干旱脅迫下外源硫化氫對蕓豆苗期光合與生理特性的影響

王景偉,曹 迪,陳舒婭,楊 碩,程澤龍,張 涵,黃玉蘭

(黑龍江八一農墾大學生命科學技術學院,黑龍江 大慶 163319)

水分是作物生命活動最重要的環境因子之一,也是產量形成最主要的限制因子。目前,全球變暖導致干旱加劇,作物生長發育過程常受干旱脅迫影響[1]。研究作物的耐旱性、提高其抗旱性成為農業領域的熱門課題。研究表明,干旱脅迫會引起作物體內缺水,生長發育受阻,代謝機能紊亂,光合與呼吸作用異常,激發活性氧大量產生并累積,細胞膜系統受損,葉片萎蔫、脫落,庫源結構破壞,導致產量和品質降低,給農業生產造成嚴重的經濟損失[2-3]。近年來,通過補充外源物質提高作物抗旱性的研究較多,杜卓等[4]等研究發現,葉面噴施外源褪黑素可以增強干旱脅迫下玉米幼苗的生長能力,降低膜脂過氧化水平,使玉米抗旱性提升;寧朋等[5]等發現外源一氧化氮(NO)處理可以增加滇潤楠幼苗滲透調節物質含量,增強抗氧化酶活性,從而提高植株抗旱能力。H2S是一種無色、易燃并具有臭雞蛋氣味的氣體,是繼NO和CO之后的第三大新型信號分子,可以促進植物種子萌發,誘導不定根發育,增強光合作用,緩解非生物脅迫對植株造成的傷害等,在植物抗逆脅迫中具有重要作用[6-9]。劉晶[9]研究發現,在干旱脅迫下,0.75 mmol·L-1的H2S供體NaHS能夠提高水稻種子中抗氧化酶活性,增加抗氧化物質含量,有效清除H2O2,抑制質膜透性和MDA含量的增加,促進種子萌發。丁會納[7]發現,葉面噴施 NaHS可以顯著提高干旱脅迫下小麥旗葉葉綠素含量,增加抗氧化酶活性,降低H2O2和MDA含量,進而提高小麥產量。闞文杰等[10]通過外源噴施NaHS緩解了干旱脅迫對小麥幼苗生長的抑制效應,其光合效率、抗氧化酶活性、Pro含量均顯著增加,MDA和H2O2含量顯著降低。在綠豆、紅小豆、板栗、黃瓜、高山離子芥、裸燕麥等作物的研究中也得出了類似結論[11-15],但噴施外源H2S供體NaHS對蕓豆影響的報道尚不多見。蕓豆是栽培面積僅次于大豆的食用豆類作物,亦糧亦蔬,品種繁多,營養價值較高。本文通過研究干旱脅迫下噴施不同濃度NaHS溶液對蕓豆苗期葉片光合及生理特性的影響,探究外源H2S對蕓豆干旱脅迫的調控效應,以期為深入研究H2S調節干旱脅迫的機制提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及試驗方案

供試材料為奶花蕓豆(PhaseoluscoccineusL)2422,種子購自黑龍江省大慶市奮達種子公司。NaHS購自Sigma公司。

試驗在防雨棚內采用盆栽法進行。PVC塑料桶高30.0 cm,底直徑31.5 cm,每桶裝土12.0 kg±0.5 kg。供試土壤為草甸土,取自農田5～20 cm土層土壤,肥力較高。蕓豆于2021年5月22日播種,每桶內播種5穴,播深3 cm。6月10日第3片葉展開時定苗,每桶留3株,定苗后開始進行水分處理(對照CK正常供水,土壤含水量為田間最大持水量的75%±5%;干旱脅迫處理土壤含水量保持田間最大持水量的50%±5%),2 d后進行NaHS(H2S供體)噴施處理,共6個處理:正常供水+噴施0 mmol·L-1外源NaHS溶液為對照(CK),干旱脅迫+噴施0 mmol·L-1(MD)、0.1 mmol·L-1(T1)、0.2 mmol·L-1(T2)、0.4 mmol·L-1(T3)、0.8 mmol·L-1(T4)外源NaHS溶液為不同濃度處理。干旱脅迫處理于每天17∶50采用稱重法控水,隔天早晚各噴施1次NaHS溶液至葉片滴水自然落下,共噴施3 d,每盆噴施量約30 mL。因蕓豆田間缺水是暫時性的,一般不會超過7 d,因此選定6 d后(6月18日)停止干旱脅迫和噴施NaHS溶液并復水。復水后的第5天(6月22日)和第10天(6月27日)各取樣1次,每2盆作為1個重復,共3次重復,樣品一部分用于測定生理指標,另一部分液氮速凍后,置于-80℃超低溫冰箱保存,進行后續指標測定。

1.2 試驗指標測定

1.3 數據分析

用Excel 2016進行數據處理和作圖,用SPSS 25進行單因素方差分析(ANOVA)及Pearson相關系數計算,用Duncan法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫下不同濃度外源H2S對蕓豆光合特性的影響

與CK相比,MD對光合作用的影響較為顯著,復水后5 d的Pn、Tr、Gs和Ci分別比CK降低了51.29%、55.80%、58.73%和60.48%,復水后10 d分別降低了48.79%、52.30%、49.32%和63.72%,差異顯著(P<0.05);隨著復水時長的增加,光合參數持續增加(表1,圖1)。表2所示為各噴施外源NaHS處理較不噴施處理(MD)光合與生理特性指標的變化率情況,噴施外源NaHS后,光合參數均隨NaHS溶液濃度的增加呈先升后降的趨勢,復水后5 d時T1～T4的Pn分別比MD增加24.97%、56.72%、53.63%和18.10%,T2、T3與MD差異顯著;復水后10 d時T1～T3的Pn分別比MD增加59.74%、49.83%和9.43%,而T4降低了10.07%,T1、T2與MD差異顯著(表2,圖1A)。各處理Tr、Gs和Ci的變化趨勢與Pn類似(表2,圖1B、1C、1D)。綜上可知,MD顯著降低了蕓豆葉片的光合效率,外源H2S對干旱脅迫產生了緩解作用,且T2作用效果最好,表明噴施低濃度NaHS可緩解干旱脅迫對蕓豆光合性能的影響,當濃度超過0.4 mmol·L-1后緩解效應不顯著,甚至出現負效應。

2.2 干旱脅迫下不同濃度外源H2S對蕓豆抗氧化酶活性的影響

干旱脅迫下,植物體內的抗氧化酶作為保護細胞的重要酶類,能夠清除細胞內產生的活性氧,避免植物遭受過氧化傷害。與CK相比,MD處理SOD、POD、CAT和APX 活性均顯著增加,復水后5 d分別增加了27.47%、38.50%、78.28%和37.94%,復水后10 d分別增加了51.37%、25.62%、54.55%和22.00%,差異顯著;隨著復水時長的增加,抗氧化酶活性持續增加(表1,圖2)。噴施外源NaHS后,隨噴施濃度的增加酶活性呈先升后降的趨勢,復水后5 d時T1～T4的SOD活性分別比MD增加了41.07%、28.40%、31.30%和0.17%,T1、T2和T3顯著增加;復水后10 d時T1～T4的SOD活性分別比MD增加17.36%、47.52%、24.87%和11.31%,T1、T2和T3增加顯著,T2最大且顯著高于其他處理(表2,圖2A)。POD、CAT和APX活性的變化趨勢與SOD類似(表2,圖2B、2C、2D)。結果說明,MD使蕓豆葉片體內的抗氧化酶活性顯著提高,外源H2S使提高幅度顯著增大,且隨NaHS噴施濃度增加表現為先升后降趨勢;綜合考慮T2酶活性最大,說明其在緩解干旱對植株造成的傷害方面效果最佳。

表1 干旱脅迫下蕓豆葉片光合參數與生理特性的變化率/%

表2 干旱脅迫下H2S對蕓豆葉片光合與生理特性的影響/%

注:不同小寫字母表示相同復水時間內不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

2.3 干旱脅迫下不同濃度外源H2S對蕓豆膜脂過氧化指標的影響

2.4 干旱脅迫下不同濃度外源H2S對蕓豆滲透調節物質的影響

Pro和SS是植物體內非常重要的滲透調節物質,與CK相比,MD處理Pro和SS含量均顯著增加,復水后5 d分別增加了55.55%和30.98%,復水后10 d分別增加了35.32%和36.84%,差異顯著;復水時長增加,滲透調節物質含量增加(表1,圖4)。噴施外源NaHS后,Pro和SS含量呈先升后降的趨勢,復水后5 d時T1～T4的Pro含量分別比MD增加了34.27%、38.56%、14.90%和2.13%,T1和T2顯著增加,T3和T4差異不顯著;復水后10 d時T1～T4的Pro含量分別比MD增加了36.33%、15.03%、26.76%和1.28%,T1和T3顯著增加(P<0.05),T2和T4差異不顯著(表2,圖4A)。SS含量變化趨勢與Pro類似(表2,圖4B)。結果表明,MD使蕓豆葉片的Pro和SS含量顯著提高,外源H2S使提高幅度顯著增大,趨勢為先升后降,T1和T2處理含量最高。

2.5 干旱脅迫下不同濃度外源H2S對蕓豆影響指標的相關性分析

圖2 干旱脅迫下H2S對蕓豆葉片抗氧化酶活性的影響

圖3 干旱脅迫下H2S對蕓豆葉片膜脂過氧化的影響

不同類指標間,抗氧化酶活性和膜脂過氧化指標間相關系數介于0.35～0.64,抗氧化酶活性中POD、APX和膜脂過氧化指標REC達顯著正相關,其他兩類指標間均為極顯著正相關;抗氧化酶活性和滲透調節物質含量間的相關系數介于0.61～0.86,表現為極顯著正相關;膜脂過氧化指標與滲透調節物質中的Pro含量達極顯著正相關關系;其他各類特性間的相關性規律性不強。可見,抗氧化酶活性和滲透調節物質含量間相關系數最大,為強正相關;抗氧化酶活性和膜脂過氧化指標間、膜脂過氧化指標與滲透調節物質中的Pro含量間的相關系數次之,為中等程度正相關。其他各類指標間的相關性較弱。

圖4 干旱脅迫下H2S對蕓豆葉片滲透調節物質的影響

3 討 論

苗期干旱脅迫嚴重影響植物的光合作用與生理代謝,復水后時間越長,抑制作用越明顯。H2S作為一種新型重要信號分子,在抗御干旱脅迫中發揮著重要作用,能夠緩解植物體所受的逆境傷害,增強其抗旱性[12]。光合作用是植物合成有機物的方式,在能量轉化代謝過程中發揮重要作用。有研究發現,遭受干旱脅迫后,植物會關閉葉片氣孔以降低氣孔導度來減少水分喪失,造成CO2吸收量降低,最終導致光合速率降低;未被利用的光能使光合器官受損,體內活性氧積累,植物生長受到限制[23]。也有研究認為,干旱脅迫通過非氣孔限制抑制光合作用[24]。本研究中,與正常供水處理相比,MD處理蕓豆葉片Gs降低,Tr和Ci隨之下降,光合作用原料CO2濃度不足,導致Pn下降,說明光合能力的降低主要是氣孔因素限制所致。施用外源NaHS后,光合效率大大改善,各處理Gs和Ci顯著提高,CO2進入細胞的阻力降低,吸收速率提高,緩解了氣孔關閉導致的光合原料不足問題,對因干旱脅迫而受損的光合系統有一定補償作用,提高了Pn,植株抗旱性增加,外源NaHS溶液噴施濃度為0.2 mmol·L-1時效果最好。NaHS濃度過高,達到0.4 mmol·L-1時,則會導致葉片光合性能降低,這與闞文杰等[10]在小麥、李冬等[25]在烤煙幼苗上的研究結果一致。

表3 蕓豆葉片光合與生理特性間的相關系數

滲透調節是植物在干旱脅迫下降低滲透勢、抵抗逆境脅迫的一種重要方式[35]。Pro和SS作為重要的滲透調節物質,可以維持細胞狀態,保證作物正常代謝[36]。受到干旱脅迫時,植物體內的Pro和SS等滲透調節物質含量會增加;施用外源NaHS后,滲透調節物質的含量會繼續提高。闞文杰等[10]研究表明,干旱脅迫下葉面噴施外源NaHS后,小麥植株Pro含量顯著增加,細胞內水勢降低,減小了干旱脅迫的不良影響。牟雪姣等[13]研究發現,干旱脅迫下黃瓜種子Pro和SS含量均呈上升趨勢,施用NaHS提高了Pro和SS的質量分數,細胞膜系統的穩定性得到維持。本研究也表明,干旱脅迫處理下,蕓豆葉片Pro和SS含量顯著增加,表明滲透調節系統對干旱脅迫做出了應激反應。施用外源NaHS后,Pro和SS含量進一步增加,表明H2S能夠有效提高植株體內滲透調節物質的含量,避免膜結構被破壞,增強植物抗旱能力。

在干旱脅迫下,植物光合特征和生理特性之間具有一定的相關性[37]。本研究表明,干旱脅迫下施用外源NaHS減緩了葉片光合效率的下降,蕓豆體內ROS的增量減少,緩解了膜脂過氧化損傷,MDA含量和REC增幅下降;同時,蕓豆體內啟動抗氧化防御系統,抗氧化酶活性增加以清除過量的過氧化物,減輕了干旱脅迫導致的損傷;ROS的減少同時提高了滲透調節物質含量。

4 結 論

1)與CK(正常供水)相比,MD(干旱脅迫)處理顯著影響蕓豆葉片光合與生理特性,其光合效率降低,體內抗氧化酶活性上升,細胞膜脂過氧化物激增,滲透調節物質含量增加,從而對植株造成一定傷害。復水天數增加,各參數值也隨之增加。

2)隨外源NaHS施用濃度的增加,各噴施處理較MD處理變幅表現為光合效率先升后降,表明H2S可以維持氣孔開放,增加蕓豆光合強度,減輕干旱影響;抗氧化酶活性先升后降,表明其具有清除自由基、增強植株抗旱性的效果;膜脂過氧化程度先降后升,說明H2S可以緩解干旱導致的細胞膜系統傷害;滲透調節物質含量先升后降,說明其有利于增強細胞滲透調節能力,進而保護膜質,增加抗旱效應。當NaHS噴施溶液濃度為0.2 mmol·L-1時緩解蕓豆苗期干旱脅迫的效果最佳。

3)對光合與生理特性進行了相關性分析,同類特性各指標間相關系數大小表現為:抗氧化酶活性>光合參數、膜脂過氧化指標>滲透調節物質含量,同類指標間均為極顯著正相關。不同類特性間,抗氧化酶活性和滲透調節物質含量之間正相關性最強,抗氧化酶活性和膜脂過氧化指標之間、膜脂過氧化指標與滲透調節物質中的Pro含量之間相關系數次之,其他各類特性間相關性較弱。