鹽脅迫對番茄幼苗生長及生理指標的影響

付 珊,雷 婷,金 葦,李 影,陳秀君,陳夢麗,陳 亮

(1.湖北師范大學 生命科學學院,湖北 黃石 435002; 2. 特色野菜良種繁育與綜合利用湖北省工程技術研究中心,湖北 黃石 435002;3. 食用野生植物保育與利用湖北省重點實驗室,湖北 黃石 435002; 4. 湖泊生物多樣性與環境保護黃石市重點實驗室(湖北師范大學),湖北 黃石 435002)

0 引言

隨著全球經濟的快速發展以及工業化進程的不斷加快,土壤鹽堿化已成為日益嚴重的環境問題之一。據不完全統計,目前我國鹽堿地總面積約占全國耕地面積的25%,嚴重影響植株對營養元素的吸收積累以及發育進程,造成農作物減產和品質下降等問題[1,2]。植物在一定濃度的鹽脅迫條件下會引發一系列的自我保護機制,從而能夠抵御鹽脅迫造成的細胞膜損傷和離子毒害[3]。

番茄(Solanumlycopersicum)屬茄科番茄屬一年生草本植物,含抗壞血酸、葉酸、類胡蘿卜素等多種營養素,有促消化、利尿、抗炎等保健作用[4]。番茄也是我國種植面積較大的設施蔬菜,屬于中度鹽敏感型蔬菜作物。土壤鹽漬化會促進番茄對Na+的吸收,引發離子毒害,從而導致番茄營養缺失,發育減緩,果實產量下降[5]。在鹽脅迫條件下,番茄根系對水分和養分的吸收受到抑制,幼苗的株高、莖粗和根長均呈下降趨勢[6]。丙二醛(MDA)是評價植物生物膜系統遭受膜脂過氧化損傷程度的重要依據,而過氧化物酶(POD)可以降低活性氧的含量來減輕膜脂過氧化從而維持植物細胞內環境穩態[7]。宿梅飛[8]等人研究發現隨著鹽脅迫濃度和脅迫時間的增加,番茄幼苗中丙二醛(MDA)的含量以及POD活性都顯著增加。脯氨酸是植物主動適應鹽脅迫的產物,其含量可以反映植物細胞滲透調節能力,王柏柯[9]等人的研究結果顯示相比對照組經脅迫處理的番茄幼苗葉片中脯氨酸含量隨著脅迫時間的增長顯著升高。葉綠素反映了植物光合作用強度和生存環境對植物的影響[10]。研究發現番茄葉片中葉綠素含量的降低與NaCl濃度呈正相關,鹽脅迫對番茄造成嚴重的損害導致其葉綠素含量降低[11]。楊鳳軍[12]等人的研究表明100 mM NaCl對番茄幼苗的脅迫傷害顯著。本研究通過100 mM NaCl脅迫模擬鹽脅迫,探究鹽脅迫對番茄幼苗的生長及各項生理指標的影響,從生理層面探究其耐鹽機制,以期為提高番茄的農產量及質量提供一定的理論依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為華煜牌第8354387號黃貴妃櫻桃番茄種子。

1.2 方法

1.2.1 幼苗培養及NaCl脅迫處理 試驗于2022年5～6月在湖北師范大學生命科學學院食用野生植物資源保育與利用實驗室進行。取顆粒飽滿、大小均一的番茄種子均勻鋪撒于墊有雙層濾紙、四層紗布的培養皿中,加入適量水浸潤后,置于28 ℃人工智能氣候箱中培養。14天后,移栽至含有1/2 Hoagland標準營養液的塑料盆中,每盆20株。待番茄幼苗長至6片真葉,分別對番茄幼苗展開正常營養液培養(對照組)和含100 mM NaCl的營養液脅迫處理,共處理7天,每3天更換一次營養液。處理結束后測定番茄幼苗的生長及生理指標。

1.2.2 生長指標和生理指標的測定 地上部高度的測定:用直尺分別測量各脅迫梯度番茄幼苗的地上部高度,并記錄數據。

根部長度的測定:用直尺分別測量各脅迫梯度番茄幼苗的根長,并記錄數據。

MDA和可溶性糖的含量采用硫代巴比妥酸比色法[13]測定:稱取0.5 g番茄葉片剪碎,加入少量石英砂和4 mL 10% TCA充分研磨,以轉速4 000 rpm,離心10 min,上清液即為樣品提取液。吸取2 mL樣品提取液,向其中加入2 mL 0.6% TBA溶液,混勻,沸水浴15 min,速冷至室溫,離心后取上清液,在532 nm、600 nm和450 nm的波長下測定吸光度,對照組用2 mL蒸餾水代替提取液。每組實驗重復三次。

C1=[6.45(A532-A600)-0.56A450]·V·W-1

C2=11.71A450·V·W-1

式中C1表示MDA含量(nmol·g-1FW),C2表示可溶性糖含量(μmol·g-1FW),V表示提取液體積(mL),W表示樣品鮮重(g)。

脯氨酸含量采用酸性茚三酮比色法[14]的測定:首先,制定標準脯氨酸含量的標準曲線。然后,稱取0.5 g番茄葉片剪碎,加入5 mL 3%磺基水楊酸溶液沸水浴10 min后驟冷過濾。取濾液2 mL加入2 mL冰乙酸和3 mL顯色液,和標曲溶液一起沸水浴40 min.驟冷至室溫,加入5 mL甲苯,搖勻,靜置分層后取上清,在波長530 nm下測定吸光度。每組實驗重復三次。

式中C3表示脯氨酸含量(μg·g-1FW),W表示樣品鮮重(g),C表示由標準曲線求得的提取液中脯氨酸含量(μg),VS表示測定時所吸取的體積(mL),VT表示提取液總體積(mL)。

POD活性采用愈創木酚法比色[15]測定:稱取0.5 g番茄葉片剪碎,加入5 mL 20 mM KH2PO4溶液和少許石英砂充分研磨,以轉速4000 rpm,離心10 min,收集上清液于4℃保存。沉淀用4 mL 20 mM KH2PO4溶液再浸提一次,合并兩次上清液,用20 mM KH2PO4溶液定容至10 mL.于比色皿中加入愈創木酚和磷酸緩沖液組成的反應混合液3 mL,20 mM KH2PO4溶液0.5 mL,作為調零對照組。向另一比色皿中加入反應混合液3 mL,上述提取液0.5 mL.迅速混勻,并立即啟動秒表計時,在470 nm的波長下測量OD值,每過30 s讀取一次OD值,共計3 min.每組實驗重復三次。

F=100·ΔA470·VT·W-1·VS-1·T-1

式中F表示過氧化物酶活性(U·g-1·min-1FW),W表示樣品重量(g),ΔA470表示反應時間內吸光度的變化,VS表示測定時取用酶液體積(mL),VT表示提取酶液總體積(mL),T表示反應時間(min)。

葉綠素含量采用95%乙醇比色法[16]測定:稱取0.5 g新鮮番茄葉片剪碎,加入2 mL 95 %乙醇研磨后過濾。再用2 mL 95%乙醇沖洗濾紙上的殘渣直至殘渣褪色,收集濾液并用95%乙醇定容至5 mL即為樣品提取液。取樣品提取液0.5 mL,加入95%乙醇4 mL稀釋后,在波長為663 nm、645 nm下測定吸光度,以95%乙醇為調零對照。每組實驗重復三次。

C4=[(12.7A663-2.69A645)+(22.9A645-4.68A663)]·V·N·W-1

式中C4表示葉綠素含量(μg·g-1FW),V表示提取液體積(mL),N表示稀釋倍數,W表示樣品鮮重(g)。

1.3 數據統計與分析

采用Microsoft Excel 2010分析上述番茄的生長指標和生理指標相關數據,使用 IBM SPSS Statistics 25 軟件進行差異顯著性檢驗(P<0.05),并利用 Microsoft Excel 2010 軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 鹽脅迫對番茄幼苗生長指標的影響

番茄幼苗使用100 mM NaCl處理后,與對照組相比實驗組番茄幼苗莖稈細短,葉片泛黃枯萎,根須稀少(圖1)。由圖2可知,實驗組地上部高度相比對照組極顯著性降低,根長相比對照組顯著降低。說明NaCl脅迫對番茄幼苗的生長有明顯的抑制作用。

圖1 鹽脅迫下番茄幼苗的表型圖

圖2 鹽脅迫下番茄幼苗的地上部及根部長度的影響

2.2 鹽脅迫對番茄幼苗中MDA含量的影響

當植物器官衰老或是在逆境條件下時,往往會發生膜脂過氧化作用,而MDA是膜脂過氧化的主要產物之一[7],可作為脂質過氧化的指標以此來判斷植株對環境的適應能力。由圖3可知,經NaCl脅迫后的番茄葉片中MDA含量顯著高于對照組,增幅為77.7%.由此可見,NaCl脅迫對細胞膜結構造成了損害,致使番茄葉片中MDA含量增加。

圖3 鹽脅迫對番茄苗中MDA含量的影響

2.3 鹽脅迫對番茄幼苗中可溶性糖含量的影響

在鹽脅迫條件下,植物會累積可溶性糖等有機溶質來調節膜內外滲透壓,從而減輕脅迫所帶來的膜損傷,防止細胞內酶的變性以維持正常的生理功能[17]。由圖4可知,在100 mM NaCl處理下,番茄葉片中的可溶性糖含量相比對照組顯著升高,漲幅高達150.2%.由此可見,一定濃度的NaCl脅迫可以使番茄葉片中的可溶性糖含量增加。

圖4 鹽脅迫對番茄苗中可溶性糖含量的影響

2.4 鹽脅迫對番茄游離脯氨酸含量影響

植物在遭受鹽脅迫時,會大量累積脯氨酸來進行滲透調節,并且脯氨酸的積累量與植物的耐鹽程度呈負相關[18]。因此,脯氨酸可作為篩選耐鹽植物品種的指標之一。由圖5可知,相較于對照組經NaCl脅迫后的番茄苗中脯氨酸含量極顯著升高,增幅高達940.9%.由此可見,NaCl脅迫能夠誘導番茄葉片細胞內脯氨酸的大量積累。

圖5 鹽脅迫對番茄幼苗中脯氨酸含量的影響

2.5 鹽脅迫對番茄幼苗中過氧化物酶POD活性的影響

POD能夠有效清除植物體內的活性氧,在脅迫條件下POD活性升高能減少活性氧的積累,減輕膜損傷程度,維持植物體內新陳代謝等生命活動的有序進行,POD活性的高低可以反映植物受逆境脅迫的程度[19]。如圖6所示在本實驗中處在鹽脅迫下的實驗組其POD活性相對于對照組顯著提升,漲幅高達71.2%由此說明NaCl脅迫能夠增強番茄葉片中POD的活性。

圖6 鹽脅迫對番茄苗中POD含量的影響

2.6 鹽脅迫對番茄幼苗中葉綠素含量的影響

葉綠素在一定程度上可以反映植物光合作用的強度,鹽脅迫下,由于植物細胞滲透壓失衡,植物吸收不到足夠的水分和營養,致使葉綠素合成量減少[20]。由圖7可以看出,在NaCl脅迫下番茄葉片中的葉綠素含量相比對照組極顯著下降,降幅為51.8%.這說明了鹽脅迫破壞了葉綠體的結構導致了番茄葉片中葉綠素含量的減少。

圖7 鹽脅迫對番茄幼苗中葉綠素含量的影響

3 討論與結論

鹽脅迫會影響植物的生命進程,造成植物發育遲緩,加速植物的衰老,導致農作物減產。在鹽脅迫條件下植株常常表現為生物累積量減少,葉片面積增長緩慢甚至停止增長。植物的根部是最直接也是最先被脅迫的,劉琦[21]等研究發現鹽脅迫抑制了番茄根系的生長,NaCl 脅迫對番茄的根長,根表面積等均有明顯的抑制作用。植物的根系生長受到抑制,導致植物對水分和營養物質的吸收減少,進而導致整個植株營養不良,發育遲緩。陳建林[22]等人在用不同濃度的NaCl處理番茄幼苗的研究中發現,所有經過處理的幼苗其根長、莖粗、株高等均低于對照組,且存在品種差異。本研究中鹽脅迫組番茄幼苗莖稈細短,葉片泛黃枯萎,地上部高度相比對照組極顯著性降低,根長相比對照組顯著降低(圖1、圖2)與上述結論一致。由此可見,根長、株高、莖粗等生物特征可以作為判別番茄幼苗遭受鹽脅迫程度的指標。

丙二醛(MDA)是膜脂過氧化的重要依據,其含量的多少是評價植物膜脂氧化損傷程度的指標之一。植物體內生命活動一直處于動態平衡之中,當植物處在鹽脅迫條件下時,這種平衡就會被破壞,大量活性氧的累積,致使植物發生氧化應激,對細胞造成嚴重的損傷,進而抑制植物的生長發育[23]。宋陽[24]等研究發現NaCl脅迫對細胞膜結構造成了損害,導致葉片中MDA含量顯著增加,且MDA含量與NaCl濃度成正比。本研究中鹽脅迫后番茄葉片中MDA含量顯著高于對照組(圖3),由此說明,植物體內MDA含量可以反映植物對鹽的耐受性。

鹽脅迫將導致植物細胞代謝紊亂及滲透失衡,此時植物體會累積大量對本身無害又參與滲透調節的有機溶質來維持滲透壓的平衡。可溶性糖和脯氨酸都是參與滲透調節的有機溶質,可溶性糖是代謝的中間產物,為植物生長發育提供能量,參與植物體內的信號傳導,可溶性糖的累積是脅迫誘發的一系列反應之一[17]。脯氨酸可以調節胞質的酸堿度,維持膜蛋白和磷脂結構的穩定,保護質膜的完整性,防止細胞內酶的失活。在鹽脅迫條件下,脯氨酸含量的升高是植物體適應脅迫環境保護自身的方式,與植物耐鹽性呈負相關[18]。費偉[25]等用人工海水處理番茄幼苗的結果顯示可溶性糖和脯氨酸的含量與對照相比均有明顯增加。本研究中鹽脅迫后番茄葉片中的可溶性糖含量,游離脯氨酸含量都高于對照組(圖4,圖5)。由此可見,可溶性糖和脯氨酸的含量可以反映植物對逆境環境的適應程度。

在遭受逆境脅迫時植物短時間內很難直接通過改變自身來適應新的生存環境,而保護酶系統能夠在植物遭受脅迫的第一時間做出反應,有效清除活性氧,降低脅迫所造成質膜損傷。POD可以將H2O2還原成H2O和O2,來清除由于脅迫累積的H2O2,從而維持植物體正常的生理功能[19]。張飛[6]等研究發現,在一定濃度下,POD活性與鹽濃度和脅迫時長呈正相關,鹽脅迫能夠誘導POD活性的增加。本研究中鹽脅迫下的實驗組其POD活性相對于對照組顯著升高(圖6),由此說明POD活性可以作為篩選耐鹽性番茄的生理指標。

葉綠素是植物進行光合作用的主要物質之一。在鹽脅迫下,植物吸水量減少,植物體內Na+含量升高,細胞膜內外滲透壓失衡,導致葉綠體結構被破壞,葉綠素含量下降[20]。劉琦[21]等在研究NaCl脅迫對光合作用的影響中發現鹽脅迫降低了番茄葉片中葉綠素的含量,削弱了番茄葉片的光合效能。本研究中,鹽脅迫下番茄葉片中的葉綠素含量相比對照組極顯著下降(圖7)。由此說明,鹽脅迫會導致番茄葉片中的葉綠素含量下降,光合作用效率降低,植物營養虧損,發育不良。

綜上所述,鹽脅迫會導致櫻桃番茄的地上部高度、根長等生物特性均受到抑制,MDA含量、可溶性糖、脯氨酸含量以及POD活性均顯著增加,葉綠素含量顯著減少。這表明在一定程度下黃貴妃櫻桃番茄具有耐鹽性。目前土壤鹽漬化問題日益嚴重,通過鹽脅迫對櫻桃番茄生理特性的研究有助于進一步尋找提高番茄耐鹽的途徑和方法,對于促進在鹽堿地發展番茄培育和鹽漬土環境治理等方面具有重要意義。