外源激素對干旱脅迫下歐洲纈草種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

霍可以 羅充 高潔靜 張金霞 莫遠琪 張浩 譚金玉

關鍵詞：纈草；外源激素；干旱脅迫；種子萌發(fā)；生理特性

纈草（Valeriana officinalis L．）為敗醬科（Vale-rianaceae）纈草屬（Valeriana）多年生草本植物，因其含有多種活性成分而具有安神、祛風濕及抗抑郁等功效，可用于治療失眠、跌打損傷等病癥，其提取物及制劑已被廣泛使用。此外，纈草根莖含有揮發(fā)性纈草油成分，可作為名貴的天然食用香精。當前，我國利用的野生纈草資源主要分布在西南及東北地區(qū)。然而，自然狀態(tài)下纈草瘦果發(fā)芽率較低，播種時間難于控制，其種子繁殖未能得到大規(guī)模推廣。此外，隨著旅游業(yè)開發(fā)、環(huán)境破壞及過度采挖，野生資源急劇下降、日益枯竭，不能滿足生產需求。且已有的纈草研究主要集中在其活性成分提取、組織培養(yǎng)快繁、無菌苗和不定根繁殖等方面，鮮有種子萌發(fā)和幼苗生長的研究報道。

種子萌發(fā)和成苗期是植物生長周期中極易受到環(huán)境因素影響的關鍵時期，對外界環(huán)境十分敏感。外源生長物質能夠誘導種子內部貯藏物質的分解和合成，通過信號傳導對種子內各種生理變化做出反應，調節(jié)一系列蛋白質、酶的代謝，是調控種子休眠和萌發(fā)的重要因子之一。吲哚丁酸（IBA）作為一種生長素信號分子，可通過促進細胞分裂形成新根，促進種子胚根發(fā)育，加速種子萌發(fā)。而脫落酸（ABA）是調控種子休眠和萌發(fā)過程的最重要植物激素，對種胚貯藏蛋白質的合成起到調控作用，具有誘導和維持種子休眠、調控種子萌發(fā)及幼苗生長發(fā)育的作用。

當前，由于全球氣候變暖，干旱已經成為制約植物正常生長的關鍵因素之一。干旱脅迫下，外源生長物質能夠通過影響滲透調節(jié)物質、增加抗氧化酶活性等方式來維持植物的正常生長發(fā)育。歐洲纈草在種子萌發(fā)和幼苗生長階段對干旱脅迫更為敏感，對其進行干旱脅迫模擬試驗及外源物質緩解干旱脅迫的影響是深入分析其拮抗干旱脅迫能力的有效手段。為此，本試驗以吲哚丁酸（IBA）、脫落酸（ABA）為供試外源生長物質，研究兩者浸種對干旱脅迫下歐洲纈草種子萌發(fā)和幼苗生長期滲透調節(jié)物質含量、抗氧化酶活性的影響，以期為提高歐洲纈草種子的抗旱性提供科學依據和技術指導。

1材料與方法

1.1試驗材料

試驗于2021年在貴州師范大學生命科學學院植物生理實驗室進行。歐洲纈草（Valeriana officinalis L）種子由貴州省農業(yè)科學院農作物品種資源研究所提供。吲哚丁酸（ IBA）、脫落酸（ABA）、PEG-6000均購于北京伊諾凱試劑公司。

1.2試驗設計

1.2.1種子萌發(fā)試驗

設置5個不同濃度（0、5、10、50、100、200mg/L）IBA和ABA處理。分別選取飽滿種子，經0.5%次氯酸鈉溶液滅菌后用蒸餾水反復沖洗，再置于不同處理溶液中浸泡24h，取出后再用蒸餾水清洗數次，用濾紙吸干表面水分，放人墊有4層濾紙的發(fā)芽盒中，移至恒溫培養(yǎng)箱內發(fā)芽。發(fā)芽條件：光暗比12h/12h，溫度25℃。每處理100粒種子，重復3次，蒸餾水處理作對照。

1.2.2干旱脅迫試驗將清洗好的種子（清洗方法同1.2.1）50粒置于鋪設4層濾紙并含有不同濃度（0、10%、15%、20%和25%）PEG- 6000溶液的發(fā)芽盒中，移至恒溫培養(yǎng)箱內發(fā)芽（發(fā)芽條件同1.2.1）。參照宋瑞嬌等的方法，以胚根與種子等長、胚芽達到種子長1/2為發(fā)芽標準，統(tǒng)計發(fā)芽率，并據此確定種子萌發(fā)的半致死干旱脅迫濃度。

1.2.3添加外源激素的干旱脅迫試驗試驗以蒸餾水為對照1（CKI）、半致死干旱（PEG-6000）脅迫濃度為對照2（CK2），設置2個試驗處理即半致死干旱脅迫濃度PEG-6000+最佳濃度IBA（簡稱IBA處理）和半致死干旱脅迫濃度PEG-6000+最佳濃度ABA（簡稱ABA處理）。各處理均選取50粒種子放到發(fā)芽盒中，置于培養(yǎng)箱內培養(yǎng)（條件同1.2.1）。每處理重復3次。

1.3測定指標及方法

1.3.1種子萌發(fā)各指標測定方法、計算公式如下：

萌發(fā)時滯：從發(fā)芽試驗開始到第一粒種子萌發(fā)所需的日寸間：

發(fā)芽勢（%）=第5天正常發(fā)芽粒數／供試種子粒數×100;

發(fā)芽率（%）=第11天正常發(fā)芽粒數／供試種子數×100;

發(fā)芽指數（GI）=∑（Gt/Dt），式中Gt為總的發(fā)芽粒數，Dt為相應的發(fā)芽時間（d）；

活力指數=GIxS，式中S為第11天平均根長：

胚芽長和胚根長：第11天用直尺測量，精度0.05mm;

幼苗干重：發(fā)芽第11天取幼苗放在80℃恒溫箱中烘干24h后用電子天平稱重。

1.3.2幼苗生理指標測定

發(fā)芽試驗結束后第5、10、20天取各處理幼苗相同部位葉片進行相關指標檢測，重復3次。參照Gao等的方法，SOD、POD、CAT活性和MDA含量采用索萊寶生物科技有限公司試劑盒進行測定。參照Li等的方法，可溶性糖含量用蒽酮比色法測定，可溶性蛋白含量用考馬斯亮藍G-250法測定，脯氨酸含量用酸性茚三酮顯色法測定。

1.4數據處理與分析

所有數據用Microsoft Excel進行整理與作圖，用SPSS 26.0軟件進行單因素（One-way ANO-VA）方差分析，采用Duncan's法進行顯著性檢驗和多重比較。

2結果與分析

2.1不同濃度IBA和ABA對歐洲纈草種子萌發(fā)的影響

隨著IBA濃度增加，歐洲纈草種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數、活力指數、胚根長、胚芽長、幼苗干重呈負相關變化趨勢（表1）。5mg/LIBA促進效果最好，與對照相比，發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數、活力指數分別提高175.98%、204.76%、148.16%、328.02%（ P<0.05），胚根長、胚芽長、幼苗干重與對照相比分別提高108.43%、42.45%、34.72%（P<0.05），萌發(fā)時滯與對照相比縮短2天（P<0.05）。IBA濃度增加到200mg/L則顯著抑制種子萌發(fā)，各項指標均顯著低于對照。表明，低濃度IBA促進歐洲纈草種子萌發(fā)，高濃度則對種子萌發(fā)具有顯著抑制作用。

由表2可以看出，除萌發(fā)時滯、胚芽長外，隨著ABA濃度增加歐洲纈草種子的其它測定指標均呈現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢。當ABA濃度從5mg/L增加到100mg/L時，種子萌發(fā)效率與濃度呈正相關。ABA濃度為100mg/L時效果最佳，其發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數、活力指數、胚根長、幼苗干重與對照相比分別增加90.89%、134.05%、100.59%、275.25%、164.84%、34.83% （P<0.05），其中活力指數增幅最大，幼苗干重增幅最小，說明ABA對種子活力的影響最大：萌發(fā)時滯與對照相比縮短1.97天（P<0.05）；胚芽長與對照差異不顯著。ABA濃度增加到200mg/L，除胚芽長較100mg/L ABA處理增加外，以上其它測定指標值均下降，說明100mg/LABA浸種對歐洲纈草種子萌發(fā)有顯著促進作用。

2.2干旱脅迫對歐洲纈草種子萌發(fā)的影響

圖1顯示，歐洲纈草種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數均隨著PEG-6000濃度增加而下降。脅迫濃度達到10%時，種子萌發(fā)受到顯著抑制：濃度為20%時，發(fā)芽率約為對照的50%．達到半致死狀態(tài)：濃度增加到25%后，種子發(fā)芽率下降到2%，萌發(fā)進程受到嚴重抑制。參照宋瑞嬌等的研究方法，本試驗選取20%PEG-6000作為半致死干旱脅迫濃度，以此對歐洲纈草種子進行干旱脅迫處理。

2.3IBA和ABA對干旱脅迫下歐洲纈草幼苗生長發(fā)育的影響

由圖2A可見，20%PEG-6000處理（CK2）歐洲纈草種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數與CK1（蒸餾水）相比，均下降約50%（P<0.05），外源添加5mg/LIBA和100mg/LABA其發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數與CK1相比，IBA處理分別提高100.5%、200.0%、157.5%（P<0.05），ABA處理分別提高99.2%、157.9%、108.3%（ P<0.05）。

由圖2B可見，CK2胚根長與CK1相比，降低24.7%（P<0.05），而IBA和ABA處理胚根長與CK1相比，分別增加35.6%、25.3%（P<0.05）。CK2單株地上部鮮重、干重和根鮮重、干重與CK1相比，分別降低28.3%、33.2%和31.5%、18.8%（P<0.05）。IBA、ABA處理與CKI相比，單株地上部鮮重分別增加17.5%（P<0.05）和8.3%（P>0.05），單株地上部干重分別增加28.4%、20.7%（P<0.05），而單株根鮮重和根干重與CKI相當。與CK2相比，IBA和ABA處理，除根干重外，其胚根長、地上部鮮重干重、根鮮重均顯著提高（P<0.05）。說明干旱脅迫抑制歐洲纈草幼苗生長，且對地上部的抑制作用更顯著，而外源添加IBA和ABA顯著提高植物的抗旱能力，IBA對植物抗旱能力的提升較ABA更強。

2.4IBA和ABA對干旱脅迫下歐洲纈草種子萌發(fā)過程中滲透調節(jié)物質含量的影響

可溶性糖和可溶性蛋白是植物細胞調節(jié)滲透勢的主要物質，其含量多少會影響植物生長及其抗逆性。圖3顯示，隨著脅迫時間延長，歐洲纈草幼苗可溶性糖、可溶性蛋白和游離脯氨酸含量逐漸增加。與CK2（干旱脅迫）相比，同時長CK1（蒸餾水）提高歐洲纈草幼苗可溶性糖含量，大多顯著提高可溶性蛋白和游離脯氨酸含量。與CK1相比，干旱脅迫下外源添加IBA和ABA，可顯著提高幼苗可溶性糖、可溶性蛋白和游離脯氨酸含量（圖3A～C）。第20天時，與CK2相比，IBA處理此三種物質含量分別提高28.0%、61.9%和18.4%，ABA處理分別提高15.1%、57.1%和12.8%，且可溶性蛋白和游離脯氨酸含量增幅達到顯著水平。

與CK1相比，同時長CK2歐洲纈草MDA含量顯著提高，說明干旱脅迫后膜脂過氧化程度大大提高。添加IBA和ABA后，MDA含量與CK2相比顯著降低，其中IBA和ABA處理第5天時分別較CK2降低49.9%和36.9%：隨著脅迫時間延長，MDA含量相對平穩(wěn)（圖3D）。

綜上所述，外源添加IBA和ABA能夠通過提高歐洲纈草種子體內可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸含量和降低MDA含量來拮抗干旱脅迫作用。

2.5干旱脅迫下IBA和ABA對歐洲纈草幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

SOD、POD、CAT是植物細胞中與活性氧代謝相關的關鍵酶，其活性與植物的抗旱性息息相關。由圖4可知，隨著脅迫時間延長，不同處理歐洲纈草幼苗葉片SOD、POD、CAT活性整體呈現(xiàn)不斷升高趨勢。與CKI（蒸餾水）相比，除5天時SOD活性外，其它時長CK2（干旱脅迫）增加歐洲纈草幼苗SOD、POD、CAT活性。干旱脅迫下，外源添加IBA和ABA能夠顯著提高歐洲纈草幼苗SOD、POD、CAT活性。其中，第20天時，與CK1相比，IBA處理葉片SOD、POD、CAT活性分別提高116.3%、84.0%、43.7%（P<0.05），ABA處理三種酶活性分別增加104.2%、77.2%、24.6%（P<0.05）。干旱脅迫下，IBA處理比ABA提高三種抗氧化酶活性的幅度更大，表明添加IBA能更好地通過提高歐洲纈草幼苗SOD、POD、CAT活性來增強其抗旱性，使歐洲纈草逐漸度過干旱脅迫而恢復正常生長。

3討論

3.1外源IBA和ABA對歐洲纈草種子萌發(fā)的影響

種子萌發(fā)是植物開始生長發(fā)育的第一個重要而復雜的生理階段，也是影響植物生命周期的關鍵環(huán)節(jié)。種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數是評價種子萌發(fā)效率的重要指標。本研究表明，5mg/LIBA處理歐洲纈草種子萌發(fā)效果最佳，與對照相比，種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數分別提高204.76%、175.98%和148.16%（P<0.05）。不同植物種子的IBA最佳處理濃度差異較大：屈成等研究指出，10mg/LIBA處理對水稻中嘉早17種子萌發(fā)和幼苗生長發(fā)育的促進作用最為明顯，發(fā)芽勢和發(fā)芽率明顯高于對照，而王文俊等研究顯示250%mg/LIBA處理能達到促進催吐蘿芙木種子萌發(fā)的作用。

本試驗中，用5～100mg/LABA處理歐洲纈草種子，其促進萌發(fā)的作用逐漸增強，而濃度至200mg/L時促進作用減弱，以100mg/LABA處理效果最好。這與趙垚等報道的適宜濃度ABA處理能提高白及種子萌發(fā)效率的結果一致，與張翔等報道的用10mg/LABA處理水稻種子對其萌發(fā)具有促進作用、50～90mg/LABA對種子萌發(fā)具有明顯抑制作用的變化趨勢亦一致。不同外源生長物質對種子萌發(fā)的影響不同。種子萌發(fā)和休眠是一個復雜的生理過程，受到諸如種子采收時期、貯藏條件、遺傳因素、萌發(fā)環(huán)境等因素影響。不同外源生長物質的處理濃度、溫度、時間都會影響到種子萌發(fā)，后續(xù)研究需要考慮處理溫度、時間等因素對其最適萌發(fā)條件進行綜合篩選。

3.2外源IBA和ABA對干旱脅迫下歐洲纈草幼苗生理特性的影響

水分是植物生長的關鍵因子，干旱對植物種子萌發(fā)與幼苗生長發(fā)育有顯著影響。植物遇到干旱脅迫時，為了減少水分流失，會通過體內積累各種有機或無機物質來提高細胞液濃度、降低滲透勢及維持細胞膨壓，其中可溶性糖、可溶性蛋白和游離脯氨酸便是重要的滲透調節(jié)物質。本研究表明，在20%PEG-6000脅迫（CK2）下，歐洲纈草種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數均顯著下降，萌發(fā)受到嚴重抑制，且對地上部的抑制作用更顯著，這與楊利艷等的研究結果一致。外源添加5mg/L IBA和100mg/LABA，其可溶性糖、可溶性蛋白和游離脯氨酸含量與CK2相比顯著提高，歐洲纈草的抗旱性增強，這與郝格格、陳娟等報道的研究結果一致。

此外，干旱脅迫下，植物體內還會產生過量的活性氧和自由基從而損傷細胞，導致膜脂過氧化。MDA是細胞膜脂過氧化作用的最終分解產物，其含量高低能代表膜脂過氧化程度高低與抗旱性強弱。同時，植物細胞還會啟動抵御活性氧傷害的抗氧化酶系統(tǒng)，通過提高保護酶（SOD、POD、CAT）活性來清除過量的活性氧和自由基，從而減少其對細胞的損傷，增強植物抗旱性。本研究中，CK2與CK1相比，歐洲纈草MDA含量顯著上升，而外源添加5mg/LIBA和100mg/LABA后，MDA含量顯著下降，且SOD、POD、CAT活性顯著升高，與劉洋、岳凱等的研究結果一致。這進一步說明歐洲纈草通過提高體內保護酶活性來使MDA含量下降，從而保護其抵御干旱脅迫。

4結論

本研究中，5mg/LIBA和100mg/LABA處理可顯著促進歐洲纈草種子萌發(fā)，提高其發(fā)芽率。20%PEG-6000脅迫可對歐洲纈草種子萌發(fā)造成較大程度抑制，可作為歐洲纈草種子干旱脅迫的半致死濃度。外源添加5mg/LIBA和100mg/LABA可顯著改善半致死濃度干旱脅迫下歐洲纈草種子的萌發(fā)效率，提高種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數等指標。適宜濃度的IBA和ABA能增加干旱脅迫下歐洲纈草葉片的可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸含量，并通過調節(jié)細胞和組織的水勢平衡來增強歐洲纈草抵御干旱脅迫的能力：還可提高體內保護酶SOD、POD、CAT活性，及時清除體內過量的活性氧和自由基，降低MDA含量，進而緩解干旱脅迫對歐洲纈草種子造成的氧化傷害。