劉建新,劉瑞瑞,劉秀麗,賈海燕,卜 婷,李 娜

(甘肅省隴東生物資源保護(hù)利用與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/隴東學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 慶陽(yáng) 745000)

目前,世界20%的耕地和50%的灌溉地發(fā)生鹽漬化,土壤鹽堿化成為限制作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量提高的全球性生態(tài)問題[1]。鹽堿土在世界各地的半干旱和干旱地區(qū)廣泛分布,我國(guó)內(nèi)陸地區(qū)的鹽堿地主要為NaCl、Na2SO4等中性鹽(簡(jiǎn)稱鹽)和Na2CO3、NaHCO3等堿性鹽(簡(jiǎn)稱堿)構(gòu)成的復(fù)合類型[2]。鹽堿復(fù)合脅迫下,作物遭受滲透脅迫、離子毒害和高pH 脅迫,其受害程度遠(yuǎn)大于單純鹽脅迫或堿脅迫[3]。因此,提高作物耐受鹽堿脅迫的能力,對(duì)合理利用鹽堿土資源,保障我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。鹽堿復(fù)合脅迫下,植物體內(nèi)活性氧積累導(dǎo)致氧化還原平衡改變[4],碳代謝向氮代謝轉(zhuǎn)移,積累氨基酸等含氮滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)使碳氮代謝失衡[5]。研究表明,細(xì)胞初級(jí)代謝產(chǎn)物如糖、氨基酸、多元醇和有機(jī)酸等的積累與植物耐鹽堿機(jī)制密切相關(guān)[6]。小麥(Triticum aestivum)根系在堿脅迫下糖酵解、氨基酸合成和細(xì)胞膜脂代謝顯著受抑,而三羧酸(tricarboxylic acid,TCA)循環(huán)明顯增強(qiáng)[7]。棉花(Gossypiumspp.)在鹽脅迫下活躍的糖代謝為氨基酸代謝提供能量來保障氮素同化; 而堿脅迫下棉花則通過增強(qiáng)TCA 循環(huán)供給能量的同時(shí)提供大量有機(jī)酸應(yīng)對(duì)滲透脅迫和高pH脅迫[8]。酚酸是植物以糖酵解產(chǎn)物磷酸烯醇式丙酮酸和戊糖磷酸途徑中間物赤蘚糖-4-磷酸為底物經(jīng)莽草酸途徑和苯丙烷代謝合成的一類次生代謝產(chǎn)物。趙琦等[9]研究證明,酚酸積累明顯增強(qiáng)紫花苜蓿(Medicago sativa)對(duì)鹽堿脅迫的耐受能力。外施酚酸通過調(diào)控抗氧化酶活性可有效減輕小麥鹽誘導(dǎo)的氧化損傷[10]。代謝組學(xué)分析已廣泛應(yīng)用于植物鹽堿適應(yīng)和耐鹽堿相關(guān)機(jī)制研究[7-8,11-14],但運(yùn)用代謝組學(xué)方法解析外源活性物質(zhì)調(diào)控細(xì)胞代謝與增強(qiáng)植物耐鹽堿性關(guān)系的研究鮮見報(bào)道。

硫化氫(H2S)作為氣體傳遞信號(hào)在植物適應(yīng)鹽堿脅迫中發(fā)揮著重要調(diào)節(jié)作用。研究表明: H2S 能夠增強(qiáng)植物對(duì)鹽堿脅迫的適應(yīng)性[15],內(nèi)源H2S 參與維持鹽脅迫下紫花苜蓿氧化還原平衡,抑制細(xì)胞Na+內(nèi)流和K+外流[16]; 它還作為褪黑素下游信號(hào)參與褪黑素緩解黃瓜(Cucumis sativus)鹽脅迫過程[17]。外源H2S供體硫氫化鈉(NaHS)處理能夠提高鹽脅迫下大麥(Hordeum vulgare) H+-ATP 酶基因表達(dá)和Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)體活性,保持Na+、K+平衡[18]; 維持鹽脅迫水稻(Oryza sativa)體內(nèi)礦質(zhì)離子穩(wěn)態(tài)[19]; 并激活茶(Camellia sinensis)抗氧化酶活性[20]和促進(jìn)玉米(Zea mays)抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)[21]來增強(qiáng)鹽脅迫下防御活性氧傷害的能力; 提高番茄(Lycopersicon esculentum)葉片光化學(xué)效率,緩解鹽脅迫下光抑制對(duì)光系統(tǒng)Ⅱ的氧化損傷[22]; 通過促進(jìn)還原型谷胱甘肽合成和提高抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)關(guān)鍵酶活性從而增強(qiáng)結(jié)球甘藍(lán)(Brassica oleracea)對(duì)堿脅迫的耐受性[23]。迄今,揭示H2S 增強(qiáng)植物抗鹽堿性機(jī)理的研究已有不少,但這些研究幾乎都以植物幼苗為材料進(jìn)行單一NaCl 脅迫處理,而對(duì)H2S 調(diào)控鹽堿復(fù)合脅迫下作物其他生育期代謝機(jī)制的研究少見報(bào)道,外源H2S增強(qiáng)植物耐鹽堿性的糖和酚酸代謝反應(yīng)調(diào)控機(jī)制仍尚不清楚。

裸燕麥(Avena nuda)為禾本科燕麥屬(Avena)中籽粒唯一不帶稃皮的栽培種,是我國(guó)西北廣泛種植的一種雜糧作物[24],其籽粒蛋白質(zhì)和不飽和脂肪酸含量遠(yuǎn)高于禾本科的小麥、水稻和玉米等作物,且富含β-葡聚糖、黃酮、酚酸和皂苷,具有降低血脂、血糖和血壓等保健作用,是第一個(gè)被美國(guó)食品和藥物管理局批準(zhǔn)的“具有降低心臟病風(fēng)險(xiǎn)”的谷物保健食品[25]。裸燕麥耐貧瘠、耐鹽堿抗旱,是西北地區(qū)種植的優(yōu)勢(shì)特色作物,低肥鹽堿地等邊際土壤常首選種植裸燕麥,鹽堿脅迫成為其生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量提升的重要限制因素。噴施NaHS 溶液可增強(qiáng)鹽堿復(fù)合脅迫下裸燕麥活性氧清除能力[15],且抽穗期噴施50 μmol·L-1NaHS 緩解裸燕麥鹽堿脅迫的效果最佳[26]。甘肅省是我國(guó)西部地區(qū)裸燕麥的主要種植地之一,裸燕麥也是當(dāng)?shù)剞r(nóng)民增收和改善膳食結(jié)構(gòu)的重要雜糧。本研究采用盆栽土培試驗(yàn),在裸燕麥抽穗期噴施50 μmol·L-1NaHS 溶液,運(yùn)用代謝組學(xué)方法解析外源H2S 對(duì)鹽堿脅迫下裸燕麥糖分解代謝、氧化還原平衡和酚酸的調(diào)控效應(yīng),旨在為揭示H2S 提高植物耐鹽堿性的生理機(jī)制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料培養(yǎng)和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

裸燕麥品種‘定莜9 號(hào)’由甘肅省定西市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院選育,具有豐產(chǎn)和抗旱耐鹽特性,是甘肅省主栽品種。NaHS 和NaCl、Na2SO4、NaHCO3、Na2CO3購(gòu)自上海麥克林生化科技有限公司。

試驗(yàn)采用盆栽土培方法,于2021年4-7月在甘肅省隴東生物資源保護(hù)利用與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室生物與農(nóng)業(yè)科技園露天進(jìn)行。供試土壤取自隴東黃土高原(107°41′4″E,35°43′50″N) 0～20 cm 耕作層,土壤類型為砂壤質(zhì)黑壚土,肥力中等,水溶性鹽含量為0.768 g·kg-1,pH 7.91。將土壤風(fēng)干、打碎過3 mm篩,添加N∶P2O5∶K2O=13∶17∶15 復(fù)合肥0.5 g·kg-1拌勻后均分為二。其中一份直接裝盆(配底托塑料盆口徑315 mm,高340 mm),另一份模擬甘肅省中部裸燕麥種植地鹽堿含量和組成狀況,添加3.0 g·kg-1鹽堿(摩爾比NaCl∶Na2SO4∶Na2CO3∶NaHCO3=12∶8∶1∶9)拌勻裝盆。每盆均裝土22.0 kg。澆自來水至田間持水量(20.8%)沉實(shí)3 d 后播種(4月6日),每盆播種大約60 粒,出苗后及時(shí)疏苗,5月9日每盆定苗25 株,常規(guī)管理,待裸燕麥抽穗期(6月18日)時(shí)進(jìn)行噴施蒸餾水或NaHS 處理。

試驗(yàn)設(shè)置4 個(gè)處理: 土壤中不添加鹽堿+裸燕麥抽穗期噴施蒸餾水(CK)、土壤中添加3.0 g·kg-1鹽堿(摩爾比NaCl∶Na2SO4∶Na2CO3∶NaHCO3=12∶8∶1∶9)+裸燕麥抽穗期噴施蒸餾水(SA)、土壤中添加3.0 g·kg-1鹽堿(摩爾比NaCl∶Na2SO4∶Na2CO3∶NaHCO3=12∶8∶1∶9)+裸燕麥抽穗期噴施50 μmol·L-1NaHS 溶液(SA+NaHS)、土壤中不添加鹽堿+裸燕麥抽穗期噴施50 μmol·L-1NaHS 溶液(NaHS)。每個(gè)處理10 盆(5 盆用于代謝物檢測(cè),另5 盆統(tǒng)計(jì)產(chǎn)量性狀),重復(fù)4 次,共160 盆。為雙向控制誤差,采用拉丁方設(shè)計(jì)排列。每天7:00 和19:00 用手持壓縮式噴霧器(成都市鑫桂塑膠有限公司)各噴一次,連續(xù)噴3 d,每盆噴施量約150 mL,噴施蒸餾水或NaHS 溶液中添加體積分?jǐn)?shù)0.01%吐溫-80 以提高葉面黏附性。噴施結(jié)束后第7 d 剪取倒2 葉3 份,用蒸餾水清潔葉面,吸水紙吸干表面水分后裝入凍存管,編號(hào)后置于液氮中速凍,埋入干冰中快遞至蘇州帕諾米克生物醫(yī)藥科技有限公司,其中1 份材料用于糖酵解、TCA 循環(huán)和戊糖磷酸途徑(pentose phosphate pathway,PPP)代謝物和氧化還原物質(zhì)檢測(cè),另外2 份材料用于酚酸組分含量檢測(cè)。7月20日裸燕麥成熟后收獲,進(jìn)行室內(nèi)考種。

1.2 糖酵解、TCA 循環(huán)、PPP 代謝物與氧化還原物質(zhì)、ATP 含量檢測(cè)

糖酵解、TCA 循環(huán)、PPP 代謝物和氧化還原物質(zhì)、腺苷三磷酸(adenosine triphosphate,ATP)含量均由蘇州帕諾米克生物醫(yī)藥科技有限公司(中國(guó)江蘇蘇州)利用LC-MS-8050 型(SHIMADZU,USA)超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜儀(Ultra Performance Liquid Chromatography-Tandem Mass Spectrometry,UPLCMS/MS)完成標(biāo)準(zhǔn)曲線建立及樣品測(cè)定,結(jié)果以每克鮮質(zhì)量材料中的微摩爾數(shù)表示(μmol·g-1)。用BSA124SCW 型分析電子天平(Sartorius,Germany)精確稱取50 mg 鮮葉凍樣于2.0 mL 離心管中,加入冷卻至-80 ℃體積分?jǐn)?shù)80%高效液相色譜級(jí)甲醇1.0 mL,用JXFSTPRP-24 型組織研磨儀(上海凈信科技有限公司,上海)低溫(干冰)研磨2 min,4 ℃渦旋1 min,-80 ℃孵育4 h 后4 ℃14000 g 離心10 min。轉(zhuǎn)移上清液至2 mL 試管中,在速度真空中凍干樣品,將U-13C-谷氨酰胺添加到體積分?jǐn)?shù)80%甲醇提取緩沖液中作內(nèi)標(biāo),進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)品和樣品的UPLC-MS/MS 檢測(cè)。采用HILIC (Amide 4.6 mm×100 mm ID 3.5 μm)色譜柱,流動(dòng)相A: 體積分?jǐn)?shù)95%水、5%乙腈、20 mmol·L-1氫氧化銨和20 mmol·L-1乙酸銨,25 ℃調(diào)pH 至9.0; 流動(dòng)相B: 100%乙腈。用100 μL 流動(dòng)相A 重懸凍干樣品。將色譜柱在30 ℃下用15%流動(dòng)相A 以350 μL·min-1流速平衡3 min。取1 μL 樣品進(jìn)行線性梯度洗脫:0～3 min,15% A; 3～16 min,50% A; 16～20 min,85% A;20～25 min,15% A。質(zhì)譜分析條件: 離子傳輸管溫度350 ℃,蒸發(fā)器溫度270 ℃。儀器以負(fù)模式運(yùn)行,噴霧電壓為3000 V,鞘氣40 arb,輔助氣5.0 arb,使用具有最佳碰撞能量多反應(yīng)監(jiān)測(cè)模式測(cè)量不同標(biāo)準(zhǔn)混合物7～8 個(gè)濃度以生成標(biāo)準(zhǔn)曲線,使用Labsolution 軟件分析數(shù)據(jù)。

1.3 酚酸化合物含量檢測(cè)

19 種酚酸化合物由蘇州帕諾米克生物醫(yī)藥科技有限公司(中國(guó)江蘇蘇州)完成標(biāo)準(zhǔn)曲線建立及樣品含量測(cè)定,結(jié)果以每克鮮質(zhì)量材料中的微克數(shù)表示(μg·g-1)。稱量100 mg 冷凍鮮葉,用2 mL 4 mol·L-1NaOH 40 ℃水解2 h,添加4 mol·L-1HCl 調(diào)節(jié)pH 至2,加2 mL 正己烷室溫?fù)u動(dòng)20 min,除去正己烷層;用2 mL 乙酸乙酯提取水層2 次,提取物在35 ℃旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器上減壓濃縮至接近干燥,將殘余物溶解在200 μL 50%甲醇中,并轉(zhuǎn)移至配有插入裝置的小瓶中。

采用Vanquish 型超高效液相色譜(Thermo,USA)和Q Exactive 高分辨質(zhì)譜(Thermo,USA)測(cè)定系統(tǒng)進(jìn)行UPLC-MS/MS 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)品和樣品。液相參數(shù):色譜柱為Waters HSS T3 (50 mm×2.1 mm,1.8 μm);流動(dòng)相A 相為超純水(含0.1%乙酸),B 相為乙腈(含0.1%乙酸); 流速0.3 mL·min-1; 柱溫40 ℃; 進(jìn)樣量2 μL; 水/乙腈進(jìn)行0～12.0 min 梯度洗脫。質(zhì)譜參數(shù): 采用電噴霧離子源,鞘氣40 arb; 輔助氣10 arb; 離子噴霧電壓-2800 V; 溫度350 ℃; 離子傳輸管溫度320 ℃。掃描模式為單離子檢測(cè)模式; 掃描方式為負(fù)離子。

1.4 裸燕麥產(chǎn)量性狀測(cè)定

裸燕麥成熟后以每盆為單位沿盆土面剪取植株地上部,曬干后用精度1%電子天平稱量生物學(xué)產(chǎn)量,統(tǒng)計(jì)穗數(shù)量、穗鈴數(shù)量后脫粒,將脫粒后的籽粒曬干除雜,統(tǒng)計(jì)穗粒數(shù)量后稱量千粒重量和籽粒產(chǎn)量,計(jì)算單株穗數(shù)量、穗鈴數(shù)量、生物學(xué)產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量和穗粒數(shù)量。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

運(yùn)用軟件SPSS 20.0 多因素方差分析和新復(fù)極差法多重比較(P＜0.05),在Omicshare (https://www.omicshare.com)平臺(tái)聚類熱圖分析; 用Simca14.1 進(jìn)行偏最小二乘判別分析(partial least squares-discriminant analysis,PLS-DA)和正交偏最小二乘法判別分析(orthogonal partial least squares discriminant analysis,OPLS-DA),篩選差異代謝物。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源硫化氫對(duì)鹽堿脅迫下裸燕麥葉片糖分解代謝產(chǎn)物的影響

從表1可見,與CK 相比,SA 處理下糖酵解途徑中除果糖和磷酸二羥丙酮含量無(wú)顯著差異外,葡萄糖、葡萄糖-6-磷酸、果糖-6-磷酸、果糖-1,6-二磷酸、3-磷酸甘油醛、3-磷酸甘油酸、磷酸烯醇式丙酮酸、丙酮酸和乳酸含量顯著下降(P＜0.05); PPP 中6-磷酸葡萄糖酯含量下降不顯著,核糖-5-磷酸、赤蘚糖-4-磷酸和景天庚酮糖-7-磷酸含量顯著下降(P＜0.05);TCA 循環(huán)中的檸檬酸含量顯著提高,α-酮戊二酸含量及與TCA 循環(huán)相關(guān)的谷氨酸、谷氨酰胺含量顯著下降(P＜0.05),琥珀酸、延胡索酸、蘋果酸、天冬氨酸和天冬酰胺含量變化不顯著。這說明鹽堿脅迫下裸燕麥呼吸代謝的糖酵解、PPP 和TCA 循環(huán)均顯著受抑。與SA 處理相比,SA+NaHS 處理顯著提高了糖酵解途徑葡萄糖、果糖-6-磷酸、3-磷酸甘油酸、乳酸和PPP 中6-磷酸葡萄糖酯、景天庚酮糖-7-磷酸及TCA 循環(huán)α-酮戊二酸和相關(guān)氨基酸谷氨酰胺含量(P＜0.05),表明外源H2S 可以上調(diào)鹽堿脅迫下裸燕麥糖分解的酵解過程及PPP 和TCA 循環(huán)。

表1 外源硫化氫對(duì)鹽堿脅迫下裸燕麥葉片糖代謝物含量的影響Table 1 Effects of exogenous H2S on the contents of sugar metabolites in leaves of naked oat under saline-alkali stress μmol·g-1

與CK 相比,單獨(dú)NaHS 處理的葡萄糖-6-磷酸、丙酮酸、乳酸、赤蘚糖-4-磷酸、景天庚酮糖-7-磷酸、α-酮戊二酸、谷氨酸含量顯著下降(P＜0.05),6-磷酸葡萄糖酯和檸檬酸含量顯著升高(P＜0.05),說明外源H2S 對(duì)非鹽堿條件下裸燕麥糖的分解代謝也產(chǎn)生顯著影響。

2.2 外源硫化氫調(diào)控鹽堿脅迫下裸燕麥葉片糖分解代謝物的聚類熱圖分析

聚類熱圖分析是能直觀觀察數(shù)據(jù)特征的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法。CK、SA、SA+NaHS、NaHS 處理的糖分解代謝物聚類熱圖(圖1)顯示,不同處理裸燕麥葉片中糖分解代謝物含量存在明顯差異。根據(jù)糖分解代謝物含量差異首先將SA+NaHS 和NaHS 處理聚為一類,再與SA 聚為一類,最后和CK 聚為一類。表明鹽堿脅迫和外施H2S 明顯改變正常條件或鹽堿脅迫下裸燕麥葉片糖代謝過程。

圖1 不同外源硫化氫噴施和鹽堿脅迫處理下裸燕麥葉片糖分解代謝物聚類熱圖分析Fig.1 Hierarchical cluster analysis-heat map of sugar catabolites in leaves of naked oat under different treatments of saline-alkali stress and NaHS spraying

2.3 外源硫化氫對(duì)鹽堿脅迫下裸燕麥葉片糖分解代謝產(chǎn)物的PLS-DA 分析

PLS-DA 是有監(jiān)督的判別分析,R2X、RY2和Q2分別代表模型對(duì)變量X、Y的擬合度和預(yù)測(cè)能力。為進(jìn)一步分析不同處理裸燕麥葉片糖分解代謝物差異,經(jīng)PLS-DA 分析提取4 個(gè)主成分,R2X=0.846,R2Y=0.898,Q2=0.770,表明模型對(duì)變量X的解釋率為84.6%,對(duì)變量Y的解釋率為89.8%,預(yù)測(cè)能力為77.0%,說明模型擬合度好,預(yù)測(cè)能力高。由PLS-DA 分析得分圖(圖2a)可知,CK、SA、SA+NaHS、NaHS 處理各自歸為一類,說明不同處理糖分解代謝物含量存在明顯差異。經(jīng)200 次置換檢驗(yàn)(圖2b)隨機(jī)產(chǎn)生的R2在縱軸上的截距為0.461,Q2值在縱軸上的截距為-0.369。說明PLS-DA 沒有出現(xiàn)模型過擬合現(xiàn)象,可依據(jù)PLS-DA 分析的變量投射重要度(variable importance for the projection,VIP)篩選差異代謝物。根據(jù)VIP＞1 且方差分析P＜0.05 篩選,景天庚酮糖-7-磷酸、α-酮戊二酸、天冬酰胺、果糖-6-磷酸、谷氨酰胺、檸檬酸、6-磷酸葡萄糖酯和琥珀酸為不同處理含量顯著差異的糖分解代謝物,說明不同處理引起裸燕麥糖分解過程中酵解途徑、PPP 和TCA 循環(huán)關(guān)鍵代謝物水平顯著改變。

圖2 不同外源硫化氫噴施和鹽堿脅迫處理下裸燕麥葉片糖分解代謝物PLS-DA 得分圖(a)及200 次模型的置換檢驗(yàn)(b)Fig.2 PLS-DA score plot (a) and 200 permutation test of the model (b) of sugar catabolites in naked oat leaves under different treatments of saline-alkali stress and NaHS spraying

2.4 外源硫化氫對(duì)鹽堿脅迫下裸燕麥葉片糖分解代謝物的OPLS-DA 分析

為進(jìn)一步提高模型參數(shù)對(duì)變量X/Y關(guān)聯(lián)度的解釋,經(jīng)OPLS-DA 分析得分圖(圖3a、b、c)顯示: CK、SA、SA+NaHS、NaHS 處理各自聚為一族,充分顯示各處理間糖分解代謝物含量存在明顯差異。根據(jù)OPLS-DA 分析VIP 圖(圖3g、h、i)中VIP＞1 且P＜0.05并結(jié)合S-圖(圖3d、e、f)解析可知: 與CK 相比,SA處理沒有糖分解代謝物含量顯著上調(diào),而導(dǎo)致乳酸(Lactate)、丙酮酸(Pyruvate)、谷氨酸(Glu)、α-酮戊二酸(α-KG)、谷氨酰胺(Gln)、果糖-6-磷酸(F6P)、3-磷酸甘油酸(3PG)、葡萄糖(Glucose)、葡萄糖-6-磷酸(G6P)、赤蘚糖-4-磷酸(E4P)、天冬酰胺(Asn)、3-磷酸甘油醛(GAP)、景天庚酮糖-7-磷酸(S7P)、果糖-1,6-二磷酸(FBP)、核糖-5-磷酸(R5P)含量顯著下調(diào)(圖3d)。說明鹽堿脅迫顯著抑制裸燕麥的無(wú)氧和有氧呼吸過程。與SA 處理相比,SA+NaHS 處理下α-酮戊二酸(α-KG)、果糖-6-磷酸(F6P)、谷氨酰胺(Gln)、葡萄糖(Glucose)、3-磷酸甘油酸(3PG)、景天庚酮糖-7-磷酸(S7P)、6-磷酸葡萄糖酯(6PG)、乳酸(Lactate)、延胡索酸(Fumarate)、蘋果酸(Malate)含量顯著上調(diào),而天冬酰胺(Asn)含量顯著下調(diào)(圖3e)。表明外源H2S 對(duì)鹽堿脅迫造成的裸燕麥呼吸抑制具有顯著緩解效應(yīng)。與CK 相比,單獨(dú)NaHS處理下檸檬酸(Citrate)、琥珀酸(Succinate)和6-磷酸葡萄糖酯(6PG)含量顯著上調(diào),而谷氨酸(Glu)、赤蘚糖-4-磷酸(E4P)、α-酮戊二酸(α-KG)、葡萄糖-6-磷酸(G6P)、乳酸(Lactate)、丙酮酸(Pyruvate)、景天庚酮糖-7-磷酸(S7P)和天冬酰胺(Asn)含量顯著下調(diào)(圖3f)。說明外源H2S 可下調(diào)非鹽堿條件下裸燕麥的糖酵解,而正負(fù)調(diào)控PPP 和TCA 循環(huán)中關(guān)鍵代謝物水平。

圖3 不同外源硫化氫噴施和鹽堿脅迫處理下裸燕麥葉片糖分解代謝物OPLS-DA 得分圖(a: CK vs.SA; b: SA vs.SA+NaHS; c: CK vs.NaHS)、S 形圖(d: CK vs.SA; e: SA vs.SA+NaHS; f: CK vs.NaHS)和VIP 圖(g: CK vs.SA; h:SA vs.SA+NaHS; i: CK vs.NaHS)Fig.3 OPLS-DA score plots (a: CK vs.SA; b: SA vs.SA+NaHS; c: CK vs.NaHS),S-plots (d: CK vs.SA; e: SA vs.SA+NaHS; f:CK vs.NaHS) and VIP plots (g: CK vs.SA; h: SA vs.SA+NaHS; i: CK vs.NaHS) of sugar catabolites in naked oat leaves under different treatments of saline-alkali stress and NaHS spraying

2.5 外源硫化氫對(duì)鹽堿脅迫下裸燕麥葉片氧化還原平衡和ATP 含量的影響

還原型谷胱甘肽(GSH)/氧化型谷胱甘肽(GSSG)、還原型輔酶Ⅱ(NADPH)/氧化型輔酶Ⅱ(NADP)比值反映植物體的氧化還原狀態(tài),ATP 是細(xì)胞生命活動(dòng)的能量物質(zhì)。由表2可知,與CK 相比,SA 處理裸燕麥葉片GSH、GSSG 和NADPH、NADP 含量顯著下降,GSH/GSSG 比值顯著升高,而NADPH/NADP 比值和ATP 含量無(wú)顯著變化。說明鹽堿脅迫雖造成裸燕麥體內(nèi)氧化還原物質(zhì)水平降低,但未引起氧化還原失衡和能量供應(yīng)下降,通過提高GSH/GSSG 加強(qiáng)活性氧清除可能是其適應(yīng)鹽堿的重要機(jī)制[23]。與SA 處理相比,SA+NaHS 處理對(duì)葉片GSH、GSSG、NADPH、NADP、ATP 含量和GSH/GSSG、NADPH/NADP 比值無(wú)顯著影響。與CK 相比,單獨(dú)NaHS 處理葉片GSSG、NADPH 含量顯著下降,GSH/GSSG、NADPH/NADP 比值和ATP 含量無(wú)顯著變化。表明外源H2S 對(duì)鹽堿和非鹽堿條件下裸燕麥氧化還原平衡和能量供給的影響微弱。

表2 外源硫化氫對(duì)鹽堿脅迫下裸燕麥葉片還原型谷胱甘肽(GSH)、氧化型谷胱甘肽(GSSG)、還原型輔酶Ⅱ(NADPH)、氧化型輔酶Ⅱ(NADP)含量及比值和腺苷三磷酸(ATP)含量的影響Table 2 Effects of exogenous H2S on the contents and ratios of reduced glutathione (GSH),oxidized glutathione (GSSG),reduced coenzyme Ⅱ (NADPH),oxidized coenzyme Ⅱ (NADP) and adenosine triphosphate (ATP) content in naked oat leaves under saline-alkali stress

2.6 外源硫化氫對(duì)鹽堿脅迫下裸燕麥葉片酚酸含量的影響

在裸燕麥葉片中檢測(cè)出沒食子酸、苯丙氨酸、原兒茶酸、原兒茶醛、兒茶素、香草酸、咖啡酸、丁香酸、表兒茶素、對(duì)香豆酸、4-羥基苯甲酸、香草醛、丁香醛、芥子酸、反式阿魏酸、水楊酸、苯甲酸、氫化肉桂酸、反式肉桂酸等19 種酚酸,其中含量小于1 μg·g-1的是沒食子酸、苯丙氨酸、原兒茶酸、兒茶素、表兒茶素、水楊酸、氫化肉桂酸、反式肉桂酸8 種,含量介于1～10 μg·g-1的是原兒茶醛、咖啡酸、丁香酸、丁香醛4 種,含量介于10～50 μg·g-1的是香草酸、4-羥基苯甲酸、香草醛、芥子酸、苯甲酸5 種,含量大于50 μg·g-1的是對(duì)香豆酸和反式阿魏酸(表3)。不同處理引起裸燕麥葉片酚酸含量發(fā)生改變。與CK 相比,SA 處理顯著提高沒食子酸、原兒茶醛、丁香酸、反式阿魏酸、苯甲酸和總酚酸含量(P＜0.05),降低反式肉桂酸含量(P＜0.05),對(duì)其他酚酸含量無(wú)顯著影響。說明裸燕麥體內(nèi)酚酸參與鹽堿脅迫響應(yīng)。與SA 處理相比,SA+NaHS 處理顯著提高了原兒茶酸和原兒茶醛含量(P＜0.05),對(duì)其他酚酸和總酚酸含量無(wú)顯著影響。與CK 相比,單獨(dú)NaHS 處理的氫化肉桂酸和反式肉桂酸含量顯著降低(P＜0.05),其他酚酸和總酚酸含量無(wú)顯著變化。表明外源H2S 參與鹽堿和非鹽堿條件下裸燕麥不同酚酸相互轉(zhuǎn)化調(diào)控。

表3 外源硫化氫對(duì)鹽堿脅迫下裸燕麥葉片酚酸含量的影響 Table 3 Effects of exogenous H2S on the contents of phenolic acids in leaves of naked oat under saline-alkali stress μg·g-1

2.7 外源硫化氫對(duì)鹽堿脅迫下裸燕麥葉片酚酸組成的PLS-DA 分析

裸燕麥葉片酚酸經(jīng)PLS-DA 分析得出R2X=0.491,R2Y=0.319,Q2=0.173,說明模型的解釋和預(yù)測(cè)能力中等。從得分圖(圖4a)可知,CK、SA、SA+NaHS、NaHS處理各自相對(duì)聚集,表明不同處理酚酸含量存在明顯差異。經(jīng)200 次置換檢驗(yàn)(圖4b)得到R2在縱軸上的截距小于0.2,Q2值截距小于0.05,說明模型未出現(xiàn)過擬合,可依據(jù)VIP 篩選差異酚酸。根據(jù)VIP＞1且方差分析P＜0.05 篩選,反式肉桂酸(tCA)、氫化肉桂酸(HCA)和反式阿魏酸(tFA)為不同處理含量顯著差異酚酸,說明裸燕麥酚酸參與鹽堿脅迫響應(yīng)。

圖4 不同外源硫化氫噴施和鹽堿脅迫處理下裸燕麥葉片酚酸PLS-DA 得分圖(a)及200 次模型的置換檢驗(yàn)(b)Fig.4 PLS-DA score plot (a) and 200 permutation test of the model (b) of phenolic acids in naked oat leaves under different treatments of saline-alkali stress and NaHS spraying

2.8 外源硫化氫對(duì)鹽堿脅迫下裸燕麥葉片酚酸組成的OPLS-DA 分析

經(jīng)OPLS-DA 分析,不同處理間裸燕麥酚酸含量存在明顯差異(圖5a、b、c),根據(jù)VIP 圖(圖5g、h、i)中VIP＞1 且P＜0.05 篩選并結(jié)合S-圖(圖5d、e、f)解析: 與CK 相比,SA 處理顯著上調(diào)反式阿魏酸(tFA)、苯甲酸(BZA)和對(duì)香豆酸(p-HCA),顯著下調(diào)反式肉桂酸(tCA) (圖5d)。與SA 處理相比,SA+NaHS 處理4-羥基苯甲酸(4-HBZA)和香草醛(VNL)顯著上調(diào),而水楊酸(SA)和芥子酸(4-HDCA)顯著下調(diào)(圖5e);與CK 相比,單獨(dú)NaHS 處理反式肉桂酸(tCA)和丁香醛(SGH)顯著下調(diào)(圖5f)。表明外源硫化氫參與裸燕麥酚酸對(duì)鹽堿脅迫響應(yīng)的調(diào)控。

圖5 不同外源硫化氫噴施和鹽堿脅迫處理下裸燕麥葉片酚酸OPLS-DA 得分圖(a: CK vs.SA; b: SA vs.SA+NaHSl; c:CK vs.NaHS),S 形圖(d: CK vs.SA; e: SA vs.SA+NaHS; f: CK vs.NaHS)和VIP 圖(g: CK vs.SA; h: SA vs.SA+NaHS; i: CK vs.NaHS)Fig.5 PLS-DA score plots (a: CK vs.SA; b: SA vs.SA+NaHS; c: CK vs.NaHS),S-plots (d: CK vs.SA; e: SA vs.SA+NaHS; f:CK vs.NaHS) and VIP plots (g: CK vs.SA; h: SA vs.SA+NaHS; i: CK vs.NaHS) of phenolic acids in naked oat leaves under different treatments of saline-alkali stress and NaHS spraying

2.9 外源硫化氫對(duì)鹽堿脅迫下裸燕麥產(chǎn)量性狀的影響

從表4可知,不同處理裸燕麥穗數(shù)量、穗鈴數(shù)量、千粒重量和生物學(xué)產(chǎn)量無(wú)顯著差異。與CK 相比,SA 處理下裸燕麥穗粒數(shù)量和籽粒產(chǎn)量顯著下降(P＜0.05); SA+NaHS 處理與SA 處理相比顯著提高了穗粒數(shù)量和籽粒產(chǎn)量(P＜0.05); 單獨(dú)NaHS 處理的穗粒數(shù)量和籽粒產(chǎn)量與CK 相比無(wú)顯著差異。表明外源硫化氫可顯著緩解鹽堿脅迫導(dǎo)致的裸燕麥穗粒數(shù)量和籽粒產(chǎn)量的下降。

表4 外源硫化氫對(duì)鹽堿脅迫下裸燕麥產(chǎn)量性狀的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Table 4 Effects of exogenous H2S on the yield traits of naked oat under saline-alkaline stress

3 討論

3.1 外源硫化氫對(duì)鹽堿脅迫下裸燕麥葉片糖代謝產(chǎn)物和氧化還原平衡的影響

利用代謝組學(xué)分析可揭示植物適應(yīng)鹽堿過程中代謝物組成的變化以及涉及的重要代謝途徑。高龍飛等[27]研究發(fā)現(xiàn),藍(lán)莓(Vacciniumspp.)響應(yīng)鹽脅迫過程中光呼吸代謝通路發(fā)生顯著改變。郭瑞等[7]研究表明,堿脅迫下小麥根系糖酵解、細(xì)胞膜脂代謝和氨基酸合成受抑,而TCA 循環(huán)增強(qiáng)。本試驗(yàn)結(jié)果表明,鹽堿復(fù)合脅迫下裸燕麥葉片糖酵解和PPP 途徑顯著受抑,TCA 循環(huán)中α-酮戊二酸及相關(guān)谷氨酸、谷氨酰胺和天冬酰胺含量顯著下降(圖3d,圖6)。這與棉花遭受鹽堿脅迫時(shí)蔗糖和淀粉代謝活躍及TCA循環(huán)增強(qiáng)[8]的結(jié)果有所不同,其可能與鹽堿脅迫強(qiáng)度及不同植物響應(yīng)鹽堿脅迫機(jī)制存在差異有關(guān)。葡萄糖是植物呼吸代謝的起始物,通過光合作用合成。鹽堿脅迫導(dǎo)致裸燕麥葉片葡萄糖含量顯著下降(圖3d),這可能是鹽堿脅迫抑制光合作用所致[22],進(jìn)而造成糖酵解下游物質(zhì)葡萄糖-6-磷酸、果糖-6-磷酸、果糖-1,6-二磷酸、3-磷酸甘油醛、3-磷酸甘油酸、丙酮酸和乳酸含量顯著下調(diào),從而使無(wú)氧呼吸過程受到抑制。α-酮戊二酸是TCA 循環(huán)中關(guān)鍵物質(zhì),其通過氨基移換作用使植物碳氮代謝密切關(guān)聯(lián)和有序轉(zhuǎn)移[5]。鹽堿脅迫下裸燕麥顯著受抑的糖酵解可能導(dǎo)致下游有氧呼吸TCA 循環(huán)中α-酮戊二酸及轉(zhuǎn)氨作用產(chǎn)物谷氨酸、谷氨酰胺和天冬酰胺含量的下降,這將不利于細(xì)胞滲透壓平衡維持、pH 調(diào)節(jié)和降低鹽離子毒害[4,7]。PPP 途徑是無(wú)氧和有氧條件下均可進(jìn)行的呼吸代謝循環(huán),循環(huán)中葡萄糖-6-磷酸、果糖-6-磷酸、果糖-1,6-二磷酸和3-磷酸甘油醛是與糖酵解共同的中間物,鹽堿脅迫下裸燕麥上述代謝物水平的顯著降低可能進(jìn)而導(dǎo)致PPP 途徑中赤蘚糖-4-磷酸、景天庚酮糖-7-磷酸和核糖-5-磷酸含量的顯著下降。由此可見,鹽堿脅迫顯著抑制裸燕麥糖的無(wú)氧和有氧呼吸代謝,這與陳曉晶等[28]的鹽脅迫下燕麥根系呼吸途徑顯著受抑制的結(jié)果一致。

圖6 OPLS-DA 分析得出的外源硫化氫調(diào)控鹽堿脅迫下裸燕麥葉片糖和酚酸代謝途徑網(wǎng)絡(luò)變化圖Fig.6 Proposed metabolic pathway network changes of sugars and phenolic acids in naked oat leaves under saline-alkali stress regulated by exogenous H2S obtained from OPLS-DA analysis

H2S 作為信號(hào)分子不僅調(diào)控植物的生長(zhǎng)和生理過程,還參與多種非生物脅迫應(yīng)答[29]。然而,利用代謝組學(xué)解析H2S 增強(qiáng)植物耐鹽堿性機(jī)制的研究仍少見報(bào)道。Wei 等[30]利用蛋白質(zhì)組學(xué)分析發(fā)現(xiàn),外源H2S 可通過調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激、恢復(fù)光合功能和改善能量代謝緩解鹽脅迫對(duì)水稻造成的傷害。本研究運(yùn)用代謝組學(xué)分析表明,外施H2S 不僅顯著下調(diào)非鹽堿條件下裸燕麥糖酵解中間物葡萄糖-6-磷酸、丙酮酸和乳酸水平,而且使TCA 循環(huán)中間物α-酮戊二酸及相關(guān)谷氨酸、天冬酰胺含量顯著下降,但TCA 循環(huán)中檸檬酸、琥珀酸含量顯著上調(diào)(圖3f,圖6)。這表明外源H2S 對(duì)非鹽堿條件下裸燕麥糖酵解產(chǎn)生負(fù)調(diào)控作用,而對(duì)TCA 循環(huán)具有正負(fù)調(diào)控作用。鹽堿脅迫下,外源H2S 顯著上調(diào)裸燕麥糖酵解途徑中葡萄糖、果糖-6-磷酸、3-磷酸甘油酸、乳酸含量和TCA循環(huán)中α-酮戊二酸、延胡索酸和蘋果酸含量(圖3e,圖6),表明外源H2S 可以提高鹽堿脅迫下裸燕麥糖的無(wú)氧酵解和有氧氧化分解過程,其原因可能與H2S 參與調(diào)控鹽堿脅迫下植物細(xì)胞防御和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)差異基因表達(dá)并顯著改變代謝酶活性有關(guān)[31]。外源H2S 可能促使天冬酰胺脫氨產(chǎn)生天冬氨酸,天冬氨酸通過TCA 循環(huán)轉(zhuǎn)換為谷氨酸,進(jìn)一步合成谷氨酰胺[32],從而顯著下調(diào)鹽堿脅迫下裸燕麥天冬酰胺含量而上調(diào)谷氨酰胺含量。糖酵解和TCA 循環(huán)中間物主要是有機(jī)酸類,有機(jī)酸不僅是能量代謝的重要中間物,而且其積累是維持離子平衡和細(xì)胞pH 穩(wěn)定的重要機(jī)制[7]。外源H2S 對(duì)鹽堿脅迫下裸燕麥呼吸代謝途徑中有機(jī)酸含量的顯著提升效應(yīng)可能在彌補(bǔ)鹽堿脅迫引起的負(fù)電荷不足和保持細(xì)胞pH 穩(wěn)定方面發(fā)揮著調(diào)節(jié)作用。

植物的PPP 途徑是葡萄糖-6-磷酸通過兩次連續(xù)的脫氫氧化反應(yīng)產(chǎn)生NADPH 和核酮糖-5-磷酸后不同碳數(shù)單糖間通過非氧化相互轉(zhuǎn)化重新生成葡萄糖-6-磷酸的循環(huán)過程,它與植物活性氧清除系統(tǒng)抗壞血酸(ASA)-谷胱甘肽(GSH)循環(huán)密切聯(lián)系,并在維持細(xì)胞氧化還原平衡和增強(qiáng)抗氧化防御方面發(fā)揮著重要作用[33]。本研究中,鹽堿脅迫下裸燕麥PPP 途徑中赤蘚糖-4-磷酸、核糖-5-磷酸、景天庚酮糖-7-磷酸的顯著下降可能引起GSH、GSSG、NADPH、NADP含量的顯著降低,但GSH/GSSG 顯著提高,NADPH/NADP 和ATP 含量變化不大(表2)。表明鹽堿脅迫雖對(duì)裸燕麥PPP 途徑和ASA-GSH 循環(huán)產(chǎn)生不利影響,但提高氧化還原平衡和維持能量供給可能是裸燕麥適應(yīng)鹽堿脅迫的重要機(jī)制。外源H2S 可能通過促進(jìn)PPP 途徑的氧化階段使非鹽堿條件下裸燕麥葡萄糖-6-磷酸含量顯著降低而6-磷酸葡萄糖酯含量顯著提高(圖3f、圖6),氧化階段產(chǎn)生的NADPH 用于ASA-GSH 循環(huán)中GSH 的還原,從而使NADPH 含量顯著下降(表2); 外源H2S 對(duì)PPP 途徑非氧化階段赤蘚糖-4-磷酸、景天庚酮糖-7-磷酸含量的顯著降低及對(duì)GSH/GSSG、NADPH/NADP 和ATP 含量的微弱影響表明外源H2S 雖對(duì)非鹽堿條件下裸燕麥PPP 途徑非氧化階段有不利影響,但對(duì)氧化還原平衡和能量供給無(wú)顯著影響。鹽堿脅迫下,外施H2S 顯著上調(diào)裸燕麥6-磷酸葡萄糖酯和景天庚酮糖-7-磷酸含量(圖3e、圖6),但對(duì)GSH、GSSG、NADPH、NADP、ATP 含量和GSH/GSSG、NADPH/NADP 無(wú)顯著影響(表2)。這說明外源H2S 參與鹽堿脅迫下裸燕麥PPP 途徑的調(diào)控,能夠緩解鹽堿脅迫對(duì)PPP 代謝途徑的抑制,并維持細(xì)胞氧化還原平衡和能量穩(wěn)定供給。這與孫曉莉等[34]的干旱脅迫下外源H2S 可減輕板栗(Castanea mollissima)根系呼吸代謝途徑抑制的研究結(jié)果類似。外源H2S 緩解鹽堿脅迫對(duì)裸燕麥呼吸抑制的原因可能與它能夠上調(diào)ATP 合成相關(guān)蛋白及能量代謝、硫代謝和細(xì)胞防御相關(guān)酶活性[30-31]有關(guān)。而H2S 調(diào)控呼吸代謝的分子機(jī)制以及與其他信號(hào)分子的協(xié)同作用還有待進(jìn)一步深入探究。

3.2 外源硫化氫對(duì)鹽堿脅迫下裸燕麥葉片酚酸代謝及產(chǎn)量性狀的影響

酚酸是具有酚羥基結(jié)構(gòu)的一類化合物,以磷酸烯醇式丙酮酸和赤蘚糖-4-磷酸為底物經(jīng)莽草酸途徑首先合成莽草酸,然后通過苯丙素代謝途徑合成多酚類化合物,它在植物生長(zhǎng)發(fā)育和鹽堿適應(yīng)中發(fā)揮著重要作用[9]。因此,莽草酸是植物糖代謝與多酚代謝的關(guān)鍵連接點(diǎn),也是酚酸類物質(zhì)生物合成的必經(jīng)途徑。前人研究表明,耐鹽的蕓苔屬作物羽衣甘藍(lán)(Brassica oleraceavar.acephala)和白菜(Brassica oleraceavar.capitata)比大白菜(Brassica rapassp.pekinensis)含有更高水平的總酚酸和羥基肉桂酸。并且,隨著鹽脅迫強(qiáng)度提高大白菜和羽衣甘藍(lán)中咖啡酸、水楊酸和4-香豆酸含量減少,而羽衣甘藍(lán)中阿魏酸水平增加[35]。本研究表明,鹽堿脅迫引起裸燕麥總酚酸和苯甲酸、對(duì)香豆酸、反式阿魏酸含量顯著提高,反式肉桂酸含量顯著下降,而對(duì)其他酚酸含量無(wú)顯著影響(圖6)。這與隨著鹽堿脅迫強(qiáng)度增加紫花苜蓿中阿魏酸與水楊酸含量增加[9]的結(jié)果類似。說明總酚酸含量提高及苯甲酸、對(duì)香豆酸、反式阿魏酸和反式肉桂酸水平的變化可能在裸燕麥適應(yīng)鹽堿脅迫中發(fā)揮著獨(dú)特調(diào)節(jié)作用。外源H2S 對(duì)植物酚酸物質(zhì)調(diào)控的研究迄今少見報(bào)道,本研究發(fā)現(xiàn): 外源H2S 僅使非鹽堿條件下裸燕麥丁香醛含量顯著下降,而對(duì)其他酚酸無(wú)顯著影響; 鹽堿脅迫下,外源H2S 顯著提高裸燕麥4-羥基苯甲酸、香草醛含量,卻顯著降低水楊酸、芥子酸含量,對(duì)其他酚酸含量影響微弱(圖6)。這說明外源H2S 參與鹽堿脅迫下裸燕麥酚酸代謝的調(diào)控,它對(duì)4-羥基苯甲酸、香草醛含量的顯著上調(diào)和水楊酸、芥子酸含量的顯著下調(diào)可能在其增強(qiáng)裸燕麥適應(yīng)鹽堿脅迫中發(fā)揮著重要作用,其具體作用有待進(jìn)一步探究。水楊酸是鄰羥基苯甲酸,推測(cè)H2S 可能通過催化水楊酸與4-羥基苯甲酸發(fā)生異構(gòu)化來使4-羥基苯甲酸上調(diào)而水楊酸水平下降; 它也可能通過抑制反式阿魏酸向芥子酸轉(zhuǎn)化,促進(jìn)反式阿魏酸轉(zhuǎn)向合成香草酸,進(jìn)一步合成香草醛,從而使芥子酸水平降低而提高香草醛含量(圖6)。有研究表明,多酚化合物與ASA-GSH 循環(huán)互補(bǔ)增強(qiáng)水稻在鹽脅迫下的氧化還原調(diào)節(jié)[36]。在裸燕麥適應(yīng)鹽堿脅迫中揭示H2S 如何協(xié)調(diào)多酚代謝與依賴于呼吸代謝的ASA-GSH 循環(huán)機(jī)制將是以后研究中繼續(xù)關(guān)注的重點(diǎn)。

目前,有關(guān)H2S 對(duì)鹽堿脅迫下植物幼苗生長(zhǎng)調(diào)控的研究報(bào)道較為多見,而它對(duì)作物產(chǎn)量性狀影響的研究鮮見報(bào)道。本試驗(yàn)?zāi)M甘肅省裸燕麥主產(chǎn)地鹽堿含量和組成,探究鹽堿復(fù)合脅迫下外源H2S 對(duì)產(chǎn)量性狀影響的結(jié)果表明: 外源H2S 對(duì)非鹽堿條件下裸燕麥穗數(shù)量、穗鈴數(shù)量、穗粒數(shù)量、千粒重量等產(chǎn)量構(gòu)成因素及生物學(xué)產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量無(wú)顯著影響,而對(duì)鹽堿脅迫造成的裸燕麥穗粒數(shù)量和籽粒產(chǎn)量下降具有顯著緩解作用,鹽堿脅迫及外源H2S 對(duì)鹽堿脅迫下裸燕麥穗數(shù)量、穗鈴數(shù)量、千粒重量和生物學(xué)產(chǎn)量的影響不顯著(表4)。這與外源H2S 能夠減輕鹽脅迫對(duì)植物幼苗生長(zhǎng)抑制的結(jié)果[18-19,22]類似。表明外源H2S 主要通過增加穗粒數(shù)量提高鹽堿脅迫下裸燕麥籽粒產(chǎn)量,它能夠增強(qiáng)裸燕麥耐受鹽堿脅迫的能力。究其原因可能與H2S 參與調(diào)控鹽堿脅迫下裸燕麥多種代謝有關(guān),而它對(duì)呼吸代謝中間物有機(jī)酸含量的提高和氧化還原平衡維持,以及酚酸獨(dú)特的調(diào)控在緩解鹽堿脅迫造成的負(fù)電荷虧缺和高pH 傷害中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。今后還需通過大田試驗(yàn)從多角度揭示H2S 緩解鹽堿脅迫對(duì)裸燕麥產(chǎn)量抑制的機(jī)制,以期探討H2S 作為一種潛在新型植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑的可能性。

4 結(jié)論

鹽堿復(fù)合脅迫顯著抑制裸燕麥糖的分解代謝,并使葉片GSH、GSSG、NADPH、NADP 含量顯著降低,但GSH/GSSG 顯著提高。外源H2S 對(duì)鹽堿復(fù)合脅迫下裸燕麥葉片GSH、GSSG、NADPH、NADP、ATP 含量和GSH/GSSG、NADPH/NADP 無(wú)顯著影響。外源H2S 顯著提高了葉片葡萄糖、果糖-6-磷酸、3-磷酸甘油酸、乳酸、6-磷酸葡萄糖酯、景天庚酮糖-7-磷酸、α-酮戊二酸、延胡索酸、蘋果酸和谷氨酰胺含量,顯著降低了天冬酰胺含量。表明外源H2S 能夠提高鹽堿脅迫下裸燕麥糖代謝途徑中的有機(jī)酸含量,并維持氧化還原平衡和能量供給。

鹽堿復(fù)合脅迫引起裸燕麥葉片苯甲酸、對(duì)香豆酸、反式阿魏酸和總酚酸含量顯著升高,反式肉桂酸含量顯著降低。外源H2S 可顯著提高鹽堿復(fù)合脅迫下裸燕麥葉片4-羥基苯甲酸、香草醛含量,顯著降低水楊酸、芥子酸含量,而對(duì)其他酚酸含量影響微弱。表明外源H2S 參與鹽堿脅迫下裸燕麥酚酸代謝調(diào)控。

外源H2S 對(duì)糖代謝途徑有機(jī)酸含量的顯著提高和酚酸代謝的調(diào)控可能在其顯著緩解鹽堿脅迫下裸燕麥穗粒數(shù)量和籽粒產(chǎn)量下降,從而增強(qiáng)裸燕麥耐鹽堿性中發(fā)揮著調(diào)節(jié)pH 和維持電荷平衡的作用。