H2S對弱光脅迫下高羊茅幼苗生理特性和內源激素的影響

高雙紅， 李媛英， 劉博文， 龍 思， 劉鐵芫， 許岳飛

(西北農林科技大學草業與草原學院， 陜西 楊凌 712100)

草坪因具有美化環境、凈化空氣和減少噪音等功能[1]，在提高人們生活質量中的同時，市場需求量也越來越大。高羊茅(Festucaarundinacea)是禾本科羊茅屬多年生草本植物，因其抗性好、與雜草競爭優勢大、生命力強等優點被廣泛應用于園林綠化中，是目前我國最為常見的冷季型草坪草之一[2]。韓烈保等[3]認為，高羊茅具有比大多數冷季型草坪草更強的耐酸堿能力；王友保等[4]研究發現高羊茅可以吸收土壤中一定量的Cu;同時有研究表明高羊茅可以去除受污染土壤中的Se元素[5]；高羊茅的這種能力有望使其成為修復重金屬污染土壤的重要草坪草品種。因此，高羊茅作為冷季型草坪草其應用前景十分廣闊。

現代城市高樓聳立以及人們對于喬、灌、草等立體綠化的需求，使得草坪的遮蔭問題十分突出[6]。據統計，美國約有1/4的草坪處于遮蔭環境[7]，而我國約有1/2的草坪處于遮蔭環境[8]。光照對草坪的生長十分重要，遮蔭會導致草坪草光合速率下降、葉片變薄、莖桿纖細和生物量降低[9]，嚴重影響草坪質量。因此，研究弱光脅迫對草坪草生理特性的影響，探究緩解遮蔭脅迫的方法，對草坪的質量和經濟效益等具有十分重要的科學和現實意義。

硫化氫(H2S)作為一種重要的氣體信號分子，參與植物生長發育的各個過程，并且具有緩解鹽害、干旱、低溫和重金屬等多種非生物脅迫的功能[10]。研究表明，外源H2S可以通過調節內源H2S含量，維持植物體內的Na+/K+平衡，增強抗氧化能力，從而提高耐鹽性[11]。在干旱脅迫下，H2S顯著上調Rubisco活化酶的活性，引起葉片氣孔關閉，提高擬南芥對干旱的適應能力[12]。外源H2S也可通過促進光系統II(PSII)來緩解強光下水稻遭受的光抑制傷害[13]。然而，有關H2S調控高羊茅耐蔭性的研究尚未見報道。因此，本文探討了H2S對高羊茅耐蔭性的調控作用，擬為提高草坪草耐蔭性和草坪的科學養護管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

試驗所用高羊茅(FestucaarundinaceaSchreb.)品種為Arid 3，種子購買于克勞沃(北京)生態科技有限公司并存儲于4℃冰箱中。試驗使用藥劑主要有500 μmol·L-1硫化氫供體硫氫化鈉(NaHS)，300 μmol·L-1硫化氫清除劑次牛磺酸(HT)，300 μmol·L-1硫化氫合成酶抑制劑羧甲基胺半鹽酸鹽(AOA)[14]。

用0.1%(w/v)次氯酸鈉(NaClO)溶液對種子進行表面消毒，并用蒸餾水漂洗數次。然后，將種子置于鋪有雙層濾紙的培養皿中，每皿含50粒種子，為一個重復，每個處理設置三個重復。試驗第一階段用藥劑在黑暗條件下浸種24 h；第二階段培養箱培養2周，并在第7 d時噴施藥劑。本試驗5個處理，分別為：自然光照+蒸餾水(CK)、弱光+蒸餾水(LL)、弱光+硫化氫供體硫氫化鈉(LS)、弱光+硫化氫清除劑次牛磺酸(LT)和弱光+硫化氫合成酶抑制劑羧甲基胺半鹽酸鹽(LA)。人工氣候箱的設置是白天時長為16 h，溫度25℃，自然光強為200 μmol·m-2·s-1PPFD，弱光脅迫為40 μmol·m-2·s-1PPFD，相對濕度保持在60%；夜間時長為8 h，溫度為20℃，光強為0，相對濕度保持在50%。具體試驗設計見下表。

表1 試驗設計表Table 1 Table of experimental design

1.2 測定指標及方法

發芽率(GP)=(發芽試驗末期規定日期種子數/供試種子數)×100%

發芽勢(GE)=(發芽試驗初期規定日期內發芽種子數/供試種子數)×100%

發芽指數GI=∑Gt/Dt

活力指數VI=GI×S

其中Dt為發芽時間(d)，Gt為與Dt相對應的發芽種子數，S為一定時期內正常幼苗的單株長[15-16]。

1.3 數據分析

數據采用SPSS 19.0進行單因素方差分析(P<0.05差異顯著)，運用SigmaPlot 14.0進行作圖。

2 結果與分析

2.1 H2S對弱光脅迫下高羊茅萌發的影響

在5個不同處理下，高羊茅種子的發芽指數、發芽勢以及活力指數產生一定程度的差異。CK處理組、高羊茅種子發芽率、發芽指數、發芽勢以及活力指數均為最高，LL處理則對高羊茅種子的萌發產生了顯著影響，與CK相比，其顯著降低高羊茅種子的發芽率、發芽指數、發芽勢、活力指數(P<0.05)，與CK相比,分別降低了7.54%，21.27%，10.71%和22.22%,LS對高羊茅種子萌發有一定促進作用，與LL相比，LS處理的發芽指數增加15.49%，而LT處理和LA處理顯著降低弱光下高羊茅種子萌發，與LL處理相比，LT處理下發芽勢和活力指數分別降低17.34%和31.43%，說明內源硫化氫對弱光下高羊茅種子的萌發有一定的促進作用。(圖1)

圖1 H2S對弱光脅迫下高羊茅萌發的影響Fig.1 Effects of H2S on the germination of tall fescue under low-light stress注：不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同Note:Different letters meant significant difference at 0.05 level. The same as below

2.2 H2S對弱光脅迫下高羊茅胚根重、胚芽重的影響

弱光脅迫處理對高羊茅胚根和胚芽產生的影響不同。由圖2可知，與CK相比，LL處理使得高羊茅胚根重顯著下降38.4%，卻使得高羊茅胚芽重增加0.0083%。較LL處理組相比，LS處理組高羊茅的胚根重和胚芽重變化不明顯，但均有所增加；LT處理組和LA處理組胚根重和胚芽重則發生明顯變化，胚根重和胚芽重均顯著下降(P<0.05)，其中LT處理和LA處理胚根分別下降73.12%和50.17%(圖2A)。表明結果弱光脅迫下，高羊茅的胚根生長受到抑制，而施加外源H2S能夠緩解這種抑制。

2.3 H2S對弱光脅迫下高羊茅幼苗細胞膜透性穩定性的影響

圖3 H2S對弱光脅迫下高羊茅細胞膜穩定性的影響Fig.3 Effects of H2S on the stability of tall fescue cell membrane under low-light stress

2.4 H2S對弱光脅迫下高羊茅幼苗內源激素以及氣體信號分子H2S的影響

激素水平是植物對逆境響應的重要指標。不同處理下植物體內激素水平存在差異。與CK相比較，LL處理顯著增加了高羊茅體內的H2S,ABA和GA含量，增加值分別為36.28%，29.29%和38.82%。與LL處理相比較，LS處理使得H2S和ABA含量增大54.51%和42.40%，差異達到顯著水平(P<0.05)，同時使GA含量顯著下降12.90%(P<0.05)；而LT處理和LA處理會顯著降低H2S和ABA含量，但顯著增加GA含量，其中LT處理下ABA和H2S分別下降31.64%和28.39%，GA卻增加7.20%，這與LS處理結果完全相反。表明弱光脅迫下，施加外源H2S能夠促進內源H2S和ABA的產生并抑制GA，而施加AOA和HT則效果與之完全相反(圖4)。

圖4 H2S對弱光脅迫下高羊茅內源GA、ABA、H2S的影響Fig.4 Effect of H2S on the endogenous GA、ABA、H2S of tall fescue under low-light stress

3 討論

3.1 H2S對高羊茅種子萌發特性和胚根、胚芽的影響

發芽是植物生長非常關鍵的一個過程，其成功與否影響著草坪的密度和蓋度以及質量。H2S能夠調節植物諸多生理和生化過程，包括種子的萌發和幼苗的生長[23]；有研究表明低劑量外源施用H2S能夠通過激活β-淀粉酶活性來促進種子萌發[24]；并提高鹽脅迫下苜蓿種子萌發抗氧化酶同工酶活性和轉錄物水平[25]。在本研究中，弱光下施加H2S提升了高羊茅種子的萌發特性，而清除或者抑制內源H2S則會對種子萌發起到顯著的負作用，說明內源H2S促進了弱光脅迫下高羊茅種子的萌發，這與前人研究結果一致。

光照與植物生長發育關系密切，光照不足會引起植物的形態學重建[26]。近年來，關于植物弱光脅迫的研究多開展于黃瓜(CucumissativusLinn)[27]等相關植物，在林木栽培[28]也有研究。弱光脅迫下高羊茅胚根重較CK顯著下降，而胚芽重輕微增加，表明弱光脅迫促進高羊茅幼苗的向上生長，在一定程度上會抑制高羊茅胚根的生長。在弱光脅迫下，分別施加H2S，AOA，HT后，發現各處理的胚根重和胚芽重為LS最大，LL次之，而LA，LT最小，即H2S在一定程度上緩解了弱光脅迫對高羊茅幼苗生長的限制。我們前期研究發現，在弱光脅迫下，外施H2S能夠增加高羊茅株高、生物量、葉寬、分蘗數等[14]，這與本試驗得到的結果相一致。

3.2 H2S對弱光脅迫下高羊茅幼苗細胞膜穩定性和根活力的影響

3.3 H2S對弱光脅迫下高羊茅幼苗內源GA,ABA,H2S的影響

植物激素是由植物本身合成的極少數有機化合物，但它們對植物內部營養物質的運輸和代謝具有重要影響[32]。當植物遭受逆境脅迫時，其自身的代謝產物和生理調節物質發生顯著變化。當植物處于遮蔭脅迫下時，其內源激素的含量也會發生變化，進而調節植物的抗逆過程。本試驗中，弱光脅迫使高羊茅幼苗的內源激素H2S，GA，ABA濃度均增大；而通過施加H2S可以促進內源H2S和ABA的產生，抑制GA的產生。植物激素GA能夠促進器官成熟，促進生長發育并誘導營養素的轉運，LL脅迫使得GA增大，原因可能是與弱光誘導高羊茅株高有所增加；ABA能誘導某些特定的酶的重新合成從而增加植物的抗性，也被稱為“脅迫激素”[33]，在植物遭受脅迫時，H2S作為氣體信號分子，在增強植物的許多功能中起著極其重要的作用[34]。弱光脅迫下ABA和H2S的顯著增加可能是植物對逆境時自身所做出的響應。張彥潔等[33]研究表明對番茄種子或幼苗進行外源H2S處理，增加葉片中的H2S含量，這與本試驗結果一致。

植物體內不同種類的植物激素的生理效應有相互促進或者拮抗的效果，植物激素對植物生長發育的調控結果往往是由多種植物激素綜合作用的[37]。本研究中，LS處理組的H2S和ABA均較其他處理組相比顯著增大，說明外源H2S的施加不僅極大地促進了內源H2S的增加，同時也促進了ABA的顯著增加。H2S作為一種新型的氣體信號分子，其與ABA之間相互協同作用，共同賦予植物抗逆性[38]。然而，H2S提高抗氧化機制的分子機制人仍需要進一步研究。

4 結論