紅豆和白扁豆種子萌發(fā)和生長對鹽脅迫的響應(yīng)及其生理機(jī)制*

鄧小紅, 姬拉拉, 王銳潔, 劉 筱, 楊淑君, 關(guān) 萍, 王健健

紅豆和白扁豆種子萌發(fā)和生長對鹽脅迫的響應(yīng)及其生理機(jī)制*

鄧小紅, 姬拉拉, 王銳潔, 劉 筱, 楊淑君, 關(guān) 萍, 王健健**

(貴州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/貴州大學(xué)農(nóng)業(yè)生物工程研究院/山地植物資源保護(hù)與種質(zhì)創(chuàng)新教育部重點實驗室/山地生態(tài)與農(nóng)業(yè)生物工程協(xié)同創(chuàng)新中心 貴陽 550025)

為探討紅豆和白扁豆種子萌發(fā)及幼苗生長對鹽脅迫的響應(yīng)及其生理機(jī)制, 以紅豆品種‘渝紅豆2號’和傳統(tǒng)白扁豆品種為材料, 分別用不同濃度NaCl(0 mmol?L-1、20 mmol?L-1、40 mmol?L-1、60 mmol?L-1、80 mmol?L-1、100 mmol?L-1)溶液處理種子, 測定不同NaCl濃度脅迫下紅豆和白扁豆種子的發(fā)芽指標(biāo)及幼苗生長指標(biāo)、葉片丙二醛(MDA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)活性, 分析NaCl脅迫對紅豆和白扁豆種子萌發(fā)及幼苗生長的影響。結(jié)果表明: 1)隨NaCl濃度增加, 紅豆和白扁豆種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均呈下降趨勢。當(dāng)NaCl濃度為80 mmol?L-1時, 白扁豆發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)降為0, 紅豆的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)分別為20.00%、2.00、0.83; NaCl濃度為100 mmol?L-1時, 紅豆的發(fā)芽率為16.67%, 但白扁豆為0, 這表明在鹽脅迫下紅豆較白扁豆具有更高的萌發(fā)能力。2)紅豆與白扁豆相對鹽害率隨NaCl濃度的增加而增加, 當(dāng)NaCl濃度為80 mmol?L-1和100 mmol?L-1時, 白扁豆相對鹽害率為96.58%和96.67%, 紅豆相對鹽害率為47.05%和83.18%, 說明紅豆受鹽害程度較低。3)紅豆與白扁豆幼苗胚根、胚芽及鮮重均隨NaCl濃度增加而下降。NaCl濃度為100 mmol?L-1時, 白扁豆胚根長為0, 紅豆胚根長為0.23 cm。4)隨NaCl濃度升高, 紅豆和白扁豆葉片的MDA含量均增加, 造成細(xì)胞膜透性逐漸增大, 但是紅豆幼苗MDA積累量低于白扁豆, 這表明紅豆葉片細(xì)胞膜損傷較小。5)NaCl脅迫下, 紅豆與白扁豆SOD活性均顯著升高, 但紅豆SOD活性顯著高于白扁豆; NaCl脅迫下, POD活性顯著升高, 但白扁豆POD活性顯著下降。研究發(fā)現(xiàn)紅豆可通過提高SOD和POD活性以降低細(xì)胞膜氧化傷害, 減少MDA積累量, 進(jìn)而提高種子萌發(fā)能力。在相同濃度NaCl脅迫下紅豆較白扁豆有更高的耐鹽性, 能更好地適應(yīng)鹽脅迫環(huán)境。

鹽脅迫; 耐鹽性; 保護(hù)酶活性; 種子萌發(fā); 紅豆; 白扁豆

目前, 全球約7%的土地不同程度地受土壤鹽漬化影響[1], 我國鹽堿地的面積已超過3 000萬hm2, 受化肥大量使用及海平面不斷升高的影響, 土壤鹽漬化面積呈逐年增加趨勢, 已成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展所面臨的重大生態(tài)問題[2]。

土壤鹽漬化對植物的生長、發(fā)育、繁殖和分布有著深遠(yuǎn)的影響[3]。種子萌發(fā)與幼苗生長期是植物生活史中最脆弱的階段, 也是決定植物能否在鹽漬環(huán)境中生存的關(guān)鍵時期, 因此, 研究鹽脅迫下植物種子的萌發(fā)與生長特征, 可以反映該植物的耐鹽性[4-6]。目前關(guān)于鹽脅迫對植物種子萌發(fā)的影響已有較多研究, 大量結(jié)果表明, 隨著鹽濃度增加, 小麥()、豌豆()、裸果木()種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)及幼苗的鮮重、株高、胚根長均受到顯著抑制[7-9]。鹽脅迫還會誘導(dǎo)植物細(xì)胞膜脂過氧化加重, 導(dǎo)致丙二醛(MDA)含量增加, 同時破壞抗氧化酶系統(tǒng), 對植物造成嚴(yán)重的鹽害[10-11]。但不同的物種對鹽脅迫的響應(yīng)不同: 劉一明等[12]研究NaCl對2種豇豆屬()植物種子萌發(fā)和幼苗生長的影響時發(fā)現(xiàn), 濱豇豆()和赤小豆()種子萌發(fā)和幼苗生長均受到明顯抑制, 但在不同NaCl處理下2種豇豆屬植物種子表現(xiàn)出不同的耐鹽機(jī)制, 在高鹽脅迫下濱豇豆的胚軸顯著長于赤小豆, 表現(xiàn)出更強(qiáng)的耐鹽性。王小山等[13]研究3種豆科(Leguminosae)牧草種子在萌發(fā)階段對鹽漬環(huán)境的生理適應(yīng)時發(fā)現(xiàn), 高鹽脅迫會抑制種子萌發(fā), 抑制程度為紫花苜蓿()>沙打旺()>草木犀(), 但其耐鹽機(jī)制尚不明確。因此, 本試驗比較不同屬豆科植物的耐鹽性, 以探究不同鹽濃度對不同屬豆科植物種子萌發(fā)的影響機(jī)制。

紅豆()與白扁豆()[14]分別為豆科豇豆屬與扁豆屬一年生直立草本植物[15-16], 是我國重要的雜糧品種[14]。近年來, 紅豆和白扁豆的藥用價值和經(jīng)濟(jì)價值受到消費者的廣泛關(guān)注, 使種植面積不斷擴(kuò)大, 但目前針對紅豆與白扁豆的研究主要集中在高產(chǎn)栽培技術(shù)[17]、生物活性成分[14,18]等方面, 迄今鮮見關(guān)于NaCl脅迫下紅豆與白扁豆種子萌發(fā)特性及其幼苗生理響應(yīng)機(jī)制的報道。為此, 本研究設(shè)置不同濃度的NaCl溶液, 以探究不同NaCl濃度對紅豆和白扁豆種子萌發(fā)及幼苗生理機(jī)制的影響, 揭示紅豆和白扁豆種子萌發(fā)對鹽脅迫響應(yīng)的差異和機(jī)理, 為篩選耐鹽的豆科植物, 合理利用鹽漬化土地, 提高農(nóng)作物產(chǎn)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用紅豆種子品種為‘渝紅豆2號’, 白扁豆種子是農(nóng)家傳統(tǒng)品種。所用種子均為2018年度當(dāng)季采收。

1.2 試驗方法

1.2.1 種子預(yù)處理

選取大小一致、籽粒飽滿的紅豆和白扁豆種子用10%的雙氧水消毒15 min, 然后用蒸餾水多次沖洗。將洗凈的種子放入蒸餾水中浸泡12 h后再用于發(fā)芽試驗。

1.2.2 發(fā)芽試驗

采用濾紙紙上發(fā)芽法。設(shè)計5個NaCl濃度(20 mmol?L-1、40 mmol?L-1、60 mmol?L-1、80 mmol?L-1、100 mmol?L-1)梯度, 以蒸餾水為對照(0 mmol?L-1)。將消毒處理過的紅豆和白扁豆種子置于墊有雙層濾紙的培養(yǎng)皿中, 每皿40粒, 分別加入20 mL不同濃度的NaCl溶液, 對照中加入等量的蒸餾水, 每個處理重復(fù)3次。放置于白天/夜間溫度為28 ℃/18 ℃、相對空氣濕度為65%~86%的GZ-250-GSⅡ型智能人工氣候箱中培養(yǎng)。每隔2 d換一次NaCl溶液或蒸餾水, 以防因水分蒸發(fā)而改變NaCl濃度或溶液體積。每天觀察種子萌發(fā)狀況并做好種子發(fā)芽記錄。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 種子萌發(fā)指標(biāo)的測定

自種子培養(yǎng)開始每天統(tǒng)計發(fā)芽數(shù), 以胚根長0.2 cm為標(biāo)志。第4 d統(tǒng)計不同NaCl處理下的發(fā)芽勢, 共處理9 d。第9 d統(tǒng)計種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、相對鹽害率, 并測量幼苗胚根長和芽長, 稱量幼苗鮮重(單株幼芽)。計算公式[19-20]如下:

發(fā)芽率(%)＝種子發(fā)芽總數(shù)/供試種子總數(shù)×100 (1)

發(fā)芽勢(%)=(培養(yǎng)4 d后供試種子的發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù))×100 (2)

發(fā)芽指數(shù)(GI)=∑(G/D) (3)

活力指數(shù)(VI)=GI(4)

相對鹽害率(%)=(對照發(fā)芽率-鹽處理發(fā)芽率)/對照發(fā)芽率×100 (5)

式中:G為發(fā)芽試驗期內(nèi)相應(yīng)各日正常發(fā)芽的種粒數(shù),D為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù), GI表示發(fā)芽指數(shù),表示胚根長(cm)。

1.3.2 幼苗生理指標(biāo)的測定

第9 d后, 在對照和20 mmol·L-1NaCl處理下, 分別稱取0.1 g紅豆和白扁豆幼葉, 測定其丙二醛(MDA)含量、過氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)活性, 每個處理重復(fù)3次。MDA含量采用硫代巴比妥酸法測定, 過氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)活性參考植物生理生化實驗原理的方法進(jìn)行測定[21-22]。稱取0.1 g樣品鮮樣, 用提取液進(jìn)行冰浴研磨, 8 000′g 4 ℃離心10 min, 取上清液供POD、SOD活性的測定。POD活性測定: 記錄470 nm下1 min時吸光值1和2 min后的吸光值2, 計算=2-1。以每分鐘D470 nm變化為1個酶活性單位(U?g-1); SOD活性測定: 以抑制光化還原氮藍(lán)四唑50%為1個酶活性單位(U?g-1)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)用Excel 2010軟件進(jìn)行圖表處理, 采用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、檢驗和Duncan多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同NaCl濃度對紅豆和白扁豆發(fā)芽特性的影響

2.1.1 對發(fā)芽率的影響

由圖1A可知, 紅豆和白扁豆在不同濃度NaCl脅迫下發(fā)芽率均低于對照, 說明NaCl脅迫對紅豆和白扁豆種子萌發(fā)均產(chǎn)生了抑制作用, 而且白扁豆的對照與NaCl脅迫發(fā)芽率差值明顯大于紅豆。其中, NaCl濃度為0 mmol?L-1、20 mmol?L-1和40 mmol?L-1時, 紅豆和白扁豆的發(fā)芽率下降幅度較小; 當(dāng)NaCl濃度升高至60 mmol?L-1、80 mmol?L-1和100 mmol?L-1時, 紅豆與白扁豆發(fā)芽率分別下降16.81%、47.06%、83.19%與25.86%、98.28%、100.00%。方差分析表明(圖1A), 相同濃度NaCl脅迫下, 紅豆的發(fā)芽率均高于白扁豆(<0.01), 說明鹽脅迫對白扁豆發(fā)芽率抑制作用更大。

2.1.2 對發(fā)芽勢的影響

由圖1B可知, 紅豆和白扁豆的發(fā)芽勢隨NaCl濃度的增加而下降, 但兩者下降幅度不同。NaCl濃度為20 mmol?L-1、40 mmol?L-1、60 mmol?L-1、80 mmol?L-1和100 mmol?L-1時, 紅豆發(fā)芽勢分別降低4.39%、24.56%、59.65%和78.95%, 白扁豆的發(fā)芽勢分別降低16.36%、27.27%、94.55%和100.00%。方差分析表明(圖1B),鹽脅迫對紅豆和白扁豆種子發(fā)芽勢有顯著影響。紅豆和白扁豆間發(fā)芽勢差異達(dá)顯著水平(=0.014), 且相同濃度NaCl處理下紅豆的發(fā)芽勢均高于白扁豆。

2.1.3 對發(fā)芽指數(shù)的影響

由圖1C可知, 在NaCl脅迫下, 紅豆和白扁豆發(fā)芽指數(shù)變化趨勢與發(fā)芽率相似, 即在低NaCl濃度下發(fā)芽指數(shù)變化差異不顯著, 隨NaCl濃度升高, 發(fā)芽指數(shù)均呈下降趨勢。當(dāng)NaCl濃度為40 mmol?L-1、60 mmol?L-1、80 mmol?L-1時, 紅豆和白扁豆的發(fā)芽指數(shù)分別下降24.56%、59.65%、78.95%和27.27%、94.55%、100.00%。即隨著NaCl濃度升高, 紅豆和白扁豆發(fā)芽指數(shù)受抑制程度不斷增強(qiáng), 白扁豆發(fā)芽指數(shù)下降幅度更大, 受鹽害程度更明顯。方差分析表明, 鹽脅迫對紅豆和白扁豆的發(fā)芽指數(shù)有顯著影響, 且紅豆和白扁豆間發(fā)芽指數(shù)差異顯著(=0.007)。

2.1.4 對活力指數(shù)的影響

由圖1D可知, 隨NaCl濃度增加, 紅豆和白扁豆的活力指數(shù)均呈顯著下降趨勢。方差分析表明, 鹽脅迫對紅豆和白扁豆的活力指數(shù)有顯著影響。不同濃度NaCl處理下, 紅豆和白扁豆間的活力指數(shù)差異達(dá)顯著水平(=0.034)。當(dāng)NaCl濃度為20 mmol?L-1、40 mmol?L-1和60 mmol?L-1時, 紅豆的活力指數(shù)分別下降22.15%、65.61%和94.92%, 而在此濃度下白扁豆的活力指數(shù)下降的更為明顯, 分別下降41.56%、58.7%和98.32%。當(dāng)NaCl濃度增加到80 mmol?L-1時, 白扁豆的活力指數(shù)降為0, 紅豆的活力指數(shù)為0.83。可見, 隨著NaCl濃度增加, 紅豆和白扁豆活力指數(shù)均顯著下降, 但相同NaCl濃度下紅豆的活力指數(shù)高于白扁豆。

圖1 不同NaCl濃度對紅豆和白扁豆發(fā)芽率(A)、發(fā)芽勢(B)、發(fā)芽指數(shù)(C)和活力指數(shù)(D)的影響

不同大寫字母表示不同鹽濃度下紅豆性狀差異顯著, 不同小寫字母表示不同鹽濃度下白扁豆性狀差異顯著(按照Duncon的統(tǒng)計檢驗,<0.05)。ns和*、**分別表示相同鹽濃度下紅豆與白扁豆間的差異不顯著(>0.05)和在<0.05、<0.01水平差異顯著。Different capital letters indicate significant differences among different NaCl concentrations of, different lowercase letters indicate significant differences among different NaCl concentrations of(according to Duncon’s statistical test,< 0.05). “ns” and “*”, “**” mean no significant difference (> 0.05) and significant differences at< 0.05,< 0.01 betweenandunder the same NaCl concentration, respectively.

2.2 不同NaCl濃度對白扁豆和紅豆相對鹽害率的影響

相對鹽害率反映紅豆和白扁豆種子受NaCl脅迫的程度。由圖2可知, 隨著NaCl濃度增加, 紅豆和白扁豆的相對鹽害率均呈上升趨勢。當(dāng)NaCl濃度為20 mmol?L-1時, 白扁豆受到10.00%的鹽害作用, 而紅豆在此濃度下相對鹽害率為0。隨著NaCl濃度升高, 兩種豆類受到的鹽害逐漸增大, NaCl濃度為40 mmol?L-1、60 mmol?L-1、80 mmol?L-1和100 mmol?L-1時, 紅豆的相對鹽害率分別增加3.33%、16.82%、47.05%和83.18%, 白扁豆分別增加16.67%、27.11%、96.58%和96.67%。以上結(jié)果說明, 低濃度NaCl處理下, 紅豆與白扁豆受到的毒害作用較小, 隨著NaCl濃度增加, 鹽害作用增大, 種子萌發(fā)困難, 但紅豆鹽害率極顯著低于白扁豆(<0.01)。說明紅豆較白扁豆有更強(qiáng)的耐鹽能力, 能更好地適應(yīng)鹽脅迫環(huán)境。

圖2 不同NaCl濃度下紅豆和白扁豆的相對鹽害率

不同大寫字母表示不同鹽濃度下紅豆性狀差異顯著, 不同小寫字母表示不同鹽濃度下白扁豆性狀差異顯著(按照Duncon的統(tǒng)計檢驗,<0.05)。*、**分別表示相同鹽濃度下紅豆與白扁豆間在<0.05、<0.01水平差異顯著。Different capital letters indicate significant differences among different NaCl concentrations of, different lowercase letters indicate significant differences among different NaCl concentrations of(according to Duncon’s statistical test,< 0.05). “*”, “**” mean significant differences at< 0.05 and< 0.01, respectively, betweenandunder the same NaCl concentration.

2.3 不同NaCl濃度對紅豆和白扁豆幼苗生長的影響

從表1可知, 紅豆和白扁豆在不同濃度的NaCl溶液中處理9 d后, 其幼苗胚根長、胚芽長及幼苗鮮重均受到顯著抑制作用。方差分析結(jié)果表明, 鹽脅迫對紅豆和白扁豆幼苗的胚根長有顯著影響, 并且紅豆和白扁豆間的胚根長有極顯著差異(<0.01)。NaCl濃度為20 mmol?L-1、40 mmol?L-1、60 mmol?L-1、80 mmol?L-1時, 紅豆和白扁豆的胚根長較對照分別下降18.54%、54.31%、86.76%、92.05%和36.3%、43.15%、76.03%、95.89%。NaCl濃度為100 mmol?L-1時, 紅豆的胚根長為0.23 cm, 白扁豆的胚根長降為0。NaCl濃度為20 mmol?L-1時, 紅豆和白扁豆的胚芽長較對照分別下降81.39%和83.18%, NaCl濃度增加到40 mmol?L-1時, 已無法測定幼苗胚芽長度, 說明紅豆和白扁豆胚芽對鹽脅迫的響應(yīng)更敏感。

2.4 不同NaCl濃度對紅豆和白扁豆MDA含量、POD和SOD活性的影響

MDA是膜脂過氧化的產(chǎn)物[23], 其在細(xì)胞中積累的程度可以反映植物體內(nèi)氧自由基的動態(tài)和細(xì)胞受損傷的程度, 常用于衡量生物膜脂過氧化作用的強(qiáng)弱[10]。由圖3A可知, 隨NaCl濃度增加, 紅豆和白扁豆MDA含量均呈顯著上升趨勢, 較對照分別增加54.88%和50.55%。統(tǒng)計結(jié)果表明, 鹽脅迫下, 紅豆和白扁豆MDA含量差異達(dá)顯著水平(<0.01), 且白扁豆的MDA含量在對照和NaCl脅迫下均高于紅豆MDA含量。

由圖3B、3C可知, 紅豆的POD和SOD活性隨NaCl濃度增加而增加。NaCl濃度為20 mmol?L-1時, 紅豆的POD活性較對照增加了119.14%, SOD活性增加了56.31%; 隨著NaCl濃度增加, 與對照相比, 白扁豆SOD活性僅增加了19.03%, 且差異不顯著(=0.25), 而白扁豆的POD活性顯著降低(<0.01), 下降了46.15%。

3 討論

3.1 不同NaCl濃度對紅豆和白扁豆種子萌發(fā)及鹽害率的影響

種子萌發(fā)和幼苗生長是植物對環(huán)境脅迫較為敏感的時期, 其生長和生理特征極易受到周圍環(huán)境的影響[24]。種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)是衡量和評價種子發(fā)芽水平的常用指標(biāo)[19], 可反映種子發(fā)芽的快慢、整齊度及幼苗生長的潛能。前人針對紫薇()[19]、沙棗()[25]、高粱()[26]的研究發(fā)現(xiàn), 隨著NaCl濃度升高, 植物種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均呈下降趨勢。本研究發(fā)現(xiàn), 在NaCl脅迫下紅豆和白扁豆種子萌發(fā)均受到了抑制, 且隨NaCl濃度升高, 抑制作用不斷加大, 這與前人研究結(jié)果一致[7,19,25-26]。本研究還發(fā)現(xiàn)在相同濃度NaCl處理下, 紅豆和白扁豆發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)表現(xiàn)出顯著的種間差異, 即紅豆的各發(fā)芽指標(biāo)均顯著高于白扁豆, 而且這種差異隨NaCl濃度增加表現(xiàn)得更加明顯, 這與劉一明等[12]對2種豇豆屬植物的研究結(jié)果一致, 說明相同NaCl濃度下白扁豆種子萌發(fā)受到鹽脅迫的抑制作用更大, 這也與本研究針對NaCl脅迫對紅豆和白扁豆相對鹽害率得到的結(jié)果一致, 例如在NaCl濃度為80 mmol?L-1時, 紅豆的相對鹽害率為47.05%; 而白扁豆的相對鹽害率升至96.58%。綜上說明, 在鹽脅迫下, 紅豆和白扁豆各萌發(fā)指標(biāo)均受到不同程度的抑制, 但在等濃度NaCl濃度下, 紅豆種子表現(xiàn)出更高的萌發(fā)能力和更低的鹽害率。

表1 不同NaCl濃度對紅豆和白扁豆幼苗胚根長、胚芽長、鮮重的影響

同列不同小寫字母表示不同鹽濃度間差異顯著(按照Duncon的統(tǒng)計檢驗,<0.05)。ns和*、**分別表示相同鹽濃度下紅豆與白扁豆間的差異不顯著(>0.05)和在<0.05、<0.01水平差異顯著。Different lowercase letters indicate significant differences among different NaCl concentrations(according to Duncon’s statistical test,< 0.05). “ns” and “*”, “**” mean no significant difference (> 0.05) and significant differences at< 0.05 and< 0.01, respectively, betweenandunder the same NaCl concentration.

圖3 不同NaCl濃度對紅豆和白扁豆幼苗MDA含量(A)和POD(B)、SOD(C)活性的影響

不同大寫字母表示不同鹽濃度下紅豆性狀差異顯著, 不同小寫字母表示不同鹽濃度下白扁豆性狀差異顯著(按照Duncon的統(tǒng)計檢驗,<0.05)。ns和*、**分別表示相同鹽濃度下紅豆與白扁豆間的差異不顯著(>0.05)和在<0.05、<0.01水平差異顯著。Different capital letters indicate significant differences among different NaCl concentrations of, different lowercase letters indicate significant differences among different NaCl concentrations of(according to Duncon’s statistical test,< 0.05). “ns” and “*”, “**” mean no significant difference (> 0.05) and significant differences at< 0.05,< 0.01 betweenandunder the same NaCl concentration, respectively.

3.2 不同NaCl濃度對紅豆和白扁豆生長指標(biāo)的影響

鹽脅迫不僅影響種子萌發(fā), 且對萌發(fā)后幼苗的胚根、胚芽生長也有影響, 胚根、胚芽的生長狀況可以反映植物定居成苗的特性[2]。馬紅媛等[27]在研究NaCl脅迫對4種禾本科牧草種子萌發(fā)的影響中發(fā)現(xiàn), 4種牧草幼苗的根長、芽長及根/冠比均隨NaCl的增加呈下降的趨勢, 且NaCl脅迫對羊草()芽長的抑制作用大于根長; 李志萍等[28]研究鹽脅迫對栓皮櫟()種子萌發(fā)及幼苗生長試驗中也發(fā)現(xiàn), 隨鹽濃度增加, 其胚根長、胚芽長、胚根鮮重均受到抑制; 在賈永正等[19]、徐寧等[26]研究中也得到了相同的結(jié)論。本試驗中, 隨NaCl濃度增加, 紅豆和白扁豆的胚根長、胚芽長及鮮重均顯著降低, 與前人研究結(jié)果一致[19,26-28]。但不同NaCl處理下, 紅豆和白扁豆各生長指標(biāo)下降速率出現(xiàn)顯著差異。在NaCl濃度為20 mmol?L-1時, 紅豆和白扁豆的胚根長、胚芽長和鮮重均顯著降低, 紅豆分別下降18.54%、81.39%和18.47%, 白扁豆分別下降36.30%、42.06%和30.92%。且隨NaCl濃度增加, 紅豆和白扁豆各生長指標(biāo)下降更顯著。NaCl濃度增加到40 mmol·L-1時, 紅豆和白扁豆胚根長分別下降54.31%和43.15%, 而胚芽長已無法測定其長度。這可能是因為高濃度的鹽溶液使得幼苗的胚根和胚芽細(xì)胞吸水困難, 因而其生長受到了顯著的影響。隨鹽濃度進(jìn)一步增加, 胚根長受抑制程度也不斷加大。幼苗鮮重的下降趨勢與胚芽長相似, 且白扁豆鮮重的下降速率較紅豆快。綜合種子萌發(fā)和生長指標(biāo)可知, 紅豆和白扁豆種子萌發(fā)均受到鹽脅迫的影響, 但紅豆有更強(qiáng)的耐鹽能力。

3.3 不同NaCl濃度對紅豆和白扁豆生理特征的影響

植物受到鹽脅迫后, 會產(chǎn)生大量的活性氧, 細(xì)胞內(nèi)活性氧的產(chǎn)生與清除平衡被打破, 使得生物膜發(fā)生膜脂過氧化反應(yīng), 膜的完整性被破壞, MDA是膜脂過氧化的產(chǎn)物, 其在細(xì)胞中積累的程度常用于衡量生物膜脂過氧化作用的強(qiáng)弱[29], 同時, 保護(hù)酶POD和SOD活性增加, 使其抗逆性增強(qiáng), 從而降低鹽害[30]。徐寧等[26]發(fā)現(xiàn)幼苗受鹽脅迫時, 葉片中MDA含量增加, 同時其POD和SOD活性升高。劉志洋等[31]研究表明, 低濃度NaCl脅迫下POD和SOD活性升高, 高NaCl脅迫時, POD和SOD活性逐漸降低。本研究中, 在不同NaCl濃度處理下, 紅豆和白扁豆的MDA含量及SOD活性顯著增加, 與前人研究結(jié)果一致[26,31], 紅豆和白扁豆的MDA含量均增加, 表明膜脂過氧化加重, SOD活性升高可能是因為NaCl脅迫激發(fā)了保護(hù)酶活性, 增加其耐鹽能力。本研究中紅豆POD活性增加119.14%, 但白扁豆的POD活性下降46.15%, 這可能是由于白扁豆的耐鹽性較差, 在此濃度下POD活性較弱[32], 綜合抗氧化酶活性數(shù)據(jù)可知, 紅豆和白扁豆都能通過提高抗氧化酶活性來應(yīng)對鹽脅迫, 但紅豆的耐鹽性更高。

綜上, 本研究發(fā)現(xiàn), NaCl脅迫下紅豆和白扁豆種子萌發(fā)均受到不同程度的抑制, 但在等濃度NaCl處理下, 紅豆發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)等萌發(fā)指標(biāo)及幼苗生長指標(biāo)均高于白扁豆, 紅豆表現(xiàn)出更高的萌發(fā)能力。隨NaCl濃度增加, 紅豆積累MDA的量較白扁豆少, SOD與POD活性均增加, 說明紅豆在鹽脅迫下表現(xiàn)出更高的抗氧化酶活性, 能緩解鹽脅迫對其膜脂過氧化傷害的程度, 表現(xiàn)出了較強(qiáng)的耐鹽性。

[1] ZHU J K. Plant salt tolerance[J]. Trends in Plant Science, 2001, 6(2): 66–71

[2] ALLAKHVERDIEV S I, SAKAMOTO A, NISHIYAMA Y, et al. Ionic and osmotic effects of NaCl-induced inactivation of photosystems Ⅰ and Ⅱ insp.[J]. Plant Physiology, 2000, 123(3): 1047–1056

[3] 渠曉霞, 黃振英. 鹽生植物種子萌發(fā)對環(huán)境的適應(yīng)對策[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2005, 25(9): 2389–2398 QU X X, HUANG Z Y. The adaptive strategies of halophyte seed germination[J]. Acta Ecologica Sinica, 2005, 25(9): 2389–2398

[4] 李敏, 駱永明, 宋靜, 等. 污泥-銅尾礦體系下pH、鹽分和重金屬對大麥根伸長的生態(tài)毒性效應(yīng)[J]. 土壤, 2006, 38(5): 578–583 LI M, LUO Y M, SONG J, et al. Ecotoxicological effects of pH, salinity and heavy metals on the barley root elongation in mixture of copper mine tailings and biosolids[J]. Soils, 2006, 38(5): 578–583

[5] 郝雪峰, 高惠仙, 燕平梅, 等. 鹽脅迫對大豆種子萌發(fā)及生理的影響[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué), 2013, 52(6): 1263–1266 HE X F, GAO H X, YAN P M, et al. Influence of salt stress on germination and physiology of soybean seeds[J]. Hubei Agricultural Sciences, 2013, 52(6): 1263–1266

[6] 陳俊任, 柳丹, 吳家森, 等. 重金屬脅迫對毛竹種子萌發(fā)及其富集效應(yīng)的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2014, 34(22): 6501–6509 CHEN J R, LIU D, WU J S, et al. Seed germination and metal accumulation of Moso bamboo () under heavy metal exposure[J]. Acta Ecologica Sinica, 2014, 34(22): 6501–6509

[7] 喬佩, 盧存福, 李紅梅, 等. 鹽脅迫對誘變小麥種子萌發(fā)及幼苗生理特性的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2013, 21(6): 720–727 QIAO P, LU C F, LI H M, et al. Influence of salt on seed germination and seedling physiological characteristics of mutagenic wheat[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2013, 21(6): 720–727

[8] 楊琦琦, 蔣志榮, 黃海霞, 等. NaCl和Na2SO4脅迫對裸果木種子萌發(fā)的影響[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2019, 33(3): 171–176 YANG Q Q, JIANG Z R, HUANG H X, et al. Effect of NaCl and Na2SO4stress on seed germination of[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2019, 33(3): 171–176

[9] 楊柯, 李勝, 馬紹英, 等. 豌豆種子萌發(fā)及幼苗生長對NaCl脅迫的響應(yīng)[J]. 生態(tài)科學(xué), 2014, 33(3): 433–438 YANG K, LI S, MA S Y, et al. Response of germination and seedling growth of pea seeds to NaCl stress[J]. Ecological Science, 2014, 33(3): 433–438

[10] 許興, 毛桂蓮, 李樹華, 等. NaCl脅迫和外源ABA對枸杞愈傷組織膜脂過氧化及抗氧化酶活性的影響[J]. 西北植物學(xué)報, 2003, 23(5): 745–749 XU X, MAO G L, LI S H, et al. Effect of salt stress and abscisic acid on membrane-lipid peroxidation and resistant-oxidation enzyme activities ofCallus[J]. Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica, 2003, 23(5): 745–749

[11] 王桔紅, 陳文. 黑果枸杞種子萌發(fā)及幼苗生長對鹽脅迫的響應(yīng)[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2012, 31(4): 804–810 WANG J H, CHEN W. Responses of seed germination and seedling growth ofto salt stress[J]. Chinese Journal of Ecology, 2012, 31(4): 804–810

[12] 劉一明, 馮宇, 楊虎彪, 等. NaCl對2種豇豆屬植物種子萌發(fā)和幼苗生長的影響[J]. 熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué), 2017, 37(11): 11–15 LIU Y M, FENG Y, YANG H B, et al. Effects of salt stress on seed germination and growth of twoplants[J]. Chinese Journal of Tropical Agriculture, 2017, 37(11): 11–15

[13] 王小山, 趙國琦, 劉大林, 等. 三種豆科牧草種子在萌發(fā)階段對鹽漬環(huán)境的生理適應(yīng)及主要離子調(diào)控[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2009, 28(3): 389–393 WANG X S, ZHAO G Q, LIU D L, et al. Physiological adaptation and ion regulation of three Leguminous species seeds at their germination stage to saline environment[J]. Chinese Journal of Ecology, 2009, 28(3): 389–393

[14] 李海洋, 李若存, 陳丹, 等. 白扁豆研究進(jìn)展[J]. 中醫(yī)藥導(dǎo)報, 2018, 24(10): 117–120LI H Y, LI R C, CHEN D, et al. Research progress of Baibiandou (white hyacinth bean)[J]. Guiding Journal of Traditional Chinese Medicine and Pharmacy, 2018, 24(10): 117–120

[15] 顏兵, 劉龍, 岳小強(qiáng), 等. 淺析仲景對赤小豆的配伍運用[J]. 安徽中醫(yī)學(xué)院學(xué)報, 2008, 27(5): 7–9 YAN B, LIU L, YUE X Q, et al. Simple analysis of Zhongjing’s compatibility and application of adzuki bean[J]. Journal of Anhui TCM College, 2008, 27(5): 7–9

[16] 張波, 薛文通. 紅小豆功能特性研究進(jìn)展[J]. 食品科學(xué), 2012, 33(9): 264–266 ZHANG B, XUE W T. Research progress in functional properties of adzuki bean[J]. Food Science, 2012, 33(9): 264–266

[17] 張華, 馮鈺. 白扁豆高產(chǎn)栽培技術(shù)[J]. 上海蔬菜, 2005, (1): 45 ZHANG H, FENG Y. High-yielding cultivation techniques of white hyacinth beans[J]. Shanghai Vegetables, 2005, (1): 45

[18] 孫麗麗, 董銀卯, 李麗, 等. 紅豆生物活性成分及其制備工藝研究進(jìn)展[J]. 食品工業(yè)科技, 2013, 34(4): 390–392SUN L L, DONG Y M, LI L, et al. Research progress in active components and preparation technology of adzuki beans[J]. Science and Technology of Food Industry, 2013, 34(4): 390–392

[19] 賈永正, 張子晗, 喻方圓, 等. 鹽脅迫對紫薇種子萌發(fā)特性的影響[J]. 種子, 2016, 35(10): 87–91 JIA Y Z, ZHANG Z H, YU F Y, et al. Effects of salt stress on germination characteristics ofseeds[J]. Seed, 2016, 35(10): 87–91

[20] 劉慶華, 雷逢進(jìn), 劉秀麗, 等. NaCl脅迫對山西主栽番茄品種種子萌發(fā)的影響[J]. 北方園藝, 2018, (17): 59–63 LIU Q H, LEI F J, LIU X L, et al. Effects of NaCl stress on seed of main cultivated varieties in Shanxi tomato[J]. Northern Horticulture, 2018, (17): 59–63

[21] 張鵬, 張玉龍, 遲道才, 等. 水鉀耦合對花生生理性狀及產(chǎn)量的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2016, 24(11): 1473–1481 ZHANG P, ZHANG Y L, CHI D C, et al. The combined effect of irrigation and potassium fertilization on the physiological characteristics and yield of peanut[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2016, 24(11): 1473–1481

[22] 唐朝臣, 羅峰, 高建明, 等. 鹽堿土壤施肥對甜高粱生物產(chǎn)量、糖錘度及相關(guān)性狀的影響[J]. 黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014, (7): 46–50 TANG C C, LUO F, GAO J M, et al. Effect of saline land fertilization on biomass, sugar brix and related traits of sweet sorghum[J]. Heilongjiang Agricultural Sciences, 2014, (7): 46–50

[23] 徐芬芬. 鹽堿脅迫對菠菜種子萌發(fā)的影響及其生理差異[J]. 種子, 2015, 34(1): 77–79 XU F F. The effect of salt stress and alkaline stress on seed germination of spinach and physiological difference[J]. Seed, 2015, 34(1): 77–79

[24] PARIHAR C M, RANA K S, PARIHAR M D. Crop productivity, quality and nutrient uptake of pearl millet (), Indian mustard () cropping system as influenced by land configuration and direct and residual effect of nutrient management[J]. The Indian Journal of Agricultural Sciences, 2009, 79(11): 927–930

[25] 林靜, 劉艷, 李金勝, 等. NaCl脅迫下寧夏不同地區(qū)沙棗種子萌發(fā)特性的比較研究[J]. 植物生理學(xué)報, 2015, 51(10): 1611–1616 LIN J, LIU Y, LI J S, et al. Comparative study on seed germination characteristics offrom different areas of Ningxia Province under NaCl stress[J]. Plant Physiology Journal, 2015, 51(10): 1611–1616

[26] 徐寧, 曹娜, 王闖, 等. NaCl脅迫對野生和栽培品種高粱種子萌發(fā)和幼苗生理特性的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué), 2018, 46(18): 55–57 XU N, CAO N, WANG C, et al. Effects of NaCl stress on seed germination and seedling physiological characteristics between wild species and cultivars of sorghum[J]. Jiangsu Agricultural Sciences, 2018, 46(18): 55–57

[27] 馬紅媛, 梁正偉, 王明明, 等. NaCl脅迫對四種禾本科牧草種子萌發(fā)的影響[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2009, 28(7): 1229–1233 MA H Y, LIANG Z W, WANG M M, et al. Effects of NaCl stress on seed germination and seedling growth of four Poaceaegrass species[J]. Chinese Journal of Ecology, 2009, 28(7): 1229–1233

[28] 李志萍, 張文輝, 崔豫川. NaCl和Na2CO3脅迫對栓皮櫟種子萌發(fā)及幼苗生長的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2015, 35(3): 742–751 LI Z P, ZHANG W H, CUI Y C. Effects of NaCl and Na2CO3stresses on seed germination and seedling growth of[J]. Acta Ecologica Sinica, 2015, 35(3): 742–751

[29] GILL S S, TUTEJA N. Reactive oxygen species and antioxidant machinery in abiotic stress tolerance in crop plants[J]. Plant Physiology and Biochemistry, 2010, 48(12): 909–930

[30] 唐海明, 湯文光, 肖小平, 等. 冬季覆蓋作物對南方稻田水稻生理生化及生長特性的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2010, 18(6): 1176–1182 TANG H M, TANG W G, XIAO X P, et al. Effects of winter cover crops on physiological and biochemical properties and growth of double cropping rice in South China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2010, 18(6): 1176–1182

[31] 劉志洋, 劉巖. 不同鹽堿脅迫對桔梗種子萌發(fā)和幼苗生理特征的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué), 2018, 46(24): 144–147 LIU Z Y, LIU Y. Effects of different salt-alkaline stress treatments on seed germination and physiological characteristics of[J]. Jiangsu Agricultural Sciences, 2018, 46(24): 144–147

[32] 吳永波, 薛建輝. 鹽脅迫對3種白蠟樹幼苗生長與光合作用的影響[J]. 南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2002, 26(3): 19–22 WU Y B, XUE J H. Impacts of salt stress on the growth and photosynthesis of threespecies[J]. Journal of Nanjing Forestry University (Natural Science Edition), 2002, 26(3): 19–22

Response of seed germination and physiological mechanism ofandto salt stress*

DENG Xiaohong, JI Lala, WANG Ruijie, LIU Xiao, YANG Shujun, GUAN Ping, WANG Jianjian**

(College of Life Sciences, Institute of Agro-bioengineering, Guizhou University / Key laboratory of Plant Resource Conservation and Germplasm Innovation in Mountainous Region, Ministry of Education / Collaborative Innovation Center for Mountain Ecology & Agro-Bioengineering, Guiyang 550025, China )

Soil salinization has an important effect on seed germination of plants; however, little attention has given to the effect of salt stress on the seed germination of legumes. Thevariety ‘Yuhongdou 2’ and traditionalvariety were used to determine the germination percentage, germination potential, germination index, vigor index, radicle length, embryo length, and fresh weight, malondialdehyde (MDA) content, and superoxide dismutase (SOD) and peroxidase (POD) activity under different NaCl concentrations (0 mmol?L-1, 20 mmol?L-1, 40 mmol?L-1, 60 mmol?L-1, 80 mmol?L-1, 100 mmol?L-1) in an artificial climate chest. The goal of this study was to investigate the relationship between osmotic regulators, stress resistance enzymes, and salt tolerance of leguminous plants under NaCl stress. The results were as follows: 1) salinity stress inhibited the germination index of. Then germination percentage, germination potential, germination index, and vigor index ofdecreased with increasing NaCl stress and was significantly higher than that of. 2) The relative salt damage rate ofandincreased with the increase in NaCl concentration. When the NaCl concentration was 80 mmol?L-1and 100 mmol?L-1, the relative salt damage rate ofwas 96.58% and 96.67%, whereas the relative salt damage rate ofwas 47.05% and 83.18%, indicating that the salt damage towas less intense. 3) The radicle length, embryo length, and fresh weight ofandseedlings decreased with the increase of NaCl concentration. When NaCl concentration was 100 mmol?L-1, the radicle length ofwas 0, and that ofwas 0.23 cm. 4) With the increase of NaCl concentration, the content of MDA in the leaves ofandincreased, resulting in a gradual increase in cell membrane permeability, but the accumulation of MDA inseedlings was lower than that in, which indicated that the cell membrane ofleaves was less damaged. 5) Under NaCl stress, SOD activity ofandincreased significantly, but SOD activity ofwas significantly higher than that of. Under NaCl stress, POD activity ofincreased significantly, but the POD activity ofdecreased significantly. It was found thatcould reduce the oxidative damage of the cell membrane and the accumulation of MDA by increasing SOD and POD activities, thus improving the germination ability of seeds.was higher in salt tolerance thanunder the same concentration of NaCl stress and can better adapt to a salt stress environment.

Salt stress; Salt tolerance; Protective enzyme activity; Seed germination;;

S521

2096-6237(2019)08-1218-08

10.13930/j.cnki.cjea.190227

* 國家自然科學(xué)基金項目(31760155)、貴州省科技廳自然科學(xué)基金項目[2016(1033)]和貴州省生物學(xué)一流學(xué)科建設(shè)項目(GNYL[2017]009)資助

王健健, 主要從事植物生理生態(tài)研究工作。E-mail: wangjj33209@163.com

鄧小紅, 研究方向為植物生理生態(tài)。E-mail: 2509077578@qq.com

2019-03-28

2019-05-15

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31760155), the Natural Science Foundation of Guizhou [2016(1033)] and the Construction Program of Biology First-class Discipline in Guizhou (GNYL[2017]009).

, E-mail: wangjj33209@163.com

Mar. 28, 2019;

May 15, 2019

鄧小紅, 姬拉拉, 王銳潔, 劉筱, 楊淑君, 關(guān)萍, 王健健. 紅豆和白扁豆種子萌發(fā)和生長對鹽脅迫的響應(yīng)及其生理機(jī)制[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(中英文), 2019, 27(8): 1218-1225

DENG X H, JI L L, WANG R J, LIU X, YANG S J, GUAN P, WANG J J. Response of seed germination and physiological mechanism ofandto salt stress[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(8): 1218-1225