水楊酸對NaCl脅迫下抗蟲棉幼苗生長和生理特性的影響

朱 偉，房衛(wèi)平，謝德意，李伶俐，馬宗斌

(1．河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟作物研究所，河南鄭州450002;2．河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南鄭州450002)

棉花是耐鹽性較強的作物之一，但土壤鹽分過高對棉花生產(chǎn)仍有嚴(yán)重危害［1，2］．隨著轉(zhuǎn)基因抗蟲棉大面積推廣，轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的耐鹽問題已被廣泛關(guān)注，如何提高轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的耐鹽能力已成為棉花生產(chǎn)的重要課題之一［3，4］．化學(xué)調(diào)控是提高作物耐鹽性的有效措施之一［5］．水楊酸(Salicylic acid，SA)是一種內(nèi)源信號物質(zhì)和新型的植物激素，可誘導(dǎo)植物產(chǎn)生抗病性、抗熱性、耐寒性和抗旱性［6-9］．對 SA 提高長春花［10］、黃瓜［11，12］、水稻［13，14］、玉米［15］、大麥［16］、小黑麥［17］、小麥［18］等抗鹽能力已有研究，但抗蟲棉方面上鮮有報道．因此，為了解SA在棉花抗鹽性中的作用機制，本研究就SA對NaCl脅迫下抗蟲棉幼苗生長和生理特性進行了研究，以期為鹽堿地的抗蟲棉生產(chǎn)提供有益信息．

1 材料與方法

1．1 試驗材料

試驗材料為轉(zhuǎn)基因雜交抗蟲棉豫雜35，由河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟作物研究所提供．

1．2 幼苗培養(yǎng)與試驗處理

用分析純NaCl配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為30，60，90 g·kg－1的鹽溶液，以蒸餾水為對照，將經(jīng)硫酸脫絨后粒選的、飽滿健康的棉花種子，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%次氯酸鈉浸泡10 min消毒，用蒸餾水洗凈，經(jīng)消毒處理后置于裝有240 g沙土的培養(yǎng)皿(直徑為12 cm)，每皿50粒，分別加入30 mL不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的 NaCl溶液，然后分別加入0，0．2，0．4，0．6 mmol·L－1SA溶液，設(shè)蒸餾水處理作對照(CK)，共16個處理，每個處理重復(fù)3次．而后在30℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)．種子胚根突破種皮，長度達種子長度50%時計為發(fā)芽種子，第3天統(tǒng)計不同處理種子的發(fā)芽勢，第7天統(tǒng)計不同處理種子的發(fā)芽率，相對鹽害率/%=(對照發(fā)芽率－處理發(fā)芽率)/對照發(fā)芽率×100%．2周后調(diào)查棉花幼苗的苗高、單株鮮質(zhì)量和干質(zhì)量．

1．3 測定項目與方法

超氧化物歧化酶(SOD)活性測定用氮藍四唑(NBT)法［19］;過氧化物酶(POD)活性的測定用愈創(chuàng)木酚法［19］;丙二醛含量的測定用硫代巴比妥酸(TBA)法［19］;脯氨酸含量采用茚三酮法［19］;相對電導(dǎo)率采用電導(dǎo)法［19］．

1．4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

文中數(shù)據(jù)均由3次重復(fù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤組成，采用LSD法對數(shù)據(jù)進行多重比較．

2 結(jié)果與分析

2．1 SA對NaCl脅迫下抗蟲棉種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

2．1．1 SA對NaCl脅迫下抗蟲棉種子萌發(fā)的影響

由表1可以看出，隨NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，棉花種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢呈下降趨勢，表明NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，對棉子發(fā)芽勢和發(fā)芽率的抑制作用越顯著，相對鹽害率越高．如在NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90 g·kg－1時，種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢分別是對照的51．6%和45．3%;相對鹽害率為48．4%．但在同一NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，用不同濃度的SA溶液處理后，棉花種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢呈先上升后下降趨勢．表明SA溶液在一定濃度范圍內(nèi)，對鹽脅迫下抗蟲棉種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率的抑制作用起緩解作用．

表1 SA對NaCl脅迫下抗蟲棉種子萌發(fā)的影響Table 1 Effects of SA on germination of cotton seeds under different NaCl stress

2．1．2 SA對NaCl脅迫下抗蟲棉幼苗生長的影響

由表2可知，受NaCl脅迫的影響，棉花幼苗生長緩慢，苗高降低．隨鹽分的升高，棉花干質(zhì)量、鮮質(zhì)量、地上部和地下部分干質(zhì)量表現(xiàn)出相同趨勢，即隨鹽的升高，干物質(zhì)積累量減少．在NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低條件下，與對照相比，地上部和地下部干質(zhì)量沒有顯著性差異．但是，隨NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，地上部和地下部干質(zhì)量顯著降低．表明高鹽分含量對棉花干質(zhì)量的影響較大．

在同一NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)脅迫下，不同濃度的SA對棉花干質(zhì)量、鮮質(zhì)量、地上部和地下部干質(zhì)量有較大影響．用不同濃度的SA溶液處理后，棉花干質(zhì)量、鮮質(zhì)量、地上部和地下部分干質(zhì)量均較同一鹽量下無SA溶液處理有所增加，但總趨勢隨SA溶液濃度的升高，表現(xiàn)先升高后降低的趨勢．說明SA對鹽脅迫有一定的緩解作用，在一定范圍內(nèi)，緩解作用逐漸升高，濃度再增加時，緩解作用減弱．如在90 g·kg－1NaCl溶液脅迫下，棉花幼苗的生長受到了嚴(yán)重抑制，不同濃度的SA對幼苗的生長均有明顯的提高．各處理相比，0．4 mmol·L－1SA 對NaCl脅迫下幼苗的恢復(fù)效果最好，如棉花苗高、鮮質(zhì)量、干質(zhì)量、地上部和地下部干質(zhì)量分別較單獨NaCl脅迫下提高 45．5%，155．3%，90．7%，114．4%和73．7%，差異均達顯著水平．SA對NaCl脅迫下棉花種子萌發(fā)恢復(fù)效果的SA濃度排序是0．4 ＞0．6 ＞0．2 mmol·L－1．

表2 SA對NaCl脅迫下抗蟲棉幼苗生長的影響Table 2 Effects of SA on growth of cotton seedlings under different NaCl stress

2．2 SA對NaCl脅迫下抗蟲棉幼苗生理特性的影響

2．2．1 SA對 NaCl脅迫下抗蟲棉幼苗體內(nèi)SOD活性的影響 由圖1可知，隨NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，棉花幼苗體內(nèi)SOD活性呈下降趨勢．同一NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)脅迫條件下，不同濃度SA處理對棉花幼苗體內(nèi)SOD酶活性均有明顯的提高作用．在低NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0 g·kg－1NaCl)下，0．2 mmol·L－1SA處理對棉花幼苗體內(nèi)SOD酶活性增加最為顯著，但隨SA濃度的升高又表現(xiàn)下降趨勢．而在較高NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)( ＞60 g·kg－1NaCl)下，高濃度SA處理對棉花幼苗體內(nèi)SOD活性的提高更明顯．

圖1 SA對不同NaCl脅迫下抗蟲棉幼苗SOD活性的影響Fig．1 Effects of SA on SOD activity of cotton seedlings under different NaCl stress

2．2．2 SA對NaCl脅迫下抗蟲棉幼苗體內(nèi)POD活性的影響 由圖2可知，隨NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，棉花幼苗體內(nèi)POD活性呈下降趨勢，同一質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl脅迫條件下，不同濃度SA處理對棉花幼苗體內(nèi)POD酶活性均有明顯的提高，增加幼苗的鮮質(zhì)量和干質(zhì)量，提高幼苗的耐鹽性，有利于幼苗生長．

圖2 SA對不同NaCl脅迫下抗蟲棉幼苗POD活性的影響Fig．2 Effects of SA on POD activity of cotton seedlings under different NaCl stress

2．2．3 SA對NaCl脅迫下抗蟲棉幼苗體內(nèi)MDA活性的影響 丙二醛(MDA)是衡量膜脂過氧化強度的常用指標(biāo)，MDA積累對膜和細(xì)胞造成一定的傷害．由圖3可知，隨NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，棉花幼苗體內(nèi)MDA呈上升趨勢，可能由于棉花種子萌發(fā)時鹽分進入棉花幼苗內(nèi)，細(xì)胞膜穩(wěn)定性改變，幼苗為消除對鹽脅迫的不適應(yīng)性，產(chǎn)生較多的自由基導(dǎo)致MDA含量上升．經(jīng)SA處理后，棉花幼苗的MDA含量下降．這表明SA能夠在一定的程度上解除鹽分對棉花細(xì)胞膜的傷害，通過降低MDA的含量來增加保護膜的穩(wěn)定性，從而提高抗蟲棉種子的發(fā)芽率及幼苗耐鹽性．

圖3 SA對不同NaCl脅迫下抗蟲棉幼苗MDA活性的影響Fig．3 Effects of SA on MDA content of cotton seedlings under different NaCl stress

2．2．4 SA對NaCl脅迫下抗蟲棉幼苗體內(nèi)相對電導(dǎo)率的影響 由圖4可知，隨NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，棉花幼苗體內(nèi)相對電導(dǎo)率呈上升趨勢，可能由于棉花種子萌發(fā)時鹽分進入棉花植株內(nèi)，增加植株細(xì)胞膜透性，細(xì)胞膜受到一定程度的傷害，導(dǎo)致電解質(zhì)外流，引起電導(dǎo)率的上升．SA處理后，隨著NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，棉花幼苗的電導(dǎo)率呈下降趨勢，在較低NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，采用不同濃度SA處理，電導(dǎo)率下降不明顯，在較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl脅迫下，電導(dǎo)率顯著下降．這表明SA能夠在一定程度上解除鹽分對棉花細(xì)胞膜的傷害，降低細(xì)胞膜通透性，從而提高棉花種子的發(fā)芽率及幼苗抗鹽性．

圖4 SA對不同NaCl脅迫下抗蟲棉幼苗相對電導(dǎo)率的影響Fig．4 Effects of SA on the relative conductivity of cotton seedlings under different NaCl stress

2．2．5 SA對NaCl脅迫下抗蟲棉幼苗體內(nèi)脯氨酸含量的影響 脯氨酸含量與植物的抗鹽性密切相關(guān)，如圖5所示．隨著NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，棉花幼苗體內(nèi)脯氨酸含量顯著提高，增加外源SA對NaCl脅迫棉花幼苗體內(nèi)脯氨酸含量有明顯的促進作用，SA能夠在一定的程度上提高脯氨酸含量緩解鹽脅迫，從而提高棉花發(fā)芽率．在低鹽(0 g·kg－1NaCl)和高鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)(90 g·kg－1NaCl)下，不同濃度SA處理對棉花幼苗體內(nèi)脯氨酸含量均表現(xiàn)上升趨勢，在較高鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)30～60 g·kg－1NaCl)下，隨SA濃度升高，棉花幼苗體內(nèi)脯氨酸的含量上升，在0．4 mmol·L－1SA 達到最高，然后又下降．

圖5 SA對不同NaCl脅迫下抗蟲棉幼苗脯氨酸含量的影響Fig．5 Effects of SA on proline content of cotton seedlings under different NaCl stress

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，水楊酸對鹽分脅迫條件下棉花種子萌發(fā)和幼苗生長有明顯緩解作用．這一結(jié)果與尚慶茂等［12］、GUNES 等［15］、張士功等［18］在鹽脅迫下利用黃瓜、玉米、小麥進行的研究結(jié)果是一致的，表明了外源SA緩解作物鹽傷害作用的廣泛存在．但效果最佳的作用條件有所不同，如張士功等［18］將SA溶液運用于小麥幼苗抗鹽性的研究結(jié)果表明，在鹽分脅迫條件下，SA質(zhì)量濃度為0．1 g·L－1時對小麥幼苗高鹽毒害緩解的效果最好．本研究通過棉花種子萌發(fā)試驗表明，在90 g·kg－1NaCl脅迫下，以0．4 mmol·L－1SA 溶液的緩解效果最佳．分析研究結(jié)果間的差異，可能與采用的植物材料和產(chǎn)生鹽脅迫以及SA的濃度不同等有一定的關(guān)系，具體原因還有待于進一步研究．

提高植物體內(nèi)抗氧化酶類活性及增強抗氧化代謝水平是增強植物耐鹽性的途徑之一．SOD和POD是植物體內(nèi)防護自由基對細(xì)胞膜系統(tǒng)傷害的重要酶類．逆境中保護酶活性增強或維持較高水平能有效地清除活性氧自由基對膜系統(tǒng)的傷害，使膜結(jié)構(gòu)和功能相對穩(wěn)定，提高植株的抗逆能力［4］．本研究表明，SA處理顯著提高了幼苗的SOD和POD活性，其抗鹽性得到有效提高．丙二醛(MDA)是衡量細(xì)胞膜穩(wěn)定性常用的指標(biāo)．本研究通過棉花幼苗中丙二醛(MDA)含量的變化表明，鹽脅迫后加入SA能降低MDA的含量，證明SA可以有效地抑制膜內(nèi)不飽和脂肪酸過氧化作用及其產(chǎn)物MDA的積累，維持細(xì)胞質(zhì)膜的穩(wěn)定性和完整性，提高植物體對鹽分脅迫的適應(yīng)性．這與李焰焰等［17］在小黑麥中的發(fā)現(xiàn)相一致．脯氨酸在許多植物中作為主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)抵抗鹽脅迫如有報道認(rèn)為，水稻脯氨酸的積累是鹽脅迫對植物傷害的結(jié)果［18］．本研究中，增加外源SA對NaCl脅迫棉花幼苗體內(nèi)脯氨酸含量具有明顯的促進作用，在一定的程度上緩解鹽脅迫，說明外源水楊酸可調(diào)節(jié)組織內(nèi)用于合成脯氨酸物質(zhì)代謝，但如何調(diào)控這種代謝值得進行深入研究．

水楊酸能夠誘導(dǎo)植物提高抗鹽性作用，并且對農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)無不良影響，符合綠色、生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢［20］．因此，研究SA在棉花抗鹽性方面的生理機制，可進一步利用SA緩解鹽分障礙，對鹽漬化土壤上棉花的栽培和育種具有重要的理論和實踐意義．

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