2,4-表芸苔素内酯浸种对干旱胁迫下大麦种子萌发及幼苗生理特性的影响

冯彩军,宋瑞娇,宋凌宇,张 松,齐军仓

(石河子大学农学院/新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室, 新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意义】气候变化和干旱期增加等诸多因素导致大麦的产量下降[1]。干旱胁迫限制了酶活性、叶片发育、使离子吸收中断,并最终影响作物生产力[2]。近年来,外源性生长调节剂的应用已经成为在非生物胁迫下提高作物生产力的一种实用策略[3,4,5]。芸苔素内酯又称油菜素内酯(Brassinolide,BL),作为油菜素甾醇类成员中生物活性最强的一种分子,是植物体内一种天然的植物激素[6]。虽然对芸苔素内酯在缓解干旱胁迫及内在机理等方面做了较多研究,但芸苔素内酯的施用效果因作物种类、施用方式、施用时间的不同而表现出较大的差异[7]。芸苔素内酯提高作物抗旱能力的作用机制还需要进一步研究。种子萌发和早期幼苗阶段是对环境胁迫最为敏感的时期,对植物的生长发育至关重要,研究植物在该阶段的抗旱性具有重要意义。研究芸苔素内酯对干旱胁迫下大麦种子萌发的影响,不仅可为芸苔素内酯的生物学效应增添实验依据,也可为大麦种子播前处理和大麦生产提供理论指导。【前人研究进展】在盐溶液中添加2,4-表芸苔素内酯和2,8-高芸苔素内酯后浸种,不仅能显著降低盐分对水稻种子萌发的抑制作用,还促进了盐胁迫下幼苗的早期生长[8]。外源芸苔素内酯处理能提高可溶性糖、脯氨酸、总游离氨基酸、可溶性酚类等的含量,改善干旱胁迫下棉花的生长发育和产量性状[9]。【本研究切入点】在大麦中,研究外源应用芸苔素内酯的报道比较少,且最适浓度的芸苔素内酯处理是否能够诱导大麦根和幼芽的生理生化物质变化以适应干旱的机制也并不清楚。需研究不同浓度芸苔素内酯溶液对干旱胁迫下大麦种子萌发及幼苗生长的影响。【拟解决的关键问题】选用23%浓度的聚乙二醇-6000溶液模拟干旱胁迫,研究干旱胁迫处理下芸苔素内酯对第7 d大麦幼苗的芽和根中相对含水量、渗透调节物质含量以及抗氧化酶活性的影响,并结合大麦种子萌发和幼苗生长指标,评价外源芸苔素内酯对大麦种子萌发和幼苗耐旱性的影响,分析外源施用芸苔素内酯的最佳浓度范围。

1 材料与方法

1.1 材 料

选择粒大饱满、均匀一致的新啤6号大麦种子,2,4-表芸苔素内酯可溶液剂(有效成分含量0.01%)。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

采用单因素随机区组设计(Single factor randomized block),分别用蒸馏水和不同浓度的芸苔素内酯溶液对大麦种子进行浸种处理,在选定的半致死浓度聚乙二醇-6000溶液中催芽培养,共设置7组处理,每组设3次重复。

1.2.2 发芽试验

采用PEG-6000溶液模拟干旱胁迫, 用10% NaClO溶液对供试大麦种子消毒10 min,蒸馏水洗净后将其避光浸于蒸馏水中静置24 h。之后将种子每50粒转移至铺设4层滤纸并含有40 mL不同浓度(0%、10%、20%、21%、22%、23%、24%)的聚乙二醇-6000的发芽盒中,并在第7 d统计发芽率,确定大麦种子萌发的半致死聚乙二醇-6000溶液浓度。

选取大小均匀、籽粒饱满的大麦种子,用10% NaClO 溶液消毒10 min后,将其在已设定好的6种浓度(0、5、25、50、100、200 μg/L)芸苔素内酯溶液中浸种处理24 h,期间隔12 h换1次新鲜的芸苔素内酯溶液。将处理过的大麦种子整齐地摆放到含40 ml的23% 聚乙二醇溶液或蒸馏水(CK)的发芽盒中,每盒摆放50 粒种子。期间,所有发芽盒放置在GZP-250A型智能人工气候培养箱(南京恒裕电子仪器厂)中,培养温度为25℃,光照时间为12 h。

1.2.3 测定指标

1.2.3.1 萌发指标及干鲜重

当胚根出现并延长至少2 mm时,每天记录发芽的种子数量,直到第7 d统计并计算相关种子萌发指标(发芽率、发芽势、发芽指数)。

发芽率=7 d内能正常发芽的种子数/供试种子总数×100%;

发芽势=发芽高峰时期的发芽种子数/供试种子总数×100%;

发芽指数=∑(Gt/Dt)(Gt是第t天的发芽数,Dt为相应的发芽时间)。

在萌发第7 d,选择20 株大麦幼苗测定幼芽干、鲜重和根干、鲜重以及对应的相对含水量(相对含水量=(FW-DW)/(SFW-DW)×100%;(FW:鲜重;DW:干重,材料高温杀青(108℃下烘30 min)后80℃烘干至恒重所得;SFW:饱和鲜重,材料常温蒸馏水浸泡至恒重所得)。

1.2.3.2 生理指标

取萌发7 d的大麦幼苗的根和芽部分,分别测定各生理指标。相对电导率测定用电导仪法[10]测定;丙二醛含量用硫代巴比妥酸比色法[10]测定;可溶性糖含量采用蒽酮比色法[11]测定;脯氨酸含量通过磺基水杨酸法[11]测定。超氧化物歧化酶活性用南京建成生物试剂盒(BC0170 )测定;过氧化物酶和过氧化氢酶活性按Maehly和Chance[12]方法测定。

1.3 数据处理

使用SPSS 25.0软件进行统计分析;用Duncan法进行多重比较,显著性差异水平为P<0.05;采用Microsoft Excel 2010绘制图表。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫下不同浓度芸苔素内酯浸种对大麦种子萌发的影响

研究表明,种子的发芽率和发芽势均随着聚乙二醇-6000浓度的升高,逐渐降低。当聚乙二醇-6000浓度达到22%时,种子的发芽率和发芽势均被显著抑制;当胁迫浓度达到25%后,种子发芽率低于10%,萌发进程几乎被完全抑制。只有在聚乙二醇-6000浓度为23%时,大麦种子发芽率约为对照的一半,达到半致死效果。图1

相比正常条件(CK),干旱胁迫使大麦种子的发芽率、发芽势和发芽指数均显著降低。在干旱胁迫条件下,将大麦种子进行芸苔素内酯溶液浸种处理,尤其是以5和25 μg/L的浓度处理,可显著提高大麦种子的发芽率,在发芽势和发芽指数上也观察到相似的提升作用,与只接受干旱胁迫处理(0 μg/L)相比,2种浓度芸苔素内酯处理下的大麦种子,其发芽率、发芽势和发芽指数分别提高了34.23%、65.74%、25.80%和45.45%、31.82%、47.70%。当芸苔素内酯溶液处理的浓度较高(如200 μg/L)时,开始出现抑制效果,发芽率和发芽势均显著降低,分别比仅干旱胁迫处理降低了21.92%、51.50%。芸苔素内酯溶液处理对大麦种子的萌发,呈低浓度促进,较高浓度抑制的趋势,且以5和25 μg/L芸苔素内酯溶液处理效果最好。表1

图1 不同浓度聚乙二醇-6000处理下大麦种子发芽势和发芽率变化

2.2 不同浓度芸苔素内酯对大麦种子幼苗生物量的影响

研究表明,干旱胁迫处理下,大麦幼苗的生长受到抑制,生物量显著降低。幼芽的干、鲜重比CK降低了68.69%和86.11%,根的干、鲜重比CK降低了44.74%和60.98%。相比于仅干旱胁迫处理(0 μg/L)下的大麦种子,经25 μg/L的芸苔素内酯溶液浸种处理后,其根和芽的干重均显著增高。随着芸苔素内酯溶液浓度的增加,在较高浓度芸苔素内酯溶液浓度(200 μg/L)处理下,出现抑制效果,生物量显著减少,与仅接受干旱胁迫处理(0 μg/L)的植物相比,根和芽的干重分别减少了10.07%和12.57%。在不同处理下,根冠比也发生了显著变化。与正常条件相比,干旱胁迫处理下的根冠比显著增加,而用芸苔素内酯溶液浸种处理后,除了200 μg/L外,根冠比均表现不同程度的降低。表2

表2 不同浓度芸苔素内酯下大麦幼苗生物量变化Table 2 Effect of different BL concentration on barley seedling biomass under drought stress

2.3 不同浓度芸苔素内酯对大麦根和芽中相对含水量、电导率以及丙二醛含量的影响

研究表明,干旱胁迫处理下,大麦种子根和芽中的相对含水量相比于正常条件(CK)显著降低,而电导率和丙二醛含量则显著升高。与仅干旱胁迫(0 μg/L)相比,5、25 μg/L的芸苔素内酯溶液浸种处理下,大麦种子根和芽中的相对含水量均明显升高,而其余浓度的芸苔素内酯处理下,则只对根或芽的其中一部分表现促进作用。不同浓度芸苔素内酯溶液浸种处理,使干旱胁迫下大麦种子幼根和芽中的电导率显著降低,其中以25 μg/L的芸苔素内酯溶液浸种处理降低效果最为明显。芸苔素内酯溶液浸种处理后,根和芽中的丙二醛含量均显著降低,其中,在根中以50 μg/L和芽中以25 μg/L的芸苔素内酯溶液浸种处理降低效果最为明显,相比仅干旱胁迫处理,分别降低了38.86%和19.53%。在较高芸苔素内酯溶液浓度(200 μg/L)处理下,相对电导率和丙二醛含量也比仅干旱胁迫处理相比显著降低。图2

图2 不同浓度芸苔素内酯的干旱胁迫下大麦根和芽中相对含水量、电导率以及丙二醛含量变化

2.4 不同浓度芸苔素内酯对大麦根和芽中脯氨酸和可溶性糖含量的影响

研究表明,与正常条件(CK)相比,在干旱胁迫处理下,可溶性糖含量明显增加,且幼芽内的可溶性糖含量明显高于根。仅干旱胁迫处理的根和芽中的可溶性糖含量比CK分别增加了1.30和2.34倍,施用5、25 μg/L的芸苔素内酯溶液的植物与仅受干旱胁迫的植物相比,芽的可溶性糖含量显著提高,分别提高了11.27%和12.53%。在根部,除5 μg/L处理外,施用芸苔素内酯溶液均可使干旱胁迫下可溶性糖含量显著增加。与CK相比,大麦幼苗中的游离脯氨酸水平在干旱胁迫下显著增加,且幼芽内的游离脯氨酸含量明显高于根。芸苔素内酯处理下,幼根和芽中的游离脯氨酸含量均可达到或超过仅干旱胁迫处理(0 μg/L)下的水平。在25 μg/L 芸苔素内酯处理植物的根和芽中最高的游离脯氨酸水平,比单独干旱胁迫处理高35.06%和20.63%。图3

图3 不同浓度芸苔素内酯对干旱胁迫下大麦根和芽中可溶性糖和游离脯氨酸含量变化

2.5 不同浓度芸苔素内酯对大麦根和芽中抗氧化酶活性的影响

研究表明,在干旱胁迫下大麦种子根和芽中过氧化氢酶、过氧化物酶以及超氧化物歧化酶活性均高于CK,且差异显著。5 、25及 50 μg/L的芸苔素内酯溶液处理下大麦种子根和芽中的过氧化氢酶活性均高于仅干旱胁迫(0 μg/L)处理,且均达到显著水平,在根和芽中分别比仅干旱胁迫处理提高了55.61%、69.02%、44.88%和28.29%、38.26%、26.63%,较高浓度处理则与CK无显著性差异。与仅干旱胁迫处理相比,25 μg/L的芸苔素内酯溶液处理使大麦种子芽中的过氧化物酶活性显著提高,50 μg/L浓度下显著降低,其余浓度处理无显著变化。根内,除5 μg/L处理组外,不同浓度芸苔素内酯溶液处理使干旱胁迫下过氧化物酶活性表现出逐步提高的作用,且达到显著水平。与仅干旱胁迫处理相比,5 和25 μg/L的芸苔素内酯溶液处理均可使大麦种子根和芽中的超氧化物歧化酶活性显著提高,芽中,200 μg/L的芸苔素内酯溶液处理使干旱胁迫下大麦芽中的超氧化物歧化酶活性显著降低,比仅干旱胁迫处理低14.47%。图4

图4 不同浓度芸苔素内酯对干旱胁迫下大麦根和芽中抗氧化酶活性变化

3 讨 论

虽然聚乙二醇-6000溶液处理模拟干旱胁迫已经非常普遍,但不同大麦品种抵抗聚乙二醇胁迫的差异比较大[13]。研究通过设定不同浓度的聚乙二醇-6000溶液处理新啤6号大麦种子,发现该大麦品种对聚乙二醇胁迫有相对较强的耐性,当聚乙二醇-6000溶液的处理浓度达到23%时才能达到半致死胁迫浓度。研究发现,适宜浓度芸苔素内酯溶液浸种可缓解干旱胁迫对大麦种子萌发的抑制。当浸种浓度为5、25、50 μg/L时,对种子发芽率和发芽势均有显著提升作用,而在较高浓度(200 μg/L)下,则表现出显著的抑制作用,与芸苔素内酯在水稻、燕麦等植物中缓解各种非生物胁迫拮抗的结果相类似[8,14,15]。

生物量是植物体内新陈代谢变化的外部指标,干旱胁迫引发的水分失衡,会使不同器官和组织间的水分分配发生变化,而地上部分和地下部分的生物量也会随之变化[2]。研究证实,23%的聚乙二醇模拟的干旱胁迫会导致植株地上和地下部分的生物量显著减少,且根冠比相比正常条件下生长的幼苗显著增加。Janeczko等[16]的研究发现,在正常条件下,高浓度(2.0 μM,约为961.36 μg/L)的2,4-表油菜素内酯浸种处理对小麦叶片和根系的生长以及植株上部的鲜重都有负面影响,而0.1 μM(约为48.07 μg/L)的浓度则促进了小麦叶片和根系的干物质积累,类似的发现也得到了Talaat等[17]和Wang等[18]的支持。研究发现适宜浓度的芸苔素内酯溶液浸种处理会促进大麦种子幼芽和根的生长,尤其是在25 μg/L处理下,芽和根的干、鲜重均显著增加。

植物水分亏缺的程度可以通过测量植物组织的水势和相对含水量来判断。此外,丙二醛是植物细胞膜脂过氧化伤害的主要产物之一,其含量通常用于评价膜脂过氧化程度。研究证实,相比于正常条件(CK),干旱处理明显降低了大麦种子根和芽中的相对含水量,并提高了相对电导率和丙二醛含量。适宜浓度的芸苔素内酯溶液可使干旱胁迫下大麦种子根和芽中的相对含水量显著提高,并降低相对电导率和丙二醛含量,与Hosseinpour等[19]的研究结果相符。

聚乙二醇-6000溶液处理引发的渗透胁迫,会使植物细胞吸水困难,甚者会使细胞大量失水,直至萎蔫,为了防止水分进一步流失,植物将通过产生更多诸如糖类和脯氨酸等渗透调节物质来降低水势,维持植物渗透稳态,提供植物耐旱性[20]。研究不仅证实了干旱胁迫下大麦幼苗中渗透调节物质(脯氨酸、可溶性糖)的产生和积累增加,而且发现适宜浓度的芸苔素内酯溶液浸种会使干旱胁迫条件下培养的大麦根和芽中的脯氨酸、可溶性糖含量有所提高。芽中可溶性糖含量以25 μg/L处理下的提升效果最为明显,而根部,以100和200 μg/L处理后的可溶性糖含量最高,这可能与较高浓度的芸苔素内酯处理明显抑制了根系发育有关。而脯氨酸含量在5和25 μg/L的芸苔素内酯处理下,在根和芽中的含量均显著高于仅干旱胁迫处理。Khan等[21]的研究表明,叶面喷施油菜素内酯,可使干旱条件下小麦中脯氨酸,可溶性糖、可溶性蛋白的含量显著改善。外源芸苔素内酯可以调控大麦幼苗体内脯氨酸和可溶性糖的变化,通过增加脯氨酸和可溶性糖的积累,提高渗透调节能力,调节细胞的渗透势,维持水分平衡,增强细胞代谢活力,提高大麦在萌发期的耐旱性。

应对氧化应激并增强对有害活性氧的清除,植物的内部抗氧化系统被激活,过氧化氢酶、过氧化物酶和超氧化物歧化酶就属于这一系统中的关键酶[22]。过氧化物酶和过氧化氢酶能清除植物体内累积的过氧化氢。在严重干旱胁迫条件下,喷施油菜素内酯可提高紫松果菊(Echinaceapurpurea)叶片中过氧化氢酶和过氧化物酶活性[19]。试验发现,干旱胁迫能显著提高大麦幼芽和根系的过氧化氢酶、过氧化物酶活性,25 μg/L的芸苔素内酯溶液处理可显著提升干旱胁迫下大麦根和芽中过氧化氢酶的活性,对芽中的过氧化物酶也是如此,而在根中过氧化物酶活性则表现出随着芸苔素内酯浓度的升高而逐渐升高的趋势。超氧化物歧化酶被描述为抵御活性氧的第一道防线,在不同类型的胁迫下,其活性的上升已被广泛报道。Surgun-Acara等[23]的研究表明,油菜素内酯处理增强了对砷胁迫下拟南芥中超氧化物歧化酶的活性。Wang等[18]的研究发现,1 μM油菜素内酯处理明显提高了干旱胁迫后桃叶的超氧化物歧化酶等酶的活性,缓解了干旱对桃叶的伤害。研究结果表明,与仅干旱胁迫相比,芸苔素内酯溶液处理也导致了更高的超氧化物歧化酶活性。适宜浓度的芸苔素内酯能提高大麦种子芽和根中过氧化氢酶、过氧化物酶和超氧化物歧化酶活性,与Talaat等[17]在玉米中所得结果相一致。

4 结 论

较高浓度(23%)的聚乙二醇-6000溶液显著抑制了大麦种子的萌发和幼苗的生长。适宜浓度的芸苔素内酯溶液浸种处理不仅对干旱胁迫下大麦种子的萌发指标表现出促进作用,还提高了大麦种子根和芽中的相对含水量,增加了脯氨酸和可溶性糖含量,提高了大麦幼苗的渗透调节能力,提高了抗氧化酶活性;减少膜损伤和维持膜的结构和稳定性来降低丙二醛含量,提高了大麦对干旱胁迫的耐受性,增加了地上部和根系的生物量。适宜浓度的芸苔素内酯溶液浸种对大麦种子萌发表现促进作用,芸苔素内酯可作为一种外源植物激素用于缓解干旱胁迫对早期大麦幼苗的损伤。