外源褪黑素對(duì)NaCl脅迫下草莓幼苗生理特性的緩解效應(yīng)

馬媛媛,李 剛,何 旺,趙寶龍,魯倩君,陳麗靚,劉 迎

(1.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院/特色果蔬栽培生理與種質(zhì)資源利用兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆石河子 832000;2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院鄭州果樹研究所,鄭州 450009;3.重慶市黔江區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)服務(wù)中心,重慶 400000)

0 引 言

【研究意義】草莓(Fragaria×ananassaDuch.)屬薔薇科草莓屬,多年生常綠草本植物,具有易繁殖、株體小、周期短、成熟早和效益高等特點(diǎn)[1],很多國家的小漿果類生產(chǎn)當(dāng)中,草莓產(chǎn)量和栽培面積均處于重要位置[2]。日照時(shí)間長、晝夜溫差大等優(yōu)越的環(huán)境條件,使草莓成為新疆特色產(chǎn)業(yè)的組成部分[3]。新疆是全國最大的鹽漬土壤分布地區(qū)[4],尤其是南疆地區(qū),其氣候干燥,土壤鹽堿化嚴(yán)重[5],草莓根系又比較淺,屬于鹽敏感性植物[6]。緩解草莓鹽害的方法較多,利用外源物質(zhì)提高植物耐鹽性是近幾年的研究熱點(diǎn)。通過外源物質(zhì)來緩解草莓鹽脅迫還比較薄弱。研究外源褪黑素對(duì)Nacl脅迫下草莓幼苗生理特性的緩解效應(yīng),對(duì)找出褪黑素緩解草莓Nacl脅迫的最適濃度有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】褪黑素(Melatonin,MT)屬于吲哚雜環(huán)類化合物,是一種普遍存在于植物體內(nèi)的生長調(diào)節(jié)物質(zhì),能夠調(diào)節(jié)植物對(duì)多種非生物脅迫的抗性,在植物中具有廣泛的生理作用,如清除活性氧自由基、保護(hù)組織細(xì)胞、提高抗氧化酶活性等[7-8]。褪黑素能夠緩解逆境脅迫對(duì)植物的影響,已在干旱[9]、高溫[10]、弱光[11]和鹽脅迫[12]等多種非生物脅迫中被證實(shí),提高植物的抗氧化酶活性,改善光合作用,增強(qiáng)質(zhì)膜透性等[13]。偶春等[14]對(duì)NaCl脅迫下的香椿外源施加不同濃度的褪黑素,發(fā)現(xiàn)有效緩解鹽脅迫造成的傷害,其中100 μmol/L的褪黑素處理效果為最佳。此外,褪黑素還在苦蕎[18]、金盞菊[19]、芹菜[20]和紅花[21]等多種植物中施用,發(fā)現(xiàn)對(duì)鹽脅迫下植物的緩解效果顯著?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前關(guān)于褪黑素在草莓采后品質(zhì)[22]、果實(shí)保鮮效果[23]、黑斑病[24]等多種應(yīng)用上有報(bào)道,但是關(guān)于NaCl脅迫后施加褪黑素的研究相對(duì)較少。需研究外源褪黑素對(duì)NaCl脅迫下草莓幼苗生理特性的緩解效應(yīng)。【擬解決的關(guān)鍵問題】試驗(yàn)以草莓品種甜查理為材料,研究NaCl脅迫下草莓幼苗的生長指標(biāo)、光合色素含量、光合特性、葉綠素?zé)晒夂涂寡趸富钚?分析褪黑素對(duì)鹽脅迫下的草莓幼苗緩解機(jī)理,為減輕草莓幼苗鹽脅迫傷害提供理論依據(jù)和新的技術(shù)途徑。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)選用草莓品種甜查理,選取5～6片葉,長勢均勻健壯的植株,移栽到裝有20 L的營養(yǎng)液的水培盒(80×50×30) cm中,每盒放入15株,共10盒,在石河子大學(xué)園藝試驗(yàn)站溫室進(jìn)行培養(yǎng)。使用霍格蘭營養(yǎng)液(電導(dǎo)率為1.2 mS/cm),每5 d更換1次營養(yǎng)液,24 h通氣。草莓幼苗生長到7～8片真葉后開始處理。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

5 g/L的NaCl作為鹽脅迫處理的濃度,在同一天對(duì)草莓植株進(jìn)行處理,為避免褪黑素見光分解,選擇傍晚時(shí)間,葉片正反面噴灑均勻(記作0 d),以藥液附于葉面但不下滴為標(biāo)準(zhǔn),噴施蒸餾水為對(duì)照。在處理的第3、6、9 d取樣測定生長指標(biāo)、光合色素含量、光合特性、葉綠素?zé)晒馓匦院涂寡趸富钚浴２杉娜~片經(jīng)過液氮處理,放入-80℃超低溫冰箱,待3次葉片采集完成測定。表1

表1 草莓幼苗的不同MT濃度組合

1.2.2 測定指標(biāo)

1.2.2.1 株高、莖粗與鮮重

(1)株高:使用直尺從近地面到自然生長的最高處測量。(2)莖粗:使用游標(biāo)卡尺從近地面到第一片葉的莖中段測量。(3)鮮重:將整個(gè)植株放于電子秤測量。

1.2.2.2 光合色素含量

葉片光合色素含量測定參考植物生理學(xué)試驗(yàn)指導(dǎo)[25]。

1.2.2.3 光合特性

采用開放式氣體交換Li-6400便攜式光合儀對(duì)草莓幼苗自上至下第2～4片完全展開的功能葉片進(jìn)行Pn和Ci的測定。

1.2.2.4 熒光指標(biāo)

在測量日上午對(duì)草莓葉片遮光30 min后,選取從上到下的第2～4片完全展開的功能葉片,采用M-PEA(植物效率儀)測定,獲取葉片初始熒光(F0)、最大熒光(Fm)。

1.2.2.5 抗氧化酶

采用愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶活性;采用氮藍(lán)四唑還原法測定超氧化物歧化酶活性;根據(jù)H2O2的分解速度來測定過氧化氫酶的活性;采用紫外分光光度法測定抗壞血酸過氧化物酶活性[26-27]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)均重復(fù)3次以上,采用WPS 2020和SPSS 18.0軟件統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),顯著水平選定在0.05,采用OriginPro 7.5制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源褪黑素對(duì)NaCl脅迫下草莓幼苗生長指標(biāo)的影響

研究表明,與對(duì)照相比,NaCl和褪黑素處理第3 d草莓幼苗的株高和鮮重?zé)o顯著差異,莖粗存在顯著差異,處理第6和9 d,株高、莖粗和鮮重顯著降低,第9 d差異達(dá)到最大。外源施加不同濃度的褪黑素后,草莓幼苗的株高、莖粗和鮮重與NaCl處理相比有所提高,150 μmol/L的濃度在處理第9 d,分別增加23.75%、37.97%和18.87%。NaCl處理顯著抑制了草莓幼苗的生長,外源噴施不同濃度的褪黑素能夠有效緩解NaCl脅迫對(duì)草莓帶來的傷害,150 μmol/L的濃度處理效果最佳。表2

表2 NaCl脅迫及不同濃度外源褪黑素下草莓幼苗的株高、莖粗和鮮重變化

2.2 外源褪黑素對(duì)NaCl脅迫下草莓幼苗葉片光合色素含量的影響

研究表明,與對(duì)照相比,NaCl處理后草莓幼苗葉片的Chla、Chlb、總?cè)~綠素和Car含量呈現(xiàn)下降的趨勢,處理的第9 d降幅最大,分別下降36.80%、48.50%、44.06%和39.98%。與NaCl相比,不同濃度的褪黑素處理后,顯著提高整個(gè)時(shí)期草莓幼苗葉片的Chla、Chlb、總?cè)~綠素和Car含量,其中50 μmol/L濃度的上升幅度較小,處理后第9 d分別上升10.25%、32.48%、15.43%和20.82%,150 μmol/L的上升幅度最大,分別為37.95%、75.93%、46.83%和41.22%。在NaCl脅迫下,草莓幼苗葉片光合色素含量下降,合成受阻,外源施加不同濃度的褪黑素均可以有效緩解,150 μmol/L濃度處理效果為最佳。圖1

圖1 NaCl脅迫及不同濃度外源褪黑素下草莓幼苗葉片光合色素含量變化

2.3 外源褪黑素對(duì)NaCl脅迫下草莓幼苗葉片光合參數(shù)的影響

研究表明,與對(duì)照相比,NaCl脅迫顯著降低了整個(gè)處理時(shí)期的凈光合速率(Pn),處理第3、6和9 d分別降低49.05%、54.36%和60.43%。外源施加不同濃度褪黑素均可提高整個(gè)處理時(shí)期的Pn,處理后第3 d,上升幅度達(dá)到最大,與NaCl脅迫相比,50、100、150和200 μmol/L濃度處理下的凈光合速率分別提高50.56%、59.24%、73.47%和59.51%,其中150 μmol/L的濃度的處理效果為最佳,50和200 μmol/L的濃度差異較小。

與對(duì)照相比,NaCl脅迫顯著降低整個(gè)處理時(shí)期的胞間CO2濃度(Ci),處理第9 d下降37.31%,降幅為最大。外源施加不同濃度褪黑素顯著提高第3和6 d的Ci。與NaCl脅迫相比,50 μmol/L濃度處理下的Ci在第9 d沒有達(dá)到顯著水平,100、150和200 μmol/L濃度的處理達(dá)到顯著水平,分別提高8.72%、26.47%和17.17%,其中150 μmol/L的濃度表現(xiàn)效果最佳,200 μmol/L的濃度表現(xiàn)效果次之。圖2

圖2 NaCl脅迫及不同濃度外源褪黑素下草莓幼苗葉片凈光合速率和胞間CO2濃度變化

2.4 外源褪黑素對(duì)NaCl脅迫下草莓幼苗葉片熒光參數(shù)的影響

研究表明,與對(duì)照相比,NaCl脅迫顯著降低整個(gè)處理時(shí)期的最大熒光(Fm),處理第3、6和9 d分別降低13.74%、21.36%和37.29%。外源施加不同濃度外源褪黑素可以提高整個(gè)處理時(shí)期Fm,150和200 μmol/L濃度在處理第3和6 d達(dá)到顯著水平。與NaCl脅迫相比,50、100、150和200 μmol/L濃度的處理分別提高15.48%、26.01%、46.72%和35.08%,其中150和200 μmol/L的濃度表現(xiàn)效果較好。

與對(duì)照相比,NaCl脅迫下提高整個(gè)處理時(shí)期的初始熒光(F0),第9 d達(dá)到最高值,上升52.90%。外源施加不同濃度的褪黑素,顯著降低F0的上升速度,其中150 μmol/L表現(xiàn)效果最佳,處理第3、6和9 d與NaCl脅迫相比分別降低18.18%、19.86%和27.66%。圖3

圖3 NaCl脅迫及不同外源亞精胺下草莓幼苗葉片最大熒光和初始熒光變化

2.5 外源褪黑素對(duì)NaCl脅迫下草莓幼苗抗氧化酶活性的影響

研究表明,與對(duì)照相比,草莓幼苗葉片的過氧化物酶活性(POD)在NaCl脅迫第3 d稍有下降,第6和9 d則顯著升高,分別提高6.05%和25.34%。與NaCl脅迫相比,外源施加不同濃度褪黑素均可以提高整個(gè)處理時(shí)期草莓幼苗葉片的POD活性,50、100、150和200 μmol/L的濃度分別上升39.28%、62.38%、48.34%和49.18%。表現(xiàn)效果最佳的為100 μmol/L的濃度,150和200 μmol/L濃度的效果次之。

與對(duì)照相比,NaCl脅迫可以提高草莓幼苗葉片的超氧化物歧化酶(SOD)活性,在處理第6和9 d達(dá)到顯著水平,分別提高26.67%和11.53%。與NaCl脅迫后相比,外源施加不同濃度褪黑素顯著提高整個(gè)處理時(shí)期SOD活性,呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢,處理第6 d達(dá)到最高值,50、100、150和200 μmol/L濃度的處理分別提高10.25%、7.04%、32.91%和13.87%,其中150 μmol/L濃度的處理表現(xiàn)效果最佳。

與對(duì)照相比,NaCl脅迫顯著提高處理第3和6 d的草莓幼苗葉片過氧化氫酶(CAT)活性,第9 d開始下降。與NaCl脅迫相比,外源施加不同濃度褪黑素顯著提高整個(gè)處理時(shí)期CAT活性,第3 d達(dá)到峰值,50、100、150和200 μmol/L濃度的處理分別提高21.70%、40.80%、71.50%和51.73%,處理第6和9 d呈現(xiàn)出下降的趨勢,其中150 μmol/L的褪黑素濃度表現(xiàn)效果為最佳。

與CK相比,NaCl脅迫后,提高草莓幼苗葉片抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性,處理第3、6和9 d分別上升3.73%、22.93%和15.29%。與NaCl脅迫相比,外源施加不同濃度褪黑素顯著提高整個(gè)處理時(shí)期的APX活性,呈現(xiàn)出先上升后下降趨勢,處理第6 d達(dá)到峰值,50、100、150和200 μmol/L的濃度分別提高了5.27%、12.61%、33.94%和17.93%。150 μmol/L的褪黑素濃度表現(xiàn)效果最佳,200 和100 μmol/L次之。圖4

圖4 NaCl脅迫及不同濃度外源褪黑素下POD、SOD、CAT和APX活性變化

2.6 外源褪黑素對(duì)NaCl脅迫下草莓的緩解能力的綜合評(píng)價(jià)

研究表明,2個(gè)主成分初始特征值大于1,第1主成分貢獻(xiàn)率為67.304%,第2主成分貢獻(xiàn)率為28.712%,累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了96.016%,提取前2個(gè)主成分作為綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)依據(jù)。

根據(jù)成分矩陣計(jì)算出主成分得分系數(shù),計(jì)算2個(gè)主成分的得分。表3

表3 主成分分析成分荷載矩陣

Y1=0.331X1+0.335X2+0.337X3+0.324X4+0.333X5+0.337X6+0.335X7+0.316X8-0.286X9-0.15X10-0.09X11-0.041X12-0.096X13.

Y2=-0.013X1+0.041X2-0.024X3+0.148X4+0.054X5-0.039X6-0.022X7+0.184X8-0.234X9+0.423X10+0.463X11+0.480X12+0.508X13.

Y=2.958Y1+1.932Y2.

式中,Y1和Y2代表主成分1和2的得分,Y為綜合得分,X1～X13分別代表株高、莖粗、單株重、Chla+b、Car、Pn、Ci、Fm、F0、POD、SOD、CAT、APX。

各處理綜合評(píng)價(jià)由高到低排名依次為CK>T3>T4>T2>T1>T0。表4

表4 不同濃度褪黑素主成分值及排序

3 討 論

3.1鹽脅迫往往會(huì)抑制植物的生長和發(fā)育[28],試驗(yàn)研究表明,5 g/L NaCl處理第6和9 d,顯著降低了草莓幼苗的株高、莖粗和鮮重,植株的生長受到了明顯的抑制。外源施加褪黑素,顯著緩解NaCl脅迫對(duì)草莓幼苗的危害,其中150 μmol/L濃度處理效果最佳,與王麗英[26]在黃瓜、范海霞[27]在金盞菊上的研究結(jié)果一致?？赡苁且?yàn)橥屎谒啬軌蛘{(diào)節(jié)細(xì)胞壁延伸從而誘導(dǎo)植物根系生長,在逆境中具有較強(qiáng)的根系吸收能力,達(dá)到促進(jìn)植株生長的目的[29-31]。此外,褪黑素促進(jìn)NaCl脅迫下草莓幼苗的生長,可能與提高植株葉片光合效率有關(guān)[32],在試驗(yàn)中,對(duì)草莓幼苗光合研究也得到了驗(yàn)證。

3.2鹽脅迫可以加速葉綠素的降解、降低葉綠體對(duì)光能的吸收以及破壞類囊體膜的穩(wěn)定性,從而影響光能在兩個(gè)光系統(tǒng)之間的合理分配,降低光合速率[33]。褪黑素作為抗氧化劑,可以在植物體內(nèi)自身合成,也可以通過外源施加的方法達(dá)到緩解逆境脅迫的作用[34]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),NaCl脅迫下草莓幼苗葉片的Chl a、Chl b、總?cè)~綠素和Car含量顯著降低,外源施加不同濃度的褪黑素可以使脅迫下葉片色素含量有不同程度的提高,噴施褪黑素第3和6 d緩解效果比較好,第9 d效果逐漸減弱,可以說明在短時(shí)間內(nèi),褪黑素緩解NaCl脅迫效果較好,其中150 μmol/L的濃度效果為最佳。與韓國民[35]在5BB葡萄砧木葉片上,趙麗娟[36]在紫花苜蓿上施用褪黑素研究結(jié)果保持一致。因?yàn)樵贜aCl脅迫下,施用外源褪黑素可能會(huì)抑制葉綠素降解酶活性增強(qiáng),也有可能促進(jìn)參與葉綠素合成的δ氨基乙酰丙酸原和葉綠素酸酯還原酶復(fù)合體的合成,從而達(dá)到提高葉綠素含量的目的[37]。

3.3試驗(yàn)結(jié)果表明,在NaCl脅迫下,草莓幼苗的凈光合速率和胞間CO2濃度顯著降低,外源施加褪黑素后顯著升高。與李陽[38]在棉花幼苗的研究結(jié)果保持一致,因?yàn)橥屎谒乜梢蕴岣吖夂厦傅幕钚?保護(hù)光合機(jī)構(gòu),從而減輕NaCl脅迫對(duì)光和特性的不良影響,達(dá)到緩解NaCl脅迫下草莓幼苗光合的目的。

3.4葉綠素?zé)晒馓匦允茄芯恐参锕夂献饔门c環(huán)境作用的關(guān)鍵[39]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在NaCl脅迫下,F0隨著時(shí)間的延長,呈現(xiàn)出增加的趨勢,Fm呈現(xiàn)下降的趨勢。與周家旭[40]的研究結(jié)果基本一致,F0值越高,表明光系統(tǒng)中心活性降低,造成這種現(xiàn)象的原因可能是,逆境脅迫下活性氧會(huì)積累,破壞植物的葉綠素結(jié)構(gòu),葉綠素的合成速率下降,降低光能的吸收和轉(zhuǎn)化,從而影響葉綠素?zé)晒馓匦?。外源施加褪黑素?顯著提高Fm,降低F0的上升幅度,其中150 μmol/L的褪黑素濃度效果為最佳,可能是因?yàn)橥屎谒厥且环N吲哚雜環(huán)類化合物,具有抗氧化和清除氧自由基的功能,保護(hù)植物葉綠素結(jié)構(gòu)[41],達(dá)到緩解葉綠素?zé)晒馓匦缘哪康摹?/p>

4 結(jié) 論

NaCl處理下,影響了植物的形態(tài)和生理特征,外源施加不同濃度的褪黑素可顯著緩解NaCl脅迫下草莓幼苗的生長發(fā)育,提高植株的株高、莖粗、單株重、Chl a、Chl b、Chl a+b、Car、Pn、Ci、Fm、SOD、CAT、POD和APX,降低F0上升速度。150 μmol/L濃度的褪黑素緩解NaCl脅迫下草莓幼苗的效果最佳。