水楊酸對干旱脅迫下夏枯草種子萌發(fā)的影響

張利霞，常青山，侯小改，陳蘇丹，戴攀峰

(河南科技大學(xué) a.農(nóng)學(xué)院； b.林學(xué)院，河南 洛陽 471003)

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水楊酸對干旱脅迫下夏枯草種子萌發(fā)的影響

張利霞a，常青山b，侯小改a，陳蘇丹b，戴攀峰a

(河南科技大學(xué)a.農(nóng)學(xué)院；b.林學(xué)院，河南 洛陽 471003)

用0.5～3.0mmol/L水楊酸(SA)溶液對夏枯草種子進(jìn)行浸種處理，然后用0.2g/mL聚乙二醇(PEG)6000溶液模擬干旱脅迫，探討SA對干旱脅迫下夏枯草種子萌發(fā)的影響。研究結(jié)果表明：干旱脅迫顯著降低了夏枯草種子的萌發(fā)，嚴(yán)重抑制了夏枯草幼苗的生長。在0.5～3.0mmol/LSA浸種處理下，夏枯草種子的萌發(fā)指標(biāo)與幼苗生長指標(biāo)均有不同程度的增加。1.5～2.0mmol/LSA處理，可以顯著提高夏枯草種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚根長指標(biāo)和鮮質(zhì)量指標(biāo)。以2.0mmol/LSA浸種處理效果最佳，過高濃度的SA處理會降低其干旱緩解效果。

夏枯草；干旱脅迫；種子萌發(fā)；水楊酸

0　引言

夏枯草(Prunella vulgarisL.)是唇形科夏枯草屬的一種多年生藥用草本植物，具有清肝明目和散結(jié)解毒的功效，主治目赤腫痛、頭痛眩暈等病，在中藥和養(yǎng)生保健領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛[1]。因此，市場對夏枯草的需求量極大，日益枯竭的野生資源已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足巨大的市場需求。近年來，夏枯草人工栽培工作已在各地開展起來，但在實(shí)際大田生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)夏枯草的出苗率及幼苗生長極易受到土壤干旱的危害。因此，提高干旱脅迫下夏枯草種子的發(fā)芽率與幼苗的成活率是提高夏枯草產(chǎn)量與質(zhì)量的一個重要途徑。

水楊酸(salicylicacid，SA)作為一種內(nèi)源信號分子，廣泛分布于植物體內(nèi)，能夠誘導(dǎo)植物對生物與非生物脅迫產(chǎn)生響應(yīng)[2]。研究結(jié)果表明：SA在提高植物抗旱性[3]和抗鹽性[4]等方面起著重要作用，在緩解植物逆境脅迫和提高作物產(chǎn)量方面應(yīng)用前景非常廣闊[5]。雖然國內(nèi)外對藥用植物夏枯草的化學(xué)成分[6]與種子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[7]等方面進(jìn)行了大量研究工作，但是有關(guān)外源SA浸種對干旱脅迫下夏枯草種子萌發(fā)特性的研究未見報道。因此，本研究以夏枯草種子為材料，研究外源SA對干旱脅迫下夏枯草種子萌發(fā)特性的影響，并探索緩解其干旱脅迫的最適SA濃度，以期為提高夏枯草的抗旱能力及產(chǎn)量提供理論依據(jù)。

1　試驗

試驗材料于2013年6月采自江蘇省南京市青龍山，經(jīng)鑒定為夏枯草小堅果(生產(chǎn)上習(xí)稱“種子”)。水楊酸(SA)與聚乙二醇(polyethyleneglycol,PEG) 6000等試劑采用國產(chǎn)分析純。

1.1試驗設(shè)計

試驗于2014年4月至8月進(jìn)行。選取適量大小相對一致且飽滿的夏枯草種子，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%HgCl2溶液中浸泡10min進(jìn)行消毒，蒸餾水沖洗多次，用濾紙將種子表面水分吸干。然后，將種子平均分成7份，其中，1份為對照組，1份為干旱組，其他5份為不同濃度的SA浸種組，并分別放入7個培養(yǎng)皿中浸種12h。對照(CK)組、干旱(D)組用蒸餾水浸種處理，SA浸種組分別采用濃度為0.5mmol/L、1.0mmol/L、1.5mmol/L、2.0mmol/L和3.0mmol/L的SA溶液浸種處理。浸種結(jié)束后，隨機(jī)選取種子并整齊擺放于鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿中，每個培養(yǎng)皿50粒種子，D組和SA組分別加入7mL0.2g/mLPEG6000溶液用于模擬干旱脅迫，CK組以蒸餾水培養(yǎng)作為對照進(jìn)行發(fā)芽試驗，每個處理4次重復(fù)。將培養(yǎng)皿置于21 ℃的光照培養(yǎng)箱(GXZ-280B型，寧波江南儀器制造廠)中進(jìn)行培養(yǎng)，光照時間/黑暗時間：12h/12h。每天定時稱質(zhì)量并補(bǔ)充蒸餾水，使各培養(yǎng)皿中的干旱脅迫溶液濃度保持不變，每3d更換一次濾紙。

1.2指標(biāo)測定

萌發(fā)處理后1～15d，以胚根長度≥1mm為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計發(fā)芽種子數(shù)。第15天測定幼苗鮮質(zhì)量、苗高及胚根長度，每個處理測定20株幼苗，計算發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)。

2　數(shù)據(jù)處理

采用SPSS16.0中的One-WayANOVA對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，并利用Duncan法進(jìn)行多重比較。

不同濃度SA處理對干旱脅迫下夏枯草種子萌發(fā)特性的影響采用主成分分析與隸屬函數(shù)法進(jìn)行綜合評價[8]。隸屬函數(shù)計算公式如下：

R(Xj) = (Xj-Xmin) / (Xmax-Xmin)，

其中：Xj為第j個綜合指標(biāo)；Xmin和Xmax分別為第j個綜合指標(biāo)的最小值和最大值。

3　結(jié)果和分析

3.1SA浸種對干旱脅迫下夏枯草種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢的影響

表1為SA浸種對干旱脅迫下夏枯草種子萌發(fā)特性的影響。由表1可看出：干旱脅迫顯著降低了夏枯草種子的發(fā)芽率與發(fā)芽勢，與CK組相比，D組處理種子的發(fā)芽率降低了48.40%，發(fā)芽勢降低了60.77%。在0.5～2.0mmol/L的SA溶液處理下，夏枯草的發(fā)芽率與發(fā)芽勢隨SA濃度升高呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢；當(dāng)SA處理濃度繼續(xù)升高至3.0mmol/L時，夏枯草的發(fā)芽率與發(fā)芽勢呈現(xiàn)降低趨勢。0.5～3.0mmol/LSA的處理效果與D組處理相比，均達(dá)到顯著效果，其中，1.0mmol/LSA與3.0mmol/LSA處理之間的差異未達(dá)顯著水平；2.0mmol/LSA處理效果最好且顯著高于其他SA處理，其發(fā)芽率和發(fā)芽勢分別比D組處理提高了79.38%和109.80%。

表1　SA浸種對干旱脅迫下夏枯草種子萌發(fā)特性的影響

注：同一列不含相同字母者為差異顯著(α<0.05)。

3.2SA浸種對干旱脅迫下夏枯草種子發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的影響

夏枯草種子的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)在干旱脅迫下顯著下降(見表1)。與對照組相比，干旱脅迫組種子的發(fā)芽指數(shù)降低了60.01%，活力指數(shù)降低了86.20%。經(jīng)過SA溶液浸種后夏枯草種子的發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)表現(xiàn)為先升高后下降的特征，且各濃度SA溶液處理均顯著高于干旱脅迫組處理。在2.0mmol/LSA處理下夏枯草的發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)均達(dá)到最大，其發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)分別比D組處理提高了89.55%與2.55倍，該濃度SA溶液處理在發(fā)芽指數(shù)上表現(xiàn)為顯著高于其他濃度SA處理，在活力指數(shù)上除與 1.5mmol/LSA處理差異不顯著外，與其他濃度SA處理相比達(dá)到顯著水平。

3.3SA浸種對干旱脅迫下夏枯草幼苗的胚根長度、胚芽長度和鮮質(zhì)量的影響

干旱脅迫顯著降低夏枯草幼苗的胚根長度、胚芽長度和鮮質(zhì)量(見表1)。與對照(CK)組處理相比，干旱(D)組處理幼苗胚根長度降低了65.44%，胚芽長度降低了41.00%，單株鮮質(zhì)量降低了55.31%。不同濃度的SA浸種處理后，夏枯草幼苗胚根長度、胚芽長度與鮮質(zhì)量均有不同程度的增加。隨著SA浸種溶液濃度的升高，夏枯草幼苗的胚根長度、胚芽長度和鮮質(zhì)量均在2.0mmol/LSA處理時達(dá)到最大值，然后均在 3.0mmol/LSA處理時下降。1.5mmol/LSA與2.0mmol/LSA處理在胚根長度與鮮質(zhì)量指標(biāo)上差異不顯著，兩者均顯著高于其他濃度SA處理；在胚芽長度指標(biāo)上2.0mmol/LSA處理顯著高于0.5～1.5mmol/LSA處理，但與3.0mmol/LSA處理差異不顯著。2.0mmol/LSA處理的胚根長度、胚芽長度與鮮質(zhì)量分別比D組處理提高了87.04%、47.58%和20.09%，且其各指標(biāo)值均高于其他濃度SA處理。

3.4SA緩解干旱脅迫下夏枯草種子萌發(fā)影響的綜合評定

利用主成分分析對干旱脅迫下夏枯草種子萌發(fā)的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚根長度、胚芽長度和鮮質(zhì)量進(jìn)行綜合評價，經(jīng)計算可以得出：在第1主成分中，特征根是6.461，累積貢獻(xiàn)率達(dá)到92.295%，符合特征根大于1及方差累計貢獻(xiàn)率大于80%～85%的原則[9]，說明第1主成分可以反映原始7個單項指標(biāo)的絕大多數(shù)信息，其余幾個主成分可以略去不計。

主成分分析發(fā)現(xiàn)：第1主成分中，發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚根長度、胚芽長度和鮮質(zhì)量對應(yīng)的系數(shù)分別為0.911、0.974、0.995、0.980、0.976、0.940、0.911。通過計算，可以得出主成分表達(dá)式如下(x1～x7分別代表發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚根長度、胚芽長度和鮮質(zhì)量7個變量)：

F1=0.358x1+0.383x2+0.391x3+0.386x4+0.384x5+0.370x6+0.358x7。

根據(jù)主成分表達(dá)式各指標(biāo)權(quán)重值的大小，可以得出干旱脅迫下各指標(biāo)的重要性，權(quán)重值越大則該指標(biāo)重要性越大。權(quán)重值由大到小依次為：發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚根長度、發(fā)芽勢、胚芽長度、鮮質(zhì)量、發(fā)芽率。依據(jù)主成分表達(dá)式計算出CK組、D組、0.5mmol/LSA、1.0mmol/LSA、1.5mmol/LSA、2.0mmol/LSA和3.0mmol/LSA處理的得分分別為4.720，-3.065，-1.850，-0.665，0.541，1.271和-0.952，根據(jù)各指標(biāo)得分值的大小可知，不同濃度SA溶液浸種處理對干旱脅迫下夏枯草萌發(fā)的緩解能力由強(qiáng)到弱依次為:2.0mmol/L>1.5mmol/L>1.0mmol/L>3.0mmol/L>0.5mmol/L。

求得不同處理下夏枯草種子7個指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，根據(jù)主成分表達(dá)式按權(quán)重值計算出各處理的綜合評定值，見表 2。

表2　SA浸種對干旱脅迫下夏枯草種子萌發(fā)影響的隸屬函數(shù)值

由表2可知：SA溶液浸種處理對干旱脅迫下夏枯草種子萌發(fā)特性的影響由強(qiáng)到弱依次為：2.0mmol/L>1.5mmol/L>1.0mmol/L>3.0mmol/L>0.5mmol/L。對照(CK)組處理的綜合評定值最大，干旱(D)組處理綜合評定值最小。說明在無干旱脅迫環(huán)境下，夏枯草種子的萌發(fā)效果最好，而 0.2g/mLPEG6000模擬干旱脅迫嚴(yán)重抑制夏枯草種子的萌發(fā)，夏枯草種子萌發(fā)容易受到干旱脅迫的危害。SA溶液浸種處理效果低于CK，但高于D處理，因SA濃度不同而表現(xiàn)出不同程度的促進(jìn)作用，在SA濃度為2.0mmol/L時緩解作用最強(qiáng)。分析結(jié)果表明：主成分綜合得分法與隸屬函數(shù)綜合評定得到的結(jié)果一致。

4　討論

中國的干旱及半干旱地區(qū)占國土面積的52.5%，即使在相對濕潤的西南地區(qū)，一些頻繁出現(xiàn)的極端天氣事件也使得干旱發(fā)生的區(qū)域逐漸變大，頻率和強(qiáng)度不斷增強(qiáng)[10-11]，干旱逐漸成為影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個重要問題。干旱脅迫會顯著地抑制作物種子萌發(fā)，在生產(chǎn)上早期土壤干旱常常嚴(yán)重影響作物種子正常萌發(fā)及幼苗生長[12]，因此提高種子萌發(fā)階段的抗旱能力，對于減緩干旱脅迫產(chǎn)生的不利影響，提高后期作物的產(chǎn)量和品質(zhì)具有重要意義。本研究結(jié)果表明：干旱脅迫下夏枯草種子的發(fā)芽率等萌發(fā)指標(biāo)和胚根長度等幼苗生長指標(biāo)顯著低于對照組，類似的結(jié)果也出現(xiàn)在野生龍葵[13]與糜子[14]等植物上。

SA具有傳遞內(nèi)源信號的作用，可以提高種子與幼苗在逆境下萌發(fā)與生長的能力[15]。本研究中，SA浸種處理可以有效緩解水分虧缺對夏枯草種子萌發(fā)、幼苗生長的抑制作用，提高種子發(fā)芽能力和幼苗的生長指標(biāo)。SA可以提高植物干旱脅迫下種子萌發(fā)與幼苗生長的原因可能在于：它能夠提高植物種子內(nèi)的抗氧化酶與α-淀粉酶的活性，增加脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累，保持膜具有正常的滲透壓，維持膜的結(jié)構(gòu)與功能的完整，促進(jìn)植物體內(nèi)源生長素和赤霉素等激素的含量，從而提高種子在干旱脅迫下的萌發(fā)能力[15-16]。

適宜濃度的SA能夠促進(jìn)早熟禾種子的萌發(fā)、提高幼苗的抗旱性[17]。在本研究中，較低濃度(0.5～2.0mmol/L)SA可以提高干旱脅迫下夏枯草的發(fā)芽率等萌發(fā)指標(biāo)，隨著SA濃度升高其緩解效果也隨之增加，以2.0mmol/LSA緩解效果最佳，而在較高濃度(3.0mmol/L)SA處理下，SA的緩解作用則下降。本研究結(jié)果與文獻(xiàn)[13,18]的結(jié)果相一致，但SA最佳濃度有所不同，這可能是處理方式和不同的植物材料對SA處理濃度的敏感性等存在差異所致。在3.0mmol/LSA濃度處理下緩解作用下降，原因可能在于較高濃度的SA與PEG脅迫下，反而加重了滲透脅迫，影響酶活性及種子吸水，從而影響夏枯草種子萌發(fā)[18]。

鑒于單一指標(biāo)與單一方法在評價植物抗旱性方面可能存在的片面性及局限性，本文采用主成分分析與隸屬函數(shù)兩種方法對干旱脅迫下夏枯草種子萌發(fā)的7個指標(biāo)進(jìn)行綜合評價，從而提高抗旱評價結(jié)果的準(zhǔn)確性與科學(xué)性。本文研究結(jié)果表明：采用主成分分析與隸屬函數(shù)分析進(jìn)行綜合評價，兩種方法得出一致的結(jié)論，即不同濃度的SA浸種處理對提高干旱脅迫下夏枯草種子萌發(fā)的能力為2.0mmol/L>1.5mmol/L>1.0mmol/L>3.0mmol/L>0.5mmol/LSA處理，2.0mmol/LSA浸種對夏枯草種子萌發(fā)、幼苗生長的促進(jìn)效果在各SA處理中表現(xiàn)最佳。

SA對干旱脅迫下夏枯草種子的活力指數(shù)提高幅度最大，2.0mmol/LSA浸種處理下的活力指數(shù)與發(fā)芽勢比D處理增加了2.55倍與109.80%；然后是胚根長度與發(fā)芽指數(shù)，分別比D處理增加了87.04%與89.55%；對胚芽長度與鮮質(zhì)量的影響最小，只比D處理增加了47.58%與20.09%，說明經(jīng)SA處理后夏枯草種子的萌發(fā)數(shù)量得以增加，在提高種子萌發(fā)能力的同時，幼苗的胚根長度、胚芽長度及鮮質(zhì)量也均高于干旱脅迫對照。在本研究中，SA處理可以顯著提高干旱脅迫下夏枯草胚根的生長，這與文獻(xiàn)[18]的研究結(jié)果一致。SA促進(jìn)根系生長的原因可能在于：SA可以提高幼苗硝酸還原酶活性，降低脫落酸水平，同時增加內(nèi)源細(xì)胞分裂素和生長素水平，從而對根系生長產(chǎn)生促進(jìn)作用[19-20]。SA對于胚根長度的提高幅度顯著大于對胚芽長度的提高幅度，原因可能是由于在SA提高夏枯草抗旱能力的情況下，胚根與胚芽相比具有較快的生長速度，從而表現(xiàn)出較大提高幅度[21]。

綜合來說，本文研究條件下，2.0mmol/LSA浸種處理效果最好，該濃度處理能夠顯著促進(jìn)夏枯草種子萌發(fā)與幼苗生長，可以作為提高藥用植物夏枯草種子抗旱性的最適浸種濃度，至于SA浸種緩解干旱脅迫對種子萌發(fā)與幼苗生長影響的內(nèi)在機(jī)制尚需進(jìn)一步研究。

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國家自然科學(xué)基金項目(41301051);河南省科技攻關(guān)計劃基金項目(162102110095);河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研基金項目(15A180037,16A220005);河南科技大學(xué)高級別培育基金項目(2015GJB029);河南科技大學(xué)博士科研啟動基金項目(4024-13480054,4026-13480038);河南科技大學(xué)青年基金項目(4024-13350066,4026-13350041)

張利霞(1982-),女,河南滎陽人,博士,講師,主要從事植物逆境生理研究.

2016-01-07

1672-6871(2016)06-0072-05

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.06.015

R282.2

A