干旱脅迫對藜麥種子萌發(fā)及幼苗生理特性的影響

楊利艷，楊小蘭，朱滿喜，楊雅舒，王創(chuàng)云

(1.山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山西 臨汾 041004；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，太原 030031)

藜麥(ChenopodiumquinoaWilld)為莧科藜亞科藜屬一年生雙子葉植物，起源于南美洲安第斯山脈[1]。藜麥種子富含接近人體氨基酸組成的優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)以及人體無法合成的8種必需氨基酸，且富含維生素、多酚、類黃酮，皂苷和植物甾醇類物質(zhì)[2]，是聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的唯一單體即可滿足人體基本營養(yǎng)需求的完美全營養(yǎng)食品[3]。藜麥不僅有極高的營養(yǎng)價(jià)值，還具有很強(qiáng)的耐旱、耐鹽、耐瘠薄特性，探究其優(yōu)良特性的生物學(xué)基礎(chǔ)已成為當(dāng)前作物研究的熱點(diǎn)[4]。

干旱是限制作物產(chǎn)量的重要因素，全球由于水分虧缺所造成的作物減產(chǎn)可能要超過其他因素所導(dǎo)致的產(chǎn)量損失的總和。我國干旱、半干旱地區(qū)面積約占國土面積52.5%，對我國的糧食安全造成嚴(yán)重威脅[5]。干旱對植物的傷害主要表現(xiàn)在植物各部位間水分重新分配、光合作用減弱、滲透勢下降等[6]。Garcia等研究發(fā)現(xiàn)，只要藜麥能夠出苗，干旱引起的土壤板結(jié)對藜麥的早期生長幾乎無影響[7]；Aguilar等發(fā)現(xiàn)，極端干旱下藜麥脯氨酸含量顯著升高[8]。但種子萌發(fā)和幼苗生長的耐旱閾值及生理生化響應(yīng)缺乏較完整的研究。本研究以藜麥GE 6為材料，通過人工控制水分模擬干旱，探究了不同干旱條件下藜麥種子的萌發(fā)及幼苗生長狀況，從形態(tài)及生理生化方面分析了藜麥對不同干旱水平的響應(yīng)，旨在為較全面了解藜麥對干旱的響應(yīng)，提高作物對干旱的適應(yīng)性提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

植物材料為藜麥(ChenopodiumquinoaWilld，品種為GE 6)，由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所提供。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1種子萌發(fā)

挑取大小均勻、飽滿的種子，用1%的氯化汞溶液消毒10 min，無菌水漂洗多次后，置于墊有濾紙培養(yǎng)皿中，每皿25粒。分別加入濃度為5%、10%、15%、20%的PEG-6000溶液，以加入等量蒸餾水為對照，每組設(shè)置3個(gè)重復(fù)，置于培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)，培養(yǎng)條件為24 ℃，12 h黑暗/12 h光照，發(fā)芽期間始終保持濾紙濕潤，測定發(fā)芽率及發(fā)芽勢。

1.2.2幼苗生長

挑選大小均勻且飽滿的種子，水中浸泡后置于鋪有濕濾紙的培養(yǎng)皿，發(fā)芽后置于花盆中，每盆15粒，置于25 ℃、光暗周期為12 h/12 h的光照培養(yǎng)箱進(jìn)行培養(yǎng)。待其長至4葉，分別加入濃度為5%、10%、15%、20%PEG-6000，以加入等量蒸餾水為對照，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，7 d后進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)測定。

1.3 指標(biāo)測定

1.3.1種子萌發(fā)指標(biāo)測定

發(fā)芽率為種子在7 d內(nèi)，發(fā)芽種子數(shù)占供試種子數(shù)的百分比；發(fā)芽勢為第3天時(shí)，發(fā)芽的種子數(shù)占供試種子數(shù)的百分比；發(fā)芽指數(shù)(GI)按以下公式計(jì)算：GI=∑Gt/Dt，Gt為在t時(shí)的發(fā)芽數(shù)，Dt為發(fā)芽日數(shù)。

1.3.2幼苗生長及生理測定

種子萌發(fā)后測量各組的胚根長。幼苗長至4葉時(shí)測定根系與地上部鮮重，之后將材料置入105 ℃烘箱下殺青后在80 ℃下烘干至恒重，測定干重。

葉片相對含水量：取各處理組幼苗頂部葉片稱量鮮重；再將葉片放入蒸餾水中浸泡5 h，測定其飽和鮮重；之后105 ℃殺青，并于80 ℃烘干至恒重，稱量干重。葉片相對含水量(%)=(鮮重-干重)/(飽和鮮重-干重)×100%。取各處理組幼苗相同部位葉片進(jìn)行可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)活性和丙二醛(MDA)含量測定。采用蒽酮-硫酸法測定可溶性糖含量；考馬斯亮藍(lán)染色法測定可溶性蛋白含量；采用氮藍(lán)四唑(NBT)光化還原抑制法測定SOD活性；愈創(chuàng)木酚比色法測定POD活性；采用硫代巴比妥酸(TBA)比色法測定MDA含量，以上方法均參照蔡慶生[9]的方法進(jìn)行。

1.4 數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均為平均值±SD，差異顯著性分析采用SPSS 17.0軟件，One-Way ANOVA。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對藜麥種子萌發(fā)的影響

隨著PEG濃度的升高，藜麥種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢及發(fā)芽指數(shù)先升高后降低(表1)。5%和10%PEG處理提高了種子發(fā)芽率，其中5%PEG處理下發(fā)芽率最高，較對照提高2.1%(p>0.05)；15%和20%的PEG處理顯著降低了發(fā)芽率，分別較對照降低17.6%和44.6%(p<0.05)。發(fā)芽勢則在10%PEG時(shí)達(dá)最高，15%和20%PEG處理下顯著降低，分別較對照組降低15.6%和42.9%(p<0.05)。發(fā)芽指數(shù)與種子活力呈正相關(guān)。本實(shí)驗(yàn)表明，藜麥種子發(fā)芽指數(shù)隨PEG濃度增加呈先升高后降低的趨勢：5%PEG時(shí)，發(fā)芽指數(shù)最高，較ck組增高2.9%；10%PEG時(shí)發(fā)芽指數(shù)與對照無差異(p>0.05)；濃度為15%和20%PEG則分別使發(fā)芽指數(shù)顯著低于對照23.7%和47.9%(p<0.05)。

表1 不同濃度PEG對藜麥種子萌發(fā)的影響

2.2 干旱脅迫對藜麥幼苗生長發(fā)育的影響

由表2可見，5%PEG處理組胚根長較對照增加3.8%(p>0.05)，其他各處理組胚根伸長則受到不同程度的抑制，其中10%PEG處理與對照無顯著差異(p>0.05)，15%和20%PEG處理分別使胚根長降低26.3%和53.6%(p<0.05)。

表2 不同PEG濃度對藜麥生長的影響

不同濃度PEG對地上部和地下部物質(zhì)的積累均較對照有一定的抑制作用，且不同濃度處理間差異不顯著(p>0.05)。5%PEG使地上部鮮重和干重分別降低23.1%和48.1%(p<0.05)，根鮮重和干重則分別下降了28.1%和17.2%(p<0.05)。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫對地上部的抑制更顯著，各處理下的根冠比也證實(shí)了這一結(jié)果，不同濃度PEG處理下根冠比分別較對照增加12%、14%、23%和16%(p<0.05)，且于15%PEG處理下達(dá)到最大。

2.3 干旱脅迫對藜麥幼苗生理的影響

2.3.1干旱脅迫對葉片相對含水量及可溶性糖和蛋白含量的影響

隨PEG濃度的增加，幼苗葉片的相對含水量降低(表3)。20%PEG處理使幼苗葉片相對含水量降低36.8%(p<0.05)?？扇苄蕴呛涂扇苄缘鞍鬃鳛橹参锛?xì)胞調(diào)節(jié)滲透勢的主要物質(zhì)，其含量會影響植物根系對水分的吸收。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同濃度的PEG處理均使葉片中可溶性糖含量提高，其中10%、15%PEG處理組分別較對照提高14.5%、11.8%(p<0.05)。5%～15%PEG顯著促進(jìn)了葉片中可溶性蛋白的合成，其分別較對照組增加50%、64.3%和28.6%(p<0.05)，20%PEG則抑制了可溶性蛋白的合成，較對照組下降14.3%?？扇苄蕴呛涂扇苄缘鞍缀烤?0%PEG處理組中最高。

表3 不同濃度PEG對藜麥幼苗相關(guān)生理特性的影響

2.3.2干旱脅迫對膜脂過氧化及SOD、POD活性的影響

MDA含量反映了膜脂的過氧化程度。由圖1可見，不同濃度PEG處理下，藜麥葉片中MDA含量呈降低—上升—降低的趨勢。5%PEG處理組中MDA含量最低，較對照組低11.2%(p<0.05)，15%PEG處理組中MDA含量最高，較對照高75.7%(p<0.05)。

注：不同小寫字母代表處理間差異顯著(p<0.05)。下同。

SOD、POD是細(xì)胞中的與活性氧代謝相關(guān)的酶，其活性與植物抗性密切相關(guān)。如圖2所示，不同濃度的PEG均使葉片中SOD、POD活性顯著提高，在5%PEG時(shí)達(dá)到最高，較對照組增加36.1%(p<0.05)，10%PEG處理下葉片中SOD活性有所下降，但仍較對照高16.1%(p<0.05)。隨著PEG濃度升高，葉片中POD活性逐漸升高。15%PEG處理組中POD活性最高，較對照組提高了69.1%(p<0.05)。10%、15%、20%PEG處理組間POD活性差異不顯著(p>0.05)。

圖2 不同濃度PEG對藜麥SOD和POD活性的影響

3 討論與結(jié)論

水對植物的生長至關(guān)重要，干旱對植物種子萌發(fā)及生長有顯著影響。發(fā)芽率和發(fā)芽勢是反映種子發(fā)芽能力的主要指標(biāo)[10]。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，藜麥種子發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)在5%PEG達(dá)到最大，發(fā)芽勢在10%PEG達(dá)到最大，即輕度干旱促進(jìn)藜麥種子萌發(fā)。在高濃度PEG脅迫下，由于滲透勢降低，超過了種子所能承受的極限，從而抑制了藜麥種子萌發(fā)，這與大多數(shù)種子在干旱脅迫下的萌發(fā)規(guī)律一致[11,12]。胚根長是植物種子萌發(fā)期抗旱性強(qiáng)弱的重要指標(biāo)，通常認(rèn)為它們與植物抗旱性呈正相關(guān)[13]，本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，5%PEG處理下胚根長較對照組提高，進(jìn)一步證實(shí)了一定的干旱對藜麥幼根生長有促進(jìn)作用。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，藜麥地上部較根系對干旱更為敏感，與岳凱等[14]研究一致。隨著干旱程度增加，生物量優(yōu)先分配到根部，根系優(yōu)先生長，通過提高根系的吸收能力來緩解干旱脅迫[15]。

干旱會造成滲透脅迫，導(dǎo)致植物失水。本研究發(fā)現(xiàn)，藜麥葉片的相對含水量隨干旱脅迫加重呈下降趨勢，與楊建偉[16]等、李衛(wèi)芬等[17]的研究結(jié)果一致。植物在受到干旱脅迫時(shí)，葉片中的水分生理平衡被打破，自由水含量下降而結(jié)合水比例相對升高，從而影響細(xì)胞原生質(zhì)的物理性質(zhì)，使溶質(zhì)溶度相對升高，代謝減慢，進(jìn)而影響植物的生長發(fā)育[18]，這與本實(shí)驗(yàn)中高濃度PEG顯著抑制根系伸長及生物量的積累相一致。高等植物在長期的進(jìn)化過程中形成了多種機(jī)制來緩解滲透脅迫。可溶性蛋白和可溶性糖是細(xì)胞中調(diào)節(jié)滲透平衡的重要物質(zhì)[19]。研究表明，在一定的干旱脅迫下，細(xì)胞可通過合成更多的可溶性蛋白和可溶性糖使植物細(xì)胞滲透勢增加，促進(jìn)根系對水分的吸收[20]。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在5%～15%PEG脅迫下，藜麥葉片中可溶性蛋白和可溶性糖含量均較對照增加，PEG濃度達(dá)到20%時(shí)可溶性糖的含量下降，這可能是由于干旱導(dǎo)致葉片的凈光合速率下降，影響了光合產(chǎn)物的積累。

在植株處于適宜的環(huán)境條件時(shí)，其體內(nèi)活性氧自由基的產(chǎn)生和清除處于動態(tài)平衡狀態(tài)，在受到脅迫時(shí)，活性氧的代謝平衡被打破，活性氧自由基的含量升高會導(dǎo)致MDA積累，使膜脂過氧化，膜的完整性遭到破壞[21-23]。植物會通過啟動細(xì)胞內(nèi)與活性氧平衡相關(guān)抗氧化系統(tǒng)，包括抗氧化物質(zhì)和抗氧化酶系清除過量的自由基而降低膜脂的過氧化損傷[24-27]。本實(shí)驗(yàn)中，SOD活性在5%PEG處理組達(dá)最高，POD的活性也顯著提高，而此處理組中MDA含量也達(dá)最低，這與此濃度處理組中地上部物質(zhì)的積累較其它處理組高相一致。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，SOD、POD的變化趨勢不一致，但在本實(shí)驗(yàn)所設(shè)置PEG濃度下其活性均較對照組提高。綜上所述，一定程度的干旱脅迫可以促進(jìn)藜麥種子的萌發(fā)，藜麥幼苗具有一定抗旱能力與藜麥在干旱脅迫下能夠合成更多的可溶性糖、可溶性蛋白、減少質(zhì)膜的損傷及較高的POD活性、SOD活性有關(guān)。