外源水楊酸對低溫脅迫下谷子幼苗生長的影響

閆 鋒

(黑龍江省農業科學院齊齊哈爾分院,黑龍江齊齊哈爾 161006)

谷子是一種起源于我國的古老糧食作物,在我國已經有8 000年左右的種植歷史,對我國北方旱作農耕文明影響深遠[1]。谷子具有適應性廣、耐瘠薄等特點,是典型的環境友好型作物,也是一種重要的戰略儲備作物[2-3]。黑龍江地處高緯度,由于獨特的地理環境導致春季氣溫變化大,倒春寒頻發[4-5],低溫冷害已成為導致谷子產量低且品質差的主要原因,如何緩解春季低溫對谷子幼苗的傷害是谷子生產中亟待解決的問題。因此,研究谷子苗期耐低溫機制及栽培技術,提高谷子苗期耐低溫能力,對該地區谷子的生產具有重要意義。低溫可抑制植物細胞代謝,從而使活性氧自由基(ROS)大量積累,加劇細胞膜脂過氧化損傷[6-7]。植物內源激素可以調控植物的生長及對逆境的應答[8],水楊酸作為一種廣泛存在于植物組織中的內源激素,在植物的抗寒、抗旱、鹽脅迫、重金屬脅迫等非生物脅迫方面起著重要的調節作用[9]。外源激素通過改變內源激素水平調節植物生理代謝,利用外源激素對作物預先處理,被廣泛利用于作物抗逆栽培中[10]。

前人研究發現,可以通過增加水楊酸在細胞中的含量,促進植物在低溫逆境中的光合作用,進而提高植物葉片的光合效率[11-13];提高抗氧化酶活性,減緩細胞膜脂過氧化作用,穩定膜的結構與功能,增強細胞膜的抗逆能力,以適應低溫逆境的變化[14-16];提高脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖等滲透調節物質的含量,抵御低溫冷害[17-19]。雖然前人關于水楊酸對緩解低溫脅迫作用的機制做了大量研究,但關于谷子方面的研究仍鮮見報道。本試驗在前期研究的基礎上,以冷敏感品種魯谷7號為試材,探討不同濃度外源水楊酸對谷子遭受低溫冷害的緩解作用,并明確其調控作用,篩選出最適外源水楊酸濃度,以期為研究水楊酸緩解谷子低溫冷害的作用機制提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

選用前期試驗篩選出的冷敏感谷子品種魯谷7號為研究材料,該材料由中國農業科學院作物科學研究所陸平研究員提供。水楊酸購自天津市致遠化學試劑有限公司。

1.2 試驗設計

試驗于2022年春季在黑龍江省農業科學院齊齊哈爾分院實驗室進行,將種子浸入溫水中催芽 12 h,露白后每個處理挑取100粒飽滿、均勻一致的種子播種于小塑料盆中(每盆播種5粒,20盆作為1個處理),待谷苗長到3葉1心時,用濃度為0(T0)、50(T1)、100(T2)、150(T3)、200 mg/L(T4)的水楊酸溶液對谷子幼苗葉片進行葉面噴施處理,施藥處理后2 d將谷子幼苗放入人工氣候箱進行低溫處理,脅迫溫度為12 ℃/6 ℃ (晝12 h/夜12 h),以 25 ℃ 噴施清水為對照,每個處理設3次重復,處理時間為7 d。

1.3 測定項目與方法

低溫脅迫7 d時從各處理隨機選取10株谷苗進行根長、葉長(頂二葉)、苗鮮質量(地上部)等相關形態指標的測定。低溫脅迫處理0、3、5、7 d時,從各處理隨機選取5株葉片剪碎混合后進行相關生理生化指標的測定,分別參照劉萍等的方法采用酸性茚三酮法測定脯氨酸含量,采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛(MDA)含量,采用氮藍四唑法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性,采用愈創木酚法測定過氧化物酶(POD)活性[20]。低溫脅迫處理0、3、5、7 d時,從各處理隨機選取5株,使用CI-340型光合作用測定儀測定谷子倒二葉中部位置的蒸騰速率、凈光合速率、氣孔導度。

1.4 數據處理與分析

采用SPSS 20.0進行顯著性分析,用Excel 2019軟件進行數據統計和作圖。

2 結果與分析

2.1 外源水楊酸對低溫脅迫下谷子幼苗生長的影響

由表1可知,低溫脅迫處理7 d時除了T2處理下苗鮮質量與對照差異不顯著外,其余各處理下谷子幼苗的根長、葉長及苗鮮質量均顯著低于對照。不同水楊酸濃度處理下谷子幼苗的根長、葉長及苗鮮質量均高于T0處理,隨著水楊酸溶液濃度上升,谷子幼苗各形態指標呈先上升后下降的變化規律,說明一定濃度范圍內的外源水楊酸可以緩解低溫冷害對谷子幼苗造成的傷害,但隨著濃度的增加緩解作用逐漸減弱。所有水楊酸處理中以T2處理下谷子幼苗的根長、葉長及苗鮮質量最大,比T0處理分別增加了26.56%、29.76%、36.36%,說明T2處理下低溫對谷子生長的抑制作用最小。

表1 外源水楊酸處理對低溫脅迫7 d 后谷子幼苗生長的影響

2.2 外源水楊酸對低溫脅迫下谷子幼苗光合指標的影響

2.2.1 水楊酸對低溫脅迫下谷子幼苗氣孔導度的影響 由圖1可知,脅迫0 d時各處理間氣孔導度差異不顯著,處理3、5、7 d時各處理氣孔導度均顯著低于對照,隨著脅迫時間延長谷子幼苗的氣孔導度呈逐漸降低的變化趨勢,且均在處理7 d時達到最低,說明低溫脅迫逐漸加重。除脅迫0 d外,各水楊酸濃度處理下的氣孔導度均高于T0處理,且差異性顯著,隨著水楊酸處理濃度增加,谷子幼苗的氣孔導度表現為先上升后下降。在脅迫3、5、7 d時,除對照和T0處理外,以T2處理下氣孔導度最高,T4處理最低,其中T2 處理的氣孔導度均顯著高于其他噴施處理,緩解低溫脅迫效果最好。

2.2.2 水楊酸對低溫脅迫下谷子幼苗蒸騰速率的影響 由圖2可知,脅迫0 d時各處理的蒸騰速率與對照差異不顯著,隨著脅迫時間延長谷子幼苗葉片的蒸騰速率逐漸下降,且均在處理7 d時達到最低,與對照相比均顯著降低,說明低溫脅迫逐漸加重。隨著水楊酸處理濃度增加,谷子幼苗葉片的蒸騰速率先上升后下降,T2處理下的蒸騰速率最高,在脅迫3、5、7 d時比T0處理分別高22.86%、21.21%、34.48%。

2.2.3 水楊酸對低溫脅迫下谷子幼苗凈光合速率的影響 由圖3可知,脅迫0 d時各處理與對照凈光合速率差異不顯著,隨著脅迫時間的延長,各處理谷子幼苗的凈光合速率逐漸降低,且均在脅迫7 d時達到最低,各處理均與對照差異顯著,說明低溫脅迫作用逐漸加重。水楊酸處理組在脅迫5、7 d時的凈光合速率均顯著高于T0處理,隨著水楊酸處理濃度增加,凈光合速率先上升后下降,說明一定濃度的水楊酸溶液能緩解低溫脅迫對光合作用的抑制。在脅迫3、5、7 d時,除對照和T0處理外,均以T2處理下凈光合速率最高,T4 處理最低,其T2處理的凈光合速率比T0處理分別高34.96%、50.96%、71.76%。

2.3 外源水楊酸對低溫脅迫下谷子幼苗生理指標的影響

2.3.1 對滲透調節物質含量的影響 由圖4可知,低溫脅迫0 d時各處理與對照脯氨酸含量差異不顯著;在脅迫3、5、7 d時,除脅迫7 d的T0處理外,其余各處理的脯氨酸含量均顯著高于對照,隨著脅迫時間的推移谷子幼苗中脯氨酸含量均表現為先上升后下降,在脅迫5 d時達到最高。與對照和T0處理相比,噴施不同濃度水楊酸溶液均可使脯氨酸含量顯著升高,表明在低溫脅迫下谷子葉片內部迅速合成脯氨酸,且經過水楊酸處理可顯著提高脯氨酸含量,緩解了低溫對谷子幼苗的傷害。所有處理中,T1和T4處理在低溫脅迫3、5、7 d時差異均不顯著,T1和T3處理在脅迫7 d時差異不顯著。低溫脅迫3、5、7 d時,均以T2處理下脯氨酸含量最高,比T0處理分別高66.10%、93.50%、129.77%。

2.3.2 對膜脂過氧化程度的影響 由圖5可知,低溫脅迫3、5、7 d時,各處理MDA含量均與對照差異顯著,隨著脅迫時間的推移,谷子幼苗葉片中的MDA含量逐漸上升,并在脅迫7 d時達到最高。隨著水楊酸處理濃度增加,谷子幼苗葉片中MDA含量先下降后上升,與T0相比,除了T4處理在低溫脅迫7 d外,其余處理均可使MDA含量顯著降低;所有處理中,T3和T4處理在低溫脅迫3、5、7 d時差異均不顯著,T1、T3、T4處理在脅迫3 d時差異不顯著,T1、T3處理在脅迫5 d時差異不顯著。低溫脅迫3、5、7 d時,除對照處理外,均以T2處理下MDA含量最低,在脅迫3、5、7 d時T2比T0處理分別降低24.07%、33.08%、33.28%。

2.3.3 對抗氧化酶活性的影響 由圖6可知,低溫脅迫0 d時各處理與對照SOD、POD活性差異均不顯著,隨著脅迫時間推移,SOD與POD活性均表現為先上升后下降,各處理的SOD與POD活性均在脅迫5 d時達到最高且與對照差異顯著。不同濃度水楊酸處理下的SOD與POD活性差異顯著性有所不同,在脅迫3 d時,T0處理的POD活性與T1、T3、T4處理差異不顯著,在脅迫5、7 d時,T0處理的POD活性與T4處理差異不顯著,在脅迫3、5、7 d時T0處理的SOD活性與其余各處理均差異顯著。在脅迫3、5、7 d時,均以T2處理的抗氧化酶活性最高。

3 討論

3.1 水楊酸對低溫脅迫下谷子幼苗生長的影響

水楊酸可提高植物對多種生物脅迫及非生物脅迫的抵抗能力[21]。李穎等的研究表明,低濃度水楊酸處理可以有效緩解低溫對扁蓿豆發芽、幼苗生長的抑制作用[22]。張榮萍研究認為,水楊酸預處理可使巨胚稻幼苗抗寒性提高,對幼苗地上部分和根系生長具有一定的促進作用[23]。本研究表明,在低溫脅迫7 d后,除T2處理下苗鮮質量與對照差異不顯著外,其余各處理在低溫脅迫后谷子幼苗的根長、葉長、苗鮮質量均低于對照,說明低溫對谷子幼苗生長具有顯著的抑制作用。谷子幼苗根長、葉長及苗鮮質量隨著水楊酸處理濃度的增加表現為先上升后下降,說明一定濃度范圍內外源水楊酸處理可以有效緩解低溫對谷子幼苗的脅迫,但隨著濃度的增加緩解作用逐漸減弱,呈現出一定的劑量效應,這與王星劍等的研究結果[24]一致。

3.2 水楊酸對低溫脅迫下谷子幼苗光合指標的影響

對植物光合作用以及植物內部光合原件進行研究,發現低溫脅迫影響植物生長,并直接影響內部光合原件的結構與活性,間接影響光合作用,光合作用的強弱也可以通過光合參數反映出來。楊樸麗等研究認為,諾麗幼苗遭遇低溫冷害后,其葉片各項光合指標與對照相比顯著降低[25]。孫玉珺等對玉米的研究表明,外源水楊酸能提高低溫脅迫下玉米幼苗的凈光合速率[26]。本研究表明,除脅迫0 d外,經低溫脅迫處理后谷子幼苗的各項光合指標均顯著低于對照,噴施不同濃度水楊酸溶液后,T1～T4處理各光合指標均高于T0處理,說明一定濃度范圍內的水楊酸溶液能緩解低溫脅迫下谷子幼苗光合指標的降低,該結果與周艷麗等對甜瓜的研究結果[11]相一致。

3.3 水楊酸對低溫脅迫下谷子幼苗細胞膜的影響

低溫脅迫下植物細胞膜會發生各種膜脂過氧化反應,導致細胞 MDA 含量增加[27]。辛慧慧等研究發現,棉花幼苗經過低溫脅迫后,葉片中MDA含量與對照相比顯著增加,施用外源水楊酸后,丙二醛的產生受到抑制[28]。本研究表明,各水楊酸濃度處理的谷子幼苗經低溫處理后,在脅迫3、5、7 d時,葉片中MDA含量均低于T0處理,這與前人的研究結果相一致。產生這一現象的原因可能是低溫脅迫導致谷子幼苗細胞膜脂過氧化,促進了丙二醛的大量產生,外源水楊酸的施用保護了細胞膜的穩定性,維持了細胞結構的完整性。研究表明,植物細胞內的脯氨酸在植物受到低溫脅迫時參與抵御作用,脯氨酸含量的增加可以在一定程度上維持細胞膜的滲透勢,保持水分平衡[29]。本研究表明,與對照相比,除脅迫0 d外,低溫脅迫下不同水楊酸濃度處理均能提高脯氨酸含量,隨著時間推移脯氨酸含量均表現為先上升后下降,這可能與谷子葉片逐漸適應低溫環境有關。

3.4 外源水楊酸對低溫脅迫下谷子幼苗抗氧化系統的影響

植物在受到低溫脅迫時,細胞中的活性氧自由基大量積累,造成細胞損傷,植物可以通過 SOD、POD和 CAT 三者協同作用清除大量自由基,從而使細胞內氧自由基維持在較低水平[30]。本試驗結果表明,除脅迫0 d外,各水楊酸處理能夠顯著提高低溫脅迫下谷子葉片的 SOD、POD活性,且抗氧化酶活性隨水楊酸濃度增加呈現先上升后下降的趨勢。這與秦文斌等的研究結果[31-32]一致,說明適宜濃度外源水楊酸的施用能夠提高低溫脅迫下谷子幼苗的抗氧化酶活性,維持谷子幼苗對抗活性氧自由基的能力,緩解低溫帶來的過氧化傷害,提高幼苗對低溫的適應能力。

4 結論

低溫脅迫處理7 d時除了T2處理下苗鮮質量與對照差異不顯著外,其余各處理下谷子幼苗的根長、葉長及苗鮮質量均顯著低于對照。除脅迫0 d外,隨著脅迫時間推移谷子幼苗中脯氨酸含量均表現為先上升后下降;MDA含量表現為持續升高;抗氧化酶SOD、POD活性均較對照顯著增強,且均表現為先上升后下降的變化趨勢;各光合指標均顯著低于對照,且隨著時間推移各光合指標持續降低。除脅迫0 d外,與T0處理相比,T1～T4處理下的MDA含量均降低,根長、葉長、苗鮮質量及脯氨酸含量升高,抗氧化酶活性增強,以100 mg/L水楊酸處理對谷子幼苗低溫脅迫的緩解效果最好。