外源MeJA和BR對番茄種子萌發(fā)及幼根生長的影響

舒思晨，王 娟，王柏柯，高 杰，余慶輝

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000； 2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝作物研究所，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

番茄(SolanumlycopersicumL.)是重要的果蔬作物，也是試驗研究的經(jīng)典模式植物之一。大多數(shù)番茄品種種子的發(fā)芽勢較高，但仍有許多性狀優(yōu)良的番茄品種因制種或其他原因?qū)е路N子活力低下，從而降低種子萌發(fā)率。采用外源激素處理種子不僅可打破種子休眠，而且可以提高番茄種子活力，是一種簡易、有效提高番茄種子萌發(fā)率的方式[1]。在種子萌發(fā)過程中，MeJA和BR對打破種子休眠和抑制種子萌發(fā)等具有重要作用[2]。

試驗表明，MeJA在2.5 mM時對水稻(Oryzasativa)種子萌發(fā)率和活力均有所提高[3]。同樣，MeJA還能提高玫瑰(Rosarugosa)種子的發(fā)芽率和幼苗生長[4]。但也有研究表明，MeJA對幾種作物和擬南芥(Arabidopsisthaliana)的種子發(fā)芽有抑制作用，并且在不定根發(fā)育方面起負調(diào)控作用[5-8]。BR在植物中廣泛存在，作用于植物生長發(fā)育過程。有研究表明，BR通過抑制脫落酸(abscisic acid，ABA)信號通路，提高種子萌發(fā)率，同時BR還能夠通過自身的信號傳導(dǎo)途徑或通過胚的生長來促進種子萌發(fā)和生長[9]。馬曉莉[10]對賴草[Leymussecalinus(Georgi)Tzvel.]研究發(fā)現(xiàn)，BR還可提高種子淀粉含量，從而提高種子萌發(fā)。同樣，以小麥(Triticumaestivum)、大豆(GlycinemaxL.)或水稻(Oryzasativa)為材料，BR還能夠影響其根生長量[11-13]。

從現(xiàn)有的報道可以看出，有關(guān)外源MeJA和BR對影響番茄種子萌發(fā)方面的研究甚少，因此，本研究以‘新紅49’番茄種子為研究材料，探討外源激素處理對種子萌發(fā)的影響，為提高番茄種子萌發(fā)率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 種子挑選與消毒

挑取顆粒飽滿且大小一致的‘新紅49’種子若干，置于蒸餾水中靜置3 h后，經(jīng)75%乙醇搖晃1 min，然后用25%的次氯酸鈉(NaClO)溶液浸泡振蕩15 min進行消毒處理，隨后用無菌水沖洗5～6次。

1.2 種子萌發(fā)試驗

將消毒后的種子無菌播種在1/2 MS培養(yǎng)基(培養(yǎng)基中添加不同濃度的植物激素，pH值調(diào)至5.8)，以1/2 MS培養(yǎng)基為對照(CK)，MeJA設(shè)置5×10-2、5×10-3、5×10-4、5×10-5、5×10-6、5×10-7μmol/L的6個濃度；BR設(shè)置1×10-1、1×10-2、1×10-3、1×10-4、1×10-5、1×10-6μmol/L的6個濃度。每處理3個重復(fù)，每重復(fù)60粒種子，于28 ℃恒溫培養(yǎng)箱中暗培養(yǎng)。

1.3 生根培養(yǎng)

從種子萌發(fā)的研究結(jié)果中篩選出4個對萌發(fā)具有促進效果的MeJA和BR的濃度進行根長和芽長的研究。以1/2 MS培養(yǎng)基為對照(CK)，MeJA設(shè)置濃度為5×10-3、5×10-4、5×10-5、5×10-6μmol/L 4個梯度；BR設(shè)置為1×10-3、1×10-4、1×10-5、1×10-6μmol/L 4個濃度。試驗方法同種子萌發(fā)，最后將培養(yǎng)皿豎直放置。培養(yǎng)7 d，即可觀察測量。用刻度尺測定根長和芽長，每個處理測量15粒番茄種子。

1.4 MeJA和BR混合下種子萌發(fā)和生長

從種子萌發(fā)研究結(jié)果中選出兩個對種子萌發(fā)最適宜的MeJA和BR濃度，設(shè)置4個濃度組合，分別為：5×10-4μmol/L MeJA、1×10-3μmol/L BR；5×10-4μmol/L MeJA、1×10-4μmol/L BR；5×10-5μmol/L MeJA、1×10-3μmol/L BR；5×10-5μmol/L MeJA、1×10-4μmol/L BR，以1/2 MS為對照(CK)。其他方法同種子萌發(fā)和生根培養(yǎng)，測定種子萌發(fā)和根長情況。

1.5 測定項目與方法

1.5.1 生物量及發(fā)芽指標測定

從番茄種子發(fā)芽之日起，每天觀察并記錄發(fā)芽種子數(shù)直到發(fā)芽數(shù)恒定。其中，發(fā)芽標準是胚根伸長到種子長度的一半視為發(fā)芽，計入發(fā)芽數(shù)，試驗結(jié)束后計算種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)。

發(fā)芽率Gr(%)=發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù)×100%

發(fā)芽勢(%)=(發(fā)芽第3天內(nèi)種子發(fā)芽數(shù)/供試種子總數(shù))×100%

發(fā)芽指數(shù)指種子發(fā)芽過程中每日發(fā)芽種子數(shù)除以發(fā)芽種子經(jīng)歷的發(fā)芽時間所得到的商的總和，即

Gi=∑Gt/Dt(第t天的發(fā)芽數(shù)/發(fā)芽試驗延續(xù)的時間)

1.5.2 根系形態(tài)指標測定

芽長的測量以芽尖部到生長點的長度為準；而根長的測定以主根長度為準。

1.6 數(shù)據(jù)處理

每個樣品進行3次生物學(xué)重復(fù)，利用Microsoft Excel 2017、SPSS 17.0軟件進行數(shù)據(jù)分析；采用軟件Graphad prism 8.0(Graphpad Software，San Diego，USA)作圖分析，并進行單因素方差分析(One-way ANOVA)和雙因素方差分析(Two-way ANOVA)；通過多重比較分析差異顯著性(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度MeJA處理對種子萌發(fā)和根長的影響

2.1.1 MeJA處理對種子萌發(fā)的影響

植物生命中最重要的階段是種子萌發(fā)，它以水分吸收開始，以胚軸從種皮延伸結(jié)束。該研究分析了不同濃度MeJA浸種后種子的萌發(fā)情況，結(jié)果如表1和圖1所示。隨著MeJA濃度的升高，發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)總體呈先增后降的趨勢。首先隨著MeJA濃度的不斷增加，種子發(fā)芽率逐漸升高，當(dāng)MeJA濃度為5×10-5μmol/L時種子發(fā)芽率最高；濃度大于5×10-5μmol/L時種子發(fā)芽率開始逐漸降低，當(dāng)MeJA濃度為5×10-2μmol/L時明顯抑制種子萌發(fā)。該試驗結(jié)果表明，適宜濃度的MeJA浸種處理能有效提高種子的萌發(fā)，過低或過高濃度MeJA處理則對番茄種子萌發(fā)有抑制作用。

注：不同小寫字母表示同天數(shù)不同濃度處理之間差異顯著圖1 MeJA對番茄種子發(fā)芽率的影響Fig.1 Effect of MeJA on germination rate of tomato seeds

表1 MeJA對番茄種子萌發(fā)指標的影響Tab.1 Effect of MeJA on germination index of tomato seeds

2.1.2 MeJA處理對種子根伸長量的影響

單因素方差分析顯示，隨著MeJA濃度的增加，根和芽的生長量呈現(xiàn)降低的趨勢。其中當(dāng)MeJA濃度達到5×10-3μmol/L時對根和芽伸長具有明顯的抑制作用，而其他濃度的處理與對照差異不明顯(圖2)。結(jié)果表明，高濃度MeJA對根長和芽長都有明顯的抑制作用。

注：不同小寫字母表示不同MeJA濃度之間差異顯著(P<0.05)圖2 MeJA對番茄種子根長和芽長的影響Fig.2 Effects of MeJA on root length and shoot length of tomato seeds

2.2 不同濃度BR處理對種子萌發(fā)和根長的影響

2.2.1 BR處理對種子萌發(fā)的影響

不同濃度BR處理對種子萌發(fā)的影響不同。隨著BR處理濃度的增加，種子發(fā)芽率呈先升后降的趨勢，當(dāng)BR濃度為1×10-5μmol/L時種子發(fā)芽率最高。在BR處理的第3天時，試驗組之間無顯著性差異，但是均高于對照組；在BR處理的第4天和第5天時，濃度為1×10-5～1×10-1μmol/L的BR處理后的種子發(fā)芽率沒有顯著影響，但濃度為1×10-6μmol/L的BR處理時，對于種子萌發(fā)具有顯著抑制作用(圖3)。該結(jié)果表明，低濃度的BR處理對種子萌發(fā)具有抑制作用，但高濃度時抑制作用消失。

不同濃度BR處理下的種子發(fā)芽勢均高于對照，1×10-3和1×10-4μmol/L濃度處理的種子發(fā)芽勢最高。方差分析結(jié)果顯示，處理與對照之間，發(fā)芽指數(shù)無顯著差異(表2)。

注：不同小寫字母表示同天數(shù)不同濃度處理之間差異顯著圖3 BR對番茄種子發(fā)芽率的影響Fig.3 Effect of BR on germination rate of tomato seeds

表2 BR對番茄種子萌發(fā)指標的影響Tab.2 Effect of BR on germination index of tomato seeds

2.2.2 BR處理對種子根生長量的影響

不同濃度激素處理對番茄地上部分和地下部分的影響不同。由圖4可知，隨著BR濃度的增加，根長呈現(xiàn)先升后降的趨勢，1×10-5μmol·L-1的BR處理對根長的促進效果最為顯著。高濃度的BR(1×10-4～1×10-3μmol/L)對根長和芽長均具有抑制作用，其中1×10-3μmol/L的BR對根長和芽長的抑制作用最為顯著。以上結(jié)果表明低濃度的BR能有效促進番茄種子根和芽的生長，濃度過高則對番茄種子根和芽的生長有抑制作用。

注：不同小寫字母表示不同BR濃度之間差異顯著(P<0.05)圖4 BR對番茄種子根長和芽長的影響Fig.4 Effects of BR on root length and shoot length of tomato seeds

2.3 BR和MeJA對番茄種子萌發(fā)和根長的影響

2.3.1 BR和MeJA混合對種子萌發(fā)的影響

為進一步分析BR在種子萌發(fā)方面與MeJA的互作關(guān)系，分別用不同濃度的BR和MeJA混合浸種，比較兩種溶液對種子萌發(fā)的影響，結(jié)果如圖5和表3所示。其中，CK、T1、T2、T3、T4分別表示MeJA和BR濃度為0 μmol/L，5×10-4μmol/L MeJA、1×10-3μmol/L BR，5×10-4μmol/L MeJA、1×10-4μmol/L BR，5×10-5μmol/L MeJA、1×10-3μmol/L BR，5×10-5μmol/L MeJA、1×10-4μmol/L BR，下同。從圖5可知，當(dāng)用不同濃度MeJA和BR處理種子，5×10-4μmol/L MeJA和1×10-4μmol/L BR混合處理對番茄種子萌發(fā)促進效果最為顯著，在此濃度下，與對照相比，在第3天時，種子發(fā)芽率提高了8.89%，在第4天時，發(fā)芽率提高了11.67%，提高了種子的整體萌發(fā)狀態(tài)；5×10-5μmol/L MeJA和1×10-3μmol/L BR處理下對種子萌發(fā)具有抑制作用，但抑制作用不顯著。

注：不同小寫字母表示同天數(shù)不同濃度處理之間差異顯著(P<0.05)圖5 MeJA和BR對番茄種子發(fā)芽率的影響Fig.5 Effects of MeJA and BR on germination rate of tomato seeds

從表3可以看出，發(fā)芽指數(shù)總體與對照相比是呈先升后降的趨勢，在5×10-5μmol/L MeJA和1×10-3μmol/L BR混合處理下，促進效果最為明顯，但與對照無明顯差異，發(fā)芽勢達到峰值時，MeJA和BR濃度分別為5×10-4和1×10-4μmol/L。

表3 MeJA和BR對番茄種子萌發(fā)指標的影響Tab.3 MeJA and BR effects on germination index of tomato seeds

2.3.2 BR和MeJA混合對種子根生長量的影響

不同激素濃度處理對根生長量的影響不同。相較于對照組，低濃度MeJA(5×10-5μmol/L)和高濃度BR(1×10-3μmol/L)混合處理對根長具有明顯的促進作用，但其他3個混合濃度對種子的根和芽的生長卻有不同程度的抑制作用，其中，5×10-4μmol/L MeJA和1×10-3μmol/L BR混合后處理對其抑制作用最顯著(圖6)，由此可知，高濃度激素抑制種子根和芽的伸長生長。

注：不同小寫字母表示不同MeJA和BR濃度之間差異顯著(P<0.05)圖6 MeJA和BR混合對番茄種子萌發(fā)后根長和芽長的影響Fig.6 Effects of MeJA and BR on root length and shoot length of tomato seeds

3 討論

3.1 MeJA浸種對種子萌發(fā)和生長的影響

種子質(zhì)量可用發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)等指標來衡量。種子的發(fā)芽率越高，其出苗率也越高；種子發(fā)芽勢越高，其發(fā)芽速度越快；發(fā)芽指數(shù)反映種子發(fā)芽的一致性，其數(shù)值越高，種苗的一致性越好[14]。不同植物最適宜MeJA處理濃度有所不同，如當(dāng)MeJA濃度在5×10-9～5×10-6μmol/L時，能夠促進水稻種子萌發(fā)和幼苗生長[15]。何偉偉等[16]發(fā)現(xiàn)在玉米籽粒發(fā)芽率和芽長達到最大值時，MeJA濃度為0.5 μmol/L。本研究結(jié)果表明，5×10-5μmol/L MeJA處理種子萌發(fā)達到峰值。較低濃度的MeJA浸種處理能有效促進種子的萌發(fā)，這可能與低濃度的MeJA能顯著提高種子中可溶性糖的含量，增強α-淀粉酶的活性有關(guān)[17]。本研究表明，過高濃度茉莉酸甲酯處理則對番茄種子萌發(fā)有抑制作用，這與張華等[18]的研究結(jié)果一致。

根長與芽長是種子萌發(fā)過程中反映幼苗生長的關(guān)鍵指標之一，低濃度MeJA浸種使玉米、小黑麥的主根長呈增加趨勢，這與本研究結(jié)果基本一致，即隨著MeJA濃度的增加，番茄種子根和芽的生長量均呈現(xiàn)降低趨勢，且抑制作用隨濃度的增加而增加，這可能與MeJA含量的增加提高了細胞中可溶性過氧化物酶的活性有關(guān)，可溶性過氧化物酶具有抑制細胞伸長活性的作用，從而抑制了植物根的生長[17，19-20]。

3.2 BR浸種對種子萌發(fā)和生長的影響

發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)反映了種子的萌發(fā)程度和整齊度。紀秀娥等[21]研究發(fā)現(xiàn)，BR處理存在劑量效應(yīng)，即低濃度的BR對小麥、玉米種子的萌發(fā)起促進作用；高濃度BR對小麥、玉米種子萌發(fā)的促進作用減弱，并呈現(xiàn)抑制趨勢。結(jié)合本研究結(jié)果來看：適宜濃度(1×10-5μmol/L)的BR處理能夠有效促進番茄種子的萌發(fā)，提高其發(fā)芽率、發(fā)芽勢及發(fā)芽指數(shù)，種子能夠在較短的時間內(nèi)達到萌發(fā)高峰，且一致性較好；濃度過低(1×10-6μmol/L)，對于種子萌發(fā)也具有抑制作用，但不存在高濃度抑制的現(xiàn)象，與冉夢蓮等[22]得出的結(jié)論基本一致，推測其可能主要與α-淀粉酶活性有關(guān)。

王國杰等[23]用一定濃度的BR對菜玉米種子做浸種處理，結(jié)果表明，BR處理可以明顯提高菜玉米根系總根長。國內(nèi)外許多研究表明，天然油菜素內(nèi)酯對香蕉、黃瓜、油松、側(cè)柏、刺槐、沙棘、檸條和紫穗槐種子發(fā)芽和下胚軸伸長均有促進作用[24]。而本研究表明，隨著BR濃度的增加，根長和芽長都呈現(xiàn)先升后降的趨勢，較高濃度的BR對根長和芽長均具有抑制作用，但由于兩者對BR濃度響應(yīng)的不同，對根長有明顯促進效果的BR濃度對芽長的促進效果不顯著，推測可能與BR調(diào)控根尖分生區(qū)有關(guān)。

3.3 MeJA和BR浸種對種子萌發(fā)和生長的影響

MeJA與BR的互作大多集中在植物抗逆研究方面。周洲[25]進行了橄欖葉葉面施用MeJA和2，4-表油菜素內(nèi)酯(2，4-Epibrassinolide)對其抗凍性方面的研究。張弦等[26]報道了MeJA和BR對蘋果葉片光合生理的抑制機制。本研究中通過MeJA和BR混合處理研究對番茄種子萌發(fā)的影響，發(fā)現(xiàn)5×10-4μmol/L的MeJA和1×10-4μmol/L的BR混合處理后，對種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢促進效果最為明顯，當(dāng)?shù)蜐舛萂eJA和高濃度BR混合時(5×10-4μmol/L MeJA和1×10-3μmol/L BR)，抑制了種子萌發(fā)，由此推測，兩者混合中，BR起主要作用。有研究表明，外源BR和MeJA在緩解干旱脅迫中，與MeJA相比，BR在抗旱性方面發(fā)揮了更有效的作用，與本研究結(jié)果相似[27]。

對于兩者混合對根的影響，本試驗發(fā)現(xiàn)低濃度MeJA和BR混合后對根長和芽長具有明顯促進作用。李曉丹等[28]試驗表明，MeJA與BR具有協(xié)同作用，但兩者混合是否在根和芽中相互影響，及其如何影響種子萌發(fā)還有待進一步研究。

4 結(jié)論

為了解外源激素對種子萌發(fā)的作用，使用不同濃度的MeJA和BR處理番茄種子，結(jié)果表明，MeJA濃度為5×10-5μmol/L、BR濃度為1×10-5μmol/L時，對番茄種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢的促進效果最為顯著。根長和芽長研究表明，MeJA處理與對照相比基本為抑制作用，雖然5×10-6μmol/L處理對于根長有所促進，但與對照無明顯差異；而1×10-5μmol/L的BR處理對根長和芽長均具有顯著促進作用。MeJA和BR混合在種子萌發(fā)階段的研究表明，5×10-4μmol/L MeJA和1×10-4μmol/L BR處理，種子萌發(fā)達到峰值，但此濃度對根和芽的伸長卻具有抑制作用。根據(jù)以上研究結(jié)果可知，同一激素在不同的組織中具有不同的作用。