外源亚精胺对盐胁迫下马铃薯幼苗生长和抗逆生理特征的影响

刘 易,江应红,王亚玲,杨茹薇,吴 燕

(新疆农业科学院综合试验场,乌鲁木齐 830013)

土壤盐渍化导致土壤生产力降低[1],影响全球粮食安全,严重地区减产幅度高达97%[2]。盐胁迫造成植物膜结构和功能发生变化[1],严重影响作物生长和发育,导致作物产量和品质下降。马铃薯是中国第四大粮食作物,是粮、菜、饲兼备的作物,具有较高的经济价值和营养价值。然而,土壤盐渍化、干旱、温度等非生物胁迫严重制约着马铃薯产业发展[3]。如何提升马铃薯植株耐盐性,保证其在盐渍化土壤中的生存能力,是保障盐渍化区域马铃薯种植提质增效的有效途径。

多胺(polyamine,PAs)包括精胺(Spm)、亚精胺(Spd)、腐胺(Put),是生物体内具有生理活性的低分子量脂肪族含氮碱,在植物生长、形态建成、防止衰老和抵抗环境胁迫等方面起重要作用。在逆境胁迫下,植物可通过改变体内多胺含量稳定细胞膜结构,缓解氧化压力,保护生物大分子结构并参与逆境胁迫信号传递[4-5]。在盐胁迫条件下,Spd可以缓解植物代谢紊乱[6]、减轻氧化损伤[7]、维持正常的光合效率[8],促进植物生长。但Spd对盐胁迫下马铃薯植株,以及不同耐盐性马铃薯品种对Spd的响应差异等机理研究尚未有报道。因此,本研究以不同耐盐程度的马铃薯品种‘晋薯16 号’、‘冀张薯12号’幼苗为试验材料,采用不同浓度NaCl模拟盐胁迫处理,探究Spd增强马铃薯幼苗耐盐性的生理调节机制,了解不同耐盐性马铃薯品种对Spd的响应差异,以期为亚精胺在马铃薯抗盐栽培中实际应用,以及盐渍化区域马铃薯品种选择提供理论依据,促进盐渍化区域马铃薯产业的可持续发展。

1 材料和方法

1.1 供试材料与试验设计

1.1.1幼苗培养

试验于2021年5月-2022年6月在新疆农业科学院综合试验场组培实验室和网室内进行。以本研究团队前期确定的中度耐盐品种‘晋薯16号’、轻度耐盐品种‘冀张薯12号’[9]为供试材料,脱毒苗由新疆农业科学院综合试验场通过茎尖剥离、扩繁等流程繁育。筛选长势一致无病毒感染的马铃薯脱毒苗,根部用 0.1% HgCl2消毒 5 min,再用蒸馏水冲洗干净后,均匀扦插在底部有孔、装有蛭石的硬质塑料苗盘(每盘 50 株,苗盘高 20 cm,长 40 cm,宽 25 cm)中,于人工气候培养箱中[(25/20±1) ℃],光照14 h/黑暗10 h,相对湿度 60%～70%)培养,期间每 3 d用 1/4 Hongland 营养液浇灌1次。待幼苗第3片真叶展开时,拔除长势差和太密集的幼苗,从人工气候箱中取出转为网室内自然培养,自然培养 2 周后,每盘定苗 32 株。

1.1.2Spd溶液配制

亚精胺(Spd)为 Sigma 公司产品,先用去离子水配成 100 mmol/L母液,4 ℃保存,稀释成相应浓度待用。

1.1.3试验处理

为了得到马铃薯幼苗外源Spd处理的适宜浓度和NaCl胁迫适宜浓度,经过查阅文献进行相关预试验。其中,NaCl胁迫下外源Spd喷施浓度预试验设置0.3,0.6,0.9,1.2 mmol/L 4个Spd浓度梯度,结果表明0.9 mmol/L Spd浓度对盐胁迫的缓解效果最明显,且对正常条件下马铃薯幼苗没有伤害;马铃薯幼苗对盐胁迫的响应预试验设置25～500 mmol/L NaCl浓度,结果表明100～300 mmol/L NaCl胁迫条件下马铃薯幼苗表现出生长减弱、失绿、萎蔫现象,但未出现死亡。参考以上预试验结果,设定本试验Spd和NaCl浓度处理。

试验共设置8个处理:(1)CK,对照,1/4 Hoagland 营养液+叶面喷施蒸馏水;(2)S,单独Spd处理,1/4 Hoagland 营养液+叶面喷施Spd(0.9 mmol/L);(3)-(5)N100、N200和N300,单独盐处理,1/4 Hoagland 营养液+NaCl溶液(100,200,300 mmol/L)+叶面喷施蒸馏水;(6)-(8)SN100、SN200、SN300,Spd和盐复合处理,1/4 Hoagland 营养液+NaCl溶液(100,200,300 mmol/L)+叶面喷施Spd(0.9 mmol/L)。

当马铃薯脱毒幼苗长至 4～5 片真叶时,于每天10∶00 和 16∶00 各叶面喷施1次处理液,每盘每次喷施量为10 mL,以叶片正反面都无溶液滴下为标准,共连续处理 7 d。每个试验处理32株马铃薯幼苗,设置5次重复,各试验处理随机排列;马铃薯幼苗处理结束后生长10 d取部分样品进行非损伤测试,剩余样品选取植株自上而下的第2～3 片功能叶进行植株生物量、渗透调节物质含量、抗氧化酶活性及抗氧化物质含量等指标的测定,样品用去离子水洗净,放液氮中速冻后,置于-80 ℃冰箱中保存待测,每次取样 8 株,每个指标测定3 次重复。

1.2 测定项目与方法

1.2.1生长指标

(1)株高和茎粗:用直尺测量幼苗的第1片子叶着生点到生长点的距离作为幼苗株高;用游标卡尺测定同期幼苗距离子叶节下1 cm 处茎部直径作为茎粗;(2)鲜重和干重:将幼苗地上、地下部分分开,迅速用蒸馏水洗净并吸干表面水分,称取鲜重后,先在110 ℃烘箱杀青10 min,之后转至75 ℃ 烘干至衡重,称干重。地上部鲜重和干重以8株幼苗的平均值表示。

1.2.2根系活力和叶绿素含量

根系活力采用 TTC 法测定[10];叶绿素含量采用乙醇、丙酮浸泡法提取,分光光度计测定其吸光度并计算其含量[10]。

1.2.3渗透调节物质含量

幼苗脯氨酸含量采用酸性茚三酮比色法测定,可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定,氨基酸总量采用茚三酮显色法测定[11]。

1.2.4抗氧化酶活性及抗氧化物质含量

幼苗超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑(NBT)光化还原法测定[12];过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性按张志良等[10]方法测定;抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性按照 Nakano 等的方法测定[13];抗坏血酸(ASA)和谷胱甘肽(GSH)含量参照陈建勋等[14]方法测定。

1.3 数据分析

数据处理使用Excel 2010软件,使用SAS 8.1软件进行方差分析和Duncan多重比较。

2 结果与分析

2.1 叶面喷施Spd对盐胁迫下马铃薯幼苗生长的影响

图1显示,与CK 相比,单独Spd处理(S处理)的“晋薯16号”、“冀张薯12号”植株株高、茎粗、鲜重、干重等生长指标均不同程度提高,其中株高、鲜重的增幅显著(P＜0.05)。

图1 外源亚精胺对盐胁迫下马铃薯幼苗生长的影响CK.Spray distilled water on leaf surface;S.The leaf surface was sprayed with 0.9 mmol/L Spd;N100_N300.The leaves were treated with distilled water sprayed under 100,200 and 300 mmol/L NaCl stress.SN100-SN300.Under 100,200,300 mmol/L NaCl stress,0.9 mmol/L Spd was sprayed on the leaves.The different lowercase letters for same cultivar indicate significant difference among treatments at 0.05 level (P＜0.05).The same below.Fig.1 Effects of exogenous spermidine on the growth of potato seedlings under salt stress

各浓度单独盐胁迫处理(N100、N200、N300)的2个品种马铃薯幼苗生长指标均比CK 显著降低,且降幅随着盐胁迫浓度的增加而增大。其中,在N300处理下,幼苗株高、鲜重和干重在‘晋薯16号’中较CK 分别显著降低32.17%、41.18%、32.18%,在‘冀张薯12 号’分别显著降低25.38%、38.46%、36.05%。可见,在本试验条件下,外源Spd对马铃薯幼苗的生长有促进作用,而不同程度的盐胁迫均显著抑制了幼苗的生长,尤其是株高和鲜重表现得更为明显。同时,与单独盐胁迫相比,Spd复合处理(SN100、SN200、SN300)均促使盐胁迫下两品种幼苗的生长指标显著增加(个别处理的茎粗除外),但其增幅在不同程度盐胁迫处理间存在差异。其中,‘晋薯16号’植株株高、茎粗、鲜重、干重的增幅分别在SN100、SN300、SN300、SN200处理时达到最大,分别较相应的单独盐胁迫处理显著增加25.38%、4.80%、15.00%、36.92%;‘冀张薯12号’植株以上各指标增幅均在SN100处理时达到最大,分别较相应单独盐胁迫处理显著增加30.31%、5.51%、18.52%、32.86%。以上结果表明,外源Spd可缓解盐胁迫对马铃薯植株的生长抑制,但缓解作用在不同耐盐性品种间有差异。外源Spd对马铃薯植株盐害的缓解作用在100 mmol/L盐胁迫(N100)下表现为轻度耐盐品种‘冀张薯12号’优于中度耐盐品种‘晋薯16号’,在200 mmol/L 盐胁迫(N200)下则表现相反。

2.2 叶面喷施Spd对盐胁迫下马铃薯幼苗叶绿素含量和根系活力的影响

2个马铃薯品种幼苗叶绿素含量和根系活力在各处理下的变化特征与生长指标基本一致,即在单独Spd处理下得到不同程度促进,在不同程度单独盐胁迫下均受到显著抑制,在复合Spd处理下均得到不同程度恢复,恢复程度在品种间和盐胁迫程度间存在差异(图2)。其中,S处理对幼苗叶绿素含量和根系活力的促进作用除‘冀张薯12号’的叶绿素含量外均达到显著水平;各浓度盐胁迫(N100、N200、N300)植株叶绿素含量和根系活力的降幅均达到显著水平,且降幅随着盐胁迫程度增加而增大,‘晋薯16号’和‘冀张薯12号’在N300处理下叶绿素含量分别比CK 降低70.04%、67.47%,根系活力分别比CK 降低50.31%、59.72%。复合Spd处理叶绿素含量和根系活力均高于相应单独盐胁迫处理,且大多差异显著;在SN200处理下,Spd 对盐胁迫下‘晋薯16号’和‘冀张薯12号’叶绿素含量和根系活力的促进作用均较大,其叶绿素含量分别较N200处理显著提高40.88%、77.10%,根系活力则较N200处理分别显著提高40.85%、88.39%,即“冀张薯12号”的提升幅度均显著高于“晋薯16号”。

图2 外源亚精胺对盐胁迫下马铃薯幼苗叶绿素含量和根系活力的影响Fig.2 Effects of exogenous spermidine on chlorophyll content and root activity of potato seedlings under salt stress

2.3 叶面喷施Spd对盐胁迫下马铃薯幼苗叶片抗氧化酶活性的影响

首先,与CK 相比,2 个马铃薯品种幼苗叶片SOD、POD、CAT、APX 活性在S 处理下均不同程度增加,且APX 和SOD 活性增幅达到显著水平(图3)。其次,与CK 相比,各酶活性在低浓度盐胁迫下大多表现出增强趋势,在高浓度胁迫下均表现出降低趋势。其中,‘晋薯16号’幼苗叶片SOD、POD、CAT 活性在N100、N200处理下均显著高于CK,在N300处理下显著低于CK,而其APX 活性在N100处理下稍高于CK,在N200和N300处理下均大幅显著低于CK。就‘冀张薯12号’幼苗而言,N100处理叶片的SOD、POD 和CAT 活性均显著高于CK,此时其APX 活性稍高于CK,并以CAT 活性增幅最大(147.03%);N200处理叶片的CAT 活性仍显著高于CK 约127.60%,SOD 活性稍高于CK,其POD和APX 活性均显著低于CK;N300处理叶片的SOD活性与CK 相近,其余酶活性均显著低于CK。

图3 外源亚精胺对盐胁迫下马铃薯幼苗叶片抗氧化物酶活性的影响Fig.3 Effects of exogenous spermidine on antioxidant enzyme activities in leaves of potato seedlings under salt stress

另外,与单独盐胁迫处理相比,Spd复合处理幼苗叶片SOD、POD、CAT、APX 活性大多显著提高(仅‘晋薯16号’叶片POD 活性在SN100处理下受到显著抑制),但增加幅度在不同品种间和盐胁迫程度间存在差异。其中,‘晋薯16号’幼苗叶片POD、CAT 和APX活性均在SN200处理下达到最高,较相应的N200分别显著提高16.69%、37.36%和137.08%,而‘冀张薯12号’上述3种酶活性均在SN100处理下达到峰值,较相应的N100处理分别显著提高15.19%、66.34%和96.29%;‘晋薯16号’和‘冀张薯12号’幼苗的SOD 活性则均在SN100处理下达到峰值,较相应N100处理分别显著提高1.12倍和2.32倍,且Spd对各浓度盐胁迫下‘冀张薯12号’SOD 活性促进程度均高于‘晋薯16号’。以上结果说明,马铃薯耐盐性与抗氧化酶活性强弱相关,中度耐盐品种‘晋薯16号’抗氧化酶活性高于轻度耐盐品种‘冀张薯12 号’;外源Spd能通过提高SOD、CAT、POD 和APX 等抗氧化酶活性来减少活性氧产生,改善盐碱胁迫下马铃薯叶片的膜保护功能,提高马铃薯幼苗对盐胁迫的抗性。

2.4 叶面喷施Spd对盐胁迫下马铃薯幼苗叶片抗氧化物质含量的影响

由图4可知,S处理的‘晋薯16号’叶片ASA含量比CK 显著增加,其GSH 含量比CK 显著降低,而S处理的‘冀张薯12号’叶片ASA 和GSH含量均与CK 无显著差异。各浓度盐胁迫处理(N100、N200、N300)的‘晋薯16号’、‘冀张薯12号’叶片ASA 和GSH 含量均较CK 显著降低,且盐胁迫越严重降幅越大,在N300处理下,两品种ASA 含量降幅分别为28.91%和48.01%,GSH 含量降幅分别为50.87%和51.44%。复合Spd处理叶片ASA含量均比相应浓度盐胁迫处理不同程度提高,且仅‘冀张薯12号’SN300处理增幅未达显著水平;随盐胁迫程度增加,‘晋薯16号’叶片 ASA 含量逐渐显著增加,而“冀张薯12 号” ASA 含量逐渐显著降低。叶片GSH 含量在各复合Spd处理下变化趋势完全不同,与相应单独盐胁迫相比,SN100处理下‘晋薯16号’显著降低,而‘冀张薯12号’显著升高68.94%,SN200处理下两品种均稍有升高,SN300处理下两品种均显著降低。

图4 外源亚精胺对盐胁迫下马铃薯幼苗叶片抗氧化物质含量的影响Fig.4 Effects of exogenous spermidine on the antioxidant contents in leaves of potato seedlings under salt stress

2.5 叶面喷施Spd对盐胁迫下马铃薯幼苗叶片渗透调节物质含量的影响

植物体内较高的可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸水平可使其维持更低的渗透势,从而增强抗逆性[15]。由图5 可知,单独Spd 处理仅使‘晋薯16号’叶片的可溶性蛋白显著增加,而对两个品种叶片其他渗透调节物质含量均没有显著影响。在盐胁迫条件下,两品种叶片可溶性蛋白、脯氨酸、可溶性糖含量均比CK 显著增加,且随盐胁迫程度增加大多呈现先增高后降低的趋势。复合Spd处理下两品种叶片脯氨酸和可溶性糖含量大多比相应盐胁迫处理显著升高,而其叶片游离氨基酸含量大多比相应盐胁迫处理显著降低,但各品种和盐浓度的升降幅度不同。其中,‘晋薯16号’、‘冀张薯12号’叶片脯氨酸和可溶性糖含量均在SN200处理达到峰值,与相应盐胁迫处理相比,它们脯氨酸含量增幅分别以SN300、SN100处理增幅最大,分别达到118.57%和132.29%,可溶性糖含量增幅均以SN100处理最高,分别到达47.75%和85.29%,‘冀张薯12号’的增幅比‘晋薯16号’更大;‘晋薯16号’和‘冀张薯12号’叶片游离氨基酸含量分别在SN200和SN100处理下降至最低,分别较相应盐胁迫处理显著降低74.50%和52.38%,‘晋薯16号’降幅更大。

图5 外源亚精胺对盐胁迫下马铃薯幼苗叶片渗透调节物质含量的影响Fig.5 Effects of exogenous spermidine on osmotic regulatory substance contents in leaves of potato seedlings under salt stress

以上结果说明外源Spd主要通过增加叶片渗透调节物质脯氨酸和可溶性糖含量来增强了马铃薯幼苗的耐盐性。

3 讨论

盐胁迫是影响植物生长发育及产量的主要非生物胁迫之一,近年来研究发现 Spd 通过调控生长发育、改变光合性能、清除活性氧、积累渗透调节物质等机制改善植株对盐胁迫的耐受性[16-19]。然而关于外源Spd对不同盐胁迫程度和耐盐性马铃薯品种的表型、生理生化影响的相关研究鲜见报道。因此,本研究以中度耐盐品种‘晋薯16号’和轻度耐盐品种‘冀张薯12号’幼苗为材料,在不同盐浓度胁迫下考察叶面喷施Spd对其生长及抗逆生理指标的影响,探讨外源Spd 增强马铃薯耐盐性的生理机制。

盐胁迫对植株茎生长的影响表现为株高降低、生物量减少,对其根系的影响表现在根系活力的降低,根系数量减少,根系长度变短,对其叶片的影响表现在萎蔫、发黄等表观形态变化[20-22]。有研究显示外源 Spd 可缓解盐胁迫对植株光系统结构和功能的损伤,促进光合作用,提高光合效率,从而改善植株生长,提高植株生物量、叶面积等生长指标[23-26]。本研究结果表明,不同程度盐胁迫均抑制了马铃薯株高、干重、鲜重、根系活力、叶绿素含量;喷施 Spd 可提升马铃薯幼苗叶绿素含量,促进光合作用,增加干物质积累,该结果与上述研究一致。但不同耐盐性马铃薯品种间、盐胁迫程度间对 Spd 的响应存在差异,外源Spd 对‘晋薯16号’、‘冀张薯12号’盐胁迫伤害的缓解效果分别在200,100 mmol/L NaCl胁迫时最显著。

植物抗氧化系统分为酶促和非酶促两类。酶促类包括POD、CAT、谷胱甘肽还原酶(GR)、SOD、单脱氢抗坏血酸还原酶(MDHAR)等;非酶促类包括类胡萝卜素(Car)、GSH、ASA 和甘露醇等。两类抗氧化系统共同维持植物体内活性氧代谢平衡,提高植物抗逆性[27]。多胺可与抗氧化酶系统结合阻止脂质氧化以抵抗氧化胁迫[28],缓解氧化胁迫对植物的伤害。前人研究表明,盐胁迫下Spd 可提高甜高粱[24]、大豆[29]、葡萄[17]等抗氧化酶活性,以修复植物细胞膜结构,保持细胞内环境稳定,减轻盐胁迫导致的氧化损伤。Spd对盐胁迫下植物抗逆生理指标的影响与作物品种、盐分浓度有关。本研究结果表明,100,200 mmol/L NaCl胁迫下马铃薯植株叶片抗氧化酶SOD、POD、CAT、APX 等活性显著提高,但300 mmol/L NaCl胁迫下各酶活性下降,表明当盐分胁迫大于植株自身防御能力的阈值时,会造成细胞结构和功能的损伤。同时,本研究中马铃薯植株叶片非酶促类抗氧化系统的ASA、GSH 含量在受到盐胁迫后均显著下降,推测盐胁迫在抑制ASA合成速度的同时,ASA 作为抗氧化剂参与了自由基的淬灭而自身被氧化;而GSH 作为胞内过氧化物的重要清除剂,在ROS清除过程中损耗。外源Spd对正常生长条件下的马铃薯叶片SOD、CAT、APX、POD等活性均呈现出低浓度促进,高浓度抑制的趋势;在盐胁迫条件下,外源Spd处理‘晋薯16号’叶片SOD、CAT、APX 活性以及‘冀张薯12号’叶片SOD、CAT、APX、POD 等活性均较单纯盐胁迫显著提高,且叶片ASA 含量也显著高于单纯盐分处理,这表明外源Spd可诱发和激活保护性反应,提高盐胁迫下马铃薯幼苗活性氧清除能力,缓解氧化损伤,这与前人研究结果一致。

同时,在盐胁迫条件下,植株通过积累如脯氨酸、可溶性糖等渗透调节物质来维持体内渗透压的平衡,从而提升吸收外界水分,减少自身水分渗出的能力。有研究表明Spd作为信号分子,在盐胁迫下能通过信号转导诱导渗透调节相关基因的表达,促进脯氨酸、可溶性糖等渗透调节物质的合成,减轻了盐胁迫对番茄的损伤[6,16];也有研究发现盐胁迫下,Spd能够激活渗透调节物质合成途径中相关酶的活性,从而促进渗透调节物质的合成与积累,增强植株对盐胁迫的耐受性[30];还有研究发现,盐胁迫下Spd通过增强渗透调节物质的代谢,如Spd 促进碳水化合物代谢,提高盐胁迫下苜蓿可溶性糖的含量[31]。本研究结果表明,马铃薯叶片脯氨酸、可溶性糖、游离氨基酸含量在盐胁迫条件下均显著增加。推测可能是在盐胁迫下植物细胞内大量积累脯氨酸,作为渗透溶质、酶和细胞结构的保护剂与活性氧清除剂共同起保护作用,增强植物的抗逆性[32-34];在盐胁迫条件下,外源Spd处理可使马铃薯幼苗叶片脯氨酸、可溶性糖含量显著高于单纯盐胁迫处理,可能是Spd通过提高脯氨酸、可溶性糖、氨基酸含量来提高渗透调节能力,提升幼苗对盐胁迫的耐受性[35-36],这一结果与辣椒[37]、黄瓜[33]、桑树[19]、番茄[38]、南瓜[39]、青稞[40]等植物上的研究结果一致。另外,在100 mmol/L NaCl胁迫条件下外源Spd对‘冀张薯12号’叶片脯氨酸、可溶性糖含量的促进增幅大于‘晋薯16号’。但在300 mmol/L NaCl胁迫条件下外源Spd对马铃薯植株各项生理指标变化趋势影响存在差异性,其作用机理还需做进一步研究。

4 结论

盐胁迫降低了马铃薯幼苗生物量累积、叶绿素含量和根系活力,叶面喷施Spd可通过促进根系活力,提升叶片叶绿素含量和抗氧化系统活性,提高渗透调节物质含量,缓解盐胁迫逆境带来的伤害,但不同耐盐性品种间的响应有差异。外源Spd对轻度耐盐品种‘冀张薯12号’抗逆性的促进作用在100 mmol/L NaCl胁迫条件下高于中度耐盐品种‘晋薯16号’,而在200 mmol/L NaCl胁迫条件下低于中度耐盐品种“晋薯16号”。