PEG模擬不同程度干旱脅迫對長豇豆種子萌發(fā)及幼苗生理特性的影響

張鳳銀，陳禪友，張 萍，譚友波，李俊芳

(江漢大學生命科學學院，中國武漢 430056)

長豇豆 (Vigna unguiculata W.ssp.sesquipedalis(L.)Verd.，2n=22)具有適應性廣，耐熱性能強等特性.我國南北各地均有分布，尤以南方栽培普遍，全國栽培面積達40多萬hm2，是解決夏秋淡季蔬菜供應的主要蔬菜作物之一.然而其種植季節(jié)正值夏季高溫時期，常常受到干旱的脅迫，嚴重影響產量和品質［1-2］.

長豇豆受到干旱脅迫后，會引起一系列生理生化的變化.汪寶根等［1］研究發(fā)現(xiàn)，長豇豆受到干旱脅迫后，其生長量和凈光合效率降低，而葉片質膜的透性增加.康利平等［3］研究發(fā)現(xiàn)，隨干旱脅迫時間的延長，長豇豆葉片含水量、葉綠素含量、氣孔張開率、氣孔導度、光合速率以及蒸騰速率均降低.代其林等［4］利用5%PEG溶液模擬干旱脅迫，發(fā)現(xiàn)長豇豆幼苗抗氧化酶SOD、POD、CAT的活性隨脅迫時間的延長均出現(xiàn)先升后降的變化規(guī)律.前人主要報道了長豇豆多項生理指標在同一干旱脅迫程度下，隨時間變化的規(guī)律，但至今少見有不同干旱脅迫程度對長豇豆生理指標影響的報道.為此，在本研究中，利用不同質量濃度PEG溶液模擬不同程度干旱脅迫，研究長豇豆種子萌發(fā)指標、萌發(fā)幼苗的生長指標及抗氧化酶活性與干旱脅迫程度之間的關系，以期為今后開展長豇豆耐旱機理的研究提供參考依據(jù).

1 材料與方法

1.1 材料

以長豇豆品種鄂豇豆2號的種子為試驗材料，由湖北省豆類(蔬菜)植物工程技術研究中心提供.PEG選用PEG-6000，為日本純品，購自天津市化學試劑批發(fā)部.

1.2 方法

1.2.1 種子萌發(fā)試驗 選擇籽粒飽滿、大小均勻一致、完好無損的長豇豆種子.采用溫湯浸種法浸種2 h，撈出，晾干，然后將種子擺放在鋪有兩層濾紙的培養(yǎng)皿中，分別加入15 mL不同質量濃度的PEG處理液.PEG 質量分數(shù)設為0、50、100、150、200、250、300 g/L 等 7 個梯度，相對應的滲透勢［5］分別為 0 MPa、－0.45 MPa、－1.38 MPa、－2.78 MPa、－4.64 MPa、－6.99 MPa、－9.80 MPa.種子在溫度為28 ±1 ℃、RH 為85%的PYX2DHS型恒溫培養(yǎng)箱(上海?，攲嶒炘O備有限公司)中培養(yǎng).每個培養(yǎng)皿30粒種子，每個處理重復3次.每2 d更換濾紙，并添加15 mL原液，使各處理PEG滲透脅迫的質量濃度保持相對穩(wěn)定.連續(xù)培養(yǎng)8 d結束長豇豆種子萌發(fā)試驗.

1.2.2 指標測定 從長豇豆種子培養(yǎng)次日起每天定時統(tǒng)計發(fā)芽種子數(shù).種子萌發(fā)指標的計算公式如下:

發(fā)芽勢(%)=發(fā)芽初期(前5 d)發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100;

發(fā)芽率(%)=發(fā)芽終期(前8 d)發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100;

發(fā)芽指數(shù) =∑(Gt/Dt)，式中Gt為t天的發(fā)芽種子數(shù)，Dt為相應的發(fā)芽天數(shù).

種子萌發(fā)試驗結束后，從每個處理的每個重復中分別隨機取10株幼苗，測量其芽長、根長，并統(tǒng)計側根數(shù).豇豆幼苗超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化物酶(POD)活性及丙二醛(MDA)含量分別用氮藍四唑(NBT)光化還原法［6］、愈創(chuàng)木酚法［6］及用硫代巴比妥酸(TBA)比色法［6］測定.

1.2.3 數(shù)據(jù)資料的整理及分析 用Excel2003處理數(shù)據(jù)，用DPS2000軟件進行差異顯著性分析.

2 結果與分析

2.1 PEG脅迫對長豇豆種子萌發(fā)及萌發(fā)期幼苗生長的影響

2.1.1 PEG脅迫對長豇豆種子萌發(fā)的影響 表1為不同程度PEG脅迫對長豇豆種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)的影響.由表1可知，與對照相比，PEG質量濃度≤150 g/L，對長豇豆種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率及發(fā)芽指數(shù)的影響不顯著，而PEG質量濃度≥200 g/L時，長豇豆種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)顯著降低.其中，200 g/L PEG和250 g/L PEG處理和對照相比，發(fā)芽勢分別下降了25.53%和88.03%，發(fā)芽率分別下降了21.34%和74.67%，發(fā)芽指數(shù)分別下降了37.96%和88.26%.長豇豆種子在300 g/L PEG脅迫下完全不能萌發(fā).由此可見，低質量濃度PEG對長豇豆種子萌發(fā)影響不大，但高質量濃度PEG延緩長豇豆種子萌發(fā)，降低種子活力，而且PEG質量濃度越高，抑制程度越嚴重.

表1 PEG脅迫對長豇豆種子萌發(fā)的影響Tab.1 Effects of PEG stress on seed germination of cowpea

2.1.2 PEG脅迫對長豇豆萌發(fā)期幼苗生長的影響 表2為不同質量濃度PEG脅迫對長豇豆萌發(fā)期幼苗生長的影響.從表2可知，隨PEG質量濃度的增加，長豇豆幼苗的主根長、芽長以及側根數(shù)均呈逐漸下降的趨勢.與對照相比，50、100 g/L PEG處理的長豇豆幼苗的主根長差異不顯著，而150、200 g/L PEG處理的長豇豆主根長顯著短于對照，分別為對照的82.74%和55.36%;50 g/L PEG處理的長豇豆幼苗芽長與對照差異不顯著，但當PEG質量濃度≥100 g/L，各處理的長豇豆幼苗芽長顯著短于對照，其中，100、150、200 g/L PEG處理的長豇豆幼苗芽長分別是對照的77.19%、40.87%和17.30%;50 g/L PEG處理的長豇豆幼苗的側根數(shù)也與對照差異不顯著，而當PEG質量濃度≥100 g/L時，各處理幼苗的側根數(shù)顯著少于對照，其中100、150、200 g/L PEG處理的長豇豆幼苗的側根數(shù)分別為對照的80.55%，73.61%和14.58%.長豇豆根長與芽長的比值也隨PEG質量濃度的增加呈上升趨勢，而且當PEG質量濃度≥150 g/L，各處理的根長/芽長的比值與對照差異顯著，而PEG質量濃度≤150 g/L時，各處理根長/芽長的比值與對照差異不顯著.由此可見，PEG抑制了長豇豆萌發(fā)期幼苗的生長，且質量濃度越高，幼苗生長受抑制越嚴重;長豇豆幼苗芽生長和側根形成比主根生長對PEG脅迫更為敏感(因長豇豆幼苗芽生長和側根形成顯著受抑制的PEG質量濃度低于主根生長的，另外，隨PEG質量濃度增加，長豇豆幼苗的根長/芽長比值也隨著增加).

表2 PEG脅迫對長豇豆幼苗生長的影響Tab.2 Effects of PEG stress on seedling growth of cowpea

2.2 PEG脅迫對長豇豆萌發(fā)期幼苗SOD和POD活性及MDA含量的影響

2.2.1 PEG脅迫對長豇豆萌發(fā)期幼苗的SOD和POD活性影響 由表3可知，長豇豆萌發(fā)期幼苗的SOD和POD活性隨PEG質量濃度的增加呈現(xiàn)先升高后下降的變化趨勢.其中，50、250 g/L PEG處理的長豇豆幼苗的SOD活性與對照之間差異不顯著，而100、150、200 g/L PEG處理的長豇豆幼苗SOD活性顯著高于對照，分別較對照高54.7%、144.4%和47.3%;50 g/L PEG處理的長豇豆幼苗POD活性與對照差異不顯著，100、150、200 g/L PEG處理的幼苗POD活性顯著高于對照，分別比對照增加34.1%、89.3%和17.5%，而250 g/L PEG處理的幼苗POD活性顯著低于對照，只有對照幼苗POD活性的54.8%.

2.2.2 PEG脅迫對長豇豆萌發(fā)期幼苗的MDA含量影響 MDA含量反映植物細胞膜的受傷害程度，兩者成正比例關系.由表3可見，隨PEG質量濃度的增大，長豇豆幼苗MDA含量呈逐漸上升的趨勢.其中，50 g/L PEG處理的幼苗MDA含量與對照無顯著的差異;而PEG質量濃度≥100 g/L的處理的幼苗MDA含量顯著高于對照，其中，100、150、200、250 g/L PEG 處理的幼苗 MDA 含量分別比對照增加了113.1%、211.4%、314.1%和464.3%.這表明，隨PEG質量濃度增加，長豇豆萌發(fā)期幼苗的細胞膜受傷害程度加重.

表3 PEG脅迫對長豇豆幼苗SOD、POD活性和MDA含量的影響Tab.3 Effects of PEG stress on the activity of SOD and POD and content of MDA of cowpea

3 討論與結論

植物種子發(fā)芽指標是反映種子活力大小的最可靠指標，也是反映種子萌發(fā)耐逆性能的最直接指標［7］.本研究結果表明，長豇豆種子能在PEG質量濃度≤150 g/L的干旱脅迫下正常萌發(fā)，而在PEG質量濃度≥200 g/L干旱脅迫下，種子萌發(fā)受到明顯的抑制，且隨PEG質量濃度的增加，種子萌發(fā)受抑制程度加重.據(jù)報道，野菊［8］、不結球白菜［9］以及綿棗兒［10］種子均在250 g/L PEG脅迫下完全不能萌發(fā)，而長豇豆種子在300 g/L PEG脅迫下不能萌發(fā)，但在250 g/L PEG脅迫下仍有11.11%的萌發(fā)率，這表明不同植物種子萌發(fā)耐受極限干旱脅迫的能力不同.本研究結果同楊柳等［11］及吳麗云等［12］分別在黃麻和八棱海棠中的研究結果相似，即整個種子萌發(fā)期間用PEG脅迫，表現(xiàn)出隨PEG脅迫強度的增加，種子萌發(fā)受抑制程度加大.而李京春等［13］發(fā)現(xiàn)，用200 g/L PEG處理天人菊種子4 h能提高其發(fā)芽率;袁媛等［14］也發(fā)現(xiàn)，黃芩種子用200 g/L PEG浸種1 h或100 g/L PEG浸種4 h也能提高其發(fā)芽率.陳禪友等［15］發(fā)現(xiàn)，在15℃低溫下，用250 g/L PEG預處理低活力長豇豆種子1～2 d，或高活力長豇豆種子3～4 d，能提高其活力.這表明，PEG脅迫對種子活力和萌發(fā)效應的影響可因植物種類、PEG質量濃度、脅迫時間以及處理時溫度等而異.

根系是植物吸收水分的主要器官，也是在水分脅迫下最先起反應的部位［16］.根長、根重及下層根的數(shù)量與植物的抗旱性呈極顯著的正相關［17］.本研究發(fā)現(xiàn)，低質量濃度的PEG對長豇豆萌發(fā)期幼苗主根生長和側根的形成影響不顯著，而高質量濃度PEG抑制根系的生長，且PEG質量濃度越高，對長豇豆萌發(fā)幼苗根系生長的抑制越大，這與李文鶴等［8］對野菊的研究結果一致.而Gullo等［18］報道，在水分脅迫下，禾谷類植物通過各級側根的加速分生和分枝而進行補償生長，提高根表面積和體積，從而提高吸收能力.華智銳等［19］及宋麗華等［20］也發(fā)現(xiàn)，低質量濃度的PEG促進商洛黃芩和臭椿根生長，而高質量濃度PEG抑制根的生長.本試驗中，未發(fā)現(xiàn)低質量濃度PEG對長豇豆根生長的促進作用，也許是長豇豆對低質量濃度PEG的干旱脅迫的促進作用不敏感或者是PEG所設質量濃度梯度過大未能表現(xiàn)出促進作用，還有待進一步研究.

干旱脅迫引起植物代謝紊亂，產生大量的活性氧，使膜脂過氧化，破壞膜系統(tǒng)［21］.而植物為避免活性氧的危害，將主動調動抗氧化酶類(SOD、POD及CAT等)活性或增加生成量來消除活性氧，控制脂質氧化，減少膜系統(tǒng)的傷害，保護細胞免受活性氧的危害.抗氧化酶表達量的多少與活性都直接決定植物的抗逆性能的強弱［22］.本研究發(fā)現(xiàn)在干旱脅迫下，隨PEG質量濃度增加，長豇豆幼苗的SOD和POD活性均呈現(xiàn)先升后降趨勢，這與李曉東等［23］、姜慧芳等［24］以及左利萍等［25］的研究結果一致.說明在低質量濃度PEG的誘導下，長豇豆通過提高保護酶的活性增強植物的抗氧化能力，而在高質量濃度PEG脅迫下，隨著活性氧的增加，超過抗氧化酶系統(tǒng)所能清除能力，反過來活性氧對抗氧化酶系統(tǒng)又造成傷害，從而引起其活性降低［24］.

在正常生理條件下，植物在代謝過程中產生超氧化物自由基等活性氧及其消除存在一個平衡，因而植物不會累積活性氧，而在逆境和脅迫條件下植物會產生大量的活性氧，若不能及時消除，則會引起細胞膜發(fā)生膜脂過氧化而受到傷害［21］.MDA含量是反映細胞受脅迫程度大小的指標［26］.本研究結果顯示，隨PEG質量濃度的增加，長豇豆萌發(fā)期幼苗MDA含量呈逐漸增加趨勢，說明細胞膜受傷害程度增加，這與李曉東等［23］在玉帶草中的研究結果相似.

總之，隨PEG脅迫程度的增加，長豇豆種子萌發(fā)及幼苗的生長受抑制逐漸加重，幼苗細胞膜系統(tǒng)受損程度亦逐漸加大.

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