NaCl胁迫及外源GABA对垂穗披碱草种子萌发的影响

赵 旭， 陈仕勇， 刘 伟， 李丹丹， 文景锜， 马展登

(1.西南民族大学青藏高原研究院， 四川 成都 610041；2.西南民族大学畜牧兽医学院， 四川 成都 610041；3.四川农业大学草业科技学院， 成都 611130； 4.四川省甘孜州草原工作站， 四川 康定 626000)

盐渍土在干旱、半干旱地区的分布最为普遍，在我国主要分布于东北、华北、西北和滨海地区[1]。土壤盐渍化不仅威胁农业生产和发展，也不利于生态资源环境的可持续发展。种植耐盐碱植物等生物防治手段已经成为盐碱地改良的重要途径之一，而如何提高植物的耐盐性对于盐碱地的改良具有重要意义。目前，植物生长调节剂被广泛应用于改善植物对逆境的抗性研究中。γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)是一种四碳非蛋白氨基酸，广泛存在于动物、植物和细菌中。在植物细胞中主要作为细胞间信号的传导分子[2]，与生物和非生物胁迫密切相关[3-4]，它的积累是植物系统对盐分、干旱、高温和寒冷等胁迫的代谢反应。目前它已经作为一种重要的植物调节物质应用于改善植物的耐盐碱、耐高温等抗逆研究中[5-7]。

垂穗披碱草(ElymusnutansGriseb.)，又名钩头草、弯穗草，是禾本科披碱草属重要的多年生牧草。主要分布在我国内蒙古、新疆、青海、西藏、四川等地，具有重要的经济和生态价值，特别是在我国青藏高原草地畜牧业和生态建设中发挥了重要作用[8-9]。本研究通过添加外源生长调节物质来提高垂穗披碱草种子萌发的耐盐性，为其进一步在盐碱地等生态恢复中的应用提供参考。本试验采用GABA对垂穗披碱草种子进行浸种处理，研究其种子在NaCl胁迫下的萌发情况，揭示GABA对改善垂穗披碱草种子耐盐性的效果，为垂穗披碱草在盐碱条件下的栽培利用提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本试验选用国审垂穗披碱草牧草新品种“康北”为供试材料，种子由西南民族大学牧草创新团队提供。

1.2 试验设计

1.2.1不同浓度NaCl对种子萌发的影响

挑选大小均一、颗粒饱满、无病虫害的种子，用75%的乙醇消毒并用蒸馏水冲洗干净。每个培养皿中整齐均匀摆放30粒种子，分别加入5 mL不同浓度的NaCl溶液，每个处理重复3次。试验设置4个NaCl浓度梯度：50、100、150、200 mmol·L-1，并以蒸馏水为对照。把培养皿置于23 ℃温度条件下萌发，以种子胚根露出种皮作为发芽标志，每日记录发芽情况。

1.2.2不同浓度GABA对NaCl胁迫下种子萌发的影响

在不同浓度NaCl对种子萌发试验的基础上筛选出100 mmol·L-1胁迫浓度进行GABA的添加试验。将消毒后的种子在浓度为0、0.2、0.5、1、2 mmol·L-1的GABA溶液中浸泡24 h，以蒸馏水浸泡作为对照，浸种完成后即开始萌发试验。在铺有2层滤纸的发芽盒(16 cm×11 cm×12 cm)中加入20 mL NaCl溶液，并在每个发芽盒中整齐均匀地摆放45粒种子。试验设置6个处理：蒸馏水(ck)、100 mmol·L-1NaCl(N)、0.2 mmol·L-1GABA+100 mmol·L-1NaCl(GN 1)、0.5 mmol·L-1GABA+100 mmol·L-1NaCl(GN 2)、1 mmol·L-1GABA+100 mmol·L-1NaCl(GN 3)、2 mmol·L-1GABA+100 mmol·L-1NaCl(GN 4)。每个处理重复3次。培养条件同1.2.1。

1.3 测定指标及方法

种子萌发相关指标发芽率、发芽势、发芽指数及活力指数等测定和计算公式如下：

发芽率(%)=(G12/N)×100%，

式中，G12为12 d内正常发芽的种子数，N为供试种子总数；

发芽势(%)=(G6/N)×100%，

式中，G6为6 d内正常发芽的种子数，N为供试种子总数；

发芽指数=∑(Gi/Di)，

式中，Gi为第i天发芽数，Di为发芽天数；

活力指数=GI×S，

式中，S为幼苗平均长度，GI为发芽指数。

在第12天，每个重复随机选取10株幼苗，用直尺测定幼苗的芽长、根长，用天平称其整株鲜重。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2019软件进行数据整理，通过SPSS Statistics 24软件进行单因素方差分析，运用Duncan法进行不同处理间的多重比较，并用Origin 2018软件绘制图表。

2 结果与分析

2.1 不同浓度NaCl对垂穗披碱草种子萌发的影响

2.1.1种子发芽率和发芽势

如图1所示，NaCl胁迫显著降低了垂穗披碱草种子的发芽率(p<0.05)。在150 mmol·L-1和200 mmol·L-1胁迫浓度下，种子发芽率分别下降21.88%和24.00%。同时，盐胁迫也延迟了种子发芽时间，发芽势随着NaCl浓度的升高也呈降低趋势。当NaCl浓度为150 mmol·L-1和200 mmol·L-1时，种子发芽势分别下降23.81%和50.00%。

2.1.2发芽指数和活力指数

如图2所示，随着NaCl浓度的升高，垂穗披碱草种子的发芽指数和活力指数均呈降低趋势。当NaCl浓度大于等于100 mmol·L-1时，发芽指数呈下降趋势，且在NaCl浓度大于等于150 mmol·L-1时达到显著水平。活力指数在不同盐胁迫浓度下均显著降低(p<0.05)，其中在NaCl浓度为100 mmol·L-1时，种子的活力指数下降54.50%。

2.1.3胚芽长和胚根长

如图3所示，垂穗披碱草种子的胚芽长随着NaCl浓度的升高呈降低趋势。与对照相比，50 mmol·L-1NaCl胁迫下的胚芽长差异不显著；在浓度为100 mmol·L-1和150 mmol·L-1时，胚芽长分别降低了39.22%和41.25%。同样，随着NaCl浓度的升高，垂穗披碱草种子的胚根长均呈显著降低趋势(p<0.05)。NaCl浓度在100 mmol·L-1和150 mmol·L-1时，胚根长比对照显著降低了54.77%和60.80%，表明当NaCl浓度≥100 mmol·L-1时，其种子的胚根和胚芽生长受到了显著的抑制，同时盐胁迫对胚根的抑制比胚芽更明显。结果表明，100 mmol·L-1的NaCl浓度可以确定为下一步GABA添加研究的适宜盐胁迫浓度。

2.2 不同浓度GABA对NaCl胁迫下垂穗披碱草种子萌发的影响

2.2.1种子发芽率和发芽势

由图4可知，外源GABA浸种后，在100 mmol·L-1NaCl胁迫下，垂穗披碱草种子的发芽率随着GABA浓度的升高呈上升的趋势，且在GN 4处理(GABA浓度为2 mmol·L-1)下发芽率到达最高(p<0.05)。种子的发芽势也呈相同的变化趋势，其中GN 2、GN 3和GN 4处理比盐胁迫条件下分别提高了77.8%、85.2%和96.3%。

2.2.2发芽指数和活力指数

由图5可知，外源GABA浸种后能显著提高NaCl胁迫下垂穗披碱草种子的发芽指数，并随着GABA浓度的升高，发芽指数呈逐渐增大的趋势，且在GN 4处理时达到最大，发芽指数比盐胁迫条件下显著提高了49.2%(p<0.05)。同样，种子活力指数也随着GABA浸种浓度的升高呈逐渐增大的趋势，其中GN 4处理的种子活力指数达到最高，比盐胁迫条件下显著提高了58.6%(p<0.05)。

2.2.3胚芽长和胚根长

由图6所示，盐胁迫条件显著地降低了垂穗披碱草幼胚芽长和根长(p<0.05)。不同浓度的GABA浸种后，胚芽长和根长较盐胁迫处理呈略微增大的趋势，但各处理间的差异不显著。

2.2.4幼苗鲜重

如图7所示，盐胁迫下的垂穗披碱草幼苗鲜重显著低于ck(p<0.05)。GABA处理后的幼苗重量随浓度升高呈逐渐增重的趋势，在GN 3、GN 4处理时幼苗重量达显著水平(p<0.05)，其中GN 4处理时苗重达到最大。

3 讨 论

3.1 盐胁迫对垂穗披碱草种子萌发的影响

萌发是植物正式开始个体发育的第一个阶段，是植物生命周期中的重要环节。萌发期的生长状况直接影响植物的后续生长发育。盐胁迫影响种子萌发主要有以下两种方式：一是外界溶液的渗透压过高，导致种子吸水受阻[10]；二是盐离子的渗入直接造成毒害[11]。有研究认为，低浓度的盐胁迫不仅不会影响种子萌发，还有利于种子吸水和提高代谢水平。低盐浓度能提高玉米种子的萌发指标，并且提升其发芽速率，缩短平均发芽时间[12]。适宜浓度处理有利于燕麦等种子的萌发和芽苗生长[13-14]。这可能是因为少量盐分能使细胞内部渗透势降低，在逆境中加速吸水。不过也有大量研究发现，低浓度盐胁迫和高浓度盐胁迫一样会影响种子正常的出芽和后续生长，种子的吸水过程受到阻碍，导致代谢活性降低和种子组织的合成速度减少，引起各萌发指标降低[6]。本研究中垂穗披碱草种子萌发指标在NaCl浓度50～200 mmol·L-1范围胁迫下均表现出不同程度的抑制作用。这样的变化趋势与盐胁迫下新麦草[15]及垂穗披碱草[16]种子萌发的研究结果相同。同时，综合不同的萌发指标，本研究选用了100 mmol·L-1的NaCl浓度作为种子萌发的适宜盐胁迫浓度进行后续的研究。刘艳君等[17]研究了采自甘南天祝的3份野生垂穗披碱草，在NaCl浓度为0～1.2%(0～205 mmol·L-1)胁迫下的萌发情况，结果表明，低盐环境促进种子的萌发，当盐浓度达到1.0%(171 mmol·L-1)时，其发芽势均为0。说明同一物种的不同品种以及种质的不同状态，其耐盐性分均存在明显的差异。

3.2 GABA对盐胁迫下垂穗披碱草种子萌发的影响

GABA作为植物体内的代谢物质和信号分子，能够提高种子的发芽能力和幼株活力，缓解盐胁迫。GABA能有效降低种子对Na+的吸收，维持离子平衡[18]，从而降低盐胁迫对种子的损伤。朱广龙等[19]研究了4种不同的外源生长调节剂对盐胁迫下甜高粱种子萌发的影响，其结果表明GA3(0.3 mmol·L-1)和GABA(0.5 mmol·L-1)对高粱种子吸水萌发时盐害的缓解效果最好。罗黄颖等[6]研究了不同浓度GABA浸种对番茄种子及幼苗耐盐性的影响，结果表明不同浓度GABA的缓解效应存在差异，其中10 mmol·L-1的外源GABA能够显著提高盐胁迫下番茄种子的萌发率和促进胚根的生长。本研究中0.2～2 mmol·L-1浓度的GABA均能不同程度地缓解NaCl胁迫对垂穗披碱草种子萌发的影响，随着GABA浓度的增大，其发芽率、发芽势、发芽指数及活力指数逐渐提高，幼苗重量增大，但是对种子萌发、胚芽和胚根的生长缓解效果不是特别显著，这可能与本研究中选用的浓度范围较小有关。此外，谷物种子中的谷氨酸脱氢酶(GAD)与种子萌发密切相关[20]，而GABA又与GAD的代谢变化直接相关。赵宁等[21]在GABA对盐碱胁迫下甜瓜种子萌发的研究中发现，一定浓度的GABA能够提高盐碱胁迫条件下的种子萌发状况，同时还能提高胚根内超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)等活性，特别是10 mmol·L-1GABA浸种后内源GABA和GAD活性显著升高，50 mmol·L-1GABA浸种处理后其GABA转氨酶(GABA-T)活性达到最高，这加快了GABA向琥珀酸半醛降解和参与三羧酸循环的速度，从而提高了种子耐盐碱的能力。

4 结 论

随着NaCl胁迫浓度的升高，供试垂穗披碱草种子的萌发指标逐渐下降。在100 mmol·L-1NaCl胁迫条件下，0.2～2 mmol·L-1的 GABA浸种能不同程度地缓解盐胁迫对供试垂穗披碱草种子萌发的影响，能够提高其发芽率、发芽势、发芽指数及活力指数，增加其幼苗重量，其中2 mmol·L-1GABA浸种处理的效果最佳。