NaCl胁迫下西瓜种子对蛭石引发的响应

姚东伟, 刁倩楠, 陆世钧, 孙 建, 张永平

(1.上海市农业科学院园艺研究所/上海市设施园艺技术重点实验室, 上海 201403;2.上海农科种子种苗有限公司, 上海 201106)

西瓜(Citrulluslanatus(Thumb.) Matusm &Nakai)是世界十大水果之一,是我国重要的经济作物,栽培面积和产量均居世界首位。西瓜对盐比较敏感,不耐盐碱,土壤盐渍化严重影响西瓜的生长和发育,降低西瓜的产量和品质。不少学者在缓解西瓜盐害的种子处理方法方面进行了探索,耿书德等[1]研究发现,外源褪黑素浸种可以提高盐胁迫下西瓜幼苗根系活力和净光合速率,促进幼苗生长;马广民等[2]研究发现,水杨酸处理对于西瓜盐害具有缓解作用,可以促进盐胁迫下西瓜种子萌发和幼苗生长;贺滉等[3]研究发现,茉莉酸甲酯、氯化钙和脯氨酸浸种处理能够缓解盐胁迫对西瓜种子的伤害,促进西瓜种子的萌发。

种子引发可以加快种子萌发,提高种子在发芽逆境下的发芽速度和出苗率[4]。Nawaz等[5]研究发现,砂引发能够促进番茄(LycopersiconesculentumMill.)种子在盐胁迫下的发芽;Nasri等[6]发现,KNO3引发可以促进生菜(LactucasativaL.)种子在盐胁迫下的萌发,提高幼苗磷酸酶和植酸酶活性;Fazlali等[7]发现,利用抗坏血酸引发可以诱导南瓜(Cucurbitapepovar.styriaca)耐盐性。适宜萌发条件下引发对西瓜种子的促萌作用已有报道[8-10],但引发对盐胁迫下西瓜种子萌发和幼苗生长影响报道较少。本研究通过蛭石引发西瓜种子,测定不同盐胁迫水平下西瓜种子萌发及幼苗相关生理指标的影响,探讨蛭石引发缓解西瓜盐胁迫的生理机制,为引发在西瓜生产上应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试西瓜品种为 “小皇冠” “早佳8424”,均来自上海农科种子种苗有限公司,引发蛭石由新疆尉犁新隆有限责任公司提供,种子萌发袋购于北京启维益成科技有限公司。

1.2 种子引发

种子经0.1% HgCl表面消毒5 min后, 按照种子和蛭石1∶2质量比混合, 再加入蒸馏水,蒸馏水质量为种子和蛭石总质量的35%, 搅拌均匀置于烧杯中, 在 20 ℃黑暗条件下引发4 d, 每天进行搅拌。最佳比例和时间通过预实验筛选测定。引发结束后, 用筛子将蛭石和种子分离,再用水冲洗干净种子, 然后在鼓风干燥箱中35 ℃干燥24 h待用。

1.3 种子发芽

试验在上海市农业科学院园艺研究所进行,2022年2月7日进行种子蛭石引发,2月14日进行种子发芽试验,分别将2个西瓜品种的未引发种子和引发种子放入萌发袋(大号),每袋25粒种子,每袋分别加入不同浓度(0,50,75,100,125 mmol/L)NaCl溶液40 mL,每袋一个处理,每处理4次重复。发芽在光照培养箱内进行,温度设置25 ℃恒温,12 h光照/12 h黑暗循环,光强4 000 lx,相对湿度70%。每日统计发芽数(以胚根长度大于1 cm为发芽标准),第3天统计发芽势,第10天统计胚根长、胚芽数、胚轴长、发芽率,并进行胚根取样测定生理指标。

发芽势/%=(3 d内发芽种子数/供试种子数)×100%;

发芽率/%=(10 d内发芽种子数/供试种子数)×100%;

胚芽数/%=(10 d内子叶长出的发芽种子数/供试种子数)×100%;

胚根长为种子放置位置到根尖的距离,胚轴长为种子放置位置到子叶的距离。

1.4 测定指标

超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、丙二醛(MDA)、过氧化氢(H2O2)、可溶性糖含量的测定参照苏州科铭生物技术有限公司试剂盒说明书进行。

1.5 数据分析

数据采用Excel软件绘图,显著性分析采用SPSS 16.0软件进行。

2 结果与分析

2.1 蛭石引发对NaCl胁迫下西瓜种子萌发的影响

由表1可知,非盐胁迫下,2个西瓜品种未引发处理和引发处理的种子发芽率没有显著性差异,引发处理可显著提高种子发芽势及胚根和胚轴长度,“小皇冠”和“早佳8424”引发处理种子的发芽势分别比未引发处理提高了46%和34%。

表1 引发对NaCl胁迫下西瓜种子萌发的影响

随着NaCl溶液浓度的升高,2个西瓜品种未引发处理种子的发芽率、发芽势逐渐降低,胚根和胚芽长度逐渐减少。“小皇冠”种子A 1～A 4处理的发芽率分别比A 0(非盐胁迫)减少了5%,27%,56%,74%,“早佳8424”种子A 1～A 4处理的发芽率分别比A 0减少了6%,26%,47%,74%,A 4(125 mmol/L NaCl)处理条件下,“小皇冠”种子胚芽已不能生长,“早佳8424”种子胚芽数仅6个,说明该浓度下西瓜种子已无法正常萌发,“早佳8424”的耐盐性好于“小皇冠”。

随着NaCl溶液浓度的升高,2个西瓜品种引发处理种子的发芽率、发芽势也表现为逐渐降低,胚根和胚芽长度逐渐减少。“小皇冠”种子B 1～B 4处理的发芽率分别比B 0(非盐胁迫)减少了1%,9%,28%,47%,“早佳8424”种子B 1～B 4处理的发芽率分别比B 0(非盐胁迫)减少了1%,11%,23%,43%。2个品种引发处理发芽率随NaCl溶液浓度升高下降的幅度低于未引发处理。在50 mmol/L NaCl条件下,2个西瓜品种引发处理的发芽率与正常发芽条件没有显著性差异。100 mmol/L NaCl条件下,“小皇冠”西瓜引发处理的发芽率、发芽势、胚根长、胚芽数分别比未引发处理提高了29%,21%,61.00%,150.00%;“早佳8424”西瓜引发处理的发芽率、发芽势、胚根长、胚芽数分别比未引发处理提高了25%,25%,81.54%,56.67%。

2.2 蛭石引发对NaCl胁迫下西瓜幼苗保护酶活性的影响

由图1可以看出,非盐胁迫下,2个西瓜品种胚根中SOD、POD和CAT活性引发处理显著高于未引发处理,其中“小皇冠”西瓜引发处理胚根中SOD、POD、CAT的活性分别比未引发处理增加了38.45%,28.00%,60.63%;“早佳8424”西瓜引发处理胚根中SOD、POD、CAT的活性分别比未引发处理增加了21.69%,54.39%,92.86%。

注:不同小写字母表示处理之间的差异显著(p<0.05)。下同。

盐胁迫下,未引发处理的2个西瓜品种胚根SOD酶活性升高,其中“小皇冠”西瓜A 3和A 4处理胚根中SOD酶活性显著高于A 0;“早佳8424”西瓜4个不同浓度盐胁迫处理的SOD酶活性差异不显著。引发处理的2个西瓜品种胚根的SOD酶活性随着NaCl溶液浓度的升高而增加,其中B 4处理最高,“小皇冠”和“早佳8424”B 4处理胚根中SOD酶活性分别比B 0增加了206.00%,68.59%,分别比A 0增加了23.66%,105.17%。

NaCl胁迫下,“小皇冠”西瓜未引发处理和引发处理胚根POD酶活性均表现为随着NaCl溶液浓度的升高而增加,其中在50 mmol/L、75 mmol/L、100 mmol/L处理下,引发处理胚根POD酶活性均显著高于未引发处理,分别提高了52.42%、49.27%、15.46%。“早佳8424”种子未引发处理胚根POD酶活性表现为随着NaCl溶液浓度的升高而增加,引发处理胚根POD酶活性表现为随着NaCl溶液浓度的升高先增后降,其中在50 mmol/L、75 mmol/L的处理下,引发处理胚根POD酶活性显著高于未引发处理,分别提高了43.23%,35.59%;在100 mmol/L的处理下,引发处理与未引发处理的胚根POD酶活性差异不显著;在125 mmol/L的处理下,引发处理胚根POD酶活性显著低于未引发处理。

NaCl胁迫下,“小皇冠”种子未引发处理和引发处理胚根CAT酶活性均表现为随着NaCl溶液浓度的升高而增加,在50 mmol/L、75 mmol/L、100 mmol/L、125 mmol/L的处理下,引发处理CAT酶活性均相应高于未引发处理,分别比未引发处理增加了35.04%,34.03%,29.36%,41.28%。“早佳8424”种子未引发处理和引发处理胚根POD酶活性均表现为随着NaCl溶液浓度的升高先增后降,在50 mmol/L、75 mmol/L、100 mmol/L、125 mmol/L的处理下,引发处理CAT酶活性相应比未引发处理分别增加了33.17%,7.90%,55.03%,69.73%。

2.3 蛭石引发对NaCl胁迫下西瓜幼苗MDA和H2O2含量的影响

由图2可知,非盐胁迫下,2个西瓜品种胚根中MDA含量和H2O2含量引发处理显著低于未引发处理,其中“小皇冠”西瓜引发处理胚根中MDA和H2O2的含量分别比未引发处理降低了25.68%,42.86%;“早佳8424”西瓜引发处理胚根中MDA和H2O2的含量分别比未引发处理降低了35.55%,32.34%。

图2 引发对NaCl胁迫下西瓜幼苗MDA和H2O2含量的影响

NaCl胁迫下,“小皇冠”西瓜未引发处理胚根MDA和H2O2的含量均表现为随着NaCl溶液浓度的升高而增加,引发处理胚根MDA和H2O2的含量在相应浓度的NaCl胁迫下均低于未引发处理。在50 mmol/L、75 mmol/L、100 mmol/L、125 mmol/L的处理下,“小皇冠”种子引发处理胚根MDA含量分别比未引发处理降低了21.37%,14.62%,21.22%,26.04%。

“小皇冠”种子引发处理胚根H2O2含量分别比未引发处理降低了21.89%,7.69%,22.54%,19.33%;“早佳8424”西瓜引发处理胚根MDA含量分别比未引发处理降低了34.44%,18.03%,11.07%,14.58%;“早佳8424”西瓜引发处理胚根H2O2含量分别比未引发处理降低了22.86%,6.99%,9.89%,17.27%。

2.4 蛭石引发对NaCl胁迫下西瓜幼苗可溶性糖含量的影响

由图3可知,非盐胁迫下,2个西瓜品种胚根中可溶性糖含量引发处理显著高于未引发处理,“小皇冠”和“早佳8424”西瓜引发处理胚根中可溶性糖含量分别比未引发处理增加了103.70%,125.47%。

图3 引发对NaCl胁迫下西瓜幼苗可溶性糖含量的影响

NaCl胁迫下,“小皇冠”西瓜未引发处理胚根中可溶性糖含量增加,A 2～A 4处理间差异不显著;在50 mmol/L、75 mmol/L、100 mmol/L、125 mmol/L的处理下,“小皇冠”种子引发处理胚根中可溶性糖含量相应的比未引发处理分别增加了78.52%,37.77%,60.92%,63.56%。“早佳8424”西瓜A 1～A 4处理胚根中可溶性糖含量显著高于A 0,但A 1～A 4处理间差异不显著;“早佳8424”西瓜引发处理胚根中可溶性糖含量表现为随着NaCl溶液浓度的升高而增加,且显著高于相应盐浓度下的未引发处理。

3 讨 论

本试验利用种子萌发袋发芽的方法测定不同浓度NaCl胁迫下西瓜种子萌发情况,随着盐浓度的增加,西瓜种子发芽势、发芽率、胚根和胚轴长度逐渐下降,这与孙敏红等[11]的研究结果一致。随着NaCl浓度的增加,2个西瓜品种引发处理的发芽率也逐渐下降,但下降幅度小于未引发处理,在50 mmol/L NaCl胁迫下,引发处理的西瓜种子的发芽势和发芽率与非盐胁迫没有显著性差异,不同浓度盐胁迫下,引发处理的发芽势和发芽率均高于未引发处理,说明蛭石引发处理提高了西瓜种子在盐胁迫下的发芽能力。

盐胁迫可以通过氧化胁迫、渗透胁迫和干扰水势及离子分布稳态等方面影响种子发芽。盐胁迫下,细胞内产生和消除活性氧(ROS)的动态平衡被打破,导致ROS大量积累,对细胞造成毒害,引发可以通过提高植物抗氧化能力缓解盐胁迫伤害。Nawaz等[5]研究发现,砂引发能够提高盐胁迫下番茄幼苗CAT、POD、SOD和抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性, 减少MDA的积累,从而增强番茄幼苗的耐盐能力。Chen等[12]研究发现,渗透引发增强了低温胁迫下菠菜(Spinaciaoleracea)幼苗抗氧化剂含量,提高了抗氧化能力,促进了菠菜种子在低温胁迫下的萌发。本研究中,盐胁迫下,经过引发处理的2个西瓜品种幼苗胚根中SOD、POD、CAT酶活性提高,说明引发后西瓜幼苗抗氧化能力增强,2个品种氧化酶活性随NaCl浓度变化的规律不完全一致,这可能与品种有关。

NaCl胁迫下,植物体内活性氧自由基大量积累,会启动细胞膜脂过氧化反应,膜脂过氧化使得细胞膜通透性增强,内容物渗漏,影响种子发芽,膜脂过氧化会造成MDA积累,MDA的积累可以看成是细胞膜受到损害遭受氧化胁迫的指示剂。本研究中,经过引发处理的西瓜幼苗胚根中MDA含量不仅在非盐胁迫下显著低于未引发处理,在不同浓度NaCl下均显著低于未引发处理,说明引发处理可以减少膜脂过氧化产物的积累,缓解盐胁迫对西瓜幼苗的伤害。

细胞内H2O2的水平是活性氧过量积累的信号,高水平的H2O2会对细胞造成严重伤害。本研究发现,未引发处理的西瓜幼苗胚根H2O2酶活性随着NaCl溶液浓度的升高而增加,而经过引发处理的西瓜幼苗胚根H2O2酶活性均显著低于未引发处理,且在75～125 mmol/L NaCl浓度下差异不显著,说明引发处理能够减少西瓜幼苗体内H2O2的积累,从而缓解盐胁迫对西瓜幼苗的伤害。

植物对高盐诱导的渗透胁迫的一种应答方式是渗透调节物质的合成和积累,有机溶质的积累可以降低细胞的水势,从而吸收更多的水分。阮松林等[13]研究发现引发处理提高了盐胁迫后水稻幼苗可溶性总糖、果糖及水稻幼苗耐盐指数。本研究中,无论是非盐胁迫还是盐胁迫,经过引发处理的西瓜幼苗胚根中可溶性糖含量显著高于未引发处理,说明引发可以促进西瓜幼苗可溶性糖的积累,减轻盐胁迫对西瓜幼苗的伤害。

种子引发是商业化生产中为促进种子萌发使用的一种处理技术,有水引发、渗透引发、基质引发等不同方法[4,14],研究者一般采用渗透引发方法将种子浸泡在NaCl、脯氨酸、甜菜碱溶液中处理种子来提高作物耐盐性[15]。本研究采用蛭石引发的方法,引发剂为水,没有添加渗透调节物质,可以提高西瓜幼苗耐盐性。西瓜引发过程中种子含水量控制在30%～35%之间,可以看作是干旱胁迫,引发过程中可以诱导胁迫反应,引发结束后种子被重新干燥,可能存在“胁迫记忆”,诱导交叉耐性,当引发种子在盐胁迫条件下萌发时,产生胁迫反应,从而提高抗盐性[16]。