楊 藝,常 丹,王 艷*,張雪妍,李付廣,張富春
(1棉花生物學國家重點實驗室,河南安陽455000;2新疆生物資源基因工程重點實驗室,新疆大學 生命科學與技術學院,烏魯木齊830046)
中國西北地區是主要的干旱荒漠區,平均每年的受旱面積約2 100萬hm2[1]。新疆栽種的棉花面積和產量占全國的一半左右,作為典型的干旱、半干旱地區,棉花的生長發育在任何時期都可能遭受干旱脅迫的影響,因而干早已經成為影響新疆棉花生產的主要災害之一[2]。
茉莉酸類物質(JAs)是廣泛存在于植物體內的一類生長調節物質,包括茉莉酸(jasmonic aicd,JA)、茉莉酸甲酯(methyl jasmonat,MeJA)及其相關衍生物,近年研究發現JA 和MeJA 均能夠參與植物的抗逆反應[3-4]。茉莉酸類物質具有應答外界刺激,傳導逆境信號及啟動抗逆基因表達等生理效應,并在抵御非生物脅迫和生物脅迫方面發揮作用,外施JA 及MeJA 在一定程度上能減緩干旱脅迫對植株造成的傷害,有效地提高植株的抗旱能力[5-7]。Ranjan等發現,0.1~1mmol/L 的外源JA 處理可以促進參薯種子的萌發,而用30~100mmol/L JA處理則抑制種子萌發,說明低濃度JA 對種子萌發有促進作用,而高濃度有抑制作用[8]。鄒燕等研究表明,外源MeJA 能顯著提高滲透脅迫下油菜種子發芽率、發芽勢、發芽指數和活力指數,降低丙二醛(MDA)含量,在一定程度上能緩解滲透脅迫造成的氧化損傷,維持細胞質膜的完整性,有效促進滲透脅迫下油菜種子的萌發和幼苗生長[9]。潘瑞熾等用MeJA 處理花生幼苗后發現,其植株矮化,葉小而厚,葉片貯水細胞變大,蒸騰減弱,內源脫落酸和脯氨酸含量增多,因此減少了水分喪失,從而加大葉片中水分的貯存,提高了幼苗的抗旱性[10]。
茉莉酸類物質JA 和MeJA 對植物生長具有極為廣譜的生理效應,研究顯示MeJA 對水稻和油菜種子的萌發具有調節作用,但JA 和MeJA 對干旱脅迫下棉花種子的萌發和生化特性的影響未見報道。本試驗以新疆主栽棉花品種‘新陸早17’(XLZ17)為實驗材料,研究外源施加JA 及MeJA對干旱脅迫下棉花種子萌發、種苗生長、脯氨酸含量以及葉片氧化損傷的影響,旨在探討茉莉酸和茉莉酸甲酯對棉花抗逆性的調控作用,為其實踐應用奠定理論基礎。
試驗材料為新疆棉花主栽品種‘新陸早17’(XLZ17),是早熟陸地抗病品系,在新疆早熟棉區生育期120d左右。試驗種子由新疆農業科學院經濟作物研究所提供。
1.2.1 PEG-6000濃度篩選 挑選籽粒飽滿、大小一致棉花種子,用70%乙醇消毒1min,蒸餾水沖洗3~4次,再用15%過氧化氫浸種5h,蒸餾水沖洗3~4次,然后分別播種到底部墊有2層濾紙(分別加有4 mL 14.5%、18.7%、23%、25.1%、27.4%、29.6%和31.7%脅迫溶液)培養皿中,以蒸餾水培養種子為對照(CK1),種子上覆蓋2 層濾紙(加有與底部相應濃度2mL脅迫溶液)保濕于(25±2)℃培養箱中萌發。培養過程中光暗周期為光照16h/d,光照強度為56μmol·m-2·s-1,隔天揭開保濕濾紙,底部加入2mL對應濃度脅迫處理液,最后在保濕濾紙再加入2 mL 脅迫處理液以保持濕潤,持續脅迫,直至萌發終止。每處理播種20粒,4次重復。
1.2.2 JA 和MeJA 預處理 棉花種子用上述方法消毒后,分別采用不同濃度JA 和MeJA[0(蒸餾水)、0.025、0.25、2.5、25 和250μmol/L]處理液浸種36h,而后播種到底部墊有2 層濾紙(加有4 mL 23%PEG-6000脅迫溶液)的培養皿中,以23%PEG-6000處理的種子為對照(CK2),種子上面覆蓋2 層濾紙(加有2mL 23%PEG-6000的脅迫溶液),按上述條件在培養箱中萌發,直至萌發終止,每個處理播種20粒,4次重復。
1.3.1 種子萌發率和根長 處理后以胚根大于種子長度的1/2為萌發標準,每天統計發芽個數,隔天測量種子的根長,直至萌發數不再改變則終止萌發(第9天)。第4天計算發芽勢,第9天計算發芽率、發芽指數和活力指數。
發芽勢=種子發芽試驗初期(第4天)全部正常發芽種子數/供試種子數×100%
發芽率=發芽終期全部正常發芽的種子數/供試種子×100%
發芽指數=∑Gt/Dt
式中,Gt為第t天發芽數,Dt為相應發芽試驗天數
活力指數=發芽指數×種苗長度(全長)
1.3.2 根系和植株相對水含量 待萌發終止后分別取棉花種苗及其新鮮的根,用吸水紙吸干表面水分,稱其鮮重(Wf);然后將其放入蒸餾水中浸泡數小時,期間不斷稱重,直至達到恒重為其飽和鮮重(Wt);最后將材料放入150℃的烘箱中,烘干至恒重,然后分別稱干重(Wd),試驗均重復4次。
相對水含量=(Wf-Wd)/(Wt-Wd)×100%
自然飽和虧=1-相對水含量
1.3.3 種苗根活力、游離脯氨酸、MDA含量及滲透勢 萌發終止后(第9天)取種苗根部,采用TTC法測定種苗根活力,取整株幼苗測定游離脯氨酸、丙二醛(MDA)含量及滲透勢。游離脯氨酸含量采用磺基水楊酸提取、酸性茚三酮染色法測定,MDA 含量采用硫代巴比妥酸法測定[11-12],滲透勢采用組織研磨器破碎種苗細胞,用冰點滲透壓儀測定組織液的滲透壓。所用試劑均為分析純,試驗均重復3次。
用Microsoft Excel 2003和prism 5.0 分析軟件進行統計學分析,采用ANOVA 的方法比較均值之間的差異顯著性,并采用Turkey test進行多重比較(P<0.05)。圖表中所有數據均表示為x±s。
如圖1所示,利用不同濃度PEG-6000對‘新陸早17’(XLZ17)棉花種子進行脅迫,棉花種子的萌發率隨著PEG-6000濃度的升高而逐漸降低,直到31.7%時降為零。當PEG-6000濃度在23%時,萌發率為46.67%,接近萌發率一半,是脅迫抑制萌發的節點,因而本試驗選取該濃度作為棉花種子干旱處理的脅迫濃度。
圖1顯示,棉花種子萌發率隨PEG 濃度升高而顯著降低,發芽率下降約一半時PEG 濃度為23%(CK2)。由表1可以看出,23%PEG 模擬干旱脅迫條件下,預處理XLZ17棉花種子各項萌發指標均隨著JA 和MeJA 濃度的增加而先升高后降低,且除250μmol/L濃度外均有不同程度促進作用,但仍明顯低于蒸餾水對照。其中,與CK2(23% PEG)相比,0.025和0.25μmol/L JA 預處理的種子萌發率和活力指數、0.025μmol/L JA 預處理的發芽勢、0.25μmol/L JA 預處理發芽指數均顯著升高(P<0.05),其余濃度預處理各發芽指數大多無顯著變化;發芽率和發芽勢均在0.025μmol/L JA 下最高,比對照分別提高46.41%和49.99%,而發芽指數和活力指數均在0.25μmol/L JA 處理下最高,分別比對照提高68.14%和190.29%。對于MeJA 預處理而言,種子萌發率、發芽勢、發芽指數和活力指數均在2.5μmol/L 濃度處理下達到最大值,并分別顯著高 于CK2對 照 組49.99%、72.70%、51.29%、150.61%,其余濃度處理的發芽指數大多與CK2對照無顯著差異。可見,適宜濃度的JA 和MeJA 預處理能一定程度上促進干旱脅迫下棉花種子的萌發,濃度過高則會減弱這種促進作用,甚至轉為顯著抑制作用,并以0.025、0.25μmol/L JA和2.5μmol/L MeJA 的處理效果最佳,但各濃度JA 和MeJA 預處理均不能完全解除干旱脅迫的影響。

圖1 不同濃度PEG-6000脅迫下棉花(XLZ17)種子萌發的變化Fig.1 The seed germination ratio of cotton(XLZ17)under different PEG-6000concentrations
JA 和MeJA 預處理對干旱脅迫下棉花種苗和根的水分含量影響不同(表2)。與CK2對照相比,0.25 和2.5μmol/L JA 和0.025、0.25、2.5、25 μmol/L MeJA 預處理的棉花種子胚根相對含水量顯著增加,而自然飽和虧顯著降低(P<0.05),且JA 和MeJA 的最佳濃度均為2.5μmol/L,此濃濃度下相對含水量比CK2對照分別提高20.21%和32.86%,自然飽和虧分別比PEG 對照降低了51.54%和83.78%;其他濃度的JA 和MeJA 預處理雖然對胚根的相對含水量和自然飽和虧都有一定的促進作用,但隨著濃度升高促進程度開始降低,直至250μmol/L JA 處理對種子水分含量表現出抑制作用,但與CK2對照相比無顯著性差異。就整體而言,MeJA 處理對種子水分的作用效果要強于JA。另外,干旱脅迫下JA 和MeJA 預處理對棉花種苗的相對水含量和自然飽和虧均無顯著影響,這可能與干旱脅迫下種子不能掙脫種皮密切相關。
在干旱脅迫條件下,JA 和MeJA 處理棉花種子根長均隨濃度增加而呈先升高后降低的變化趨勢,并分別在0.25和2.5μmol/L 濃度下達到最大值(圖2)。其中,0.025、0.25、2.5和25μmol/L JA,以及0.025、0.25和2.5μmol/L MeJA 處理的種子根長均比PEG 對照顯著增加(P<0.05),增加幅度分別為21.92%~72.07%和29.95%~61.86%;而25μmol/L MeJA 處理的種子根長雖比CK2對照增加但無顯著性差異;當JA 和MeJA 的濃度升高至250μmol/L時根的伸長反而受到了抑制,但與對照組相比均無顯著性差異。外源JA和MeJA預處理整體上對棉花根長的作用效果一致,即適宜濃度促進,過高濃度則抑制。

表1 JA和MeJA預處理對干旱脅迫下棉花(XLZ17)種子萌發的影響Table 1 Effect of JA and MeJA pretreatment on seed germination of cotton(XLZ17)under drought stress

表2 JA和MeJA預處理對干旱脅迫下棉花(XLZ17)根和種苗水分含量的影響Table 2 Effect of JA and MeJA pretreatment on water content of root and seedling of cotton(XLZ17)under drought stress
另外,在干旱脅迫條件下,各濃度JA 和MeJA預處理均可顯著提高棉花種子的根系活力(P<0.05),且均以2.5μmol/L 濃度的促進作用最佳,與CK2對照相比分別提高266.68%和219.26%,但隨著JA 和MeJA 濃度繼續升高,這種對種子根系活力促進作用隨之減小(圖3);盡管最適濃度下JA 處理的種子根系活力比MeJA 高,但就整體上MeJA 處理對種子根系活力的促進作用要比JA 處理更大。

圖2 JA 和MeJA 預處理對干旱脅迫下棉花(XLZ17)種苗根長的影響Fig.2 Effect of JA and MeJA pretreatment on root length of cotton(XLZ17)under drought stress

圖3 JA 和MeJA 預處理對干旱脅迫下棉花(XLZ17)種苗根活力的影響Fig.3 Effect of JA and MeJA pretreatment on root activity of cotton(XLZ17)under drought stress
在干旱脅迫條件下,除250μmol/L 的MeJA處理外,各濃度JA和MeJA處理均可不同程度增加棉花種苗的脯氨酸含量(圖4,A)。其中,0.025、0.25和25μmol/L JA處理的種苗的脯氨酸含量比CK2對照組顯著上升(P<0.05),并以0.25μmol/L JA 處理脯氨酸含量最高(33.47μg/g),相較CK2對照組增加了50.49%;對于MeJA 的處理而言,0.025、0.25和2.5μmol/L也均能顯著增加種苗脯氨酸含量,且以2.5μmol/L MeJA 處理效果最佳,相較CK2對照組增加了67.63%;其他濃度的JA和MeJA 預處理雖然也能增加種苗的脯氨酸含量,但隨著濃度繼續升高脯氨酸含量的增加幅度隨之減小,甚至250μmol/L MeJA 處理種苗脯氨酸含量比CK2對照降低,但無顯著性差異。就整體表現而言,MeJA 處理組較JA 處理組種苗中的脯氨酸含量更高。
另外,JA 和MeJA 預處理可使干旱脅迫下棉花種苗的滲透勢降低(圖4,B)。0.25和2.5μmol/L JA 處理的棉花種苗滲透勢比CK2對照顯著下降(P<0.05),并以0.25μmol/L JA 處理種苗的滲透勢最低,相較CK2對照組降低了19.72%,其他濃度的JA 均能降低種苗滲透勢,但與CK2對照組相比無顯著性差異;對于MeJA 處理而言,0.25、2.5和25 μmol/L處理的種苗滲透勢均比CK2對照組顯著降低,且以2.5μmol/L MeJA 處理滲透勢最低,相較CK2對照組降低了19.40%,而250μmol/L MeJA處理種苗的滲透勢卻比CK2對照組升高,但未達到無顯著水平。就整體表現而言,MeJA處理組對種苗降低細胞滲透勢及增強吸水能力的作用效果較JA 處理組更明顯。

圖4 JA 和MeJA 預處理對干旱脅迫下棉花(XLZ17)種苗脯氨酸含量和滲透勢的影響Fig.4 Effect of JA and MeJA pretreatment on proline content and osmotic potential of cotton(XLZ17)under drought stress
圖5表明,在干旱脅迫條件下,除250μmol/L JA 的處理外,其他濃度的JA 和MeJA 處理均可顯著降低棉花種苗的丙二醛(MDA)含量(P<0.05)。其中,當JA 濃度為25μmol/L、MeJA 濃度為0.25 μmol/L 時,棉花種苗的MDA 含量水平最低,比CK2對照組分別顯著降低了43.13%和49.05%;整體而言,外源MeJA 處理減輕棉花種苗內膜脂過氧化物的效果比外源JA 處理更明顯。

圖5 JA 和MeJA 預處理對干旱脅迫下棉花(XLZ17)種苗MDA 含量的影響Fig.5 Effect of JA and MeJA pretreatment on MDA content of cotton(XLZ17)under drought stress
茉莉酸類物質作為一種植物信號轉導分子,不僅與種子萌發、開花、果實成熟、衰老等各種生長發育過程密切相關而且在植物脅迫防御中也起重要的作用[13-15]。研究發現與其他植物激素一樣,微量的JA 和MeJA 便可以在植物的生長發育及代謝過程中起到重要作用,但是不同濃度對植物有不同的影響,適宜濃度會促進植物的生長或緩解脅迫對植物造成的傷害,高濃度則可能會起抑制作用[16]。
本研究采用不同濃度的PEG-6000模擬干旱脅迫處理新疆主栽棉花‘新陸早17’,棉花種子發芽率顯著降低,最終選取脅迫抑制萌發的節點23%PEG作為本試驗的脅迫濃度。種子萌發試驗中,適宜濃度的JA和MeJA均可在一定程度上緩解干旱脅迫對棉花種子的萌發抑制,且可顯著促進種子的萌發率、發芽勢、發芽指數和活力指數,這與MeJA 對油菜種子[9]和紫蘇種子[17]萌發影響的研究結果相一致。在本研究濃度范圍內,MeJA 的最適濃度比JA高且作用效果也較明顯,然而隨著JA 和MeJA 濃度的升高,其對干旱脅迫下棉花種子萌發的促進作用也逐漸減弱,甚至高濃度JA 和MeJA 對種子的萌發有一定的抑制作用,表明植物激素具有微量高效的特點,濃度過高則抑制植物的生長。此外,經一定濃度JA 和MeJA 處理能促進棉花種苗根的伸長以及增強根系活力,這與Hummel等[18]研究結果一致。植物體內脯氨酸含量的升高能夠降低細胞水勢,改變細胞滲透勢,保持或吸收水分[19]。本研究結果表明,經JA 和MeJA 處理能顯著增加種苗脯氨酸含量,降低滲透勢,這與董桃杏等[20]研究結果一致。由此增強了棉花胚根的抗脫水能力,提高相對水含量,減緩了干旱脅迫對棉花生長的影響,從而提高其抗旱性,且整體上MeJA 的作用效果要強于JA 處理,這與Brossa[21]和潘瑞熾等[22]研究結果基本一致。
干旱等脅迫條件下植物體內會產生活性氧物質而引發膜脂過氧化,丙二醛MDA 是膜脂過氧化的最終分解產物,它能與酶蛋白發生鏈式反應聚合,使膜系統變性,影響膜結合酶的功能,引起膜傷害。本研究結果顯示,干旱脅迫使棉花種苗MDA 的含量升高,而經JA 和MeJA 處理能顯著降低MDA 的含量,有效緩解干旱脅迫造成的氧化損傷,這與鄒燕[9]和董桃杏[23]等研究結果一致。
綜上所述,適宜濃度的外源JA 和MeJA 能緩解干旱脅迫對棉花‘新陸早17’的傷害,其主要可能通過增加脅迫下種子根的水分含量,提高根系活性,增加滲調物質的含量及減少干旱脅迫造成的氧化損傷等方式進行調節;同時,MeJA 處理的緩解效果要比JA 處理更好,這可能與JA 發生甲基化或與氨基酸結合時活性受到影響有關[24]。在本實驗模擬的干旱脅迫條件下,‘新陸早17’種子萌發及種苗生長的最適MeJA 預處理濃度為2.5μmol/L,而0.025 μmol/L JA 則為棉花種子萌發的最適作用濃度,0.25和2.5μmol/L則分別為種苗生長過程中促進作用最明顯的濃度。本研究結果可為MeJA 和JA在棉花生產中的合理使用提供科學依據。
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