梁 佳，瑪依努·吾斯曼，方志剛，＊

1.喀什大學(xué)生命與地理科學(xué)學(xué)院，新疆喀什 844000 2.新疆帕米爾高原生物資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆喀什 844000

我國(guó)干旱、半干旱區(qū)面積占土地總面積近50%，其中西北內(nèi)陸干旱區(qū)占國(guó)土面積24.5%。水分是干旱區(qū)種子萌發(fā)的關(guān)鍵因素，有研究表明，干旱脅迫通過(guò)影響種子吸水過(guò)程，呼吸作用、淀粉水解及碳水化合物的轉(zhuǎn)變進(jìn)而抑制或促進(jìn)種子萌發(fā)。水楊酸（salicylic acid，SA）是植物體內(nèi)的小分子酚類物質(zhì)，通過(guò)復(fù)雜的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)參與植物響應(yīng)逆境的生理過(guò)程。研究表明，使用一定濃度的SA浸種或噴施可以提高多種植物對(duì)干旱的適應(yīng)能力。如二色補(bǔ)血草（Limonium bicolor）種子經(jīng)水楊酸浸種后，可顯著促進(jìn)種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)。

甜高粱（Sorghum bicolor L.Moench），一年生C4植物，植株生物量大、抗旱性強(qiáng)，是優(yōu)良的可再生能源作物及飼草作物，適合在干旱區(qū)種植。本文以甜高粱品種大力士為試驗(yàn)材料，設(shè)置不同濃度水楊酸預(yù)處理，探尋干旱脅迫下水楊酸對(duì)甜高梁種子萌發(fā)及生理特性的影響。并篩選出緩解甜高粱芽苗期干旱脅迫效應(yīng)較好的水楊酸濃度水平，以期為水楊酸緩解甜高粱干旱脅迫的機(jī)理提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用甜高粱品種大力士，挑選籽粒飽滿、大小一致的甜高梁種子，用5%NaClO消毒20 min，蒸餾水沖洗干凈，備用。

1.2 試驗(yàn)方法

用PEG-6000模擬干旱脅迫,根據(jù)本課題組預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)定PEG濃度為10%。設(shè)置6個(gè)處理，以0 mmol·L-1SA濃度作干旱脅迫（10%PEG）預(yù)處理時(shí)用等量蒸餾水浸泡，分別用蒸餾水（CK）、0 mmol·L-1（10%PEG）、0.5 mmol·L-1（SA1）、1.0 mmol·L-1（SA2）、2.0 mmol·L-1（SA3）和4.0 mmol·L-1（SA4）的SA預(yù)處理（20℃黑暗條件下，浸泡2 h）甜高粱種子之后，將其取出，吸水紙擦干稱重，即為原始質(zhì)量。取上述預(yù)處理的種子均勻擺放在鋪有雙層濾紙的培養(yǎng)皿內(nèi)（直徑9 cm），每皿25粒種子，3次重復(fù)，向CK培養(yǎng)皿中加入8 mL蒸餾水，其他培養(yǎng)皿中加入8 mL10%PEG溶液。培養(yǎng)皿置于暗處進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，待種子萌發(fā)后，將其置于夜光周期12 h，晝夜溫度23/15℃，光照強(qiáng)度300 molm-2s-1條件下繼續(xù)培養(yǎng)。第3天開(kāi)始記錄種子萌發(fā)數(shù)（以胚根突破種皮2 mm為標(biāo)準(zhǔn)），第8天在每培養(yǎng)皿內(nèi)隨機(jī)挑5粒均勻的幼苗，測(cè)種子根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)、鮮重及干重。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 種子吸水能力及發(fā)芽指標(biāo)的測(cè)定

種子吸水量（g）Y1=Xtn-Xtn-1；種子吸水百分率（%）Y2=（Xtn-Xt0）/Xt0×100%；種子吸水速率（%/h）Y3=Y1/（tn-tn-1）[7]。Xtn、Xtn-1為第n、n-1次稱重時(shí)25粒種子質(zhì)量；Xt0為25粒甜高梁種子原始質(zhì)量。

發(fā)芽率（%）=（第七天的萌發(fā)種子數(shù)/供試種子總數(shù)）×100%；發(fā)芽勢(shì)（%）=（發(fā)芽高峰期種子發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù)）×100%；活力指數(shù)（VI）=GI×S；發(fā)芽指數(shù)（GI）=Σ（Gt/Dt）。Gt為種子第t天發(fā)芽粒數(shù)，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)；S為最后一天測(cè)得每粒種子的平均鮮重（g）。

1.3.2 生理生化指標(biāo)的測(cè)定

實(shí)驗(yàn)第4天取剛萌發(fā)的種子測(cè)定α-淀粉酶活性，第8天取芽鞘和葉子測(cè)量脯氨酸含量。測(cè)定方法均參照李小方、張志良主編的《植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析

采用Origin9.0軟件繪圖，采用SPSS25.0軟件進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫與水楊酸浸種對(duì)甜高粱種子吸水的影響

2.1.1 吸水量

表1 水楊酸預(yù)處理對(duì)干旱脅迫下甜高粱種子吸水量（g）的影響

從表1可以看出，不同處理?xiàng)l件下，甜高粱種子的吸水量0～4 h最大，4 h之后快速減?。?2 h之后逐漸趨于穩(wěn)定。與對(duì)照相比，10%PEG處理甜高粱種子吸水量在0～8 h和12～24 h內(nèi)均顯著降低。干旱脅迫下，SA2和SA3預(yù)處理甜高粱種子吸水量在0～8 h顯著提高。其中，SA3預(yù)處理使甜高粱種子吸水量恢復(fù)至CK水平。

CK：對(duì)照；10%PEG：干旱脅迫；SA1：0.5 mmol·L-1SA；SA2：1.0 mmol·L-1SA；SA3：2..0 mmol·L-1SA；SA4：4.0 mmol·L-1SA。同列數(shù)值后不同字母表示在0.05水平差異顯著。下同。

2.1.2 吸水率

圖1 干旱脅迫與水楊酸預(yù)處理下甜高粱種子吸水率的變化

圖2 干旱脅迫與水楊酸預(yù)處理下甜高粱種子吸水速率的變化

從圖1可以看出，不同處理下，甜高粱種子吸水率在4～8 h急劇增加，8～12 h緩慢增加，12 h后逐漸趨于穩(wěn)定。與CK相比，10%PEG處理種子吸水百分率顯著降低。干旱脅迫下，SA1預(yù)處理種子吸水率在4～12 h內(nèi)降低，SA4預(yù)處理種子吸水率在不同時(shí)段內(nèi)均顯著低于干旱處理，經(jīng)SA2和SA3預(yù)處理的種子吸水率較10%PEG處理顯著增加，且SA3預(yù)處理種子吸水率達(dá)到對(duì)照水平。

2.1.3 吸水速率

從圖2可以看出，不同處理中，甜高粱種子吸水速率在4 h最高，隨時(shí)間延長(zhǎng)不斷降低，12 h之后趨于穩(wěn)定。4～8 h和12～24 h內(nèi)，10%PEG處理種子吸水速率顯著低于對(duì)照。不同時(shí)間，SA1預(yù)處理與10%PEG處理的種子吸水速率無(wú)顯著差異。4～8 h內(nèi)SA2及SA3預(yù)處理可顯著提高干旱脅迫下甜高粱種子的吸水速率；且12～24 h，SA3預(yù)處理的吸水速率達(dá)對(duì)照水平。8～24 h內(nèi)，SA4預(yù)處理與10%PEG處理無(wú)顯著差異。

2.2 干旱脅迫與水楊酸浸種對(duì)甜高粱種子萌發(fā)的影響

表2 水楊酸預(yù)處理對(duì)干旱脅迫下甜高粱種子萌發(fā)的影響

從表2可以看出，10%PEG處理的甜高粱種子萌發(fā)指標(biāo)與CK相比都顯著下降。SA2和SA3預(yù)處理均能顯著提高干旱脅迫下甜高粱種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)；SA3預(yù)處理中，上述指標(biāo)分別增長(zhǎng)26.40%、36.36%、27.64%、48.31%。相同條件下，SA濃度增加至4.0 mmol·L-1（SA4）時(shí)，甜高粱種子的各個(gè)萌發(fā)指標(biāo)與10%PEG處理均無(wú)顯著差異。

2.3 干旱脅迫與水楊酸浸種對(duì)甜高粱幼苗生長(zhǎng)的影響

表3 水楊酸預(yù)處理對(duì)干旱脅迫下甜高粱幼苗生長(zhǎng)的影響

由表3可見(jiàn)，10%PEG處理顯著抑制了甜高粱胚根長(zhǎng)、胚芽長(zhǎng)、鮮重及干重。干旱脅迫下，隨SA濃度增加，上述指標(biāo)呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)。與干旱脅迫相比，SA1預(yù)處理顯著增加了種子胚根長(zhǎng)，SA2預(yù)處理則顯著增加了種子胚根長(zhǎng)和胚芽長(zhǎng)，SA3預(yù)處理增加了胚根長(zhǎng)、胚芽長(zhǎng)及干重。但SA4與SA3預(yù)處理相比，其根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)、干重，分別降低了39.10%、24.97%、21.05%（P＜0.05）。

2.4 干旱脅迫與水楊酸浸種對(duì)甜高粱種子生理指標(biāo)的影響

2.4.1 α-淀粉酶活性

圖3 水楊酸預(yù)處理對(duì)干旱脅迫下甜高粱種子α-淀粉酶活性的影響

圖3表明，與對(duì)照相比，10%PEG預(yù)處理時(shí)，甜高粱種子α-淀粉酶活性顯著增加。干旱脅迫下，隨著SA濃度的升高，α-淀粉酶活性表現(xiàn)出先降低再升高的趨勢(shì)。SA1與SA4預(yù)處理種子α-淀粉酶活性分別較對(duì)照顯著增加53.66%、43.90%；經(jīng)SA2與SA3預(yù)處理后種子α-淀粉酶活性與對(duì)照相比無(wú)顯著差異。

2.4.2 脯氨酸含量

圖4 水楊酸預(yù)處理對(duì)干旱脅迫下甜高粱幼苗脯氨酸含量的影響

圖4表明，10%PEG處理使甜高粱幼苗脯氨酸含量顯著高于對(duì)照，經(jīng)梯度SA預(yù)處理后，幼苗中脯氨酸含量呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。其中，SA2和SA3預(yù)處理脯氨酸含量分別比10%PEG處理增加46.91%、60.02%，且上述兩個(gè)處理間差異顯著。當(dāng)水楊酸濃度增加到4.0 mmol·L-1（SA4）時(shí)，與SA2、SA3相比脯氨酸含量顯著降低，但仍顯著高于10%PEG預(yù)處理。

3 討論與結(jié)論

水分對(duì)種子萌發(fā)至關(guān)重要，干旱脅迫造成環(huán)境中可利用水分不足，影響種子吸水進(jìn)程，嚴(yán)重時(shí)抑制種子萌發(fā)。本實(shí)驗(yàn)表明，不同處理?xiàng)l件下，甜高粱種子在0～4 h快速吸水，吸水量最大；4 h之后吸水快速減小；12 h之后逐漸穩(wěn)定，這與前人的研究結(jié)果一致[9]，表明甜高粱種子吸水4 h后，逐漸從物理吸脹到萌發(fā)吸水。常用發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)等指標(biāo)評(píng)價(jià)種子在芽苗期應(yīng)對(duì)環(huán)境因子脅迫的抗性[10]。本實(shí)驗(yàn)中，0～24 h內(nèi)，10%PEG處理可顯著降低甜高粱種子吸水量和吸水速率，抑制了種子吸水進(jìn)程，從而使種子萌發(fā)指標(biāo)及幼苗生長(zhǎng)降低（圖2、表2-3），但α-淀粉酶活性較對(duì)照顯著升高（圖3），實(shí)驗(yàn)中觀察到該處理下甜高粱種子萌發(fā)出現(xiàn)延遲，可能是α-淀粉酶活性相對(duì)較高的原因。SA被證明能通過(guò)調(diào)節(jié)植物體內(nèi)代謝通路來(lái)調(diào)控種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)過(guò)程，但其機(jī)制尚不完全清楚。本研究中，適當(dāng)濃度SA預(yù)處理明顯提高了干旱脅迫下種子的吸水量，其中以2.0 mmol·L-1的SA預(yù)處理效果最優(yōu)（表1），說(shuō)明適宜濃度SA預(yù)處理可優(yōu)化干旱脅迫下甜高粱種子吸水進(jìn)程。用 0.5 mmol·L-1和4.0 mmol·L-1的SA預(yù)處理后，并沒(méi)有顯著改變種子在干旱環(huán)境中的萌發(fā)效應(yīng)，一方面是由于過(guò)低的SA預(yù)處理未影響種子在干旱環(huán)境中的吸水量及吸水速率，種子萌發(fā)出現(xiàn)延遲現(xiàn)象，此時(shí)α-淀粉酶活性仍維持在較高水平（表1，圖3）；另一方面，過(guò)高濃度SA預(yù)處理，可能破壞甜高梁種子萌發(fā)過(guò)程中激素平衡，抑制種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)（表3）。這與張利霞等[11]的研究結(jié)果類似，說(shuō)明高濃度水楊酸預(yù)處理種子也可能間接對(duì)種子萌發(fā)造成傷害。

種子萌發(fā)初期，α-淀粉酶通過(guò)水解淀粉，為種子萌發(fā)提供能量，但是環(huán)境因子變化會(huì)影響淀粉酶水解及種子呼吸等生理過(guò)程，進(jìn)而影響種子萌發(fā)[12]。本研究發(fā)現(xiàn)，不同濃度SA預(yù)處理種子，α-淀粉酶活性和脯氨酸含量變化趨勢(shì)不同，10%PEG處理?xiàng)l件下，α-淀粉酶活性和脯氨酸含量較對(duì)照均顯著增加，這主要是由于干旱脅迫導(dǎo)致種子延遲萌發(fā)及幼苗產(chǎn)生滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。SA濃度升到2.0 mmol·L-1時(shí)，α-淀粉酶活性下降到最小，脯氨酸含量上升到峰值（圖3、圖4），推測(cè)種子萌發(fā)后，幼苗根系開(kāi)始吸收水分，降低了種子中α-淀粉酶活性，同時(shí)葉片開(kāi)始進(jìn)行光合作用，積累一些糖類物質(zhì)，為新物質(zhì)合成提供底物。趙會(huì)君等[13]實(shí)驗(yàn)證明，種子在萌發(fā)前60-72 h淀粉酶活性達(dá)到最大，之后快速下降，表明α-淀粉酶活性峰值主要出現(xiàn)在種子萌發(fā)前期，隨著胚根生長(zhǎng)，其活性持續(xù)下降。也有研究表明，干旱條件下，0.5～1.5 mmol·L-1水楊酸預(yù)處理能提高茄子（Solanum melongena L）種子的α-淀粉酶活性[14]，與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同，這與種子萌發(fā)所需時(shí)間有關(guān)，本實(shí)驗(yàn)在種子萌發(fā)第4天取樣，α-淀粉酶可能完成了淀粉的水解，故其相對(duì)活性降低。脯氨酸通過(guò)調(diào)節(jié)植物細(xì)胞水勢(shì)減輕脅迫對(duì)植物的傷害，其含量變化在一定程度上反映了植物的抗旱性[15]。本研究中2.0 mmol·L-1SA預(yù)處理后甜高粱幼苗積累大量脯氨酸，推測(cè)干旱環(huán)境中，適當(dāng)濃度SA預(yù)處理可能通過(guò)誘導(dǎo)甜高粱幼苗積累脯氨酸，降低幼苗葉片中的水勢(shì)維持體內(nèi)水分平衡，促進(jìn)碳氮代謝，從而緩解甜高粱的干旱脅迫效應(yīng)。有關(guān)水楊酸預(yù)處理導(dǎo)致甜高粱幼苗碳氮代謝的改變需在今后的研究中進(jìn)一步驗(yàn)證。

綜上所述，本實(shí)驗(yàn)條件下，干旱環(huán)境中，適宜濃度的SA預(yù)處理可改善甜高粱種子吸水能力、調(diào)節(jié)α-淀粉酶活性，誘導(dǎo)脯氨酸積累，促進(jìn)甜高粱種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)，有效提高甜高粱在芽苗期的抗旱性。結(jié)果表明，2.0 mmol·L-l的SA預(yù)處理種子，緩解甜高粱芽苗期的干旱脅迫效應(yīng)最優(yōu)。