BCAAs对干旱和盐胁迫下亚麻荠种子萌发的影响

冯 悦，李润植，崔红利，薛金爱，张春辉

（山西农业大学 农学院/分子农业与生物能源研究所，山西 太谷 030801）

干旱胁迫和盐胁迫会引起植物生理代谢功能紊乱，从而抑制植物生长发育。干旱作为损害最大的非生物胁迫之一[1]，会引起植物叶片气孔关闭、水分平衡失调及抗氧化酶活性降低，从而对植物器官造成潜在危害[2]，长期严重的干旱胁迫会引起植物表观形态不可逆的变化，最终导致其死亡[3]。盐胁迫下，植物根系部分最先接收胁迫信号，继而导致地上部分产生活性氧和有毒代谢物，同时抑制光合作用，最终导致细胞和整株植物死亡[4]，不同浓度盐胁迫会降低植物幼苗苗高、根长和鲜质量[5]。作物种子萌发期是对逆境胁迫较为敏感的时期，使用有效的生物刺激素是提高作物抗逆能力的重要手段[6]。

外源氨基酸可作为生物刺激素调节作物生长发育、增强作物抗逆性、提高作物产量、改善作物品质[7]。同时，氨基酸也可作为生物活性类增效物质与肥料配合施用，发挥多重增效作用，其应用日益广泛[8]。此外，氨基酸浸种还能通过提高酶活性来促进种子萌发[9]。其中，支链氨基酸（Branched-chain Amino Acids，BCAAs）因其特殊的侧链结构被命名，包括亮氨酸（Leu）、异亮氨酸（Ile）和缬氨酸（Val），在机体代谢过程中也发挥着重要作用。

亚麻荠是十字花科亚麻荠属的1年生草本植物，有耐寒、耐旱、抗病、抗虫、耐草害等多种特性[10]。亚麻荠也是一种重要的油料作物，研究表明，其具有其他油料作物所缺少的耐贫瘠特性，适宜在半干旱、盐渍土壤上种植。此外，由于亚麻荠籽油特定的脂肪酸组成并富含α-亚麻酸，在化妆品、医学、食品营养价值和生物能源等方面展现出广阔的应用前景。种子萌发是植物生长过程中的重要一环，种子发芽良好有利于后期幼苗生长，同时也是获得高产的第1步，因此，促进亚麻荠种子萌发从而提高其产量尤为重要。然而，有关BCAAs缓解干旱和盐胁迫下亚麻荠种子萌发的研究目前鲜有报道。

本研究通过探究BCAAs浸种对干旱和盐胁迫下亚麻荠种子发芽势、萌发率、发芽指数、根长、芽长、干质量和鲜质量的影响，旨在为干旱和高盐等逆境条件下亚麻荠的种植和栽培提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

亚麻荠种质材料选用SC-N16，该品种已在山西省太谷区连续种植7 a，现存于分子农业与生物能源研究所实验室。支链氨基酸购自索莱宝公司，使用分析纯NaCl模拟盐胁迫、分析纯PEG-6000模拟干旱胁迫。

1.2 试验方法

1.2.1 胁迫模型的建立 选取籽粒饱满、均匀一致的亚麻荠种子，75%乙醇消毒后，用无菌水冲洗4～5次。参考车代弟等[11]的研究方法，分别以0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 g/mL的PEG-6000溶液（简称PEG）为处理液浸泡亚麻荠种子模拟干旱胁迫条件。参考孙元新等[12]的研究方法，分别以50、100、150、200 mmol/L的NaCl溶液（简称NaCl）为处理液浸泡亚麻荠种子模拟盐胁迫条件，对照组为无菌水浸泡的种子，在萌发第7天时，测定其萌发率，以此作为标准。

采用培养皿纸上发芽法萌发种子。取直径为9 cm的培养皿，在培养皿底部放置3层滤纸，加入处理液6 mL使滤纸吸液至饱和，在每个培养皿中整齐摆放50粒种子置于人工气候箱中培养（25℃、光周期12 h/12 h）。每隔24 h对萌芽的种子计数一次，萌发7 d。试验结束后，以直尺测定种子的根和芽长度，并计算种子各项萌发指标，重复3次。

式中，Gt表示发芽试验终期内每日发芽数，Dt表示发芽天数。

1.2.2 外源支链氨基酸（BCAAs）的筛选 在上述试验基础上，根据选定的胁迫条件，通过测定其萌发率、发芽势、发芽指数、根长、芽长、干质量和鲜质量筛选最优BCAAs-Val，具体方法如表1所示。

表1 外源支链氨基酸的筛选方法Tab.1 Screening methods for exogenous branched chain amino acids

1.2.3 最优浓度的Val筛选 为确定最优BCAAs-Val的最佳浓度，进一步扩大Val的处理范围以精确浓度。在干旱胁迫（0.20 g/mL PEG）和盐胁迫（150 mmol/L NaCl）2个条件下，选取浓度为0、10、50、100、150、200 μmol/L的Val溶液浸种进行亚麻荠种子萌发试验，从而确定其最佳浓度。

1.3 数据统计

采用Sigmaplot数据系统作图，采用SPSS分析差异显著性（P＜0.05）。数据均为3次重复的均值。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫和盐胁迫模型建立

从表2可以看出，采用0.05～0.25 g/mL PEG和0～200 mmol/L NaCl处理后，亚麻荠种子的发芽势、萌发率随浓度升高呈显著下降趋势（P＜0.05），直至完全抑制。其中，采用0.20 g/mL PEG处理后，亚麻荠种子发芽势和萌发率较CK分别降低了79.07%和75.00%；当NaCl浓度为150 mmol/L时，亚麻荠种子发芽势和萌发率较CK分别降低了58.49%和46.67%；而0.25 g/mL PEG和200 mmol/L NaCl处理下萌发率为0，即种子萌发完全被抑制。综合考虑，胁迫模型处理液浓度需能显著抑制但又不能完全损害种子萌发的能力。因此，选取0.20 g/mL PEG溶液构建亚麻荠种子干旱胁迫模型、150 mmol/L NaCl溶液构建亚麻荠种子的盐胁迫模型。

表2 胁迫处理对亚麻荠种子萌发的影响Tab.2 Effects of stress treatment on Camelina sativa seed germination %

2.2 干旱和盐胁迫下BCAAs筛选结果

2.2.1 干旱胁迫下BCAAs对亚麻荠种子萌发及生长的影响 由表3可知，与CK相比，干旱胁迫下（PEG）亚麻荠种子的发芽势、萌发率和发芽指数显著降低（P＜0.05），分别降低了86.18%、66.17%和81.87%。与干旱胁迫（PEG）相比，PEG+BCAAs处理均显著缓解了干旱胁迫对亚麻荠种子萌发的抑制作用（P＜0.05），其中，Val浓度为100 μmol/L时效果最好，此时亚麻荠种子的发芽势、萌发率和发芽指数 分别是PEG组的2.65倍、1.35倍 和2.07倍。

表3 干旱胁迫下BCAAs对亚麻荠萌发的影响Tab.3 Effects of BCAAs on the germination of Camelina sativa under drought stress

从表4可以看出，干旱胁迫下（PEG）亚麻荠种子的根长、芽长、干质量和鲜质量较CK相比显著降低（P＜0.05），降幅分别为30%、37.31%、48.66%和30.46%；与干旱胁迫（PEG）相比，PEG+BCAAs处理缓解了干旱胁迫对亚麻荠种子生长的影响，其中，100 μmol/L的Val处理后亚麻荠的根长、芽长、干质量和鲜质量是PEG的1.09倍、1.19倍、1.17倍和1.05倍。

表4 干旱胁迫下BCAAs对亚麻荠种子生长的影响Tab.4 Effects of BCAAs on the growth of Camelina sativa seeds under drought stress

2.2.2 盐胁迫下BCAAs对亚麻荠种子萌发及生长的影响 盐胁迫下BCAAs对亚麻荠种子萌发及生长的影响如表5、6所示。

表5 盐胁迫下BCAAs对亚麻荠萌发的影响Tab.5 Effects of BCAAs on the germination of Camelina sativa under salt stress

与CK相比，盐胁迫下（NaCl）亚麻荠种子的发芽势、萌发率和发芽指数显著降低，分别降低了38.13%、34.12%和33.96%（表5）；与盐胁迫（NaCl）相比，NaCl+BCAAs处理均显著缓解了盐胁迫对亚麻荠种子萌发的抑制作用（P＜0.05），其中，Val浓度为100 μmol/L时效果最好，此时亚麻荠种子发芽势、萌发率和发芽指数分别是NaCl盐胁迫的1.37倍、1.30倍 和1.49倍。

从表6可以看出，与CK相比，盐胁迫下（NaCl）亚麻荠种子的根长、芽长、干质量和鲜质量显著降低（P＜0.05），降幅分别为50.40%、38.89%、37.69%和15.37%；与盐胁迫（NaCl）相比，NaCl+BCAAs处理进一步缓解了盐胁迫对亚麻荠种子生长的影响，其中，100 μmol/L的Val处理后效果最好，亚麻荠种子根长、芽长、干质量和鲜质量分别是NaCl盐 胁 迫 处 理 的1.15倍、1.39倍、1.27倍和1.08倍。

表6 盐胁迫下BCAAs对亚麻荠种子生长的影响Tab.6 Effects of BCAAs on the growth of Camelina sativa seeds under salt stress

2.3 干旱和盐胁迫下Val浓度筛选结果

2.3.1 干旱胁迫下不同浓度Val对亚麻荠种子萌发及生长的影响 由图1可知，不同浓度Val对干旱条件下亚麻荠种子萌发的缓解作用是不同的，随Val浓度的增大，干旱胁迫下Val对亚麻荠种子萌发的缓解作用呈先上升后下降的趋势；当Val浓度为100 μmol/L时，亚麻荠种子的萌发率效果最好，与干旱胁迫相比，萌发结束时（7 d）萌发率提高了375.46%。

图1 干旱胁迫下不同浓度Val对亚麻荠种子萌发的影响Fig.1 Effects of different concentrations of Valine on the germination of Camelina sativa seeds under drought stress

如表7所示，与CK相比，干旱胁迫下（PEG）亚麻荠种子的根长、芽长、干质量和鲜质量显著降低（P＜0.05），降幅分别为36.25%、36.06%、53.41%和32.01%；与干旱胁迫相比，100 μmol/L Val处理缓解了干旱胁迫对亚麻荠种子生长的影响，亚麻荠种子的根长、芽长、干质量和鲜质量增幅分别为19.61%、30.77%、28.66%和9.53%。

表7 干旱胁迫下不同浓度Val对亚麻荠种子生长的影响Tab.7 Effects of different concentration of Valine on the growth of Camelina sativa seeds under drought stress

2.3.2 盐胁迫下不同浓度Val对亚麻荠种子萌发及生长的影响 不同浓度Val对盐胁迫条件下亚麻荠种子萌发的缓解作用是不同的（图2）。随着Val浓度的增大，盐胁迫下Val对亚麻荠种子萌发的促进效果呈先上升后下降的趋势，当Val浓度为100 μmol/L时，亚麻荠种子的萌发率效果最好，萌发结束时（7 d）较NaCl盐胁迫提高了29.77%。

图2 盐胁迫下不同浓度Val对亚麻荠种子萌发的影响Fig.2 Effects of different concentrations of Valine on the germination of Camelina sativa seeds under salt stress

由表8可知，盐胁迫下（NaCl）亚麻荠种子的根长、芽长、干质量和鲜质量较CK相比显著降低（P＜0.05），降 幅 分 别 为54.40%、38.89%、37.69%和15.37%；与盐胁迫相比，100 μmol/L Val处理缓解了盐胁迫对亚麻荠种子生长的影响，且效果最好，亚麻荠种子的根长、芽长、干质量和鲜质量增幅分别为21.05%、38.63%、27.14%和7.83%。

表8 盐胁迫下不同浓度Val对亚麻荠种子生长的影响Tab.8 Effects of different concentrations of Valine on the growth of Camelina sativa seeds under salt stress

3 结论与讨论

种子萌发期是形态建成的关键时期，植物生长调节剂通过协调或者拮抗作用可促进种子萌发[13]。发芽势表明了种子发芽的整齐程度和发芽潜力，萌发率则反映了种子发芽状态[13]。本研究的目的是在胁迫下使用外源生物刺激素BCAAs促进种子萌发。干旱和盐胁迫是影响植物生长发育的主要逆境因素。邹成林等[14]研究认为，干旱胁迫能延缓玉米种子发芽时间，损害其发芽能力，降低贮藏物质运转率。陈叶等[15]和于爱明[16]选用PEG模拟干旱条件研究发现，干旱胁迫明显抑制了鲜卑花和胡卢巴种子的萌发及生长。本研究也表明，随着PEG浓度的升高，亚麻荠种子的发芽势和萌发率均随之降低，其中PEG质量浓度为0.2 g/mL时能显著抑制亚麻荠种子的萌发但又不完全损害其发芽能力。盐胁迫也是作物栽培经常遇到的胁迫[17]。董梦宇等[18]研究指出，随盐浓度的增加，根长、茎长、总长和含水量则呈下降趋势。桂毓[19]研究发现，随盐浓度的增加，苜蓿和沙冬青种子的发芽势、萌发率、根系长度、植株鲜质量等指标均呈逐渐下降的趋势。以上研究均选用NaCl模拟盐胁迫，胁迫所用浓度均为150 mmol/L，与本研究所用浓度一致。本研究也表明，随着NaCl浓度的升高，亚麻荠种子的发芽势和萌发率均呈逐渐下降的趋势直至完全致死，其中下降程度最大且不完全致死的NaCl浓度为150 mmol/L。据此，本研究建立的干旱和盐胁迫模型分别为0.2 g/mL PEG和150 mmol/L NaCl。

在逆境中，植物不能维持体内的离子平衡，导致代谢功能紊乱，生长受到抑制，从而造成种子萌发率、发芽势和发芽指数降低。通过添加外源赤霉素，板蓝根种子的萌芽能力和幼苗生长均得到了一定程度的缓解[20]。郑云凤等[21]研究发现，甜菜碱、赤霉素等外源物浸种可以显著缓解干旱胁迫对欧报春种子萌发的抑制作用。此外，支链氨基酸分解代谢可用于脂肪合成以及相关代谢分子的积累，种子萌发过程中需要将富含的脂肪酸转化为糖类和蛋白质等有机物。兰大伟[22]研究表明，添加支链氨基酸能部分恢复丙酯草醚对牛繁缕植株的抑制。本研究发现，适宜浓度的BCAAs浸种能够缓解干旱和盐胁迫对于亚麻荠种子萌发的抑制作用，其中，100 μmol/L Val在干旱胁迫和盐胁迫下均对亚麻荠种子萌发的缓解效果最好。Val作为一种BCAAs，其降解代谢产物参与脂肪酸的合成及油脂积累，推测干旱胁迫和盐胁迫下，Val浸种能提高亚麻荠种子萌发过程所需的营养物质含量，从而促进种子萌发；此外，Val还可经过代谢转变为琥珀酰CoA进入三羧酸循环，推测Val浸种也能通过参与三羧酸循环提供种子萌发过程所需的能量，进一步促进干旱胁迫和盐胁迫下的种子萌发。

本研究通过筛选不同浓度PEG和NaCl下的亚麻荠种子发芽不致死的最低发芽势和萌发率，建立了0.2 g/mL PEG和150 mmol/L NaCl的模拟干旱和盐胁迫模型。在干旱和盐胁迫模型下，通过10、50、100 μmol/L的Leu、Val和Ile等3种BCAAs浸种处理，发现3种BCAAs都能改善亚麻荠种子的发芽能力，其中，100 μmol/L Val效果最好，能提高胁迫下亚麻荠种子萌发的发芽势、萌发率、根长、芽长、干质量和鲜质量。为进一步确定BCAAs-Val的最优浓度，扩大干旱和盐胁迫模型下Val浓度为10、50、100、150、200 μmol/L，结果仍为100 μmol/L的Val处理效果最优。本研究首次报道缬氨酸（Val）能显著促进干旱和盐胁迫下亚麻荠种子的萌发，为逆境条件下亚麻荠的种植和栽培提供了理论依据。