外源硫化氫對鹽脅迫下棉花幼苗生長及滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響

王紅燕,張淑英

(石河子大學農(nóng)學院，新疆 石河子 832000)

【研究意義】棉花(GossypiumhirsutumL.)是我國重要的戰(zhàn)略物資和經(jīng)濟作物，關(guān)乎國計民生。我國棉花的生產(chǎn)量、消費量和進口額都位居世界前列[1-2]。新疆是全國最大的產(chǎn)棉區(qū)，產(chǎn)量占全國棉花總產(chǎn)量的60 %以上，棉花生產(chǎn)在新疆經(jīng)濟發(fā)展中占有非常重要的地位[3]。植物的正常生長發(fā)育需要一個適度的鹽分環(huán)境，鹽漬化的土壤導(dǎo)致植物器官中Na+濃度升高，而Na+過量積累會降低細胞的水勢造成潛在的滲透脅迫，抑制植物生長發(fā)育[4]。鹽分脅迫能夠顯著抑制棉花苗期的生長、養(yǎng)分吸收和生物量積累，導(dǎo)致鹽脅迫下棉花苗期光合速率下降[5]。據(jù)統(tǒng)計，新疆鹽漬化總面積達8.48×106hm2，現(xiàn)有耕地中31.1 %的面積受到鹽漬化的危害[6]，嚴重制約著農(nóng)作物生長和產(chǎn)量，提高棉花耐鹽性是新疆棉花生產(chǎn)的迫切需要?！厩叭搜芯窟M展】硫化氫(H2S)是繼CO、NO之后的又一重要氣體信號分子，可調(diào)節(jié)植物氣孔運動、根的發(fā)生、參與光合作用及非生物脅迫耐受性等過程[7-9]。研究表明，低濃度NaHS(即H2S供體)能緩解鹽脅迫下對加工番茄種子萌發(fā)的抑制作用，增強抗氧化酶活性，降低丙二醛(MDA)積累等，并且H2S對耐鹽性弱的加工番茄品種KT-63緩解效應(yīng)表現(xiàn)得更強[10]。在鹽脅迫處理下，0.1 mmol·L-1H2S噴施處理顯著增強了茶樹葉片抗氧化酶活性和抗氧化物含量，提高葉綠素、游離脯氨酸(Pro)和可溶性蛋白(SP)含量，從而提高茶樹對鹽脅迫的適應(yīng)能力[11]。【本研究切入點】已有學者就H2S對鹽脅迫下種子萌發(fā)、葉片光合色素含量、相對含水量、根系活力、抗氧化酶活性和活性氧(ROS)積累特征的影響已進行大量研究[11-14]，但外源H2S對鹽脅迫下棉花幼苗滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)影響報道較少，其作用機理還尚不清楚。【擬解決的關(guān)鍵問題】本文研究外源H2S對不同程度鹽脅迫下棉花幼苗生長、滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)及MDA含量的影響，初步探討施用外源H2S后棉花幼苗滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)對鹽脅迫的生理響應(yīng)機制，為新疆鹽漬土壤地區(qū)棉花高產(chǎn)栽培提供可借鑒的苗期調(diào)控技術(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2018年5-7月，在石河子大學試驗站進行，以棉花品種新陸早48號為供試材料。試驗設(shè)置鹽分(NaCl分析純，0、100、200 mmol/L)、H2S(NaHS分析純，0、20、50、100和500 μmol/L)2因素隨機組合，共11個處理(表1)，每處理重復(fù)3次。

表1 實驗處理及對應(yīng)編號

播種前，選擇均勻、飽滿的種子曬種2 d，用10%過氧化氫消毒10 min后，蒸餾水沖洗干凈備用。將蛭石裝于塑料營養(yǎng)缽(規(guī)格：12 cm×11 cm)中，播種時，每營養(yǎng)缽播種3粒，用蛭石覆蓋2～3 cm，鋪平壓緊。將營養(yǎng)缽放置于周轉(zhuǎn)箱內(nèi)營養(yǎng)液栽培，每個周裝箱放置12缽。棉花出苗后用去離子水進行澆灌，當幼苗兩片子葉完全展開后澆施Hoagland營養(yǎng)液。出苗12 d后，開始進行鹽分(將對應(yīng)濃度的NaCl用量加入營養(yǎng)液中)處理。出苗后第18～60天進行外源H2S處理，將NaCl溶于營養(yǎng)液中，其混合液澆于棉花基部，避免碰觸到棉花葉片。同時配施不同濃度的H2S溶液，噴施在相應(yīng)處理棉花葉片上。出苗60 d后，取樣測定生物量、游離脯氨酸、游離氨基酸、有機酸含量等。

1.2 測定項目及方法

將棉花幼苗按器官分取、沖洗干凈，擦干稱其鮮重，再置于105 ℃干燥箱中殺青30 min，80 ℃烘干至恒重測定干物質(zhì)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)以“平均值±標準差”表示，采用Microsoft Office Excel 2010軟件處理數(shù)據(jù)和SigmaPlot軟件繪圖，采用SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用鄧肯法(Duncan)進行差異顯著性檢驗(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源H2S對鹽脅迫下棉花幼苗生長的影響

由表2可以看出，鹽脅迫對棉花幼苗葉鮮重、葉干重、莖鮮重、莖干重和根干重都產(chǎn)生了抑制作用，且不同濃度鹽(NaCl，0、100和200 mmol/ L)脅迫對棉花幼苗生物量產(chǎn)生了不同程度抑制作用。不添加H2S處理棉花幼苗生物量隨NaCl濃度的增加而減少，如T1、K1處理與CK相比，棉花葉片鮮重分別下降了37.53 %、51.21 %；葉片干重分別下降了48.24 %、56.47 %；莖鮮重分別下降了36.71 %、41.06 %；莖干重分別下降了39.53 %、39.53 %；根系干重分別下降了29.63 %、37.04 %。相同鹽脅迫條件下，采用不同濃度H2S溶液對棉花幼苗葉面噴施后，棉苗生物量都有不同程度的增加，整體呈現(xiàn)出隨H2S濃度增加棉苗生物量先上升后下降的趨勢。如T2、T3、T4、T5與T1相比，棉苗葉片鮮重分別增加了2.15 %、17.17 %、45.49 %、28.33 %。說明棉花幼苗生長在鹽脅迫下受到抑制，而外源H2S能緩解鹽分逆境對棉花幼苗生長的抑制作用，其中H2S濃度為100 μmol·L-1時緩解效應(yīng)最佳。

表2 外源H2S對鹽脅迫下棉花幼苗生物量的影響

方差分析表明，棉花幼苗葉片鮮重、葉片干重、莖鮮重、莖干重和根干重隨鹽分濃度升高而顯著下降(P<0.01)。相同鹽脅迫條件下棉花幼苗葉片鮮重、葉片干重、莖鮮重、莖干重和根干重隨外源H2S濃度升高而顯著升高(P<0.01)。鹽分與H2S交互作用，棉花幼苗葉片鮮重、葉片干重、莖鮮重、莖干重和根干重和各處理與CK差異不顯著(P>0.05)，棉苗根冠比各處理與CK差異顯著(P<0.05)。

2.2 外源H2S對鹽脅迫下棉花幼苗電解質(zhì)滲出率和MDA含量的影響

鹽脅迫會引起植物細胞膜透性的變化，電解質(zhì)滲透率是反映逆境脅迫下植物細胞膜損傷程度的重要指標之一。由圖1-A可以看出，各處理棉花幼苗電解質(zhì)滲出率與對照(CK)相比均明顯升高。同一鹽分不同H2S處理間比較，電解質(zhì)滲出率隨H2S濃度增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，如T2、T3、T4、T5與T1相比，棉苗電解質(zhì)滲出率分別降低了4.17 %、11.38 %、11.55 %和9.25 %。相同H2S濃度不同鹽分處理間，電解質(zhì)滲出率隨鹽分濃度的增加而增大。如：T1、K1與CK處理相比，棉苗電導(dǎo)率滲出率分別升高了20.90 %、34.30 %，說明在鹽脅迫下，Na+過多導(dǎo)致棉苗細胞膜受損，膜透性增大，棉葉電解質(zhì)滲出率增大，一定濃度的外源H2S使電解質(zhì)滲出率降低，緩解了鹽脅迫對棉花幼苗生長的脅迫，其中H2S濃度為100 μmol·L-1時緩解效應(yīng)最佳。

方差分析表明，外源H2S濃度相同處理間棉花幼苗電解質(zhì)滲出率隨鹽分濃度升高而顯著升高(P<0.01)，相同鹽脅迫條件下棉花幼苗電解質(zhì)滲出率隨外源H2S濃度升高而顯著升高(P<0.01)，鹽分與H2S交互作用，各處理棉花幼苗電解質(zhì)滲出率與CK差異顯著(P<0.01)。

植物細胞遭受逆境脅迫時，細胞膜中脂肪酸會進行過氧化作用，MDA是膜質(zhì)過氧化的代謝產(chǎn)物，因此MDA含量大小可反映細胞膜損傷程度[20]。由圖1-B可知，未添加H2S處理，MDA含量隨著鹽濃度增大顯著增加(P<0.01)，如T1、K1與CK處理相比，棉苗丙二醛含量分別升高了18.48 %、20.27 %。在相同鹽脅迫處理中，MDA含量隨著鹽濃度的增大呈現(xiàn)先減小再增大的變化趨勢，如T2、T3、T4、T5與T1相比，棉苗MDA含量分別減少了3.89 %、8.95 %、12.23 %、8.12 %，棉花幼苗MDA含量各處理間差異顯著(P<0.01)。鹽脅迫增加了MDA含量，加劇了細胞膜損傷，一定濃度H2S處理能緩解鹽脅迫對棉苗細胞膜的傷害，其中H2S濃度為100 μmol·L-1時緩解效應(yīng)最佳。

不同字母表示NaCl與H2S交互作用不同處理間差異顯著( P<0. 05) ，下同Different letters indicate that the interaction between NaCl and H2S has significant difference among different treatments (P < 0.05). The same as below

2.3 外源H2S對鹽脅迫下棉花幼苗滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響

2.3.1 游離氨基酸含量 游離氨基酸是一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，它的積累與代謝與鹽脅迫密切相關(guān)[21]。由圖2可以看出，各處理棉花幼苗游離氨基酸與CK相比均表現(xiàn)出上升趨勢。相同鹽脅迫不同H2S處理間比較，棉花幼苗葉片游離氨基酸含量隨H2S濃度增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。如T2、T3、T4、T5與T1相比，棉苗游離氨基酸分別降低了0.53 %、5.28 %、15.22 %、13.87 %。相同H2S濃度不同鹽脅迫處理間，游離氨基酸含量隨鹽分濃度的增加而增大。如：T1、K1與CK相比，棉苗游離氨基酸含量分別升高了20.40 %、38.30 %。說明鹽脅迫加劇，棉葉內(nèi)積累游離氨基酸，而外源H2S降低了游離氨基酸含量。

圖2 外源H2S對鹽脅迫下棉花幼苗游離氨基酸含量的影響Fig.2 Effects of exogenous H2S on free amino acid content of cotton seedlings under salt stress

方差分析表明，外源H2S濃度相同處理間棉花幼苗游離氨基酸含量隨鹽分濃度升高而顯著升高(P<0.01)，相同鹽脅迫條件下棉花幼苗游離氨基酸含量隨外源H2S濃度升高而顯著下降P<0.01)，鹽分與H2S交互作用，各處理棉花幼苗游離氨基酸含量與CK差異顯著(P<0.01)。

2.3.2 Pro含量 Pro是最重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，可緩解鹽脅迫逆境、維持細胞結(jié)構(gòu)的完整性, 可作為鹽脅迫的敏感指標[22]。由圖3可知，棉花幼苗在受到鹽脅迫時，體內(nèi)Pro含量表現(xiàn)出明顯上升趨勢，T1、K1與CK相比，Pro含量分別增加了54.02 %、75.62 %。K1處理棉苗Pro含量最大，各處理Pro含量水平均相應(yīng)CK顯著升高(P<0.01)，整體Pro含量處在30～60 μg/g之間。同一鹽分不同H2S處理，Pro含量隨H2S濃度的增加呈先增大后減小趨勢，如T2、T3、T4、T5與T1相比，分別降低了6.91 %、22.89 %、31.35 %、25.84 %，棉花幼苗Pro含量各處理間差異顯著(P<0.01)。由此說明鹽脅迫使棉花體內(nèi)Pro含量增大，外源H2S降低了Pro的積累量，增加了消耗量，緩解了鹽脅迫對棉花幼苗滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響，其中H2S濃度為100 μmol·L-1時緩解效應(yīng)最佳。方差分析表明，鹽分與H2S交互作用，各處理棉花幼苗Pro含量與CK差異顯著(P<0.01)。

圖3 外源H2S對鹽脅迫下棉花幼苗游離脯氨酸含量的影響Fig.3 Effects of exogenous H2S on free proline content of cotton seedlings under salt stress

2.3.3 SS含量 SS是調(diào)節(jié)滲透脅迫的小分子物質(zhì)，也是合成有機溶質(zhì)的碳架和能量來源，在植物對鹽脅迫的適應(yīng)性調(diào)節(jié)中，是增加滲透性溶質(zhì)的重要組成成分[23]。圖4表明，Na+顯著抑制了棉花幼苗SS含量(P<0.01)，未添加H2S(如T1、K1)與CK相比，SS含量隨鹽分濃度增加而減小，分別降低了24.27 %、36.18 %。相同鹽脅迫處理添加外源H2S后可顯著提高SS含量(P<0.05)，如T2、T3、T4與T1相比，分別升高了1.82 %、9.94 %和20.65 %。

圖4 外源H2S對鹽脅迫下棉花幼苗可溶性糖含量的影響Fig.4 Effects of exogenous H2S on soluble sugar content of cotton seedlings under salt stress

2.3.4 蘋果酸和檸檬酸含量 圖5顯示了不同處理棉花幼苗蘋果酸(圖5-A)和檸檬酸(圖5-B)含量變化情況。在無外源H2S條件下，隨鹽分濃度增加棉花幼苗蘋果酸和檸檬酸含量均顯著升高(P<0.01)，與CK相比，T2、K2處理蘋果酸含量分別升高了16.15 %、20.85 %；T1、K1處理棉苗檸檬酸含量分別升高了22.97 %、26.14 %。

圖5 外源H2S對鹽脅迫下棉花幼苗檸檬酸和蘋果酸含量的影響Fig.5 Effects of exogenous H2S on citric acid and malic acid content in cotton seedlings under salt stress

在相同鹽脅迫條件下，隨外源H2S濃度的增加，蘋果酸和檸檬酸含量均顯著降低(P<0.01)，如T2、T3、T4、T5與T1相比，蘋果酸含量分別減少了3.41 %、10.87 %、13.19 %和5.25 %；棉苗檸檬酸含量分別減少了10.57 %、13.08 %、16.05 %和8.94 %。說明外源H2S降低了蘋果酸和檸檬酸的積累含量，增加了消耗量，緩解了鹽脅迫對棉苗滲透調(diào)節(jié)平衡的破壞，保障棉花幼苗正常的生理代謝。方差分析表明，鹽分與H2S交互作用，各處理棉花幼苗蘋果酸和檸檬酸含量與CK差異顯著(P<0.01)。

2.4 外源H2S對鹽脅迫下棉花幼苗活性氧的影響

圖6 外源H2S對鹽脅迫下棉花幼苗產(chǎn)生速率和H2O2含量的影響Fig.6 Effects of exogenous H2S on hydrogen peroxide content and oxygen free radical production rate of cotton seedlings under salt stress

3 討 論

鄭州元等[24]研究表明NaCl脅迫會顯著抑制加工番茄幼苗的生長，而葉面噴施H2S不同程度增加了植株生物量，緩解NaCl脅迫對加工番茄幼苗生長的抑制作用。本試驗表明外源H2S能顯著提高棉苗生物量(P<0.01)，降低根冠比，這與鄭州元等研究結(jié)果一致。說明鹽脅迫會導(dǎo)致植物發(fā)育遲緩，抑制棉苗組織和器官的生長、分化，而外源H2S通過增加光合面積而提高棉苗碳同化量，從而促進棉苗生長發(fā)育，緩解鹽脅迫造成的損傷。

張倩等[25]研究表明，鹽脅迫下小麥幼苗電解液滲出率顯著升高，并且鹽脅迫誘導(dǎo)MDA積累。本試驗中鹽脅迫使棉苗電解質(zhì)滲出率和MDA含量顯著增加(P<0.01)，葉面噴施H2S使棉花幼苗葉片電解質(zhì)滲出率和MDA含量顯著降低(P<0.01)，這與藺亞平等[26]加工番茄的研究結(jié)論基本一致。因而，可以認為信號分子H2S通過降低細胞膜脂質(zhì)過氧化損傷，減少植物體內(nèi)電解質(zhì)外滲，維持細胞內(nèi)離子平衡，緩解鹽脅迫造成的傷害。

滲透調(diào)節(jié)是植物在逆境條件下，通過代謝活動增加細胞內(nèi)溶質(zhì)濃度，降低其滲透勢而保持繼續(xù)吸水，維持較正常的代謝活動。高榮嶸等[27]研究表明，單一鹽處理條件下，花生幼苗游離氨基酸、Pro含量均顯著增加。從本試驗研究結(jié)果看，鹽脅迫下棉花幼苗葉片游離氨基酸、Pro、有機酸(主要包括蘋果酸和檸檬酸)均顯著增加(P<0.01)，外源H2S處理顯著增加了滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的消耗，以至于減少了滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累。說明外源H2S通過調(diào)節(jié)棉苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量，維持細胞內(nèi)滲透勢，緩解鹽脅迫導(dǎo)致的代謝失衡，保證了棉苗生理活動的正常進行，增強植株逆境適應(yīng)能力。施用外源H2S降低了棉苗蘋果酸、檸檬酸含量，可能與外源H2S增強棉苗離子吸收能力及H2S對棉苗pH調(diào)節(jié)機制有關(guān)。SS是植物體內(nèi)主要的能量貯藏物質(zhì)，是植物生長發(fā)育的營養(yǎng)基礎(chǔ)，對逆境條件下的植物細胞起滲透調(diào)節(jié)作用。本試驗發(fā)現(xiàn)鹽脅迫能夠顯著抑制棉苗葉片SS積累(P<0.01)，而添加外源H2S通過提升棉苗SS含量，增強了棉苗碳素營養(yǎng)代謝，有效提高了棉花幼苗抗鹽性，這與董靖[28]對草木犀的研究結(jié)果相同。

4 結(jié) 論