劉 拓,張 莉,李志坤,王 瑞,馬宗斌,李伶俐,劉 偉,朱 偉*
(1.河南農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院,河南 鄭州 450002; 2.河南省農(nóng)業(yè)科學院 糧食作物研究所,河南 鄭州 450002)
CaCl2對干旱脅迫下棉花幼苗生長和生理特性的影響
劉 拓1,張 莉2,李志坤1,王 瑞1,馬宗斌1,李伶俐1,劉 偉1,朱 偉1*
(1.河南農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院,河南 鄭州 450002; 2.河南省農(nóng)業(yè)科學院 糧食作物研究所,河南 鄭州 450002)
為揭示干旱脅迫下不同棉花品種對CaCl2響應的生理機制,以3個抗旱性不同的棉花品種豫棉19、GK20、魯研棉28的幼苗為試驗材料,采用PEG處理模擬干旱脅迫,研究CaCl2對干旱脅迫下幼苗生長和生理特性的影響。結(jié)果表明,干旱脅迫下,各棉花品種不同濃度CaCl2處理間株高差異不顯著;抗旱性品種豫棉19和生產(chǎn)對照品種魯研棉28在40 mmol/L CaCl2處理后鮮質(zhì)量、干質(zhì)量、SPAD值、SOD和POD活性、脯氨酸含量均顯著高于其他處理,MDA含量低于其他處理;水分敏感品種GK20在20 mmol/L CaCl2處理后鮮質(zhì)量、干質(zhì)量、SPAD值、SOD和POD活性、脯氨酸含量顯著高于其他處理,MDA含量顯著低于其他處理。可見,一定濃度的CaCl2能提高棉花幼苗的抗旱性,但不同棉花品種的最適CaCl2濃度不同。
棉花; 干旱脅迫; CaCl2; 幼苗生長; 生理特性
棉花是我國重要的經(jīng)濟作物、纖維作物和油料作物,在其整個生長發(fā)育過程中,干旱造成的損失量超過其他災害損失的總和[1],因此,提高棉花的抗旱性具有重要意義。當前,應對和緩解干旱災害的對策主要集中在選擇抗旱作物品種和利用外源物質(zhì)提高作物抗旱性2個方面。不同植物品種的抗旱性不同。李自龍等[2]探討了不同油橄欖品種對干旱脅迫的生理響應及其抗旱機制。陸許可等[3]以抗旱性不同的棉花品種為材料,分析了干旱脅迫下棉花幼苗葉片蛋白質(zhì)組分變化的差異。Ca2+作為植物細胞內(nèi)第二信使,在植物生長發(fā)育過程中具有非常重要的調(diào)節(jié)作用,外源CaCl2處理是提高植物抗旱性的有效措施之一,關(guān)于鈣對植物抗旱性的影響研究報道較多[4-9],但鈣對不同作物品種抗旱性的影響研究報道較少。馬文廣等[10]研究了CaCl2對不同煙草品種抗旱效果的影響,明確了較佳的CaCl2處理濃度;程林梅[11]研究表明,外源鈣處理可提高棉花抗旱性。但干旱脅迫下不同抗旱類型的棉花品種對CaCl2的響應是否一致鮮有報道。鑒于此,本研究以不同抗旱類型的棉花品種為材料,采用聚乙二醇(PEG-6000)處理模擬干旱脅迫[12],研究不同濃度CaCl2處理對棉花幼苗根長、株高及葉片中葉綠素含量、超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)活性、脯氨酸和丙二醛(MDA)含量的影響,為進一步在生產(chǎn)中利用CaCl2提高棉花抗旱性提供理論基礎(chǔ)。
1.1 材料
供試棉花品種3個:抗旱性品種豫棉19(記為A1)和水分敏感品種GK20(記為A2),由國家棉花種質(zhì)資源中期庫提供并經(jīng)抗旱性鑒定;目前生產(chǎn)上應用的對照品種魯研棉28(記為A3),由山東省棉花研究中心提供。
1.2 試驗設(shè)計
棉籽脫絨后選擇籽粒飽滿、均勻一致的種子,蒸餾水浸種12 h后,經(jīng)0.1% HgCl2消毒10 min,用蒸餾水清洗數(shù)次,播種于塑料盒(27 cm×17 cm×8 cm)中,每盒裝3 kg淘洗后經(jīng)120 ℃高溫滅菌過篩的河沙,保持20%含水量,每盒30粒種子,共12盒,25 ℃恒溫培養(yǎng)。兩葉一心時挑選長勢均勻的幼苗移栽,使用Hoagland’s營養(yǎng)液進行水培,每水槽3 L營養(yǎng)液,6株幼苗,共計12個水槽。晝/夜溫度為30 ℃/25 ℃,光/暗周期為14 h/10 h,濕度恒定為75%,光照強度為10 000 lx。每3 d更換一次營養(yǎng)液,每天使用氣泵鼓氧2 h。當多數(shù)幼苗長至6片真葉時,使用15% PEG-6000處理模擬干旱,并將12個水槽分為4個處理,分別進行0(CK)、20、40、80 mmol/L CaCl2處理,每處理3次重復,6 d后測定各處理棉苗株高、根長、鮮質(zhì)量、干質(zhì)量,并取葉片測定SPAD值,SOD、POD活性,MDA和脯氨酸含量。
1.3 測定項目及方法
每處理取5株幼苗測定株高和根長;每處理取5株棉苗測定倒三葉SPAD值;每處理取3株棉苗,選取倒三葉測定SOD、POD活性,MDA、脯氨酸含量。SOD活性測定用氮藍四唑(NBT)光化學還原法[13];POD活性測定采用愈創(chuàng)木酚法[13];MDA含量測定用硫代巴比妥酸(TBA)法[13];脯氨酸含量測定用茚三酮比色法[13]。
1.4 數(shù)據(jù)處理
采用Excel 2010及SPSS 17.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,采用LSD法對數(shù)據(jù)進行多重比較。
2.1 CaCl2對干旱脅迫下棉花幼苗生長的影響
由表1可見,干旱脅迫下,A1、A2、A3在不同濃度CaCl2處理后,各處理間株高差異不顯著,表明CaCl2處理對干旱脅迫下棉花幼苗的株高影響較小。干旱脅迫下,未經(jīng)CaCl2處理的A1、A2、A3三個品種,抗旱性品種A1的株高最高,達到30.70 cm,水分敏感品種A2的株高最低,為21.97 cm,A1的株高較A2、A3分別高出39.74%、17.62%,表明抗旱性品種的幼苗生長較快,株高較高。
由表1還可看出,抗旱性品種A1在80 mmol/L CaCl2處理下根長最長,較對照提高了15.40%,差異達到顯著水平,表明抗旱性品種在高濃度CaCl2處理下根系生長快,根長較長,從而能夠吸收較多的營養(yǎng)物質(zhì)應對干旱脅迫;A2和A3在40 mmol/L CaCl2處理下根長最長,分別較對照提高了19.86%和13.19%,差異達到顯著水平,表明干旱脅迫下40 mmol/L CaCl2處理使水分敏感品種根系生長最長,以提高抗旱性。
抗旱性品種A1和生產(chǎn)對照品種A3在40 mmol/L CaCl2處理下鮮質(zhì)量最大,分別較對照提高了22.70%和20.50%,差異達到顯著水平,而水分敏感品種A2在20 mmol/L CaCl2處理下鮮質(zhì)量最大,較對照提高了21.83%,差異達到顯著水平,表明抗旱性品種A1和生產(chǎn)對照品種A3在中濃度CaCl2處理下生長較快,而水分敏感品種A2在低濃度CaCl2處理下生長最快。A1和A3在40 mmol/L CaCl2處理下干質(zhì)量最大,分別較對照提高了16.86%和14.60%,差異達到顯著水平;A2在20 mmol/L CaCl2處理下干質(zhì)量最大,較對照提高了16.64%,差異達到顯著水平,表明抗旱性品種A1和生產(chǎn)對照品種A3在中濃度CaCl2處理下干物質(zhì)積累最多,而水分敏感品種A2在低濃度CaCl2處理下干物質(zhì)積累最多。
表1 CaCl2對干旱脅迫下棉花幼苗農(nóng)藝性狀的影響
注:同列不同小寫字母表示同一品種不同處理間差異顯著(P<0.05)。
2.2 CaCl2對干旱脅迫下棉花幼苗生理特性的影響
2.2.1 SPAD值 由圖1可知,干旱脅迫下,隨著CaCl2濃度的升高,A1、A2、A3葉片SPAD值均呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢??购敌云贩NA1和生產(chǎn)對照品種A3在40 mmol/L CaCl2處理下SPAD值達到最高,較對照分別顯著提高了10.95%和10.46%;而A2在20 mmol/L CaCl2處理下SPAD值達到最高,較對照顯著提高9.67%。這表明一定濃度的CaCl2處理能顯著提高棉花幼苗的SPAD值,但不同品種的最適CaCl2濃度不同。
不同字母表示同一品種不同處理間差異顯著(P<0.05),下同
2.2.2 SOD活性 由圖2可知,干旱脅迫下,隨著CaCl2濃度的升高,A1、A2、A3葉片SOD活性均呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢,不同濃度CaCl2處理下SOD活性差異顯著??购敌云贩NA1和生產(chǎn)對照品種A3在40 mmol/L CaCl2處理下SOD活性達到最高,較對照分別顯著提高了23.10%和66.36%;而水分敏感品種A2在20 mmol/L CaCl2處理下SOD活性達到最高,較對照顯著提高了137.36%。CaCl2濃度升高至80 mmol/L時,3個品種的SOD活性均較40 mmol/L處理顯著下降,說明較高的CaCl2濃度處理可能對細胞產(chǎn)生毒害,SOD活性降低。由此可見,一定濃度的CaCl2處理能提高棉花幼苗的SOD活性,但不同品種的最適CaCl2濃度不同,抗旱性品種A1和生產(chǎn)對照品種A3的最適CaCl2處理濃度為40 mmol/L,而水分敏感品種A2的最適CaCl2處理濃度為20 mmol/L。
圖2 CaCl2對干旱脅迫下棉花幼苗葉片SOD活性的影響
2.2.3 POD活性 由圖3可以看出,與干旱脅迫下SOD活性變化趨勢一樣,A1、A2、A3葉片的POD活性隨著CaCl2濃度的升高表現(xiàn)出先升高后下降趨勢,同一品種各處理間差異達顯著水平??购敌云贩NA1和生產(chǎn)對照品種A3在40 mmol/L CaCl2處理下POD活性達到最高,較對照分別顯著提高了77.74%和67.21%;而水分敏感品種A2在20 mmol/L CaCl2處理下POD活性達到最高,較對照顯著提高了95.50%。CaCl2濃度提高至80 mmol/L時,3個品種的POD活性均較40 mmol/L處理顯著下降。表明一定濃度的CaCl2處理能顯著提高棉花幼苗的POD活性,但不同品種的最適濃度不同,抗旱性品種A1和生產(chǎn)對照品種A3的最適CaCl2處理濃度為40 mmol/L,而水分敏感品種A2的最適CaCl2處理濃度為20 mmol/L。
圖3 CaCl2對干旱脅迫下棉花幼苗葉片POD活性的影響
2.2.4 脯氨酸含量 由圖4可知,干旱脅迫下,A1、A2、A3葉片脯氨酸含量隨著CaCl2濃度的升高均呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢??购敌云贩NA1和生產(chǎn)對照品種A3在40 mmol/L CaCl2處理下脯氨酸含量最高,分別為259.68 μg/g和178.87 μg/g,較對照分別顯著提高了289.44%和838.95%;而水分敏感品種A2在20 mmol/L CaCl2處理下脯氨酸含量最高,為132.07 μg/g,較對照顯著提高了404.28%; 80 mmol/L CaCl2處理下,3個品種的脯氨酸含量均較40 mmol/L處理顯著下降,但仍然高于對照。表明一定濃度的CaCl2處理能顯著提高棉花幼苗的脯氨酸含量,但不同品種的最適濃度不同,抗旱性品種A1和常規(guī)品種A3的最適CaCl2處理濃度均為40 mmol/L,水分敏感品種A2的最適CaCl2處理濃度為20 mmol/L。
圖4 CaCl2對干旱脅迫下棉花幼苗葉片脯氨酸含量的影響
2.2.5 MDA含量 由圖5可知,A1、A2、A3葉片MDA含量隨著CaCl2濃度的升高均呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢。A1和A3在40 mmol/L CaCl2處理下MDA含量最低,較對照分別顯著下降了20.00%和25.50%;而A2在20 mmol/L CaCl2處理下MDA含量降至最低,較對照顯著降低23.24%。但隨著CaCl2濃度升高,在80 mmol/L處理下3個品種葉片的MDA含量均較對照顯著上升。表明一定濃度的CaCl2處理能顯著降低棉花幼苗的MDA含量,但不同品種的最適濃度不同,抗旱性品種A1和生產(chǎn)對照品種A3的最適CaCl2處理濃度為40 mmol/L,而水分敏感品種A2的最適CaCl2處理濃度為20 mmol/L,但在更高濃度(80 mmol/L) CaCl2處理下3個品種葉片MDA含量均顯著升高。
圖5 CaCl2對干旱脅迫下棉花幼苗葉片MDA含量的影響
本研究結(jié)果表明,一定濃度CaCl2處理可以提高干旱脅迫下棉花幼苗的根長、鮮質(zhì)量、干質(zhì)量、SPAD值、SOD和POD活性以及脯氨酸含量,降低MDA含量,增加抗旱能力。但抗旱性不同的棉花品種,在不同濃度CaCl2處理下其幼苗對干旱脅迫的響應有所差異,水分敏感品種GK20在20 mmol/L CaCl2處理下抗旱性最好,而抗旱性品種豫棉19和生產(chǎn)對照品種魯棉研28則在40 mmol/L CaCl2處理下抗旱性最佳。
關(guān)于CaCl2處理對植物干旱脅迫的緩解作用,許多學者從不同角度進行了討論。劉金蘭[14]和蔣明敏等[15]研究表明,干旱脅迫導致活性氧的產(chǎn)生加速,使氧自由基和過氧化氫產(chǎn)生與清除之間的平衡被打破,鈣能增加抗氧化酶的活性,降低活性氧的含量和膜脂過氧化傷害,減輕水分虧缺形成的活性氧傷害,從而增強植物的抗旱性。宋新妍等[16]研究認為,使用一定濃度的CaCl2噴施小麥苗期葉片能顯著提高SOD活性和脯氨酸含量。張冬野等[17]研究認為,對干旱脅迫下的番茄幼苗噴施10 mmol/L CaCl2能提高葉片的SOD、POD活性以及SPAD值和脯氨酸含量,降低MDA含量,有效提高番茄幼苗抗旱性,這與本研究采用一定濃度的CaCl2處理能提高棉花抗旱性的結(jié)果相一致。熊潔等[18]研究表明,耐旱性不同的甘藍型油菜品種在干旱脅迫下,SOD和POD活性、SPAD值、脯氨酸含量等差異很大,耐旱性甘藍型油菜品種在干旱條件下較敏感品種葉片中游離脯氨酸積累多,以維持自身細胞內(nèi)的溶質(zhì)濃度,減緩干旱脅迫的不利影響。這與本研究中抗旱性品種的SOD和POD活性、脯氨酸含量、葉片SPAD值均明顯高于敏感品種,MDA含量低于敏感品種結(jié)果一致;且本試驗中抗旱性不同的棉花品種對CaCl2的響應情況也存在一定差異。
綜上所述,一定濃度CaCl2處理可以提高干旱脅迫下棉花幼苗的抗旱性,不同抗旱性品種棉花幼苗對CaCl2的響應也存在一定的差異性。由于本試驗是室內(nèi)利用PEG-6000水培模擬干旱進行的,在大田實際生產(chǎn)中如何使用CaCl2以及CaCl2緩解棉花干旱的效果如何尚需要進一步研究。
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Effects of CaCl2on Growth and Physiological Characteristics of Cotton Seedlings under Drought Stress
LIU Tuo1,ZHANG Li2,LI Zhikun1,WANG Rui1,MA Zongbin1,LI Lingli1,LIU Wei1,ZHU Wei1*
(1.College of Agronomy,Henan Agricultural University,Zhengzhou 450002,China; 2.Cereal Crops Research Institute,Henan Academy of Agricultural Sciences,Zhengzhou 450002,China)
To reveal the physiological mechanism of different cotton varieties response to CaCl2under drought stress,three cotton cultivars(Yumian 19,GK20 and Luyanmian 28)with different drought resistance levels were selected as materials,the effects of CaCl2on growth and physiological characteristics of cotton seedlings were studied under drought stress with PEG.The results showed that under drought stress,except plant height without significant difference among different CaCl2treatments,the fresh weight,dry weight,SPAD value,proline content,SOD and POD activities of Yumian 19 and Luyanmian 28 of 40 mmol/L CaCl2treatment were generally higher than the other CaCl2treatments,while MDA content was generally lower; fresh weight,dry weight,SPAD value,proline content,SOD and POD activities of GK20 of 20 mmol/L CaCl2treatment were generally higher than the other CaCl2treatments,while MDA content was lower.This experiment indicated that CaCl2could improve the resistance to drought stress of cotton seedlings,but the optimal concentrations varied from cultivar to cultivar.
cotton; drought stress; CaCl2; seedlings growth; physiological characteristics
2016-12-23
河南省高等學校重點科研項目(17B210005);河南省棉花產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項資金項目(S2013-07-G04)
劉 拓(1992-),男,江蘇豐縣人,在讀碩士研究生,研究方向:棉花栽培生理。E-mail:1498764487@qq.com
*通訊作者:朱 偉(1973-),男,河南光山人,副教授,博士,主要從事棉花分子生物學研究。 E-mail:zhuwei_2006z@126.com
S562
A
1004-3268(2017)05-0056-05