甜菜碱对硝酸钙胁迫下黄瓜种子萌发特性的影响

2018-04-09，，，

种子 2018年2期

，　，　，　　

(1.山西大同大学生命科学学院，设施农业技术研发中心，　山西大同 037009；2.山西大同大学后勤管理处，　山西大同 037009)

随着我国农业现代化的发展，设施蔬菜种植面积近30年来不断扩大，温室大棚数量迅猛增加。但由于设施内化肥施用量过大、土壤水分蒸发旺盛而灌溉不合理等原因，土壤次生盐渍化不断加重，已经严重影响了设施蔬菜的生产[1-2]。Ca(NO3)2是设施土壤次生盐渍化的主要成分，也是影响设施蔬菜种植的重要因素之一。Ca(NO3)2浓度过高可对细胞产生渗透胁迫、离子毒害及过氧化伤害，严重影响了种子的萌发和幼苗的生长[3-4]。通过合理密植和控制肥水、施用外源化学物质、培育耐盐品种等措施，能在一定程度上提高作物对盐碱土的适应性，部分缓解土壤盐渍化对作物的伤害，有利于设施蔬菜产业的可持续发展。

表1甜菜碱对Ca(NO3)2胁迫下黄瓜种子发芽率的影响

品种处理发芽率(%)24h36h48h60h72h84h津春2号ck93．67±2．08a96．55±1．34a97．33±1．34a97．67±0．88a98．89±1．02a98．89±1．02aCa3．67±0．88e42．56±3．24e66．78±2．67d70．44±1．39e75．00±4．36d79．78±3．67dB1．05．06±0．48e43．67±3．06e71．11±3．01d75．67±3．51d79．11±5．39d87．11±2．17cB2．510．11±0．84d51．78±3．01d75．78±0．69c82．89±2．14c86．11±2．83c88．44±0．77cB5．011．44±1．07d58．33±3．85c78．11±2．01c88．67±2．40b90．67±2．67bc92．67±3．06bB7．513．67±1．45c57．78±2．34c79．78±3．01bc88．89±1．17b91．00±0．67bc92．56±1．90bB10．020．44±1．07b69．78±3．67b84．11±3．47b91．67±1．45b92．44±0．77b93．67±0．88b津春4号ck90．44±1．38a94．55±2．41a95．78±1．68a97．00±1．86a97．33±1．36a98．45±0．39aCa1．67±0．88e18．11±1．64f49．55±5．18d57．67±3．79d70．89±3．00e83．78±2．91dB1．02．45±0．39e18．67±0．88ef49．78±0．69d58．33±1．21d71．56±2．04e85．00±2．18dB2．55．67±0．88d21．33±1．34e51．00±0．88d60．89±4．07d76．89±1．54d85．56±1．39cdB5．08．78±1．07c31．33±1．76d53．22±2．67d69．33±4．81c79．67±3．51cd89．55±4．02bcB7．59．45±1．07c37．00±1．86c62．45±4．01c73．45±4．60c82．33±4．70c92．11±2．22bB10．025．78±3．56b50．00±1．00b74．44±1．39b85．00±1．86b89．78±2．04b93．33±1．36b

近年来，施用外源甜菜碱缓解植物的非生物胁迫，提高植物抗逆性、改善作物品质的研究受到国内外学者的关注。甜菜碱(Betaine，BT)是一类季胺型生物碱，是植物细胞内最重要的有机渗透调节物质之一，具有稳定生物大分子结构和生物膜系统的完整性、维持细胞渗透平衡、保持蛋白质和代谢酶的活性、缓解氧化胁迫损伤等多种生理功能[5-6]。研究表明，外源甜菜碱可提高植物体内甜菜碱的含量，改善细胞水分状况，增强植物对水分胁迫、温度胁迫、盐胁迫等逆境的抗性[7-9]。但研究主要集中于大麦、小麦、水稻、玉米等作物[10-13]，以及枸杞、桑树等果树[14-15]，有关甜菜碱调节设施蔬菜抗逆性，特别是蔬菜种子萌发期抗逆性方面的报道很少。

黄瓜(CucumissativusL.)是葫芦科甜瓜属一年生草本植物，是国内外设施栽培面积和产量最大的蔬菜作物之一。但是土壤次生盐渍化已经严重抑制了黄瓜种子的萌发和植株的生长发育，造成了设施黄瓜的产量和品质降低，甚至植株死亡[16-17]。因此，采用合适的方法提高种子萌发期的耐盐性，保证其在盐渍环境下正常出苗，对于黄瓜生产具有重要的意义。为此，本试验采用培养皿发芽法，研究了外源甜菜碱对Ca(NO3)2胁迫下黄瓜种子萌发特性的影响，以期为采用外源甜菜碱缓解黄瓜植株的盐胁迫伤害提供参考。

1　材料与方法

1.1　试验材料

本试验于2015年5月在山西大同大学生命科学实验教学中心进行。供试黄瓜品种为津春2号(改良)和津春4号，均由天津科润黄瓜研究所提供，供试盐酸甜菜碱由上海源叶生物科技有限公司提供。

1.2　试验方法

选取饱满、整齐一致的种子，用55 ℃温水烫种15 min后蒸馏水冲洗干净，再用相应浓度的甜菜碱处理液浸种6 h，然后播于铺有4层纱布直径9 cm的培养皿中，置于培养箱中28 ℃下避光催芽，期间每12 h用处理液浸种5 min。试验共设7个处理：蒸馏水浸种(ck)、400 mmol/L Ca(NO3)2溶液浸种(Ca)、400 mmol/L Ca(NO3)2溶液中分别添加1.0 mmol/L(B 1.0)、2.5 mmol/L(B 2.5)、5.0 mmol/L(B 5.0)、7.5 mmol/L(B 7.5)和10.0 mmol/L(B 10.0)甜菜碱浸种。每处理重复3次，每重复75粒种子，完全随机排列。

1.3　指标测定

催芽后每12 h统计1次种子发芽数并计算发芽率，催芽84 h后每重复随机选20粒发芽的种子测量种子鲜重和芽长，并测定相对电导率和丙二醛含量。

发芽率(%)=发芽种子数/供试种子总数×100%；

发芽势(%)=催芽36 h时的发芽率。

种子用去离子水冲洗干净并用滤纸吸干表面水分，用电子天平称得鲜质量。发芽指数和活力指数采用丁顺华等[18]方法计算：

GI=∑Gt/Dt；

VI=GI×S(式中，GI表示发芽指数，VI表示活力指数，Gt为t日的发芽率，Dt为相应的发芽日数，S为种子鲜重)。相对电导率采用电导率仪法测定，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法[19]测定。

数据用SPSS软件进行单因素方差分析，Duncan’s新复极差法进行多重比较。

2　结果与分析

2.1　对种子发芽率与发芽势的影响

图2　甜菜碱对Ca(NO3)2胁迫下黄瓜种子发芽指数与活力指数的影响

发芽率是种子发芽能力的直接表现。表1中数据表明，400 mmol/L Ca(NO3)2溶液浸种显著降低了黄瓜种子的发芽率，甜菜碱溶液浸种使Ca(NO3)2胁迫下种子的发芽率显著提高，且随甜菜碱浓度提高，发芽率明显增大；随催芽时间延长，各处理间的差异则逐渐缩小。Ca(NO3)2胁迫下津春2号种子的发芽率高于津春4号；催芽后48 h，1.0，2.5，5.0，7.5，10.0 mmol/L甜菜碱浸种的津春2号种子发芽率分别比Ca(NO3)2胁迫提高了6.48%、13.48%、16.97%、19.47%、25.95%，津春4号种子发芽率分别提高了0.46%、2.93%、7.41%、26.03%、50.23%。说明津春2号种子的耐盐性强于津春4号，但甜菜碱对津春4号种子发芽的缓解效应则优于津春2号。

图1　甜菜碱对Ca(NO3)2胁迫下种子发芽势的影响

发芽势是种子在一定时间内的发芽潜力。图1表明，Ca(NO3)2胁迫使种子的发芽势显著降低，甜菜碱溶液浸种显著缓解了Ca(NO3)2胁迫对种子发芽势的抑制，且随甜菜碱浓度提高，缓解作用增大。与Ca(NO3)2胁迫相比，1.0，2.5，5.0，7.5，10.0 mmol/L甜菜碱浸种的津春2号种子发芽势分别增大了2.60%、21.66%、37.06%、35.76%、63.95%，津春4号种子的发芽势分别增大了3.07%、17.80%、73.02%、104.31%、176.09%。说明甜菜碱浸种增强了Ca(NO3)2胁迫下种子的发芽势，且对津春4号的作用大于津春2号。

2.2　对种子发芽指数与活力指数的影响

由图2可知，不同处理下黄瓜种子发芽指数和活力指数的变化趋势基本一致，对照处理下津春4号的发芽指数和活力指数均高于津春2号，Ca(NO3)2溶液浸种显著降低了种子的发芽指数和活力指数，甜菜碱溶液浸种使Ca(NO3)2胁迫下种子的发芽指数和活力指数显著增大，且随甜菜碱浓度的提高而明显增大。说明甜菜碱可有效缓解Ca(NO3)2胁迫对黄瓜种子发芽指数和活力指数的抑制。

2.3　对种子芽长和鲜重的影响

图3显示，Ca(NO3)2胁迫显著降低了黄瓜种子的芽长和鲜重，甜菜碱溶液浸种使Ca(NO3)2胁迫下种子的芽长和鲜重增大。与Ca(NO3)2胁迫相比，1.0，2.5，5.0，7.5，10.0 mmol/L甜菜碱浸种的津春2号种子芽长和鲜重分别提高了21.21%、30.30%、33.33%、39.39%、57.58%和2.61%、2.83%、3.38%、4.19%、7.67%，津春4号种子芽长和鲜重分别提高了2.32%、6.98%、9.30%、13.95%、20.93%和1.59%、2.43%、4.41%、4.99%、10.85%。表明甜菜碱对Ca(NO3)2胁迫下津春2号种子芽长的促进作用大于津春4号，对种子鲜重的缓解作用则表现为津春4号大于津春2号。

2.4　对种子质膜透性和丙二醛含量的影响

由图4可以看出，Ca(NO3)2溶液浸种使黄瓜种子的相对电导率和MDA含量显著增加，甜菜碱溶液浸种使Ca(NO3)2胁迫下种子的相对电导率和MDA含量随甜菜碱浓度的增加而明显降低。与Ca(NO3)2胁迫相比，1.0，2.5，5.0，7.5，10.0 mmol/L甜菜碱浸种的津春2号种子相对电导率和MDA含量分别降低了5.49%、13.99%、15.79%、20.34%、22.40%和7.02%、13.39%、15.86%、18.08%、21.58%，津春4号分别降低了6.95%、15.35%、18.99%、20.14%、24.79%和8.25%、15.05%、17.75%、18.99%、22.10%。说明甜菜碱对Ca(NO3)2胁迫下津春4号种子细胞膜过氧化伤害的缓解作用大于津春2号种子。

图3　甜菜碱对Ca(NO3)2胁迫下黄瓜种子芽长和鲜重的影响

图4　甜菜碱对Ca(NO3)2胁迫下黄瓜种子相对电导率和MDA含量的影响

3　讨论与结论

盐胁迫对非盐生植物种子的萌发有明显的抑制作用。发芽率、发芽势、活力指数和发芽指数等能够反映种子的发芽速度和发芽整齐度，是评价盐胁迫下种子发芽情况的常用指标。研究表明，外源甜菜碱浸种能够提高盐胁迫下烟草、菊苣、桑树种子的发芽率，促进幼苗的生长发育[20-22]。本试验中，催芽24 h以后，对照处理条件下2品种黄瓜种子的萌发率均可达到90%以上，400 mmol/L Ca(NO3)2溶液浸种则显著抑制了黄瓜种子的萌发，使种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数，以及芽长和鲜重显著降低。甜菜碱溶液浸种则对Ca(NO3)2胁迫下黄瓜种子的萌发有显著的缓解作用，且随着甜菜碱浸种浓度增加，缓解效果增大。

盐胁迫能造成植物膜脂过氧化，表现为细胞膜中不饱和脂肪酸过氧化的最终产物丙二醛(MDA)含量增加，质膜透性增大[23-24]。因而，MDA含量和质膜相对透性可直接反映细胞膜的损伤程度及植物对逆境的适应能力。研究表明，外源甜菜碱处理可明显缓解盐胁迫和干旱胁迫对植物幼苗的损伤，减轻膜脂过氧化程度，降低MDA的积累和相对电导率的增大[12,25-26]。本研究中，Ca(NO3)2胁迫对黄瓜种子的细胞膜造成严重损伤，质膜透性增大，电解质外渗，表现为种子的相对电导率和MDA含量显著增大。外源甜菜碱浸种则有效缓解了Ca(NO3)2胁迫对种子细胞膜的过氧化伤害程度，降低了相对电导率和MDA含量。

总之，津春2号种子萌发期对Ca(NO3)2胁迫的耐性强于津春4号，但甜菜碱对Ca(NO3)2胁迫下津春4号种子的缓解效应优于津春2号，且随着甜菜碱浓度提高，缓解效应明显增大。甜菜碱可增强黄瓜种子萌发期Ca(NO3)2胁迫的抗性，这为设施生产中利用甜菜碱提高土壤次生盐渍化下蔬菜种子的发芽和促进其立苗提供了实验依据。但甜菜碱对Ca(NO3)2胁迫下黄瓜种子萌发期调节作用的生理机制，以及对盐胁迫下黄瓜植株生长发育的调节及其作用机制有待进一步研究。

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