外源DA-6調控干旱脅迫下棉花種子萌發的生理機制

婁 慧, 朱金成, 楊若歡, 李志博, 張 薇

(石河子大學農學院,新疆石河子 832000)

棉花是我國重要的的經濟作物,是天然植物纖維的主要來源。新疆是我國最大的植棉地區,經統計部門數據表明,2021年新疆棉花播種面積達 250.62萬hm2,占全國棉花種植面積的82.76%;已連續25年保持單產、總產和調出量全國第一[1]。植物在整個生育期中,會受到各種生物和非生物脅迫的影響,如蟲害、病害、鹽堿、干旱等。其中,干旱對植物的影響很大[2]。試驗表明,供水不足時會引起植物體內的水分和內源激素間平衡紊亂,導致氧化傷害以及細胞膜、蛋白質的損傷,嚴重影響作物生長及生理代謝功能。長時間的水分缺失則會嚴重影響植物生長,使其株高矮小和生物量減少,甚至死亡[3]。新疆是典型的干旱、半干旱地區,干旱脅迫是影響新疆棉花產量穩定的關鍵限制要素之一。因此,明確干旱脅迫對棉花種子萌發的影響,探尋運用植物生長調節劑提高棉花的耐旱性,對提升棉花的產量及品質,促進新疆棉花長期發展具有重大意義。

己酸二乙氨基乙醇酯(diethyl aminoethyl hexanoate,簡稱DA-6),是一種廣譜性植物生長調節物質,具有化學性質穩定、易分解、無殘留、價格低廉、使用方便等優點,因此深受歡迎[4-5]。大量研究證實,DA-6 能促進作物生長、增強作物的抗逆性[6-7]。噴施9 μg/g DA-6,可顯著增加番茄幼苗的株高和莖粗,以及植株的干質量、鮮質量[8]。通過外源噴施10 mg/L DA-6,番茄在低夜溫脅迫下的光合能力比對照組有所增強,可以提高其耐寒性[9]。利用DA-6浸種可顯著影響棉花老化種子萌發及增強低溫脅迫下幼苗的光合特性[10]。DA-6包衣處理可明顯提高干旱脅迫下大豆的抗氧化酶活性,減少丙二醛(MDA)含量,進而保持植物體內活性氧的代謝平衡,并增加產量[11]。于小麥開花后6 d噴施6 g/L DA-6,可顯著提高小麥種子的千粒質量及蛋白質含量,增強其種子活力,表明外源噴施DA-6是提升種子活力的有效途徑[12]。

前人試驗多采用DA-6外源噴施的方式,增加農作物產量和種子活力等,然而,關于使用植物生長調節劑DA-6緩解棉花干旱脅迫的報道較少。因此,以海島棉品種新海14號作為試驗材料,研究在模擬干旱脅迫下DA-6對棉花種子萌發指標及生理特性的影響,篩選緩解棉花種子干旱脅迫的DA-6最適濃度,為外源施用DA-6增強棉花種子抗旱性提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以海島棉品種新海14號作為供試材料,DA-6購自鄭州銀海化工有限公司。

1.2 試驗設計

試驗于2021年3—6月在石河子大學農科樓進行。聚乙二醇(PEG)濃度篩選:取大小一致的棉種,用乙醇(75%)消毒8～10 min,蒸餾水洗滌3次,并晾干。放于鋪有3層濾紙的發芽盒中,分別加入10 mL不同濃度(5%、10%、15%、20%、25%)的PEG溶液,以蒸餾水作為對照。每盒放40粒棉種,設3次重復,發芽盒放置在25 ℃培養箱中。每天定時加適量PEG溶液保持濕潤,并記錄發芽數直至發芽結束。根據記錄的發芽數據選出最適PEG濃度。

外源DA-6處理:棉花種子經上述方法消毒后,分別用0 (CK)、15、25、50、75 mg/L的DA-6溶液浸種處理24 h,放置于陰涼通風處回干至種子原始含水量。放于鋪有3層濾紙的發芽盒中,并加入10 mL 15% PEG-6000溶液。每盒放40粒棉種,設3次重復,發芽盒放置在25 ℃培養箱中。每天加適量DA-6溶液保持濕潤,并記錄發芽數直至發芽結束。發芽標準為種皮裂開,胚根突破種皮的胚芽長度超過棉花種子的50%。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 種子發芽能力的測定 以將培養皿放入培養箱的時間為準,每天同一時間統計發芽數,直至萌發結束。于第3天計算發芽勢,第7天計算發芽率。計算公式參考夏軍等的方法[13]。

發芽勢=第3天的發芽數/種子總數×100%;

(1)

發芽率=第7天的發芽數/種子總數×100%;

(2)

發芽指數(GI)=∑(Gi/i)。

(3)

式中:Gi為在第i天萌發的種子個數。

1.3.2 胚根長度的測定 在種子萌發的最后一天,分別從5個不同濃度處理中取10粒種子,用游標卡尺測量其長度,重復3次。

1.3.3 萌發種子的干質量和鮮質量的測定 在種子萌發的最后一天,分別從5個不同濃度處理中取10粒種子,稱其鮮質量,烘干后稱其干質量,各重復3次。

1.3.4 生理指標的測定 在種子萌發的0、3、7 d,選取萌發程度相近的棉花種子(去掉外殼)3～5 g,用液氮速凍后,置于-80 ℃冰箱中備用。過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT) 、多酚氧化酶(PPO)、超氧化物歧化酶(SOD) 活性,丙二醛(MDA)、可溶性蛋白質(SP)、可溶性糖(SS)含量測定參考關明霄的方法[9]。

1.4 數據處理

使用Excel軟件進行數據處理和作圖,用GraphPad Prism 8軟件進行相關性與差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同濃度PEG-6000處理對棉花種子萌發的影響

為篩選合適的PEG-6000濃度作為干旱脅迫處理濃度,本試驗選取了5種不同濃度模擬干旱脅迫。由圖1可知,棉花種子的發芽率隨著PEG-6000濃度的增加呈現出逐漸下降的趨勢。在5%的PEG-6000脅迫下,種子發芽率為70.66%,與對照相比,降低了5.07%,但差異不顯著;10%、15%、20%、25%的PEG-6000脅迫下種子的發芽率均顯著降低,與對照相比分別降低了25.61%、37.94%、54.37%、58.11%。表明PEG-6000濃度越高,對棉花種子萌發的抑制作用越嚴重。當PEG-6000的濃度為15%時,棉花種子的發芽率最接近對照組發芽率的50%,因此,本試驗選擇該濃度作為干旱脅迫處理的最適濃度。

2.2 DA-6浸種處理對干旱脅迫下種子萌發特性的影響

由表1可知,在15%的PEG-6000模擬干旱條件下,DA-6處理組的發芽率、發芽勢及發芽指數均顯著高于CK,且隨著DA-6濃度的增加,3個萌發指標均表現出先升后降的變化趨勢。當DA-6處理濃度為50 mg/L時,棉花種子發芽率、發芽勢及發芽指數均達到最高,分別是75.63%、66.88%、37.49,比對照分別增加124.09%、122.93%、171.67%,但隨著DA-6處理濃度達到75 mg/L時,種子的發芽率、發芽勢及發芽指數卻與25 mg/L時接近。結果表明,適宜濃度的DA-6處理能有效減輕干旱脅迫對種子的影響,促進種子萌發;過低或過高濃度的DA-6對干旱脅迫的緩解作用較小。

表1 不同濃度DA-6對干旱脅迫下種子萌發的影響

發芽至第7天時,測量種子的胚根長度以及干質量、鮮質量。從圖2、圖3可以看出,與對照相比,DA-6 處理能顯著增加干旱脅迫下棉花種子胚根長度以及干質量、鮮質量,且隨著DA-6處理濃度的增加,呈現出先上升后下降的趨勢,在50 mg/L DA-6處理下,種子胚根長度以及干質量、鮮質量均達最大值,與對照相比,分別增加了116.13%、45.00%、24.61%。表明在干旱脅迫下,適宜的 DA-6 濃度能緩解干旱脅迫對胚根造成的損害,促進種子的生長。

2.3 DA-6浸種處理對干旱脅迫下棉花種子抗氧化酶活性的影響

抗氧化酶SOD、POD、CAT、PPO等對植物生長發育極為重要,它們的主要作用是去除植物體內過多的活性氧,而活性氧會影響植物生長發育,故而認為植物體內的抗氧化酶能減輕逆境脅迫造成的損害[6,14-15]。

從圖4可以看出,在干旱脅迫下,棉花種子中POD活性隨著萌發期的延長均呈逐漸上升的變化趨勢。萌發3 d和7 d時,DA-6處理組的POD活性都比未使用DA-6的對照顯著提高。種子萌發 3 d 和7 d時,在50 mg/L DA-6處理下,POD活性均顯著高于其他濃度處理,與CK相比,POD活性分別提高了60.00%和62.16%,表明用 DA-6浸種能顯著提高干旱脅迫下棉花種子中POD的活性,其中 50 mg/L DA-6處理效果最好。

如圖5所示,干旱脅迫下,CK和DA-6 4個濃度處理組的PPO活性在種子萌發期都呈現出先升高后降低的變化趨勢。萌發0 d時,各處理之間PPO活性無顯著差異;萌發3 d時,PPO活性迅速上升并達到最高,且DA-6處理組的PPO活性均顯著高于CK,與CK相比,PPO活性分別提高了31.75%、22.98%、53.54%、33.08%,其中50 mg/L DA-6處理下種子的PPO活性最高,為998 U/g,表明DA-6浸種能顯著增加干旱脅迫下棉花種子中PPO的活性,且以50 mg/L DA-6處理效果最好。

由圖6可知,CAT活性變化趨勢與PPO活性基本一致。從萌發0 d開始直至7 d萌發結束,棉花種子中CAT活性變化表現為先升高后降低,在萌發 3 d 時各處理的CAT活性達到最大,分別為17.03、15.80、19.80、17.14 U/g,其中DA-6濃度為 50 mg/L 時,CAT活性與比CK相比提高了64.59%。說明在干旱脅迫下50 mg/L的DA-6處理對CAT活性的增加效果最明顯。

如圖7所示,SOD活性在不同濃度DA-6處理下,從萌發0 d至7 d均展現出先升高后下降的變化趨勢。DA-6處理下SOD活性高于CK,在萌發3、7 d 時,50 mg/L DA-6處理下SOD活性分別為289、230 U/g,分別比CK顯著提升了14.23%、36.09%,并且50 mg/L處理下SOD活性均高于其他3個濃度處理。結果表明,DA-6能有效提升模擬干旱脅迫條件下棉花種子的抗氧化酶活性,進而減輕對種子萌發抑制的影響及對種子的損傷。

2.4 DA-6浸種處理對干旱脅迫下棉花種子MDA含量的影響

丙二醛(MDA)作為膜脂過氧化過程的生成物質,它通常被當作是膜脂過氧化的指標,植物體內MDA含量的變化能夠在一定程度上反映出干旱脅迫給植物體造成的損傷[16]。從圖8可以看出,干旱脅迫下對照種子中的MDA含量明顯增加,且隨著萌發時間的延長,其含量持續上升,萌發7 d時,其含量達20.20 nmol/g,比0 d的CK增加了55.26%,說明干旱脅迫下會產生植物膜脂過氧化的損傷。DA-6處理組中,除50 mg/L DA-6處理組外,其他3個處理的MDA含量雖隨萌發時間的延長也呈緩慢上升趨勢,但上升幅度低于CK;DA-6浸種濃度為50 mg/L時,在萌發3、7 d時,種子中MDA含量均顯著低于同時期的對照,與未進行干旱脅迫時的含量接近,說明DA-6處理能在一定程度上緩解干旱脅迫引起的膜脂過氧化損傷,其中50 mg/L DA-6 處理組的效果較好。

2.5 DA-6浸種處理對干旱脅迫下棉花種子滲透調節物質含量的影響

可溶性糖(SS)、可溶性蛋白(SP)作為重要的滲透調節物質,可起到保持植物體生物膜結構穩定的作用[17]。如圖9所示,在干旱脅迫下,隨著棉花種子萌發期的延長,DA-6處理組和CK種子中SS含量均呈現先增加后減少的變化趨勢,且DA-6處理組種子的SS含量均高于CK。萌發3、7 d,50 mg/L DA-6浸種處理SS含量達到最高,分別為28.00、22.32 mg/g,與同時期CK相比,分別增加了86.67%、81.46%。

可溶性蛋白(SP)與可溶性糖(SS)的含量變化趨勢類似(圖10)。在干旱脅迫下,隨著萌發期的延長,DA-6處理組和CK種子中SP含量均呈現先增加后減少的變化趨勢,且DA-6處理過的種子的SP含量均高于未使用DA-6處理的種子。萌發3、7 d,50 mg/L DA-6處理的SP含量均極顯著高于同期CK種子中的含量。上述結果表明,DA-6處理能有效提高干旱脅迫下SS和SP的含量,減輕干旱脅迫對細胞膜的傷害。

3 討論與結論

3.1 DA-6浸種處理對種子萌發的影響

種子萌發是作物生長發育的第一步,種子能順利發芽,是植物生存的基本條件。種子萌發階段是對水分缺失最敏感的時期,干旱會抑制種胚發育。利用生長調節劑作用于植物體,能在一定程度上促進其生長,提高對逆境脅迫的抗性[18]。DA-6作為一種細胞分裂類生長發育調節作用的有機化合物,具有多種功能,有促進植物生長的作用[19]。以向日葵為研究對象,通過試驗發現,DA-6浸種能促進種子萌發,顯著提高種子發芽率、發芽勢、發芽指數以及活力指數[20]。以水稻種子為研究對象,研究DA-6對種子萌發的影響,結果表明DA-6處理能促進水稻種子萌發[21]。本研究結果表明,在干旱脅迫下棉花種子的各項萌發指標隨DA-6濃度增加而表現出先升高后降低的趨勢,進一步證實了 DA-6 對種子萌發的促進作用,且DA-6濃度為 50 mg/L 時,棉花種子的發芽勢、發芽率、胚根長度以及生物量均達到最大值。

3.2 DA-6浸種處理對種子抗氧化酶活性的影響

植物面對各種逆境脅迫時會利用自身的抗氧化酶機制進行自我保護,清除活性氧并減輕對細胞膜的傷害[22-23]。通過研究發現,在干旱條件下,DA-6 浸種大豆可減少苗期葉片MDA的積累,提高了抗氧化酶的活性,表明DA-6浸種可增強苗期對不良環境的抵抗能力[24]。相關研究表明,使用不同濃度DA-6對水稻苗期進行噴施處理,其中以 5 μg/L 處理效果最好,與對照相比抗氧化酶活性顯著增加,MDA含量有所下降[25]。通過對玉米種子進行24 h的DA-6浸種處理,結果表明其過氧化氫酶活性與對照組差異明顯,活性顯著增強[26]。本研究發現,與對照相比,棉花種子在不同濃度DA-6浸種處理下均增強了SOD、PPO、CAT、POD活性,DA-6能夠促進棉花種子激活體內的抗氧化系統,緩解模擬干旱脅迫所引起的膜脂過氧化傷害。此外,本研究還發現,隨著種子萌發期的延長,棉花種子抗氧化酶活性均表現出先上升后下降的趨勢。本試驗通過對棉花種子MDA含量的測定發現,MDA含量隨著萌發期的延長逐漸上升,說明干旱脅迫會造成植物體內MDA含量上升,造成細胞膜損傷,經過DA-6浸種處理的種子體內的MDA含量低于對照,且隨著萌發時間的延長上升幅度顯著低于對照。說明DA-6能在一定程度上延緩干旱脅迫下植物體內MDA含量的上升速度,減輕植物體因干旱脅迫所受到的傷害。

3.3 DA-6浸種處理對種子滲透調節物質含量的影響

可溶性糖(SS)和可溶性蛋白(SP)是細胞重要的成分,對滲透調節起關鍵作用[25]。研究發現藜麥種子經DA-6浸種處理后,其SS和SP含量顯著高于蒸餾水對照[27]。在低溫脅迫下,通過DA-6浸種可顯著增加棉花老化種子的SS及SP的含量[10]。使用DA-6對玉米種子進行浸種處理,相較于對照組,其SS和SP含量明顯增高[26]。本研究結果與前人所得結論相一致,棉花種子的SS和SP含量均隨著發芽時間的延長表現出先升高后降低的變化趨勢。說明DA-6有利用作物滲透調節物質的積累。

綜上所述,不同濃度的DA-6浸種能改善 PEG-6000 模擬干旱脅迫下棉花種子的發芽率、發芽勢、發芽指數、胚根長以及干鮮質量,促進種子萌發,增加種子中滲透調節物質SS、SP的含量,增強抗氧化酶POD、SOD、PPO、CAT的活性,降低MDA的積累,從而增強對干旱脅迫的抵御能力,其最適合的 DA-6浸種濃度為50 mg/L。