干旱胁迫下外源硫化氢对芸豆苗期光合与生理特性的影响

王景伟,曹 迪,陈舒娅,杨 硕,程泽龙,张 涵,黄玉兰

(黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院,黑龙江 大庆 163319)

水分是作物生命活动最重要的环境因子之一,也是产量形成最主要的限制因子。目前,全球变暖导致干旱加剧,作物生长发育过程常受干旱胁迫影响[1]。研究作物的耐旱性、提高其抗旱性成为农业领域的热门课题。研究表明,干旱胁迫会引起作物体内缺水,生长发育受阻,代谢机能紊乱,光合与呼吸作用异常,激发活性氧大量产生并累积,细胞膜系统受损,叶片萎蔫、脱落,库源结构破坏,导致产量和品质降低,给农业生产造成严重的经济损失[2-3]。近年来,通过补充外源物质提高作物抗旱性的研究较多,杜卓等[4]等研究发现,叶面喷施外源褪黑素可以增强干旱胁迫下玉米幼苗的生长能力,降低膜脂过氧化水平,使玉米抗旱性提升;宁朋等[5]等发现外源一氧化氮(NO)处理可以增加滇润楠幼苗渗透调节物质含量,增强抗氧化酶活性,从而提高植株抗旱能力。H2S是一种无色、易燃并具有臭鸡蛋气味的气体,是继NO和CO之后的第三大新型信号分子,可以促进植物种子萌发,诱导不定根发育,增强光合作用,缓解非生物胁迫对植株造成的伤害等,在植物抗逆胁迫中具有重要作用[6-9]。刘晶[9]研究发现,在干旱胁迫下,0.75 mmol·L-1的H2S供体NaHS能够提高水稻种子中抗氧化酶活性,增加抗氧化物质含量,有效清除H2O2,抑制质膜透性和MDA含量的增加,促进种子萌发。丁会纳[7]发现,叶面喷施 NaHS可以显著提高干旱胁迫下小麦旗叶叶绿素含量,增加抗氧化酶活性,降低H2O2和MDA含量,进而提高小麦产量。阚文杰等[10]通过外源喷施NaHS缓解了干旱胁迫对小麦幼苗生长的抑制效应,其光合效率、抗氧化酶活性、Pro含量均显著增加,MDA和H2O2含量显著降低。在绿豆、红小豆、板栗、黄瓜、高山离子芥、裸燕麦等作物的研究中也得出了类似结论[11-15],但喷施外源H2S供体NaHS对芸豆影响的报道尚不多见。芸豆是栽培面积仅次于大豆的食用豆类作物,亦粮亦蔬,品种繁多,营养价值较高。本文通过研究干旱胁迫下喷施不同浓度NaHS溶液对芸豆苗期叶片光合及生理特性的影响,探究外源H2S对芸豆干旱胁迫的调控效应,以期为深入研究H2S调节干旱胁迫的机制提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及试验方案

供试材料为奶花芸豆(PhaseoluscoccineusL)2422,种子购自黑龙江省大庆市奋达种子公司。NaHS购自Sigma公司。

试验在防雨棚内采用盆栽法进行。PVC塑料桶高30.0 cm,底直径31.5 cm,每桶装土12.0 kg±0.5 kg。供试土壤为草甸土,取自农田5～20 cm土层土壤,肥力较高。芸豆于2021年5月22日播种,每桶内播种5穴,播深3 cm。6月10日第3片叶展开时定苗,每桶留3株,定苗后开始进行水分处理(对照CK正常供水,土壤含水量为田间最大持水量的75%±5%;干旱胁迫处理土壤含水量保持田间最大持水量的50%±5%),2 d后进行NaHS(H2S供体)喷施处理,共6个处理:正常供水+喷施0 mmol·L-1外源NaHS溶液为对照(CK),干旱胁迫+喷施0 mmol·L-1(MD)、0.1 mmol·L-1(T1)、0.2 mmol·L-1(T2)、0.4 mmol·L-1(T3)、0.8 mmol·L-1(T4)外源NaHS溶液为不同浓度处理。干旱胁迫处理于每天17∶50采用称重法控水,隔天早晚各喷施1次NaHS溶液至叶片滴水自然落下,共喷施3 d,每盆喷施量约30 mL。因芸豆田间缺水是暂时性的,一般不会超过7 d,因此选定6 d后(6月18日)停止干旱胁迫和喷施NaHS溶液并复水。复水后的第5天(6月22日)和第10天(6月27日)各取样1次,每2盆作为1个重复,共3次重复,样品一部分用于测定生理指标,另一部分液氮速冻后,置于-80℃超低温冰箱保存,进行后续指标测定。

1.2 试验指标测定

1.3 数据分析

用Excel 2016进行数据处理和作图,用SPSS 25进行单因素方差分析(ANOVA)及Pearson相关系数计算,用Duncan法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫下不同浓度外源H2S对芸豆光合特性的影响

与CK相比,MD对光合作用的影响较为显著,复水后5 d的Pn、Tr、Gs和Ci分别比CK降低了51.29%、55.80%、58.73%和60.48%,复水后10 d分别降低了48.79%、52.30%、49.32%和63.72%,差异显著(P<0.05);随着复水时长的增加,光合参数持续增加(表1,图1)。表2所示为各喷施外源NaHS处理较不喷施处理(MD)光合与生理特性指标的变化率情况,喷施外源NaHS后,光合参数均随NaHS溶液浓度的增加呈先升后降的趋势,复水后5 d时T1～T4的Pn分别比MD增加24.97%、56.72%、53.63%和18.10%,T2、T3与MD差异显著;复水后10 d时T1～T3的Pn分别比MD增加59.74%、49.83%和9.43%,而T4降低了10.07%,T1、T2与MD差异显著(表2,图1A)。各处理Tr、Gs和Ci的变化趋势与Pn类似(表2,图1B、1C、1D)。综上可知,MD显著降低了芸豆叶片的光合效率,外源H2S对干旱胁迫产生了缓解作用,且T2作用效果最好,表明喷施低浓度NaHS可缓解干旱胁迫对芸豆光合性能的影响,当浓度超过0.4 mmol·L-1后缓解效应不显著,甚至出现负效应。

2.2 干旱胁迫下不同浓度外源H2S对芸豆抗氧化酶活性的影响

干旱胁迫下,植物体内的抗氧化酶作为保护细胞的重要酶类,能够清除细胞内产生的活性氧,避免植物遭受过氧化伤害。与CK相比,MD处理SOD、POD、CAT和APX 活性均显著增加,复水后5 d分别增加了27.47%、38.50%、78.28%和37.94%,复水后10 d分别增加了51.37%、25.62%、54.55%和22.00%,差异显著;随着复水时长的增加,抗氧化酶活性持续增加(表1,图2)。喷施外源NaHS后,随喷施浓度的增加酶活性呈先升后降的趋势,复水后5 d时T1～T4的SOD活性分别比MD增加了41.07%、28.40%、31.30%和0.17%,T1、T2和T3显著增加;复水后10 d时T1～T4的SOD活性分别比MD增加17.36%、47.52%、24.87%和11.31%,T1、T2和T3增加显著,T2最大且显著高于其他处理(表2,图2A)。POD、CAT和APX活性的变化趋势与SOD类似(表2,图2B、2C、2D)。结果说明,MD使芸豆叶片体内的抗氧化酶活性显著提高,外源H2S使提高幅度显著增大,且随NaHS喷施浓度增加表现为先升后降趋势;综合考虑T2酶活性最大,说明其在缓解干旱对植株造成的伤害方面效果最佳。

表1 干旱胁迫下芸豆叶片光合参数与生理特性的变化率/%

表2 干旱胁迫下H2S对芸豆叶片光合与生理特性的影响/%

注:不同小写字母表示相同复水时间内不同处理间差异显著(P<0.05)。下同。

2.3 干旱胁迫下不同浓度外源H2S对芸豆膜脂过氧化指标的影响

2.4 干旱胁迫下不同浓度外源H2S对芸豆渗透调节物质的影响

Pro和SS是植物体内非常重要的渗透调节物质,与CK相比,MD处理Pro和SS含量均显著增加,复水后5 d分别增加了55.55%和30.98%,复水后10 d分别增加了35.32%和36.84%,差异显著;复水时长增加,渗透调节物质含量增加(表1,图4)。喷施外源NaHS后,Pro和SS含量呈先升后降的趋势,复水后5 d时T1～T4的Pro含量分别比MD增加了34.27%、38.56%、14.90%和2.13%,T1和T2显著增加,T3和T4差异不显著;复水后10 d时T1～T4的Pro含量分别比MD增加了36.33%、15.03%、26.76%和1.28%,T1和T3显著增加(P<0.05),T2和T4差异不显著(表2,图4A)。SS含量变化趋势与Pro类似(表2,图4B)。结果表明,MD使芸豆叶片的Pro和SS含量显著提高,外源H2S使提高幅度显著增大,趋势为先升后降,T1和T2处理含量最高。

2.5 干旱胁迫下不同浓度外源H2S对芸豆影响指标的相关性分析

图2 干旱胁迫下H2S对芸豆叶片抗氧化酶活性的影响

图3 干旱胁迫下H2S对芸豆叶片膜脂过氧化的影响

不同类指标间,抗氧化酶活性和膜脂过氧化指标间相关系数介于0.35～0.64,抗氧化酶活性中POD、APX和膜脂过氧化指标REC达显著正相关,其他两类指标间均为极显著正相关;抗氧化酶活性和渗透调节物质含量间的相关系数介于0.61～0.86,表现为极显著正相关;膜脂过氧化指标与渗透调节物质中的Pro含量达极显著正相关关系;其他各类特性间的相关性规律性不强。可见,抗氧化酶活性和渗透调节物质含量间相关系数最大,为强正相关;抗氧化酶活性和膜脂过氧化指标间、膜脂过氧化指标与渗透调节物质中的Pro含量间的相关系数次之,为中等程度正相关。其他各类指标间的相关性较弱。

图4 干旱胁迫下H2S对芸豆叶片渗透调节物质的影响

3 讨 论

苗期干旱胁迫严重影响植物的光合作用与生理代谢,复水后时间越长,抑制作用越明显。H2S作为一种新型重要信号分子,在抗御干旱胁迫中发挥着重要作用,能够缓解植物体所受的逆境伤害,增强其抗旱性[12]。光合作用是植物合成有机物的方式,在能量转化代谢过程中发挥重要作用。有研究发现,遭受干旱胁迫后,植物会关闭叶片气孔以降低气孔导度来减少水分丧失,造成CO2吸收量降低,最终导致光合速率降低;未被利用的光能使光合器官受损,体内活性氧积累,植物生长受到限制[23]。也有研究认为,干旱胁迫通过非气孔限制抑制光合作用[24]。本研究中,与正常供水处理相比,MD处理芸豆叶片Gs降低,Tr和Ci随之下降,光合作用原料CO2浓度不足,导致Pn下降,说明光合能力的降低主要是气孔因素限制所致。施用外源NaHS后,光合效率大大改善,各处理Gs和Ci显著提高,CO2进入细胞的阻力降低,吸收速率提高,缓解了气孔关闭导致的光合原料不足问题,对因干旱胁迫而受损的光合系统有一定补偿作用,提高了Pn,植株抗旱性增加,外源NaHS溶液喷施浓度为0.2 mmol·L-1时效果最好。NaHS浓度过高,达到0.4 mmol·L-1时,则会导致叶片光合性能降低,这与阚文杰等[10]在小麦、李冬等[25]在烤烟幼苗上的研究结果一致。

表3 芸豆叶片光合与生理特性间的相关系数

渗透调节是植物在干旱胁迫下降低渗透势、抵抗逆境胁迫的一种重要方式[35]。Pro和SS作为重要的渗透调节物质,可以维持细胞状态,保证作物正常代谢[36]。受到干旱胁迫时,植物体内的Pro和SS等渗透调节物质含量会增加;施用外源NaHS后,渗透调节物质的含量会继续提高。阚文杰等[10]研究表明,干旱胁迫下叶面喷施外源NaHS后,小麦植株Pro含量显著增加,细胞内水势降低,减小了干旱胁迫的不良影响。牟雪姣等[13]研究发现,干旱胁迫下黄瓜种子Pro和SS含量均呈上升趋势,施用NaHS提高了Pro和SS的质量分数,细胞膜系统的稳定性得到维持。本研究也表明,干旱胁迫处理下,芸豆叶片Pro和SS含量显著增加,表明渗透调节系统对干旱胁迫做出了应激反应。施用外源NaHS后,Pro和SS含量进一步增加,表明H2S能够有效提高植株体内渗透调节物质的含量,避免膜结构被破坏,增强植物抗旱能力。

在干旱胁迫下,植物光合特征和生理特性之间具有一定的相关性[37]。本研究表明,干旱胁迫下施用外源NaHS减缓了叶片光合效率的下降,芸豆体内ROS的增量减少,缓解了膜脂过氧化损伤,MDA含量和REC增幅下降;同时,芸豆体内启动抗氧化防御系统,抗氧化酶活性增加以清除过量的过氧化物,减轻了干旱胁迫导致的损伤;ROS的减少同时提高了渗透调节物质含量。

4 结 论

1)与CK(正常供水)相比,MD(干旱胁迫)处理显著影响芸豆叶片光合与生理特性,其光合效率降低,体内抗氧化酶活性上升,细胞膜脂过氧化物激增,渗透调节物质含量增加,从而对植株造成一定伤害。复水天数增加,各参数值也随之增加。

2)随外源NaHS施用浓度的增加,各喷施处理较MD处理变幅表现为光合效率先升后降,表明H2S可以维持气孔开放,增加芸豆光合强度,减轻干旱影响;抗氧化酶活性先升后降,表明其具有清除自由基、增强植株抗旱性的效果;膜脂过氧化程度先降后升,说明H2S可以缓解干旱导致的细胞膜系统伤害;渗透调节物质含量先升后降,说明其有利于增强细胞渗透调节能力,进而保护膜质,增加抗旱效应。当NaHS喷施溶液浓度为0.2 mmol·L-1时缓解芸豆苗期干旱胁迫的效果最佳。

3)对光合与生理特性进行了相关性分析,同类特性各指标间相关系数大小表现为:抗氧化酶活性>光合参数、膜脂过氧化指标>渗透调节物质含量,同类指标间均为极显著正相关。不同类特性间,抗氧化酶活性和渗透调节物质含量之间正相关性最强,抗氧化酶活性和膜脂过氧化指标之间、膜脂过氧化指标与渗透调节物质中的Pro含量之间相关系数次之,其他各类特性间相关性较弱。