不同细胞活性物质对低温下通草种子及幼苗的影响

龙正龄, 黄 刚, 付 燕, 欧阳开霞, 赵 云

(1.黔东南民族职业技术学院, 贵州 凯里 556000; 2.黔东南生态环境监测中心, 贵州 凯里 556000)

通草[Tetrapanaxpapyrifer( Hook) K.Koch]为五加科通脱木属通脱木的干燥茎髓,是常用的传统中药[1],别名大通草、花草、离南、寇脱[2],自陕西到台湾均有分布,具有清热利尿,通气下乳功效[3]。近年来,通草逐渐成为带领农村致富的乡村产业。通草在每年秋季需将地上部植株砍掉,第二年又会萌发新芽,为多年生常绿灌木或小乔木,种一次可以延续七、八年,由于其根系有较强的繁殖能力,数量也会越来越多,产量呈逐年上涨趋势。在种植过程中,与其他中药材相比,通草管理相对粗放,减轻了农户的种植工时。在生产中,可采用种子进行播种育苗,但通草种子的发芽率不高。在贵州播种育苗时容易遭受早春低温的影响,因此提高通草种子对低温的抗性非常重要。

硝普钠(Sodium nitroprusside,SNP)是NO的供体,作为一种信号分子,在逆境胁迫中起到重要的信号调节作用[4]。在植物遭受非生物胁迫时,可快速合成大量渗透调节物质,同时增强抗氧化系统,减轻非生物胁迫的伤害[5-6];海藻糖(Trehalose,TH)是一种渗透调节物质,具有保护细胞内活性物质、调节细胞渗透压,维持细胞器完整性的作用[7];赤霉素(Gibberellic acid,GA3)是一种植物生长调节剂,可以调控植物生长发育[8],能改善种子的萌发和幼苗生长状况,缓解盐胁迫对番茄、玉米种子及幼苗生长的伤害[9-10];种子引发是通过提高发芽率和出苗整齐度来提高种子的萌发表现,从而使幼苗更好地发育[11],同时还促进了与非生物胁迫相关的特定防御机制[11]。

本试验从信号分子、渗透调节物质和植物生长调节剂等3个方面,采用不同细胞活性物质引发通草种子,测定种子在常温及低温条件下的萌发特性及幼苗生长情况,探索不同细胞活性物质引发对通草种子抗性的影响,选择能提高种子萌发及幼苗生长特性的方法,为通草种苗繁育提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 材 料

试验材料为五加科通脱木通草种子,由贵州福盛天弘生态有限公司提供。

1.2 种子引发处理

硝普钠(SNP)溶液设置50,100,200 μmol/L 3个浓度分别用A1、A2、A3表示,海藻糖(TH)溶液设置5,10,15 mol/L 3个浓度分别用B1、B2、B3表示,赤霉素(GA3)溶液设置50,100,200 μmol/L 3个浓度分别用C1、C2、C3表示。未引发的干种子记为对照1(ck1),蒸馏水引发记为对照2(ck2)。通草种子以0.5% NaClO 消毒5 min 后,用蒸馏水漂洗干净,置于不同浓度的SNP、TH、GA3溶液中,在26 ℃黑暗条件下引发12 h。引发结束后,用蒸馏水快速冲洗种子,吸干表面水分,自然条件下晾干,备用。

1.3 种子萌发实验

参照Khampheng等[12]的方法稍作修改。将上述SNP、TH、GA3引发的种子、未引发的干种子(ck1)及蒸馏水引发的种子(ck2)分别置于下铺一层海绵、上垫两张滤纸的直径为9 cm的培养皿中,每个培养皿均匀播种100粒种子,设置3个平行重复,每个重复100粒种子,加盖培养,发芽期间用蒸馏水保持滤纸湿润。常温条件设置夜温22 ℃、昼温28 ℃,低温条件设置夜温13 ℃、昼温20 ℃,置于空气相对湿度为75%的人工气候箱中,每天光照13 h培养,每天记录发芽种子数。常温条件下发芽势(GE)和发芽率(GP)的统计时间分别为第13天和第18天;低温条件下发芽势(GE)和发芽率(GP)的统计时间分别为第21天和第23天。以子叶开始展开、胚根发育正常为发芽标准。

1.4 种子各项萌发指标计算

上述各项指标种子萌发实验结束后,统计种子的发芽势、发芽率、发芽指数和平均发芽时间。发芽指数(GI)和平均发芽时间(MGT)计算公式如下:

GI=∑(Gt/Dt);

MGT=∑(Gt×Dt)/∑Gt,式中:Gt为第t天的发芽种子数,Dt为发芽日数[13]。

1.5 幼苗素质测定

发芽结束后(第30天)收集幼苗,用自来水冲洗干净并用滤纸吸干表面残余水分,测定其根长、苗高及干、鲜重。每个处理随机选取5株,用直尺测量其根长和苗高;每个处理称其鲜重,然后将幼苗在105 ℃杀青后在68 ℃的烘箱中烘烤24 h,称其干重。

2 结果与分析

2.1 不同细胞活性物质引发对通草种子萌发的影响

统计在常温条件下和低温条件下,不同细胞活性物质引发对通草种子发芽势、发芽率、发芽指数和平均发芽时间的影响。

2.1.1不同细胞活性物质引发对常温条件下通草种子萌发的影响

从表1可以看出,在常温条件下,与对照(ck1和ck2)相比,各浓度SNP、TH、GA3引发的发芽势、发芽率、发芽指数和平均发芽时间差异不明显,但总体上高浓度引发(200 μmol/L SNP、15 mol/L TH、200 μmol/L GA3)的发芽时间均有所缩短。其中50 μmol/L SNP处理的发芽势最高,比ck1和ck2提高了约61%和26%;15 mol/L TH处理的发芽势最高,比ck1和ck2提高了约39%和3%;200 μmol/L SNP处理的发芽指数最高,比ck1和ck2提高了约41%和6%;200 μmol/L GA3处理的平均发芽时间最短,比ck1和ck2缩短了0.27 d和0.28 d。

表1 不同细胞活性物质引发对常温条件下通草种子发芽特性的影响

2.1.2不同细胞活性物质引发对低温胁迫下通草种子萌发的影响

如表2所示,在夜温13 ℃,昼温20 ℃的低温条件下,与ck1相比,200 μmol/L SNP引发明显提高了发芽势、发芽率、发芽指数,缩短了平均发芽时间,其次是ck2,也提高了通草种子的发芽势、发芽率和发芽指数。除此之外,200 μmol/L GA3也在一定程度上提高了种子的发芽势。其中经200 μmol/L SNP引发的种子其发芽势比ck1和ck2分别提高了86%和55%,发芽率提高了41%和32%,发芽指数提高了46%和12%,平均发芽时间也缩短了约0.64 d和0.25 d(表2)。而其他处理与ck1相比,不及干种子的萌发情况。从浓度来看,每种细胞活性物质引发都是高浓度的引发效果相对较好,而低浓度不能改善在低温胁迫下通草种子的萌发情况。

表2 不同细胞活性物质对低温胁迫下通草种子萌发的影响

对比表1和表2可以看出,在常温条件下,通草种子的发芽势约在10%,发芽率在20%左右,发芽指数在1.5左右,平均发芽时间约为14 d。而在低温胁迫下,通草种子发芽势仅为5%左右,发芽率降低至10%,发芽指数大多降低到0.4左右,平均发芽时间也延长至21 d左右。可见低温显著降低了通草种子的发芽势、发芽率、发芽指数,延长了种子的发芽时间。

进一步对各处理高浓度引发(200 μmol/L SNP、15 mol/L TH、200 μmol/L GA3)及ck1、ck2种子的发芽动态进一步监测的结果表明,与ck1相比,200 μmol/L SNP和ck2引发处理使种子在低温胁迫下的发芽势有显著提高,发芽时间明显缩短。这些结果表明,适合浓度的SNP引发能显著提高低温胁迫下通草种子的发芽势、发芽率和发芽指数,缩短发芽时间,种子活力增强,显示出较强的抗冷性(图1)。

图1 高浓度不同细胞活性物质引发通草种子在低温胁迫下的发芽日变化曲线

2.2 不同细胞活性物质引发对常温和低温胁迫下通草幼苗素质的影响

为了进一步研究不同细胞活性物质引发在常温和低温胁迫下对通草幼苗生长的影响,调查了通草幼苗根长、苗高、鲜重、干重等4项生长指标。结果表明,与常温条件下的各指标相比,低温明显降低了通草幼苗的干鲜重、缩短了幼苗的根长和苗高(图2和图3)。

图2 在常温和低温胁迫下不同细胞活性物质引发对通草幼苗根长(A)和苗高(B)的影响

图3 在常温和低温胁迫下不同细胞活性物质引发对通草幼苗鲜重(A)和干重(B)的影响

在常温条件下,以50 μmol/L GA3处理的根长最长,比ck1和ck2提高了62%和23%。200 μmol/LGA3处理的苗高最高,比ck1和ck2提高了21%和18%,明显高于ck1和ck2及其他处理(图2),说明适合浓度的GA3有促进通草幼苗根茎伸长生长的作用。在常温条件下各细胞活性物质引发的幼苗鲜重和干重与对照(ck1和ck2)相比均无明显优势,但50 μmol/L GA3、200 μmol/L SNP、10 mol/L TH和200 μmol/L GA3引发的鲜重高于ck1和ck2,各浓度GA3引发的干重及200 μmol/L SNP引发的干重高于ck1和ck2(图3 B)。

在低温胁迫下,SNP引发各处理浓度的根长都高于ck1和ck2,其中200 μmol/L SNP处理的根长比ck1和ck2分别提高了约30%和23%,其次是100 μmol/L GA3。而各浓度的TH处理的根长在低温胁迫下都比较低,其中高浓度15 mol/L TH处理的根长最低。在苗高方面,以200 μmol/L SNP引发的苗高最高,比ck1和ck2提高了约37%和35%,而低浓度GA3和SNP处理的苗高较低,15 mol/L TH处理的苗高也最低。在鲜重方面,200 μmol/L SNP、10 μmol/L TH、200 μmol/L GA3和100 μmol/L GA3引发的鲜重均高于ck1和ck2及其他处理,其中200 μmol/L SNP引发的效果最好,比ck1和ck2提高了约32%和25%(图2),但未达到显著水平。而低浓度TH、SNP和GA3引发的效果较差。在干重方面,200 μmol/L SNP和100 μmol/L GA3引发处理的干重和ck1和ck2相比虽没有明显优势,但仍高于其他各浓度处理,其中中高浓度处理较好,而低浓度TH、SNP和GA3引发处理效果较差。

综合比较根长、苗高、干重、鲜重等4项幼苗生长指标,以200 μmol/L SNP引发处理的效果最好,不论在常温还是低温条件下都有较长的根长、苗高、干鲜重,说明经200 μmol/L SNP引发的通草幼苗对低温胁迫有较强的抗性,能获得较好的幼苗素质。其次是GA3引发能提高幼苗的根长与苗高,而TH引发的效果最不理想。

综合上述,种子萌发及幼苗生长的各项指标分析表明,适宜的SNP引发能明显提高通草的种子活力,改善在低温胁迫下种子的萌发情况,对幼苗根长、苗高以及干鲜重也有不同程度的提高作用。而GA3和TH处理,与ck1和ck2相比,效果不是很明显。从总体效果来看,以200 μmol/L SNP引发的通草种子及幼苗综合素质相对较高,在低温胁迫下仍有较强的耐受性。

3 讨 论

本研究结果表明,适合浓度的SNP引发能提高通草种子在低温胁迫下的发芽势、发芽率、发芽指数,缩短种子发芽时间(表1、表2),提高通草幼苗根长、苗高及干鲜重(图2、图3),提高通草种子及幼苗的抗冷性。

通过综合比较分析可知,与TH和GA3相比,高浓度的SNP引发能改善通草种子在低温胁迫下种子发萌发特性和幼苗的生长情况。可能是由于SNP作为NO的供体,在低温条件下,能作为信号分子进行一系列的植物生理调控,并且其时效性相对较长。推测在低温胁迫时,外源一氧化氮(NO)供体硝普钠(SNP)能作为信号分子,调节一系列的生化反应,如提高淀粉酶等活性,提高可溶性糖含量和游离氨基酸含量,为低温胁迫下种子的萌发及幼苗的生长提供了物质来源。同时,提高抗氧化系统的酶活性来增强种子及幼苗的抗低温能力,从而提高种子及幼苗在低温胁迫下的抗性[9]。

而TH作为一种渗透调节物质,可能其时效性相对较短,随着低温胁迫时间的延长,导致其固有的对称性稳定结构遭到破坏,其效果逐渐衰退,使其抗冷性在后期表现不明显。GA3作为植物生长调节剂,能增加通草苗期的幼苗根长和苗高,提高幼苗的综合素质,使得通草在低温胁迫下仍能保持较强的抗性。而chen等[14]发现,种子引发或回干对种子来讲都引起了脂质过氧化,对种子本身也是一种伤害,所以造成有些引发处理的效果不及干种子。

综上所述,200 μmol/L SNP引发的通草种子及幼苗综合素质相对较高,在低温胁迫下仍有较强的耐受性,能提高低温胁迫下通草种子的萌发情况和幼苗素质。