H2S對(duì)弱光脅迫下高羊茅幼苗生理特性和內(nèi)源激素的影響

高雙紅， 李媛英， 劉博文， 龍 思， 劉鐵芫， 許岳飛

(西北農(nóng)林科技大學(xué)草業(yè)與草原學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

草坪因具有美化環(huán)境、凈化空氣和減少噪音等功能[1]，在提高人們生活質(zhì)量中的同時(shí)，市場(chǎng)需求量也越來越大。高羊茅(Festucaarundinacea)是禾本科羊茅屬多年生草本植物，因其抗性好、與雜草競爭優(yōu)勢(shì)大、生命力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于園林綠化中，是目前我國最為常見的冷季型草坪草之一[2]。韓烈保等[3]認(rèn)為，高羊茅具有比大多數(shù)冷季型草坪草更強(qiáng)的耐酸堿能力；王友保等[4]研究發(fā)現(xiàn)高羊茅可以吸收土壤中一定量的Cu;同時(shí)有研究表明高羊茅可以去除受污染土壤中的Se元素[5]；高羊茅的這種能力有望使其成為修復(fù)重金屬污染土壤的重要草坪草品種。因此，高羊茅作為冷季型草坪草其應(yīng)用前景十分廣闊。

現(xiàn)代城市高樓聳立以及人們對(duì)于喬、灌、草等立體綠化的需求，使得草坪的遮蔭問題十分突出[6]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國約有1/4的草坪處于遮蔭環(huán)境[7]，而我國約有1/2的草坪處于遮蔭環(huán)境[8]。光照對(duì)草坪的生長十分重要，遮蔭會(huì)導(dǎo)致草坪草光合速率下降、葉片變薄、莖桿纖細(xì)和生物量降低[9]，嚴(yán)重影響草坪質(zhì)量。因此，研究弱光脅迫對(duì)草坪草生理特性的影響，探究緩解遮蔭脅迫的方法，對(duì)草坪的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益等具有十分重要的科學(xué)和現(xiàn)實(shí)意義。

硫化氫(H2S)作為一種重要的氣體信號(hào)分子，參與植物生長發(fā)育的各個(gè)過程，并且具有緩解鹽害、干旱、低溫和重金屬等多種非生物脅迫的功能[10]。研究表明，外源H2S可以通過調(diào)節(jié)內(nèi)源H2S含量，維持植物體內(nèi)的Na+/K+平衡，增強(qiáng)抗氧化能力，從而提高耐鹽性[11]。在干旱脅迫下，H2S顯著上調(diào)Rubisco活化酶的活性，引起葉片氣孔關(guān)閉，提高擬南芥對(duì)干旱的適應(yīng)能力[12]。外源H2S也可通過促進(jìn)光系統(tǒng)II(PSII)來緩解強(qiáng)光下水稻遭受的光抑制傷害[13]。然而，有關(guān)H2S調(diào)控高羊茅耐蔭性的研究尚未見報(bào)道。因此，本文探討了H2S對(duì)高羊茅耐蔭性的調(diào)控作用，擬為提高草坪草耐蔭性和草坪的科學(xué)養(yǎng)護(hù)管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用高羊茅(FestucaarundinaceaSchreb.)品種為Arid 3，種子購買于克勞沃(北京)生態(tài)科技有限公司并存儲(chǔ)于4℃冰箱中。試驗(yàn)使用藥劑主要有500 μmol·L-1硫化氫供體硫氫化鈉(NaHS)，300 μmol·L-1硫化氫清除劑次?；撬?HT)，300 μmol·L-1硫化氫合成酶抑制劑羧甲基胺半鹽酸鹽(AOA)[14]。

用0.1%(w/v)次氯酸鈉(NaClO)溶液對(duì)種子進(jìn)行表面消毒，并用蒸餾水漂洗數(shù)次。然后，將種子置于鋪有雙層濾紙的培養(yǎng)皿中，每皿含50粒種子，為一個(gè)重復(fù)，每個(gè)處理設(shè)置三個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)第一階段用藥劑在黑暗條件下浸種24 h；第二階段培養(yǎng)箱培養(yǎng)2周，并在第7 d時(shí)噴施藥劑。本試驗(yàn)5個(gè)處理，分別為：自然光照+蒸餾水(CK)、弱光+蒸餾水(LL)、弱光+硫化氫供體硫氫化鈉(LS)、弱光+硫化氫清除劑次?；撬?LT)和弱光+硫化氫合成酶抑制劑羧甲基胺半鹽酸鹽(LA)。人工氣候箱的設(shè)置是白天時(shí)長為16 h，溫度25℃，自然光強(qiáng)為200 μmol·m-2·s-1PPFD，弱光脅迫為40 μmol·m-2·s-1PPFD，相對(duì)濕度保持在60%；夜間時(shí)長為8 h，溫度為20℃，光強(qiáng)為0，相對(duì)濕度保持在50%。具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見下表。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)表Table 1 Table of experimental design

1.2 測(cè)定指標(biāo)及方法

發(fā)芽率(GP)=(發(fā)芽試驗(yàn)?zāi)┢谝?guī)定日期種子數(shù)/供試種子數(shù))×100%

發(fā)芽勢(shì)(GE)=(發(fā)芽試驗(yàn)初期規(guī)定日期內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù))×100%

發(fā)芽指數(shù)GI=∑Gt/Dt

活力指數(shù)VI=GI×S

其中Dt為發(fā)芽時(shí)間(d)，Gt為與Dt相對(duì)應(yīng)的發(fā)芽種子數(shù)，S為一定時(shí)期內(nèi)正常幼苗的單株長[15-16]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0進(jìn)行單因素方差分析(P<0.05差異顯著)，運(yùn)用SigmaPlot 14.0進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 H2S對(duì)弱光脅迫下高羊茅萌發(fā)的影響

在5個(gè)不同處理下，高羊茅種子的發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢(shì)以及活力指數(shù)產(chǎn)生一定程度的差異。CK處理組、高羊茅種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢(shì)以及活力指數(shù)均為最高，LL處理則對(duì)高羊茅種子的萌發(fā)產(chǎn)生了顯著影響，與CK相比，其顯著降低高羊茅種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢(shì)、活力指數(shù)(P<0.05)，與CK相比,分別降低了7.54%，21.27%，10.71%和22.22%,LS對(duì)高羊茅種子萌發(fā)有一定促進(jìn)作用，與LL相比，LS處理的發(fā)芽指數(shù)增加15.49%，而LT處理和LA處理顯著降低弱光下高羊茅種子萌發(fā)，與LL處理相比，LT處理下發(fā)芽勢(shì)和活力指數(shù)分別降低17.34%和31.43%，說明內(nèi)源硫化氫對(duì)弱光下高羊茅種子的萌發(fā)有一定的促進(jìn)作用。(圖1)

圖1 H2S對(duì)弱光脅迫下高羊茅萌發(fā)的影響Fig.1 Effects of H2S on the germination of tall fescue under low-light stress注：不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同Note:Different letters meant significant difference at 0.05 level. The same as below

2.2 H2S對(duì)弱光脅迫下高羊茅胚根重、胚芽重的影響

弱光脅迫處理對(duì)高羊茅胚根和胚芽產(chǎn)生的影響不同。由圖2可知，與CK相比，LL處理使得高羊茅胚根重顯著下降38.4%，卻使得高羊茅胚芽重增加0.0083%。較LL處理組相比，LS處理組高羊茅的胚根重和胚芽重變化不明顯，但均有所增加；LT處理組和LA處理組胚根重和胚芽重則發(fā)生明顯變化，胚根重和胚芽重均顯著下降(P<0.05)，其中LT處理和LA處理胚根分別下降73.12%和50.17%(圖2A)。表明結(jié)果弱光脅迫下，高羊茅的胚根生長受到抑制，而施加外源H2S能夠緩解這種抑制。

2.3 H2S對(duì)弱光脅迫下高羊茅幼苗細(xì)胞膜透性穩(wěn)定性的影響

圖3 H2S對(duì)弱光脅迫下高羊茅細(xì)胞膜穩(wěn)定性的影響Fig.3 Effects of H2S on the stability of tall fescue cell membrane under low-light stress

2.4 H2S對(duì)弱光脅迫下高羊茅幼苗內(nèi)源激素以及氣體信號(hào)分子H2S的影響

激素水平是植物對(duì)逆境響應(yīng)的重要指標(biāo)。不同處理下植物體內(nèi)激素水平存在差異。與CK相比較，LL處理顯著增加了高羊茅體內(nèi)的H2S,ABA和GA含量，增加值分別為36.28%，29.29%和38.82%。與LL處理相比較，LS處理使得H2S和ABA含量增大54.51%和42.40%，差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)，同時(shí)使GA含量顯著下降12.90%(P<0.05)；而LT處理和LA處理會(huì)顯著降低H2S和ABA含量，但顯著增加GA含量，其中LT處理下ABA和H2S分別下降31.64%和28.39%，GA卻增加7.20%，這與LS處理結(jié)果完全相反。表明弱光脅迫下，施加外源H2S能夠促進(jìn)內(nèi)源H2S和ABA的產(chǎn)生并抑制GA，而施加AOA和HT則效果與之完全相反(圖4)。

圖4 H2S對(duì)弱光脅迫下高羊茅內(nèi)源GA、ABA、H2S的影響Fig.4 Effect of H2S on the endogenous GA、ABA、H2S of tall fescue under low-light stress

3 討論

3.1 H2S對(duì)高羊茅種子萌發(fā)特性和胚根、胚芽的影響

發(fā)芽是植物生長非常關(guān)鍵的一個(gè)過程，其成功與否影響著草坪的密度和蓋度以及質(zhì)量。H2S能夠調(diào)節(jié)植物諸多生理和生化過程，包括種子的萌發(fā)和幼苗的生長[23]；有研究表明低劑量外源施用H2S能夠通過激活β-淀粉酶活性來促進(jìn)種子萌發(fā)[24]；并提高鹽脅迫下苜蓿種子萌發(fā)抗氧化酶同工酶活性和轉(zhuǎn)錄物水平[25]。在本研究中，弱光下施加H2S提升了高羊茅種子的萌發(fā)特性，而清除或者抑制內(nèi)源H2S則會(huì)對(duì)種子萌發(fā)起到顯著的負(fù)作用，說明內(nèi)源H2S促進(jìn)了弱光脅迫下高羊茅種子的萌發(fā)，這與前人研究結(jié)果一致。

光照與植物生長發(fā)育關(guān)系密切，光照不足會(huì)引起植物的形態(tài)學(xué)重建[26]。近年來，關(guān)于植物弱光脅迫的研究多開展于黃瓜(CucumissativusLinn)[27]等相關(guān)植物，在林木栽培[28]也有研究。弱光脅迫下高羊茅胚根重較CK顯著下降，而胚芽重輕微增加，表明弱光脅迫促進(jìn)高羊茅幼苗的向上生長，在一定程度上會(huì)抑制高羊茅胚根的生長。在弱光脅迫下，分別施加H2S，AOA，HT后，發(fā)現(xiàn)各處理的胚根重和胚芽重為LS最大，LL次之，而LA，LT最小，即H2S在一定程度上緩解了弱光脅迫對(duì)高羊茅幼苗生長的限制。我們前期研究發(fā)現(xiàn)，在弱光脅迫下，外施H2S能夠增加高羊茅株高、生物量、葉寬、分蘗數(shù)等[14]，這與本試驗(yàn)得到的結(jié)果相一致。

3.2 H2S對(duì)弱光脅迫下高羊茅幼苗細(xì)胞膜穩(wěn)定性和根活力的影響

3.3 H2S對(duì)弱光脅迫下高羊茅幼苗內(nèi)源GA,ABA,H2S的影響

植物激素是由植物本身合成的極少數(shù)有機(jī)化合物，但它們對(duì)植物內(nèi)部營養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸和代謝具有重要影響[32]。當(dāng)植物遭受逆境脅迫時(shí)，其自身的代謝產(chǎn)物和生理調(diào)節(jié)物質(zhì)發(fā)生顯著變化。當(dāng)植物處于遮蔭脅迫下時(shí)，其內(nèi)源激素的含量也會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)植物的抗逆過程。本試驗(yàn)中，弱光脅迫使高羊茅幼苗的內(nèi)源激素H2S，GA，ABA濃度均增大；而通過施加H2S可以促進(jìn)內(nèi)源H2S和ABA的產(chǎn)生，抑制GA的產(chǎn)生。植物激素GA能夠促進(jìn)器官成熟，促進(jìn)生長發(fā)育并誘導(dǎo)營養(yǎng)素的轉(zhuǎn)運(yùn)，LL脅迫使得GA增大，原因可能是與弱光誘導(dǎo)高羊茅株高有所增加；ABA能誘導(dǎo)某些特定的酶的重新合成從而增加植物的抗性，也被稱為“脅迫激素”[33]，在植物遭受脅迫時(shí)，H2S作為氣體信號(hào)分子，在增強(qiáng)植物的許多功能中起著極其重要的作用[34]。弱光脅迫下ABA和H2S的顯著增加可能是植物對(duì)逆境時(shí)自身所做出的響應(yīng)。張彥潔等[33]研究表明對(duì)番茄種子或幼苗進(jìn)行外源H2S處理，增加葉片中的H2S含量，這與本試驗(yàn)結(jié)果一致。

植物體內(nèi)不同種類的植物激素的生理效應(yīng)有相互促進(jìn)或者拮抗的效果，植物激素對(duì)植物生長發(fā)育的調(diào)控結(jié)果往往是由多種植物激素綜合作用的[37]。本研究中，LS處理組的H2S和ABA均較其他處理組相比顯著增大，說明外源H2S的施加不僅極大地促進(jìn)了內(nèi)源H2S的增加，同時(shí)也促進(jìn)了ABA的顯著增加。H2S作為一種新型的氣體信號(hào)分子，其與ABA之間相互協(xié)同作用，共同賦予植物抗逆性[38]。然而，H2S提高抗氧化機(jī)制的分子機(jī)制人仍需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論