外源GSNO对NaCl胁迫下番茄幼苗生长及光合特性的影响

2023-04-14朱普生刘慧英刘凯歌李雪珍

新疆农业科学 2023年2期

朱普生,刘慧英,曹泽,刘凯歌,李雪珍

(石河子大学农学院园艺系/特色果蔬栽培生理与种质资源利用新疆生产建设兵团重点实验室,新疆石河子 832000)

0 引言

【研究意义】番茄(Solanumlycopersicum)是广为栽培蔬菜之一[1],含有多种维生素[2],近年来番茄产业逐渐成为了我国蔬菜产业的支柱之一,但同时种植中也面临着土壤次生盐渍化问题[3]。土壤盐渍化是主要限制植物生产水平的非生物胁迫因素,会破坏植物的渗透压平衡、离子平衡[4],并损伤细胞结构[5],影响植物对水分和养料的正常吸收与运输,限制植物生长发育。土壤盐渍化使番茄光合生产潜力难以充分发挥,影响产量与商品性和经济效益[6]。研究盐胁迫对番茄生长发育的影响及其耐盐机制,对培育耐盐抗盐新品种,提高番茄生产产业产能具有重要意义。【前人研究进展】一氧化氮(nitric oxide,NO)是一种广泛存在于植物体细胞中及细胞间的小型高活性气体信号分子,参与植物的生长发育进程[7],如种子萌发[8]、植株生长衰老及果实成熟[9]。同时也在植物基因表达[10]、呼吸代谢[11]以及抗逆反应[12]等起作用。S-亚硝基谷胱甘肽(S-Nitrosoglutathione,GSNO)广泛存在于各种生物体中,是天然存在的NO缓冲和储存体,可以由生物体主动产生,能在植物体内运输并释放NO,这种稳定的形式使得NO能储存、运输并参与调节植物生理和病理进程[13-16]。【本研究切入点】近年来,在NO缓解植物盐胁迫的研究取得较大进展、其作用机制也逐渐清晰的基础上,目前有关外源NO对植物逆境生理的研究多以硝普钠(SNP)为NO供体开展,很少以GSNO作为NO供体对植物抗逆性进行研究与应用。需研究NaCl胁迫下外源GSNO(NO供体)对番茄幼苗生长的调节作用。【拟解决的关键问题】以GSNO为NO供体,研究GSNO参与番茄幼苗响应NaCl胁迫的一系列机制,为外源GSNO缓解番茄盐害、提高番茄产量提供可行的方法,也为NO增强耐盐性提供可靠的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

选择番茄品种中蔬4号为材料,在石河子大学农学院试验站温室进行。采用水培的方法,在水桶中培育番茄幼苗。使用72孔穴盘,将番茄种子播种于草炭:蛭石=1∶1(V/V)的基质中。待植株长到2叶1心,挑出长势整齐一致的番茄幼苗移入遮光处理的容量为12 L的水桶中,以泡沫板与海绵支撑固定幼苗,桶中调配10 L Hoagland营养液(pH=6.2)。幼苗恢复生长7～10 d,期间每4 d换一次营养液,调pH值至6.2并全天通气,番茄幼苗长至4叶1心时进行不同处理。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

共设置5个处理,分别为 CK:营养液水培,叶面喷施蒸馏水处理; N:营养液中加100 mmol/L NaCl,叶面喷施蒸馏水处理; NG:营养液中加100 mmol/L NaCl,叶面喷施0.1 mmol/L GSNO处理; NP:营养液中加100 mmol/L NaCl,叶面喷施0.05 mmol/L cPTIO处理; NGP:营养液中加100 mmol/L NaCl,叶面喷施0.05 mmol/L cPTIO再喷施0.1 mmol/L GSNO处理。NaCl于调配营养液时直接加入营养液中,处理时间为每日上午09:30。每个桶种植5株番茄幼苗,每个处理培育3桶作为重复。每3 d更换1次营养液调pH值至6.2并全天通气,处理第9 d采样。

1.2.2 指标测定

1.2.2.1 生长指标

壮苗指数、根冠比:游标卡尺测量茎粗,直尺测量株高,分离植株地上部与地下部,清洗后用吸水纸吸干并分别称重,使用烘箱105℃杀青 15 min,75℃烘至恒重,分别称其干重。使用刘会芳等[14]的方法计算壮苗指数、根冠比。壮苗指数=(茎粗/株高+根干重/茎叶干重)×全株干重,根冠比=地下部干重/地上部干重。

1.2.2.2 气孔数目与根系形态

气孔数目:使用直撕法快速剥离番茄叶片下表皮并展开在滴有蒸馏水的载玻片上,盖上载玻片使用ZEISS荧光显微镜观察气孔数目。使用ZEN Blue Lite软件划定等大小随机视野进行观测。根系形态:将根系使用蒸馏水洗净放入Epson扫描仪中,配合WinRhizo专业根系分析软件系统测定根长、根面积和根体积。

1.2.2.3 叶绿素含量

采用张志良等[17]的方法测定对番茄幼苗的叶绿素含量。

1.2.2.4 叶绿素荧光参数

番茄幼苗暗适应2 h后, 利用脉冲调制式叶绿素荧光成像系统Imaging-PAM-2500测定番茄幼苗第三片真叶的PSII最大光化学效率(Fv/Fm)、实际光化学效率(YII)、光化学淬灭系数(qP)、光合电子传递速率(ETR)。

1.2.2.5 卡尔文循环相关酶活性

使用朝恒生物公司ELISA检测试剂盒,酶标分析仪Rayto RT-6100测定分析。

1.3 数据处理

采用 Excel 2003和派森诺生物公司在线软件整理数据和作图,采用 SPSS 19.0 统计软件进行单因素方差分析,采用 LSD 法进行差异显著性比较(P<0.05) 。

2 结果与分析

2.1 外源GSNO对NaCl胁迫下番茄幼苗生物量的影响

研究表明,与CK相比,N处理下番茄幼苗的株高、茎粗、地上鲜重、地下鲜重、地上干重和地下干重显著降低。相比于对照,N处理下番茄幼苗的根冠比增长了65.50%、壮苗指数下降了40.74%;与N处理相比,NG处理下番茄幼苗的株高、地上鲜重、地下鲜重、地上干重和地下干重均显著上升,地上干重增长54.64%,根冠比没有显著变化,壮苗指数提高54%。 NP处理下番茄幼苗的各项指标均与N处理相比无显著差异。与NP处理相比,NGP处理下番茄幼苗的株高、和地下干重均显著提高。NaCl抑制了番茄幼苗的生长和生物量的累积,施用GSNO能有效缓解番茄幼苗受抑制的情况,提高生物量累积,促进植物生长。表1

2.2 外源GSNO对NaCl胁迫下番茄幼苗气孔数目与根系形态的影响

研究表明,与CK相比,N处理和NGP处理的气孔数目差异不显著,NG处理下的番茄幼苗气孔数目显著升高16.20%,NP处理下的番茄幼苗气孔数目显著下降11%。与CK处理相比,N处理下的番茄幼苗根系总长度下降10.81%,NP处理下的番茄幼苗根系总长度下降10.29%和NGP处理下的番茄幼苗根系总长度下降10.48%,NG处理下的番茄幼苗根系总长度增长12.36%。与CK处理相比,N处理下的番茄幼苗根系总表面积显著下降14.68%,NP处理下的番茄幼苗根系总表面下降17.04%,NG处理下的番茄幼苗根系总表面下降18.96%。与CK处理相比,N处理下的番茄幼苗根系总体积下降20.81%、NP处理下的番茄幼苗根系总体积下降40.43%,NGP处理下的番茄幼苗根系总体积下降42.71%,NG处理下的番茄幼苗根系总体积下降42.81%。GSNO能有效缓解番茄幼苗受NaCl胁迫后气孔减少的情况,在促进根系伸长效果显著。图1

表1 不同外源GSNO下NaCl胁迫下番茄幼苗生物量变化Table 1 Effects of exogenous GSNO on tomato seedling biomass under NaCl stress

注:A:对气孔数目的影响;B:对根系总长度的影响;C:对根系总面积的影响;D:对根系总体积的影响;小写字母表示处理间在5%水平的差异显著性,下同

2.3 外源GSNO对NaCl胁迫下番茄幼苗叶绿素含量的影响

研究表明,与CK处理相比,N处理下番茄幼苗叶绿素a含量下降39.48%、NG处理下番茄幼苗叶绿素a含量下降26.92%、NP处理下番茄幼苗叶绿素a含量下降42.38%、NGP处理下番茄幼苗叶绿素a含量下降36.65%。与N处理相比,NG处理下番茄幼苗叶绿素a含量提高了20.75%。与CK处理相比,N处理下番茄幼苗叶绿素b含量降低36.63%,NG处理下番茄幼苗叶绿素b含量下降23.09%,NP处理下番茄幼苗叶绿素b含量下降44.01%,NGP处理下番茄幼苗叶绿素b含量下降33.76%。与N处理相比,NG处理下番茄幼苗叶绿素b含量提高了21.35%,NP处理下番茄幼苗叶绿素b含量下降了11.66%。与CK处理相比,N处理下番茄幼苗总叶绿素含量下降41.93%。与N处理相比,NG处理下番茄幼苗的总叶绿素含量提高了17.1%。GSNO能有效缓解番茄幼苗受到的NaCl胁迫带来的叶绿素含量降低。图2

注:A:对叶绿素a含量的影响;B:对叶绿素b含量的影响;C:对总叶绿素含量的影响

2.4 外源GSNO对NaCl胁迫下番茄幼苗叶绿素荧光参数的影响

研究表明,与CK相比,NaCl胁迫下各处理的最大光化学效率(Fv/Fm)均显著降低,NG处理下番茄幼苗Fv/Fm值降低8.69%,NP处理下番茄幼苗Fv/Fm值降低13.75%。与N处理相比,NG处理下番茄幼苗Fv/Fm值显著升高4.65%。与NP处理相比,NPG处理下番茄幼苗Fv/Fm值显著提高。与CK相比,NaCl胁迫下各处理的实际光化学效率(YII)均显著降低,但各处理间的YII值无显著性差异。与CK处理相比, N、NP和NPG处理下番茄幼苗的光化学淬灭系数(qP)均显著下降,分别下降了20.48%、34.99%和22.30%,NG处理下番茄幼苗qP值无显著性变化。与N处理相比,NG处理下番茄幼苗qP值提高6.26%,NP处理下番茄幼苗qP值降低18.29%,没有显著差异。与CK相比,各处理光合电子传递速率(ETR)均降低,其中NP和NPG处理下番茄幼苗ETR值显著降低,分别为43.25%和29.23%。NaCl胁迫会破坏番茄幼苗叶片的PSII反应中心,GSNO可以缓解这一情况,提高植物最大光化学效率(Fv/Fm),对光能利用效率、电子传递效率也有提高。图3

2.5 外源GSNO对NaCl胁迫下番茄幼苗卡尔文循环相关酶活性的影响

研究表明,与CK相比,N处理下番茄幼苗Rubisco初始活性和总活性、RCA、PGK、GAPDH、 SBPase、FBPase和FBA活性均显著下降;与N处理相比,NG处理下番茄幼苗的Rubisco初始活性和总活性、RCA、PGK、GAPDH、SBPase和FBPase活性均显著提高,其中FBPase活性提高至CK水平,而FBA活性无显著性变化。与N处理相比,NP处理下番茄幼苗的Rubisco初始活性、RCA、PGK、GAPDH、FBPase和FBA活性均显著降低,Rubisco总活性显著提高,SBPase无显著性变化;与NP处理相比,NGP处理下番茄幼苗除Rubisco总活性无显著性变化外,其它酶的活性均显著提高。盐胁迫下Rubisco初始活性和总活性、RCA、PGK、GAPDH、SBP、FBP、FBA等卡尔文循环相关酶活性均降低,降低了碳同化速率,影响了光合产物的累积,施用外源GSNO可以提高各酶的活性,缓解盐胁迫对碳同化速率的抑制作用。施用cPTIO降低番茄幼苗内源NO水平可以降低酶活性,加重胁迫程度,施用外源GSNO可以缓解这一情况。表2

注:A:对最大光化学效率(Fv/Fm)的影响;B:对实际光化学效率(YII)的影响;C:对化学淬灭系数(qP)的影响;D:对光合电子传递速率(ETR)的影响

表2 不同外源GSNO下NaCl胁迫下番茄幼苗卡尔文循环相关酶活性变化Table 2 Effects of exogenous GSNO on activities of Calvin cycle related enzymes >in tomato seedlings under NaCl stress

3 讨论

3.1植物在逆境胁迫下各项生理活动都会受到影响,而且很复杂,但是最直观的就是植株生长受到影响[17,18],包括形态指标的增降、生物量累积,根冠比,壮苗指数的变化等[19,20]。盐胁迫作为农业生产中常见的非生物胁迫,能够明显抑制植物的生长[21]。

3.2试验结果表明 NaCl 胁迫可以显著抑制番茄幼苗的正常生长和生物量的积累。NaCl 胁迫下生长的番茄幼苗高度降低且茎部更加纤细,地上部和地下部的干、鲜重明显减少,与前人的研究一致[22-23]。根冠比与壮苗指数也反映了盐胁迫下番茄幼苗生长情况变差的情况。而使用GSNO喷施番茄叶片可显著改善番茄的生长情况和生物量的累积,壮苗指数也表明幼苗长势更好,GSNO作为外源NO供体可以缓解NaCl 胁迫给植物生长带来的压力。试验中NaCl 胁迫下叶片气孔数目的减少也降低了植物气体交换的程度,与温泽林试验后期的番茄幼苗表现一致[22]。根系的生长也明显受到了NaCl胁迫的抑制,根长、根表面积和根体积均不同程度下降。而使用GSNO后,NG处理下番茄幼苗根长明显提高,GSNO在缓解根系NaCl胁迫中作用明显,与张静[23]研究一致。杨小环[24]和牛丽娟[25]等也发现了NO在缓解黄瓜根胁迫的过程中作用巨大。试验中,外源GSNO施用下根系面积和体积并没有得到相应的提高,可能是因为根系组织的细胞分裂旺盛但是不能正常生长,尚需要进一步验证。

3.3NaCl 胁迫下番茄幼苗Fv/Fm、YII和qP值显著降低,ETR数值上也所下降,PSII反应中心受到明显伤害,施用GSNO可提高Fv/Fm,GSNO对PSII反应中心起到了保护作用,对反应中心的工作有积极帮助。施用cPTIO后,胁迫程度加重,番茄幼苗各项荧光参数较NaCl胁迫的幼苗均下降,施用GSNO可以缓解这一情况。NaCl胁迫下番茄幼苗Rubiso活性降低,直接影响卡尔文循环的速度[26],另外几种关键酶活性也显著降低,在各个环节都限制了卡尔文循环的进行,影响碳同化与光合产物累积。施用GSNO显著提高了各酶的活性,能够促进了光合产物的累积,供给生长发育。施用cPTIO后,胁迫程度加重,番茄幼苗卡尔文循环上各酶活性较NaCl胁迫的幼苗均下降,施用GSNO可以缓解这一情况。