外源甜菜碱和脯氨酸对盐胁迫下大麦种子萌发及幼苗生长的影响

刘丽苹,汪军成,司二静,姚立蓉,鲁宗辉,祁天涛,马小乐,王化俊,李葆春,赵池铭,尚勋武,孟亚雄

(1.甘肃省干旱生境作物学重点实验室/甘肃省作物遗传改良与种质创新重点实验室,甘肃兰州 730070; 2.甘肃农业大学农学院,甘肃兰州 730070; 3. 甘肃农业大学生命科学技术学院,甘肃兰州 730070; 4.甘肃省定西市临洮农业学校,甘肃定西 730500)

盐胁迫是限制农业发展的主要环境因素之一,在全世界范围内,约有20%的耕地受到盐胁迫的影响[1]。土壤中高浓度的盐离子会对植物造成盐胁迫,影响植物正常的代谢过程,降低光合效率,造成农业损失和生态系统恶化[2]。在农作物生长发育的重要时期使用化学物质干预是提高农作物耐盐性的有效方法之一[3]。

氨基酸及其衍生物能够有效提高农作物对土壤盐胁迫的适应性[4]。甘氨酸甜菜碱(glycine betaine,GB)简称甜菜碱,是一种广泛存在于植物体内的生物碱,能够有效调节植物细胞渗透压,维持生物膜完整性[5]。农作物响应土壤盐胁迫时,可利用自身细胞内积累渗透保护物质调节细胞内外渗透平衡,从而缓解盐胁迫对农作物生长的影响。通常,盐胁迫下禾本科植物细胞内甜菜碱的积累水平与植物抵抗逆境胁迫的能力成正比[6]。韩志平等[7]发现,不同浓度GB浸种可以降低黄瓜在萌发期的相对电导率和丙二醛含量,有效缓解盐胁迫对幼苗细胞膜的氧化损伤,且在1.0～10.0 mmol·L-1范围内,随着GB浓度的增加,缓解效果越明显。华智锐[8]研究表明,施加外源GB可以显著提高盐胁迫下千屈菜种子萌发、幼苗生长、叶绿素含量和保护酶活性。GB通过调节渗透平衡缓解盐胁迫对农作物生长发育带来的损伤,对盐碱地作物的增产、增收具有重要意义[9]。

脯氨酸(proline,Pro)是一种重要的渗透调节保护剂,具有分子量小、水溶性大的特征,且对细胞无毒害作用,已被广泛用于缓解植物盐碱、干旱、低温等非生物胁迫中[10]。植物在响应逆境胁迫时,可以通过合成大量的Pro调节渗透平衡,稳定原生质胶体和组织代谢,以缓解因环境胁迫引起的损伤,从而提高抗逆性[11]。施用外源Pro可增加植物对逆境的抵御能力和适应性,尤其对盐胁迫具有较好的缓解效果[4]。陈晓云等[12]研究表明,20～30 μmol·L-1Pro处理下,荞麦叶片抗氧化酶活性和净光合速率均显著提高。陈奋奇等[13]研究表明,施加250 μmol·L-1Pro显著促进NaCl胁迫下不同玉米品种幼苗根系和地上部生长,提高叶片抗氧化物酶活性,且对盐敏感品种效应更大。

大麦是世界上最古老的谷类作物,与小麦、水稻等相比,它对盐胁迫的耐受性更强[14]。但其品种之间的耐盐性差异很大,深入研究不同耐盐性品种在关键生育时期对盐胁迫下施加外源物质的响应,对提高大麦耐盐性具有重要指导意义。本试验以耐盐品种中川大麦和盐敏感品种ZY218为试验材料,研究其在盐胁迫下萌发期及苗期表型和理化指标对外源GB和Pro的响应,以期为大麦耐盐品种选育提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为中川大麦(耐盐型)和ZY218(盐敏感型),分别由甘肃省农科院、甘肃省省部共建干旱生境作物学国家重点实验室麦类育种课题组提供。

1.2 试验设计

用200 mmol·L-1NaCl 溶液模拟盐胁迫,GB处理液设0、0.5、1.0、5.0、10.0 mmol·L-1(G0,G0.5,G1,G5,G10)5个浓度梯度,Pro处理液设0、5、15、30、45 mmol·L-1(P0,P5,P15,P30,P45)5个浓度梯度,均用1/2 Hoagland配制。选取大小一致、饱满的大麦种子,用10% NaClO溶液浸泡10 min,用蒸馏水冲洗3次,并用滤纸吸干表面水分;将消毒后的种子进行萌发试验和苗期试验。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 萌发相关指标测定

取1.2中消毒后大麦种子30粒,均匀摆放在垫有双层滤纸培养皿中,加入5 mL不同处理液在温室中进行萌发,每个处理3次重复;萌发后第3 天统计发芽势;发芽第7 天统计发芽率,并测定幼苗株高、根长、芽长和总根数。以芽长等于根长的1/2作为发芽标准。温室条件:昼/夜温度23 ℃/18 ℃,湿度 50%～60%,光周期12 h/12 h (明/暗),光强 400～500 μmol·m-2·s-1。

1.3.2 苗期相关指标测定

取1.2中消毒大麦种子50粒,均匀放入底部用蒸馏水浸润的发芽盒中,温室内培养至二叶一心期;用10 L不同处理液培养,每2 d更换相应的培养液;14 d后取样,测定株高、地上和地下部鲜/干重、叶片SOD、POD、CAT活性及叶绿素含量,采用扫根仪(EPSON Expression 12000XL)测定幼苗总根长、总根体积、总根表面积。温室条件同1.3.1。每个处理3次重复。叶绿素含量采用丙酮提取法测定[15];超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性的测定参照李合生[16]的方法;过氧化氢酶(CAT)活性的测定参照高俊凤[17]的方法。

1.4 数据处理

使用 Excel 2016进行数据统计、作图,运用SPSS 19.0的Duncans法进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 外源GB和Pro对盐胁迫下大麦种子萌发的影响

由表1可知,GB对盐胁迫下两个大麦品种的根长与根数均无显著效应,对发芽势、发芽率和芽长均有显著提高作用(P< 0.05)。在1.0 mmol·L-1GB处理下,中川大麦和ZY218的发芽势、发芽率和芽长均达到最大值;中川大麦较其对照(0 mmol·L-1)的发芽势、发芽率、芽长增加52.2个百分点、49.5个百分点和63.77%;ZY218较其对照的发芽势、发芽率、芽长分别增加25.2个百分点、24.5个百分点和62.07%。结果表明,1.0 mmol·L-1GB对盐胁迫下两个品种萌发促进效应最佳,且主要促进大麦茎的生长,对根的生长影响不显著。

表1 外源GB对不同耐盐性大麦种子萌发的影响Table 1 Effect of exogenous betaine on germination of barley seeds with different salt tolerance

Pro对盐胁迫下两个品种根生长无显著效应,对发芽势、发芽率和芽长均有显著提高作用(表2)。中川大麦和ZY218的发芽势、发芽率和芽长分别在30.0和15.0 mmol·L-1Pro处理下达到最大值;中川大麦的发芽势、发芽率和芽长较大对照分别增加了48.9个百分点、43.3个百分点和61.54%;ZY218的发芽势、发芽率和芽长分别增加了44.5个百分点、58.9个百分点和70.71%、64.52%。结果表明,30.0 mmol·L-1Pro对盐胁迫下中川大麦种子萌发促进作用最佳, 15.0 mmol·L-1Pro对盐胁迫下ZY218种子萌发促进作用最佳;在最适浓度下,ZY218各萌发指标增幅大于中川大麦;Pro处理对2大麦品种根生长影响不显著,对茎的生长有显著促进作用。

表2 外源Pro对不同耐盐性大麦种子萌发的影响Table 2 Effect of exogenous proline on germination of barley seeds with different salt tolerance

2.2 外源GB和Pro对盐胁迫下大麦幼苗生长的影响

由表3可知,GB对两个大麦品种的地下鲜重、总根长、总根表面积、总根体积均无显著效应,对根冠比有显著降低作用(P< 0.05)。在1.0 mmol·L-1GB处理下,中川大麦和ZY218的根冠比均达到最小值,与对照相比,中川大麦根冠比降低61.43%,ZY218根冠比降低60.80%。GB对两个品种的株高、地上鲜重有显著提高作用(P< 0.05)。在1.0 mmol·L-1GB处理下,中川大麦和ZY218的株高、地上鲜重均达到最大值;与对照相比,中川大麦幼苗的株高、地上鲜重分别增加了34.59%、60.73%,ZY218幼苗的株高、地上鲜重分别增加了56.84%、66.68%。结果表明,适量外源GB能有效缓解盐胁迫对大麦幼苗生长的影响,以1.0 mmol·L-1GB的缓解效果最佳;GB处理对大麦苗期根生长的影响不显著,对茎生长有显著促进作用。

表3 外源GB对不同耐盐性大麦幼苗生长的影响Table 3 Effects of exogenous betaine on the growth of barley seedlings with different salt tolerance

由表4可知,Pro对两个麦品种的根冠比均无显著效应,对株高、地上鲜重、地下鲜重、总根长、总根表面积、总根体积有显著提高作用(P< 0.05)。在30.0 mmol·L-1Pro处理下,中川大麦的被测指标达到最大值,与对照相比,其株高、地上鲜重、地下鲜重、总根长、总根表面积、总根体积分别增加了33.15%、59.41%、58.27%、 53.58%、66.68%、71.42%;在15.0 mmol·L-1Pro处理下ZY218的被测指标达到最大值,其株高、地上鲜重、地下鲜重、总根长、总根表面积、总根体积较CK2分别增加了66.12%、70.18%、 65.17%、34.48%、63.14%、57.48%。以上结果表明,适量外源Pro能有效缓解盐胁迫对大麦幼苗生长的影响,其生长显著提高。

表4 外源Pro对不同大麦幼苗生长的影响Table 4 Effect of exogenous proline on the growth of barley seedlings

2.3 外源GB和Pro对盐胁迫下大麦幼苗叶绿素含量的影响

由图1A和图2A可知,GB和Pro处理对两个大麦品种幼苗的叶绿素含量均有显著提高作用(P< 0.05)。在1.0 mmol·L-1GB处理下,中川大麦和ZY218的叶绿素含量均达到最大值,与对照相比,中川大麦叶绿素含量增加62.48%,ZY218叶绿素含量增加57.03%。中川大麦和ZY218幼苗的叶绿素含量分别在30.0 mmol·L-1、15.0 mmol·L-1Pro处理下达到最大值;与对照相比,中川大麦增加33.68%,ZY218增加50.57%。这表明适量外源GB和Pro可以有效缓解盐胁迫对大麦幼苗叶绿素含量的影响,且不同耐盐性大麦的最适Pro浓度不同。

图2 外源脯氨酸对不同大麦幼苗生理指标的影响Fig.2 Effect of exogenous proline on physiological indices of barley seedlings

2.4 外源GB和Pro对盐胁迫下大麦幼苗保护酶活性的影响

由图 1和图2可知,GB和Pro处理对盐胁迫下两个大麦品种幼苗的3种保护酶活性均有显著提高作用(P< 0.05)。在1.0 mmol·L-1GB 处理下,中川大麦和ZY218幼苗的3种保护酶活性均达到最大值,中川大麦幼苗的POD、SOD、CAT活性比对照增加了71.98%、43.40%、54.97%,ZY218幼苗的POD、SOD、CAT活性分别增加了80.95%、24.89%、71.01%。中川大麦在30.0 mmol·L-1Pro处理下幼苗的POD、SOD、CAT活性分别比对照增加了 76.01%、37.43%、74.61%;ZY218的POD、SOD、CAT活性在15.0 mmol·L-1Pro处理下幼苗的POD、SOD、CAT活性分别比增加了83.04%、40.00%、66.48%。以上结果表明,适量外源GB和Pro可以有效缓解盐胁迫对大麦幼苗保护酶活性的影响,且不同耐盐性大麦的最适Pro浓度不同。

3 讨论

3.1 外源甜菜碱、脯氨酸对盐胁迫下大麦种子萌发的影响

种子萌发期是植物生长最重要的阶段,也是耐盐性最差的阶段[18],故提高种子萌发期的耐盐性十分重要。研究表明,外源甜菜碱能显著改善黑枸杞[19]、紫花苜蓿[20]和番茄[21]等在盐胁迫条件下的种子萌发。华智瑞[8]研究发现,外源甜菜碱能显著提高千屈菜种子在NaCl胁迫下的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数等萌发指标。本研究中,外源甜菜碱可以显著提高盐胁迫下大麦种子的芽长、发芽势和发芽率,在1.0 mmol·L-1处理下改善效果最显著,说明适宜浓度的外源甜菜碱可以有效缓解盐胁迫对大麦种子萌发的抑制,这与前人研究结果一致。外源甜菜碱对萌发期大麦的根长和根数无显著影响,这可能与甜菜碱的调控特性有关。

脯氨酸作为一种重要的渗透调节剂,在缓解植物盐胁迫中发挥着重要作用[22]。已有大量研究证实,外源脯氨酸能提高盐胁迫下不同作物种子的萌发指标,如水稻[23]、高粱[24]和油菜[25]。本研究发现,外源脯氨酸可以有效缓解盐胁迫对大麦发芽势、发芽率和芽长的抑制,但对其根系生长影响不显著。中川大麦和ZY218最适脯氨酸缓解浓度分别为30.0和15.0 mmol·L-1,这可能与两种大麦耐盐性差异有关,这与朱世杨等[26]对花椰菜的研究结果一致。颜志明等[27]发现,同一浓度的外源脯氨酸对不同耐盐性甜瓜的盐胁迫的缓解效果不同。因此,在实际生产中,施加外源脯氨酸缓解作物盐胁迫时,不同品种选用其适宜的处理浓度。

3.2 外源甜菜碱和脯氨酸对盐胁迫下大麦幼苗生长的影响

盐胁迫会严重抑制作物幼苗的生长,作物也会分泌甜菜碱和脯氨酸等有机渗透调节物质以响应盐胁迫[28]。杨晓云等[29]研究发现,外源甜菜碱可有效促进NaCl胁迫下玉米幼苗根系和地上部的生长。谈建中等[30]研究发现,通过叶片喷施脯氨酸也可显著缓解盐胁迫对桑树幼苗生长的抑制作用。本研究发现,盐胁迫下施加1.0 mmol·L-1甜菜碱可显著提高不同耐盐性大麦幼苗的株高和地上鲜重,且在盐敏感型品种ZY218的增幅高于耐盐品种中川大麦,这可能是由于盐敏感型品种在盐胁迫下受到更强烈的抑制作用;不同浓度甜菜碱处理对苗期大麦的地下鲜重、总根长、总根体积、总根表面积无显著影响,而根冠比均低于对照组,这与高 雁等[31]研究一致,推测外源甜菜碱主要通过缓解盐胁迫对茎生长的抑制调控植株根冠比以响应盐胁迫。本研究发现,外源脯氨酸不仅缓解了盐胁迫对不同耐盐性大麦地上部生长的抑制,同时显著促进了根系的生长,这说明脯氨酸在参与大麦苗期盐胁迫响应时可以同时调控根系和地上部的生长。两种耐盐性大麦在苗期的最适脯氨酸浓度存在差异。

3.3 外源甜菜碱和脯氨酸对盐胁迫下大麦幼苗叶绿素含量的影响

叶绿素是植物进行光合作用的主要色素,其含量可作为衡量叶片光合能力的指标[32]。有研究表明,盐胁迫可降低水稻[33]、番茄[34]、黄瓜[35]等多种植物的叶绿素含量。尹海龙等[36]研究发现,盐胁迫下,玉米幼苗叶片叶绿素含量显著下降,但根施甜菜碱可明显缓解这种抑制作用。与上述结果一致,本研究发现,不同浓度甜菜碱可有效缓解盐胁迫对不同耐盐性大麦叶绿素含量的影响 ,1.0 mmol·L-1甜菜碱处理的缓解效果最为显著。这表明适宜浓度的甜菜碱可通过提高大麦幼苗叶绿素的含量改善光和效率,从而增强抗盐性。外源脯氨酸在缓解盐胁迫对植物叶绿素含量的影响方面也起着积极作用。唐依萍等[37]研究发现,盐胁迫下施加一定浓度的外源脯氨酸可以延缓番茄叶片叶绿素含量的下降趋势。本研究发现,不同浓度脯氨酸可有效缓解盐胁迫对大麦幼苗叶绿素含量的影响,但不同耐盐性大麦的适宜浓度存在差异。这与洪春桃等[38]研究结果一致。

3.4 外源甜菜碱、脯氨酸对盐胁迫下大麦幼苗抗氧化酶活性的影响

盐胁迫会导致作物幼苗积累大量活性氧(ROS),而植物主要通过增加SOD、POD以及CAT等酶活性清除体内过多的ROS[39]。本研究结果表明,在盐胁迫下施加不同浓度的甜菜碱显著增加了不同大麦品种幼苗叶片的POD、SOD和CAT活性,在1.0 mmol·L-1浓度时效果最显著。这说明外源甜菜碱可以通过增加大麦的抗氧化能力缓解盐胁迫对大麦幼苗生长的抑制作用。这与凌欣闻等[40]对早熟禾的研究结果一致。陈晓云等[13]研究发现,外源脯氨酸处理可以显著降低盐胁迫下荞麦叶片的质膜透性和MDA含量,增加POD、SOD 活性,且对盐敏感荞麦叶片细胞具有更好的保护作用。与上述结果一致,本研究发现不同浓度脯氨酸可有效缓解盐胁迫对不同耐盐性大麦POD、SOD、CAT活性的影响,且对盐敏感品种ZY218叶片保护酶的缓解效果较好。结果表明,外源甜菜碱和脯氨酸不仅可以直接参与植物盐胁迫下细胞渗透压的调节,还能通过调节抗氧化酶系统参与大麦幼苗的盐胁迫响应。