赤霉素對鹽脅迫下泡桐種子萌發(fā)及幼苗生理特性的影響

朱秀紅， 任方方， 茹廣欣， 李哲靜， 楊會(huì)煥， 張 威

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)， 鄭州 450002)

土壤鹽漬化是全球性的難題，是影響植物生長發(fā)育的主要非生物脅迫因子[1]，大面積土壤鹽堿化已成為限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和植物栽培的嚴(yán)峻問題之一[2]。鹽脅迫對植物的危害主要表現(xiàn)在滲透脅迫、離子毒害、膜透性變化與生理代謝紊亂等多方面[3]。

GA3是一種植物激素，是許多種子的重要成分，在休眠調(diào)節(jié)中發(fā)揮中心作用。研究表明，外源添加一定濃度的GA3可以提高植物的耐鹽性[4]，不同濃度GA3對NaCl脅迫條件下的黃芪[5]、番茄[6]和紅砂[7]等植物種子萌發(fā)及幼苗生長具有不同程度的緩解效應(yīng)，但對GA3在鹽脅迫下林木種子的萌發(fā)及生長狀況研究甚少。

泡桐(PaulowniaSieb.et Zucc)是玄參科(Scorphulariaceae)泡桐屬(Paulownia)植物，落葉喬木，原產(chǎn)于我國，種類繁多，具有一定的耐鹽能力，是重要造林樹種。泡桐對世界的生態(tài)公益有重大貢獻(xiàn)，也解決了國家木材原料稀缺的現(xiàn)狀，同時(shí)，在農(nóng)林間作上對改變小氣候、提高農(nóng)作物產(chǎn)量發(fā)揮著巨大作用。泡桐在實(shí)際生產(chǎn)中，一般采用埋根育苗，但由于長期采用無性繁殖，叢枝病蔓延較快，嚴(yán)重影響生長，且大規(guī)模繁育困難，因此可推廣種子繁殖。泡桐種子極細(xì)小，初出土的幼苗嬌嫩，對光、溫、水、鹽等外界條件敏感，因此對于種子育苗條件要求十分苛刻。倪善慶[8]、王孟筱等[9]對泡桐種子耐鹽性的研究表明，泡桐種子有一定的耐鹽能力，且不同采種期耐鹽性不同。Liu等[10]研究表明，適宜濃度的GA3對蘭考泡桐種子萌發(fā)具有促進(jìn)作用。但對于經(jīng)GA3處理后不同品種的泡桐種子在鹽脅迫條件的響應(yīng)研究甚少，本研究對不同泡桐品種種子在NaCl脅迫條件下，GA3浸種的緩解效應(yīng)，以期為泡桐種子育苗提供理論指導(dǎo)和實(shí)踐參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試泡桐品種為毛泡桐(Paulowniatomentosa(Thunb.) Steud.)、白花泡桐(Paulowniafortunei(Seem.) Hemsl.)和臺(tái)灣泡桐(PaulowniakawakamiiIto)，種子均采自河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科技園區(qū)泡桐種質(zhì)資源圃(34°86′N，113°5′E)。NaCl、GA3為分析純，均購自Solarbio公司。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與處理

將3種泡桐種子消毒后沖洗干凈，用濾紙將泡桐種子表面水分吸干，分別用0、100、200、400、600、1 000 mg·L-1GA3溶液浸泡12 h，再用蒸餾水沖洗3～5次后室內(nèi)回干，然后采用紙上發(fā)芽法，將種子分別播于鋪有兩層濾紙、含有10 mL 0.3% NaCl溶液的培養(yǎng)皿中，每皿播50粒種子。以蒸餾水為對照(ck)，設(shè)置7個(gè)處理(表1)，每個(gè)品種均做3次重復(fù)。將種子統(tǒng)一置于(25±1)℃的恒溫箱中萌發(fā)培養(yǎng)。種子培養(yǎng)期間，根據(jù)培養(yǎng)皿中水分消耗情況每天補(bǔ)充水分至原刻度，當(dāng)胚根突破種皮接近種子等長時(shí)，即認(rèn)為種子萌發(fā)，記錄種子每日萌發(fā)數(shù)量，培養(yǎng)10 d后，計(jì)算種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)，測定根長、芽長和鮮重。繼續(xù)培養(yǎng)10 d后，取泡桐幼苗樣品用于相關(guān)生理指標(biāo)測定。

表1 試驗(yàn)處理

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1種子萌發(fā)指標(biāo)測定

泡桐種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)計(jì)算參考任艷芳等[11]的方法，公式如下：

發(fā)芽率 (%)= (全部發(fā)芽種子粒數(shù)/供試種子總數(shù)) ×100%；

發(fā)芽勢(%)=(第4天內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽指數(shù)=∑Gt/Dt；

活力指數(shù)=S×GI；

式中，Gt為t時(shí)間內(nèi)的發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽時(shí)間(d)，S為根長度(cm),GI為發(fā)芽指數(shù)。

1.3.2幼苗生長及生理指標(biāo)的測定

萌發(fā)試驗(yàn)結(jié)束后，從每組處理中隨機(jī)取10株泡桐幼苗，用吸水紙將泡桐苗植株表面的水分吸干，使用游標(biāo)卡尺測量根長和芽長，計(jì)算平均長度，以cm表示；然后用千分之一天平稱其鮮重，計(jì)算平均值，以mg·株-1表示。

參照李合生等[12]的方法，SOD測定采用氮藍(lán)四唑(NBT)光還原法，POD測定采用愈創(chuàng)木酚比色法，CAT測定采用紫外吸收法，MDA含量測定采用硫代巴比妥酸法，Pro含量測定采用酸性茚三酮顯色法。Chl測定采用日本柯尼卡美能達(dá)SPAD-502 PLUS葉綠素儀。

注：不同小寫字母表示差異達(dá)0.05顯著水平。下同。圖1 GA3處理對鹽脅迫下泡桐種子萌發(fā)的影響Fig.1 Effects of GA3 treatment on the germination of Paulownia seeds under salt stress

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)采用Microsoft Excel 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄與處理，運(yùn)用SPSS 20.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，使用Duncan檢驗(yàn)進(jìn)行不同處理間顯著性分析(p<0.05)，結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 GA3對NaCl脅迫下泡桐種子萌發(fā)的影響

由圖1可知，0.3% NaCl脅迫抑制種子萌發(fā)，不同泡桐品種受抑制程度存在顯著差異，3種泡桐種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)均顯著低于ck。適宜GA3濃度能有效緩解0.3% NaCl脅迫對泡桐種子萌發(fā)的抑制作用，且不同品種間存在差異。T 1～T 5處理均不同程度地提高了NaCl脅迫下3種泡桐種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)，且隨著GA3處理濃度的增加，各指標(biāo)均呈先升高后下降的趨勢。其中，毛泡桐在T 3處理下緩解NaCl脅迫效果最明顯，白花泡桐和臺(tái)灣泡桐在T 4處理下緩解NaCl脅迫效果最明顯(p<0.05)，3種泡桐發(fā)芽率分別較T 0處理提高了30.56%、48.28%和63.64%。

2.2 GA3對NaCl脅迫下泡桐幼苗生物量的影響

由表2可知，NaCl脅迫明顯降低了3種泡桐幼苗的根長、芽長和鮮重，毛泡桐分別降低73.08%、76.00%和16.18%；白花泡桐分別降低65.33%、71.62%和9.28%；臺(tái)灣泡桐分別降低81.06%、79.00%和66.67%，且各項(xiàng)指標(biāo)降幅最大。在T 1～T 5 處理下，隨著GA3濃度的增加，3種泡桐的芽長、根長和鮮重均呈先升高后降低的趨勢，NaCl脅迫對根長和芽長的抑制作用在GA3處理下得到緩解，但整體仍低于ck，鮮重的緩解效果最為明顯，在T 2～T 4處理下，顯著高于ck(p<0.05)。

表2 GA3處理對NaCl脅迫下泡桐幼苗的影響

2.3 GA3對NaCl脅迫下泡桐幼苗抗氧化酶活性的影響

由圖2可知，與ck相比，NaCl脅迫降低了3種泡桐幼苗SOD、POD和CAT的活性。在T 1～T 5處理下，隨GA3濃度的升高，3種泡桐品種SOD、POD、CAT活性均呈先升高后下降的趨勢。毛泡桐的SOD和POD活性在T 3處理下達(dá)到最大，分別是T 0的1.29倍和1.52倍，CAT活性在T 3處理下最大，是T 0的1.62倍，且與T 4處理下無顯著差異；白花泡桐的SOD和POD活性在T 4處理下達(dá)到最大，分別是T 0的1.24倍和2.04倍，CAT活性在T 4處理下最大，是T 0的1.84倍，且與T 3處理無顯著差異；臺(tái)灣泡桐的SOD、POD和CAT活性均在T 4處理下最大，分別是T 0的1.19倍、1.47倍和2.85倍。

圖2 GA3對NaCl脅迫下泡桐幼苗SOD、POD和CAT 活性的影響Fig.2 Effects of GA3 on SOD, POD and CAT activities in Paulownia seedlings under NaCl stress

2.4 GA3對NaCl脅迫下泡桐幼苗MDA含量的影響

由圖3可知，NaCl脅迫使3種泡桐幼苗MDA含量明顯增加(p<0.05)，與ck處理相比，毛泡桐、白花泡桐和臺(tái)灣泡桐分別提高1.44倍、1.45倍和2.28倍。GA3浸種處理降低了NaCl脅迫下3種泡桐幼苗中MDA含量，且隨著GA3處理濃度的增加，幼苗中MDA含量呈先降低后增加的趨勢。T 1～T 5處理中，毛泡桐和臺(tái)灣泡桐分別在T 3和T 4處理下最低；白花泡桐在T 4處理下最低，與T 3無顯著差異。

圖3 GA3對鹽脅迫下泡桐幼苗MDA含量的影響Fig.3 Effects of GA3 on SOD,POD and CAT activities in Paulownia seedlings under NaCl stress

2.5 GA3對NaCl脅迫下泡桐幼苗Pro含量的影響

由圖4可知，NaCl脅迫下，3種泡桐幼苗中Pro含量均明顯增加，與ck相比，毛泡桐、白花泡桐和臺(tái)灣泡桐幼苗內(nèi)Pro含量分別增加了1.31倍、1.07倍和1.36倍(p<0.05)。GA3處理進(jìn)一步促進(jìn)Pro含量的提高，在T 1～T 5處理下3種泡桐幼苗內(nèi)Pro含量呈先上升后下降的趨勢，毛泡桐在T 3處理下達(dá)到最大，白花泡桐和臺(tái)灣泡桐在T 4處理下達(dá)到最大，且整體都高于ck處理。

圖4 GA3對鹽脅迫下泡桐幼苗Pro含量的影響Fig.4 Effects of GA3 on Pro content in Paulownia seedlings under NaCl stress

2.6 GA3對NaCl脅迫下泡桐幼苗Chl含量的影響

由圖5可知，NaCl脅迫下，3種泡桐Chl的含量(p<0.05)顯著降低，毛泡桐、白花泡桐和臺(tái)灣泡桐分別降低24.84%、22.65%和15.27%，在T 1～T 5處理下，3種泡桐Chl含量得到不同程度的恢復(fù)，均呈先升高后降低的趨勢，毛泡桐在T 3處理下達(dá)到最大，是T 0的1.15倍，白花泡桐和臺(tái)灣泡桐在T 4處理下達(dá)到最大，是T 0的1.10倍和1.31倍，但整體都低于ck處理。

圖5 GA3對鹽脅迫下泡桐幼苗Chl含量的影響Fig.5 Effects of GA3 on Chl content in Paulowniaseedlings under NaCl stress

3 討論與結(jié)論

3.1 NaCl對植物種子萌發(fā)的影響

發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)等指標(biāo)可作為種子萌發(fā)期耐鹽性鑒定指標(biāo)，NaCl脅迫是影響植物生長和產(chǎn)量的主要原因，另一原因就是內(nèi)源激素含量及其比值的變化，多種激素通過相互協(xié)同和拮抗作用也會(huì)對植物生長發(fā)育起調(diào)控作用。本試驗(yàn)中，3個(gè)泡桐品種在0.3% NaCl脅迫下，發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均顯著降低。徐蓉蓉等[14]研究表明，在NaCl脅迫下，蒙古黃芪和扁莖黃芪種子的發(fā)芽率降低，且扁莖黃芪降幅更大，耐鹽性低于蒙古黃芪，說明同屬植物不同種之間也存在差異。孫若崢等[15]研究表明，鹽脅迫下，楊樹植物體內(nèi)ABA含量升高，而GA3等其他激素含量下降。本試驗(yàn)在0.3% NaCl脅迫下，臺(tái)灣泡桐各指標(biāo)降幅最大，白花泡桐次之，毛泡桐降幅最小，即3種泡桐耐鹽能力強(qiáng)弱為：毛泡桐>白花泡桐>臺(tái)灣泡桐，與其研究結(jié)果相似。且這種差異可能是因?yàn)辂}脅迫阻礙了GA3的合成和轉(zhuǎn)化，引起的植物體內(nèi)源激素含量和比值不平衡[16]。

3.2 GA3對NaCl脅迫下植物種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

GA3是植物體內(nèi)重要的生長調(diào)節(jié)物質(zhì)，對植物種子萌發(fā)、營養(yǎng)生長和抵抗逆境脅迫等方面都發(fā)揮重要作用。孫彬等[17]研究表明，100 mg·L-1的NaCl脅迫對堿茅種子萌發(fā)的抑制作用較為明顯，隨著GA3濃度升高，各萌發(fā)指標(biāo)出現(xiàn)先升高后下降的趨勢。本試驗(yàn)利用不同濃度GA3對0.3% NaCl脅迫下的3種泡桐種子進(jìn)行浸種12 h處理，萌發(fā)指標(biāo)、幼苗根長、芽長和鮮重均呈先升高后下降的趨勢，且根長和芽長各趨勢變幅不同，說明不同品種泡桐在鹽脅迫下對赤霉素的敏感程度不同，同一泡桐品種的不同部位對赤霉素的敏感程度也不同，整體而言，毛泡桐在400 mg·L-1GA3處理時(shí)、白花泡桐和臺(tái)灣泡桐在600 mg·L-1GA3處理時(shí)，緩解效果最佳。結(jié)果表明，適宜濃度的GA3浸種可調(diào)節(jié)內(nèi)源激素含量的變化及其比值平衡，可以緩解鹽脅迫對泡桐種子造成的傷害，且不同品種緩解所需最佳GA3濃度不同。該結(jié)論與前人研究結(jié)果一致。

3.3 GA3對NaCl脅迫下植物抗氧化酶活性及MDA含量的影響

植物種子萌發(fā)過程中，植物體內(nèi)的相關(guān)酶活性提高，細(xì)胞內(nèi)活性氧的產(chǎn)生和清除始終處于一種動(dòng)態(tài)的平衡，當(dāng)受到高低溫、干旱、鹽堿和重金屬等非生物脅迫時(shí)，植物體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生速度加快，平衡被打破，細(xì)胞內(nèi)活性氧急劇累積而損害細(xì)胞，SOD是活性氧清除反應(yīng)過程中發(fā)揮重要作用的抗氧化酶，能將O2-·快速歧化為H2O2和O2，生成的H2O2在CAT和POD等的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)镠2O和O2，使植物細(xì)胞免受O2-·的氧化損傷[18]。MDA是活性氧啟動(dòng)膜脂過氧化過程中的主要產(chǎn)物之一，其含量高低是衡量植物在逆境脅迫下活性氧傷害程度的常用指標(biāo)，鹽脅迫下MDA累積導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，會(huì)影響膜的流動(dòng)性和通透性，對植物造成傷害[19]。朱金芳等[20]研究表明，當(dāng)鹽脅迫達(dá)到150 mmol·L-1時(shí)，中國檉柳SOD、POD和CAT 酶活性均顯著降低，MDA含量升高，植物膜脂過氧化作用增強(qiáng)，細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)被破壞，植物生長受到抑制。本試驗(yàn)在0.3% NaCl脅迫下，毛泡桐、白花泡桐和臺(tái)灣泡桐3種泡桐植物體內(nèi)的SOD、POD、CAT活性均顯著下降，MDA含量升高。說明NaCl脅迫使泡桐幼苗受到嚴(yán)重的氧化損傷，與前期對于泡桐1201幼苗的研究結(jié)果一致[21]。經(jīng)不同濃度GA3處理后，SOD、POD和CAT活性均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，減少了MDA的積累，毛泡桐在400 mg·L-1GA3處理效果最明顯，白花泡桐和臺(tái)灣泡桐在600 mg·L-1GA3處理效果最明顯。結(jié)果表明，用適宜濃度GA3浸種可提高逆境脅迫下泡桐體內(nèi)抗氧化酶活性來增強(qiáng)對活性氧的清除能力，提高抗逆性，緩解來自外界的氧化損傷，維持細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定，這與前人在甘藍(lán)[22]、板藍(lán)根[23]方面的研究結(jié)果一致。

3.4 GA3對NaCl脅迫下植物幼苗Pro含量的影響

Pro是植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，植物體平衡滲透勢是通過增減調(diào)節(jié)物質(zhì)來維持的，具有多種生物功能，參與滲透調(diào)節(jié)、蛋白質(zhì)構(gòu)成、保護(hù)細(xì)胞膜完整性、穩(wěn)定酶和蛋白質(zhì)以及清除自由基，Pro累積量與植物對脅迫的耐受能力成正相關(guān)[24]。正常條件下Pro在植物體內(nèi)含量極低，但在鹽脅迫條件下會(huì)顯著增高，這主要是植物為了應(yīng)對鹽脅迫而自我調(diào)節(jié)的一種保護(hù)方式，促使生理代謝過程中酶和細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)免受逆境傷害[25]。張麗麗等[26]研究表明，外源GA3處理可以提高水稻幼苗NaCl脅迫下Pro含量。本研究表明，在0.3%的鹽脅迫下，3種泡桐品種的Pro含量均升高，經(jīng)GA3浸種處理后，Pro含量先上升后下降，但整體仍略高于正常狀態(tài)下泡桐植物體內(nèi)的Pro含量，說明不管是鹽脅迫還是GA3處理，都會(huì)影響泡桐植物體內(nèi)的滲透勢。

3.5 GA3對NaCl脅迫下植物幼苗Chl含量的影響

高添樂等[27]認(rèn)為，Chl是植物進(jìn)行光合作用的重要物質(zhì)，其含量的多少對植物光合作用有著重要影響，在一定程度上能反映植物同化物質(zhì)的能力，在鹽脅迫下，植物葉片內(nèi)Chl會(huì)遭到破壞，抑制Chl的合成或促進(jìn)其分解。尚娜等[28]研究表明，隨著鹽脅迫濃度增加，植物葉片的Chl含量降低，且濃度越高下降趨勢越明顯，GA3的施加同樣使Chl含量降低。本研究表明，鹽脅迫下，3種泡桐Chl含量均降低，經(jīng)GA3處理后，隨其濃度增大，Chl含量先升高后下降，但整體仍低于正常狀態(tài)，這與上述研究結(jié)果一致。

綜上所述，0.3% NaCl脅迫顯著降低了毛泡桐、白花泡桐和臺(tái)灣泡桐3種泡桐種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)，使幼苗中SOD、POD、CAT活性顯著降低，MDA含量和Pro含量上升，Chl含量下降，且毛泡桐降幅最小，臺(tái)灣泡桐降幅最大，耐鹽性強(qiáng)弱為：毛泡桐>白花泡桐>臺(tái)灣泡桐。在0.3% NaCl脅迫下，經(jīng)不同濃度的GA3浸種12 h處理后，隨濃度的升高，3種泡桐品種種子的萌發(fā)指標(biāo)、幼苗抗氧化酶活性和Pro含量呈現(xiàn)先升高后下降的規(guī)律，MDA含量先降低后上升，Chl含量得到部分恢復(fù)。說明一定濃度的GA3處理可以緩解鹽脅迫對泡桐種子和幼苗的影響，提高泡桐的耐鹽性，且不同品種間存在差異，毛泡桐、白花泡桐和臺(tái)灣泡桐分別在400、600 mg·L-1和600 mg·L-1GA3處理?xiàng)l件下有最大促進(jìn)作用。因此，外源GA3浸種可作為提高泡桐種子建植期耐鹽性的一種方法，這為后期利用種子繁育提供一定的理論依據(jù)，但本試驗(yàn)對于外源GA3提高泡桐種子萌發(fā)性的內(nèi)在機(jī)理未有深入研究，是下一步繼續(xù)探究和學(xué)習(xí)的重要方向。