H2S对弱光胁迫下高羊茅幼苗生理特性和内源激素的影响

高双红， 李媛英， 刘博文， 龙 思， 刘铁芫， 许岳飞

(西北农林科技大学草业与草原学院， 陕西 杨凌 712100)

草坪因具有美化环境、净化空气和减少噪音等功能[1]，在提高人们生活质量中的同时，市场需求量也越来越大。高羊茅(Festucaarundinacea)是禾本科羊茅属多年生草本植物，因其抗性好、与杂草竞争优势大、生命力强等优点被广泛应用于园林绿化中，是目前我国最为常见的冷季型草坪草之一[2]。韩烈保等[3]认为，高羊茅具有比大多数冷季型草坪草更强的耐酸碱能力；王友保等[4]研究发现高羊茅可以吸收土壤中一定量的Cu;同时有研究表明高羊茅可以去除受污染土壤中的Se元素[5]；高羊茅的这种能力有望使其成为修复重金属污染土壤的重要草坪草品种。因此，高羊茅作为冷季型草坪草其应用前景十分广阔。

现代城市高楼耸立以及人们对于乔、灌、草等立体绿化的需求，使得草坪的遮荫问题十分突出[6]。据统计，美国约有1/4的草坪处于遮荫环境[7]，而我国约有1/2的草坪处于遮荫环境[8]。光照对草坪的生长十分重要，遮荫会导致草坪草光合速率下降、叶片变薄、茎杆纤细和生物量降低[9]，严重影响草坪质量。因此，研究弱光胁迫对草坪草生理特性的影响，探究缓解遮荫胁迫的方法，对草坪的质量和经济效益等具有十分重要的科学和现实意义。

硫化氢(H2S)作为一种重要的气体信号分子，参与植物生长发育的各个过程，并且具有缓解盐害、干旱、低温和重金属等多种非生物胁迫的功能[10]。研究表明，外源H2S可以通过调节内源H2S含量，维持植物体内的Na+/K+平衡，增强抗氧化能力，从而提高耐盐性[11]。在干旱胁迫下，H2S显著上调Rubisco活化酶的活性，引起叶片气孔关闭，提高拟南芥对干旱的适应能力[12]。外源H2S也可通过促进光系统II(PSII)来缓解强光下水稻遭受的光抑制伤害[13]。然而，有关H2S调控高羊茅耐荫性的研究尚未见报道。因此，本文探讨了H2S对高羊茅耐荫性的调控作用，拟为提高草坪草耐荫性和草坪的科学养护管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

试验所用高羊茅(FestucaarundinaceaSchreb.)品种为Arid 3，种子购买于克劳沃(北京)生态科技有限公司并存储于4℃冰箱中。试验使用药剂主要有500 μmol·L-1硫化氢供体硫氢化钠(NaHS)，300 μmol·L-1硫化氢清除剂次牛磺酸(HT)，300 μmol·L-1硫化氢合成酶抑制剂羧甲基胺半盐酸盐(AOA)[14]。

用0.1%(w/v)次氯酸钠(NaClO)溶液对种子进行表面消毒，并用蒸馏水漂洗数次。然后，将种子置于铺有双层滤纸的培养皿中，每皿含50粒种子，为一个重复，每个处理设置三个重复。试验第一阶段用药剂在黑暗条件下浸种24 h；第二阶段培养箱培养2周，并在第7 d时喷施药剂。本试验5个处理，分别为：自然光照+蒸馏水(CK)、弱光+蒸馏水(LL)、弱光+硫化氢供体硫氢化钠(LS)、弱光+硫化氢清除剂次牛磺酸(LT)和弱光+硫化氢合成酶抑制剂羧甲基胺半盐酸盐(LA)。人工气候箱的设置是白天时长为16 h，温度25℃，自然光强为200 μmol·m-2·s-1PPFD，弱光胁迫为40 μmol·m-2·s-1PPFD，相对湿度保持在60%；夜间时长为8 h，温度为20℃，光强为0，相对湿度保持在50%。具体试验设计见下表。

表1 试验设计表Table 1 Table of experimental design

1.2 测定指标及方法

发芽率(GP)=(发芽试验末期规定日期种子数/供试种子数)×100%

发芽势(GE)=(发芽试验初期规定日期内发芽种子数/供试种子数)×100%

发芽指数GI=∑Gt/Dt

活力指数VI=GI×S

其中Dt为发芽时间(d)，Gt为与Dt相对应的发芽种子数，S为一定时期内正常幼苗的单株长[15-16]。

1.3 数据分析

数据采用SPSS 19.0进行单因素方差分析(P<0.05差异显著)，运用SigmaPlot 14.0进行作图。

2 结果与分析

2.1 H2S对弱光胁迫下高羊茅萌发的影响

在5个不同处理下，高羊茅种子的发芽指数、发芽势以及活力指数产生一定程度的差异。CK处理组、高羊茅种子发芽率、发芽指数、发芽势以及活力指数均为最高，LL处理则对高羊茅种子的萌发产生了显著影响，与CK相比，其显著降低高羊茅种子的发芽率、发芽指数、发芽势、活力指数(P<0.05)，与CK相比,分别降低了7.54%，21.27%，10.71%和22.22%,LS对高羊茅种子萌发有一定促进作用，与LL相比，LS处理的发芽指数增加15.49%，而LT处理和LA处理显著降低弱光下高羊茅种子萌发，与LL处理相比，LT处理下发芽势和活力指数分别降低17.34%和31.43%，说明内源硫化氢对弱光下高羊茅种子的萌发有一定的促进作用。(图1)

图1 H2S对弱光胁迫下高羊茅萌发的影响Fig.1 Effects of H2S on the germination of tall fescue under low-light stress注：不同字母表示差异显著(P<0.05)。下同Note:Different letters meant significant difference at 0.05 level. The same as below

2.2 H2S对弱光胁迫下高羊茅胚根重、胚芽重的影响

弱光胁迫处理对高羊茅胚根和胚芽产生的影响不同。由图2可知，与CK相比，LL处理使得高羊茅胚根重显著下降38.4%，却使得高羊茅胚芽重增加0.0083%。较LL处理组相比，LS处理组高羊茅的胚根重和胚芽重变化不明显，但均有所增加；LT处理组和LA处理组胚根重和胚芽重则发生明显变化，胚根重和胚芽重均显著下降(P<0.05)，其中LT处理和LA处理胚根分别下降73.12%和50.17%(图2A)。表明结果弱光胁迫下，高羊茅的胚根生长受到抑制，而施加外源H2S能够缓解这种抑制。

2.3 H2S对弱光胁迫下高羊茅幼苗细胞膜透性稳定性的影响

图3 H2S对弱光胁迫下高羊茅细胞膜稳定性的影响Fig.3 Effects of H2S on the stability of tall fescue cell membrane under low-light stress

2.4 H2S对弱光胁迫下高羊茅幼苗内源激素以及气体信号分子H2S的影响

激素水平是植物对逆境响应的重要指标。不同处理下植物体内激素水平存在差异。与CK相比较，LL处理显著增加了高羊茅体内的H2S,ABA和GA含量，增加值分别为36.28%，29.29%和38.82%。与LL处理相比较，LS处理使得H2S和ABA含量增大54.51%和42.40%，差异达到显著水平(P<0.05)，同时使GA含量显著下降12.90%(P<0.05)；而LT处理和LA处理会显著降低H2S和ABA含量，但显著增加GA含量，其中LT处理下ABA和H2S分别下降31.64%和28.39%，GA却增加7.20%，这与LS处理结果完全相反。表明弱光胁迫下，施加外源H2S能够促进内源H2S和ABA的产生并抑制GA，而施加AOA和HT则效果与之完全相反(图4)。

图4 H2S对弱光胁迫下高羊茅内源GA、ABA、H2S的影响Fig.4 Effect of H2S on the endogenous GA、ABA、H2S of tall fescue under low-light stress

3 讨论

3.1 H2S对高羊茅种子萌发特性和胚根、胚芽的影响

发芽是植物生长非常关键的一个过程，其成功与否影响着草坪的密度和盖度以及质量。H2S能够调节植物诸多生理和生化过程，包括种子的萌发和幼苗的生长[23]；有研究表明低剂量外源施用H2S能够通过激活β-淀粉酶活性来促进种子萌发[24]；并提高盐胁迫下苜蓿种子萌发抗氧化酶同工酶活性和转录物水平[25]。在本研究中，弱光下施加H2S提升了高羊茅种子的萌发特性，而清除或者抑制内源H2S则会对种子萌发起到显著的负作用，说明内源H2S促进了弱光胁迫下高羊茅种子的萌发，这与前人研究结果一致。

光照与植物生长发育关系密切，光照不足会引起植物的形态学重建[26]。近年来，关于植物弱光胁迫的研究多开展于黄瓜(CucumissativusLinn)[27]等相关植物，在林木栽培[28]也有研究。弱光胁迫下高羊茅胚根重较CK显著下降，而胚芽重轻微增加，表明弱光胁迫促进高羊茅幼苗的向上生长，在一定程度上会抑制高羊茅胚根的生长。在弱光胁迫下，分别施加H2S，AOA，HT后，发现各处理的胚根重和胚芽重为LS最大，LL次之，而LA，LT最小，即H2S在一定程度上缓解了弱光胁迫对高羊茅幼苗生长的限制。我们前期研究发现，在弱光胁迫下，外施H2S能够增加高羊茅株高、生物量、叶宽、分蘖数等[14]，这与本试验得到的结果相一致。

3.2 H2S对弱光胁迫下高羊茅幼苗细胞膜稳定性和根活力的影响

3.3 H2S对弱光胁迫下高羊茅幼苗内源GA,ABA,H2S的影响

植物激素是由植物本身合成的极少数有机化合物，但它们对植物内部营养物质的运输和代谢具有重要影响[32]。当植物遭受逆境胁迫时，其自身的代谢产物和生理调节物质发生显著变化。当植物处于遮荫胁迫下时，其内源激素的含量也会发生变化，进而调节植物的抗逆过程。本试验中，弱光胁迫使高羊茅幼苗的内源激素H2S，GA，ABA浓度均增大；而通过施加H2S可以促进内源H2S和ABA的产生，抑制GA的产生。植物激素GA能够促进器官成熟，促进生长发育并诱导营养素的转运，LL胁迫使得GA增大，原因可能是与弱光诱导高羊茅株高有所增加；ABA能诱导某些特定的酶的重新合成从而增加植物的抗性，也被称为“胁迫激素”[33]，在植物遭受胁迫时，H2S作为气体信号分子，在增强植物的许多功能中起着极其重要的作用[34]。弱光胁迫下ABA和H2S的显著增加可能是植物对逆境时自身所做出的响应。张彦洁等[33]研究表明对番茄种子或幼苗进行外源H2S处理，增加叶片中的H2S含量，这与本试验结果一致。

植物体内不同种类的植物激素的生理效应有相互促进或者拮抗的效果，植物激素对植物生长发育的调控结果往往是由多种植物激素综合作用的[37]。本研究中，LS处理组的H2S和ABA均较其他处理组相比显著增大，说明外源H2S的施加不仅极大地促进了内源H2S的增加，同时也促进了ABA的显著增加。H2S作为一种新型的气体信号分子，其与ABA之间相互协同作用，共同赋予植物抗逆性[38]。然而，H2S提高抗氧化机制的分子机制人仍需要进一步研究。

4 结论