PEG模擬干旱脅迫對(duì)鳳仙花種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響

張鳳銀， 李方良， 譚 英

(江漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，武漢 430056)

水資源短缺是制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的全球性問題[1]. 我國(guó)水資源極為匱乏，約一半的國(guó)土面積位于干旱和半干旱地區(qū)，常受到干旱的威脅[2-3]. 因此，提高植物耐旱性能、增加作物在干旱脅迫下的產(chǎn)量以及探討植物的耐旱機(jī)理一直受到關(guān)注，而聚乙二醇(polyethylene glycol,簡(jiǎn)稱PEG)是模擬土壤干旱脅迫的一種理想水勢(shì)調(diào)節(jié)物質(zhì)，常作為一種引發(fā)劑用于植物抗旱機(jī)理研究及其抗旱性能評(píng)價(jià)[4-6].

鳳仙花(ImpatiensbalsaminaL.)，別名指甲花、急性子、金鳳花等，屬鳳仙花科鳳仙花屬一年生草本花卉，具有重要藥用價(jià)值和觀賞價(jià)值[7]，是目前國(guó)際上最新流行的高檔溫室盆花之一，可供花壇、花鏡和花籬種植選用[8].鳳仙花喜歡陽(yáng)光充足、溫暖而濕潤(rùn)的環(huán)境條件，但若遇到干旱脅迫，其葉片會(huì)逐漸變黃，脫落.尚未見有關(guān)干旱對(duì)鳳仙花種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)及生理特性影響等方面的研究報(bào)道，本文利用PEG模擬干旱脅迫，研究PEG處理對(duì)鳳仙花種子萌發(fā)及幼苗生理影響，為認(rèn)識(shí)鳳仙花耐旱機(jī)理提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

鳳仙花種子為當(dāng)年收獲的種子，由江漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心提供.

1.2 種子萌發(fā)

選擇籽粒飽滿、大小均勻一致的鳳仙花種子. 蒸餾水浸種16 h，然后將種子擺放在鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿中，分別加入10 mL不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)0、2%、5%、10%、15%、20%(W/V)的PEG(相對(duì)分子量6000)處理液，依據(jù)Michel和Kaufmann有關(guān)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與滲透勢(shì)的關(guān)系[9]，上述PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)的滲透勢(shì)分別為0、-0.141、-0.499、-1.483、-2.952、-4.908、-7.348 MPa. PEG處理的鳳仙花種子在25 ℃±1 ℃、濕度為85%的人工氣候箱中培養(yǎng).每個(gè)培養(yǎng)皿擺放80粒種子，每個(gè)處理重復(fù)3次. 每2 d更換濾紙，并添加10 mL原液，使?jié)B透脅迫濃度保持相對(duì)穩(wěn)定. 10 d后結(jié)束萌發(fā)試驗(yàn).

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 種子萌發(fā)的測(cè)定 每天定時(shí)統(tǒng)計(jì)發(fā)芽種子數(shù)，參照GB/T 18247.4-2000國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，第5天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽勢(shì)、第10天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率.依據(jù)吳麗云等的方法[10]計(jì)算發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)以及活力指數(shù).

1.3.2 幼苗生長(zhǎng)的測(cè)定 PEG處理后，從每個(gè)處理的每次重復(fù)中隨機(jī)取15 株幼苗，測(cè)量其莖長(zhǎng)、根長(zhǎng)、鮮質(zhì)量，統(tǒng)計(jì)側(cè)根數(shù).

1.3.3 幼苗MDA含量及SOD、POD活性的測(cè)定 PEG處理后，取幼苗采用硫代巴比妥酸比色法、愈創(chuàng)木酚法及氮藍(lán)四唑顯色法分別測(cè)定丙二醛(MDA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性和過氧化物酶(POD)活性[11].

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

用 Excel2003和DPS2000進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，多重比較采用Duncan新復(fù)極差法.

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)鳳仙花種子萌發(fā)的影響

PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤15%(表1)，對(duì)種子發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率影響與對(duì)照相比變化不顯著(P>0.05)，但PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，顯著降低種子的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率(P<0.05). 20%PEG處理的種子發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率分別較對(duì)照下降了29.58%和14.58%. 表明PEG延緩種子萌發(fā)，降低種子活力，質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，抑制程度越嚴(yán)重.

與對(duì)照相比， PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤10%時(shí)，對(duì)種子的發(fā)芽指數(shù)影響不顯著(P>0.05)，而PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥15%，顯著降低種子的發(fā)芽指數(shù)(P<0.05). 15%和20% PEG處理的種子發(fā)芽指數(shù)分別為對(duì)照的87.1%和50.0%(表1). 與PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)種子發(fā)芽指數(shù)的影響類似，當(dāng)PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤5%時(shí)，種子的活力指數(shù)與對(duì)照相比差異不顯著(P>0.05)，但當(dāng)PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥10%，則顯著降低鳳仙花種子的活力指數(shù)(P<0.05).其中，10%、15%和20%PEG處理的種子活力指數(shù)分別是對(duì)照的78.1%、41.9%和8.5%(表1).

由此可見，PEG脅迫處理對(duì)鳳仙花種子萌發(fā)的影響與其質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)，隨PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加(≥10%)，其種子萌發(fā)受抑制程度明顯增大.

表1 PEG處理對(duì)鳳仙花種子萌發(fā)的影響Table 1 Effects of PEG on seed germination of I.balsamina

注:同列數(shù)據(jù)不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下表同.

2.2 干旱脅迫對(duì)鳳仙花幼苗生長(zhǎng)的影響

當(dāng)PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤5%時(shí)(表2)，對(duì)幼苗莖的生長(zhǎng)影響不明顯(P>0.05)，而PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥10%，顯著抑制幼苗莖的生長(zhǎng)(P<0.05). 10%、15%及20%PEG處理的幼苗莖長(zhǎng)分別是對(duì)照的83.87%、48.39%和16.13%. PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥15%，幼苗主根生長(zhǎng)也受到的明顯抑制(P<0.05). 15%和20%PEG處理的幼苗主根長(zhǎng)分別是對(duì)照的64.52%和16.13%.PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥5%時(shí)，顯著抑制幼苗側(cè)根形成(P<0.05).5%、10%和15% PEG處理的幼苗側(cè)根數(shù)均為對(duì)照的83%，20%PEG處理幼苗的側(cè)根數(shù)只有對(duì)照的67%.

質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%以上PEG處理的鳳仙花幼苗鮮質(zhì)量顯著低于對(duì)照(P<0.05)，且隨著PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，幼苗鮮質(zhì)量呈降低趨勢(shì)(表2). 其中，5%、10%、15%及20%PEG處理的幼苗鮮質(zhì)量分別是對(duì)照的87.0%、72.5%、43.5%和21.0%.

隨著PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，對(duì)鳳仙花幼苗生長(zhǎng)抑制程度加重.

表2 干旱脅迫對(duì)鳳仙花幼苗生長(zhǎng)的影響

2.3 干旱脅迫對(duì)鳳仙花幼苗MDA含量及SOD和POD活性的影響

植物在逆境條件下，往往會(huì)發(fā)生膜脂過氧化作用，產(chǎn)生并累積MDA. 因而MDA含量常用來反映細(xì)胞膜系統(tǒng)受傷害程度，其含量越高說明細(xì)胞膜受傷害程度越高，反之亦然.與對(duì)照相比(表3)， PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤10%處理對(duì)幼苗MDA含量的影響不顯著(P>0.05)，但當(dāng)PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥15%時(shí)，則顯著提高幼苗的MDA含量(P<0.05)，其中15%和20%PEG處理的幼苗MDA含量分別較對(duì)照增加了26.9%和59.14%.即隨PEG滲透脅迫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，幼苗的細(xì)胞膜受傷害程度也增加.

當(dāng)PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于10%時(shí)，幼苗SOD活性和POD活性隨著PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高而升高(表3)；但當(dāng)PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于10%時(shí)，幼苗SOD活性和POD活性均隨著PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高而下降.其中，2%、15%PEG處理的幼苗SOD活性與對(duì)照差異不顯著(P>0.05)；5%PEG和10%PEG處理的幼苗SOD活性顯著高于對(duì)照，分別比對(duì)照提高19.5%和44.9%；而20%PEG處理的幼苗SOD活性顯著低于對(duì)照，比對(duì)照降低了25.3%.與PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)幼苗SOD活性的影響類似，2%和15% PEG處理的幼苗POD活性與對(duì)照相比，差異不顯著(P>0.05)，而5%和10%PEG處理的幼苗POD活性顯著高于對(duì)照(P<0.05)，分別比對(duì)照提高29.1%和52.0%，但20%PEG處理的幼苗POD活性卻顯著低于對(duì)照(P<0.05)，僅為對(duì)照的76.9%.這說明鳳仙花在受到5%～10%PEG脅迫誘導(dǎo)下其細(xì)胞抗氧化保護(hù)酶活性升高；但隨著PEG脅迫強(qiáng)度的增加，其抗氧化保護(hù)酶活性卻下降.

表3 干旱脅迫對(duì)鳳仙花MDA含量及SOD和POD活性的影響

3 討論

植物種子的萌發(fā)指標(biāo)直接反映種子耐逆境能力[12]. 本研究結(jié)果表明，低質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG對(duì)鳳仙花種子萌發(fā)影響不明顯，但隨PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，鳳仙花種子萌發(fā)受抑制程度加重，這與吳漢花等[13]、楊柳等[14]及劉佳等[15]分別在不結(jié)球白菜(Brassicacampestrisssp.chinensis(L.) Makino)、黃麻(CorchorouscapsularisL.)和紫云英(AstragalussinicusL.)中的研究結(jié)果相似.孫景寬等[16]研究發(fā)現(xiàn)低質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG對(duì)檸條(CaraganakorshinkiiKom.)和杠柳(PeriplocasepiumBunge)的種子萌發(fā)有較好的引發(fā)作用，而對(duì)沙棗(ElaeaghusangustifoliaL.)和白蠟(FraxinuschinensisRoxb.)引發(fā)作用不明顯. 這表明，PEG處理的干旱脅迫對(duì)種子活力和萌發(fā)效應(yīng)的影響可因種子類型和處理濃度而異.

根系是植物吸收水分的主要器官，最先感受水分脅迫效應(yīng).其根長(zhǎng)、根質(zhì)量及側(cè)根的數(shù)量與植物的抗旱性能相關(guān). Gullo等[17]認(rèn)為，在水分脅迫下，禾谷類植物可通過各級(jí)側(cè)根的加速分生和分枝進(jìn)行補(bǔ)償生長(zhǎng)，增加根表面積和體積，提高吸收能力.低濃度的PEG處理促進(jìn)商洛黃芩根生長(zhǎng)，而高濃度抑制根的生長(zhǎng)[18].而在本研究中，發(fā)現(xiàn)PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥15%，主根生長(zhǎng)和側(cè)根形成的抑制程度明顯.與鳳仙花對(duì)低濃度PEG干旱脅迫敏感性不同有關(guān)，有待進(jìn)一步研究.

植物在代謝過程中會(huì)產(chǎn)生超氧化物自由基等活性氧，正常生理?xiàng)l件下，這些活性氧自由基的產(chǎn)生和消除存在一個(gè)平衡，對(duì)植物不存在任何傷害.而在逆境和脅迫條件下植物會(huì)產(chǎn)生大量的活性氧，若不能及時(shí)消除，則會(huì)引起細(xì)胞膜脂過氧化而受到傷害. MDA是細(xì)胞膜脂過氧化后的產(chǎn)物之一，其含量常作為植物細(xì)胞遭受逆境傷害的程度及膜脂過氧化程度的衡量指標(biāo). SOD和POD是2種重要的細(xì)胞膜保護(hù)酶，通過清除細(xì)胞膜上的自由基，防止細(xì)胞膜脂過氧化作用，保護(hù)細(xì)胞膜的完整性.細(xì)胞保護(hù)酶SOD和POD的表達(dá)量多少與活性高低都直接決定植物的抗逆性能的強(qiáng)弱[19].在本研究中，PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2%～10%時(shí)，隨著PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，鳳仙花幼苗的SOD和POD活性增加，而當(dāng)PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10%時(shí)，鳳仙花幼苗SOD和POD活性則隨PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而下降，說明在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG的誘導(dǎo)下，鳳仙花通過提高抗氧化保護(hù)酶SOD和POD活性而增強(qiáng)其抗氧化能力,保護(hù)細(xì)胞膜脂過氧化，使得MDA的累積量在PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于10%脅迫下與對(duì)照之間差異不明顯；而在高質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG的脅迫下，其抗氧化保護(hù)酶SOD和POD活性降低，清除活性氧的能力下降，干旱脅迫導(dǎo)致鳳仙花幼苗細(xì)胞膜破壞，MDA的累積量顯著增加.這與左利萍等[20]在檸條(Caraganakorshinskii)中的研究結(jié)果相似.

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