張鳳銀,陳禪友,張 萍,譚友波,李俊芳
(江漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,中國武漢 430056)
長豇豆 (Vigna unguiculata W.ssp.sesquipedalis(L.)Verd.,2n=22)具有適應(yīng)性廣,耐熱性能強等特性.我國南北各地均有分布,尤以南方栽培普遍,全國栽培面積達(dá)40多萬hm2,是解決夏秋淡季蔬菜供應(yīng)的主要蔬菜作物之一.然而其種植季節(jié)正值夏季高溫時期,常常受到干旱的脅迫,嚴(yán)重影響產(chǎn)量和品質(zhì)[1-2].
長豇豆受到干旱脅迫后,會引起一系列生理生化的變化.汪寶根等[1]研究發(fā)現(xiàn),長豇豆受到干旱脅迫后,其生長量和凈光合效率降低,而葉片質(zhì)膜的透性增加.康利平等[3]研究發(fā)現(xiàn),隨干旱脅迫時間的延長,長豇豆葉片含水量、葉綠素含量、氣孔張開率、氣孔導(dǎo)度、光合速率以及蒸騰速率均降低.代其林等[4]利用5%PEG溶液模擬干旱脅迫,發(fā)現(xiàn)長豇豆幼苗抗氧化酶SOD、POD、CAT的活性隨脅迫時間的延長均出現(xiàn)先升后降的變化規(guī)律.前人主要報道了長豇豆多項生理指標(biāo)在同一干旱脅迫程度下,隨時間變化的規(guī)律,但至今少見有不同干旱脅迫程度對長豇豆生理指標(biāo)影響的報道.為此,在本研究中,利用不同質(zhì)量濃度PEG溶液模擬不同程度干旱脅迫,研究長豇豆種子萌發(fā)指標(biāo)、萌發(fā)幼苗的生長指標(biāo)及抗氧化酶活性與干旱脅迫程度之間的關(guān)系,以期為今后開展長豇豆耐旱機理的研究提供參考依據(jù).
以長豇豆品種鄂豇豆2號的種子為試驗材料,由湖北省豆類(蔬菜)植物工程技術(shù)研究中心提供.PEG選用PEG-6000,為日本純品,購自天津市化學(xué)試劑批發(fā)部.
1.2.1 種子萌發(fā)試驗 選擇籽粒飽滿、大小均勻一致、完好無損的長豇豆種子.采用溫湯浸種法浸種2 h,撈出,晾干,然后將種子擺放在鋪有兩層濾紙的培養(yǎng)皿中,分別加入15 mL不同質(zhì)量濃度的PEG處理液.PEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)為0、50、100、150、200、250、300 g/L 等 7 個梯度,相對應(yīng)的滲透勢[5]分別為 0 MPa、-0.45 MPa、-1.38 MPa、-2.78 MPa、-4.64 MPa、-6.99 MPa、-9.80 MPa.種子在溫度為28 ±1 ℃、RH 為85%的PYX2DHS型恒溫培養(yǎng)箱(上海福瑪實驗設(shè)備有限公司)中培養(yǎng).每個培養(yǎng)皿30粒種子,每個處理重復(fù)3次.每2 d更換濾紙,并添加15 mL原液,使各處理PEG滲透脅迫的質(zhì)量濃度保持相對穩(wěn)定.連續(xù)培養(yǎng)8 d結(jié)束長豇豆種子萌發(fā)試驗.
1.2.2 指標(biāo)測定 從長豇豆種子培養(yǎng)次日起每天定時統(tǒng)計發(fā)芽種子數(shù).種子萌發(fā)指標(biāo)的計算公式如下:
發(fā)芽勢(%)=發(fā)芽初期(前5 d)發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100;
發(fā)芽率(%)=發(fā)芽終期(前8 d)發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100;
發(fā)芽指數(shù) =∑(Gt/Dt),式中Gt為t天的發(fā)芽種子數(shù),Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù).
種子萌發(fā)試驗結(jié)束后,從每個處理的每個重復(fù)中分別隨機取10株幼苗,測量其芽長、根長,并統(tǒng)計側(cè)根數(shù).豇豆幼苗超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化物酶(POD)活性及丙二醛(MDA)含量分別用氮藍(lán)四唑(NBT)光化還原法[6]、愈創(chuàng)木酚法[6]及用硫代巴比妥酸(TBA)比色法[6]測定.
1.2.3 數(shù)據(jù)資料的整理及分析 用Excel2003處理數(shù)據(jù),用DPS2000軟件進行差異顯著性分析.
2.1.1 PEG脅迫對長豇豆種子萌發(fā)的影響 表1為不同程度PEG脅迫對長豇豆種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)的影響.由表1可知,與對照相比,PEG質(zhì)量濃度≤150 g/L,對長豇豆種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率及發(fā)芽指數(shù)的影響不顯著,而PEG質(zhì)量濃度≥200 g/L時,長豇豆種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)顯著降低.其中,200 g/L PEG和250 g/L PEG處理和對照相比,發(fā)芽勢分別下降了25.53%和88.03%,發(fā)芽率分別下降了21.34%和74.67%,發(fā)芽指數(shù)分別下降了37.96%和88.26%.長豇豆種子在300 g/L PEG脅迫下完全不能萌發(fā).由此可見,低質(zhì)量濃度PEG對長豇豆種子萌發(fā)影響不大,但高質(zhì)量濃度PEG延緩長豇豆種子萌發(fā),降低種子活力,而且PEG質(zhì)量濃度越高,抑制程度越嚴(yán)重.
表1 PEG脅迫對長豇豆種子萌發(fā)的影響Tab.1 Effects of PEG stress on seed germination of cowpea
2.1.2 PEG脅迫對長豇豆萌發(fā)期幼苗生長的影響 表2為不同質(zhì)量濃度PEG脅迫對長豇豆萌發(fā)期幼苗生長的影響.從表2可知,隨PEG質(zhì)量濃度的增加,長豇豆幼苗的主根長、芽長以及側(cè)根數(shù)均呈逐漸下降的趨勢.與對照相比,50、100 g/L PEG處理的長豇豆幼苗的主根長差異不顯著,而150、200 g/L PEG處理的長豇豆主根長顯著短于對照,分別為對照的82.74%和55.36%;50 g/L PEG處理的長豇豆幼苗芽長與對照差異不顯著,但當(dāng)PEG質(zhì)量濃度≥100 g/L,各處理的長豇豆幼苗芽長顯著短于對照,其中,100、150、200 g/L PEG處理的長豇豆幼苗芽長分別是對照的77.19%、40.87%和17.30%;50 g/L PEG處理的長豇豆幼苗的側(cè)根數(shù)也與對照差異不顯著,而當(dāng)PEG質(zhì)量濃度≥100 g/L時,各處理幼苗的側(cè)根數(shù)顯著少于對照,其中100、150、200 g/L PEG處理的長豇豆幼苗的側(cè)根數(shù)分別為對照的80.55%,73.61%和14.58%.長豇豆根長與芽長的比值也隨PEG質(zhì)量濃度的增加呈上升趨勢,而且當(dāng)PEG質(zhì)量濃度≥150 g/L,各處理的根長/芽長的比值與對照差異顯著,而PEG質(zhì)量濃度≤150 g/L時,各處理根長/芽長的比值與對照差異不顯著.由此可見,PEG抑制了長豇豆萌發(fā)期幼苗的生長,且質(zhì)量濃度越高,幼苗生長受抑制越嚴(yán)重;長豇豆幼苗芽生長和側(cè)根形成比主根生長對PEG脅迫更為敏感(因長豇豆幼苗芽生長和側(cè)根形成顯著受抑制的PEG質(zhì)量濃度低于主根生長的,另外,隨PEG質(zhì)量濃度增加,長豇豆幼苗的根長/芽長比值也隨著增加).
表2 PEG脅迫對長豇豆幼苗生長的影響Tab.2 Effects of PEG stress on seedling growth of cowpea
2.2.1 PEG脅迫對長豇豆萌發(fā)期幼苗的SOD和POD活性影響 由表3可知,長豇豆萌發(fā)期幼苗的SOD和POD活性隨PEG質(zhì)量濃度的增加呈現(xiàn)先升高后下降的變化趨勢.其中,50、250 g/L PEG處理的長豇豆幼苗的SOD活性與對照之間差異不顯著,而100、150、200 g/L PEG處理的長豇豆幼苗SOD活性顯著高于對照,分別較對照高54.7%、144.4%和47.3%;50 g/L PEG處理的長豇豆幼苗POD活性與對照差異不顯著,100、150、200 g/L PEG處理的幼苗POD活性顯著高于對照,分別比對照增加34.1%、89.3%和17.5%,而250 g/L PEG處理的幼苗POD活性顯著低于對照,只有對照幼苗POD活性的54.8%.
2.2.2 PEG脅迫對長豇豆萌發(fā)期幼苗的MDA含量影響 MDA含量反映植物細(xì)胞膜的受傷害程度,兩者成正比例關(guān)系.由表3可見,隨PEG質(zhì)量濃度的增大,長豇豆幼苗MDA含量呈逐漸上升的趨勢.其中,50 g/L PEG處理的幼苗MDA含量與對照無顯著的差異;而PEG質(zhì)量濃度≥100 g/L的處理的幼苗MDA含量顯著高于對照,其中,100、150、200、250 g/L PEG 處理的幼苗 MDA 含量分別比對照增加了113.1%、211.4%、314.1%和464.3%.這表明,隨PEG質(zhì)量濃度增加,長豇豆萌發(fā)期幼苗的細(xì)胞膜受傷害程度加重.
表3 PEG脅迫對長豇豆幼苗SOD、POD活性和MDA含量的影響Tab.3 Effects of PEG stress on the activity of SOD and POD and content of MDA of cowpea
植物種子發(fā)芽指標(biāo)是反映種子活力大小的最可靠指標(biāo),也是反映種子萌發(fā)耐逆性能的最直接指標(biāo)[7].本研究結(jié)果表明,長豇豆種子能在PEG質(zhì)量濃度≤150 g/L的干旱脅迫下正常萌發(fā),而在PEG質(zhì)量濃度≥200 g/L干旱脅迫下,種子萌發(fā)受到明顯的抑制,且隨PEG質(zhì)量濃度的增加,種子萌發(fā)受抑制程度加重.據(jù)報道,野菊[8]、不結(jié)球白菜[9]以及綿棗兒[10]種子均在250 g/L PEG脅迫下完全不能萌發(fā),而長豇豆種子在300 g/L PEG脅迫下不能萌發(fā),但在250 g/L PEG脅迫下仍有11.11%的萌發(fā)率,這表明不同植物種子萌發(fā)耐受極限干旱脅迫的能力不同.本研究結(jié)果同楊柳等[11]及吳麗云等[12]分別在黃麻和八棱海棠中的研究結(jié)果相似,即整個種子萌發(fā)期間用PEG脅迫,表現(xiàn)出隨PEG脅迫強度的增加,種子萌發(fā)受抑制程度加大.而李京春等[13]發(fā)現(xiàn),用200 g/L PEG處理天人菊種子4 h能提高其發(fā)芽率;袁媛等[14]也發(fā)現(xiàn),黃芩種子用200 g/L PEG浸種1 h或100 g/L PEG浸種4 h也能提高其發(fā)芽率.陳禪友等[15]發(fā)現(xiàn),在15℃低溫下,用250 g/L PEG預(yù)處理低活力長豇豆種子1~2 d,或高活力長豇豆種子3~4 d,能提高其活力.這表明,PEG脅迫對種子活力和萌發(fā)效應(yīng)的影響可因植物種類、PEG質(zhì)量濃度、脅迫時間以及處理時溫度等而異.
根系是植物吸收水分的主要器官,也是在水分脅迫下最先起反應(yīng)的部位[16].根長、根重及下層根的數(shù)量與植物的抗旱性呈極顯著的正相關(guān)[17].本研究發(fā)現(xiàn),低質(zhì)量濃度的PEG對長豇豆萌發(fā)期幼苗主根生長和側(cè)根的形成影響不顯著,而高質(zhì)量濃度PEG抑制根系的生長,且PEG質(zhì)量濃度越高,對長豇豆萌發(fā)幼苗根系生長的抑制越大,這與李文鶴等[8]對野菊的研究結(jié)果一致.而Gullo等[18]報道,在水分脅迫下,禾谷類植物通過各級側(cè)根的加速分生和分枝而進行補償生長,提高根表面積和體積,從而提高吸收能力.華智銳等[19]及宋麗華等[20]也發(fā)現(xiàn),低質(zhì)量濃度的PEG促進商洛黃芩和臭椿根生長,而高質(zhì)量濃度PEG抑制根的生長.本試驗中,未發(fā)現(xiàn)低質(zhì)量濃度PEG對長豇豆根生長的促進作用,也許是長豇豆對低質(zhì)量濃度PEG的干旱脅迫的促進作用不敏感或者是PEG所設(shè)質(zhì)量濃度梯度過大未能表現(xiàn)出促進作用,還有待進一步研究.
干旱脅迫引起植物代謝紊亂,產(chǎn)生大量的活性氧,使膜脂過氧化,破壞膜系統(tǒng)[21].而植物為避免活性氧的危害,將主動調(diào)動抗氧化酶類(SOD、POD及CAT等)活性或增加生成量來消除活性氧,控制脂質(zhì)氧化,減少膜系統(tǒng)的傷害,保護細(xì)胞免受活性氧的危害.抗氧化酶表達(dá)量的多少與活性都直接決定植物的抗逆性能的強弱[22].本研究發(fā)現(xiàn)在干旱脅迫下,隨PEG質(zhì)量濃度增加,長豇豆幼苗的SOD和POD活性均呈現(xiàn)先升后降趨勢,這與李曉東等[23]、姜慧芳等[24]以及左利萍等[25]的研究結(jié)果一致.說明在低質(zhì)量濃度PEG的誘導(dǎo)下,長豇豆通過提高保護酶的活性增強植物的抗氧化能力,而在高質(zhì)量濃度PEG脅迫下,隨著活性氧的增加,超過抗氧化酶系統(tǒng)所能清除能力,反過來活性氧對抗氧化酶系統(tǒng)又造成傷害,從而引起其活性降低[24].
在正常生理條件下,植物在代謝過程中產(chǎn)生超氧化物自由基等活性氧及其消除存在一個平衡,因而植物不會累積活性氧,而在逆境和脅迫條件下植物會產(chǎn)生大量的活性氧,若不能及時消除,則會引起細(xì)胞膜發(fā)生膜脂過氧化而受到傷害[21].MDA含量是反映細(xì)胞受脅迫程度大小的指標(biāo)[26].本研究結(jié)果顯示,隨PEG質(zhì)量濃度的增加,長豇豆萌發(fā)期幼苗MDA含量呈逐漸增加趨勢,說明細(xì)胞膜受傷害程度增加,這與李曉東等[23]在玉帶草中的研究結(jié)果相似.
總之,隨PEG脅迫程度的增加,長豇豆種子萌發(fā)及幼苗的生長受抑制逐漸加重,幼苗細(xì)胞膜系統(tǒng)受損程度亦逐漸加大.
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