肌醇和Ca2+對辣椒幼苗生長發(fā)育的協(xié)同作用研究

楊文杰,王余婷,劉廷武,徐建明

(淮陰師范學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院 江蘇省區(qū)域現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與環(huán)境保護(hù)協(xié)同創(chuàng)新中心/江蘇省環(huán)洪澤湖生態(tài)農(nóng)業(yè)生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 淮安 223300)

肌醇和Ca2+對辣椒幼苗生長發(fā)育的協(xié)同作用研究

楊文杰,王余婷,劉廷武,徐建明*

(淮陰師范學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院 江蘇省區(qū)域現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與環(huán)境保護(hù)協(xié)同創(chuàng)新中心/江蘇省環(huán)洪澤湖生態(tài)農(nóng)業(yè)生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 淮安 223300)

初步研究了肌醇與鈣的協(xié)同作用對辣椒幼苗生長發(fā)育的影響。研究結(jié)果顯示,在肌醇與鈣配合施用條件下,辣椒幼苗的生物量、葉綠素含量、根系活力等生理指標(biāo)以及SOD、POD等保護(hù)性酶活性均得到了顯著的提高；其中,以E處理組(5.0 mg/L肌醇+400 mg/L Ca2+)的效果最佳,表現(xiàn)出較好的協(xié)同作用。

肌醇；鈣；辣椒；幼苗；生長發(fā)育；協(xié)同作用

肌醇(Inositol),即六羥基環(huán)己烷,又名環(huán)己六醇,為動(dòng)、植物及微生物中廣泛存在的環(huán)狀糖醇類生物活性物質(zhì)[1-2],在生物代謝、細(xì)胞通訊、蛋白質(zhì)錨定和磷酸鹽的儲(chǔ)藏等方面均具有極為重要的作用[3-5];而其衍生物及磷酸酯在細(xì)胞生長、凋亡、遷移、分化與內(nèi)吞作用等方面也發(fā)揮著重要的作用[6-7]。近年來的研究顯示,肌醇衍生物在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、植物對脅迫的響應(yīng)、脅迫下植物生長的調(diào)節(jié)等方面同樣具有重要的生物學(xué)功能和調(diào)節(jié)作用[8-14]。

有研究表明,外源添加肌醇可顯著提高大麥發(fā)芽過程中一些水解酶的活性[15]。由繼紅等利用一定濃度肌醇浸泡處理玉米種子,顯著提高了玉米幼苗的抗寒性[16]。于明艷等利用肌醇包衣有效促進(jìn)了低溫脅迫下玉米種子和幼苗的生長[17]。進(jìn)一步的研究表明,外源肌醇處理可有效提高作物的超氧化物歧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶活性,降低過氧化氫和丙二醛含量,顯著促進(jìn)植株的生長和干物質(zhì)的積累[18]。

鈣是植物生長的必需營養(yǎng)元素之一,在植物體內(nèi)發(fā)揮著極其重要的作用[19]。研究顯示,鈣可顯著提高生物膜的選擇性吸收能力,增強(qiáng)對環(huán)境脅迫的抗逆能力,從而穩(wěn)定生物膜結(jié)構(gòu),保持細(xì)胞的完整性。Hanter的研究結(jié)果表明,鈣可減輕重金屬或酸性對植物造成的毒害作用,有效防止植物早衰[20]。鈣與果膠酸形成的果膠酸鈣能抑制果膠酸對細(xì)胞壁其他成分的破壞,因此,對延緩果實(shí)衰老、維持果實(shí)硬度、增強(qiáng)果實(shí)耐貯性具有重要的作用[21-22]。此外,鈣通過與鈣調(diào)蛋白結(jié)合參與第二信使傳遞、細(xì)胞代謝及植物體內(nèi)多種關(guān)鍵酶的活性調(diào)節(jié)[23]。迄今肌醇與鈣的協(xié)同作用及其機(jī)制卻鮮見報(bào)道,因此筆者對肌醇和鈣同時(shí)施用下的辣椒幼苗的生長情況及部分生理指標(biāo)進(jìn)行了初步的研究和探索。

1 材料方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

辣椒幼苗超越5號(hào)由江蘇省淮安市農(nóng)科院蔬菜研究中心提供。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 辣椒幼苗的培養(yǎng)與處理 將生長至6葉期的辣椒幼苗從培養(yǎng)土中小心取出,用蒸餾水將根部清洗干凈,轉(zhuǎn)入培養(yǎng)缽中培養(yǎng),每缽10株,每天換水1次;培養(yǎng)3 d后,用不完全的Hoagland營養(yǎng)液(不含Ca2+)進(jìn)行澆灌,連續(xù)培養(yǎng)7 d;然后,對辣椒幼苗進(jìn)行肌醇和Ca2+混合液的噴施處理,混合液設(shè)清水對照(CK)及A(2.5 mg/L肌醇+200 mg/L Ca2+)、B(2.5 mg/L肌醇+400 mg/L Ca2+)、C(2.5 mg/L肌醇+800 mg/L Ca2+)、D(5.0 mg/L肌醇+200 mg/L Ca2+)、E(5.0 mg/L肌醇+400 mg/L Ca2+)、F(5.0 mg/L肌醇+800 mg/L Ca2+)7個(gè)處理,每處理設(shè)3次重復(fù)。處理后7 d,隨機(jī)抽取植株葉片進(jìn)行生理生化指標(biāo)的測定,并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.2.2 相關(guān)生理指標(biāo)的檢測 采用稱量法分別檢測辣椒幼苗的干重和鮮重,鮮重區(qū)分地上部和根系部分別進(jìn)行檢測，用于干重檢測的幼苗先置于105 ℃烘箱中殺青10 min,再于80 ℃烘干至恒重后稱重。采用丙酮乙醇浸提分光光度法[24-25]測定葉綠素含量,用氯化三苯基四氮唑(TTC)法[26]測定根系活力,用氮藍(lán)四唑還原法[27]測定SOD活性,用愈創(chuàng)木酚法[28-29]測定POD活性。

2 結(jié)果與分析

2.1 肌醇與Ca2+協(xié)同作用對辣椒幼苗生物量的影響

生物量作為作物重要的生理指標(biāo),對作物生長發(fā)育的考量具有重要參考價(jià)值。辣椒幼苗經(jīng)肌醇和Ca2+混合液處理7 d后,采用稱量法分別檢測其干重和鮮重。結(jié)果如表1所示,無論是根部鮮重,還是莖葉部鮮重,各處理組與對照組差異均達(dá)到了1%的顯著水平。其中,E處理組(5.0 mg/L肌醇+400 mg/L Ca2+)的根及莖葉部鮮重最高,分別為0.853和5.857 g；其次為C處理組(2.5 mg/L肌醇+400 mg/L Ca2+),分別為0.797和5.060 g。此外，除A組(2.5 mg/L肌醇+200 mg/L Ca2+)根部干重、F組(5.0 mg/L肌醇+800 mg/L Ca2+)莖葉部干重與對照組差異不顯著之外,其它處理組與對照組之間均呈現(xiàn)5%水平的顯著差異。由此看出,一定量的肌醇與Ca2+的噴施處理可顯著促進(jìn)辣椒幼苗的生長發(fā)育。當(dāng)肌醇施用量為2.5 mg/L時(shí),辣椒幼苗干、鮮重隨著Ca2+濃度的增加而增加;但當(dāng)肌醇施用量為5.0 mg/L時(shí),幼苗干、鮮重隨著Ca2+濃度的增加而呈先升高后下降的趨勢。此結(jié)果表明,在一定濃度的肌醇施用條件下,Ca2+濃度并非越高越好,5.0 mg/L肌醇與400 mg/L Ca2+的配施效果最佳。

表1 肌醇與Ca2+協(xié)同作用對辣椒幼苗生物量的影響

2.2 肌醇與Ca2+協(xié)同作用對辣椒幼苗葉綠素含量的影響

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要色素,其在光合作用的光吸收中起著極為重要的核心作用。葉綠素含量是考查作物光合效率、了解植物物質(zhì)轉(zhuǎn)化程度和速度的重要參數(shù)。隨機(jī)選取各處理組頂葉以下第3片葉片,采用丙酮乙醇浸提分光光度法對其葉綠素含量進(jìn)行了檢測。結(jié)果顯示：在2.5 mg/L肌醇施用水平下,辣椒幼苗葉片的葉綠素含量隨著Ca2+濃度的增加而下降,且A、B、C三個(gè)處理組間在1%水平上差異顯著;而在5.0 mg/L肌醇施用水平下,辣椒幼苗葉片的葉綠素含量隨著Ca2+濃度的增加而呈先升高后下降的趨勢，以E組最高,且極顯著高于F組和D組，而后兩組之間差異不顯著(表2)。

2.3 肌醇與Ca2+協(xié)同作用對辣椒幼苗根系活力的影響

植物根系是活躍的吸收器官和合成器官,其生長情況和活力水平直接影響地上部分的生長和營養(yǎng)狀況。待處理結(jié)束后,隨機(jī)選取各處理的辣椒幼苗,用去離子水將其根系沖洗干凈后吸干水分,稱取0.5 g根尖樣品,用于根系活力測定。結(jié)果(表2)顯示：在2.5 mg/L肌醇施用水平下,辣椒幼苗的根系活力隨著Ca2+濃度的增加而增強(qiáng),B、C組與A組之間差異顯著(P<0.05),而前兩組之間差異不顯著;而在5.0 mg/L肌醇施用水平下,辣椒幼苗的根系活力呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢,D、E、F處理之間的差異均達(dá)到了5%顯著水平。

2.4 肌醇與Ca2+協(xié)同作用對辣椒幼苗保護(hù)性酶活性的影響

選取各處理組的辣椒幼苗第3片或第4片葉片(保持同一層次),用去離子水清洗干凈后吸干表面水分,去除葉脈,稱取0.2 g,對其超氧化物歧化酶(SOD)及過氧化物酶(POD)活性進(jìn)行檢測。結(jié)果表明,在2.5 mg/L肌醇施用水平下,辣椒幼苗的SOD和POD活性均隨著Ca2+濃度的增加而增強(qiáng),各處理間差異顯著(P<0.01);而在5.0 mg/L肌醇施用水平下,辣椒幼苗的SOD和POD活性隨著Ca2+濃度的增加均表現(xiàn)為先升后降,其中,E組活性最高,與D組和F組之間的差異均達(dá)到了1%顯著水平(見表3)。

表2 肌醇與Ca2+協(xié)同作用對辣椒幼苗葉綠素含量及根系活力的影響

表3 肌醇與Ca2+協(xié)同作用對辣椒幼苗POD、SOD活性的影響

3 小結(jié)與討論

本研究結(jié)果表明：肌醇與鈣的配合施用顯著提高了辣椒幼苗的生物量、葉綠素含量、根系活力等生理指標(biāo)，其中在2.5 mg/L肌醇施用水平下,辣椒幼苗的各項(xiàng)生理指標(biāo)均隨著Ca2+濃度的增加而升高,而在5.0 mg/L肌醇施用水平下,辣椒幼苗的各項(xiàng)生理指標(biāo)均隨著Ca2+濃度的增加而呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢，這與前人的相關(guān)報(bào)道[30]一致；肌醇與鈣的配合施用也顯著提高了辣椒幼苗的SOD和POD活性，以E處理組(5.0 mg/L肌醇+400 mg/L Ca2+)辣椒幼苗的SOD和POD活性最高。說明肌醇與鈣之間確實(shí)存在一定的協(xié)同作用,當(dāng)肌醇與鈣處于最適濃度組合時(shí),其作用效應(yīng)最佳。

有研究表明,肌醇在植物體中主要以磷酸肌醇(PIs)的形式存在,參與膜物質(zhì)(膜脂、膜蛋白等)轉(zhuǎn)運(yùn)的調(diào)節(jié)、離子通道的調(diào)控及細(xì)胞信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)等重要生理過程[31]。Darwish等的研究顯示,磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸不但參與植物生長發(fā)育過程,也調(diào)節(jié)植物對滲透脅迫、鹽、冷害等逆境的響應(yīng)[32]。大量的研究證實(shí),磷酸肌醇及其代謝產(chǎn)物參與植物多種信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)過程,尤其與Ca2+介導(dǎo)的代謝途徑及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)關(guān)系密切。但截至目前,尚有一些肌醇信號(hào)分子未在植物中被發(fā)現(xiàn),加之磷酸肌醇成分繁多,參與其代謝調(diào)控的各種網(wǎng)絡(luò)信號(hào)更是錯(cuò)綜復(fù)雜,因此,肌醇與Ca2+之間的協(xié)同作用機(jī)理尚有待進(jìn)一步深入研究。

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(責(zé)任編輯:黃榮華)

Research on Synergistic Action of Inositol and Calcium Ion toGrowth and Development of Pepper Seedlings

YANG Wen-jie, WANG Yu-ting, LIU Ting-wu, XU Jian-ming*

(Jiangsu Provincial Collaborative Innovation Center of Regional Modern Agriculture and Environmental Protection, College of Life Science, Huaiyin Normal University / Jiangsu Provincial Key Laboratory for Eco-agricultural Biotechnology around Hongze Lake, Huaian 223300, China)

The preliminary study on the synergistic action of inositol and calcium ion to the growth and development of pepper seedlings was carried out. The results indicated that: under the synergistic action of inositol and calcium ion, the several physiological indexes (such as biomass, chlorophyll content, and root vigor) and the activities of some antioxidant enzymes (such as SOD and POD) of pepper seedlings were significantly increased. Among all treatments, treatment E (5.0 mg/L inositol + 400 mg/L Ca2+) obtained the best effects on the growth and development of pepper seedlings and manifested a better synergistic action.

Inositol; Calcium; Pepper; Seedling; Growth and development; Synergistic action

2016-12-10

江蘇省淮安市應(yīng)用研究與科技攻關(guān)(農(nóng)業(yè))計(jì)劃項(xiàng)目“設(shè)施蔬菜無公害高效葉面鈣肥的研制及示范推廣”(HAN2014020)。

楊文杰(1970─),男,山東泰安人,副教授,博士,主要從事植物營養(yǎng)生理及分子生物學(xué)方面的研究。*通訊作者:徐建明。

S641.3

A

1001-8581(2017)04-0016-04