外源GSNO對(duì)NaCl脅迫下番茄幼苗生長(zhǎng)及光合特性的影響

朱普生,劉慧英,曹 澤,劉凱歌,李雪珍

(石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院園藝系/特色果蔬栽培生理與種質(zhì)資源利用新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆石河子 832000)

0 引 言

【研究意義】番茄(Solanumlycopersicum)是廣為栽培蔬菜之一[1],含有多種維生素[2],近年來番茄產(chǎn)業(yè)逐漸成為了我國(guó)蔬菜產(chǎn)業(yè)的支柱之一,但同時(shí)種植中也面臨著土壤次生鹽漬化問題[3]。土壤鹽漬化是主要限制植物生產(chǎn)水平的非生物脅迫因素,會(huì)破壞植物的滲透壓平衡、離子平衡[4],并損傷細(xì)胞結(jié)構(gòu)[5],影響植物對(duì)水分和養(yǎng)料的正常吸收與運(yùn)輸,限制植物生長(zhǎng)發(fā)育。土壤鹽漬化使番茄光合生產(chǎn)潛力難以充分發(fā)揮,影響產(chǎn)量與商品性和經(jīng)濟(jì)效益[6]。研究鹽脅迫對(duì)番茄生長(zhǎng)發(fā)育的影響及其耐鹽機(jī)制,對(duì)培育耐鹽抗鹽新品種,提高番茄生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】一氧化氮(nitric oxide,NO)是一種廣泛存在于植物體細(xì)胞中及細(xì)胞間的小型高活性氣體信號(hào)分子,參與植物的生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程[7],如種子萌發(fā)[8]、植株生長(zhǎng)衰老及果實(shí)成熟[9]。同時(shí)也在植物基因表達(dá)[10]、呼吸代謝[11]以及抗逆反應(yīng)[12]等起作用。S-亞硝基谷胱甘肽(S-Nitrosoglutathione,GSNO)廣泛存在于各種生物體中,是天然存在的NO緩沖和儲(chǔ)存體,可以由生物體主動(dòng)產(chǎn)生,能在植物體內(nèi)運(yùn)輸并釋放NO,這種穩(wěn)定的形式使得NO能儲(chǔ)存、運(yùn)輸并參與調(diào)節(jié)植物生理和病理進(jìn)程[13-16]。【本研究切入點(diǎn)】近年來,在NO緩解植物鹽脅迫的研究取得較大進(jìn)展、其作用機(jī)制也逐漸清晰的基礎(chǔ)上,目前有關(guān)外源NO對(duì)植物逆境生理的研究多以硝普鈉(SNP)為NO供體開展,很少以GSNO作為NO供體對(duì)植物抗逆性進(jìn)行研究與應(yīng)用。需研究NaCl脅迫下外源GSNO(NO供體)對(duì)番茄幼苗生長(zhǎng)的調(diào)節(jié)作用。【擬解決的關(guān)鍵問題】以GSNO為NO供體,研究GSNO參與番茄幼苗響應(yīng)NaCl脅迫的一系列機(jī)制,為外源GSNO緩解番茄鹽害、提高番茄產(chǎn)量提供可行的方法,也為NO增強(qiáng)耐鹽性提供可靠的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

選擇番茄品種中蔬4號(hào)為材料,在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)站溫室進(jìn)行。采用水培的方法,在水桶中培育番茄幼苗。使用72孔穴盤,將番茄種子播種于草炭:蛭石=1∶1(V/V)的基質(zhì)中。待植株長(zhǎng)到2葉1心,挑出長(zhǎng)勢(shì)整齊一致的番茄幼苗移入遮光處理的容量為12 L的水桶中,以泡沫板與海綿支撐固定幼苗,桶中調(diào)配10 L Hoagland營(yíng)養(yǎng)液(pH=6.2)。幼苗恢復(fù)生長(zhǎng)7～10 d,期間每4 d換一次營(yíng)養(yǎng)液,調(diào)pH值至6.2并全天通氣,番茄幼苗長(zhǎng)至4葉1心時(shí)進(jìn)行不同處理。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

共設(shè)置5個(gè)處理,分別為 CK:營(yíng)養(yǎng)液水培,葉面噴施蒸餾水處理; N:營(yíng)養(yǎng)液中加100 mmol/L NaCl,葉面噴施蒸餾水處理; NG:營(yíng)養(yǎng)液中加100 mmol/L NaCl,葉面噴施0.1 mmol/L GSNO處理; NP:營(yíng)養(yǎng)液中加100 mmol/L NaCl,葉面噴施0.05 mmol/L cPTIO處理; NGP:營(yíng)養(yǎng)液中加100 mmol/L NaCl,葉面噴施0.05 mmol/L cPTIO再噴施0.1 mmol/L GSNO處理。NaCl于調(diào)配營(yíng)養(yǎng)液時(shí)直接加入營(yíng)養(yǎng)液中,處理時(shí)間為每日上午09:30。每個(gè)桶種植5株番茄幼苗,每個(gè)處理培育3桶作為重復(fù)。每3 d更換1次營(yíng)養(yǎng)液調(diào)pH值至6.2并全天通氣,處理第9 d采樣。

1.2.2 指標(biāo)測(cè)定

1.2.2.1 生長(zhǎng)指標(biāo)

壯苗指數(shù)、根冠比:游標(biāo)卡尺測(cè)量莖粗,直尺測(cè)量株高,分離植株地上部與地下部,清洗后用吸水紙吸干并分別稱重,使用烘箱105℃殺青 15 min,75℃烘至恒重,分別稱其干重。使用劉會(huì)芳等[14]的方法計(jì)算壯苗指數(shù)、根冠比。壯苗指數(shù)=(莖粗/株高+根干重/莖葉干重)×全株干重,根冠比=地下部干重/地上部干重。

1.2.2.2 氣孔數(shù)目與根系形態(tài)

氣孔數(shù)目:使用直撕法快速剝離番茄葉片下表皮并展開在滴有蒸餾水的載玻片上,蓋上載玻片使用ZEISS熒光顯微鏡觀察氣孔數(shù)目。使用ZEN Blue Lite軟件劃定等大小隨機(jī)視野進(jìn)行觀測(cè)。根系形態(tài):將根系使用蒸餾水洗凈放入Epson掃描儀中,配合WinRhizo專業(yè)根系分析軟件系統(tǒng)測(cè)定根長(zhǎng)、根面積和根體積。

1.2.2.3 葉綠素含量

采用張志良等[17]的方法測(cè)定對(duì)番茄幼苗的葉綠素含量。

1.2.2.4 葉綠素?zé)晒鈪?shù)

番茄幼苗暗適應(yīng)2 h后, 利用脈沖調(diào)制式葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)Imaging-PAM-2500測(cè)定番茄幼苗第三片真葉的PSII最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、實(shí)際光化學(xué)效率(YII)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)、光合電子傳遞速率(ETR)。

1.2.2.5 卡爾文循環(huán)相關(guān)酶活性

使用朝恒生物公司ELISA檢測(cè)試劑盒,酶標(biāo)分析儀Rayto RT-6100測(cè)定分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用 Excel 2003和派森諾生物公司在線軟件整理數(shù)據(jù)和作圖,采用 SPSS 19.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析,采用 LSD 法進(jìn)行差異顯著性比較(P<0.05) 。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源GSNO對(duì)NaCl脅迫下番茄幼苗生物量的影響

研究表明,與CK相比,N處理下番茄幼苗的株高、莖粗、地上鮮重、地下鮮重、地上干重和地下干重顯著降低。相比于對(duì)照,N處理下番茄幼苗的根冠比增長(zhǎng)了65.50%、壯苗指數(shù)下降了40.74%;與N處理相比,NG處理下番茄幼苗的株高、地上鮮重、地下鮮重、地上干重和地下干重均顯著上升,地上干重增長(zhǎng)54.64%,根冠比沒有顯著變化,壯苗指數(shù)提高54%。 NP處理下番茄幼苗的各項(xiàng)指標(biāo)均與N處理相比無顯著差異。與NP處理相比,NGP處理下番茄幼苗的株高、和地下干重均顯著提高。NaCl抑制了番茄幼苗的生長(zhǎng)和生物量的累積,施用GSNO能有效緩解番茄幼苗受抑制的情況,提高生物量累積,促進(jìn)植物生長(zhǎng)。表1

2.2 外源GSNO對(duì)NaCl脅迫下番茄幼苗氣孔數(shù)目與根系形態(tài)的影響

研究表明,與CK相比,N處理和NGP處理的氣孔數(shù)目差異不顯著,NG處理下的番茄幼苗氣孔數(shù)目顯著升高16.20%,NP處理下的番茄幼苗氣孔數(shù)目顯著下降11%。與CK處理相比,N處理下的番茄幼苗根系總長(zhǎng)度下降10.81%,NP處理下的番茄幼苗根系總長(zhǎng)度下降10.29%和NGP處理下的番茄幼苗根系總長(zhǎng)度下降10.48%,NG處理下的番茄幼苗根系總長(zhǎng)度增長(zhǎng)12.36%。與CK處理相比,N處理下的番茄幼苗根系總表面積顯著下降14.68%,NP處理下的番茄幼苗根系總表面下降17.04%,NG處理下的番茄幼苗根系總表面下降18.96%。與CK處理相比,N處理下的番茄幼苗根系總體積下降20.81%、NP處理下的番茄幼苗根系總體積下降40.43%,NGP處理下的番茄幼苗根系總體積下降42.71%,NG處理下的番茄幼苗根系總體積下降42.81%。GSNO能有效緩解番茄幼苗受NaCl脅迫后氣孔減少的情況,在促進(jìn)根系伸長(zhǎng)效果顯著。圖1

表1 不同外源GSNO下NaCl脅迫下番茄幼苗生物量變化Table 1 Effects of exogenous GSNO on tomato seedling biomass under NaCl stress

注:A:對(duì)氣孔數(shù)目的影響;B:對(duì)根系總長(zhǎng)度的影響;C:對(duì)根系總面積的影響;D:對(duì)根系總體積的影響;小寫字母表示處理間在5%水平的差異顯著性,下同

2.3 外源GSNO對(duì)NaCl脅迫下番茄幼苗葉綠素含量的影響

研究表明,與CK處理相比,N處理下番茄幼苗葉綠素a含量下降39.48%、NG處理下番茄幼苗葉綠素a含量下降26.92%、NP處理下番茄幼苗葉綠素a含量下降42.38%、NGP處理下番茄幼苗葉綠素a含量下降36.65%。與N處理相比,NG處理下番茄幼苗葉綠素a含量提高了20.75%。與CK處理相比,N處理下番茄幼苗葉綠素b含量降低36.63%,NG處理下番茄幼苗葉綠素b含量下降23.09%,NP處理下番茄幼苗葉綠素b含量下降44.01%,NGP處理下番茄幼苗葉綠素b含量下降33.76%。與N處理相比,NG處理下番茄幼苗葉綠素b含量提高了21.35%,NP處理下番茄幼苗葉綠素b含量下降了11.66%。與CK處理相比,N處理下番茄幼苗總?cè)~綠素含量下降41.93%。與N處理相比,NG處理下番茄幼苗的總?cè)~綠素含量提高了17.1%。GSNO能有效緩解番茄幼苗受到的NaCl脅迫帶來的葉綠素含量降低。圖2

注:A:對(duì)葉綠素a含量的影響;B:對(duì)葉綠素b含量的影響;C:對(duì)總?cè)~綠素含量的影響

2.4 外源GSNO對(duì)NaCl脅迫下番茄幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

研究表明,與CK相比,NaCl脅迫下各處理的最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)均顯著降低,NG處理下番茄幼苗Fv/Fm值降低8.69%,NP處理下番茄幼苗Fv/Fm值降低13.75%。與N處理相比,NG處理下番茄幼苗Fv/Fm值顯著升高4.65%。與NP處理相比,NPG處理下番茄幼苗Fv/Fm值顯著提高。與CK相比,NaCl脅迫下各處理的實(shí)際光化學(xué)效率(YII)均顯著降低,但各處理間的YII值無顯著性差異。與CK處理相比, N、NP和NPG處理下番茄幼苗的光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)均顯著下降,分別下降了20.48%、34.99%和22.30%,NG處理下番茄幼苗qP值無顯著性變化。與N處理相比,NG處理下番茄幼苗qP值提高6.26%,NP處理下番茄幼苗qP值降低18.29%,沒有顯著差異。與CK相比,各處理光合電子傳遞速率(ETR)均降低,其中NP和NPG處理下番茄幼苗ETR值顯著降低,分別為43.25%和29.23%。NaCl脅迫會(huì)破壞番茄幼苗葉片的PSII反應(yīng)中心,GSNO可以緩解這一情況,提高植物最大光化學(xué)效率(Fv/Fm),對(duì)光能利用效率、電子傳遞效率也有提高。圖3

2.5 外源GSNO對(duì)NaCl脅迫下番茄幼苗卡爾文循環(huán)相關(guān)酶活性的影響

研究表明,與CK相比,N處理下番茄幼苗Rubisco初始活性和總活性、RCA、PGK、GAPDH、 SBPase、FBPase和FBA活性均顯著下降;與N處理相比,NG處理下番茄幼苗的Rubisco初始活性和總活性、RCA、PGK、GAPDH、SBPase和FBPase活性均顯著提高,其中FBPase活性提高至CK水平,而FBA活性無顯著性變化。與N處理相比,NP處理下番茄幼苗的Rubisco初始活性、RCA、PGK、GAPDH、FBPase和FBA活性均顯著降低,Rubisco總活性顯著提高,SBPase無顯著性變化;與NP處理相比,NGP處理下番茄幼苗除Rubisco總活性無顯著性變化外,其它酶的活性均顯著提高。鹽脅迫下Rubisco初始活性和總活性、RCA、PGK、GAPDH、SBP、FBP、FBA等卡爾文循環(huán)相關(guān)酶活性均降低,降低了碳同化速率,影響了光合產(chǎn)物的累積,施用外源GSNO可以提高各酶的活性,緩解鹽脅迫對(duì)碳同化速率的抑制作用。施用cPTIO降低番茄幼苗內(nèi)源NO水平可以降低酶活性,加重脅迫程度,施用外源GSNO可以緩解這一情況。表2

注:A:對(duì)最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)的影響;B:對(duì)實(shí)際光化學(xué)效率(YII)的影響;C:對(duì)化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)的影響;D:對(duì)光合電子傳遞速率(ETR)的影響

表2 不同外源GSNO下NaCl脅迫下番茄幼苗卡爾文循環(huán)相關(guān)酶活性變化Table 2 Effects of exogenous GSNO on activities of Calvin cycle related enzymes >in tomato seedlings under NaCl stress

3 討 論

3.1植物在逆境脅迫下各項(xiàng)生理活動(dòng)都會(huì)受到影響,而且很復(fù)雜,但是最直觀的就是植株生長(zhǎng)受到影響[17,18],包括形態(tài)指標(biāo)的增降、生物量累積,根冠比,壯苗指數(shù)的變化等[19,20]。鹽脅迫作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常見的非生物脅迫,能夠明顯抑制植物的生長(zhǎng)[21]。

3.2試驗(yàn)結(jié)果表明 NaCl 脅迫可以顯著抑制番茄幼苗的正常生長(zhǎng)和生物量的積累。NaCl 脅迫下生長(zhǎng)的番茄幼苗高度降低且莖部更加纖細(xì),地上部和地下部的干、鮮重明顯減少,與前人的研究一致[22-23]。根冠比與壯苗指數(shù)也反映了鹽脅迫下番茄幼苗生長(zhǎng)情況變差的情況。而使用GSNO噴施番茄葉片可顯著改善番茄的生長(zhǎng)情況和生物量的累積,壯苗指數(shù)也表明幼苗長(zhǎng)勢(shì)更好,GSNO作為外源NO供體可以緩解NaCl 脅迫給植物生長(zhǎng)帶來的壓力。試驗(yàn)中NaCl 脅迫下葉片氣孔數(shù)目的減少也降低了植物氣體交換的程度,與溫澤林試驗(yàn)后期的番茄幼苗表現(xiàn)一致[22]。根系的生長(zhǎng)也明顯受到了NaCl脅迫的抑制,根長(zhǎng)、根表面積和根體積均不同程度下降。而使用GSNO后,NG處理下番茄幼苗根長(zhǎng)明顯提高,GSNO在緩解根系NaCl脅迫中作用明顯,與張靜[23]研究一致。楊小環(huán)[24]和牛麗娟[25]等也發(fā)現(xiàn)了NO在緩解黃瓜根脅迫的過程中作用巨大。試驗(yàn)中,外源GSNO施用下根系面積和體積并沒有得到相應(yīng)的提高,可能是因?yàn)楦到M織的細(xì)胞分裂旺盛但是不能正常生長(zhǎng),尚需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.3NaCl 脅迫下番茄幼苗Fv/Fm、YII和qP值顯著降低,ETR數(shù)值上也所下降,PSII反應(yīng)中心受到明顯傷害,施用GSNO可提高Fv/Fm,GSNO對(duì)PSII反應(yīng)中心起到了保護(hù)作用,對(duì)反應(yīng)中心的工作有積極幫助。施用cPTIO后,脅迫程度加重,番茄幼苗各項(xiàng)熒光參數(shù)較NaCl脅迫的幼苗均下降,施用GSNO可以緩解這一情況。NaCl脅迫下番茄幼苗Rubiso活性降低,直接影響卡爾文循環(huán)的速度[26],另外幾種關(guān)鍵酶活性也顯著降低,在各個(gè)環(huán)節(jié)都限制了卡爾文循環(huán)的進(jìn)行,影響碳同化與光合產(chǎn)物累積。施用GSNO顯著提高了各酶的活性,能夠促進(jìn)了光合產(chǎn)物的累積,供給生長(zhǎng)發(fā)育。施用cPTIO后,脅迫程度加重,番茄幼苗卡爾文循環(huán)上各酶活性較NaCl脅迫的幼苗均下降,施用GSNO可以緩解這一情況。

4 結(jié) 論

4.1外源GSNO可緩解NaCl脅迫下番茄幼苗長(zhǎng)生不良的情況,促進(jìn)生物量累積,提高番茄幼苗質(zhì)量。

4.2外源GSNO可緩解NaCl脅迫下番茄幼苗葉片氣孔減少、根系生長(zhǎng)受限的情況,促使葉片恢復(fù)正常氣孔數(shù)目,促進(jìn)幼苗根部伸長(zhǎng)。

4.3外源GSNO可緩解NaCl脅迫下番茄幼苗葉片葉綠素減少的情況,減輕NaCl脅迫對(duì)番茄幼苗PSII反應(yīng)中心的破壞程度,保障光合作用。

4.4外源GSNO可緩解NaCl脅迫下番茄幼苗Rubisco、RCA、PGK、GAPDH、SBPase和FBPase等卡爾文循環(huán)相關(guān)酶的活性下降的情況,緩解鹽脅迫對(duì)碳同化速率的抑制。外源GSNO對(duì)內(nèi)源NO水平降低造成的酶活性下降的情況,有顯著緩解效果。