外源CO供体高铁血红素对盐胁迫下加工番茄苗期根系形态及生理特性的影响

滕元旭,骆 霞,张雪蒙,崔辉梅

(1.石河子大学农学院,新疆 石河子 832003; 2．特色果蔬栽培生理与种质资源利用兵团重点实验室,新疆 石河子 832003)

【研究意义】新疆是世界三大加工番茄产区之一[1],近年来随着膜下滴灌技术的推广和不断的浅层灌溉,土壤正处于较严重的积盐状态,目前土壤盐渍化已成为制约加工番茄生长发育的重要非生物因素[2],CO作为三大气体信号分子之一,在植物细胞中具有调节植物生理变化的特性[3]。同为气体信号分子的H2S[4-5]、NO[6]被证明可以有效缓解盐胁迫。因此,探究适宜浓度CO对盐胁迫的缓解效应和机理研究,对提高番茄耐盐性具有重要意义。【前人研究进展】目前,多数研究认为盐胁迫主要通过渗透胁迫[7]、氧化胁迫[8]、离子胁迫[9]来影响番茄的生长发育、根系形态构建[10]、光合作用[11]和生理代谢等方面。近年来,通过外源物质诱导提高植物抗逆性的研究已经取得较大进展,王红燕等[12]分析不同浓度NaHS处理对盐胁迫下棉花的影响发现,外源H2S可以显著缓解盐胁迫对棉花生长的抑制,增强光合性能,提高抗氧化能力,提高植物抗盐性。朱营营等[13]研究发现,外源NO同样可以缓解盐胁迫对花生生长的抑制,而周万海等[14]对苜蓿根系的研究发现外源NO对改善盐胁迫对苜蓿根系的生长抑制及氧化损伤起到一定作用。袁星星等[15]研究表明,CO可以有效缓解盐胁迫对小麦幼苗的生长抑制。Verma等[16]研究发现,CO可以通过增强抗氧化酶活性及脯氨酸含量来缓解盐胁迫对油菜的伤害。李江等[17]研究发现,外源CO可以显著提高干旱胁迫下保护酶活性,降低膜脂过氧化程度。而Chen等[18]和Amooaghaie等[19]分别对CO处理下的锌胁迫水稻和银胁迫芥菜的研究发现,CO处理可以降低重金属离子在植物体内的积累,降低重金属离子对植物的伤害。【本研究切入点】近年来,针对CO缓解非生物胁迫的研究已经开展,但外源CO能否调控盐胁迫下加工番茄幼苗根系形态构建和抗氧化能力,增强抗盐性目前鲜有报道。【拟解决的关键问题】以加工番茄为试验材料,采用水培方式研究盐胁迫下喷施不同浓度CO供体对加工番茄幼苗的影响,旨在探讨盐胁迫下加工番茄对外源CO的响应机制,为CO在提高番茄耐盐性等领域提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试加工番茄为KT-32品系,高铁血红素(hemin)购自Sigma公司(美国)。

1.2 试验设计

将供试种子在1%高锰酸钾溶液中消毒10 min,用蒸馏水冲洗3次,播种于72 孔穴盘中,穴盘基质为v(草炭)∶v(蛭石)=1∶1。加工番茄第1片真叶展平后,用1/2 Hoagland营养液培养,待加工番茄4叶1心时移栽至水培槽(1X Hoagland营养液)中,缓苗3 d后进行处理。

试验设置6个处理:正常处理(对照,CK)、NaCl(100 mmol/L NaCl)、H1(100 mmol/L NaCl+5 μmol/L hemin)、H2(100 mmol/L NaCl+10 μmol/L hemin)、H3(100 mmol/L NaCl+15 μmol/L hemin)、H4(100 mmol/L NaCl+25 μmol/L hemin)。每个处理重复5次,每个重复5株番茄。试验处理液均用1×Hoagland营养液配置,并用气泵向水培槽中通入空气,试验期间每天10:00左右向加工番茄幼苗喷施处理试剂,CK处理和NaCl处理喷施蒸馏水,各处理喷到叶片滴水为止。于处理后3、6、9 d测定相关参数。

1.3 测定方法

1.3.1 根系形态 将幼苗根系放置在扫描仪上,每根根系展开,避免重叠和交叉;采用根系扫描仪进行扫描,使用Win-RHIZO测定总根长(L)、根投影面积(PA)、根表面积(SA)、根体积(AD)、根系平均直径(RV)等参数。

1.3.2 光合色素含量 参照王学奎[20]的方法测定光合色素含量(95%乙醇法)。测定665、649、470 nm处的分光光度值,其中叶绿素a含量Ca=13.95A665-6.88A649,叶绿素b含量Cb=24.96A649-7.32A665,叶绿素总量Ca+b=Ca+Cb,类胡萝卜素含量Car=(1000A470-2.05Ca-114.8Cb)/245

1.3.3 叶片相对含水率 每个处理各取3片第4片叶片,称取鲜重(Fw)后置于蒸馏水中浸泡2 h,滤纸吸干后,称其饱水重(Tw),放入烘箱中105 ℃杀青15 min后,75 ℃烘干至恒重,称干重(Dw)。计算相对含水率RWC=(Fw-Dw)/(Tw-Dw)。

1.3.4 抗氧化酶活性测定 称取0.2 g加工番茄第4片叶的叶片,参照陈建勋等[21]的方法测定过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、过氧化氢酶(CAT)活性。

1.4 数据处理及分析

运用Excel 2019对试验数据进行整理,使用SPSS 19.0对各处理数据进行统计分析,对各处理进行单因素方差分析,使用Duncan法进行多重比较检验(P<0.05),使用Origin 2022进行数据图绘制。

2 结果与分析

2.1 外源CO对盐胁迫下加工番茄根系形态的影响

由表1可知,随着盐胁迫持续,加工番茄KT-32幼苗的总根长、根投影面积、根表面积、平均根系直径、总根体积的增长幅度均呈降低趋势,外源施加CO供体的处理H1、H2、H3、H4在6和9 d时与NaCl处理相比均呈增长趋势,当盐胁迫持续到第9天,NaCl处理的总根长、根投影面积、根表面积、平均根系直径、总根体积分别比CK降低24.12%、32.01%、32.01%、32.51%、42.04%,均呈显著差异。H3处理相对NaCl处理缓解效果最为显著,总根长、根投影面积、根表面积、平均根系直径、总根体积分别增加24.22%、38.16%、38.16%、24.51%、53.97%,均呈显著差异。

2.2 外源CO对盐胁迫下加工番茄叶片叶绿素含量的影响

由图1可知,随着盐胁迫时间延长,各处理叶片的叶绿素含量呈逐渐降低趋势,但下降幅度存在差异。在3、6、9 d下盐胁迫处理(NaCl)叶片的叶绿素含量均显著低于同期对照(CK),各浓度CO供体处理(H1～H4)也不同程度高于同期单盐处理(NaCl),随着CO浓度的升高呈不断升高后降低趋势,在H3处理最高且与NaCl处理呈显著差异。在处理第9天,加工番茄叶片中叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b含量在NaCl处理比CK显著降低41.73%、42.90%、42.09%,在H3处理比NaCl处理显著增加29.04%、34.73%、30.75%。而类胡萝卜素含量变化(图1-D)与叶绿素含量变化相似,且在处理第9天NaCl处理比CK显著降低35.56%,而H3处理比NaCl处理显著提高26.06%。可见盐胁迫会显著降低加工番茄幼苗叶片中叶绿素含量和类胡萝卜素含量,叶片喷施不同浓度的CO供体能显著缓解叶绿素和类胡萝卜素含量降低趋势,并以H3处理效果最佳。

图1 外源CO对盐胁迫下加工番茄幼苗叶片叶绿素含量的影响Fig.1 Effects of exogenous CO on the chlorophyll content of processed tomato seedlings under salt stress

2.3 外源CO对盐胁迫下加工番茄叶片活性氧代谢的影响

图2 外源CO对盐胁迫下加工番茄幼苗叶片产生速率和H2O2含量的影响Fig.2 Effects of exogenous CO on production rate and H2O2 content in leaves of processed tomato seedlings under salt stress

2.4 外源CO对盐胁迫下加工番茄叶片保护酶活性的影响

由图3可知,随着盐胁迫的延长,盐处理下KT-32幼苗叶片的SOD和APX活性呈逐渐降低趋势,在处理9 d时达到最低;而POD和CAT活性呈先降低再升高趋势,处理6 d达到最低,且各盐处理下SOD、POD、CAT、APX活性与对照相比均显著提高。随着CO供体浓度升高,叶片中POD酶活性在3、6、9 d呈先升高后降低趋势,CAT酶在3、6、9 d呈不断降低趋势,SOD、APX酶活性在3、6、9 d呈先降低后升高趋势,且喷施CO供体的处理显著高于同期NaCl处理。在处理9 d时,与NaCl处理相比,H3处理SOD、POD、APX活性分别显著提高36.19%、97.23%和135.35%,CAT活性显著降低55.54%。

图3 外源CO对盐胁迫下加工番茄幼苗叶片保护酶活性的影响Fig.3 Effects of exogenous CO on the activity of protective enzymes in leaves of processed tomato seedlings under salt stress

由此可见,外源CO可有效提高盐胁迫下加工番茄幼苗叶片中4种抗氧化酶活性,且多以H3处理效果最佳。

2.5 外源CO对盐胁迫下加工番茄叶片渗透性调节的影响

由图4-A可知,随着盐胁迫延长,加工番茄幼苗叶片中脯氨酸含量呈先升高后降低趋势,在处理第6天达到峰值,在6 d时各CO处理均高于同期NaCl处理;可溶性糖含量变化(图4-B)随时间延长呈先升高后降低趋势,各盐胁迫处理均高于同期对照。随着CO供体浓度升高,第3、6天时叶片中脯氨酸含量和可溶性糖含量均呈增加趋势。处理第6天时,H3处理的脯氨酸、可溶性糖含量达到最高,与NaCl相比,分别增加40.68%和55.20%。而可溶性蛋白含量(图4-C)随着时间延长呈逐渐降低趋势,各盐胁迫处理均低于同期对照。随着CO供体的浓度增加呈先增加后降低趋势;相对含水率(图4-D)的变化趋势与可溶性蛋白含量趋势一致,处理第9天时H3效果最佳,与NaCl处理相比分别增加117.34%和13.43%。由此可见,盐胁迫显著提高了叶片中可溶性糖和脯氨酸含量,显著降低了可溶性蛋白含量和相对含水率,叶面喷施CO供体可调节叶片中渗透性调节物质含量,增加叶片相对含水率,并以H3处理效果最佳。

2.6 外源CO对盐胁迫下加工番茄叶片相对电导率及MDA含量的影响

由图5可知,随着盐胁迫延长,加工番茄幼苗叶片中相对电导率(REC)和丙二醛(MDA)含量均呈逐渐上升趋势,相对电导率(REC)在处理第9天达到峰值,在处理第9天时各CO处理均低于同期NaClP处理,其中以H3处理缓解效果最佳,与NaCl处理相比显著降低19.35%;丙二醛(MDA)含量在处理第6天达到最高,在第6天时各CO处理均低于同期NaCl处理,其中以H3处理缓解效果最佳,与NaCl处理相比显著降低61.95%。说明外源CO处理能有效缓解盐胁迫下加工番茄幼苗叶片细胞膜透性提高,其中以H3处理效果最佳。

2.7 外源CO对盐胁迫下加工番茄幼苗根系形态及生理效应的综合性评价

表2 不同处理下加工番茄幼苗各指标相关性分析

表3 主成分分析方差解释

2.7.3 综合得分排名 对上述的4个主成分代表指标进行总得分排名,F1、F2、F3、F4分别代表第一、第二、第三、第四主成分。综合得分(F)为每个主成分得分与对应贡献率的乘积之和,即F=F1×36.883%+F2×32.724%+F3×14.838%+F4×7.125%。由表4可知,KT-32在各处理下综合得分分别为2.87、-3.95、-1.33、0.01、2.25、0.69,因此不同处理对KT-32幼苗的效应从大到小依次为:CK、H3、H4、H2、H1、NaCl。

表4 KT-32幼苗在不同处理下的综合得分排名

3 讨 论

盐胁迫下番茄幼苗生长会发生一系列形态和生理变化,植物主要依靠根系从土壤中吸收水分和营养,供给植物生长发育、新陈代谢等生理活动所需[23]。盐胁迫会抑制根系发育和伸长,使根长和根体积下降[24],程贝等[10]研究发现,0.2%、0.3%盐浓度胁迫会使番茄根系生长受到抑制。本研究发现,100 mmol/L NaCl胁迫对加工番茄幼苗根系生长具有很强的抑制作用,主要表现在根系长度、体积、表面积和直径上,而外源施加CO供体会缓解对根系生长的抑制作用。这与方涛等[25]试验结果类似。

植物生长发育所需的能量来源于光合色素捕获的光能,而叶片中光合色素的含量在很大程度上反映出植物的光合能力[26],当植物受到盐胁迫时叶片中的叶绿素会出现降解[27]。本研究表明,盐胁迫使加工番茄叶片中Chla、Chlb、Chla+b含量随时间延长不断降低,此观点与孙德智等[28]研究一致。本研究发现,施加外源CO后,盐胁迫对加工番茄叶片叶绿素含降解出现明显缓解,但并不能停止叶绿素的降解,同时类胡萝卜素含量的升高可以提高植物的抗氧化能力[28]。CO可能通过提高叶片光合色素含量,缓解NaCl胁迫,提高加工番茄叶片的光合能力。

叶片相对含水率可反映植物水分状况,可以直接反映植物水分亏缺程度[29],游离脯氨酸是细胞质内重要的渗透性调节物质,可溶性蛋白具有较强的吸水性[30],而可溶性糖可以缓解逆境对膜系统的伤害[31],三者均可以作为渗透性调节物质缓解盐胁迫对加工番茄的影响。本研究表明,盐胁迫会降低植物叶片的相对含水率和可溶性蛋白含量,并伴随着脯氨酸和可溶性糖含量的提高,而施加外源CO后,加工番茄叶片含水率下降有所缓解,并逐渐趋近于正常水平,可溶性糖和脯氨酸含量进一步提高。本研究发现,CO可能通过提高渗透性调节物质含量,提高叶片中的水分,缓解盐胁迫。此观点与Zhang等[32]研究结果一致。

4 结 论

外源CO对盐胁迫下KT-32幼苗的影响是多个生理活动相互影响的结果,本试验对21个相关指标进行测定并进行相关性及主成分分析,通过综合得分排名得出不同浓度外源CO对盐胁迫下加工番茄叶片缓解作用依次为:H3>H4>H2>H1。因此外源CO通过提高盐胁迫下加工番茄幼苗的抗氧化酶活性和渗透性调节物质,降低膜脂过氧化程度提高植株光合色素含量,维持抗氧化酶系统与膜内外环境的相对稳定,进而清除过量的活性氧,抑制盐胁迫对植株的伤害,并具有浓度效应,以15 μmol/L缓解效果最佳。