水楊酸對干旱脅迫下夏枯草種子萌發(fā)的影響

張利霞，常青山，侯小改，陳蘇丹，戴攀峰

(河南科技大學 a.農(nóng)學院； b.林學院，河南 洛陽 471003)

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水楊酸對干旱脅迫下夏枯草種子萌發(fā)的影響

張利霞a，常青山b，侯小改a，陳蘇丹b，戴攀峰a

(河南科技大學a.農(nóng)學院；b.林學院，河南 洛陽 471003)

用0.5～3.0mmol/L水楊酸(SA)溶液對夏枯草種子進行浸種處理，然后用0.2g/mL聚乙二醇(PEG)6000溶液模擬干旱脅迫，探討SA對干旱脅迫下夏枯草種子萌發(fā)的影響。研究結(jié)果表明：干旱脅迫顯著降低了夏枯草種子的萌發(fā)，嚴重抑制了夏枯草幼苗的生長。在0.5～3.0mmol/LSA浸種處理下，夏枯草種子的萌發(fā)指標與幼苗生長指標均有不同程度的增加。1.5～2.0mmol/LSA處理，可以顯著提高夏枯草種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚根長指標和鮮質(zhì)量指標。以2.0mmol/LSA浸種處理效果最佳，過高濃度的SA處理會降低其干旱緩解效果。

夏枯草；干旱脅迫；種子萌發(fā)；水楊酸

0　引言

夏枯草(Prunella vulgarisL.)是唇形科夏枯草屬的一種多年生藥用草本植物，具有清肝明目和散結(jié)解毒的功效，主治目赤腫痛、頭痛眩暈等病，在中藥和養(yǎng)生保健領域中應用廣泛[1]。因此，市場對夏枯草的需求量極大，日益枯竭的野生資源已遠遠不能滿足巨大的市場需求。近年來，夏枯草人工栽培工作已在各地開展起來，但在實際大田生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)夏枯草的出苗率及幼苗生長極易受到土壤干旱的危害。因此，提高干旱脅迫下夏枯草種子的發(fā)芽率與幼苗的成活率是提高夏枯草產(chǎn)量與質(zhì)量的一個重要途徑。

水楊酸(salicylicacid，SA)作為一種內(nèi)源信號分子，廣泛分布于植物體內(nèi)，能夠誘導植物對生物與非生物脅迫產(chǎn)生響應[2]。研究結(jié)果表明：SA在提高植物抗旱性[3]和抗鹽性[4]等方面起著重要作用，在緩解植物逆境脅迫和提高作物產(chǎn)量方面應用前景非常廣闊[5]。雖然國內(nèi)外對藥用植物夏枯草的化學成分[6]與種子質(zhì)量標準[7]等方面進行了大量研究工作，但是有關外源SA浸種對干旱脅迫下夏枯草種子萌發(fā)特性的研究未見報道。因此，本研究以夏枯草種子為材料，研究外源SA對干旱脅迫下夏枯草種子萌發(fā)特性的影響，并探索緩解其干旱脅迫的最適SA濃度，以期為提高夏枯草的抗旱能力及產(chǎn)量提供理論依據(jù)。

1　試驗

試驗材料于2013年6月采自江蘇省南京市青龍山，經(jīng)鑒定為夏枯草小堅果(生產(chǎn)上習稱“種子”)。水楊酸(SA)與聚乙二醇(polyethyleneglycol,PEG) 6000等試劑采用國產(chǎn)分析純。

1.1試驗設計

試驗于2014年4月至8月進行。選取適量大小相對一致且飽滿的夏枯草種子，在質(zhì)量分數(shù)為0.1%HgCl2溶液中浸泡10min進行消毒，蒸餾水沖洗多次，用濾紙將種子表面水分吸干。然后，將種子平均分成7份，其中，1份為對照組，1份為干旱組，其他5份為不同濃度的SA浸種組，并分別放入7個培養(yǎng)皿中浸種12h。對照(CK)組、干旱(D)組用蒸餾水浸種處理，SA浸種組分別采用濃度為0.5mmol/L、1.0mmol/L、1.5mmol/L、2.0mmol/L和3.0mmol/L的SA溶液浸種處理。浸種結(jié)束后，隨機選取種子并整齊擺放于鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿中，每個培養(yǎng)皿50粒種子，D組和SA組分別加入7mL0.2g/mLPEG6000溶液用于模擬干旱脅迫，CK組以蒸餾水培養(yǎng)作為對照進行發(fā)芽試驗，每個處理4次重復。將培養(yǎng)皿置于21 ℃的光照培養(yǎng)箱(GXZ-280B型，寧波江南儀器制造廠)中進行培養(yǎng)，光照時間/黑暗時間：12h/12h。每天定時稱質(zhì)量并補充蒸餾水，使各培養(yǎng)皿中的干旱脅迫溶液濃度保持不變，每3d更換一次濾紙。

1.2指標測定

萌發(fā)處理后1～15d，以胚根長度≥1mm為發(fā)芽標準，統(tǒng)計發(fā)芽種子數(shù)。第15天測定幼苗鮮質(zhì)量、苗高及胚根長度，每個處理測定20株幼苗，計算發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)。

2　數(shù)據(jù)處理

采用SPSS16.0中的One-WayANOVA對數(shù)據(jù)進行方差分析，并利用Duncan法進行多重比較。

不同濃度SA處理對干旱脅迫下夏枯草種子萌發(fā)特性的影響采用主成分分析與隸屬函數(shù)法進行綜合評價[8]。隸屬函數(shù)計算公式如下：

R(Xj) = (Xj-Xmin) / (Xmax-Xmin)，

其中：Xj為第j個綜合指標；Xmin和Xmax分別為第j個綜合指標的最小值和最大值。

3　結(jié)果和分析

3.1SA浸種對干旱脅迫下夏枯草種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢的影響

表1為SA浸種對干旱脅迫下夏枯草種子萌發(fā)特性的影響。由表1可看出：干旱脅迫顯著降低了夏枯草種子的發(fā)芽率與發(fā)芽勢，與CK組相比，D組處理種子的發(fā)芽率降低了48.40%，發(fā)芽勢降低了60.77%。在0.5～2.0mmol/L的SA溶液處理下，夏枯草的發(fā)芽率與發(fā)芽勢隨SA濃度升高呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢；當SA處理濃度繼續(xù)升高至3.0mmol/L時，夏枯草的發(fā)芽率與發(fā)芽勢呈現(xiàn)降低趨勢。0.5～3.0mmol/LSA的處理效果與D組處理相比，均達到顯著效果，其中，1.0mmol/LSA與3.0mmol/LSA處理之間的差異未達顯著水平；2.0mmol/LSA處理效果最好且顯著高于其他SA處理，其發(fā)芽率和發(fā)芽勢分別比D組處理提高了79.38%和109.80%。

表1　SA浸種對干旱脅迫下夏枯草種子萌發(fā)特性的影響

注：同一列不含相同字母者為差異顯著(α<0.05)。

3.2SA浸種對干旱脅迫下夏枯草種子發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的影響

夏枯草種子的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)在干旱脅迫下顯著下降(見表1)。與對照組相比，干旱脅迫組種子的發(fā)芽指數(shù)降低了60.01%，活力指數(shù)降低了86.20%。經(jīng)過SA溶液浸種后夏枯草種子的發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)表現(xiàn)為先升高后下降的特征，且各濃度SA溶液處理均顯著高于干旱脅迫組處理。在2.0mmol/LSA處理下夏枯草的發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)均達到最大，其發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)分別比D組處理提高了89.55%與2.55倍，該濃度SA溶液處理在發(fā)芽指數(shù)上表現(xiàn)為顯著高于其他濃度SA處理，在活力指數(shù)上除與 1.5mmol/LSA處理差異不顯著外，與其他濃度SA處理相比達到顯著水平。

3.3SA浸種對干旱脅迫下夏枯草幼苗的胚根長度、胚芽長度和鮮質(zhì)量的影響

干旱脅迫顯著降低夏枯草幼苗的胚根長度、胚芽長度和鮮質(zhì)量(見表1)。與對照(CK)組處理相比，干旱(D)組處理幼苗胚根長度降低了65.44%，胚芽長度降低了41.00%，單株鮮質(zhì)量降低了55.31%。不同濃度的SA浸種處理后，夏枯草幼苗胚根長度、胚芽長度與鮮質(zhì)量均有不同程度的增加。隨著SA浸種溶液濃度的升高，夏枯草幼苗的胚根長度、胚芽長度和鮮質(zhì)量均在2.0mmol/LSA處理時達到最大值，然后均在 3.0mmol/LSA處理時下降。1.5mmol/LSA與2.0mmol/LSA處理在胚根長度與鮮質(zhì)量指標上差異不顯著，兩者均顯著高于其他濃度SA處理；在胚芽長度指標上2.0mmol/LSA處理顯著高于0.5～1.5mmol/LSA處理，但與3.0mmol/LSA處理差異不顯著。2.0mmol/LSA處理的胚根長度、胚芽長度與鮮質(zhì)量分別比D組處理提高了87.04%、47.58%和20.09%，且其各指標值均高于其他濃度SA處理。

3.4SA緩解干旱脅迫下夏枯草種子萌發(fā)影響的綜合評定

利用主成分分析對干旱脅迫下夏枯草種子萌發(fā)的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚根長度、胚芽長度和鮮質(zhì)量進行綜合評價，經(jīng)計算可以得出：在第1主成分中，特征根是6.461，累積貢獻率達到92.295%，符合特征根大于1及方差累計貢獻率大于80%～85%的原則[9]，說明第1主成分可以反映原始7個單項指標的絕大多數(shù)信息，其余幾個主成分可以略去不計。

主成分分析發(fā)現(xiàn)：第1主成分中，發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚根長度、胚芽長度和鮮質(zhì)量對應的系數(shù)分別為0.911、0.974、0.995、0.980、0.976、0.940、0.911。通過計算，可以得出主成分表達式如下(x1～x7分別代表發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚根長度、胚芽長度和鮮質(zhì)量7個變量)：

F1=0.358x1+0.383x2+0.391x3+0.386x4+0.384x5+0.370x6+0.358x7。

根據(jù)主成分表達式各指標權重值的大小，可以得出干旱脅迫下各指標的重要性，權重值越大則該指標重要性越大。權重值由大到小依次為：發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚根長度、發(fā)芽勢、胚芽長度、鮮質(zhì)量、發(fā)芽率。依據(jù)主成分表達式計算出CK組、D組、0.5mmol/LSA、1.0mmol/LSA、1.5mmol/LSA、2.0mmol/LSA和3.0mmol/LSA處理的得分分別為4.720，-3.065，-1.850，-0.665，0.541，1.271和-0.952，根據(jù)各指標得分值的大小可知，不同濃度SA溶液浸種處理對干旱脅迫下夏枯草萌發(fā)的緩解能力由強到弱依次為:2.0mmol/L>1.5mmol/L>1.0mmol/L>3.0mmol/L>0.5mmol/L。

求得不同處理下夏枯草種子7個指標的隸屬函數(shù)值，根據(jù)主成分表達式按權重值計算出各處理的綜合評定值，見表 2。

表2　SA浸種對干旱脅迫下夏枯草種子萌發(fā)影響的隸屬函數(shù)值

由表2可知：SA溶液浸種處理對干旱脅迫下夏枯草種子萌發(fā)特性的影響由強到弱依次為：2.0mmol/L>1.5mmol/L>1.0mmol/L>3.0mmol/L>0.5mmol/L。對照(CK)組處理的綜合評定值最大，干旱(D)組處理綜合評定值最小。說明在無干旱脅迫環(huán)境下，夏枯草種子的萌發(fā)效果最好，而 0.2g/mLPEG6000模擬干旱脅迫嚴重抑制夏枯草種子的萌發(fā)，夏枯草種子萌發(fā)容易受到干旱脅迫的危害。SA溶液浸種處理效果低于CK，但高于D處理，因SA濃度不同而表現(xiàn)出不同程度的促進作用，在SA濃度為2.0mmol/L時緩解作用最強。分析結(jié)果表明：主成分綜合得分法與隸屬函數(shù)綜合評定得到的結(jié)果一致。

4　討論

中國的干旱及半干旱地區(qū)占國土面積的52.5%，即使在相對濕潤的西南地區(qū)，一些頻繁出現(xiàn)的極端天氣事件也使得干旱發(fā)生的區(qū)域逐漸變大，頻率和強度不斷增強[10-11]，干旱逐漸成為影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個重要問題。干旱脅迫會顯著地抑制作物種子萌發(fā)，在生產(chǎn)上早期土壤干旱常常嚴重影響作物種子正常萌發(fā)及幼苗生長[12]，因此提高種子萌發(fā)階段的抗旱能力，對于減緩干旱脅迫產(chǎn)生的不利影響，提高后期作物的產(chǎn)量和品質(zhì)具有重要意義。本研究結(jié)果表明：干旱脅迫下夏枯草種子的發(fā)芽率等萌發(fā)指標和胚根長度等幼苗生長指標顯著低于對照組，類似的結(jié)果也出現(xiàn)在野生龍葵[13]與糜子[14]等植物上。

SA具有傳遞內(nèi)源信號的作用，可以提高種子與幼苗在逆境下萌發(fā)與生長的能力[15]。本研究中，SA浸種處理可以有效緩解水分虧缺對夏枯草種子萌發(fā)、幼苗生長的抑制作用，提高種子發(fā)芽能力和幼苗的生長指標。SA可以提高植物干旱脅迫下種子萌發(fā)與幼苗生長的原因可能在于：它能夠提高植物種子內(nèi)的抗氧化酶與α-淀粉酶的活性，增加脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累，保持膜具有正常的滲透壓，維持膜的結(jié)構與功能的完整，促進植物體內(nèi)源生長素和赤霉素等激素的含量，從而提高種子在干旱脅迫下的萌發(fā)能力[15-16]。

適宜濃度的SA能夠促進早熟禾種子的萌發(fā)、提高幼苗的抗旱性[17]。在本研究中，較低濃度(0.5～2.0mmol/L)SA可以提高干旱脅迫下夏枯草的發(fā)芽率等萌發(fā)指標，隨著SA濃度升高其緩解效果也隨之增加，以2.0mmol/LSA緩解效果最佳，而在較高濃度(3.0mmol/L)SA處理下，SA的緩解作用則下降。本研究結(jié)果與文獻[13,18]的結(jié)果相一致，但SA最佳濃度有所不同，這可能是處理方式和不同的植物材料對SA處理濃度的敏感性等存在差異所致。在3.0mmol/LSA濃度處理下緩解作用下降，原因可能在于較高濃度的SA與PEG脅迫下，反而加重了滲透脅迫，影響酶活性及種子吸水，從而影響夏枯草種子萌發(fā)[18]。

鑒于單一指標與單一方法在評價植物抗旱性方面可能存在的片面性及局限性，本文采用主成分分析與隸屬函數(shù)兩種方法對干旱脅迫下夏枯草種子萌發(fā)的7個指標進行綜合評價，從而提高抗旱評價結(jié)果的準確性與科學性。本文研究結(jié)果表明：采用主成分分析與隸屬函數(shù)分析進行綜合評價，兩種方法得出一致的結(jié)論，即不同濃度的SA浸種處理對提高干旱脅迫下夏枯草種子萌發(fā)的能力為2.0mmol/L>1.5mmol/L>1.0mmol/L>3.0mmol/L>0.5mmol/LSA處理，2.0mmol/LSA浸種對夏枯草種子萌發(fā)、幼苗生長的促進效果在各SA處理中表現(xiàn)最佳。

SA對干旱脅迫下夏枯草種子的活力指數(shù)提高幅度最大，2.0mmol/LSA浸種處理下的活力指數(shù)與發(fā)芽勢比D處理增加了2.55倍與109.80%；然后是胚根長度與發(fā)芽指數(shù)，分別比D處理增加了87.04%與89.55%；對胚芽長度與鮮質(zhì)量的影響最小，只比D處理增加了47.58%與20.09%，說明經(jīng)SA處理后夏枯草種子的萌發(fā)數(shù)量得以增加，在提高種子萌發(fā)能力的同時，幼苗的胚根長度、胚芽長度及鮮質(zhì)量也均高于干旱脅迫對照。在本研究中，SA處理可以顯著提高干旱脅迫下夏枯草胚根的生長，這與文獻[18]的研究結(jié)果一致。SA促進根系生長的原因可能在于：SA可以提高幼苗硝酸還原酶活性，降低脫落酸水平，同時增加內(nèi)源細胞分裂素和生長素水平，從而對根系生長產(chǎn)生促進作用[19-20]。SA對于胚根長度的提高幅度顯著大于對胚芽長度的提高幅度，原因可能是由于在SA提高夏枯草抗旱能力的情況下，胚根與胚芽相比具有較快的生長速度，從而表現(xiàn)出較大提高幅度[21]。

綜合來說，本文研究條件下，2.0mmol/LSA浸種處理效果最好，該濃度處理能夠顯著促進夏枯草種子萌發(fā)與幼苗生長，可以作為提高藥用植物夏枯草種子抗旱性的最適浸種濃度，至于SA浸種緩解干旱脅迫對種子萌發(fā)與幼苗生長影響的內(nèi)在機制尚需進一步研究。

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國家自然科學基金項目(41301051);河南省科技攻關計劃基金項目(162102110095);河南省高等學校重點科研基金項目(15A180037,16A220005);河南科技大學高級別培育基金項目(2015GJB029);河南科技大學博士科研啟動基金項目(4024-13480054,4026-13480038);河南科技大學青年基金項目(4024-13350066,4026-13350041)

張利霞(1982-),女,河南滎陽人,博士,講師,主要從事植物逆境生理研究.

2016-01-07

1672-6871(2016)06-0072-05

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.06.015

R282.2

A