烯效唑浸種對干旱脅迫下工業大麻幼苗形態、滲透調節物質及內源激素的影響

姜 穎，左官強，王曉楠，張曉艷，韓承偉，韓喜財，曹 焜，趙 越，孫宇峰，馮乃杰

(1.黑龍江八一農墾大學農學院，黑龍江 大慶 163319；2. 黑龍江省科學院大慶分院，黑龍江 大慶 163319)

全球性氣候不斷變化導致世界各地缺水問題日益嚴重，進而引發干旱。干旱作為重要的非生物脅迫因子之一，其發生周期短，程度重，對糧食生產構成嚴重威脅，制約著我國農業的發展[1]。干旱會使植物形態結構、光合能力和生理行為發生變化[2-3]，且對植物生長發育和產量產生巨大的負面影響。大麻是世界上最古老的一年生草本植物之一，在中國有數千年的種植歷史[4]。δ-9-四氫大麻酚(THC)含量低于0.3%的大麻稱之為工業大麻，允許在我國種植。工業大麻作為我國傳統的多用途、多功能經濟作物，其種子、纖維以及花葉被廣泛應用于多個領域中[5-7]。干旱脅迫是限制大麻生長的主要環境因素之一，對大麻的品質和產量造成重大的損失[5]。干旱脅迫會降低大麻種子的發芽勢和發芽率，抑制種子胚芽和胚根生長[8]，進而影響發芽指數和活力指數。有研究表明，干旱脅迫對大麻萌發初期和快速生長期幼苗和植株的生理特性有明顯的影響，對其生長有明顯的抑制作用[9-10]。植物生長調節劑的應用可以影響植物體內多種參與逆境代謝相關的生理活動，明顯提高植株的抗逆性[11]。烯效唑(S3307)作為一種高效低毒的三唑類植物生長延緩劑[12]，具有很強的生長調節能力，主要用于壯苗和抗逆，具有“控上促下”、“前控后促”的效果，可以改變幼苗形態[13]，緩解膜脂過氧化程度[14]，增強滲透調節能力，改變植物激素的含量和作用方式，使植株生命活動發生改變，最終達到抗逆、增產等一系列效果[15]。

本研究以工業大麻品種“火麻1號”為試驗材料，研究了烯效唑對干旱脅迫下工業大麻幼苗形態、滲透調節物質及內源激素的影響，旨在分析烯效唑對干旱脅迫下工業大麻的調控效應，為烯效唑在工業大麻抗逆方面的應用及進一步拓寬工業大麻化控技術的研究提供理論基礎和技術支持。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料為黑龍江省大麻品種“火麻1號”，種子由黑龍江省科學院大慶分院提供。烯效唑(S3307)由黑龍江八一農墾大學化控實驗室提供。

1.2 試驗方法

用0.4 mg·L-1烯效唑浸種，浸種完成后進行播種，選擇發芽較好且長勢一致的種子，定植于裝有草炭土∶沙子為2∶1(體積比)的花盆中，草炭土pH值6.30。在遮雨棚中進行試驗，保證供水一致(維持在田間持水量的70%)，直至三葉期(3對真葉)進行處理。試驗共設3個處理，分別為：清水浸種，正常供水(CK)；清水浸種，三葉期斷水(D)；烯效唑浸種，三葉期斷水(D+S)。干旱脅迫0、2、4、6、8 d以及復水4 d后分別取樣進行指標測定。

1.3 指標測定

地上部和地下部干重用烘干稱重法測定；根系總根長、體積、表面積、總投影面積、平均直徑、根尖數、分枝數和交叉數用加拿大Regent公司生產的根系掃描儀，經數字化軟件(WinRHIZO-2004a)分析后獲得根系形態數據。

細胞膜透性采用電導法測定[16]；可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定[17]；可溶性蛋白質含量采用考馬斯亮藍(G-250)法測定[18]；SPAD值采用CCM-220+手持葉綠素儀測定。

樣品中內源激素脫落酸(ABA)、水楊酸(SA)、茉莉酸(JA)含量采用液相色譜-質譜聯用法檢測。

1.4 數據分析

試驗數據采用Excel 2010和SPSS statistics 20軟件進行整理、分析，采用OriginPro 9.1繪圖軟件繪制圖片。

2 結果與分析

2.1 烯效唑浸種對干旱脅迫下工業大麻幼苗生物量的影響

由表1可知，干旱脅迫下工業大麻地上部鮮重明顯下降，地上部干重積累產生了明顯的抑制作用。D+S處理與D處理地上部鮮重在脅迫2 d未出現明顯差異，但在干旱脅迫8 d和復水4 d后D+S處理高于D處理，分別高2.36%和2.23%；而地上部干重在脅迫6 d開始恢復，在復水4 d后比D處理高4.38%。由圖1可知，D處理下，工業大麻的根系鮮重、根系干重均較CK出現明顯的下降，根系鮮重下降了13.19%～25.40%，根系干重下降了23.53%～29.17%；而D+S處理顯著提高了根系干鮮重，與D處理相比，根系鮮重增加了16.46%～25.53%，干重增加了46.67%～61.54%。

表1 烯效唑浸種對干旱脅迫下工業大麻地上部干、鮮重的影響

2.2 烯效唑浸種對干旱脅迫下工業大麻根系形態指標的影響

研究發現，烯效唑處理后對總根長的影響是多方面的，與正常供水下、干旱脅迫4 d和8 d后相比，烯效唑處理顯著增加了工業大麻的總根長，分別增加了84.10%、77.42%和34.48%(圖2A)。D+S處理后對根平均直徑的影響差異不明顯，只在脅迫4 d后比D處理增加5.40%(表2)。隨著處理時間的延長，根表面積、根體積和根總投影面積不斷增加，D處理較CK有所降低(圖2)；D+S處理的工業大麻根表面積在處理8d后比D處理高34.77%(圖2B)；D+S處理的工業大麻根體積在處理0、2、4、6 d和8 d后都顯著高于D處理下的根體積，增加了59.66%～93.22%(圖2C)；根總投影面積在D+S處理4、6 d和8 d后顯著高于D處理下的根總投影面積，分別提高了37.47%、69.23%和70.00%(圖2D)；復水處理4 d后D+S處理根表面積、根體積和根總投影面積與CK差異不顯著(圖2)。D處理下，根尖數、分枝數和交叉數顯著低于CK，在處理8 d后，根尖數、分枝數和交叉數分別比CK降低31.23%、25.78%和42.66%；D+S處理根尖數、分枝數和交叉數顯著高于D處理，在處理8 d后，根尖數、分枝數和交叉數分別比D處理增加33.07%、29.62%和54.28%(表2)。

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Note: Different lowercase letters mean significant difference among the treatments (P<0.05). The same below.圖1 烯效唑浸種對干旱脅迫下工業大麻根系干、鮮重的影響Fig.1 Effect of seed soaking with uniconazole on fresh and dry root weight of industrial hemp under drought stress

表2 烯效唑浸種對干旱脅迫下工業大麻根系形態的影響

圖2 烯效唑浸種對干旱脅迫下工業大麻根長、根表面積、根體積、根總投影面積的影響Fig.2 Effect of seed soaking with uniconazole on root length, superficial area, volume, and projected root area of industrial hemp under drought stress

2.3 烯效唑浸種對干旱脅迫下工業大麻幼苗生理生化指標的影響

2.3.1 烯效唑浸種對干旱脅迫下工業大麻幼苗SPAD值的影響 隨著處理天數的增加，各處理的SPAD值呈現出不同的變化趨勢。正常供水條件下，SPAD值處于穩定狀態；D處理下，SPAD值呈下降趨勢，在脅迫4、6、8 d后顯著低于CK，分別降低了11.01%、18.33%和27.31%，而在復水4d后得到緩解；D+S處理下，SPAD值顯著高于D處理，在脅迫4、6、8 d后分別增加了11.77%、19.87%和28.30%(圖3)。可見，烯效唑浸種能提高葉片的SPAD值，對于提高光合作用有明顯作用。

圖3 烯效唑浸種對干旱脅迫下工業大麻幼苗SPAD值的影響Fig.3 Effect of seed soaking with uniconazole on SPAD value of industrial hemp under drought stress

2.3.2 烯效唑浸種對干旱脅迫下工業大麻幼苗細胞膜透性的影響 工業大麻幼苗遇干旱脅迫導致葉片的細胞膜透性明顯增加，并隨著脅迫時間的延長不斷升高；D處理4、6 d和8 d后，細胞膜透性顯著增加，分別是CK的1.26、1.33倍和1.39倍，復水4 d后得到恢復；烯效唑浸種可以顯著降低葉片的細胞膜透性，與D處理相比，在脅迫0、2、4、6、8 d和復水4 d后分別減少了11.40%、15.01%、19.46%、22.69%、17.22%和12.08% (圖4)，這表明烯效唑浸種能夠緩解干旱脅迫對工業大麻葉片造成的氧化損傷。

圖4 烯效唑浸種對干旱脅迫下工業大麻幼苗細胞膜透性的影響Fig.4 Effect of seed soaking with uniconazole on membrane permeability of industrial hemp under drought stress

2.3.3 烯效唑浸種對干旱脅迫下工業大麻幼苗滲透調節物質含量的影響 干旱脅迫導致了工業大麻葉片內的滲透調節物質——可溶性糖和可溶性蛋白含量均顯著增加。D處理可溶性糖和可溶性蛋白含量分別較CK增加了23.08%～123.84%(圖5A)和2.44%～8.98%(圖5B)；復水4 d后可溶性糖和可溶性蛋白含量有所下降，但仍高于對照(圖5)。烯效唑浸種進一步促進了葉片內滲透調節物質含量的增加，處理過程中，D+S處理可溶性糖和可溶性蛋白含量分別比D處理增加了17.32%～36.78%(圖5A)和5.07%～7.94%(圖5B)；復水后D+S處理的滲透調節物質含量仍然高于CK和D處理(圖5)。

圖5 烯效唑浸種對干旱脅迫下工業大麻幼苗可溶性糖和可溶性蛋白含量的影響Fig.5 Effect of seed soaking with uniconazole on soluble sugar and soluble protein content of industrial hemp under drought stress

2.4 烯效唑浸種對干旱脅迫下工業大麻幼苗內源激素的影響

測定干旱脅迫8 d后的CK、D、D+S處理葉片中內源激素——脫落酸(ABA)、水楊酸(SA)和茉莉酸(JA)的含量(圖6)。干旱脅迫下，工業大麻葉片中的內源激素ABA、SA和JA含量顯著增加，分別比CK增加了163.50%、38.72%和77.67%。D+S處理ABA含量有所增加，但與D處理差異不顯著(圖6A)；而D+S處理顯著降低了SA和JA的含量，分別比D處理降低了17.79%(圖6B)和14.40%(圖6C)。

圖6 烯效唑浸種對干旱脅迫下工業大麻幼苗ABA、SA和JA的影響(干旱脅迫8 d)Fig.6 Effect of seed soaking with uniconazole on ABA, SA, and JA of industrial hemp under drought stress (8 d after drought stress)

3 討論與結論

隨著干旱脅迫的延長，植株高度和葉面積減小[19]；烯效唑作為一種植物生長抑制劑，能有效地保護植物免受損傷，降低植物高度和葉面積[20-21]；而且烯效唑對于緩解逆境脅迫下植株根系的生長具有促進作用[13]。Barnes等[22]研究發現，烯效唑處理對水分脅迫下的松木幼苗的莖有顯著的抑制作用，但促進了根系生長。本研究發現在脅迫初期，烯效唑浸種處理的地上部干、鮮重比干旱脅迫處理低，但在脅迫后期慢慢得到恢復，且在復水4 d后比干旱處理植株的地上部干、鮮重分別高出4.38%和2.23%；而烯效唑浸種處理顯著提高了地下部干、鮮重，較干旱處理的根系鮮重增加了16.46%～25.53%，根系干重增加了46.67%～61.54%。由此表明烯效唑具有“控上促下”、“前控后促”的效果，即具有延緩地上部生長、促進地下部根系生長的能力[13,23]。工業大麻苗期，主根占主要部分，亦起到主要作用，烯效唑浸種顯著增加了總根長，在干旱脅迫8 d后，總根長比干旱處理下提高了34.48%。根系長出的側根降低了根的平均直徑，側根生長越多平均直徑反而越低。本研究發現，烯效唑浸種處理后分枝數和交叉數顯著高于干旱處理，在干旱脅迫8 d后，分枝數和交叉數分別比干旱處理下增加了29.62%和54.28%；而對根系平均直徑的影響差異不明顯。根尖數是工業大麻根系的一個重要指標，根尖數近似與側根數相等，烯效唑浸種處理后根尖數顯著增加，在干旱脅迫8d后，根尖數比干旱處理下增加了33.07%。根系長度和直徑的變化會引起工業大麻根表面積和根體積的變化，而工業大麻根表面積直接影響到其對水分和營養的吸收能力。研究結果表明，烯效唑浸種后根表面積、根體積和根總投影面積有所增加，在干旱脅迫8 d后，根表面積、根體積和根總投影面積比干旱脅迫處理增加了34.77%、69.10%和70.00%。烯效唑浸種處理下，葉片SPAD值顯著提高，在干旱脅迫8 d后增加了28.30%，這對于提高光合作用有明顯作用。干旱脅迫能夠破壞活性氧的產生和消除之間的動態平衡，使植物細胞受到傷害，細胞膜透性增大，從而影響植物的正常生長代謝[9，25]。本研究發現，干旱脅迫導致工業大麻葉片的細胞膜透性明顯增加，脅迫處理8 d后較CK增加了38.76%；而烯效唑浸種可以顯著降低葉片的細胞膜透性，與干旱處理相比，在脅迫8 d后減少了17.22%，這表明烯效唑能夠緩解干旱脅迫對工業大麻葉片造成的氧化損傷。可溶性糖和可溶性蛋白作為滲透調節物質是植物抗逆形成的重要物質基礎[26]，逆境脅迫下，可溶性糖和可溶性蛋白大量積累，可以維持植物細胞滲透勢和增大細胞原生質濃度而引起抗脫水作用，有利于植物抵抗逆境的傷害。研究表明，逆境脅迫下，烯效唑施用可以增加滲透調節物質的含量，提高抵御逆境能力[15，27]。本研究發現，干旱脅迫使可溶性糖和可溶性蛋白含量顯著增加，烯效唑浸種進一步促進了葉片內滲透調節物質含量的增加，分別比干旱脅迫處理的植株增加了17.32%～36.78%和5.07%～7.94%。植物通過提高內源ABA水平誘導氣孔關閉等機制來應對干旱脅迫造成的損傷[28]。本研究發現干旱脅迫8 d后，工業大麻葉片中的內源激素ABA顯著增加，比CK增加了163.50%；烯效唑浸種后ABA含量仍有所增加，合理的解釋是烯效唑能夠抑制ABA 8′-hydroxylase的活性，減少ABA的降解，從而提高ABA的含量[29]。植物通過控制SA和JA的含量來調控它們所介導的代謝途徑，使植物更具有抵御脅迫的能力。張志芬等[30]研究發現，重度干旱脅迫下，內源激素SA和JA含量顯著升高。本研究結果與其相似，干旱脅迫8 d后，工業大麻葉片中的內源激素SA和JA顯著增加，分別比CK增加了38.72%和77.67%；烯效唑浸種后，植株損傷程度降低，SA和JA的含量分別比干旱脅迫處理降低了17.79%和14.40%。