，保護(hù)生物膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和正常生理代謝。

玉米作為一種典型的鹽敏感植物，當(dāng)鹽濃度較高時(shí)，鹽脅迫會(huì)干擾離子穩(wěn)態(tài)，產(chǎn)生活性氧，破壞膜脂透性，抑制玉米生長(zhǎng)，導(dǎo)致減產(chǎn)甚至死亡[11]。然而，目前關(guān)于不同濃度不同糖對(duì)玉米種子發(fā)芽和幼苗生長(zhǎng)影響的比較研究，報(bào)道較少。本文以前期篩選出的兩個(gè)不同耐鹽玉米品種為材料，采用不同濃度的葡萄糖、果糖、蔗糖、殼聚糖、海藻糖浸種處理，分析對(duì)鹽脅迫下玉米種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)、葉綠素含量和抗氧化酶活性的影響，以獲得最佳浸種糖類(lèi)及浸種濃度，探索一種有效提高玉米苗期耐鹽性的方法，為鹽堿地區(qū)的玉米生產(chǎn)提供參考。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

供試材料為耐鹽玉米品種偉科702和鹽敏感玉米品種蠡玉16。

1.2 實(shí)驗(yàn)處理

采用葡萄糖、果糖、蔗糖、殼聚糖、海藻糖5種糖處理，每種糖設(shè)5 g·L-1、10 g·L-1、15 g·L-13個(gè)濃度。挑選籽粒飽滿(mǎn)、大小一致、無(wú)損壞的玉米種子，分別放置在盛有不同浸種液的燒杯中，種子重量(g)與溶液體積(mL)的比例為1∶5，20 ℃黑暗條件下浸種12 h。浸種完畢后，蒸餾水沖洗5～6次，回干24 h，備用。

1.3 發(fā)芽實(shí)驗(yàn)

采用150 mmol·L-1NaCl溶液模擬鹽環(huán)境，對(duì)種子進(jìn)行砂床發(fā)芽試驗(yàn)，以未浸種種子為ck，每個(gè)處理3次重復(fù)。每天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽種子數(shù)，發(fā)芽第10天時(shí)每個(gè)重復(fù)隨機(jī)取10株幼苗，測(cè)量苗高、根長(zhǎng)，稱(chēng)取苗鮮重和根鮮重，70 ℃烘箱中烘干稱(chēng)取苗干重和根干重。發(fā)芽第10天時(shí)的發(fā)芽率定為最終發(fā)芽率；按照本課題組[12]的方法計(jì)算發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、平均發(fā)芽時(shí)間、發(fā)芽指數(shù)。

1.4 生理指標(biāo)測(cè)定

采用劉新[13]的方法測(cè)定葉綠素含量、SOD活性、POD活性和MDA含量。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

利用Excel 2019和DPS 7.05軟件處理數(shù)據(jù)，OriginPro 9.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同糖浸種對(duì)鹽脅迫下玉米種子發(fā)芽指標(biāo)的影響

從表1可看出，品種間相比，偉科702的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、最終發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)顯著高于蠡玉16，平均發(fā)芽時(shí)間顯著低于蠡玉16；不同糖處理間比較，各項(xiàng)發(fā)芽指標(biāo)表現(xiàn)為果糖>葡萄糖>蔗糖>海藻糖>殼聚糖。與ck相比，兩個(gè)品種施加外源糖后發(fā)芽指標(biāo)均顯著提升，且隨著糖濃度的升高呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，在10 g·L-1時(shí)提升效果最好。說(shuō)明，糖浸種可以有效緩解鹽脅迫對(duì)玉米種子萌發(fā)的抑制作用。

表1 不同糖浸種對(duì)鹽脅迫下玉米種子發(fā)芽指標(biāo)的影響

2.2 不同糖浸種對(duì)鹽脅迫下玉米幼苗生長(zhǎng)的影響

與ck相比，兩個(gè)品種葡萄糖處理后的苗鮮重、苗干重、根鮮重和根干重分別提高24.30%和25.32%、18.33%和26.67%、32.32%和33.22%、40.40%和44.04%，果糖處理后的這4個(gè)幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)分別提高35.06%和47.92%、36.67%和52.22%、57.97%和58.02%、69.69%和63.09%，蔗糖處理后的這4個(gè)幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)分別提高21.34%和23.24%、20.83%和26.67%、31.31%和27.83%、33.33%和34.52%，殼聚糖處理后的這4個(gè)幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)分別提高23.81%和23.57%、21.67%和23.33%、36.82%和29.29%、43.43%和34.52%，海藻糖處理后的這4個(gè)幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)分別提高22.33%和27.52%、19.17%和26.67%、35.35%和39.62%、43.43%和34.52%(表2)。隨著糖濃度的增加，浸種處理后幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，以10 g·L-1濃度處理表現(xiàn)最高?？梢?jiàn)，糖浸種能促進(jìn)鹽脅迫下玉米幼苗的生長(zhǎng)，且10 g·L-1果糖的促進(jìn)作用最好。

表2 不同糖浸種對(duì)鹽脅迫下玉米幼苗生長(zhǎng)的影響

2.3 不同糖浸種對(duì)鹽脅迫下玉米幼苗葉綠素含量的影響

圖1表明，品種間相比，偉科702的葉綠素含量顯著高于蠡玉16。葡萄糖、果糖、蔗糖、殼聚糖、海藻糖浸種處理后，兩個(gè)品種葉綠素含量分別是ck的1.25倍和1.23倍、1.37倍和1.43倍、1.27倍和1.26倍、1.27倍和1.19倍、1.20倍和1.22倍，可見(jiàn)果糖浸種效果最好。隨著糖濃度的增加，葉綠素含量呈先升高后降低的趨勢(shì)，10 g·L-1處理最高。說(shuō)明10 g·L-1果糖浸種可以更有效增加鹽脅迫下玉米幼苗葉綠素含量。

2.4 不同糖浸種對(duì)鹽脅迫下玉米幼苗SOD活性的影響

圖2表明，外源糖浸種處理后，兩個(gè)玉米品種幼苗SOD活性均顯著升高，不同外源糖處理對(duì)SOD活性的影響存在差異，其中果糖處理最大。隨著糖濃度的增加，兩個(gè)玉米品種幼苗的SOD活性均呈單峰曲線(xiàn)變化，10 g·L-1時(shí)達(dá)到峰值。與ck相比，兩個(gè)品種葡萄糖、果糖、蔗糖、殼聚糖、海藻糖處理下的SOD活性分別提高16.18%和20.46%、34.24%和38.64%、22.05%和22.57%、24.45%和25.78%、22.14%和24.03%。說(shuō)明糖浸種可以顯著提高玉米幼苗SOD活性。

2.5 不同糖浸種對(duì)鹽脅迫下玉米幼苗POD活性的影響

圖3表明，外源糖浸種處理后，兩個(gè)品種幼苗的POD活性均顯著升高，其中果糖處理最高，其他4種糖處理間差異不顯著。濃度間比較，10 g·L-1處理下的POD活性最高；與ck相比，兩個(gè)玉米品種在10 g·L-1葡萄糖、果糖、蔗糖、殼聚糖、海藻糖處理下的POD活性分別提高9.55%和11.03%、21.25%和15.47%、9.56%和9.47%、13.34%和11.10%、12.13%和13.40%。說(shuō)明外源糖浸種能夠提高鹽脅迫下玉米幼苗POD活性，以10 g·L-1果糖處理效果最好。

2.6 不同糖浸種對(duì)鹽脅迫下玉米幼苗MDA含量的影響

圖4表明，與ck相比，不同外源糖濃度處理下，兩個(gè)玉米品種幼苗MDA含量顯著降低，且隨著濃度升高，呈先降低后升高的變化趨勢(shì)，在10 g·L-1時(shí)最低。5種糖之間比較，果糖處理的MDA含量顯著低于其他糖。說(shuō)明10 g·L-1果糖浸種能更有效地抑制鹽脅迫導(dǎo)致的膜質(zhì)過(guò)氧化。

3 討 論

3.1 不同糖浸種對(duì)鹽脅迫下玉米種子發(fā)芽和幼苗生長(zhǎng)的影響

鹽脅迫能夠降低植物根部區(qū)域的細(xì)胞外水勢(shì)和水的生物利用度，阻礙植物生長(zhǎng)和生物量生產(chǎn)。施用外源糖能抵消鹽脅迫對(duì)作物生長(zhǎng)的不利影響[14]。Zeid等[14]發(fā)現(xiàn)，海藻糖通過(guò)改善植物組織的水分狀況，降低了鹽脅迫對(duì)蠶豆幼苗生長(zhǎng)的抑制作用。凌騰芳等[8]發(fā)現(xiàn)，葡萄糖、果糖能有效地改善鹽脅迫下水稻種子的發(fā)芽指標(biāo)。殼聚糖、海藻糖、葡萄糖、蔗糖分別增加了鹽脅迫下玉米[15]、番茄[16]、雪里蕻[17]和蕎麥[18]的生物量。本研究中，外源糖浸種能有效緩解鹽脅迫對(duì)玉米種子發(fā)芽和幼苗生長(zhǎng)的抑制作用。這與前人研究是一致的。

3.2 不同糖浸種對(duì)鹽脅迫下玉米幼苗葉綠素含量的影響

光合作用是植物體內(nèi)重要的代謝過(guò)程，葉綠素含量的高低直接反映植株的生長(zhǎng)狀況及葉片的光合能力。鹽脅迫環(huán)境通過(guò)抑制光合酶活性使光合色素含量降低，從而影響植物生長(zhǎng)[19]。王麗燕等[20]發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫下施加5 g·L-1葡萄糖后，番茄的葉綠素含量達(dá)到峰值。本試驗(yàn)中，外源糖浸種下葉綠素含量升高，且10 g·L-1處理最高。外源糖顯著提高了植物體內(nèi)葉綠素合成前體物質(zhì)5-氨基酮戊酸(ALA)的含量，保證足夠的ALA轉(zhuǎn)化合成膽色素原，從而提高了葉綠素含量[21]。因此，外源糖能有效增加葉綠素含量，最適濃度因植物不同存在差異。

3.3 不同糖浸種對(duì)鹽脅迫下玉米幼苗抗氧化酶活性和MDA含量的影響

SOD和POD作為植物系統(tǒng)防御外界不良環(huán)境的保護(hù)酶，能夠清除植物體內(nèi)過(guò)多的自由基和過(guò)氧化物。MDA是膜脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物，反映了植物遭受脅迫傷害的程度。Mostofa等[22]發(fā)現(xiàn)，添加適量海藻糖能增加水稻的SOD和POD活性，提高對(duì)鹽脅迫的適應(yīng)能力。Hu等[23]發(fā)現(xiàn)，不同濃度葡萄糖處理后，鹽脅迫下小麥幼苗SOD和POD活性增加，且以0.09 g·L-1濃度最高。胡慧芳[24]發(fā)現(xiàn)，不同濃度海藻糖處理后，鹽脅迫下黃瓜幼苗MDA含量降低，且在1.8 g·L-1濃度時(shí)最低。王麗燕等[20]發(fā)現(xiàn)，5 g·L-1葡萄糖處理后，鹽脅迫下番茄MDA含量達(dá)到谷值。本研究中，5、10、15 g·L-1糖浸種處理后，玉米幼苗SOD和POD活性升高，MDA含量降低，且均出現(xiàn)在10 g·L-1糖濃度時(shí)。說(shuō)明外源糖能緩解鹽脅迫對(duì)玉米生長(zhǎng)的抑制作用，最適濃度因鹽脅迫程度或作物不同而存在差異。

4 結(jié) 論

對(duì)鹽脅迫下兩個(gè)玉米品種進(jìn)行外源糖浸種處理后，種子發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、最終發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、幼苗生物量、葉綠素含量、SOD和POD活性均提高，且均隨糖濃度的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)；平均發(fā)芽時(shí)間和MDA含量降低，且隨著糖濃度的增加呈先下降后上升的趨勢(shì)。不同外源糖間比較，果糖浸種處理下各項(xiàng)指標(biāo)最好?？梢?jiàn)，鹽脅迫環(huán)境下，糖浸種處理對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用，且促進(jìn)效果因外源糖種類(lèi)及濃度而異，以10 g·L-1果糖效果最佳。因此，外源糖浸種可作為改善鹽脅迫環(huán)境下玉米生長(zhǎng)的一種手段，這可為鹽堿地區(qū)玉米的種植提供參考。