盐胁迫对番茄幼苗生长及生理指标的影响

付 珊,雷 婷,金 苇,李 影,陈秀君,陈梦丽,陈 亮

(1.湖北师范大学 生命科学学院,湖北 黄石 435002; 2. 特色野菜良种繁育与综合利用湖北省工程技术研究中心,湖北 黄石 435002;3. 食用野生植物保育与利用湖北省重点实验室,湖北 黄石 435002; 4. 湖泊生物多样性与环境保护黄石市重点实验室(湖北师范大学),湖北 黄石 435002)

0 引言

随着全球经济的快速发展以及工业化进程的不断加快,土壤盐碱化已成为日益严重的环境问题之一。据不完全统计,目前我国盐碱地总面积约占全国耕地面积的25%,严重影响植株对营养元素的吸收积累以及发育进程,造成农作物减产和品质下降等问题[1,2]。植物在一定浓度的盐胁迫条件下会引发一系列的自我保护机制,从而能够抵御盐胁迫造成的细胞膜损伤和离子毒害[3]。

番茄(Solanumlycopersicum)属茄科番茄属一年生草本植物,含抗坏血酸、叶酸、类胡萝卜素等多种营养素,有促消化、利尿、抗炎等保健作用[4]。番茄也是我国种植面积较大的设施蔬菜,属于中度盐敏感型蔬菜作物。土壤盐渍化会促进番茄对Na+的吸收,引发离子毒害,从而导致番茄营养缺失,发育减缓,果实产量下降[5]。在盐胁迫条件下,番茄根系对水分和养分的吸收受到抑制,幼苗的株高、茎粗和根长均呈下降趋势[6]。丙二醛(MDA)是评价植物生物膜系统遭受膜脂过氧化损伤程度的重要依据,而过氧化物酶(POD)可以降低活性氧的含量来减轻膜脂过氧化从而维持植物细胞内环境稳态[7]。宿梅飞[8]等人研究发现随着盐胁迫浓度和胁迫时间的增加,番茄幼苗中丙二醛(MDA)的含量以及POD活性都显著增加。脯氨酸是植物主动适应盐胁迫的产物,其含量可以反映植物细胞渗透调节能力,王柏柯[9]等人的研究结果显示相比对照组经胁迫处理的番茄幼苗叶片中脯氨酸含量随着胁迫时间的增长显著升高。叶绿素反映了植物光合作用强度和生存环境对植物的影响[10]。研究发现番茄叶片中叶绿素含量的降低与NaCl浓度呈正相关,盐胁迫对番茄造成严重的损害导致其叶绿素含量降低[11]。杨凤军[12]等人的研究表明100 mM NaCl对番茄幼苗的胁迫伤害显著。本研究通过100 mM NaCl胁迫模拟盐胁迫,探究盐胁迫对番茄幼苗的生长及各项生理指标的影响,从生理层面探究其耐盐机制,以期为提高番茄的农产量及质量提供一定的理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为华煜牌第8354387号黄贵妃樱桃番茄种子。

1.2 方法

1.2.1 幼苗培养及NaCl胁迫处理 试验于2022年5～6月在湖北师范大学生命科学学院食用野生植物资源保育与利用实验室进行。取颗粒饱满、大小均一的番茄种子均匀铺撒于垫有双层滤纸、四层纱布的培养皿中,加入适量水浸润后,置于28 ℃人工智能气候箱中培养。14天后,移栽至含有1/2 Hoagland标准营养液的塑料盆中,每盆20株。待番茄幼苗长至6片真叶,分别对番茄幼苗展开正常营养液培养(对照组)和含100 mM NaCl的营养液胁迫处理,共处理7天,每3天更换一次营养液。处理结束后测定番茄幼苗的生长及生理指标。

1.2.2 生长指标和生理指标的测定 地上部高度的测定:用直尺分别测量各胁迫梯度番茄幼苗的地上部高度,并记录数据。

根部长度的测定:用直尺分别测量各胁迫梯度番茄幼苗的根长,并记录数据。

MDA和可溶性糖的含量采用硫代巴比妥酸比色法[13]测定:称取0.5 g番茄叶片剪碎,加入少量石英砂和4 mL 10% TCA充分研磨,以转速4 000 rpm,离心10 min,上清液即为样品提取液。吸取2 mL样品提取液,向其中加入2 mL 0.6% TBA溶液,混匀,沸水浴15 min,速冷至室温,离心后取上清液,在532 nm、600 nm和450 nm的波长下测定吸光度,对照组用2 mL蒸馏水代替提取液。每组实验重复三次。

C1=[6.45(A532-A600)-0.56A450]·V·W-1

C2=11.71A450·V·W-1

式中C1表示MDA含量(nmol·g-1FW),C2表示可溶性糖含量(μmol·g-1FW),V表示提取液体积(mL),W表示样品鲜重(g)。

脯氨酸含量采用酸性茚三酮比色法[14]的测定:首先,制定标准脯氨酸含量的标准曲线。然后,称取0.5 g番茄叶片剪碎,加入5 mL 3%磺基水杨酸溶液沸水浴10 min后骤冷过滤。取滤液2 mL加入2 mL冰乙酸和3 mL显色液,和标曲溶液一起沸水浴40 min.骤冷至室温,加入5 mL甲苯,摇匀,静置分层后取上清,在波长530 nm下测定吸光度。每组实验重复三次。

式中C3表示脯氨酸含量(μg·g-1FW),W表示样品鲜重(g),C表示由标准曲线求得的提取液中脯氨酸含量(μg),VS表示测定时所吸取的体积(mL),VT表示提取液总体积(mL)。

POD活性采用愈创木酚法比色[15]测定:称取0.5 g番茄叶片剪碎,加入5 mL 20 mM KH2PO4溶液和少许石英砂充分研磨,以转速4000 rpm,离心10 min,收集上清液于4℃保存。沉淀用4 mL 20 mM KH2PO4溶液再浸提一次,合并两次上清液,用20 mM KH2PO4溶液定容至10 mL.于比色皿中加入愈创木酚和磷酸缓冲液组成的反应混合液3 mL,20 mM KH2PO4溶液0.5 mL,作为调零对照组。向另一比色皿中加入反应混合液3 mL,上述提取液0.5 mL.迅速混匀,并立即启动秒表计时,在470 nm的波长下测量OD值,每过30 s读取一次OD值,共计3 min.每组实验重复三次。

F=100·ΔA470·VT·W-1·VS-1·T-1

式中F表示过氧化物酶活性(U·g-1·min-1FW),W表示样品重量(g),ΔA470表示反应时间内吸光度的变化,VS表示测定时取用酶液体积(mL),VT表示提取酶液总体积(mL),T表示反应时间(min)。

叶绿素含量采用95%乙醇比色法[16]测定:称取0.5 g新鲜番茄叶片剪碎,加入2 mL 95 %乙醇研磨后过滤。再用2 mL 95%乙醇冲洗滤纸上的残渣直至残渣褪色,收集滤液并用95%乙醇定容至5 mL即为样品提取液。取样品提取液0.5 mL,加入95%乙醇4 mL稀释后,在波长为663 nm、645 nm下测定吸光度,以95%乙醇为调零对照。每组实验重复三次。

C4=[(12.7A663-2.69A645)+(22.9A645-4.68A663)]·V·N·W-1

式中C4表示叶绿素含量(μg·g-1FW),V表示提取液体积(mL),N表示稀释倍数,W表示样品鲜重(g)。

1.3 数据统计与分析

采用Microsoft Excel 2010分析上述番茄的生长指标和生理指标相关数据,使用 IBM SPSS Statistics 25 软件进行差异显著性检验(P<0.05),并利用 Microsoft Excel 2010 软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 盐胁迫对番茄幼苗生长指标的影响

番茄幼苗使用100 mM NaCl处理后,与对照组相比实验组番茄幼苗茎秆细短,叶片泛黄枯萎,根须稀少(图1)。由图2可知,实验组地上部高度相比对照组极显著性降低,根长相比对照组显著降低。说明NaCl胁迫对番茄幼苗的生长有明显的抑制作用。

图1 盐胁迫下番茄幼苗的表型图

图2 盐胁迫下番茄幼苗的地上部及根部长度的影响

2.2 盐胁迫对番茄幼苗中MDA含量的影响

当植物器官衰老或是在逆境条件下时,往往会发生膜脂过氧化作用,而MDA是膜脂过氧化的主要产物之一[7],可作为脂质过氧化的指标以此来判断植株对环境的适应能力。由图3可知,经NaCl胁迫后的番茄叶片中MDA含量显著高于对照组,增幅为77.7%.由此可见,NaCl胁迫对细胞膜结构造成了损害,致使番茄叶片中MDA含量增加。

图3 盐胁迫对番茄苗中MDA含量的影响

2.3 盐胁迫对番茄幼苗中可溶性糖含量的影响

在盐胁迫条件下,植物会累积可溶性糖等有机溶质来调节膜内外渗透压,从而减轻胁迫所带来的膜损伤,防止细胞内酶的变性以维持正常的生理功能[17]。由图4可知,在100 mM NaCl处理下,番茄叶片中的可溶性糖含量相比对照组显著升高,涨幅高达150.2%.由此可见,一定浓度的NaCl胁迫可以使番茄叶片中的可溶性糖含量增加。

图4 盐胁迫对番茄苗中可溶性糖含量的影响

2.4 盐胁迫对番茄游离脯氨酸含量影响

植物在遭受盐胁迫时,会大量累积脯氨酸来进行渗透调节,并且脯氨酸的积累量与植物的耐盐程度呈负相关[18]。因此,脯氨酸可作为筛选耐盐植物品种的指标之一。由图5可知,相较于对照组经NaCl胁迫后的番茄苗中脯氨酸含量极显著升高,增幅高达940.9%.由此可见,NaCl胁迫能够诱导番茄叶片细胞内脯氨酸的大量积累。

图5 盐胁迫对番茄幼苗中脯氨酸含量的影响

2.5 盐胁迫对番茄幼苗中过氧化物酶POD活性的影响

POD能够有效清除植物体内的活性氧,在胁迫条件下POD活性升高能减少活性氧的积累,减轻膜损伤程度,维持植物体内新陈代谢等生命活动的有序进行,POD活性的高低可以反映植物受逆境胁迫的程度[19]。如图6所示在本实验中处在盐胁迫下的实验组其POD活性相对于对照组显著提升,涨幅高达71.2%由此说明NaCl胁迫能够增强番茄叶片中POD的活性。

图6 盐胁迫对番茄苗中POD含量的影响

2.6 盐胁迫对番茄幼苗中叶绿素含量的影响

叶绿素在一定程度上可以反映植物光合作用的强度,盐胁迫下,由于植物细胞渗透压失衡,植物吸收不到足够的水分和营养,致使叶绿素合成量减少[20]。由图7可以看出,在NaCl胁迫下番茄叶片中的叶绿素含量相比对照组极显著下降,降幅为51.8%.这说明了盐胁迫破坏了叶绿体的结构导致了番茄叶片中叶绿素含量的减少。

图7 盐胁迫对番茄幼苗中叶绿素含量的影响

3 讨论与结论

盐胁迫会影响植物的生命进程,造成植物发育迟缓,加速植物的衰老,导致农作物减产。在盐胁迫条件下植株常常表现为生物累积量减少,叶片面积增长缓慢甚至停止增长。植物的根部是最直接也是最先被胁迫的,刘琦[21]等研究发现盐胁迫抑制了番茄根系的生长,NaCl 胁迫对番茄的根长,根表面积等均有明显的抑制作用。植物的根系生长受到抑制,导致植物对水分和营养物质的吸收减少,进而导致整个植株营养不良,发育迟缓。陈建林[22]等人在用不同浓度的NaCl处理番茄幼苗的研究中发现,所有经过处理的幼苗其根长、茎粗、株高等均低于对照组,且存在品种差异。本研究中盐胁迫组番茄幼苗茎秆细短,叶片泛黄枯萎,地上部高度相比对照组极显著性降低,根长相比对照组显著降低(图1、图2)与上述结论一致。由此可见,根长、株高、茎粗等生物特征可以作为判别番茄幼苗遭受盐胁迫程度的指标。

丙二醛(MDA)是膜脂过氧化的重要依据,其含量的多少是评价植物膜脂氧化损伤程度的指标之一。植物体内生命活动一直处于动态平衡之中,当植物处在盐胁迫条件下时,这种平衡就会被破坏,大量活性氧的累积,致使植物发生氧化应激,对细胞造成严重的损伤,进而抑制植物的生长发育[23]。宋阳[24]等研究发现NaCl胁迫对细胞膜结构造成了损害,导致叶片中MDA含量显著增加,且MDA含量与NaCl浓度成正比。本研究中盐胁迫后番茄叶片中MDA含量显著高于对照组(图3),由此说明,植物体内MDA含量可以反映植物对盐的耐受性。

盐胁迫将导致植物细胞代谢紊乱及渗透失衡,此时植物体会累积大量对本身无害又参与渗透调节的有机溶质来维持渗透压的平衡。可溶性糖和脯氨酸都是参与渗透调节的有机溶质,可溶性糖是代谢的中间产物,为植物生长发育提供能量,参与植物体内的信号传导,可溶性糖的累积是胁迫诱发的一系列反应之一[17]。脯氨酸可以调节胞质的酸碱度,维持膜蛋白和磷脂结构的稳定,保护质膜的完整性,防止细胞内酶的失活。在盐胁迫条件下,脯氨酸含量的升高是植物体适应胁迫环境保护自身的方式,与植物耐盐性呈负相关[18]。费伟[25]等用人工海水处理番茄幼苗的结果显示可溶性糖和脯氨酸的含量与对照相比均有明显增加。本研究中盐胁迫后番茄叶片中的可溶性糖含量,游离脯氨酸含量都高于对照组(图4,图5)。由此可见,可溶性糖和脯氨酸的含量可以反映植物对逆境环境的适应程度。

在遭受逆境胁迫时植物短时间内很难直接通过改变自身来适应新的生存环境,而保护酶系统能够在植物遭受胁迫的第一时间做出反应,有效清除活性氧,降低胁迫所造成质膜损伤。POD可以将H2O2还原成H2O和O2,来清除由于胁迫累积的H2O2,从而维持植物体正常的生理功能[19]。张飞[6]等研究发现,在一定浓度下,POD活性与盐浓度和胁迫时长呈正相关,盐胁迫能够诱导POD活性的增加。本研究中盐胁迫下的实验组其POD活性相对于对照组显著升高(图6),由此说明POD活性可以作为筛选耐盐性番茄的生理指标。

叶绿素是植物进行光合作用的主要物质之一。在盐胁迫下,植物吸水量减少,植物体内Na+含量升高,细胞膜内外渗透压失衡,导致叶绿体结构被破坏,叶绿素含量下降[20]。刘琦[21]等在研究NaCl胁迫对光合作用的影响中发现盐胁迫降低了番茄叶片中叶绿素的含量,削弱了番茄叶片的光合效能。本研究中,盐胁迫下番茄叶片中的叶绿素含量相比对照组极显著下降(图7)。由此说明,盐胁迫会导致番茄叶片中的叶绿素含量下降,光合作用效率降低,植物营养亏损,发育不良。

综上所述,盐胁迫会导致樱桃番茄的地上部高度、根长等生物特性均受到抑制,MDA含量、可溶性糖、脯氨酸含量以及POD活性均显著增加,叶绿素含量显著减少。这表明在一定程度下黄贵妃樱桃番茄具有耐盐性。目前土壤盐渍化问题日益严重,通过盐胁迫对樱桃番茄生理特性的研究有助于进一步寻找提高番茄耐盐的途径和方法,对于促进在盐碱地发展番茄培育和盐渍土环境治理等方面具有重要意义。