外源DA-6调控干旱胁迫下棉花种子萌发的生理机制

娄 慧, 朱金成, 杨若欢, 李志博, 张 薇

(石河子大学农学院,新疆石河子 832000)

棉花是我国重要的的经济作物,是天然植物纤维的主要来源。新疆是我国最大的植棉地区,经统计部门数据表明,2021年新疆棉花播种面积达 250.62万hm2,占全国棉花种植面积的82.76%;已连续25年保持单产、总产和调出量全国第一[1]。植物在整个生育期中,会受到各种生物和非生物胁迫的影响,如虫害、病害、盐碱、干旱等。其中,干旱对植物的影响很大[2]。试验表明,供水不足时会引起植物体内的水分和内源激素间平衡紊乱,导致氧化伤害以及细胞膜、蛋白质的损伤,严重影响作物生长及生理代谢功能。长时间的水分缺失则会严重影响植物生长,使其株高矮小和生物量减少,甚至死亡[3]。新疆是典型的干旱、半干旱地区,干旱胁迫是影响新疆棉花产量稳定的关键限制要素之一。因此,明确干旱胁迫对棉花种子萌发的影响,探寻运用植物生长调节剂提高棉花的耐旱性,对提升棉花的产量及品质,促进新疆棉花长期发展具有重大意义。

己酸二乙氨基乙醇酯(diethyl aminoethyl hexanoate,简称DA-6),是一种广谱性植物生长调节物质,具有化学性质稳定、易分解、无残留、价格低廉、使用方便等优点,因此深受欢迎[4-5]。大量研究证实,DA-6 能促进作物生长、增强作物的抗逆性[6-7]。喷施9 μg/g DA-6,可显著增加番茄幼苗的株高和茎粗,以及植株的干质量、鲜质量[8]。通过外源喷施10 mg/L DA-6,番茄在低夜温胁迫下的光合能力比对照组有所增强,可以提高其耐寒性[9]。利用DA-6浸种可显著影响棉花老化种子萌发及增强低温胁迫下幼苗的光合特性[10]。DA-6包衣处理可明显提高干旱胁迫下大豆的抗氧化酶活性,减少丙二醛(MDA)含量,进而保持植物体内活性氧的代谢平衡,并增加产量[11]。于小麦开花后6 d喷施6 g/L DA-6,可显著提高小麦种子的千粒质量及蛋白质含量,增强其种子活力,表明外源喷施DA-6是提升种子活力的有效途径[12]。

前人试验多采用DA-6外源喷施的方式,增加农作物产量和种子活力等,然而,关于使用植物生长调节剂DA-6缓解棉花干旱胁迫的报道较少。因此,以海岛棉品种新海14号作为试验材料,研究在模拟干旱胁迫下DA-6对棉花种子萌发指标及生理特性的影响,筛选缓解棉花种子干旱胁迫的DA-6最适浓度,为外源施用DA-6增强棉花种子抗旱性提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以海岛棉品种新海14号作为供试材料,DA-6购自郑州银海化工有限公司。

1.2 试验设计

试验于2021年3—6月在石河子大学农科楼进行。聚乙二醇(PEG)浓度筛选:取大小一致的棉种,用乙醇(75%)消毒8～10 min,蒸馏水洗涤3次,并晾干。放于铺有3层滤纸的发芽盒中,分别加入10 mL不同浓度(5%、10%、15%、20%、25%)的PEG溶液,以蒸馏水作为对照。每盒放40粒棉种,设3次重复,发芽盒放置在25 ℃培养箱中。每天定时加适量PEG溶液保持湿润,并记录发芽数直至发芽结束。根据记录的发芽数据选出最适PEG浓度。

外源DA-6处理:棉花种子经上述方法消毒后,分别用0 (CK)、15、25、50、75 mg/L的DA-6溶液浸种处理24 h,放置于阴凉通风处回干至种子原始含水量。放于铺有3层滤纸的发芽盒中,并加入10 mL 15% PEG-6000溶液。每盒放40粒棉种,设3次重复,发芽盒放置在25 ℃培养箱中。每天加适量DA-6溶液保持湿润,并记录发芽数直至发芽结束。发芽标准为种皮裂开,胚根突破种皮的胚芽长度超过棉花种子的50%。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 种子发芽能力的测定 以将培养皿放入培养箱的时间为准,每天同一时间统计发芽数,直至萌发结束。于第3天计算发芽势,第7天计算发芽率。计算公式参考夏军等的方法[13]。

发芽势=第3天的发芽数/种子总数×100%;

(1)

发芽率=第7天的发芽数/种子总数×100%;

(2)

发芽指数(GI)=∑(Gi/i)。

(3)

式中:Gi为在第i天萌发的种子个数。

1.3.2 胚根长度的测定 在种子萌发的最后一天,分别从5个不同浓度处理中取10粒种子,用游标卡尺测量其长度,重复3次。

1.3.3 萌发种子的干质量和鲜质量的测定 在种子萌发的最后一天,分别从5个不同浓度处理中取10粒种子,称其鲜质量,烘干后称其干质量,各重复3次。

1.3.4 生理指标的测定 在种子萌发的0、3、7 d,选取萌发程度相近的棉花种子(去掉外壳)3～5 g,用液氮速冻后,置于-80 ℃冰箱中备用。过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT) 、多酚氧化酶(PPO)、超氧化物歧化酶(SOD) 活性,丙二醛(MDA)、可溶性蛋白质(SP)、可溶性糖(SS)含量测定参考关明霄的方法[9]。

1.4 数据处理

使用Excel软件进行数据处理和作图,用GraphPad Prism 8软件进行相关性与差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同浓度PEG-6000处理对棉花种子萌发的影响

为筛选合适的PEG-6000浓度作为干旱胁迫处理浓度,本试验选取了5种不同浓度模拟干旱胁迫。由图1可知,棉花种子的发芽率随着PEG-6000浓度的增加呈现出逐渐下降的趋势。在5%的PEG-6000胁迫下,种子发芽率为70.66%,与对照相比,降低了5.07%,但差异不显著;10%、15%、20%、25%的PEG-6000胁迫下种子的发芽率均显著降低,与对照相比分别降低了25.61%、37.94%、54.37%、58.11%。表明PEG-6000浓度越高,对棉花种子萌发的抑制作用越严重。当PEG-6000的浓度为15%时,棉花种子的发芽率最接近对照组发芽率的50%,因此,本试验选择该浓度作为干旱胁迫处理的最适浓度。

2.2 DA-6浸种处理对干旱胁迫下种子萌发特性的影响

由表1可知,在15%的PEG-6000模拟干旱条件下,DA-6处理组的发芽率、发芽势及发芽指数均显著高于CK,且随着DA-6浓度的增加,3个萌发指标均表现出先升后降的变化趋势。当DA-6处理浓度为50 mg/L时,棉花种子发芽率、发芽势及发芽指数均达到最高,分别是75.63%、66.88%、37.49,比对照分别增加124.09%、122.93%、171.67%,但随着DA-6处理浓度达到75 mg/L时,种子的发芽率、发芽势及发芽指数却与25 mg/L时接近。结果表明,适宜浓度的DA-6处理能有效减轻干旱胁迫对种子的影响,促进种子萌发;过低或过高浓度的DA-6对干旱胁迫的缓解作用较小。

表1 不同浓度DA-6对干旱胁迫下种子萌发的影响

发芽至第7天时,测量种子的胚根长度以及干质量、鲜质量。从图2、图3可以看出,与对照相比,DA-6 处理能显著增加干旱胁迫下棉花种子胚根长度以及干质量、鲜质量,且随着DA-6处理浓度的增加,呈现出先上升后下降的趋势,在50 mg/L DA-6处理下,种子胚根长度以及干质量、鲜质量均达最大值,与对照相比,分别增加了116.13%、45.00%、24.61%。表明在干旱胁迫下,适宜的 DA-6 浓度能缓解干旱胁迫对胚根造成的损害,促进种子的生长。

2.3 DA-6浸种处理对干旱胁迫下棉花种子抗氧化酶活性的影响

抗氧化酶SOD、POD、CAT、PPO等对植物生长发育极为重要,它们的主要作用是去除植物体内过多的活性氧,而活性氧会影响植物生长发育,故而认为植物体内的抗氧化酶能减轻逆境胁迫造成的损害[6,14-15]。

从图4可以看出,在干旱胁迫下,棉花种子中POD活性随着萌发期的延长均呈逐渐上升的变化趋势。萌发3 d和7 d时,DA-6处理组的POD活性都比未使用DA-6的对照显著提高。种子萌发 3 d 和7 d时,在50 mg/L DA-6处理下,POD活性均显著高于其他浓度处理,与CK相比,POD活性分别提高了60.00%和62.16%,表明用 DA-6浸种能显著提高干旱胁迫下棉花种子中POD的活性,其中 50 mg/L DA-6处理效果最好。

如图5所示,干旱胁迫下,CK和DA-6 4个浓度处理组的PPO活性在种子萌发期都呈现出先升高后降低的变化趋势。萌发0 d时,各处理之间PPO活性无显著差异;萌发3 d时,PPO活性迅速上升并达到最高,且DA-6处理组的PPO活性均显著高于CK,与CK相比,PPO活性分别提高了31.75%、22.98%、53.54%、33.08%,其中50 mg/L DA-6处理下种子的PPO活性最高,为998 U/g,表明DA-6浸种能显著增加干旱胁迫下棉花种子中PPO的活性,且以50 mg/L DA-6处理效果最好。

由图6可知,CAT活性变化趋势与PPO活性基本一致。从萌发0 d开始直至7 d萌发结束,棉花种子中CAT活性变化表现为先升高后降低,在萌发 3 d 时各处理的CAT活性达到最大,分别为17.03、15.80、19.80、17.14 U/g,其中DA-6浓度为 50 mg/L 时,CAT活性与比CK相比提高了64.59%。说明在干旱胁迫下50 mg/L的DA-6处理对CAT活性的增加效果最明显。

如图7所示,SOD活性在不同浓度DA-6处理下,从萌发0 d至7 d均展现出先升高后下降的变化趋势。DA-6处理下SOD活性高于CK,在萌发3、7 d 时,50 mg/L DA-6处理下SOD活性分别为289、230 U/g,分别比CK显著提升了14.23%、36.09%,并且50 mg/L处理下SOD活性均高于其他3个浓度处理。结果表明,DA-6能有效提升模拟干旱胁迫条件下棉花种子的抗氧化酶活性,进而减轻对种子萌发抑制的影响及对种子的损伤。

2.4 DA-6浸种处理对干旱胁迫下棉花种子MDA含量的影响

丙二醛(MDA)作为膜脂过氧化过程的生成物质,它通常被当作是膜脂过氧化的指标,植物体内MDA含量的变化能够在一定程度上反映出干旱胁迫给植物体造成的损伤[16]。从图8可以看出,干旱胁迫下对照种子中的MDA含量明显增加,且随着萌发时间的延长,其含量持续上升,萌发7 d时,其含量达20.20 nmol/g,比0 d的CK增加了55.26%,说明干旱胁迫下会产生植物膜脂过氧化的损伤。DA-6处理组中,除50 mg/L DA-6处理组外,其他3个处理的MDA含量虽随萌发时间的延长也呈缓慢上升趋势,但上升幅度低于CK;DA-6浸种浓度为50 mg/L时,在萌发3、7 d时,种子中MDA含量均显著低于同时期的对照,与未进行干旱胁迫时的含量接近,说明DA-6处理能在一定程度上缓解干旱胁迫引起的膜脂过氧化损伤,其中50 mg/L DA-6 处理组的效果较好。

2.5 DA-6浸种处理对干旱胁迫下棉花种子渗透调节物质含量的影响

可溶性糖(SS)、可溶性蛋白(SP)作为重要的渗透调节物质,可起到保持植物体生物膜结构稳定的作用[17]。如图9所示,在干旱胁迫下,随着棉花种子萌发期的延长,DA-6处理组和CK种子中SS含量均呈现先增加后减少的变化趋势,且DA-6处理组种子的SS含量均高于CK。萌发3、7 d,50 mg/L DA-6浸种处理SS含量达到最高,分别为28.00、22.32 mg/g,与同时期CK相比,分别增加了86.67%、81.46%。

可溶性蛋白(SP)与可溶性糖(SS)的含量变化趋势类似(图10)。在干旱胁迫下,随着萌发期的延长,DA-6处理组和CK种子中SP含量均呈现先增加后减少的变化趋势,且DA-6处理过的种子的SP含量均高于未使用DA-6处理的种子。萌发3、7 d,50 mg/L DA-6处理的SP含量均极显著高于同期CK种子中的含量。上述结果表明,DA-6处理能有效提高干旱胁迫下SS和SP的含量,减轻干旱胁迫对细胞膜的伤害。

3 讨论与结论

3.1 DA-6浸种处理对种子萌发的影响

种子萌发是作物生长发育的第一步,种子能顺利发芽,是植物生存的基本条件。种子萌发阶段是对水分缺失最敏感的时期,干旱会抑制种胚发育。利用生长调节剂作用于植物体,能在一定程度上促进其生长,提高对逆境胁迫的抗性[18]。DA-6作为一种细胞分裂类生长发育调节作用的有机化合物,具有多种功能,有促进植物生长的作用[19]。以向日葵为研究对象,通过试验发现,DA-6浸种能促进种子萌发,显著提高种子发芽率、发芽势、发芽指数以及活力指数[20]。以水稻种子为研究对象,研究DA-6对种子萌发的影响,结果表明DA-6处理能促进水稻种子萌发[21]。本研究结果表明,在干旱胁迫下棉花种子的各项萌发指标随DA-6浓度增加而表现出先升高后降低的趋势,进一步证实了 DA-6 对种子萌发的促进作用,且DA-6浓度为 50 mg/L 时,棉花种子的发芽势、发芽率、胚根长度以及生物量均达到最大值。

3.2 DA-6浸种处理对种子抗氧化酶活性的影响

植物面对各种逆境胁迫时会利用自身的抗氧化酶机制进行自我保护,清除活性氧并减轻对细胞膜的伤害[22-23]。通过研究发现,在干旱条件下,DA-6 浸种大豆可减少苗期叶片MDA的积累,提高了抗氧化酶的活性,表明DA-6浸种可增强苗期对不良环境的抵抗能力[24]。相关研究表明,使用不同浓度DA-6对水稻苗期进行喷施处理,其中以 5 μg/L 处理效果最好,与对照相比抗氧化酶活性显著增加,MDA含量有所下降[25]。通过对玉米种子进行24 h的DA-6浸种处理,结果表明其过氧化氢酶活性与对照组差异明显,活性显著增强[26]。本研究发现,与对照相比,棉花种子在不同浓度DA-6浸种处理下均增强了SOD、PPO、CAT、POD活性,DA-6能够促进棉花种子激活体内的抗氧化系统,缓解模拟干旱胁迫所引起的膜脂过氧化伤害。此外,本研究还发现,随着种子萌发期的延长,棉花种子抗氧化酶活性均表现出先上升后下降的趋势。本试验通过对棉花种子MDA含量的测定发现,MDA含量随着萌发期的延长逐渐上升,说明干旱胁迫会造成植物体内MDA含量上升,造成细胞膜损伤,经过DA-6浸种处理的种子体内的MDA含量低于对照,且随着萌发时间的延长上升幅度显著低于对照。说明DA-6能在一定程度上延缓干旱胁迫下植物体内MDA含量的上升速度,减轻植物体因干旱胁迫所受到的伤害。

3.3 DA-6浸种处理对种子渗透调节物质含量的影响

可溶性糖(SS)和可溶性蛋白(SP)是细胞重要的成分,对渗透调节起关键作用[25]。研究发现藜麦种子经DA-6浸种处理后,其SS和SP含量显著高于蒸馏水对照[27]。在低温胁迫下,通过DA-6浸种可显著增加棉花老化种子的SS及SP的含量[10]。使用DA-6对玉米种子进行浸种处理,相较于对照组,其SS和SP含量明显增高[26]。本研究结果与前人所得结论相一致,棉花种子的SS和SP含量均随着发芽时间的延长表现出先升高后降低的变化趋势。说明DA-6有利用作物渗透调节物质的积累。

综上所述,不同浓度的DA-6浸种能改善 PEG-6000 模拟干旱胁迫下棉花种子的发芽率、发芽势、发芽指数、胚根长以及干鲜质量,促进种子萌发,增加种子中渗透调节物质SS、SP的含量,增强抗氧化酶POD、SOD、PPO、CAT的活性,降低MDA的积累,从而增强对干旱胁迫的抵御能力,其最适合的 DA-6浸种浓度为50 mg/L。