不同細(xì)胞活性物質(zhì)對低溫下通草種子及幼苗的影響

龍正齡, 黃 剛, 付 燕, 歐陽開霞, 趙 云

(1.黔東南民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 貴州 凱里 556000; 2.黔東南生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心, 貴州 凱里 556000)

通草[Tetrapanaxpapyrifer( Hook) K.Koch]為五加科通脫木屬通脫木的干燥莖髓,是常用的傳統(tǒng)中藥[1],別名大通草、花草、離南、寇脫[2],自陜西到臺灣均有分布,具有清熱利尿,通氣下乳功效[3]。近年來,通草逐漸成為帶領(lǐng)農(nóng)村致富的鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)。通草在每年秋季需將地上部植株砍掉,第二年又會萌發(fā)新芽,為多年生常綠灌木或小喬木,種一次可以延續(xù)七、八年,由于其根系有較強的繁殖能力,數(shù)量也會越來越多,產(chǎn)量呈逐年上漲趨勢。在種植過程中,與其他中藥材相比,通草管理相對粗放,減輕了農(nóng)戶的種植工時。在生產(chǎn)中,可采用種子進(jìn)行播種育苗,但通草種子的發(fā)芽率不高。在貴州播種育苗時容易遭受早春低溫的影響,因此提高通草種子對低溫的抗性非常重要。

硝普鈉(Sodium nitroprusside,SNP)是NO的供體,作為一種信號分子,在逆境脅迫中起到重要的信號調(diào)節(jié)作用[4]。在植物遭受非生物脅迫時,可快速合成大量滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),同時增強抗氧化系統(tǒng),減輕非生物脅迫的傷害[5-6];海藻糖(Trehalose,TH)是一種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),具有保護(hù)細(xì)胞內(nèi)活性物質(zhì)、調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓,維持細(xì)胞器完整性的作用[7];赤霉素(Gibberellic acid,GA3)是一種植物生長調(diào)節(jié)劑,可以調(diào)控植物生長發(fā)育[8],能改善種子的萌發(fā)和幼苗生長狀況,緩解鹽脅迫對番茄、玉米種子及幼苗生長的傷害[9-10];種子引發(fā)是通過提高發(fā)芽率和出苗整齊度來提高種子的萌發(fā)表現(xiàn),從而使幼苗更好地發(fā)育[11],同時還促進(jìn)了與非生物脅迫相關(guān)的特定防御機制[11]。

本試驗從信號分子、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和植物生長調(diào)節(jié)劑等3個方面,采用不同細(xì)胞活性物質(zhì)引發(fā)通草種子,測定種子在常溫及低溫條件下的萌發(fā)特性及幼苗生長情況,探索不同細(xì)胞活性物質(zhì)引發(fā)對通草種子抗性的影響,選擇能提高種子萌發(fā)及幼苗生長特性的方法,為通草種苗繁育提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材 料

試驗材料為五加科通脫木通草種子,由貴州福盛天弘生態(tài)有限公司提供。

1.2 種子引發(fā)處理

硝普鈉(SNP)溶液設(shè)置50,100,200 μmol/L 3個濃度分別用A1、A2、A3表示,海藻糖(TH)溶液設(shè)置5,10,15 mol/L 3個濃度分別用B1、B2、B3表示,赤霉素(GA3)溶液設(shè)置50,100,200 μmol/L 3個濃度分別用C1、C2、C3表示。未引發(fā)的干種子記為對照1(ck1),蒸餾水引發(fā)記為對照2(ck2)。通草種子以0.5% NaClO 消毒5 min 后,用蒸餾水漂洗干凈,置于不同濃度的SNP、TH、GA3溶液中,在26 ℃黑暗條件下引發(fā)12 h。引發(fā)結(jié)束后,用蒸餾水快速沖洗種子,吸干表面水分,自然條件下晾干,備用。

1.3 種子萌發(fā)實驗

參照Khampheng等[12]的方法稍作修改。將上述SNP、TH、GA3引發(fā)的種子、未引發(fā)的干種子(ck1)及蒸餾水引發(fā)的種子(ck2)分別置于下鋪一層海綿、上墊兩張濾紙的直徑為9 cm的培養(yǎng)皿中,每個培養(yǎng)皿均勻播種100粒種子,設(shè)置3個平行重復(fù),每個重復(fù)100粒種子,加蓋培養(yǎng),發(fā)芽期間用蒸餾水保持濾紙濕潤。常溫條件設(shè)置夜溫22 ℃、晝溫28 ℃,低溫條件設(shè)置夜溫13 ℃、晝溫20 ℃,置于空氣相對濕度為75%的人工氣候箱中,每天光照13 h培養(yǎng),每天記錄發(fā)芽種子數(shù)。常溫條件下發(fā)芽勢(GE)和發(fā)芽率(GP)的統(tǒng)計時間分別為第13天和第18天;低溫條件下發(fā)芽勢(GE)和發(fā)芽率(GP)的統(tǒng)計時間分別為第21天和第23天。以子葉開始展開、胚根發(fā)育正常為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 種子各項萌發(fā)指標(biāo)計算

上述各項指標(biāo)種子萌發(fā)實驗結(jié)束后,統(tǒng)計種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和平均發(fā)芽時間。發(fā)芽指數(shù)(GI)和平均發(fā)芽時間(MGT)計算公式如下:

GI=∑(Gt/Dt);

MGT=∑(Gt×Dt)/∑Gt,式中:Gt為第t天的發(fā)芽種子數(shù),Dt為發(fā)芽日數(shù)[13]。

1.5 幼苗素質(zhì)測定

發(fā)芽結(jié)束后(第30天)收集幼苗,用自來水沖洗干凈并用濾紙吸干表面殘余水分,測定其根長、苗高及干、鮮重。每個處理隨機選取5株,用直尺測量其根長和苗高;每個處理稱其鮮重,然后將幼苗在105 ℃殺青后在68 ℃的烘箱中烘烤24 h,稱其干重。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同細(xì)胞活性物質(zhì)引發(fā)對通草種子萌發(fā)的影響

統(tǒng)計在常溫條件下和低溫條件下,不同細(xì)胞活性物質(zhì)引發(fā)對通草種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和平均發(fā)芽時間的影響。

2.1.1不同細(xì)胞活性物質(zhì)引發(fā)對常溫條件下通草種子萌發(fā)的影響

從表1可以看出,在常溫條件下,與對照(ck1和ck2)相比,各濃度SNP、TH、GA3引發(fā)的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和平均發(fā)芽時間差異不明顯,但總體上高濃度引發(fā)(200 μmol/L SNP、15 mol/L TH、200 μmol/L GA3)的發(fā)芽時間均有所縮短。其中50 μmol/L SNP處理的發(fā)芽勢最高,比ck1和ck2提高了約61%和26%;15 mol/L TH處理的發(fā)芽勢最高,比ck1和ck2提高了約39%和3%;200 μmol/L SNP處理的發(fā)芽指數(shù)最高,比ck1和ck2提高了約41%和6%;200 μmol/L GA3處理的平均發(fā)芽時間最短,比ck1和ck2縮短了0.27 d和0.28 d。

表1 不同細(xì)胞活性物質(zhì)引發(fā)對常溫條件下通草種子發(fā)芽特性的影響

2.1.2不同細(xì)胞活性物質(zhì)引發(fā)對低溫脅迫下通草種子萌發(fā)的影響

如表2所示,在夜溫13 ℃,晝溫20 ℃的低溫條件下,與ck1相比,200 μmol/L SNP引發(fā)明顯提高了發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù),縮短了平均發(fā)芽時間,其次是ck2,也提高了通草種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)。除此之外,200 μmol/L GA3也在一定程度上提高了種子的發(fā)芽勢。其中經(jīng)200 μmol/L SNP引發(fā)的種子其發(fā)芽勢比ck1和ck2分別提高了86%和55%,發(fā)芽率提高了41%和32%,發(fā)芽指數(shù)提高了46%和12%,平均發(fā)芽時間也縮短了約0.64 d和0.25 d(表2)。而其他處理與ck1相比,不及干種子的萌發(fā)情況。從濃度來看,每種細(xì)胞活性物質(zhì)引發(fā)都是高濃度的引發(fā)效果相對較好,而低濃度不能改善在低溫脅迫下通草種子的萌發(fā)情況。

表2 不同細(xì)胞活性物質(zhì)對低溫脅迫下通草種子萌發(fā)的影響

對比表1和表2可以看出,在常溫條件下,通草種子的發(fā)芽勢約在10%,發(fā)芽率在20%左右,發(fā)芽指數(shù)在1.5左右,平均發(fā)芽時間約為14 d。而在低溫脅迫下,通草種子發(fā)芽勢僅為5%左右,發(fā)芽率降低至10%,發(fā)芽指數(shù)大多降低到0.4左右,平均發(fā)芽時間也延長至21 d左右?？梢姷蜏仫@著降低了通草種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù),延長了種子的發(fā)芽時間。

進(jìn)一步對各處理高濃度引發(fā)(200 μmol/L SNP、15 mol/L TH、200 μmol/L GA3)及ck1、ck2種子的發(fā)芽動態(tài)進(jìn)一步監(jiān)測的結(jié)果表明,與ck1相比,200 μmol/L SNP和ck2引發(fā)處理使種子在低溫脅迫下的發(fā)芽勢有顯著提高,發(fā)芽時間明顯縮短。這些結(jié)果表明,適合濃度的SNP引發(fā)能顯著提高低溫脅迫下通草種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù),縮短發(fā)芽時間,種子活力增強,顯示出較強的抗冷性(圖1)。

圖1 高濃度不同細(xì)胞活性物質(zhì)引發(fā)通草種子在低溫脅迫下的發(fā)芽日變化曲線

2.2 不同細(xì)胞活性物質(zhì)引發(fā)對常溫和低溫脅迫下通草幼苗素質(zhì)的影響

為了進(jìn)一步研究不同細(xì)胞活性物質(zhì)引發(fā)在常溫和低溫脅迫下對通草幼苗生長的影響,調(diào)查了通草幼苗根長、苗高、鮮重、干重等4項生長指標(biāo)。結(jié)果表明,與常溫條件下的各指標(biāo)相比,低溫明顯降低了通草幼苗的干鮮重、縮短了幼苗的根長和苗高(圖2和圖3)。

圖2 在常溫和低溫脅迫下不同細(xì)胞活性物質(zhì)引發(fā)對通草幼苗根長(A)和苗高(B)的影響

圖3 在常溫和低溫脅迫下不同細(xì)胞活性物質(zhì)引發(fā)對通草幼苗鮮重(A)和干重(B)的影響

在常溫條件下,以50 μmol/L GA3處理的根長最長,比ck1和ck2提高了62%和23%。200 μmol/LGA3處理的苗高最高,比ck1和ck2提高了21%和18%,明顯高于ck1和ck2及其他處理(圖2),說明適合濃度的GA3有促進(jìn)通草幼苗根莖伸長生長的作用。在常溫條件下各細(xì)胞活性物質(zhì)引發(fā)的幼苗鮮重和干重與對照(ck1和ck2)相比均無明顯優(yōu)勢,但50 μmol/L GA3、200 μmol/L SNP、10 mol/L TH和200 μmol/L GA3引發(fā)的鮮重高于ck1和ck2,各濃度GA3引發(fā)的干重及200 μmol/L SNP引發(fā)的干重高于ck1和ck2(圖3 B)。

在低溫脅迫下,SNP引發(fā)各處理濃度的根長都高于ck1和ck2,其中200 μmol/L SNP處理的根長比ck1和ck2分別提高了約30%和23%,其次是100 μmol/L GA3。而各濃度的TH處理的根長在低溫脅迫下都比較低,其中高濃度15 mol/L TH處理的根長最低。在苗高方面,以200 μmol/L SNP引發(fā)的苗高最高,比ck1和ck2提高了約37%和35%,而低濃度GA3和SNP處理的苗高較低,15 mol/L TH處理的苗高也最低。在鮮重方面,200 μmol/L SNP、10 μmol/L TH、200 μmol/L GA3和100 μmol/L GA3引發(fā)的鮮重均高于ck1和ck2及其他處理,其中200 μmol/L SNP引發(fā)的效果最好,比ck1和ck2提高了約32%和25%(圖2),但未達(dá)到顯著水平。而低濃度TH、SNP和GA3引發(fā)的效果較差。在干重方面,200 μmol/L SNP和100 μmol/L GA3引發(fā)處理的干重和ck1和ck2相比雖沒有明顯優(yōu)勢,但仍高于其他各濃度處理,其中中高濃度處理較好,而低濃度TH、SNP和GA3引發(fā)處理效果較差。

綜合比較根長、苗高、干重、鮮重等4項幼苗生長指標(biāo),以200 μmol/L SNP引發(fā)處理的效果最好,不論在常溫還是低溫條件下都有較長的根長、苗高、干鮮重,說明經(jīng)200 μmol/L SNP引發(fā)的通草幼苗對低溫脅迫有較強的抗性,能獲得較好的幼苗素質(zhì)。其次是GA3引發(fā)能提高幼苗的根長與苗高,而TH引發(fā)的效果最不理想。

綜合上述,種子萌發(fā)及幼苗生長的各項指標(biāo)分析表明,適宜的SNP引發(fā)能明顯提高通草的種子活力,改善在低溫脅迫下種子的萌發(fā)情況,對幼苗根長、苗高以及干鮮重也有不同程度的提高作用。而GA3和TH處理,與ck1和ck2相比,效果不是很明顯。從總體效果來看,以200 μmol/L SNP引發(fā)的通草種子及幼苗綜合素質(zhì)相對較高,在低溫脅迫下仍有較強的耐受性。

3 討 論

本研究結(jié)果表明,適合濃度的SNP引發(fā)能提高通草種子在低溫脅迫下的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù),縮短種子發(fā)芽時間(表1、表2),提高通草幼苗根長、苗高及干鮮重(圖2、圖3),提高通草種子及幼苗的抗冷性。

通過綜合比較分析可知,與TH和GA3相比,高濃度的SNP引發(fā)能改善通草種子在低溫脅迫下種子發(fā)萌發(fā)特性和幼苗的生長情況。可能是由于SNP作為NO的供體,在低溫條件下,能作為信號分子進(jìn)行一系列的植物生理調(diào)控,并且其時效性相對較長。推測在低溫脅迫時,外源一氧化氮(NO)供體硝普鈉(SNP)能作為信號分子,調(diào)節(jié)一系列的生化反應(yīng),如提高淀粉酶等活性,提高可溶性糖含量和游離氨基酸含量,為低溫脅迫下種子的萌發(fā)及幼苗的生長提供了物質(zhì)來源。同時,提高抗氧化系統(tǒng)的酶活性來增強種子及幼苗的抗低溫能力,從而提高種子及幼苗在低溫脅迫下的抗性[9]。

而TH作為一種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),可能其時效性相對較短,隨著低溫脅迫時間的延長,導(dǎo)致其固有的對稱性穩(wěn)定結(jié)構(gòu)遭到破壞,其效果逐漸衰退,使其抗冷性在后期表現(xiàn)不明顯。GA3作為植物生長調(diào)節(jié)劑,能增加通草苗期的幼苗根長和苗高,提高幼苗的綜合素質(zhì),使得通草在低溫脅迫下仍能保持較強的抗性。而chen等[14]發(fā)現(xiàn),種子引發(fā)或回干對種子來講都引起了脂質(zhì)過氧化,對種子本身也是一種傷害,所以造成有些引發(fā)處理的效果不及干種子。

綜上所述,200 μmol/L SNP引發(fā)的通草種子及幼苗綜合素質(zhì)相對較高,在低溫脅迫下仍有較強的耐受性,能提高低溫脅迫下通草種子的萌發(fā)情況和幼苗素質(zhì)。