殼寡糖對PEG脅迫下小麥種子萌發(fā)、幼苗生長及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

趙肖瓊，梁泰帥2，張恒慧

(1.太原工業(yè)學(xué)院環(huán)境與安全工程系，山西 太原 030008；2.山西醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院，山西 太原 030001)

近年來，隨著全球氣候與環(huán)境的變化，我國水資源短缺問題日趨加重，干旱、半干旱區(qū)域已占國土面積的52.5%[1]。干旱脅迫對植物的傷害程度在所有非生物脅迫中居首位，可導(dǎo)致種子發(fā)芽力降低、植株矮化、細胞內(nèi)活性氧(ROS)過量累積以及膜脂過氧化加劇等[2-4]。小麥(TriticumaestivumL.)是我國重要的糧食作物之一，對干旱引起的滲透脅迫較為敏感[3]。因此，探究如何提高小麥的抗旱能力和干旱脅迫下的產(chǎn)量意義重大。

殼寡糖(COS)是甲殼素脫N-乙?；漠a(chǎn)物殼聚糖降解而成的低聚糖，也是天然糖中唯一大量存在的堿性氨基多糖[5]。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，COS不僅作為海洋生物農(nóng)藥、種子包衣劑、果蔬保鮮劑和土壤改良劑等有較為廣泛的應(yīng)用[6]，而且可作為一種新型的植物生長調(diào)節(jié)劑增強植物對干旱、低溫、重金屬、鹽堿等非生物脅迫的抗性[3]。滲透調(diào)節(jié)是植物抵抗和適應(yīng)干旱脅迫的一種重要生理機制，可溶性蛋白、游離氨基酸、可溶性糖、脯氨酸等作為滲透調(diào)節(jié)的主要物質(zhì)，其大量累積可降低細胞滲透勢，保護蛋白質(zhì)、膜系統(tǒng)和亞細胞結(jié)構(gòu)完整性以及清除過量累積的ROS等[7]。然而，外源COS處理對干旱脅迫下植物滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)累積及脯氨酸代謝途徑影響的研究鮮有報道。鑒于此，本試驗以小麥品種鄭引1號為試材，采用水培試驗，探討外源不同濃度COS溶液浸種和葉面噴施對PEG模擬干旱脅迫條件下小麥種子萌發(fā)、幼苗生長、活性氧代謝、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量及脯氨酸代謝的影響，以期揭示COS增強小麥抗旱性的內(nèi)在生理機制，為其更加合理高效地服務(wù)小麥生產(chǎn)提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗設(shè)計

1.1.1萌發(fā)試驗

供試小麥品種為鄭引1號。種子經(jīng)粒選、10%的次氯酸鈉常規(guī)消毒20 min、無菌水洗凈后，置于7組鋪有雙層濾紙的培養(yǎng)皿中進行處理：蒸餾水(ck 1)、20% PEG溶液(ck 2)、20% PEG溶液+5 mg·L-1COS(T 1)、20% PEG溶液+25 mg·L-1COS(T 2)、20% PEG溶液+50 mg·L-1COS(T 3)、20% PEG溶液+100 COS(T 4)、20% PEG溶液+200 mg·L-1COS(T 5)，每組100粒種子并設(shè)置3次重復(fù)。萌發(fā)試驗在(25±1)℃的人工氣候箱(RXZ-436 C，寧波江南儀器廠)中進行，定期補充處理溶液，每天調(diào)查1次種子發(fā)芽數(shù)，連續(xù)調(diào)查7 d，第7天試驗結(jié)束時每組隨機取10株幼苗經(jīng)85 ℃烘干至恒重后，稱量幼苗干重。

表2 COS對PEG脅迫下小麥葉片相對含水量及生長指標(biāo)的影響

1.1.2生長試驗

小麥種子經(jīng)粒選、消毒和洗凈后播于蛭石中，并定期澆灌1/2的Hoagland營養(yǎng)液，在25 ℃/20 ℃(晝/夜)、14 h/10 h(光/暗)、光強4 500 lx條件下培養(yǎng)。當(dāng)幼苗長至兩葉一心期時移至1/2的Hoagland營養(yǎng)液進行培養(yǎng)并作如下分組處理：

1) ck，葉面噴施蒸餾水；

2) PEG，營養(yǎng)液中添加20%的PEG(下同)，葉面噴施蒸餾水；

3) PEG+5 COS，葉面噴施5 mg·L-1的COS；

4) PEG+25 COS，葉面噴施25 mg·L-1的COS；

5) PEG+50 COS，葉面噴施50 mg·L-1的COS；

6) PEG+100 COS，葉面噴施100 mg·L-1的COS；

7) PEG+200 COS，葉面噴施200 mg·L-1的COS。

每處理100株幼苗并設(shè)置3次重復(fù)，每天09：00時葉面噴施相應(yīng)處理的溶液，讓液體均勻布滿葉片正反面為宜。

1.2 測定項目和方法

處理3 d后，每個處理隨機取20株幼苗測量株高、根長，將植株分為地上部和根部，85 ℃烘干至恒重，同時按照飽和稱重法計算葉片相對含水量。采收剩余葉片，液氮速凍后保存于-80 ℃冰箱中，進行試驗相關(guān)指標(biāo)的測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0軟件進行方差分析和差異顯著性檢驗(p<0.05)。計算公式如下：

發(fā)芽勢(%)=(4 d內(nèi)發(fā)芽的種子數(shù)/試驗種子總數(shù))×100%[12]；

發(fā)芽率(%)=(7 d內(nèi)發(fā)芽的種子數(shù)/試驗種子總數(shù))×100%[12]；

發(fā)芽指數(shù)=∑時間t的種子發(fā)芽數(shù)/相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)[12]；

活力指數(shù)=發(fā)芽指數(shù)×幼苗干重(g)[12]；

相對含水量(%)=[(鮮重-干重)/(飽和重-干重)]×100%[13]；

干物質(zhì)相對增長率=(處理后20株幼苗干重/處理前20株幼苗干重)×100%[14]；

抗旱系數(shù)=處理生物量/對照生物量[14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 COS對PEG脅迫下小麥種子萌發(fā)的影響

從表1可知，相比ck 1，ck 2處理小麥種子的萌發(fā)受到顯著的抑制效應(yīng)，發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)分別降低了20.68%、3.04%、10.11%和37.25%。相比ck 2，T 2～T 5處理小麥種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均顯著提升，且隨著COS處理濃度的增加呈先升高再降低趨勢，T 4處理增幅最大，發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)較ck 2分別提高了19.66%、10.72%和56.25%；而T 1～T 5處理較ck 2對小麥種子發(fā)芽率的影響差異均不顯著。

表1 COS對PEG脅迫下小麥種子萌發(fā)的影響

注:同一列不同小寫字母表示處理間差異達到p<0.05水平。下同。

2.2 COS對PEG脅迫下小麥葉片相對含水量及生長的影響

從表2可知，相比ck，PEG脅迫對小麥葉片相對含水量及生長形成顯著的抑制作用，相對含水量、株高、根長、地上部和根部干重及干物質(zhì)相對增長率分別降低了11.62%、14.12%、15.58%、22.27%、26.05%和23.16%。葉片噴施不同濃度的COS后，PEG脅迫下相對含水量、株高、根長、地上部和根部干重、干物質(zhì)相對增長率及抗旱系數(shù)隨著COS濃度的增加呈先升高再降低趨勢，且均在COS濃度為100 mg·L-1時增幅最大，分別顯著增加了10.02%、12.14%、13.84%、20.17%、27.89%、21.93%和22.08%。

表3 COS對PEG脅迫下小麥葉片色素含量的影響

表5 COS對PEG脅迫下小麥葉片可溶性蛋白、游離氨基酸、葡萄糖及蔗糖含量的影響

表6 COS對PEG脅迫下小麥葉片脯氨酸含量及其代謝關(guān)鍵酶活性的影響

2.3 COS對PEG脅迫下小麥葉片色素含量的影響

葉綠素(主要包括葉綠素a和葉綠素b)和類胡蘿卜素是植物葉片中的光合色素，其含量高低在一定程度能夠反映植物的同化能力和抗逆能力[15]。由表3可知，PEG脅迫下葉綠素a、葉綠素b和葉綠素(a+b)含量較ck顯著降低，分別降低了33.23%、41.69%和36.36%，而類胡蘿卜素含量較ck明顯增加了5.09%。葉片噴施不同濃度的COS后，PEG脅迫下葉綠素a、葉綠素b、葉綠素(a+b)和類胡蘿卜素含量隨著COS濃度的增加呈先升高再降低趨勢，且均在COS濃度為100 mg·L-1時增幅最大，分別顯著增加了37.78%、70.89%、49.02%和7.62%。

2.4 COS對PEG脅迫下小麥葉片氧化損傷的影響

2.5 COS對PEG脅迫下小麥葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

從表5可知，PEG脅迫下小麥葉片中可溶性蛋白、葡萄糖和蔗糖含量較ck明顯提高，分別增加42.47%、115.93%和153.02%，而游離氨基酸含量顯著降低23.24%。葉片噴施不同濃度COS后，PEG脅迫下可溶性蛋白、游離氨基酸、葡萄糖和蔗糖含量隨COS濃度增加呈先升高再降低趨勢，且均在COS濃度為100 mg·L-1時增幅最大，分別顯著增加21.24%、42.49%、20.92%、11.53%。

表4 COS對PEG脅迫下小麥葉片和MDA含量的影響

2.6 COS對PEG脅迫下小麥葉片脯氨酸含量及其代謝關(guān)鍵酶活性的影響

從表6可以看出，PEG脅迫下小麥葉片中脯氨酸含量和P 5 CS、ProDH活性較ck明顯提高，分別增加了47.30%、33.72%和28.41%，而δ-OAT活性變化不明顯。葉片噴施不同濃度的COS后，PEG脅迫下脯氨酸含量和P5CS、δ-OAT活性隨著COS濃度的增加呈先升高再降低趨勢，且均在COS濃度為100 mg·L-1時增幅最大，分別顯著增加了66.58%、35.19%和23.25%；而ProDH活性出現(xiàn)不同程度降低，且隨著COS濃度的增加呈先降低再升高趨勢，在COS濃度為100 mg·L-1時降幅最大，顯著下降了19.52%。

3 討論與結(jié)論

除了作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，可溶性蛋白含量變化也能夠反映細胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成、變性及降解等多方面信息[18]；葡萄糖、蔗糖等可溶性糖也可維持植物蛋白質(zhì)的穩(wěn)定；脯氨酸又是植物體內(nèi)一種重要的抗氧化劑，以游離狀態(tài)廣泛分布于植物細胞中，在保護植物應(yīng)對逆境脅迫過程中發(fā)揮重要作用。植物體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的主動累積有利于植株應(yīng)答干旱脅迫。本試驗中，PEG脅迫下小麥幼苗葉片中可溶性蛋白、葡萄糖、蔗糖和脯氨酸含量較ck顯著增加；而游離氨基酸含量顯著降低，可能與PEG脅迫下可溶性蛋白大量累積需要氨基酸合成有關(guān)。葉面噴施25～100 mg·L-1COS溶液可進一步顯著提升滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量，且在COS濃度為100 mg·L-1時增幅最大，說明葉面噴施適當(dāng)濃度的COS溶液可提升PEG脅迫下小麥幼苗的滲透調(diào)節(jié)能力，有效修復(fù)因滲透脅迫引起的氧化損傷，增強了小麥幼苗的抗旱性。

植物體內(nèi)脯氨酸的積累主要受其合成與降解途徑的影響，合成途徑包括分別以谷氨酸和鳥氨酸為初始底物的谷氨酸途徑和鳥氨酸途徑，P 5 CS和δ-OAT分別是谷氨酸途徑和鳥氨酸途徑的關(guān)鍵酶，而ProDH是催化脯氨酸降解過程的限速酶[19]。同時，生長環(huán)境、植物類別及組織器官的差異對脯氨酸累積的影響不盡相同[13]。一般認為，在滲透脅迫和氮素缺乏的情況下，脯氨酸合成主要依靠谷氨酸途徑；而在氮素供應(yīng)充足的情況下，鳥氨酸途徑占主導(dǎo)地位[20]。鄧鳳飛等研究發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫下小桐子幼苗葉片P 5 CS和δ-OAT活性增強，JcP5CS基因表達上調(diào)，谷氨酸途徑和鳥氨酸途徑在脯氨酸合成過程中共同發(fā)揮作用，同時ProDH活性被抑制[21]。劉建新等研究表明，混合鹽堿脅迫下燕麥幼苗葉片δ-OAT活性提高，P 5 CS和ProDH活性降低，脯氨酸合成以鳥氨酸途徑為主[22]。本試驗中，PEG脅迫下小麥幼苗葉片P 5 CS和ProDH活性較ck均明顯提高，但P 5 CS活性增幅高于ProDH，而δ-OAT活性變化不明顯，說明PEG脅迫下小麥葉片脯氨酸的累積受其合成與降解途徑的雙重調(diào)節(jié)，但其合成途徑主要依靠谷氨酸途徑以及P 5 CS酶活性的調(diào)節(jié)。葉面噴施25～200 mg·L-1COS溶液可顯著提升PEG脅迫下小麥葉片中的P 5 CS和δ-OAT活性，同時明顯降低ProDH活性，說明COS參與了PEG脅迫下小麥幼苗脯氨酸累積的調(diào)控過程，能同時增強脯氨酸合成的谷氨酸途徑和鳥氨酸途徑，并抑制脯氨酸降解，從而提升PEG脅迫下小麥體內(nèi)脯氨酸的含量。