水杨酸预处理对干旱胁迫下甜高粱种子萌发及生理特性的影响

梁 佳，玛依努·吾斯曼，方志刚，＊

1.喀什大学生命与地理科学学院，新疆喀什 844000 2.新疆帕米尔高原生物资源与生态重点实验室，新疆喀什 844000

我国干旱、半干旱区面积占土地总面积近50%，其中西北内陆干旱区占国土面积24.5%。水分是干旱区种子萌发的关键因素，有研究表明，干旱胁迫通过影响种子吸水过程，呼吸作用、淀粉水解及碳水化合物的转变进而抑制或促进种子萌发。水杨酸（salicylic acid，SA）是植物体内的小分子酚类物质，通过复杂的信号转导网络参与植物响应逆境的生理过程。研究表明，使用一定浓度的SA浸种或喷施可以提高多种植物对干旱的适应能力。如二色补血草（Limonium bicolor）种子经水杨酸浸种后，可显著促进种子萌发和幼苗生长。

甜高粱（Sorghum bicolor L.Moench），一年生C4植物，植株生物量大、抗旱性强，是优良的可再生能源作物及饲草作物，适合在干旱区种植。本文以甜高粱品种大力士为试验材料，设置不同浓度水杨酸预处理，探寻干旱胁迫下水杨酸对甜高梁种子萌发及生理特性的影响。并筛选出缓解甜高粱芽苗期干旱胁迫效应较好的水杨酸浓度水平，以期为水杨酸缓解甜高粱干旱胁迫的机理提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

选用甜高粱品种大力士，挑选籽粒饱满、大小一致的甜高梁种子，用5%NaClO消毒20 min，蒸馏水冲洗干净，备用。

1.2 试验方法

用PEG-6000模拟干旱胁迫,根据本课题组预实验结果设定PEG浓度为10%。设置6个处理，以0 mmol·L-1SA浓度作干旱胁迫（10%PEG）预处理时用等量蒸馏水浸泡，分别用蒸馏水（CK）、0 mmol·L-1（10%PEG）、0.5 mmol·L-1（SA1）、1.0 mmol·L-1（SA2）、2.0 mmol·L-1（SA3）和4.0 mmol·L-1（SA4）的SA预处理（20℃黑暗条件下，浸泡2 h）甜高粱种子之后，将其取出，吸水纸擦干称重，即为原始质量。取上述预处理的种子均匀摆放在铺有双层滤纸的培养皿内（直径9 cm），每皿25粒种子，3次重复，向CK培养皿中加入8 mL蒸馏水，其他培养皿中加入8 mL10%PEG溶液。培养皿置于暗处进行实验，待种子萌发后，将其置于夜光周期12 h，昼夜温度23/15℃，光照强度300 molm-2s-1条件下继续培养。第3天开始记录种子萌发数（以胚根突破种皮2 mm为标准），第8天在每培养皿内随机挑5粒均匀的幼苗，测种子根长、芽长、鲜重及干重。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 种子吸水能力及发芽指标的测定

种子吸水量（g）Y1=Xtn-Xtn-1；种子吸水百分率（%）Y2=（Xtn-Xt0）/Xt0×100%；种子吸水速率（%/h）Y3=Y1/（tn-tn-1）[7]。Xtn、Xtn-1为第n、n-1次称重时25粒种子质量；Xt0为25粒甜高梁种子原始质量。

发芽率（%）=（第七天的萌发种子数/供试种子总数）×100%；发芽势（%）=（发芽高峰期种子发芽数/供试种子数）×100%；活力指数（VI）=GI×S；发芽指数（GI）=Σ（Gt/Dt）。Gt为种子第t天发芽粒数，Dt为相应的发芽天数；S为最后一天测得每粒种子的平均鲜重（g）。

1.3.2 生理生化指标的测定

实验第4天取刚萌发的种子测定α-淀粉酶活性，第8天取芽鞘和叶子测量脯氨酸含量。测定方法均参照李小方、张志良主编的《植物生理学实验指导》。

1.3.3 数据分析

采用Origin9.0软件绘图，采用SPSS25.0软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫与水杨酸浸种对甜高粱种子吸水的影响

2.1.1 吸水量

表1 水杨酸预处理对干旱胁迫下甜高粱种子吸水量（g）的影响

从表1可以看出，不同处理条件下，甜高粱种子的吸水量0～4 h最大，4 h之后快速减小；12 h之后逐渐趋于稳定。与对照相比，10%PEG处理甜高粱种子吸水量在0～8 h和12～24 h内均显著降低。干旱胁迫下，SA2和SA3预处理甜高粱种子吸水量在0～8 h显著提高。其中，SA3预处理使甜高粱种子吸水量恢复至CK水平。

CK：对照；10%PEG：干旱胁迫；SA1：0.5 mmol·L-1SA；SA2：1.0 mmol·L-1SA；SA3：2..0 mmol·L-1SA；SA4：4.0 mmol·L-1SA。同列数值后不同字母表示在0.05水平差异显著。下同。

2.1.2 吸水率

图1 干旱胁迫与水杨酸预处理下甜高粱种子吸水率的变化

图2 干旱胁迫与水杨酸预处理下甜高粱种子吸水速率的变化

从图1可以看出，不同处理下，甜高粱种子吸水率在4～8 h急剧增加，8～12 h缓慢增加，12 h后逐渐趋于稳定。与CK相比，10%PEG处理种子吸水百分率显著降低。干旱胁迫下，SA1预处理种子吸水率在4～12 h内降低，SA4预处理种子吸水率在不同时段内均显著低于干旱处理，经SA2和SA3预处理的种子吸水率较10%PEG处理显著增加，且SA3预处理种子吸水率达到对照水平。

2.1.3 吸水速率

从图2可以看出，不同处理中，甜高粱种子吸水速率在4 h最高，随时间延长不断降低，12 h之后趋于稳定。4～8 h和12～24 h内，10%PEG处理种子吸水速率显著低于对照。不同时间，SA1预处理与10%PEG处理的种子吸水速率无显著差异。4～8 h内SA2及SA3预处理可显著提高干旱胁迫下甜高粱种子的吸水速率；且12～24 h，SA3预处理的吸水速率达对照水平。8～24 h内，SA4预处理与10%PEG处理无显著差异。

2.2 干旱胁迫与水杨酸浸种对甜高粱种子萌发的影响

表2 水杨酸预处理对干旱胁迫下甜高粱种子萌发的影响

从表2可以看出，10%PEG处理的甜高粱种子萌发指标与CK相比都显著下降。SA2和SA3预处理均能显著提高干旱胁迫下甜高粱种子的发芽率、发芽势、发芽指数及活力指数；SA3预处理中，上述指标分别增长26.40%、36.36%、27.64%、48.31%。相同条件下，SA浓度增加至4.0 mmol·L-1（SA4）时，甜高粱种子的各个萌发指标与10%PEG处理均无显著差异。

2.3 干旱胁迫与水杨酸浸种对甜高粱幼苗生长的影响

表3 水杨酸预处理对干旱胁迫下甜高粱幼苗生长的影响

由表3可见，10%PEG处理显著抑制了甜高粱胚根长、胚芽长、鲜重及干重。干旱胁迫下，随SA浓度增加，上述指标呈现出先增加后减小的趋势。与干旱胁迫相比，SA1预处理显著增加了种子胚根长，SA2预处理则显著增加了种子胚根长和胚芽长，SA3预处理增加了胚根长、胚芽长及干重。但SA4与SA3预处理相比，其根长、芽长、干重，分别降低了39.10%、24.97%、21.05%（P＜0.05）。

2.4 干旱胁迫与水杨酸浸种对甜高粱种子生理指标的影响

2.4.1 α-淀粉酶活性

图3 水杨酸预处理对干旱胁迫下甜高粱种子α-淀粉酶活性的影响

图3表明，与对照相比，10%PEG预处理时，甜高粱种子α-淀粉酶活性显著增加。干旱胁迫下，随着SA浓度的升高，α-淀粉酶活性表现出先降低再升高的趋势。SA1与SA4预处理种子α-淀粉酶活性分别较对照显著增加53.66%、43.90%；经SA2与SA3预处理后种子α-淀粉酶活性与对照相比无显著差异。

2.4.2 脯氨酸含量

图4 水杨酸预处理对干旱胁迫下甜高粱幼苗脯氨酸含量的影响

图4表明，10%PEG处理使甜高粱幼苗脯氨酸含量显著高于对照，经梯度SA预处理后，幼苗中脯氨酸含量呈现出先升高后降低的趋势。其中，SA2和SA3预处理脯氨酸含量分别比10%PEG处理增加46.91%、60.02%，且上述两个处理间差异显著。当水杨酸浓度增加到4.0 mmol·L-1（SA4）时，与SA2、SA3相比脯氨酸含量显著降低，但仍显著高于10%PEG预处理。

3 讨论与结论

水分对种子萌发至关重要，干旱胁迫造成环境中可利用水分不足，影响种子吸水进程，严重时抑制种子萌发。本实验表明，不同处理条件下，甜高粱种子在0～4 h快速吸水，吸水量最大；4 h之后吸水快速减小；12 h之后逐渐稳定，这与前人的研究结果一致[9]，表明甜高粱种子吸水4 h后，逐渐从物理吸胀到萌发吸水。常用发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数等指标评价种子在芽苗期应对环境因子胁迫的抗性[10]。本实验中，0～24 h内，10%PEG处理可显著降低甜高粱种子吸水量和吸水速率，抑制了种子吸水进程，从而使种子萌发指标及幼苗生长降低（图2、表2-3），但α-淀粉酶活性较对照显著升高（图3），实验中观察到该处理下甜高粱种子萌发出现延迟，可能是α-淀粉酶活性相对较高的原因。SA被证明能通过调节植物体内代谢通路来调控种子萌发及幼苗生长过程，但其机制尚不完全清楚。本研究中，适当浓度SA预处理明显提高了干旱胁迫下种子的吸水量，其中以2.0 mmol·L-1的SA预处理效果最优（表1），说明适宜浓度SA预处理可优化干旱胁迫下甜高粱种子吸水进程。用 0.5 mmol·L-1和4.0 mmol·L-1的SA预处理后，并没有显著改变种子在干旱环境中的萌发效应，一方面是由于过低的SA预处理未影响种子在干旱环境中的吸水量及吸水速率，种子萌发出现延迟现象，此时α-淀粉酶活性仍维持在较高水平（表1，图3）；另一方面，过高浓度SA预处理，可能破坏甜高梁种子萌发过程中激素平衡，抑制种子萌发及幼苗生长（表3）。这与张利霞等[11]的研究结果类似，说明高浓度水杨酸预处理种子也可能间接对种子萌发造成伤害。

种子萌发初期，α-淀粉酶通过水解淀粉，为种子萌发提供能量，但是环境因子变化会影响淀粉酶水解及种子呼吸等生理过程，进而影响种子萌发[12]。本研究发现，不同浓度SA预处理种子，α-淀粉酶活性和脯氨酸含量变化趋势不同，10%PEG处理条件下，α-淀粉酶活性和脯氨酸含量较对照均显著增加，这主要是由于干旱胁迫导致种子延迟萌发及幼苗产生渗透调节物质。SA浓度升到2.0 mmol·L-1时，α-淀粉酶活性下降到最小，脯氨酸含量上升到峰值（图3、图4），推测种子萌发后，幼苗根系开始吸收水分，降低了种子中α-淀粉酶活性，同时叶片开始进行光合作用，积累一些糖类物质，为新物质合成提供底物。赵会君等[13]实验证明，种子在萌发前60-72 h淀粉酶活性达到最大，之后快速下降，表明α-淀粉酶活性峰值主要出现在种子萌发前期，随着胚根生长，其活性持续下降。也有研究表明，干旱条件下，0.5～1.5 mmol·L-1水杨酸预处理能提高茄子（Solanum melongena L）种子的α-淀粉酶活性[14]，与本实验结果不同，这与种子萌发所需时间有关，本实验在种子萌发第4天取样，α-淀粉酶可能完成了淀粉的水解，故其相对活性降低。脯氨酸通过调节植物细胞水势减轻胁迫对植物的伤害，其含量变化在一定程度上反映了植物的抗旱性[15]。本研究中2.0 mmol·L-1SA预处理后甜高粱幼苗积累大量脯氨酸，推测干旱环境中，适当浓度SA预处理可能通过诱导甜高粱幼苗积累脯氨酸，降低幼苗叶片中的水势维持体内水分平衡，促进碳氮代谢，从而缓解甜高粱的干旱胁迫效应。有关水杨酸预处理导致甜高粱幼苗碳氮代谢的改变需在今后的研究中进一步验证。

综上所述，本实验条件下，干旱环境中，适宜浓度的SA预处理可改善甜高粱种子吸水能力、调节α-淀粉酶活性，诱导脯氨酸积累，促进甜高粱种子萌发及幼苗生长，有效提高甜高粱在芽苗期的抗旱性。结果表明，2.0 mmol·L-l的SA预处理种子，缓解甜高粱芽苗期的干旱胁迫效应最优。