摘 要:探討外源脫落酸(ABA)、氯化鈣(CaCl2)、水楊酸(SA)對NaCl 脅迫下油茶幼苗生長和生理特性的影響,為提高油茶抗性提供理論依據(jù)。以一年生油茶幼苗為材料,NaCl 脅迫下外施不同濃度ABA、CaCl2、SA 處理,研究其對油茶幼苗生長及相關(guān)生理指標的影響。結(jié)果表明:(1)單獨NaCl 脅迫下油茶幼苗株高增長量、全株干質(zhì)量、根冠比、可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、質(zhì)膜透性、丙二醛(MDA)含量、H2O2 含量、SOD 和POD 活性均顯著提升;(2)NaCl脅迫下外施不同濃度ABA、CaCl2、SA 處理后可增加油茶幼苗株高增長量、全株干質(zhì)量,提高幼苗可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、SOD 和POD 活性,降低油茶幼苗根冠比、質(zhì)膜透性、MDA 含量;(3)利用隸屬法進行綜合評價結(jié)果發(fā)現(xiàn),外施40 mmol/L CaCl2 最能減少NaCl 脅迫對油茶幼苗的傷害,其次是200 μmol/L SA、100 μmol/L SA 處理。
關(guān)鍵詞:油茶;NaCl 脅迫;ABA;CaCl2;SA;生理
中圖分類號:S794.4 文獻標志碼:A
油茶(Camellia vietnamensis)為山茶科山茶屬(Camellia L.)常綠小喬木,是我國南方主要的經(jīng)濟樹種,與椰子、油棕、油橄欖稱為世界四大木本食用油料樹種[1]。具有較高的經(jīng)濟價值和生態(tài)效益,是農(nóng)林業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、精準扶貧的重要經(jīng)濟作物之一[2]。濱海鹽堿地是我國重要的鹽堿地土地類型,主要受海水影響形成,具有鹽分高、養(yǎng)分低和危害大等特點。海南島是我國第二大島,海岸線總長約1800 km,擁有豐富的濱海資源,但也因臺風等天氣原因,造成海水倒灌形成鹽堿地。同時,不合理施肥、工業(yè)污染和土壤資源過度開發(fā)等也會導致土壤鹽堿化,阻礙植物正常生長,嚴重影響生態(tài)發(fā)展。研究表明,鹽脅迫下利用外源植物生長調(diào)節(jié)劑可提高抗逆性,維持植物生長發(fā)育[3-4]。脫落酸(ABA)能調(diào)節(jié)種子萌發(fā)、幼苗生長及對非生物脅迫的耐受性等生理過程[5]。當植物葉片遭受鹽脅迫時,葉片中的ABA 含量增加。而當植物適應(yīng)了鹽脅迫后,ABA 含量降低,葉片恢復(fù)正常的代謝水平和生長狀態(tài)[6]。ABA 可關(guān)閉植物氣孔,減少蒸騰速率,減少地上部鹽離子含量,從而增強植物適應(yīng)鹽脅迫的能力[7-8]。ABA 能誘導植物選擇性地吸收Ca2+,提高植物對Na+的耐受性[9]。
水楊酸(salicyic aicd, SA)作為天然的信號分子,通過提高植物葉綠素含量[10]和抗氧化酶活性[11-12]、降低植物蒸騰速率[13]、增加滲透物質(zhì)含量[14]等生理變化,進而提高植株耐鹽性。外源SA可提高植物抗氧化酶活性(SOD、POD、CAT 等),降低MDA 含量,同時增加生物量,進而提高抗鹽能力[15-18],能促進小麥幼苗生長和增強根系活力[19],增加脯氨酸含量[20],增加可溶性糖含量[21]。Ca2+作為植物細胞內(nèi)第二信使,對低溫、干旱、鹽等逆境脅迫中的信號轉(zhuǎn)導有著重要作用。適宜濃度的Ca2+可通過鈣調(diào)節(jié)系統(tǒng)來維持細胞質(zhì)膜穩(wěn)定性,進而提高植物抗鹽性,濃度過高的Ca2+則會對植物產(chǎn)生毒害作用[22-23]。有研究結(jié)果表明,外源Ca2+能緩解鹽脅迫對植物生長有較好的效果,可能是因為太多的Na+、Cl?抑制Ca2+、K+的吸收,致使離子缺失嚴重[24]。Ca2+能改善苜蓿幼苗離子平衡,緩解鹽脅迫造成的傷害[25]。不同濃度CaCl2 可緩解鹽脅迫下對小麥種子萌發(fā)的抑制,維持小麥幼苗葉片滲透壓,增強小麥種子和幼苗的耐鹽性[26]。
目前,針對油茶逆境生理生化的研究大多集中在低溫[27]、高溫[28]、干旱[29-30]等方面,開展鹽脅迫對油茶的研究較少,僅有外源NO[31]、蕓苔素內(nèi)酯、水楊酸、赤霉素和褪黑素[32]對NaCl 脅迫下油茶幼苗生理變化的研究,而外施不同濃度ABA、SA 和CaCl2 對鹽脅迫下油茶生理變化方面的研究未見報道,因此本研究以油茶嫁接苗為研究對象,開展NaCl 脅迫下不同濃度ABA、SA 和CaCl2 對油茶幼苗生長和生理指標的影響,為油茶抗鹽栽培提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。
1 材料與方法
1.1 材料
試驗在中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院椰子研究所油茶種苗圃進行,油茶品種為海南省品種審定委員會認定的熱研1 號。選取長勢一致,健康良好,苗高40 cm 左右的一年生油茶盆栽幼苗用于試驗。
1.2 方法
1.2.1 試驗設(shè)計
將200 mmol/L NaCl 溶液浸沒營養(yǎng)杯的1/3 處,3 d 更換一次NaCl 溶液以維持NaCl 處理濃度,同時每天上午9:00 對油茶幼苗噴施40 mL 不同濃度的ABA、CaCl2、SA 溶液(表1),每個處理10 盆,3 次重復(fù)。等體積清水處理的幼苗為對照1(CK1),單獨NaCl 處理為對照2(CK2)。處理7 d 后,取心葉外圍第4、5 片葉進行相關(guān)指標的測定。
1.2.2 指標測定
(1)生長指標的測定。油茶幼苗土面到頂端新芽芽尖的距離為株高,噴施外源物質(zhì)處理前和NaCl 脅迫7 d 后分別測量單株幼苗的株高,其差值為株高增加量;全株收獲洗凈,吸干表面水分后稱重以測量鮮質(zhì)量,于110 ℃烘箱殺青15 min,以80 ℃烘干至恒質(zhì)量;莖葉干質(zhì)量和根干質(zhì)量的總和為全株干質(zhì)量,根干質(zhì)量與莖葉干質(zhì)量的比值為根冠比。
(2)生理指標的測定??扇苄缘鞍缀繙y定采用考馬斯亮藍G-250 法,可溶性糖含量測定采用蒽酮比色法[33],H2O2 含量測定采用硫酸鈦法[34],MDA 含量測定采用硫代巴比妥酸法[35],脯氨酸含量測定采用磺基水楊酸法[36],質(zhì)膜透性測定采用電導法[37],SOD 和POD 活性應(yīng)用南京建成試劑盒進行測定;吸光值由日本島津UV-2600 紫外分光光度計測定。
1.3 數(shù)據(jù)處理
試驗數(shù)據(jù)用Excel 2010 軟件進行收集與整理,數(shù)據(jù)采用SPSS 25 軟件進行差異顯著性分析。采用隸屬函數(shù)值法對耐鹽性進行綜合評價,分別計算NaCl 脅迫下外施不同物質(zhì)油茶幼苗的株高、全株干質(zhì)量、根冠比、可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、MDA 含量、質(zhì)膜透性及SOD、POD 活性等指標變化的隸屬函數(shù)值。
分析指標與耐鹽性呈正相關(guān),則計算公式為:X=(Xij?Xmin)/(Xmax?Xmin);分析指標與耐鹽性呈負相關(guān),則計算公式為:X=1?(Xij?Xmin)/(Xmax?Xmin)。式中:Xij 表示第i 處理第j 個指標的隸屬函數(shù)值;Xmax 和Xmin 分別表示測定值中的最大值和最小值。分別計算各指標隸屬函數(shù)值,再計算所有指標平均值,值越大,耐鹽性越強,反之越弱。
2 結(jié)果與分析
2.1 外源ABA、CaCl2、SA 對NaCl 脅迫下油茶幼苗生長指標的影響
由表2 可知,單獨NaCl 脅迫下,幼苗株高增長量、全株干質(zhì)量和根冠比均顯著上升,與CK1相比,分別增加66.92%、36.07%、66.67%。外源ABA、CaCl2、SA 對NaCl 脅迫下油茶幼苗株高增長量、全株干質(zhì)量、根冠比產(chǎn)生不同的影響。ABA處理下,株高增長量隨ABA 濃度增加呈下降趨勢,其中A1 處理的株高增長量與CK2 相比差異不顯著,但比CK1 顯著增加80%,A2 處理也比CK1顯著增加38.46%,但比CK2 顯著減少17.05%,A3 處理與CK1 相比差異不顯著,但比CK2 顯著減少33.18%;株高增長量隨CaCl2 濃度增加呈上升趨勢,C1 處理與CK2 相比差異不顯著,但比CK1顯著增加74.62%,C2 處理分別比CK1、CK2 顯著增加106.92%、23.96%,C3 處理分別比CK1、CK2、C1、C2、A1 顯著增加156.15%、53.46%、46.70%、23.79%、42.71%;株高增長量隨SA 濃度增加呈上升趨勢,但S1、S2 均與CK2 差異不顯著,但均比CK1 顯著增加70%、80.77%,S3 處理的株高增長量達到最大,分別比CK1、CK2、S2 顯著增加170%、61.75%、49.36%,但與C3 處理差異不顯著。
全株干質(zhì)量均隨ABA 濃度的增大呈先升高后下降趨勢,A1 處理比CK2 顯著下降11.50%,A2、A3 處理與CK2 差異不顯著;而在CaCl2 處理下,全株干質(zhì)量呈先下降后上升趨勢,C1、C2 分別比CK2 顯著下降13.65%、23.39%,而C3 則比CK2 顯著增加16.37%。SA 處理下,全株干質(zhì)量在S2 處理下較大,分別比CK2、S1、S3 顯著增加15.59%、29.76%、11.80%。
不同濃度ABA、CaCl2、SA 處理的根冠比與CK2 相比均顯著下降,其中C1 處理與CK2 差異不顯著,A3、S1 分別比CK2 減少8.4%、9%,A1、C2、S2、S3 下降幅度較大,與CK2 相比,分別減少29.8%、27.2%、31.2%、29.8%。
2.2 外源ABA、CaCl2、SA 對NaCl 脅迫下油茶幼苗生理指標的影響
NaCl 脅迫下外源ABA、CaCl2、SA 對油茶幼苗7 個生理指標的影響如表3 所示。單獨NaCl脅迫下,油茶幼苗可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、質(zhì)膜透性、丙二醛含量、脯氨酸含量、H2O2含量較CK1 均有顯著提高;ABA 處理下,幼苗可溶性蛋白含量隨ABA 濃度的增加呈升高趨勢,A1 與CK1 差異不大,A2、A3 分別比CK1 顯著增加15.25%、25.42%,但比CK2 均顯著下降;C3處理的可溶性蛋白含量比CK2 顯著增加14.81%,S3 處理的可溶性蛋白含量比CK2 顯著增加24.69%,說明高濃度SA 處理比ABA、CaCl2 更能提高油茶幼苗可溶性蛋白含量;隨著ABA、CaCl2、SA 處理濃度的增加,可溶性糖含量均呈逐漸下降趨勢,A1、C1 處理的可溶性糖含量分別比CK2 增加12.30%、8.08%,而A3 處理比CK2顯著降低12.96%,C3 處理與CK2 差異不顯著,不同濃度SA 處理比CK2 均顯著降低,分別減少18.24%、21.99%、28.69%。說明低濃度ABA、CaCl2 可提高油茶幼苗可溶性糖含量。
不同濃度ABA 處理的質(zhì)膜透性與CK2 差異不顯著,而CaCl2 處理下,與CK2 相比,C1、C3處理顯著減少8.85%、18.22%。SA 處理下,S2、S3 處理的質(zhì)膜透性比CK2 分別顯著增加10.37%、14.76%。說明高濃度CaCl2 處理可降低油茶幼苗質(zhì)膜透性,而較高濃度SA 處理則提高油茶幼苗質(zhì)膜透性。
不同濃度ABA、CaCl2、SA 處理的幼苗MDA隨外源物質(zhì)濃度的增加均呈逐漸下降趨勢,A1、C1 與CK2 差異不顯著,A3、C3、S3 分別比CK2減少24.04%、10.85%、26.65%,不同濃度SA 處理均能顯著降低MDA 含量,減少NaCl 對油茶幼苗的氧化傷害。
ABA、CaCl2、SA 處理對NaCl 脅迫下油茶幼苗H2O2 含量產(chǎn)生不同的影響,A1、A2 處理的H2O2含量與CK2 差異不顯著,但A3 處理顯著下降35.51%,而較低濃度CaCl2 處理則顯著提高幼苗H2O2 含量,C1、C2 分別顯著增加55.44%、38.99%,C3 處理與CK2 差異不顯著。S2、S3 處理顯著降低,分別比CK2 減少27.81%、45.03%,而S1 處理與CK2 差異不顯著。
2.3 外源ABA、CaCl2、SA 對NaCl 脅迫下油茶幼苗SOD、POD 活性的影響
NaCl 脅迫下外源ABA、CaCl2、SA 對油茶幼苗SOD 活性的影響如圖1 所示。單獨NaCl 脅迫下,油茶幼苗SOD 活性較CK1 有顯著提高,增加3.19 倍;較低濃度ABA 處理下,A1、A2 的SOD活性顯著提高,分別比CK2 增加20.30%、17.92%,而A3 處理與CK2 差異不顯著;C1、C3 處理與CK2差異不顯著,C2 處理的SOD 活性增幅最高,比CK2 增加21.46%。不同濃度SA 處理與CK2 差異均不顯著,S1、S2處理僅比CK2 增加5.11%、4.37%,S3 處理比CK2 減少3.45%。說明較低濃度ABA和適當濃度CaCl2 能提高油茶幼苗SOD 活性。
單獨NaCl 脅迫下,油茶幼苗POD 活性較CK1有顯著提高,分別增加3.19 倍;由圖2 所示,不同濃度ABA 處理的油茶幼苗POD 活性均較CK2有所降低,其中A1 處理比CK2 顯著減少20.97%,A2、A3 處理與CK2 差異不顯著;不同濃度CaCl2處理油茶幼苗POD 活性較CK2 呈顯著提升,其中C1 處理的POD 活性增幅最高,比CK2 增加60.61%,C2、C3 處理分別增加11.51%、12.16%;S1、S2 處理的POD 活性顯著下降,比CK2 減少24.93%、32.28%,而S3 處理的POD 活性則比CK2顯著增加20.45%。說明CaCl2 和高濃度SA 處理可提高油茶幼苗POD 活性。
2.4 外源ABA、CaCl2、SA 對NaCl 脅迫下各指標的相關(guān)性分析
由表4 可知,NaCl 脅迫下油茶幼苗株高與可溶性蛋白含量、POD 活性呈極顯著正相關(guān)(Plt;0.01),與全株干質(zhì)量、質(zhì)膜透性呈顯著正相關(guān)(Plt;0.05);全株干質(zhì)量與質(zhì)膜透性、SOD 活性呈極顯著正相關(guān)(Plt;0.01);根冠比與H2O2 含量、POD 活性呈極顯著正相關(guān)(Plt;0.01);可溶性蛋白含量與可溶性糖含量、MDA 含量呈顯著負相關(guān)(Plt;0.05),與質(zhì)膜透性、POD 活性呈極顯著正相關(guān)(Plt;0.01);可溶性糖含量與質(zhì)膜透性呈顯著負相關(guān)(Plt;0.05),與MDA 含量、SOD 活性呈顯著正相關(guān)(Plt;0.01);MDA 含量與H2O2 含量呈極顯著正相關(guān)(Plt;0.01),與SOD 活性呈顯著正相關(guān)(Plt;0.05);過氧化氫含量與SOD 活性、POD 活性呈極顯著正相關(guān)(Plt;0.01);SOD 活性與POD 活性呈顯著正相關(guān)(Plt;0.05)。
2.5 外源ABA、CaCl2、SA 處理下油茶幼苗耐鹽脅迫的綜合評價
通過NaCl 脅迫下油茶幼苗的株高、全株干質(zhì)量、根冠比、可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、質(zhì)膜透性、MDA 含量、SOD 活性、POD 活性等10 項抗鹽相關(guān)生長和生理指標變化幅度的隸屬函數(shù)值及總分排序(表5),總分越高表示外源物質(zhì)處理越能提高油茶幼苗耐鹽性,不同外源物質(zhì)和濃度處理的幼苗耐鹽性排序為C3>S3>S2>A2>C2>A1>A3>C1>CK2>CK1>S1。說明外施40 mmol/L CaCl2 最能減少NaCl 脅迫對油茶幼苗的傷害,其次是200 μmol/L SA、100 μmol/LSA 處理。
3 討論
超過一定濃度的鹽脅迫會顯著抑制植物生長,表現(xiàn)為株高減少、生物量減少、根冠比增加等[38-39]。本研究中,單獨200 mmol/L NaCl 脅迫下油茶幼苗株高增長量、全株干質(zhì)量、根冠比、可溶性蛋白、可溶性糖含量、質(zhì)膜透性、MDA 含量、H2O2 含量均顯著升高,與作者之前研究結(jié)果相一致[40],說明油茶幼苗具有一定的耐鹽性。
可溶性蛋白和可溶性糖可作為重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),能有效地緩解鹽脅迫對玉米幼苗根系和地上部生長的抑制作用[41],本研究中,較高濃度的CaCl2和SA處理均顯著提高幼苗可溶性蛋白含量,較低濃度的ABA 和CaCl2 處理顯著提高幼苗可溶性糖含量,這與粟莉圓等[42]對火力楠幼苗研究結(jié)果一致,可溶性糖含量的積累通過調(diào)節(jié)鹽脅迫下植物細胞滲透電位及滲透保護作用,降低細胞滲透壓,吸收更多的水分維持細胞膨壓[43],緩解鹽害,進而維持植株正常生長。
過度積累的Na+使細胞膜的選擇透性喪失,質(zhì)膜透性增加,電解質(zhì)大量滲透[44]。本研究發(fā)現(xiàn),ABA 處理對幼苗質(zhì)膜透性影響不大,較高濃度的CaCl2 顯著降低幼苗質(zhì)膜透性,而較高濃度SA 則可提高幼苗質(zhì)膜透性,說明外施不同物質(zhì)對油茶幼苗質(zhì)膜透性產(chǎn)生不同影響,其機制原因還有待進一步實驗驗證。作為植物細胞膜膜質(zhì)過氧化的產(chǎn)物MDA,能破壞細胞膜結(jié)構(gòu)和功能[45],其含量越高說明植物受損傷越嚴重[46]。本研究發(fā)現(xiàn),SA 處理和較高濃度的ABA、CaCl2 處理可顯著降低幼苗MDA 含量,可能是Ca2+減輕幼苗細胞膜質(zhì)過氧化程度,減輕NaCl 脅迫對油茶幼苗的氧化傷害,這與WANG 等[47]對黃瓜幼苗研究結(jié)果一致。H2O2 含量能直接反映植物受逆境脅迫的程度[48]。本研究發(fā)現(xiàn),外施ABA 和SA 均顯著降低油茶幼苗H2O2 含量,其中不同濃度的SA 處理降幅更為明顯,200 μmol/L SA 處理較CK2 顯著減少45.03%。而較低濃度CaCl2 則顯著提高幼苗H2O2 含量,僅在40 mmol/L CaCl2 處理下與CK2處理的差異不顯著。
SOD 和POD 作為抗氧化酶類物質(zhì),能降低植物體內(nèi)自由基、活性氧含量,避免膜質(zhì)過氧化,進而提高植物的抗逆能力[49]。本研究發(fā)現(xiàn),較低濃度ABA和適當濃度CaCl2能提高油茶幼苗SOD活性,CaCl2 和高濃度SA 處理可提高油茶幼苗POD 活性。這可能是Ca2+和鈣調(diào)蛋白相結(jié)合,進而提高抗氧化酶活性,這與屈施旭等[50]對火麻幼苗、PALMA 等[51]對菜豆、周希琴等[52]對木麻黃幼苗的研究結(jié)果一致。
綜上所述,外施適宜濃度的ABA、CaCl2 和SA 對油茶幼苗NaCl 脅迫均有緩解作用,經(jīng)過綜合評價發(fā)現(xiàn)外施40 mmol/L CaCl2 最能減少NaCl脅迫對油茶幼苗的傷害,其次是200 μmol/L SA和100 μmol/L SA 處理。在海南,靠近海邊種植油茶幼苗,可適當噴施40 mmol/L CaCl2,提高幼苗耐鹽性,促進其生長。
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