外源赤霉素對鹽脅迫下番茄種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

戴陶宇， 王前程， 張迎迎， 朱為民， 張 輝， 萬延慧

(1.上海師范大學(xué)生命與科學(xué)學(xué)院， 上海 201400;2.上海農(nóng)業(yè)科學(xué)院設(shè)施園藝研究所， 上海201403)

近年來，土壤鹽漬化問題不斷加重，成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要的非生物逆境脅迫之一，嚴(yán)重影響作物生長周期，減緩植物的生長發(fā)育，導(dǎo)致植物生長受阻[1]。眾多學(xué)者對如何提高鹽脅迫下植物的生長發(fā)育進(jìn)行了大量的研究，表明在植物完整的生活史中，種子萌發(fā)是植物生命起始的首要事件，是植物最早接受逆境脅迫信號的階段[2]，相較其他生長階段更容易受到逆境脅迫帶來的不利影響，因此，在種子萌發(fā)期進(jìn)行耐鹽性鑒定相對準(zhǔn)確。在鹽脅迫下，種子萌發(fā)受到內(nèi)部條件與外部環(huán)境的共同調(diào)控，其中植物激素是調(diào)控種子萌發(fā)最為重要的內(nèi)在因素[3]。為了適應(yīng)鹽脅迫，植物整合自身發(fā)育信號和鹽脅迫信號，平衡生長與對脅迫的響應(yīng)。

植物激素是一種化學(xué)物質(zhì)，不同的植物激素對調(diào)控種子萌發(fā)都有特定的影響。有研究表明，不同的植物激素在植物不同生長階段、組織或環(huán)境條件下發(fā)揮著不同的作用[4-6]。俞樂等[7]研究表明，采用脫落酸(ABA)溶液浸種對水稻種子萌發(fā)前期的抑制作用明顯。吳旺嬪等[8]研究表明,采用0.001 μmol/L 2,4-表油菜素內(nèi)酯(EBR)溶液浸種能夠提高水稻種子的發(fā)芽率，增強(qiáng)低溫耐受性。楊藝等[9]研究表明，茉莉酸(JA)和茉莉酸甲酯(MeJA)浸種能夠顯著緩解鹽脅迫對棉花種子的傷害，促進(jìn)棉花種子的萌發(fā)和幼苗生長。孫麗娜等[10]研究表明,采用2 mmol/L水楊酸(SA)處理可以提高鹽脅迫下的黃瓜種子發(fā)芽率。相比之下，對調(diào)節(jié)種子萌發(fā)的主導(dǎo)激素赤霉素的研究相對較少[11]。已知脫落酸(ABA)和赤霉素(GA3)是兩種拮抗調(diào)節(jié)種子休眠和萌發(fā)的主要激素[12]。內(nèi)源脫落酸(ABA)在種子成熟過程中大量積累，誘導(dǎo)和維持種子休眠，在萌發(fā)之前，通過吸脹和層積處理使種子中ABA含量下調(diào)，而GA3含量上調(diào)[13]，從而促進(jìn)種子萌發(fā)。GA3是一類促進(jìn)細(xì)胞分裂和伸長的化合物，在植物生長發(fā)育中起重要作用，其最顯著的生理效應(yīng)就是促進(jìn)植物生長[14]，外施GA3可以解除種子休眠，促進(jìn)萌發(fā)，但過度使用會(huì)影響種子正常生長[15]。有報(bào)道指出，GA3能夠顯著提高一定濃度鹽脅迫下大豆[16]、水稻[17]和玉米[18]等種子的萌發(fā)率，且效果顯著。

番茄(Solanumlycopersicum)作為我國主要的設(shè)施蔬菜，是栽培面積最廣的蔬菜作物之一，對鹽分較敏感。在設(shè)施栽培過程中，整個(gè)生長周期會(huì)經(jīng)常遭遇鹽分脅迫，從而導(dǎo)致番茄的生長、代謝和光合作用的能力受到明顯的抑制，最終造成番茄品質(zhì)變劣和大面積減產(chǎn)，嚴(yán)重阻礙了高效優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)效率。因此，如何有效地利用植物激素去解決土壤鹽漬化問題愈加受到重視。本實(shí)驗(yàn)通過外施GA3對鹽脅迫下的番茄種子和幼苗進(jìn)行處理，研究番茄種子萌發(fā)和幼苗生長的情況，為進(jìn)一步在鹽脅迫嚴(yán)重的設(shè)施土壤中生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的番茄品種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試種子來源

兩個(gè)供試番茄品種分別為SH 19-4和SH 19-6，均由上海農(nóng)業(yè)科學(xué)院設(shè)施園藝研究所提供。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1前期處理

挑選2個(gè)番茄品種的種子各3 000粒，用7%的次氯酸鈉對其進(jìn)行表面消毒處理10 min。然后用蒸餾水清洗2～3次，最后將種子浸泡在盛有蒸餾水的燒杯中，并置于25 ℃恒溫箱中，浸泡12 h[19]。

1.2.2處理設(shè)置

把每個(gè)品種的種子分為20組，每組50粒。分別放在鋪有兩層濾紙的培養(yǎng)皿中，并用蒸餾水、鹽溶液以及不同濃度的GA3處理(表1)，實(shí)驗(yàn)設(shè)置3個(gè)重復(fù)。將培養(yǎng)皿置于25 ℃的恒溫箱中培養(yǎng)(無光照)，每12 h換一次相應(yīng)的溶液，以番茄種子的芽長等于種子長度的一半為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)[19]，每24 h記錄發(fā)芽數(shù)。計(jì)算發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)，并測量根長。

表1 實(shí)驗(yàn)處理設(shè)置Table 1 Settings of experimental treatment

1.3 指標(biāo)測定

發(fā)芽率(%)=(壯苗種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%[16]；

發(fā)芽勢(%)=(第4天發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%[16]；

發(fā)芽指數(shù)=∑Gt/Dt，

式中：Gt為在發(fā)芽試驗(yàn)期內(nèi)每日的發(fā)芽種子個(gè)數(shù)；Dt為對應(yīng)的種子發(fā)芽日數(shù)[20]。

注：a為不同濃度鹽脅迫處理對SH 19-4發(fā)芽率的影響；b為不同濃度鹽脅迫處理對SH 19-6發(fā)芽率的影響；c為不同濃度GA3處理對SH 19-4發(fā)芽率的影響；d為不同濃度GA3處理對SH 19-6發(fā)芽率的影響。圖1 不同處理對不同番茄品種發(fā)芽率的影響Fig.1 Effects of different treatments on germination rate of different tomato varieties

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Spss 26.0軟件和Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，并用Origin 2017軟件進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度GA3的處理對鹽脅迫下番茄種子發(fā)芽率的影響

從圖1(a、b)可看出，鹽脅迫使供試品種種子發(fā)芽率降低，SH 19-4和SH 19-6的發(fā)芽率均呈下降趨勢。所有處理在25 mmol/L和50 mmol/L的NaCl處理下，種子在第72小時(shí)才開始萌發(fā)，在100 mmol/L的NaCl處理下，第120小時(shí)才開始萌發(fā)，種子萌發(fā)較對照明顯推遲，且在處理期間種子沒有達(dá)到完全萌發(fā)，發(fā)芽率低于對照(ck)，差異顯著(p<0.05)。還設(shè)置了濃度為200 mmol/L的NaCl處理，經(jīng)觀察種子在處理期間沒有任何萌發(fā)跡象，說明高濃度鹽脅迫(200 mmol/L)抑制了番茄種子的萌發(fā)。從圖1(c、d)可以看出，由GA3處理的種子發(fā)芽率均高于ck，且施用100 μmol/L的GA3后，在不同處理期內(nèi)，發(fā)芽率均達(dá)到最大值，然而當(dāng)外源GA3濃度增加到200 μmol/L時(shí)，種子發(fā)芽率突然下降，接近對照ck，無顯著性差異。

由圖2可以看出，在25 mmol/L、50 mmol/L和100 mmol/L NaCl處理下加入20～200 μmol/L的GA3，發(fā)芽率均呈先上升后下降的趨勢，當(dāng)GA3浸種濃度為100 μmol/L時(shí)，兩個(gè)番茄品種的發(fā)芽率在不同處理期均達(dá)到最大值，與各自ck處理差異顯著(p<0.05)。然而當(dāng)GA3浸種濃度升高至200 μmol/L時(shí)，發(fā)芽率逐漸下降，接近c(diǎn)k處理，表明當(dāng)GA3濃度過高，反而失去了促進(jìn)番茄種子發(fā)芽的作用。三種處理所得結(jié)果趨勢相一致，但不同的是在高濃度的鹽脅迫(100 mmol/L)處理下，種子于第96小時(shí)才開始萌發(fā)，加入GA3處理后發(fā)芽率都明顯提高，但在處理期間仍未完全萌發(fā)。

2.2 不同濃度的GA3處理對鹽脅迫下番茄種子發(fā)芽勢的影響

種子的發(fā)芽能力在脅迫條件下會(huì)發(fā)生變化，發(fā)芽勢是反映種子發(fā)芽能力的主要指標(biāo)之一[15]。由表2可以看出，在GA3處理下，SH 19-4和SH 19-6的發(fā)芽勢隨著GA3濃度的增加呈上升的趨勢，而在NaCl處理下，發(fā)芽勢與NaCl濃度的遞增呈負(fù)相關(guān)，其中在100 mmol/L的NaCl處理下，SH 19-4和SH 19-6發(fā)芽能力最弱，發(fā)芽勢與ck1相比分別降低了96%和95%，有顯著性差異(p<0.05)，在此濃度下，番茄的發(fā)芽進(jìn)程大幅度減慢，第120小時(shí)才開始萌發(fā)，明顯晚于其他處理。

表2 不同濃度GA3對鹽脅迫下番茄種子發(fā)芽勢的緩解效應(yīng)Table 2 Alleviating effect of different concentrations of gibberellin on tomato seed germination under salt stress

注：a為不同濃度GA3的處理對鹽脅迫(25 mmol/L)下SH 19-4發(fā)芽率的影響；b為不同濃度GA3處理對鹽脅迫(25 mmol/L)下SH 19-6發(fā)芽率的影響；c為不同濃度GA3處理對鹽脅迫(50 mmol/L)下SH 19-4發(fā)芽率的影響；d為不同濃度GA3處理對鹽脅迫(50 mmol/L)下SH 19-6發(fā)芽率的影響；e為不同濃度GA3處理對鹽脅迫(100 mmol/L)下SH 19-4發(fā)芽率的影響；f為不同濃度GA3處理對鹽脅迫(100 mmol/L)下SH 19-6發(fā)芽率的影響。圖2 不同濃度GA3對鹽脅迫下不同番茄品種發(fā)芽率的影響Fig.2 Effects of different concentrations of gibberellin on germination rate of different tomato varieties under salt stress

在25 mmol/L、50 mmol/L、100 mmol/L的鹽脅迫下分別加入20～200 μmol/L的外源GA3后，種子的發(fā)芽勢顯著高于鹽溶液處理組，但隨著GA3濃度的增加，發(fā)芽勢呈先上升后下降的趨勢。外源施加100 μmol/L GA3處理使得種子發(fā)芽勢顯著提升，達(dá)到最大值，在25 mmol/L NaCl處理下，SH 19-6與SH 19-4發(fā)芽勢與ck2相比分別增加了17%和7%，在50 mmol/L NaCl處理下，SH 19-6與SH 19-4發(fā)芽勢與ck3相比分別增加了12%和21%，在100 mmol/L NaCl處理下，SH 19-6與SH 19-4發(fā)芽勢與ck4相比分別增加了3%和5%，與其對照處理均有顯著性差異(p<0.05)，而加入200 μmol/L GA3處理下種子的發(fā)芽勢與100 μmol/L GA3處理下種子的發(fā)芽勢相比顯著降低，接近對照處理，與其對照無顯著性差異。

2.3 不同濃度的GA3處理對番茄種子發(fā)芽指數(shù)的影響

發(fā)芽指數(shù)是衡量種子發(fā)芽速度快慢的指標(biāo)[16]。由表3可以看出，隨著GA3濃度的增加，SH 19-4和SH 19-6的發(fā)芽指數(shù)呈上升趨勢，在100 mmol/L NaCl處理下發(fā)芽指數(shù)與ck1相比，分別下降了57.66%和52.69%，差異顯著(p<0.05)。在加入20～200 μmol/L的外源GA3后，其發(fā)芽指數(shù)呈先上升后下降的趨勢，SH 19-4和SH 19-6在施加100 μmol/L外源GA3處理后，種子發(fā)芽指數(shù)顯著提升，達(dá)到最大值，在25 mmol/L NaCl處理下，SH 19-6與SH 19-4發(fā)芽指數(shù)與ck2相比分別增加了6.84%和5.43%，在50 mmol/L NaCl處理下，SH 19-6與SH 19-4發(fā)芽指數(shù)與ck3相比分別增加了2.56%和5.24%，在100 mmol/L NaCl處理下，SH 19-6與SH 19-4發(fā)芽指數(shù)與ck4相比分別增加了5.54%和5.02%，與各自對照處理均有顯著性差異(p<0.05)，而加入200 μmol/L GA3的鹽脅迫下種子的發(fā)芽指數(shù)明顯降低，且接近對照處理，與各對照差異不顯著。

表3 不同濃度GA3對鹽脅迫下番茄種子發(fā)芽指數(shù)的緩解效應(yīng)Table 3 Alleviating effects of different concentrations of GA3on germination index of tomato seeds under salt stress

2.4 外源GA3對鹽脅迫下番茄根長的影響

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫不僅對番茄種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)有明顯抑制作用，還對根長有一定的影響。胚根的生長狀況是衡量鹽脅迫對種子萌發(fā)影響的指標(biāo)之一，由圖3 a可見，鹽脅迫下番茄種子幼苗根長隨鹽濃度的增加逐漸下降，番茄主胚根生長受到明顯抑制，表現(xiàn)為根長生長緩慢。由圖3 b可見，加入20～200 μmol/L GA3處理后，根長均有不同程度的提高，在25 mmol/L、50 mmol/L、100 mmol/L的鹽脅迫下加入100 μmol/L外源GA3,SH 19-4和SH 19-6的根長高于對照及其他處理，達(dá)到最大值，表現(xiàn)為生長速度加快，說明GA3對鹽脅迫下主胚根長生長有一定促進(jìn)作用。然而采用200 μmol/L GA3的處理幼苗表現(xiàn)出較弱的鹽脅迫緩解效應(yīng)，根長接近于對照，可見GA3濃度過高，失去了促進(jìn)番茄幼苗生長的作用。

注：a為不同處理對番茄品種根長的影響;b為不同濃度GA3處理對鹽脅迫處理下番茄根長的影響。圖3 不同處理對不同番茄品種根長的影響Fig.3 Effects of different treatments on root length of different tomato varieties

3 結(jié)果與討論

作物對土壤中的高鹽度比較敏感，鹽脅迫主要通過滲透脅迫離子特異效應(yīng)和氧化脅迫影響種子萌發(fā)，而且影響植物外部形態(tài)變化，內(nèi)部結(jié)構(gòu)建成及各種代謝過程[19]。繼而損害幼苗的生長，通常表現(xiàn)為：植株生長速度緩慢，莖稈矮小，葉片黃化甚至脫落，根系發(fā)育不良等多種方面，同時(shí)鹽脅迫還會(huì)降低GA3的活性，影響植物的正常生理代謝，進(jìn)而抑制植物生長[2]，因此，提高植物的耐鹽性，提高作物的產(chǎn)量和質(zhì)量至關(guān)重要。大量研究表明，不僅可以通過改變作物的生長環(huán)境來緩解鹽脅迫帶來的傷害，還可以施用適量的外源激素來提高作物的抗鹽能力，這也是改善田間生產(chǎn)性能的一條重要途徑。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者圍繞著植物激素對植物生長發(fā)育的影響開展了大量的研究，并且發(fā)現(xiàn)植物體內(nèi)各種激素的含量與耐鹽性存在特定的關(guān)系[21]。在鹽脅迫下施加外源激素可以顯著提高植物耐鹽性，從而緩解鹽脅迫帶來的傷害，促進(jìn)植物的生長[21]。劉拴成等[22]研究表明，外源添加100 mmol/L的吲哚乙酸和GA3可以促進(jìn)鹽脅迫下番茄種子的萌發(fā)，揭示了番茄萌發(fā)期的耐鹽生理特性， 對番茄的耐鹽育種研究具有重要意義。高添樂等[18]研究表明，噴施外源GA3對甜玉米幼苗所受鹽脅迫傷害有一定的緩解作用。本實(shí)驗(yàn)中，隨著鹽濃度的升高，發(fā)芽率、發(fā)芽勢以及發(fā)芽指數(shù)不斷下降，當(dāng)鹽濃度過高(200 μmol/L)時(shí)，超出了植物本身的降解毒素的能力，番茄種子完全不萌發(fā)，在不同濃度的GA3處理中，100 μmol/L是緩解番茄幼苗在不同鹽濃度梯度下最佳的濃度。說明在一定濃度范圍內(nèi)GA3能有效緩解鹽對番茄種子萌發(fā)和幼苗生長的逆境脅迫。但就GA3在鹽脅迫條件下如何調(diào)控番茄幼苗的代謝途徑，對番茄后期的生長是否有相同的緩解作用等問題，仍需要進(jìn)一步的研究。

綜上所述，以GA3處理的鹽脅迫下番茄種子萌發(fā)及幼苗根長生長速度的變化，為植物的耐鹽育種提供了新的理論指導(dǎo)和方法，當(dāng)番茄受到一定濃度的鹽脅迫從而影響到種子萌發(fā)及其幼苗生長時(shí)， 可以通過施加一定濃度的GA3以緩解鹽脅迫帶來的不利影響。本實(shí)驗(yàn)中GA3濃度為100 μmol/L時(shí)作用最佳，具體施用劑量應(yīng)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況而定。