Na2CO3對黃秋葵種子萌發(fā)及生理特性的影響

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山西 太谷 030801)

黃秋葵(Abelmoschusesculentus(Linn.) Moench)又名咖啡黃葵，為錦葵科秋葵屬，一年生草本植物，廣泛栽培于熱帶和亞熱帶地區(qū)[1]。黃秋葵以采食嫩果為主，其花、種子均可以入藥，有研究表明黃秋葵在抗疲勞、抗氧化、降血糖和降血脂、調(diào)節(jié)免疫功能、鎮(zhèn)靜催眠以及抗腫瘤等[2-4]方面有一定效果，具有廣闊的藥用前景。

目前，在世界范圍內(nèi)約有8.31億hm2的土壤由于鹽堿化程度過高而無法被有效利用，我國鹽堿地總面積達9 913萬hm2，約占全國土地面積的10%[5,6]。正常情況下，植物細胞的滲透壓高于外界環(huán)境以利于吸收水分和礦物質(zhì)。但高濃度的堿溶液會引發(fā)滲透脅迫能快速損害植物，而且對植物幼嫩組織的危害較大[7,8]。種子萌發(fā)期是植物生活史的起點，在此期間，其生理活動很容易受到外界環(huán)境的干擾，從而影響植物的生長和發(fā)育，而堿脅迫就是影響種子萌發(fā)的重要因素之一[9,10]。根系是最早暴露在土壤環(huán)境下的器官，萌發(fā)期的胚根對堿脅迫敏感。植物能否在堿環(huán)境中生存首先取決于它能否發(fā)芽，其次是取決于它是否能夠抵抗出苗后的堿環(huán)境[11]。在堿脅迫下，種子的萌發(fā)狀況可以直觀反映種子受脅迫的程度。種子受堿脅迫時，MDA含量積累，為減輕逆境對種子造成傷害，抗氧化酶(Catalase，CAT；Peroxidase，POD；Superoxide dismutase，SOD)保護系統(tǒng)發(fā)揮作用，同時積累大量滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)(如脯氨酸)作為滲透調(diào)節(jié)劑，提高細胞滲透壓，降低細胞內(nèi)水勢[12]。通過測定胚根的這些生理指標，可以從一定程度上了解種子萌發(fā)期對逆境的耐受性。

目前國內(nèi)外對黃秋葵的研究主要集中在藥食兩用方面，關(guān)于逆境生理研究大多為鹽脅迫[13,14]與水分脅迫[15]，對其堿脅迫下的研究尚有欠缺，本試驗采用不同濃度的Na2CO3溶液模擬不同堿性條件，研究不同濃度的堿脅迫對黃秋葵種子萌發(fā)及胚根生理特性的影響，探討黃秋葵種子對Na2CO3的耐受能力，以期為生產(chǎn)實踐中黃秋葵的堿化地栽培提供可靠的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為“臺灣五?！秉S秋葵。堿脅迫試劑為無水Na2CO3(分析純)。

1.2 試驗方法

1.2.1種子發(fā)芽方法

試驗設(shè)置5組Na2CO3堿脅迫濃度梯度，每組4個重復(fù)，每個重復(fù)50粒種子。5組堿脅迫濃度分別為0(ck)、10、20、30、40 mmol·L-1。發(fā)芽試驗于25 ℃下恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)進行，采用標準紙上發(fā)芽法[16]。

1.2.2種子萌發(fā)參數(shù)測定及統(tǒng)計方法

從種子放入培養(yǎng)箱的次日開始，每天觀察記錄黃秋葵種子的發(fā)芽狀況，統(tǒng)計發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)，并計算相對堿害率。黃秋葵種子的發(fā)芽勢以前3 d種子的發(fā)芽總數(shù)計算，發(fā)芽率以7 d種子的發(fā)芽總數(shù)計算，以胚根露白2 mm視為發(fā)芽。發(fā)芽7 d后對能萌發(fā)為幼苗的處理組進行復(fù)水5 d觀察其根系生長狀況。各指標計算公式如下[17,18]：

發(fā)芽率(%)=(7 d內(nèi)發(fā)芽種子總數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽勢(%)=(前3 d發(fā)芽種子總數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽指數(shù)=∑(Gt/Dt)(式中，Gt表示在第t天種子的發(fā)芽數(shù)，Dt代表相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù))；

發(fā)芽率相對堿害率(%)=[(對照組發(fā)芽率-各處理組發(fā)芽率)/對照組發(fā)芽率]×100%；

發(fā)芽勢相對堿害率(%)=[(對照組發(fā)芽勢-各處理組發(fā)芽勢)/對照組發(fā)芽勢]×100%；

發(fā)芽期綜合堿害率(%)=(發(fā)芽勢相對堿害率+發(fā)芽率相對堿害率)/2。

1.2.3胚根長度測定方法

種子發(fā)芽后第3、4、5、6天，從各處理中分別挑選10粒發(fā)芽種子測量其根長，觀察各處理組胚根生長狀況，拍照記錄并計算各處理組的胚根生長速度，公式如下：

胚根平均每天的生長速度=[(第4天胚根長度-第3天胚根長度)+(第6天胚根長度-第5天胚根長度)]/2。

對能萌發(fā)幼苗的處理組復(fù)水5 d后，觀察其側(cè)根生長數(shù)量。

1.2.4生理指標測定方法

待發(fā)芽至第3天，挑選各處理已發(fā)芽種子的胚根，測定抗氧化活性酶(POD、SOD、CAT)、脯氨酸和MDA[19-21]，每個處理重復(fù)3次，取平均值。

1.3 試驗數(shù)據(jù)處理

運用SPSS 23.0軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析，并采用最小顯著差異法(LSD)進行多重比較分析。同時采用Microsoft Excel 2016軟件對所有數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 堿脅迫對黃秋葵種子萌發(fā)特性的影響

黃秋葵種子通過不同堿濃度處理后，其發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)以及相對堿害率的趨勢如圖1所示。從圖中可以看出前三者均隨著堿脅迫濃度的增加基本呈降低的趨勢，表明堿脅迫能抑制黃秋葵種子萌發(fā)。黃秋葵種子萌發(fā)的發(fā)芽率、發(fā)芽勢及發(fā)芽指數(shù)在20～30 mmol·L-1濃度區(qū)間均出現(xiàn)一個“平臺期”，而在40 mmol·L-1又大幅下降，說明堿脅迫可能已超過黃秋葵種子自身可承受范圍。黃秋葵發(fā)芽勢與發(fā)芽率的相對堿害率隨堿濃度增加呈增加趨勢，且在不同濃度的堿脅迫下，發(fā)芽勢的相對堿害率均高于發(fā)芽率的相對堿害率，說明堿脅迫可以顯著延緩種子的萌發(fā)。

圖1 堿脅迫對黃秋葵種子萌發(fā)的影響

表1 不同濃度堿脅迫對黃秋葵種子萌發(fā)的影響

注：不同小寫字母表示(p<0.05)差異顯著。下同。

通過統(tǒng)計黃秋葵種子萌發(fā)參數(shù)(見表1)，可以發(fā)現(xiàn)10 mmol·L-1Na2CO3脅迫的發(fā)芽率與對照組差異不顯著，說明較該濃度堿脅迫對黃秋葵種子發(fā)芽率的影響較小。20 mmol·L-1和30 mmol·L-1處理組發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)無顯著差異，其它處理組隨堿濃度的升高而減小，綜合相對堿害率則相反。而40 mmol·L-1處理組發(fā)芽率僅為47.5%，表明高濃度堿脅迫能抑制黃秋葵種子萌發(fā)。

2.2 堿脅迫對黃秋葵種子胚根生長的影響

測量種子萌發(fā)過程中胚根的長度，統(tǒng)計各處理組胚根的生長速度，見表2。結(jié)果表明，黃秋葵種子萌發(fā)過程中各處理組胚根長度與堿脅迫濃度呈負差異達顯著水平，隨著Na2CO3濃度的升高，胚根生長速度也大大降低，20～40 mmol·L-1處理組胚根生長速度均低于10%，說明高于20 mmol·L-1的堿脅迫能嚴重抑制胚根的生長。

表2 不同濃度堿脅迫對黃秋葵種子新生胚根的影響

觀察種子萌發(fā)7 d后各處理組胚根生長狀況(圖2，A)，可以發(fā)現(xiàn)至第7天時，20～40 mmol·L-1處理組的胚根也出現(xiàn)斷裂壞死，只有對照組和10 mmol·L-1處理組具有萌發(fā)為幼苗的能力，對其復(fù)水5 d(圖2，B)，觀察到對照組根系的側(cè)根數(shù)量多于10 mmol·L-1處理組，說明堿脅迫能對新生幼苗的根系造成一定程度的損傷。

圖3 堿脅迫對黃秋葵種子保護酶類活性的影響

圖4 堿脅迫下MDA含量與脯氨酸積累量變化

注：A為種子萌發(fā)第7天胚根生長圖；B為復(fù)水5 d后幼苗生長圖。圖2 黃秋葵種子萌發(fā)期胚根長對比圖

2.3 堿脅迫下黃秋葵的基本生理指標

2.3.1堿脅迫下黃秋葵種子新生胚根保護酶類的活性

表3和圖3顯示，隨著堿脅迫濃度的增加，黃秋葵種子胚根的POD、CAT和SOD活性均表現(xiàn)為升高趨勢，在10～30 mmol·L-1Na2CO3脅迫下POD活性與對照組的差異不顯著，40 mmol·L-1Na2CO3脅迫下，POD活性為對照組的2.96倍，差異顯著。

10 mmol·L-1的CAT活性與對照組無顯著差異，20～30 mmol·L-1與對照組有顯著差異，分別是對照組的2.74倍和4.75倍，40 mmol·L-1為對照組的6.63倍。但各處理組的SOD活性差異不顯著。

2.3.2堿脅迫下黃秋葵種子胚根MDA與脯氨酸含量變化

從圖4可看出，MDA含量隨著堿脅迫濃度的升高呈上升趨勢，脯氨酸的積累量也有所上升。40 mmol·L-1MDA含量比對照組增加72.28%。說明在高濃度堿脅迫下MDA會在新生胚根中大量積累，而脯氨酸含量在40 mmol·L-1堿脅迫下僅比對照組增加9.82%。說明脯氨酸在堿脅迫下積累緩慢，即表明黃秋葵種子在萌發(fā)期間脯氨酸對其滲透調(diào)節(jié)效果不明顯。

表3 不同濃度堿脅迫對黃秋葵種子保護酶類活性的影響

3 討 論

在種子生物學(xué)領(lǐng)域，常采用發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)等指標來評價種子發(fā)芽情況，使用相對堿害率來描述種子在堿脅迫下受脅迫的程度[22]。發(fā)芽率可以反映種子發(fā)芽的數(shù)量，發(fā)芽勢可以反映種子萌發(fā)的快慢和整齊度，發(fā)芽指數(shù)能夠反映種子在整個發(fā)芽期的綜合活力[23]。本研究結(jié)果表明，在Na2CO3脅迫處理下，黃秋葵種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)與堿溶液的濃度呈顯著負相關(guān)，即抑制效應(yīng)隨堿溶液的濃度增加而增加。堿溶液濃度達到40 mmol·L-1時，種子發(fā)芽率已經(jīng)低于50%，這低于生產(chǎn)所需的發(fā)芽率；10 mmol·L-1Na2CO3與對照組相比，發(fā)芽勢與發(fā)芽指數(shù)差異顯著，說明10 mmol·L-1濃度延緩黃秋葵種子萌發(fā)，但二者發(fā)芽率差異不顯著，仍為74.50%，可能由于黃秋葵種子對10 mmol·L-1堿脅迫具有一定的耐受性，可為堿化地的開發(fā)利用提供有價值的參考數(shù)據(jù)。模擬堿環(huán)境測定新生胚根的生長速度可以科學(xué)的解釋堿脅迫對黃秋葵種子萌發(fā)成幼苗期間的危害，本試驗中隨著堿脅迫濃度的增大黃秋葵種子胚根長度也逐漸減小，且胚根生長速率降低，表明堿脅迫能一定程度抑制種子新生胚根的生長，這與藺吉祥[23]的研究結(jié)果一致。

逆境影響植物體內(nèi)滲透平衡，破壞膜結(jié)構(gòu)及其組成。有研究結(jié)果表明隨著堿脅迫濃度的增加，氧自由基含量升高，導(dǎo)致膜脂過氧化程度增加，而膜脂過氧化的產(chǎn)物主要是MDA[24]，本研究結(jié)果表明，MDA隨堿濃度增加呈升高趨勢，可能脅迫期間新生胚根的膜脂系統(tǒng)受到了一定程度的破壞。植物大致有2種應(yīng)對逆境的方法：一種是增加滲透物質(zhì)如脯氨酸的含量[25]，通過增加植物細胞的滲透壓來調(diào)節(jié)植物水勢，增強植物的抗逆能力；另一種是為保護細胞免受氧自由基對植物細胞的傷害，細胞產(chǎn)生抗氧化物酶(POD、CAT、SOD)消除過多的氧自由基[26]。本研究發(fā)現(xiàn)，脯氨酸的積累量變化并不明顯，堿脅迫下黃秋葵種子新生胚根的POD、CAT、SOD活性均有所上升，但只有40 mmol·L-1Na2CO3濃度的POD與CAT活性與對照組有明顯差異，而SOD活性在不同堿脅迫濃度處理下均沒有顯著差異，可能是由于新生的胚根對堿脅迫的適應(yīng)力較差。

綜上所述，堿脅迫能抑制黃秋葵種子萌發(fā)及其胚根、幼苗的生長，破壞新生胚根的膜脂系統(tǒng)，但黃秋葵種子對10 mmol·L-1堿脅迫具有耐受性，為黃秋葵選擇適宜栽培環(huán)境提供了可靠的依據(jù)。