NaCl脅迫及外源GABA對垂穗披堿草種子萌發(fā)的影響

趙 旭， 陳仕勇， 劉 偉， 李丹丹， 文景锜， 馬展登

(1.西南民族大學(xué)青藏高原研究院， 四川 成都 610041；2.西南民族大學(xué)畜牧獸醫(yī)學(xué)院， 四川 成都 610041；3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科技學(xué)院， 成都 611130； 4.四川省甘孜州草原工作站， 四川 康定 626000)

鹽漬土在干旱、半干旱地區(qū)的分布最為普遍，在我國主要分布于東北、華北、西北和濱海地區(qū)[1]。土壤鹽漬化不僅威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展，也不利于生態(tài)資源環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。種植耐鹽堿植物等生物防治手段已經(jīng)成為鹽堿地改良的重要途徑之一，而如何提高植物的耐鹽性對于鹽堿地的改良具有重要意義。目前，植物生長調(diào)節(jié)劑被廣泛應(yīng)用于改善植物對逆境的抗性研究中。γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)是一種四碳非蛋白氨基酸，廣泛存在于動物、植物和細(xì)菌中。在植物細(xì)胞中主要作為細(xì)胞間信號的傳導(dǎo)分子[2]，與生物和非生物脅迫密切相關(guān)[3-4]，它的積累是植物系統(tǒng)對鹽分、干旱、高溫和寒冷等脅迫的代謝反應(yīng)。目前它已經(jīng)作為一種重要的植物調(diào)節(jié)物質(zhì)應(yīng)用于改善植物的耐鹽堿、耐高溫等抗逆研究中[5-7]。

垂穗披堿草(ElymusnutansGriseb.)，又名鉤頭草、彎穗草，是禾本科披堿草屬重要的多年生牧草。主要分布在我國內(nèi)蒙古、新疆、青海、西藏、四川等地，具有重要的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)價(jià)值，特別是在我國青藏高原草地畜牧業(yè)和生態(tài)建設(shè)中發(fā)揮了重要作用[8-9]。本研究通過添加外源生長調(diào)節(jié)物質(zhì)來提高垂穗披堿草種子萌發(fā)的耐鹽性，為其進(jìn)一步在鹽堿地等生態(tài)恢復(fù)中的應(yīng)用提供參考。本試驗(yàn)采用GABA對垂穗披堿草種子進(jìn)行浸種處理，研究其種子在NaCl脅迫下的萌發(fā)情況，揭示GABA對改善垂穗披堿草種子耐鹽性的效果，為垂穗披堿草在鹽堿條件下的栽培利用提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗(yàn)選用國審垂穗披堿草牧草新品種“康北”為供試材料，種子由西南民族大學(xué)牧草創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1不同濃度NaCl對種子萌發(fā)的影響

挑選大小均一、顆粒飽滿、無病蟲害的種子，用75%的乙醇消毒并用蒸餾水沖洗干凈。每個培養(yǎng)皿中整齊均勻擺放30粒種子，分別加入5 mL不同濃度的NaCl溶液，每個處理重復(fù)3次。試驗(yàn)設(shè)置4個NaCl濃度梯度：50、100、150、200 mmol·L-1，并以蒸餾水為對照。把培養(yǎng)皿置于23 ℃溫度條件下萌發(fā)，以種子胚根露出種皮作為發(fā)芽標(biāo)志，每日記錄發(fā)芽情況。

1.2.2不同濃度GABA對NaCl脅迫下種子萌發(fā)的影響

在不同濃度NaCl對種子萌發(fā)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上篩選出100 mmol·L-1脅迫濃度進(jìn)行GABA的添加試驗(yàn)。將消毒后的種子在濃度為0、0.2、0.5、1、2 mmol·L-1的GABA溶液中浸泡24 h，以蒸餾水浸泡作為對照，浸種完成后即開始萌發(fā)試驗(yàn)。在鋪有2層濾紙的發(fā)芽盒(16 cm×11 cm×12 cm)中加入20 mL NaCl溶液，并在每個發(fā)芽盒中整齊均勻地?cái)[放45粒種子。試驗(yàn)設(shè)置6個處理：蒸餾水(ck)、100 mmol·L-1NaCl(N)、0.2 mmol·L-1GABA+100 mmol·L-1NaCl(GN 1)、0.5 mmol·L-1GABA+100 mmol·L-1NaCl(GN 2)、1 mmol·L-1GABA+100 mmol·L-1NaCl(GN 3)、2 mmol·L-1GABA+100 mmol·L-1NaCl(GN 4)。每個處理重復(fù)3次。培養(yǎng)條件同1.2.1。

1.3 測定指標(biāo)及方法

種子萌發(fā)相關(guān)指標(biāo)發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)等測定和計(jì)算公式如下：

發(fā)芽率(%)=(G12/N)×100%，

式中，G12為12 d內(nèi)正常發(fā)芽的種子數(shù)，N為供試種子總數(shù)；

發(fā)芽勢(%)=(G6/N)×100%，

式中，G6為6 d內(nèi)正常發(fā)芽的種子數(shù)，N為供試種子總數(shù)；

發(fā)芽指數(shù)=∑(Gi/Di)，

式中，Gi為第i天發(fā)芽數(shù)，Di為發(fā)芽天數(shù)；

活力指數(shù)=GI×S，

式中，S為幼苗平均長度，GI為發(fā)芽指數(shù)。

在第12天，每個重復(fù)隨機(jī)選取10株幼苗，用直尺測定幼苗的芽長、根長，用天平稱其整株鮮重。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2019軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，通過SPSS Statistics 24軟件進(jìn)行單因素方差分析，運(yùn)用Duncan法進(jìn)行不同處理間的多重比較，并用Origin 2018軟件繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度NaCl對垂穗披堿草種子萌發(fā)的影響

2.1.1種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢

如圖1所示，NaCl脅迫顯著降低了垂穗披堿草種子的發(fā)芽率(p<0.05)。在150 mmol·L-1和200 mmol·L-1脅迫濃度下，種子發(fā)芽率分別下降21.88%和24.00%。同時，鹽脅迫也延遲了種子發(fā)芽時間，發(fā)芽勢隨著NaCl濃度的升高也呈降低趨勢。當(dāng)NaCl濃度為150 mmol·L-1和200 mmol·L-1時，種子發(fā)芽勢分別下降23.81%和50.00%。

2.1.2發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)

如圖2所示，隨著NaCl濃度的升高，垂穗披堿草種子的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均呈降低趨勢。當(dāng)NaCl濃度大于等于100 mmol·L-1時，發(fā)芽指數(shù)呈下降趨勢，且在NaCl濃度大于等于150 mmol·L-1時達(dá)到顯著水平。活力指數(shù)在不同鹽脅迫濃度下均顯著降低(p<0.05)，其中在NaCl濃度為100 mmol·L-1時，種子的活力指數(shù)下降54.50%。

2.1.3胚芽長和胚根長

如圖3所示，垂穗披堿草種子的胚芽長隨著NaCl濃度的升高呈降低趨勢。與對照相比，50 mmol·L-1NaCl脅迫下的胚芽長差異不顯著；在濃度為100 mmol·L-1和150 mmol·L-1時，胚芽長分別降低了39.22%和41.25%。同樣，隨著NaCl濃度的升高，垂穗披堿草種子的胚根長均呈顯著降低趨勢(p<0.05)。NaCl濃度在100 mmol·L-1和150 mmol·L-1時，胚根長比對照顯著降低了54.77%和60.80%，表明當(dāng)NaCl濃度≥100 mmol·L-1時，其種子的胚根和胚芽生長受到了顯著的抑制，同時鹽脅迫對胚根的抑制比胚芽更明顯。結(jié)果表明，100 mmol·L-1的NaCl濃度可以確定為下一步GABA添加研究的適宜鹽脅迫濃度。

2.2 不同濃度GABA對NaCl脅迫下垂穗披堿草種子萌發(fā)的影響

2.2.1種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢

由圖4可知，外源GABA浸種后，在100 mmol·L-1NaCl脅迫下，垂穗披堿草種子的發(fā)芽率隨著GABA濃度的升高呈上升的趨勢，且在GN 4處理(GABA濃度為2 mmol·L-1)下發(fā)芽率到達(dá)最高(p<0.05)。種子的發(fā)芽勢也呈相同的變化趨勢，其中GN 2、GN 3和GN 4處理比鹽脅迫條件下分別提高了77.8%、85.2%和96.3%。

2.2.2發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)

由圖5可知，外源GABA浸種后能顯著提高NaCl脅迫下垂穗披堿草種子的發(fā)芽指數(shù)，并隨著GABA濃度的升高，發(fā)芽指數(shù)呈逐漸增大的趨勢，且在GN 4處理時達(dá)到最大，發(fā)芽指數(shù)比鹽脅迫條件下顯著提高了49.2%(p<0.05)。同樣，種子活力指數(shù)也隨著GABA浸種濃度的升高呈逐漸增大的趨勢，其中GN 4處理的種子活力指數(shù)達(dá)到最高，比鹽脅迫條件下顯著提高了58.6%(p<0.05)。

2.2.3胚芽長和胚根長

由圖6所示，鹽脅迫條件顯著地降低了垂穗披堿草幼胚芽長和根長(p<0.05)。不同濃度的GABA浸種后，胚芽長和根長較鹽脅迫處理呈略微增大的趨勢，但各處理間的差異不顯著。

2.2.4幼苗鮮重

如圖7所示，鹽脅迫下的垂穗披堿草幼苗鮮重顯著低于ck(p<0.05)。GABA處理后的幼苗重量隨濃度升高呈逐漸增重的趨勢，在GN 3、GN 4處理時幼苗重量達(dá)顯著水平(p<0.05)，其中GN 4處理時苗重達(dá)到最大。

3 討 論

3.1 鹽脅迫對垂穗披堿草種子萌發(fā)的影響

萌發(fā)是植物正式開始個體發(fā)育的第一個階段，是植物生命周期中的重要環(huán)節(jié)。萌發(fā)期的生長狀況直接影響植物的后續(xù)生長發(fā)育。鹽脅迫影響種子萌發(fā)主要有以下兩種方式：一是外界溶液的滲透壓過高，導(dǎo)致種子吸水受阻[10]；二是鹽離子的滲入直接造成毒害[11]。有研究認(rèn)為，低濃度的鹽脅迫不僅不會影響種子萌發(fā)，還有利于種子吸水和提高代謝水平。低鹽濃度能提高玉米種子的萌發(fā)指標(biāo)，并且提升其發(fā)芽速率，縮短平均發(fā)芽時間[12]。適宜濃度處理有利于燕麥等種子的萌發(fā)和芽苗生長[13-14]。這可能是因?yàn)樯倭葵}分能使細(xì)胞內(nèi)部滲透勢降低，在逆境中加速吸水。不過也有大量研究發(fā)現(xiàn)，低濃度鹽脅迫和高濃度鹽脅迫一樣會影響種子正常的出芽和后續(xù)生長，種子的吸水過程受到阻礙，導(dǎo)致代謝活性降低和種子組織的合成速度減少，引起各萌發(fā)指標(biāo)降低[6]。本研究中垂穗披堿草種子萌發(fā)指標(biāo)在NaCl濃度50～200 mmol·L-1范圍脅迫下均表現(xiàn)出不同程度的抑制作用。這樣的變化趨勢與鹽脅迫下新麥草[15]及垂穗披堿草[16]種子萌發(fā)的研究結(jié)果相同。同時，綜合不同的萌發(fā)指標(biāo)，本研究選用了100 mmol·L-1的NaCl濃度作為種子萌發(fā)的適宜鹽脅迫濃度進(jìn)行后續(xù)的研究。劉艷君等[17]研究了采自甘南天祝的3份野生垂穗披堿草，在NaCl濃度為0～1.2%(0～205 mmol·L-1)脅迫下的萌發(fā)情況，結(jié)果表明，低鹽環(huán)境促進(jìn)種子的萌發(fā)，當(dāng)鹽濃度達(dá)到1.0%(171 mmol·L-1)時，其發(fā)芽勢均為0。說明同一物種的不同品種以及種質(zhì)的不同狀態(tài)，其耐鹽性分均存在明顯的差異。

3.2 GABA對鹽脅迫下垂穗披堿草種子萌發(fā)的影響

GABA作為植物體內(nèi)的代謝物質(zhì)和信號分子，能夠提高種子的發(fā)芽能力和幼株活力，緩解鹽脅迫。GABA能有效降低種子對Na+的吸收，維持離子平衡[18]，從而降低鹽脅迫對種子的損傷。朱廣龍等[19]研究了4種不同的外源生長調(diào)節(jié)劑對鹽脅迫下甜高粱種子萌發(fā)的影響，其結(jié)果表明GA3(0.3 mmol·L-1)和GABA(0.5 mmol·L-1)對高粱種子吸水萌發(fā)時鹽害的緩解效果最好。羅黃穎等[6]研究了不同濃度GABA浸種對番茄種子及幼苗耐鹽性的影響，結(jié)果表明不同濃度GABA的緩解效應(yīng)存在差異，其中10 mmol·L-1的外源GABA能夠顯著提高鹽脅迫下番茄種子的萌發(fā)率和促進(jìn)胚根的生長。本研究中0.2～2 mmol·L-1濃度的GABA均能不同程度地緩解NaCl脅迫對垂穗披堿草種子萌發(fā)的影響，隨著GABA濃度的增大，其發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)逐漸提高，幼苗重量增大，但是對種子萌發(fā)、胚芽和胚根的生長緩解效果不是特別顯著，這可能與本研究中選用的濃度范圍較小有關(guān)。此外，谷物種子中的谷氨酸脫氫酶(GAD)與種子萌發(fā)密切相關(guān)[20]，而GABA又與GAD的代謝變化直接相關(guān)。趙寧等[21]在GABA對鹽堿脅迫下甜瓜種子萌發(fā)的研究中發(fā)現(xiàn)，一定濃度的GABA能夠提高鹽堿脅迫條件下的種子萌發(fā)狀況，同時還能提高胚根內(nèi)超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)等活性，特別是10 mmol·L-1GABA浸種后內(nèi)源GABA和GAD活性顯著升高，50 mmol·L-1GABA浸種處理后其GABA轉(zhuǎn)氨酶(GABA-T)活性達(dá)到最高，這加快了GABA向琥珀酸半醛降解和參與三羧酸循環(huán)的速度，從而提高了種子耐鹽堿的能力。

4 結(jié) 論

隨著NaCl脅迫濃度的升高，供試垂穗披堿草種子的萌發(fā)指標(biāo)逐漸下降。在100 mmol·L-1NaCl脅迫條件下，0.2～2 mmol·L-1的 GABA浸種能不同程度地緩解鹽脅迫對供試垂穗披堿草種子萌發(fā)的影響，能夠提高其發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)，增加其幼苗重量，其中2 mmol·L-1GABA浸種處理的效果最佳。