淹水脅迫下外源激素對(duì)甜瓜幼苗根系生理特性的影響

劉達(dá)濰　劉詩琴　易鵬程　銀輝　謝波　劉澤發(fā)

摘要：以甜瓜高代自交系M10-03為材料，在2葉1心期對(duì)甜瓜苗模擬淹水處理，在外源激素IAA、GA、ABA、NPA、PP333、STD誘導(dǎo)下對(duì)甜瓜不定根生理特性的影響進(jìn)行分析。結(jié)果表明，隨激素處理濃度升高，幼苗不定根數(shù)經(jīng)IAA處理后先降后升，在濃度為1.0 ng/L時(shí)達(dá)到峰值;GA處理甜瓜幼苗不定根的生根數(shù)和發(fā)生區(qū)域均大于CK，且呈下降趨勢(shì)，NPA對(duì)不定根發(fā)生區(qū)域的影響不大;PP333處理甜瓜幼苗不定根生根數(shù)及發(fā)生區(qū)域先升高后降低，在濃度為100 mg/L時(shí)達(dá)到峰值;ABA處理后甜瓜幼苗不定根數(shù)先降后升，在25 ng/L時(shí)為低值;STD處理呈先升后降趨勢(shì)，在 25 ng/L 處達(dá)到峰值，不定根發(fā)生區(qū)域長(zhǎng)度為對(duì)照的1.85倍。激素及激素抑制劑均能增強(qiáng)甜瓜幼苗根系活力，IAA和STD處理甜瓜幼苗根系活力均升高;施加GA和PP333時(shí)，甜瓜幼苗根系活力先升后降，在濃度100 mg/L時(shí)達(dá)到峰值。甜瓜幼苗真葉葉綠素a、葉綠素b的含量均呈下降趨勢(shì)，PP333（100 mg/L）及STD（25 ng/L）處理甜瓜幼苗真葉葉綠素a和葉綠素b含量最低;ABA處理對(duì)葉綠素影響不明顯。甜瓜幼苗真葉類胡蘿卜素含量經(jīng)IAA處理后升高，NPA、PP333、ABA、STD處理后先高后低，GA處理后呈降低趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：甜瓜;外源激素;不定根;淹水脅迫;生理指標(biāo);形態(tài)指標(biāo)

中圖分類號(hào)： Q945.78;S652.01文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2019）09-0182-04

澇害是世界上許多國(guó)家的重大自然災(zāi)害，水災(zāi)是造成損失最嚴(yán)重的自然災(zāi)害，占所有災(zāi)害損失的40%，世界上16%的肥沃土地遭受澇漬危害。我國(guó)是一個(gè)澇害比較嚴(yán)重的國(guó)家，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)澇漬性土地面積約66萬km2，占國(guó)土陸地面積的6.6%，居世界第4位。這些澇漬土地主要分布于黃淮平原和長(zhǎng)江中下游地區(qū)，占全國(guó)受災(zāi)面積3/4以上。減少澇漬損失是澇漬危害嚴(yán)重地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要重點(diǎn)考慮的問題之一[1-2]。甜瓜（Cucumis melon L.）為葫蘆科（Cucurbitaceae）黃瓜屬（Cucumis）具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值的蔬菜作物，在國(guó)內(nèi)外廣泛栽培，中國(guó)是世界上甜瓜栽培面積最大的國(guó)家，包括黃淮平原和長(zhǎng)江中下游在內(nèi)的東部多雨濕潤(rùn)的大片季風(fēng)氣候區(qū)是重要的甜瓜生產(chǎn)區(qū)，該區(qū)春季常陰雨連綿、夏季多暴雨，洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生，在苗期會(huì)影響甜瓜植株的生長(zhǎng)，在坐果期會(huì)影響正常開花坐果，導(dǎo)致甜瓜產(chǎn)量降低，雨澇成為影響該區(qū)甜瓜生產(chǎn)的重要因子。因此提高甜瓜應(yīng)對(duì)淹水脅迫的能力對(duì)于甜瓜生產(chǎn)具有重要意義。

澇漬脅迫是植物主要的非生物脅迫之一，一般會(huì)限制植物正常生長(zhǎng)，嚴(yán)重時(shí)候?qū)е轮参锼劳?，主要的影響是減少了土壤中的氣體交換，也是低氧脅迫。不同植物應(yīng)對(duì)淹水脅迫響應(yīng)不同，具有基因型差異，水稻是比較耐澇的作物。在旱地作物中，不同作物及作物的不同品種表現(xiàn)出耐澇差異性，如已有研究表明大豆、花生、辣椒的不同品種耐澇能力差異明顯[3-5]。另外，植物不定根發(fā)生形態(tài)一般與耐澇能力有關(guān)，一般在近水面或形態(tài)學(xué)下端的受傷部位殘生，常具有較多通氣組織，有利于快速吸收和運(yùn)輸O2，提供給受淹或者受傷部位[6-8]。植物激素如生長(zhǎng)素（auxin，IAA）、乙烯（ethylene，ETH）、細(xì)胞分裂素（cytokinin，CTK）、赤霉素（gibberellin，GA）、脫落酸（abscisic acid，ABA）等[9-13]導(dǎo)致植物一系列的反應(yīng)，這些反應(yīng)包括偏上性或偏下性生長(zhǎng)、莖伸長(zhǎng)、通氣組織形成和不定根形成等，通過這些適應(yīng)性反應(yīng)，植物能避開缺氧環(huán)境或者改善淹水組織的氧氣供給狀況。已有的對(duì)淹水脅迫相關(guān)研究主要集中在水稻、花生、辣椒、玉米、芝麻和蓼科等植物上，對(duì)甜瓜等瓜類作物研究應(yīng)用較少，為此，本試驗(yàn)以甜瓜高代自交系M10-3為試驗(yàn)材料，研究不同外源激素處理在淹水條件下對(duì)甜瓜幼苗根系生理和耐澇特性的影響，為育種及生產(chǎn)應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為厚皮甜瓜與薄皮甜瓜種間雜交后代選出的耐澇自交系M10-3，由湖南人文科技學(xué)院園藝教研室提供。挑選種粒飽滿的M10-3種子500顆放在紗網(wǎng)袋中，置于28 ℃清水中浸泡4 h后甩干并將裝有種子的紗網(wǎng)袋平放在經(jīng)高溫消毒的濕潤(rùn)毛巾上，塑料膜裝好放入25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h，待種子萌芽約1 cm時(shí)，播種到裝有基質(zhì)（珍珠巖 ∶蛭石=1 ∶1）的6.5 cm×6.5 cm（口徑×高度）底部有排水孔營(yíng)養(yǎng)缽中，待真葉長(zhǎng)出2葉1心時(shí)作為試驗(yàn)材料備用。

試驗(yàn)于2017年3月至2018年6月在湖南人文科技學(xué)院校內(nèi)科研基地及農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用套杯模擬淹水（將2葉1心甜瓜苗營(yíng)養(yǎng)缽套入塑料杯中）進(jìn)行淹水試驗(yàn)處理，塑料杯為8.2 cm×7.2 cm×4.6 cm（杯高×杯口直徑×杯底直徑），每個(gè)塑料杯中放1株。在塑料杯中注入清水，使水面高于育苗缽1 cm，標(biāo)記好水面高度，定時(shí)補(bǔ)充清水以保持水位一致。

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每種激素與激素抑制劑各設(shè)置3個(gè)濃度處理，每個(gè)處理20株，處理設(shè)置4個(gè)重復(fù)，以清水為對(duì)照，NPA（1-N-naphthylphthalamic acid）為IAA抑制劑，PP333（Paclobutrazol）為GA抑制劑，STD（Sodium Tungstate Dehydrate）為ABA抑制劑。各試劑處理濃度為：IAA（0.01、1.0、100 ng/L），NPA（0.01、1.0、100 ng/L），GA（50、100、200 mg/L），PP333（50、100、200 mg/L），ABA（2.5、25、250 ng/L），STD（2.5、25、250 ng/L），清水為對(duì)照（CK）。

每隔24 h噴灑真葉1次，每次定量噴灑3 mL，處理7 d后統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。利用累積計(jì)數(shù)方法測(cè)不定根，對(duì)主根上不定根發(fā)生區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，量取從形態(tài)學(xué)上端到下端發(fā)生不定根的區(qū)間長(zhǎng)度，單位為cm。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

于處理后第7天進(jìn)行取樣，每次隨機(jī)取樣5株，將帶有基質(zhì)土的幼苗輕輕取出，用水沖洗栽培基質(zhì)后將地上部與根系從莖基部分開，用于進(jìn)行形態(tài)指標(biāo)測(cè)量與生理指標(biāo)測(cè)定。

1.3.1 形態(tài)指標(biāo) 清水漂洗后，用分離器將不定根分離開，擦拭干后攤平，以每個(gè)幼苗個(gè)體不定根的數(shù)量為指標(biāo)，觀察統(tǒng)計(jì)不定根的發(fā)生數(shù);在顯微鏡下觀察并測(cè)定主根周圍1 cm區(qū)域以及側(cè)根周圍1 cm區(qū)域的不定根生根情況;株高、最長(zhǎng)根長(zhǎng)用刻度直尺測(cè)量;地上部與地下部干質(zhì)量用烘干稱質(zhì)量法測(cè)定。

1.3.2 生理指標(biāo) 根系活力測(cè)定采用TTC法，常溫提取TF并在485 nm處測(cè)定吸光值[14]，建立標(biāo)準(zhǔn)曲線;光合色素含量的測(cè)定方法采用80%丙酮浸提法[15-16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007軟件進(jìn)行處理，結(jié)果取平均 值±標(biāo)準(zhǔn)差，統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 17.0軟件，進(jìn)行Duncans新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果和分析

2.1 施用外源激素對(duì)甜瓜幼苗不定根生根數(shù)及不定根發(fā)生區(qū)域的影響

甜瓜幼苗淹水環(huán)境下用不同激素與激素抑制劑噴霧處理，對(duì)甜瓜不定根生根數(shù)及不定根發(fā)生區(qū)域的影響如圖1、圖2所示。由圖1可見，外源施加IAA，隨著施加濃度的加大，對(duì)不定根先促進(jìn)后抑制，并在濃度為1.0 ng/L時(shí)達(dá)到峰值，與CK相比，其總體表現(xiàn)為促進(jìn)。而在使用NPA進(jìn)行處理時(shí)，甜瓜幼苗不定根數(shù)目未發(fā)生顯著變化。由圖2可見，外源施加IAA，不定根發(fā)生區(qū)長(zhǎng)度隨濃度升高而增加，NPA對(duì)不定根發(fā)生區(qū)長(zhǎng)度的影響是先高后低，在濃度為1.0 ng/L時(shí)達(dá)到峰值，100 ng/L時(shí)與CK差異不顯著。由圖1、圖2可見，不同濃度GA處理甜瓜不定根的生根數(shù)和發(fā)生區(qū)域均大于CK，且在P<0.05水平上差異顯著，但隨濃度的升高，生根數(shù)和發(fā)生區(qū)長(zhǎng)度均呈下降趨勢(shì);PP333生根數(shù)及發(fā)生區(qū)長(zhǎng)度隨濃度的升高呈先升后降的趨勢(shì)，并在濃度為100 mg/L時(shí)，不定根生根數(shù)和不定根發(fā)生區(qū)長(zhǎng)度達(dá)到峰值。由圖1可見，不定根發(fā)生過程中ABA激素處理下，甜瓜幼苗下胚軸基部不定根數(shù)呈先減后增的趨勢(shì)，在25 ng/L達(dá)到最低值，抑制劑STD和ABA趨勢(shì)相反，在25 ng/L處達(dá)到峰值。由圖2可見，甜瓜幼苗在ABA激素處理后隨濃度增加后不定根發(fā)生區(qū)域長(zhǎng)度顯著增加，最高濃度的區(qū)域長(zhǎng)度為對(duì)照區(qū)不定根發(fā)生區(qū)域長(zhǎng)度的1.85倍，STD處理生根的區(qū)域長(zhǎng)度均大于CK，隨濃度升高生根區(qū)域長(zhǎng)度差異不顯著。

由上述可知，外源施加IAA對(duì)甜瓜幼苗不定根數(shù)及不定根發(fā)生區(qū)域均有顯著促進(jìn)效應(yīng)，表明了外源施加IAA能促進(jìn)甜瓜幼苗不定根的發(fā)生。外源施加NPA對(duì)甜瓜幼苗不定根數(shù)無明顯影響，對(duì)不定根發(fā)生區(qū)域有一定的促進(jìn)效應(yīng)，表明外源施加NPA對(duì)不定根發(fā)生區(qū)域有促進(jìn)效應(yīng)。GA在不定根形成過程中對(duì)生根數(shù)和發(fā)生區(qū)域均起抑制作用，PP333在濃度為100 mg/L時(shí)促進(jìn)效果最顯著。STD和ABA在促進(jìn)不定根發(fā)生數(shù)以及發(fā)生區(qū)域方面有顯著的促進(jìn)作用，并且ABA在促進(jìn)不定根發(fā)生區(qū)域方面作用更加顯著。

2.2 外源激素對(duì)甜瓜幼苗根系活力的影響

根是植物的主要吸收器官，根的生長(zhǎng)狀況和活力水平與植物的生長(zhǎng)、營(yíng)養(yǎng)、產(chǎn)量息息相關(guān)。根系活力可以直觀表現(xiàn)出植物根系的狀態(tài)。在研究外源激素及激素抑制劑對(duì)甜瓜幼苗根系的影響時(shí)，根系活力可作為一個(gè)重要的綜合指標(biāo)。

由圖3可見，在外源施加IAA和STD時(shí)，甜瓜幼苗根系活力均表現(xiàn)為隨激素濃度升高而增加;施加GA和PP333時(shí)，甜瓜幼苗根系活力均表現(xiàn)出先促進(jìn)后抑制，在濃度100 mg/L時(shí)達(dá)到峰值;外源施加ABA，甜瓜幼苗根系活力隨激素濃度升高而增加，在使用STD進(jìn)行處理時(shí)，其效應(yīng)與ABA相同，且在低濃度時(shí)促進(jìn)效應(yīng)強(qiáng)于ABA，與CK相比，均表現(xiàn)為促進(jìn)。

由上述可知，3種激素及激素抑制劑均能增強(qiáng)甜瓜幼苗根系活力，表明在合理控制濃度的情況下，外源施加激素及激素抑制劑都能有效增強(qiáng)甜瓜幼苗的根系活力。

2.3 外源激素處理對(duì)甜瓜幼苗光合色素的影響

2.3.1 外源激素處理對(duì)甜瓜幼苗葉片葉綠素a和葉綠素b含量的影響 由表1可見，不同激素處理下各個(gè)甜瓜幼苗真葉光合色素含量均存在顯著差異，試驗(yàn)組中葉綠素a含量均大于葉綠素b含量，葉綠素a在甜瓜幼苗光合作用中起主導(dǎo)作用。IAA、NPA、GA激素處理甜瓜幼苗，隨處理濃度的增加，葉綠素a和葉綠素b的含量均呈下降趨勢(shì)。由表2可見，激素抑制劑PP333、STD在中間處理濃度（PP333=100 mg/L，STD=25 ng/L）時(shí)，葉綠素a和葉綠素b含量最低。

2.3.2 外源激素處理對(duì)甜瓜幼苗葉片類胡蘿卜素的影響 由表1、表2可見，在IAA處理下，類胡蘿卜素含量隨施加濃度的升高而上升，在IAA處理最高濃度（100 ng/L）下，類胡蘿卜素含量為最低濃度IAA（0.01 ng/L）處理時(shí)的2.75倍，表明IAA顯著促進(jìn)了甜瓜幼苗類胡蘿卜素的合成。經(jīng)NPA、PP333、ABA、STD等4種激素及激素抑制劑處理，其類胡蘿卜素含量均呈先升高后降低的趨勢(shì)，表明1.0 ng/L NPA、25 mg/L PP333、25 ng/L ABA和25 ng/L STD處理對(duì)類胡蘿卜素的合成有促進(jìn)作用;類胡蘿卜素隨GA處理濃度升高含量降低，合成受到抑制。

3 討論

生長(zhǎng)素（IAA）、乙烯（ETH）、細(xì)胞分裂素（CTK）、赤霉素（GA）、脫落酸（ABA）等激素能夠?qū)Σ欢ǜ陌l(fā)生產(chǎn)生影響，生長(zhǎng)素被證實(shí)可與其他內(nèi)源因子或環(huán)境刺激互作，在不定根發(fā)育過程中扮演核心角色[17]。生長(zhǎng)素在不定根發(fā)生中所起的關(guān)鍵作用在實(shí)踐中有很多應(yīng)用， 如在植物再生培養(yǎng)或扦插育苗中，施一定濃度的生長(zhǎng)素可調(diào)控根系的發(fā)生。煙草不定根突變體rac的外植體對(duì)NAA不敏感，不能形成不定根，說明不定根形成與生長(zhǎng)素有很大的關(guān)系。水稻CRL/ARL1和CRL4/GNOM1的突變體分別與生長(zhǎng)素的信號(hào)和轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)，導(dǎo)致不定根原基起始階段產(chǎn)生缺失[18-20]。水稻W(wǎng)OX11的突變導(dǎo)致不定根原基大大減少，該突變體參與生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素信號(hào)，并且在不定根發(fā)育過程中調(diào)控RR2基因的表達(dá)[21]。生長(zhǎng)素信號(hào)因子（ARF17）負(fù)調(diào)控?cái)M南芥不定根形成，過量表達(dá)ARF17的擬南芥的不定根數(shù)目明顯比野生型少。Gutierrez等研究了擬南芥microRNA對(duì)不定根的影響，發(fā)現(xiàn)miR160負(fù)調(diào)控靶基因ARF17，miR167正調(diào)控靶基因ARF6和ARF8，從而影響不定根發(fā)生表型[22]，張丹鳳在玉米中也進(jìn)行了類似的研究[23]。本試驗(yàn)表明外源施加IAA對(duì)甜瓜不定根數(shù)的影響表現(xiàn)為先促進(jìn)后抑制，并在濃度為 1.0 ng/L 時(shí)達(dá)到峰值，這進(jìn)一步證明了生長(zhǎng)素與甜瓜不定根的形成密切相關(guān)，生長(zhǎng)素可以調(diào)控甜瓜不定根的發(fā)生。

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