NaCl脅迫及外源GABA對垂穗披堿草種子萌發的影響

趙 旭， 陳仕勇， 劉 偉， 李丹丹， 文景锜， 馬展登

(1.西南民族大學青藏高原研究院， 四川 成都 610041；2.西南民族大學畜牧獸醫學院， 四川 成都 610041；3.四川農業大學草業科技學院， 成都 611130； 4.四川省甘孜州草原工作站， 四川 康定 626000)

鹽漬土在干旱、半干旱地區的分布最為普遍，在我國主要分布于東北、華北、西北和濱海地區[1]。土壤鹽漬化不僅威脅農業生產和發展，也不利于生態資源環境的可持續發展。種植耐鹽堿植物等生物防治手段已經成為鹽堿地改良的重要途徑之一，而如何提高植物的耐鹽性對于鹽堿地的改良具有重要意義。目前，植物生長調節劑被廣泛應用于改善植物對逆境的抗性研究中。γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)是一種四碳非蛋白氨基酸，廣泛存在于動物、植物和細菌中。在植物細胞中主要作為細胞間信號的傳導分子[2]，與生物和非生物脅迫密切相關[3-4]，它的積累是植物系統對鹽分、干旱、高溫和寒冷等脅迫的代謝反應。目前它已經作為一種重要的植物調節物質應用于改善植物的耐鹽堿、耐高溫等抗逆研究中[5-7]。

垂穗披堿草(ElymusnutansGriseb.)，又名鉤頭草、彎穗草，是禾本科披堿草屬重要的多年生牧草。主要分布在我國內蒙古、新疆、青海、西藏、四川等地，具有重要的經濟和生態價值，特別是在我國青藏高原草地畜牧業和生態建設中發揮了重要作用[8-9]。本研究通過添加外源生長調節物質來提高垂穗披堿草種子萌發的耐鹽性，為其進一步在鹽堿地等生態恢復中的應用提供參考。本試驗采用GABA對垂穗披堿草種子進行浸種處理，研究其種子在NaCl脅迫下的萌發情況，揭示GABA對改善垂穗披堿草種子耐鹽性的效果，為垂穗披堿草在鹽堿條件下的栽培利用提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗選用國審垂穗披堿草牧草新品種“康北”為供試材料，種子由西南民族大學牧草創新團隊提供。

1.2 試驗設計

1.2.1不同濃度NaCl對種子萌發的影響

挑選大小均一、顆粒飽滿、無病蟲害的種子，用75%的乙醇消毒并用蒸餾水沖洗干凈。每個培養皿中整齊均勻擺放30粒種子，分別加入5 mL不同濃度的NaCl溶液，每個處理重復3次。試驗設置4個NaCl濃度梯度：50、100、150、200 mmol·L-1，并以蒸餾水為對照。把培養皿置于23 ℃溫度條件下萌發，以種子胚根露出種皮作為發芽標志，每日記錄發芽情況。

1.2.2不同濃度GABA對NaCl脅迫下種子萌發的影響

在不同濃度NaCl對種子萌發試驗的基礎上篩選出100 mmol·L-1脅迫濃度進行GABA的添加試驗。將消毒后的種子在濃度為0、0.2、0.5、1、2 mmol·L-1的GABA溶液中浸泡24 h，以蒸餾水浸泡作為對照，浸種完成后即開始萌發試驗。在鋪有2層濾紙的發芽盒(16 cm×11 cm×12 cm)中加入20 mL NaCl溶液，并在每個發芽盒中整齊均勻地擺放45粒種子。試驗設置6個處理：蒸餾水(ck)、100 mmol·L-1NaCl(N)、0.2 mmol·L-1GABA+100 mmol·L-1NaCl(GN 1)、0.5 mmol·L-1GABA+100 mmol·L-1NaCl(GN 2)、1 mmol·L-1GABA+100 mmol·L-1NaCl(GN 3)、2 mmol·L-1GABA+100 mmol·L-1NaCl(GN 4)。每個處理重復3次。培養條件同1.2.1。

1.3 測定指標及方法

種子萌發相關指標發芽率、發芽勢、發芽指數及活力指數等測定和計算公式如下：

發芽率(%)=(G12/N)×100%，

式中，G12為12 d內正常發芽的種子數，N為供試種子總數；

發芽勢(%)=(G6/N)×100%，

式中，G6為6 d內正常發芽的種子數，N為供試種子總數；

發芽指數=∑(Gi/Di)，

式中，Gi為第i天發芽數，Di為發芽天數；

活力指數=GI×S，

式中，S為幼苗平均長度，GI為發芽指數。

在第12天，每個重復隨機選取10株幼苗，用直尺測定幼苗的芽長、根長，用天平稱其整株鮮重。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2019軟件進行數據整理，通過SPSS Statistics 24軟件進行單因素方差分析，運用Duncan法進行不同處理間的多重比較，并用Origin 2018軟件繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 不同濃度NaCl對垂穗披堿草種子萌發的影響

2.1.1種子發芽率和發芽勢

如圖1所示，NaCl脅迫顯著降低了垂穗披堿草種子的發芽率(p<0.05)。在150 mmol·L-1和200 mmol·L-1脅迫濃度下，種子發芽率分別下降21.88%和24.00%。同時，鹽脅迫也延遲了種子發芽時間，發芽勢隨著NaCl濃度的升高也呈降低趨勢。當NaCl濃度為150 mmol·L-1和200 mmol·L-1時，種子發芽勢分別下降23.81%和50.00%。

2.1.2發芽指數和活力指數

如圖2所示，隨著NaCl濃度的升高，垂穗披堿草種子的發芽指數和活力指數均呈降低趨勢。當NaCl濃度大于等于100 mmol·L-1時，發芽指數呈下降趨勢，且在NaCl濃度大于等于150 mmol·L-1時達到顯著水平?；盍χ笖翟诓煌}脅迫濃度下均顯著降低(p<0.05)，其中在NaCl濃度為100 mmol·L-1時，種子的活力指數下降54.50%。

2.1.3胚芽長和胚根長

如圖3所示，垂穗披堿草種子的胚芽長隨著NaCl濃度的升高呈降低趨勢。與對照相比，50 mmol·L-1NaCl脅迫下的胚芽長差異不顯著；在濃度為100 mmol·L-1和150 mmol·L-1時，胚芽長分別降低了39.22%和41.25%。同樣，隨著NaCl濃度的升高，垂穗披堿草種子的胚根長均呈顯著降低趨勢(p<0.05)。NaCl濃度在100 mmol·L-1和150 mmol·L-1時，胚根長比對照顯著降低了54.77%和60.80%，表明當NaCl濃度≥100 mmol·L-1時，其種子的胚根和胚芽生長受到了顯著的抑制，同時鹽脅迫對胚根的抑制比胚芽更明顯。結果表明，100 mmol·L-1的NaCl濃度可以確定為下一步GABA添加研究的適宜鹽脅迫濃度。

2.2 不同濃度GABA對NaCl脅迫下垂穗披堿草種子萌發的影響

2.2.1種子發芽率和發芽勢

由圖4可知，外源GABA浸種后，在100 mmol·L-1NaCl脅迫下，垂穗披堿草種子的發芽率隨著GABA濃度的升高呈上升的趨勢，且在GN 4處理(GABA濃度為2 mmol·L-1)下發芽率到達最高(p<0.05)。種子的發芽勢也呈相同的變化趨勢，其中GN 2、GN 3和GN 4處理比鹽脅迫條件下分別提高了77.8%、85.2%和96.3%。

2.2.2發芽指數和活力指數

由圖5可知，外源GABA浸種后能顯著提高NaCl脅迫下垂穗披堿草種子的發芽指數，并隨著GABA濃度的升高，發芽指數呈逐漸增大的趨勢，且在GN 4處理時達到最大，發芽指數比鹽脅迫條件下顯著提高了49.2%(p<0.05)。同樣，種子活力指數也隨著GABA浸種濃度的升高呈逐漸增大的趨勢，其中GN 4處理的種子活力指數達到最高，比鹽脅迫條件下顯著提高了58.6%(p<0.05)。

2.2.3胚芽長和胚根長

由圖6所示，鹽脅迫條件顯著地降低了垂穗披堿草幼胚芽長和根長(p<0.05)。不同濃度的GABA浸種后，胚芽長和根長較鹽脅迫處理呈略微增大的趨勢，但各處理間的差異不顯著。

2.2.4幼苗鮮重

如圖7所示，鹽脅迫下的垂穗披堿草幼苗鮮重顯著低于ck(p<0.05)。GABA處理后的幼苗重量隨濃度升高呈逐漸增重的趨勢，在GN 3、GN 4處理時幼苗重量達顯著水平(p<0.05)，其中GN 4處理時苗重達到最大。

3 討 論

3.1 鹽脅迫對垂穗披堿草種子萌發的影響

萌發是植物正式開始個體發育的第一個階段，是植物生命周期中的重要環節。萌發期的生長狀況直接影響植物的后續生長發育。鹽脅迫影響種子萌發主要有以下兩種方式：一是外界溶液的滲透壓過高，導致種子吸水受阻[10]；二是鹽離子的滲入直接造成毒害[11]。有研究認為，低濃度的鹽脅迫不僅不會影響種子萌發，還有利于種子吸水和提高代謝水平。低鹽濃度能提高玉米種子的萌發指標，并且提升其發芽速率，縮短平均發芽時間[12]。適宜濃度處理有利于燕麥等種子的萌發和芽苗生長[13-14]。這可能是因為少量鹽分能使細胞內部滲透勢降低，在逆境中加速吸水。不過也有大量研究發現，低濃度鹽脅迫和高濃度鹽脅迫一樣會影響種子正常的出芽和后續生長，種子的吸水過程受到阻礙，導致代謝活性降低和種子組織的合成速度減少，引起各萌發指標降低[6]。本研究中垂穗披堿草種子萌發指標在NaCl濃度50～200 mmol·L-1范圍脅迫下均表現出不同程度的抑制作用。這樣的變化趨勢與鹽脅迫下新麥草[15]及垂穗披堿草[16]種子萌發的研究結果相同。同時，綜合不同的萌發指標，本研究選用了100 mmol·L-1的NaCl濃度作為種子萌發的適宜鹽脅迫濃度進行后續的研究。劉艷君等[17]研究了采自甘南天祝的3份野生垂穗披堿草，在NaCl濃度為0～1.2%(0～205 mmol·L-1)脅迫下的萌發情況，結果表明，低鹽環境促進種子的萌發，當鹽濃度達到1.0%(171 mmol·L-1)時，其發芽勢均為0。說明同一物種的不同品種以及種質的不同狀態，其耐鹽性分均存在明顯的差異。

3.2 GABA對鹽脅迫下垂穗披堿草種子萌發的影響

GABA作為植物體內的代謝物質和信號分子，能夠提高種子的發芽能力和幼株活力，緩解鹽脅迫。GABA能有效降低種子對Na+的吸收，維持離子平衡[18]，從而降低鹽脅迫對種子的損傷。朱廣龍等[19]研究了4種不同的外源生長調節劑對鹽脅迫下甜高粱種子萌發的影響，其結果表明GA3(0.3 mmol·L-1)和GABA(0.5 mmol·L-1)對高粱種子吸水萌發時鹽害的緩解效果最好。羅黃穎等[6]研究了不同濃度GABA浸種對番茄種子及幼苗耐鹽性的影響，結果表明不同濃度GABA的緩解效應存在差異，其中10 mmol·L-1的外源GABA能夠顯著提高鹽脅迫下番茄種子的萌發率和促進胚根的生長。本研究中0.2～2 mmol·L-1濃度的GABA均能不同程度地緩解NaCl脅迫對垂穗披堿草種子萌發的影響，隨著GABA濃度的增大，其發芽率、發芽勢、發芽指數及活力指數逐漸提高，幼苗重量增大，但是對種子萌發、胚芽和胚根的生長緩解效果不是特別顯著，這可能與本研究中選用的濃度范圍較小有關。此外，谷物種子中的谷氨酸脫氫酶(GAD)與種子萌發密切相關[20]，而GABA又與GAD的代謝變化直接相關。趙寧等[21]在GABA對鹽堿脅迫下甜瓜種子萌發的研究中發現，一定濃度的GABA能夠提高鹽堿脅迫條件下的種子萌發狀況，同時還能提高胚根內超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)等活性，特別是10 mmol·L-1GABA浸種后內源GABA和GAD活性顯著升高，50 mmol·L-1GABA浸種處理后其GABA轉氨酶(GABA-T)活性達到最高，這加快了GABA向琥珀酸半醛降解和參與三羧酸循環的速度，從而提高了種子耐鹽堿的能力。

4 結 論

隨著NaCl脅迫濃度的升高，供試垂穗披堿草種子的萌發指標逐漸下降。在100 mmol·L-1NaCl脅迫條件下，0.2～2 mmol·L-1的 GABA浸種能不同程度地緩解鹽脅迫對供試垂穗披堿草種子萌發的影響，能夠提高其發芽率、發芽勢、發芽指數及活力指數，增加其幼苗重量，其中2 mmol·L-1GABA浸種處理的效果最佳。