2,4-表蕓苔素內酯浸種對干旱脅迫下大麥種子萌發及幼苗生理特性的影響

馮彩軍,宋瑞嬌,宋凌宇,張 松,齊軍倉

(石河子大學農學院/新疆生產建設兵團綠洲生態農業重點實驗室, 新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意義】氣候變化和干旱期增加等諸多因素導致大麥的產量下降[1]。干旱脅迫限制了酶活性、葉片發育、使離子吸收中斷,并最終影響作物生產力[2]。近年來,外源性生長調節劑的應用已經成為在非生物脅迫下提高作物生產力的一種實用策略[3,4,5]。蕓苔素內酯又稱油菜素內酯(Brassinolide,BL),作為油菜素甾醇類成員中生物活性最強的一種分子,是植物體內一種天然的植物激素[6]。雖然對蕓苔素內酯在緩解干旱脅迫及內在機理等方面做了較多研究,但蕓苔素內酯的施用效果因作物種類、施用方式、施用時間的不同而表現出較大的差異[7]。蕓苔素內酯提高作物抗旱能力的作用機制還需要進一步研究。種子萌發和早期幼苗階段是對環境脅迫最為敏感的時期,對植物的生長發育至關重要,研究植物在該階段的抗旱性具有重要意義。研究蕓苔素內酯對干旱脅迫下大麥種子萌發的影響,不僅可為蕓苔素內酯的生物學效應增添實驗依據,也可為大麥種子播前處理和大麥生產提供理論指導。【前人研究進展】在鹽溶液中添加2,4-表蕓苔素內酯和2,8-高蕓苔素內酯后浸種,不僅能顯著降低鹽分對水稻種子萌發的抑制作用,還促進了鹽脅迫下幼苗的早期生長[8]。外源蕓苔素內酯處理能提高可溶性糖、脯氨酸、總游離氨基酸、可溶性酚類等的含量,改善干旱脅迫下棉花的生長發育和產量性狀[9]?！颈狙芯壳腥朦c】在大麥中,研究外源應用蕓苔素內酯的報道比較少,且最適濃度的蕓苔素內酯處理是否能夠誘導大麥根和幼芽的生理生化物質變化以適應干旱的機制也并不清楚。需研究不同濃度蕓苔素內酯溶液對干旱脅迫下大麥種子萌發及幼苗生長的影響?！緮M解決的關鍵問題】選用23%濃度的聚乙二醇-6000溶液模擬干旱脅迫,研究干旱脅迫處理下蕓苔素內酯對第7 d大麥幼苗的芽和根中相對含水量、滲透調節物質含量以及抗氧化酶活性的影響,并結合大麥種子萌發和幼苗生長指標,評價外源蕓苔素內酯對大麥種子萌發和幼苗耐旱性的影響,分析外源施用蕓苔素內酯的最佳濃度范圍。

1 材料與方法

1.1 材 料

選擇粒大飽滿、均勻一致的新啤6號大麥種子,2,4-表蕓苔素內酯可溶液劑(有效成分含量0.01%)。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

采用單因素隨機區組設計(Single factor randomized block),分別用蒸餾水和不同濃度的蕓苔素內酯溶液對大麥種子進行浸種處理,在選定的半致死濃度聚乙二醇-6000溶液中催芽培養,共設置7組處理,每組設3次重復。

1.2.2 發芽試驗

采用PEG-6000溶液模擬干旱脅迫, 用10% NaClO溶液對供試大麥種子消毒10 min,蒸餾水洗凈后將其避光浸于蒸餾水中靜置24 h。之后將種子每50粒轉移至鋪設4層濾紙并含有40 mL不同濃度(0%、10%、20%、21%、22%、23%、24%)的聚乙二醇-6000的發芽盒中,并在第7 d統計發芽率,確定大麥種子萌發的半致死聚乙二醇-6000溶液濃度。

選取大小均勻、籽粒飽滿的大麥種子,用10% NaClO 溶液消毒10 min后,將其在已設定好的6種濃度(0、5、25、50、100、200 μg/L)蕓苔素內酯溶液中浸種處理24 h,期間隔12 h換1次新鮮的蕓苔素內酯溶液。將處理過的大麥種子整齊地擺放到含40 ml的23% 聚乙二醇溶液或蒸餾水(CK)的發芽盒中,每盒擺放50 粒種子。期間,所有發芽盒放置在GZP-250A型智能人工氣候培養箱(南京恒裕電子儀器廠)中,培養溫度為25℃,光照時間為12 h。

1.2.3 測定指標

1.2.3.1 萌發指標及干鮮重

當胚根出現并延長至少2 mm時,每天記錄發芽的種子數量,直到第7 d統計并計算相關種子萌發指標(發芽率、發芽勢、發芽指數)。

發芽率=7 d內能正常發芽的種子數/供試種子總數×100%;

發芽勢=發芽高峰時期的發芽種子數/供試種子總數×100%;

發芽指數=∑(Gt/Dt)(Gt是第t天的發芽數,Dt為相應的發芽時間)。

在萌發第7 d,選擇20 株大麥幼苗測定幼芽干、鮮重和根干、鮮重以及對應的相對含水量(相對含水量=(FW-DW)/(SFW-DW)×100%;(FW:鮮重;DW:干重,材料高溫殺青(108℃下烘30 min)后80℃烘干至恒重所得;SFW:飽和鮮重,材料常溫蒸餾水浸泡至恒重所得)。

1.2.3.2 生理指標

取萌發7 d的大麥幼苗的根和芽部分,分別測定各生理指標。相對電導率測定用電導儀法[10]測定;丙二醛含量用硫代巴比妥酸比色法[10]測定;可溶性糖含量采用蒽酮比色法[11]測定;脯氨酸含量通過磺基水楊酸法[11]測定。超氧化物歧化酶活性用南京建成生物試劑盒(BC0170 )測定;過氧化物酶和過氧化氫酶活性按Maehly和Chance[12]方法測定。

1.3 數據處理

使用SPSS 25.0軟件進行統計分析;用Duncan法進行多重比較,顯著性差異水平為P<0.05;采用Microsoft Excel 2010繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫下不同濃度蕓苔素內酯浸種對大麥種子萌發的影響

研究表明,種子的發芽率和發芽勢均隨著聚乙二醇-6000濃度的升高,逐漸降低。當聚乙二醇-6000濃度達到22%時,種子的發芽率和發芽勢均被顯著抑制;當脅迫濃度達到25%后,種子發芽率低于10%,萌發進程幾乎被完全抑制。只有在聚乙二醇-6000濃度為23%時,大麥種子發芽率約為對照的一半,達到半致死效果。圖1

相比正常條件(CK),干旱脅迫使大麥種子的發芽率、發芽勢和發芽指數均顯著降低。在干旱脅迫條件下,將大麥種子進行蕓苔素內酯溶液浸種處理,尤其是以5和25 μg/L的濃度處理,可顯著提高大麥種子的發芽率,在發芽勢和發芽指數上也觀察到相似的提升作用,與只接受干旱脅迫處理(0 μg/L)相比,2種濃度蕓苔素內酯處理下的大麥種子,其發芽率、發芽勢和發芽指數分別提高了34.23%、65.74%、25.80%和45.45%、31.82%、47.70%。當蕓苔素內酯溶液處理的濃度較高(如200 μg/L)時,開始出現抑制效果,發芽率和發芽勢均顯著降低,分別比僅干旱脅迫處理降低了21.92%、51.50%。蕓苔素內酯溶液處理對大麥種子的萌發,呈低濃度促進,較高濃度抑制的趨勢,且以5和25 μg/L蕓苔素內酯溶液處理效果最好。表1

圖1 不同濃度聚乙二醇-6000處理下大麥種子發芽勢和發芽率變化

2.2 不同濃度蕓苔素內酯對大麥種子幼苗生物量的影響

研究表明,干旱脅迫處理下,大麥幼苗的生長受到抑制,生物量顯著降低。幼芽的干、鮮重比CK降低了68.69%和86.11%,根的干、鮮重比CK降低了44.74%和60.98%。相比于僅干旱脅迫處理(0 μg/L)下的大麥種子,經25 μg/L的蕓苔素內酯溶液浸種處理后,其根和芽的干重均顯著增高。隨著蕓苔素內酯溶液濃度的增加,在較高濃度蕓苔素內酯溶液濃度(200 μg/L)處理下,出現抑制效果,生物量顯著減少,與僅接受干旱脅迫處理(0 μg/L)的植物相比,根和芽的干重分別減少了10.07%和12.57%。在不同處理下,根冠比也發生了顯著變化。與正常條件相比,干旱脅迫處理下的根冠比顯著增加,而用蕓苔素內酯溶液浸種處理后,除了200 μg/L外,根冠比均表現不同程度的降低。表2

表2 不同濃度蕓苔素內酯下大麥幼苗生物量變化Table 2 Effect of different BL concentration on barley seedling biomass under drought stress

2.3 不同濃度蕓苔素內酯對大麥根和芽中相對含水量、電導率以及丙二醛含量的影響

研究表明,干旱脅迫處理下,大麥種子根和芽中的相對含水量相比于正常條件(CK)顯著降低,而電導率和丙二醛含量則顯著升高。與僅干旱脅迫(0 μg/L)相比,5、25 μg/L的蕓苔素內酯溶液浸種處理下,大麥種子根和芽中的相對含水量均明顯升高,而其余濃度的蕓苔素內酯處理下,則只對根或芽的其中一部分表現促進作用。不同濃度蕓苔素內酯溶液浸種處理,使干旱脅迫下大麥種子幼根和芽中的電導率顯著降低,其中以25 μg/L的蕓苔素內酯溶液浸種處理降低效果最為明顯。蕓苔素內酯溶液浸種處理后,根和芽中的丙二醛含量均顯著降低,其中,在根中以50 μg/L和芽中以25 μg/L的蕓苔素內酯溶液浸種處理降低效果最為明顯,相比僅干旱脅迫處理,分別降低了38.86%和19.53%。在較高蕓苔素內酯溶液濃度(200 μg/L)處理下,相對電導率和丙二醛含量也比僅干旱脅迫處理相比顯著降低。圖2

圖2 不同濃度蕓苔素內酯的干旱脅迫下大麥根和芽中相對含水量、電導率以及丙二醛含量變化

2.4 不同濃度蕓苔素內酯對大麥根和芽中脯氨酸和可溶性糖含量的影響

研究表明,與正常條件(CK)相比,在干旱脅迫處理下,可溶性糖含量明顯增加,且幼芽內的可溶性糖含量明顯高于根。僅干旱脅迫處理的根和芽中的可溶性糖含量比CK分別增加了1.30和2.34倍,施用5、25 μg/L的蕓苔素內酯溶液的植物與僅受干旱脅迫的植物相比,芽的可溶性糖含量顯著提高,分別提高了11.27%和12.53%。在根部,除5 μg/L處理外,施用蕓苔素內酯溶液均可使干旱脅迫下可溶性糖含量顯著增加。與CK相比,大麥幼苗中的游離脯氨酸水平在干旱脅迫下顯著增加,且幼芽內的游離脯氨酸含量明顯高于根。蕓苔素內酯處理下,幼根和芽中的游離脯氨酸含量均可達到或超過僅干旱脅迫處理(0 μg/L)下的水平。在25 μg/L 蕓苔素內酯處理植物的根和芽中最高的游離脯氨酸水平,比單獨干旱脅迫處理高35.06%和20.63%。圖3

圖3 不同濃度蕓苔素內酯對干旱脅迫下大麥根和芽中可溶性糖和游離脯氨酸含量變化

2.5 不同濃度蕓苔素內酯對大麥根和芽中抗氧化酶活性的影響

研究表明,在干旱脅迫下大麥種子根和芽中過氧化氫酶、過氧化物酶以及超氧化物歧化酶活性均高于CK,且差異顯著。5 、25及 50 μg/L的蕓苔素內酯溶液處理下大麥種子根和芽中的過氧化氫酶活性均高于僅干旱脅迫(0 μg/L)處理,且均達到顯著水平,在根和芽中分別比僅干旱脅迫處理提高了55.61%、69.02%、44.88%和28.29%、38.26%、26.63%,較高濃度處理則與CK無顯著性差異。與僅干旱脅迫處理相比,25 μg/L的蕓苔素內酯溶液處理使大麥種子芽中的過氧化物酶活性顯著提高,50 μg/L濃度下顯著降低,其余濃度處理無顯著變化。根內,除5 μg/L處理組外,不同濃度蕓苔素內酯溶液處理使干旱脅迫下過氧化物酶活性表現出逐步提高的作用,且達到顯著水平。與僅干旱脅迫處理相比,5 和25 μg/L的蕓苔素內酯溶液處理均可使大麥種子根和芽中的超氧化物歧化酶活性顯著提高,芽中,200 μg/L的蕓苔素內酯溶液處理使干旱脅迫下大麥芽中的超氧化物歧化酶活性顯著降低,比僅干旱脅迫處理低14.47%。圖4

圖4 不同濃度蕓苔素內酯對干旱脅迫下大麥根和芽中抗氧化酶活性變化

3 討 論

雖然聚乙二醇-6000溶液處理模擬干旱脅迫已經非常普遍,但不同大麥品種抵抗聚乙二醇脅迫的差異比較大[13]。研究通過設定不同濃度的聚乙二醇-6000溶液處理新啤6號大麥種子,發現該大麥品種對聚乙二醇脅迫有相對較強的耐性,當聚乙二醇-6000溶液的處理濃度達到23%時才能達到半致死脅迫濃度。研究發現,適宜濃度蕓苔素內酯溶液浸種可緩解干旱脅迫對大麥種子萌發的抑制。當浸種濃度為5、25、50 μg/L時,對種子發芽率和發芽勢均有顯著提升作用,而在較高濃度(200 μg/L)下,則表現出顯著的抑制作用,與蕓苔素內酯在水稻、燕麥等植物中緩解各種非生物脅迫拮抗的結果相類似[8,14,15]。

生物量是植物體內新陳代謝變化的外部指標,干旱脅迫引發的水分失衡,會使不同器官和組織間的水分分配發生變化,而地上部分和地下部分的生物量也會隨之變化[2]。研究證實,23%的聚乙二醇模擬的干旱脅迫會導致植株地上和地下部分的生物量顯著減少,且根冠比相比正常條件下生長的幼苗顯著增加。Janeczko等[16]的研究發現,在正常條件下,高濃度(2.0 μM,約為961.36 μg/L)的2,4-表油菜素內酯浸種處理對小麥葉片和根系的生長以及植株上部的鮮重都有負面影響,而0.1 μM(約為48.07 μg/L)的濃度則促進了小麥葉片和根系的干物質積累,類似的發現也得到了Talaat等[17]和Wang等[18]的支持。研究發現適宜濃度的蕓苔素內酯溶液浸種處理會促進大麥種子幼芽和根的生長,尤其是在25 μg/L處理下,芽和根的干、鮮重均顯著增加。

植物水分虧缺的程度可以通過測量植物組織的水勢和相對含水量來判斷。此外,丙二醛是植物細胞膜脂過氧化傷害的主要產物之一,其含量通常用于評價膜脂過氧化程度。研究證實,相比于正常條件(CK),干旱處理明顯降低了大麥種子根和芽中的相對含水量,并提高了相對電導率和丙二醛含量。適宜濃度的蕓苔素內酯溶液可使干旱脅迫下大麥種子根和芽中的相對含水量顯著提高,并降低相對電導率和丙二醛含量,與Hosseinpour等[19]的研究結果相符。

聚乙二醇-6000溶液處理引發的滲透脅迫,會使植物細胞吸水困難,甚者會使細胞大量失水,直至萎蔫,為了防止水分進一步流失,植物將通過產生更多諸如糖類和脯氨酸等滲透調節物質來降低水勢,維持植物滲透穩態,提供植物耐旱性[20]。研究不僅證實了干旱脅迫下大麥幼苗中滲透調節物質(脯氨酸、可溶性糖)的產生和積累增加,而且發現適宜濃度的蕓苔素內酯溶液浸種會使干旱脅迫條件下培養的大麥根和芽中的脯氨酸、可溶性糖含量有所提高。芽中可溶性糖含量以25 μg/L處理下的提升效果最為明顯,而根部,以100和200 μg/L處理后的可溶性糖含量最高,這可能與較高濃度的蕓苔素內酯處理明顯抑制了根系發育有關。而脯氨酸含量在5和25 μg/L的蕓苔素內酯處理下,在根和芽中的含量均顯著高于僅干旱脅迫處理。Khan等[21]的研究表明,葉面噴施油菜素內酯,可使干旱條件下小麥中脯氨酸,可溶性糖、可溶性蛋白的含量顯著改善。外源蕓苔素內酯可以調控大麥幼苗體內脯氨酸和可溶性糖的變化,通過增加脯氨酸和可溶性糖的積累,提高滲透調節能力,調節細胞的滲透勢,維持水分平衡,增強細胞代謝活力,提高大麥在萌發期的耐旱性。

應對氧化應激并增強對有害活性氧的清除,植物的內部抗氧化系統被激活,過氧化氫酶、過氧化物酶和超氧化物歧化酶就屬于這一系統中的關鍵酶[22]。過氧化物酶和過氧化氫酶能清除植物體內累積的過氧化氫。在嚴重干旱脅迫條件下,噴施油菜素內酯可提高紫松果菊(Echinaceapurpurea)葉片中過氧化氫酶和過氧化物酶活性[19]。試驗發現,干旱脅迫能顯著提高大麥幼芽和根系的過氧化氫酶、過氧化物酶活性,25 μg/L的蕓苔素內酯溶液處理可顯著提升干旱脅迫下大麥根和芽中過氧化氫酶的活性,對芽中的過氧化物酶也是如此,而在根中過氧化物酶活性則表現出隨著蕓苔素內酯濃度的升高而逐漸升高的趨勢。超氧化物歧化酶被描述為抵御活性氧的第一道防線,在不同類型的脅迫下,其活性的上升已被廣泛報道。Surgun-Acara等[23]的研究表明,油菜素內酯處理增強了對砷脅迫下擬南芥中超氧化物歧化酶的活性。Wang等[18]的研究發現,1 μM油菜素內酯處理明顯提高了干旱脅迫后桃葉的超氧化物歧化酶等酶的活性,緩解了干旱對桃葉的傷害。研究結果表明,與僅干旱脅迫相比,蕓苔素內酯溶液處理也導致了更高的超氧化物歧化酶活性。適宜濃度的蕓苔素內酯能提高大麥種子芽和根中過氧化氫酶、過氧化物酶和超氧化物歧化酶活性,與Talaat等[17]在玉米中所得結果相一致。

4 結 論

較高濃度(23%)的聚乙二醇-6000溶液顯著抑制了大麥種子的萌發和幼苗的生長。適宜濃度的蕓苔素內酯溶液浸種處理不僅對干旱脅迫下大麥種子的萌發指標表現出促進作用,還提高了大麥種子根和芽中的相對含水量,增加了脯氨酸和可溶性糖含量,提高了大麥幼苗的滲透調節能力,提高了抗氧化酶活性;減少膜損傷和維持膜的結構和穩定性來降低丙二醛含量,提高了大麥對干旱脅迫的耐受性,增加了地上部和根系的生物量。適宜濃度的蕓苔素內酯溶液浸種對大麥種子萌發表現促進作用,蕓苔素內酯可作為一種外源植物激素用于緩解干旱脅迫對早期大麥幼苗的損傷。