何麗娟,祁 娟,馬紅萍,吳召林,金 鑫,孫守江,劉文輝
(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院,草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室,甘肅省草業(yè)工程實驗室,中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)研究中心,甘肅 蘭州 730070; 2.青海省畜牧獸醫(yī)科學院 青海省青藏高原優(yōu)良牧草種質(zhì)資源利用重點實驗室,青海 西寧 810016)
土壤鹽漬化是世界性的資源和生態(tài)環(huán)境問題,全球的土地遭受鹽漬化侵害嚴重,中國約有1/4的耕地面積已發(fā)生鹽漬化,嚴重制約了農(nóng)作物的生長發(fā)育[1]。植物在鹽離子脅迫下,內(nèi)部滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)失衡,質(zhì)膜透性增加,細胞膜結構損傷,活性氧大量累積;高鹽甚至會使植物減產(chǎn),嚴重時導致死亡[2-3]。因此,植物抗鹽性及調(diào)控措施的研究對鹽堿地的改良及利用具有重要的意義。研究發(fā)現(xiàn),鹽脅迫下外源物質(zhì)能夠緩解植物種子受到的傷害,如適當濃度的外源CaCl2對高羊茅(Festucaelata)種子進行浸種處理,能緩解鹽脅迫傷害,還可促使種子提前萌發(fā)[4];黃瓜(Cucumissativus)和黃芪(Astragalusmembranaceus)種子在鹽脅迫下經(jīng)水楊酸(SA)處理,發(fā)芽率、發(fā)芽速度、發(fā)芽指數(shù)等均提高[5-6]。本研究使用的外源物質(zhì)6-BA(6-芐基腺嘌呤)是一種人工合成的細胞分裂素類化合物,可以促進細胞分裂、誘導芽分化、還可調(diào)控營養(yǎng)物質(zhì)在植物體內(nèi)的運輸、促進新陳代謝[7],且有利于植物在逆境條件下進行光合作用[8],維持細胞膜的穩(wěn)定性,緩解多種逆境對植物種子的萌發(fā)和幼苗生長的脅迫[9]。6-BA對鹽脅迫下大豆(Glycinemax)幼苗生理指標,草莓(Fragaria×ananassa)試管苗酶活性的研究均發(fā)現(xiàn),6-BA能夠刺激植物體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的大量產(chǎn)生,降低活性氧的積累,從而減輕逆境對植物造成的傷害,提高植物抵抗外界逆境的能力[10]。在番茄(Lycopersiconesculentum)上的研究表明,適當濃度的6-BA能夠緩解鹽脅迫下種子的萌發(fā),幼苗的生長發(fā)育[11]。在苦馬豆(Sphaerophysasalsula)、小麥(Triticumaestivum)的研究上發(fā)現(xiàn),6-BA促進了植物的生長,主要是通過加強酶的活性來適應鹽脅迫逆境,從而提高抗鹽性[12-13]。
老芒麥(Elymussibiricus)是禾本科披堿草屬多年生疏叢型中旱生植物,營養(yǎng)價值較高,抗逆境能力強,抗寒性好,適口性較好,牲畜喜食,容易栽培[14]。老芒麥在栽培草地建設、草地退化改良、水土保持、生態(tài)建設以及景觀效果等方面發(fā)揮著重要作用。關于老芒麥抗旱抗寒方面已有大量報道,在土壤遭受干旱鹽漬化日趨嚴重的今天,如何更好地挖掘老芒麥的利用潛力,采取有效措施改良土地鹽堿化是仍是目前面臨的主要瓶頸問題。外源激素對鹽脅迫下花卉、作物[10-11]等的研究報道較多,而在老芒麥上的研究鮮見報道。為此,本研究以野生老芒麥為材料,旨在研究6-BA對鹽脅迫下老芒麥幼苗形態(tài)特征、膜質(zhì)過氧化物,滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響,為實踐生產(chǎn)中的利用提供理論依據(jù)和參考。
供試材料為2015年采自甘肅天??h高寒草地的野生老芒麥種子。采樣地海拔3 300 m;年均溫-0.1 ℃,>0 ℃年積溫1 380 ℃·d;年均降水量416 mm,年均日照時間2 600 h,水熱同期;年均蒸發(fā)量1 592 mm,沒有絕對無霜期。
幼苗培養(yǎng):試驗于2017年3月在甘肅農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院組培室進行。將粗砂過篩,經(jīng)自來水沖洗干凈,然后用蒸餾水沖洗2~3次,先經(jīng)121 ℃滅菌,再經(jīng)150 ℃高溫烘干。選取大小一致、飽滿且無病蟲害的老芒麥種子,每杯50粒,將其均勻撒在一次性口杯中,覆蓋一層淺沙,移至組培室,通風透光,每天澆灌適量蒸餾水。待苗長至2~3 cm左右,換用Hoagland營養(yǎng)液[15],每5 d換一次,每次換營養(yǎng)液之前用蒸餾水沖洗以防止鹽分積累。每天觀察記錄幼苗的生長情況。
試驗設計:參考小麥、水稻(Oryzasativa)、羊草(Leymuschinensis)等植物的研究結果,設置5個NaCl鹽脅迫濃度(0、50、100、150、250 mmol·L-1)和5個6-BA濃度(0、5、10、20、30 mg·L-1)交互作用,共25個處理,每處理3次重復。待幼苗長至三葉期將不同濃度的NaCl溶液(以 Hoagland營養(yǎng)液為溶劑配制)澆至培養(yǎng)盆中,每5杯放一個塑料培養(yǎng)盒,每盒500 mL劃線記號,每天澆入等量的蒸餾水,每3 d處理一次,處理期為7 d。鹽脅迫處理后用不同濃度(以 Hoagland營養(yǎng)液為溶劑配制)的6-BA溶液處理,每盒500 mL,之后每天澆入等量的蒸餾水,每3 d處理一次,處理期為10 d。
形態(tài)指標:隨機取相同處理3個重復中的10株老芒麥植株測定株高,從根莖基部至離生長點最近的展開葉頂端的絕對高度;用刻度尺測量從根基部數(shù)起,倒數(shù)第二葉的長度和寬度;
葉面積=葉長×葉寬×0.75[16]。
生理指標:隨機取相同處理的10株老芒麥植株對相同葉片的相同部位用葉綠素含量測定儀(SPAD-502 Plus,浙江托普儀器有限公司)進行葉綠素含量測定;游離脯氨酸采用酸性茚三酮法測定[17];丙二醛采用硫代巴比妥酸(TBA)法測定[17];可溶性糖采用蒽酮法測定[17];可溶性蛋白含采用考馬斯亮藍G-250染色法測定[17]。以上各處理其指標均為3次重復。
各指標與抗性呈正相關關系時隸屬函數(shù):
F=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)。
呈負相關關系時:
F=1-[(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)]。
式中:F表示測定指標的具體隸屬函數(shù);Xj表示某個指標的測定值;Xmin表示某一指標所有測定值中的最小值;Xmax表示最大值;然后將相同處理下各個指標所得值進行平均,所求即為最終的隸屬度值[18]。
用SPSS 20.0軟件對幼苗形態(tài)指標、生理指標試驗數(shù)據(jù)進行方差分析和顯著性比較,再利用Microsoft Excel 2010進行綜合處理和繪圖。
僅NaCl脅迫下,老芒麥幼苗株高在250 mmol·L-1NaCl脅迫下相比無鹽處理減少了57.4%倍(圖1)。100 mmol·L-1NaCl脅迫下,隨6-BA濃度升高株高均低于無6-BA處理,緩解效果不明顯;150 mmol·L-1NaCl脅迫下,5 mg·L-16-BA處理與無6-BA處理差異顯著(P<0.05),降低了15.2%;250 mmol·L-1時,20 mg·L-16-BA處理顯著高于無6-BA處理(P<0.05),增長了27.0%。鹽濃度越高,6-BA處理緩解效果越明顯,20 mg·L-16-BA處理下,250 mmol·L-1NaCl脅迫較0、5、30 mg·L-1的6-BA處理差異顯著(P<0.05)。
鹽脅迫顯著抑制了老芒麥幼苗葉的生長,隨著鹽濃度的升高,葉受到的傷害越嚴重,僅NaCl脅迫下,250 mmol·L-1NaCl脅迫幼苗葉長明顯降低(圖1),相比無鹽處理減少了61.7%。無鹽脅迫下, 30 mg·L-16-BA處理相比無鹽處理增長了11.6%(P<0.05)。50 mmol·L-1NaCl脅迫下30 mg·L-16-BA處理顯著低于無6-BA處理的(P<0.05);150 mmol·L-1鹽脅迫下,5 mg·L-16-BA處理較無6-BA處理的減少了15.1% (P<0.05);100、250 mmol·L-1鹽脅迫下6-BA各處理間差異不顯著(P>0.05)。
鹽脅迫濃度越高,老芒麥葉受到的抑制作用越嚴重,僅NaCl脅迫下,葉寬在50、100 mmol·L-1NaCl脅迫處理下相比無鹽處理減少了16%、9.4%(圖1)。無鹽脅迫下,30 mg·L-16-BA處理相比無6-BA處理增加了15.4%(P<0.05)。50、100 mmol·L-1NaCl脅迫下,6-BA各處理間差異不顯著(P>0.05);150、250 mmol·L-1鹽脅迫下,高濃度6-BA在一定程度上緩解了鹽脅迫造成的傷害,但是效果不明顯。
僅NaCl脅迫下,老芒麥幼苗葉面積在150、250 mmol·L-1NaCl脅迫下降低量明顯,相比對照分別減少了29.0%、44.8%(圖1)。無鹽脅迫下,30 mg·L-16-BA處理顯著高于無6-BA處理(P<0.05),增長了26.6%。100 mmol·L-1鹽脅迫下,6-BA各處理間差異不顯著(P>0.05);150 mmol·L-1鹽脅迫下,5、30 mg·L-16-BA處理顯著低于無6-BA處理 (P<0.05)。
2.2.16-BA對鹽脅迫下老芒麥幼苗葉綠素SPAD值的影響 僅NaCl脅迫下,相比無鹽處理,250 mmol·L-1鹽脅迫下老芒麥葉綠素SPAD值減少了30.6%(圖2),可見鹽脅迫處理造成了其葉綠體色素的降解。添加6-BA處理后,鹽脅迫得到了一定程度的緩解,且隨其濃度的增加,緩解效果增強。250 mmol·L-1NaCl脅迫下,10和20 mg·L-16-BA處理相比無6-BA處理增加了18.2%(P<0.05)和17.3%(P<0.05);100 mmol·L-1NaCl脅迫下,6-BA各處理間差異不明顯。相同6-BA處理下,低鹽脅迫對植株傷害較輕,高鹽脅迫傷害嚴重。如30 mg·L-16-BA下,250 mmol·L-1NaCl脅迫相比其他6-BA處理的葉綠素低。
圖1 6-BA對鹽脅迫下老芒麥幼苗農(nóng)藝性狀的影響Fig. 1 Effect of 6-BA on the agronomic traits of Elymus sibiricus seedlings under salt stress
不同小寫字母表示相同鹽濃度脅迫下不同6-BA濃度處理間差異顯著(P<0.05)。CK為未進行處理。
Different lowercase letters indicate significant differences among different 6-BA treatments with in the same salt concentration at the 0.05 level; similarly for the following figures.
圖2 6-BA對鹽脅迫下老芒麥幼苗葉綠素含量的影響Fig.2 Effect of 6-BA on chlorophyll content SPAD value of Elymus sibiricus seedlings under salt stress
圖3 6-BA對鹽脅迫下老芒麥幼苗丙二醛含量的影響Fig. 3 Effect of 6-BA on malondialdehyde(MDA) content of Elymus sibiricus seedlings under salt stress
2.2.26-BA對鹽脅迫下老芒麥幼苗丙二醛含量的影響 僅NaCl脅迫下,≤150 mmol·L-1NaCl脅迫下,老芒麥體內(nèi)積累了少量的丙二醛(MDA), 250 mmol·L-1NaCl脅迫下相比無鹽處理增加了7.6%(圖3)??梢婝}濃度越高,積累的MDA越多。無鹽脅迫下,10 mg·L-16-BA 處理相比無6-BA處理顯著減少了64.9%(P<0.05)。150 mmol·L-1NaCl脅迫下,5、10 mg·L-16-BA處理顯著低于無6-BA處理(P<0.05),分別減少了26.8%和42.2%;250 mmol·L-1NaCl脅迫,10 mg·L-16-BA處理MDA含量最低,相比無6-BA處理減少了50.0%。
2.2.36-BA對鹽脅迫下老芒麥幼苗游離脯氨酸含量 僅NaCl脅迫下,隨鹽濃度增加,老芒麥幼苗游離脯氨酸含量逐漸增加,各濃度處理間差異不明顯。無鹽脅迫下,30 mg·L-16-BA處理相比無6-BA處理增加了5.7倍(P<0.05)(圖4)。50、100、150mmol·L-1NaCl脅迫下,6-BA各濃度處理間差異顯著(P<0.05);150 mmol·L-1NaCl脅迫下,20 mg·L-16-BA處理較對照增加了6.3倍。表明老芒麥幼苗體內(nèi)的脯氨酸含量隨著NaCl濃度的增加而增加,高鹽處理下其含量更高,外施6-BA處理后相比鹽脅迫處理其含量進一步增加,250 mmol·L-1處理樣品缺失,無游離脯氨酸含量數(shù)據(jù)。
2.2.46-BA對鹽脅迫下老芒麥幼苗可溶性糖含量的影響 僅NaCl脅迫下,250 mmol·L-1NaCl脅迫下,可溶性糖含量相比對照增加了一倍,明顯高于其他濃度NaCl脅迫(圖5)。6-BA處理下,≥100 mmol·L-1NaCl脅迫下,20、30 mg·L-16-BA處理相比無6-BA處理可溶性糖含量顯著增加(P<0.05)。
2.2.56-BA對鹽脅迫下老芒麥幼苗可溶性蛋白含量的影響 可溶性蛋白含量在50、100、150 mmol·L-1NaCl脅迫下,各處理間差異不顯著(P>0.05)(圖6)。無鹽脅迫下,可溶性蛋白含量在30 mg·L-16-BA處理時最高,較無6-BA處理增加了98.1%。250 mmol·L-1NaCl脅迫下,6-BA各處理間可溶性蛋白含量差異明顯,30 mg·L-16-BA處理可溶性蛋白含量最高,顯著高于5和20mg·L-16-BA處理的。
隨著鹽脅迫濃度的增大,隸屬函數(shù)值總體逐漸減小(表1),20 mg·L-16-BA處理下,150 mmol·L-1鹽脅迫隸屬函數(shù)值較高;30mg·L-16-BA處理下,100mmol·L-1鹽脅迫隸屬函數(shù)值較高。綜合來看,6-BA處理下,100 mmol·L-1鹽脅迫對植物傷害較小。無鹽脅迫下,隨6-BA濃度增加,隸屬函數(shù)值逐漸增高。 50、150、250mmol·L-1鹽脅迫下,20 mg·L-16-BA處理后隸屬函數(shù)值較高;100 mmol·L-1鹽脅迫下,30 mg·L-16-BA處理后隸屬函數(shù)值較高。
圖4 6-BA對鹽脅迫下老芒麥幼苗游離脯氨酸含量Fig. 4 Effect of 6-BA on free proline content of Elymus sibiricus seedlings under salt stress
圖5 6-BA對鹽脅迫下老芒麥幼苗可溶性糖含量的影響Fig. 5 Effect of 6-BA on soluble sugar content of Elymus sibiricus seedlings under salt stress
圖6 6-BA對鹽脅迫下老芒麥幼苗可溶性蛋白含量的影響Fig. 6 Effect of 6-BA on soluble protein content of Elymus sibiricus seedlings under salt stress
6-BA濃度 6-BA centration/(mg·L-1)鹽濃度 Salt concentration/(mmol·L-1)050100150250隸屬度值Subordinate values排序Rank00.5250.4550.4220.3700.2260.400450.5420.4280.4300.3520.2160.3945100.5930.4020.4480.4520.3780.4553200.7320.5290.4430.5580.4110.5341300.7970.3900.5270.4930.2420.4902隸屬度值Subordinate values0.6380.4410.4540.4450.295排序Rank 14235
鹽脅迫抑制了植物的形態(tài)指標(如地上和地下生物量等)和種子發(fā)芽率,隨著鹽濃度增加,抑制作用越嚴重[19-20]。本研究發(fā)現(xiàn),老芒麥幼苗地上部的各形態(tài)指標在250 mmol·L-1NaCl脅迫下明顯減少,尤以株高減少明顯,表明鹽脅迫抑制了老芒麥幼苗的生長,這與楊升等[21]在沙棗(Elaeagnusangustifolia)幼苗上的研究結果一致。鹽脅迫下植物體葉綠素SPAD值逐漸減少,尤以250 mmol·L-1NaCl脅迫降低明顯著,孫璐等[22]也發(fā)現(xiàn)高粱(Sorghumbicolor)在高鹽脅迫下葉綠素含量減少,本研究250 mmol·L-1NaCl脅迫葉綠素SPAD值較對照降低了30.6%。MDA是膜質(zhì)氧化過程中的一種有害產(chǎn)物,其大量積累會直接影響細胞膜功能[23],<200 mmol·L-1NaCl脅迫下小麥[24]和油菜(Brassicanapus)[25]葉片中MDA含量積累不明顯, 200 mmol·L-1NaCl脅迫下MDA含量積累顯著(P<0.05)。本研究中老芒麥在<200 mmol·L-1NaCl脅迫后MDA含量積累不明顯,而250 mmol·L-1NaCl脅迫下MDA含量增加了7.6%,可見高鹽脅迫下植物體內(nèi)積累的MDA含量增多。脯氨酸水溶性很高,并以游離狀態(tài)存在,鹽脅迫下,脯氨酸含量迅速上升[26],本研究中150 mmol·L-1NaCl脅迫下相比無鹽處理游離脯氨酸含量增加明顯。植物體內(nèi)的可溶性糖在鹽脅迫等逆境下既是滲透調(diào)節(jié)劑,又是植物體內(nèi)其他有機質(zhì)合成的碳架和能量來源[27],鹽脅迫下植物體內(nèi)的蛋白酶活性升高,導致蛋白質(zhì)大量水解減少[28]。程紅巖等[29]對松塔景天(Sedumsediforme)進行了研究,發(fā)現(xiàn)隨著鹽脅迫濃度的增加,可溶性糖、可溶性蛋白逐漸增多,而可溶性糖在低濃度下增加量不明顯,高濃度增加量顯著(P<0.05),這與本研究結果相一致。無6-BA處理下250 mmol·L-1NaCl脅迫,可溶性糖含量增加了一倍,而寧夏枸杞(Lyciumbarbarum)[30]在相同鹽濃度下含量也明顯增加。
外源物質(zhì)6-芐基腺嘌呤(6-BA)是通過增加植物體內(nèi)的細胞分裂素來緩解鹽脅迫對植物的傷害,從而促進植物的生長,主要能夠促進植物地上和地下部分生物量的增加[31]。清除鹽脅迫下植物體內(nèi)的自由基,減少活性氧、膜質(zhì)氧化物的積累,刺激滲透調(diào)節(jié)物的大量產(chǎn)生[32]。本研究鹽脅迫下,老芒麥幼苗各項被抑制的生長指標在6-BA處理下均得到了不同程度的緩解。在0、150、250 mmol·L-1NaCl處理下,MDA含量在10 mg·L-16-BA處理較無6-BA處理顯著(P<0.05)減少了64.9%、42.2%和50.0%;而6-BA對鹽脅迫下大豆幼苗[10]的試驗發(fā)現(xiàn),MDA減少量沒有老芒麥的顯著(P<0.05),可見適宜濃度6-BA能夠緩解鹽脅迫對老芒麥造成的傷害,進一步保護細胞膜系統(tǒng)。對苦馬豆[12]苗期的研究發(fā)現(xiàn)鹽脅迫下6-BA處理游離脯氨酸含量相比僅鹽脅迫增加了,其主要是外源物質(zhì)促進了有關脯氨酸合成酶的活性。本研究在鹽脅迫下,6-BA處理增加了老芒麥體內(nèi)的游離脯氨酸含量,無鹽脅迫下,尤以30 mg·L-16-BA處理游離脯氨酸含量的增幅顯著(P<0.05),較無6-BA處理增加了5.7倍,100、150 mmol·L-1NaCl脅迫下,6-BA各處理增加量顯著(P<0.05),而在苦馬豆[12]、番茄[11]上的處理促進效果不明顯,表明6-BA在老芒麥上的促進效果較好。無鹽脅迫下,老芒麥可溶性蛋白含量在30 mg·L-16-BA處理較無6-BA處理增加了98.1%;覃杰明等[33]對鐵皮石斛(Dendrobiumofficinale)研究發(fā)現(xiàn),20 mg·L-16-BA處理,促進了幼苗根的生長率,可溶性糖含量增加量少。本研究中100 mmol·L-1NaCl脅迫下,20 mg·L-16-BA處理可溶性糖較無6-BA處理增加了1.7倍(P<0.05),表明6-BA處理能夠促進鹽脅迫下老芒麥體內(nèi)可溶性糖含量的上升,維持細胞滲透環(huán)境。老芒麥在鹽脅迫下經(jīng)6-BA處理各項抗性指標較理想,可以考慮在鹽堿化土地的改良和生產(chǎn)實踐中應用。
隸屬函數(shù)評判法可以較準確地反映植物的抗逆性特征[34]。本研究使用隸屬函數(shù)法綜合分析發(fā)現(xiàn),在未進行6-BA或相同6-BA處理下,隨著鹽脅迫濃度的不斷增大,隸屬函數(shù)值逐漸減小,30 mg·L-16-BA處理下,100 mmol·L-1NaCl脅迫隸屬函數(shù)值較高,可見高濃度6-BA處理下,老芒麥各指標的隸屬函數(shù)值均較理想。綜合發(fā)現(xiàn)6-BA處理下,100 mmol·L-1NaCl脅迫對植物傷害較小。無鹽脅迫下,隨著6-BA濃度增加,隸屬函數(shù)值逐漸增高。50和150 mmol·L-1NaCl脅迫處理,均以20 mg·L-16-BA處理隸屬函數(shù)值較大。雷雄等[35]研究也發(fā)現(xiàn)20 mg·L-16-BA處理緩解垂穗披堿草(Elymusnutans)遭受的脅迫,且效果最為理想,10~30 mg·L-16-BA處理均可促進和改善其種子萌發(fā)和幼苗生長狀況。
鹽脅迫抑制了老芒麥幼苗的生長,隨其濃度增加,植株地上部的各形態(tài)指標和葉綠素SPAD值均下降,250 mmol·L-1鹽脅迫下,株高明顯降低;可溶性糖較無6-BA處理增加了一倍。無鹽脅迫下,隨6-BA濃度的增大促生效果越明顯,30 mg·L-16-BA處理下可溶性蛋白和游離脯氨酸含量較無6-BA處理分別增加了98.1%、5.7倍,MDA含量在10 mg·L-16-BA處理下較無6-BA處理減少了64.9%;同一鹽脅迫下,隨6-BA濃度增大緩解鹽脅迫效果增強;相同6-BA處理下,高鹽脅迫被緩解效果顯著(P<0.05); 250 mmol·L-1鹽脅迫下,葉綠素含量在20 mg·L-16-BA處理較無6-BA處理增加了17.3%,100 mmol·L-1鹽脅迫下,可溶性糖在20 mg·L-16-BA處理下較無6-BA處理提高了1.7倍。經(jīng)隸屬函數(shù)綜合分析,鹽脅迫下,20 mg·L-16-BA處理緩解效果較好;6-BA處理下,100 mmol·L-1鹽脅迫對老芒麥傷害較輕。