王金香 王艷芝 幸麗璇 劉建霞 王潤梅
(山西大同大學(xué)農(nóng)學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院/設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)研發(fā)中心,037009,山西大同)
黍子(Panicum miliaceum L.)是我國北方地區(qū)的一種特色農(nóng)作物。它具有抗干旱、耐貧瘠等顯著特點(diǎn),適合在干旱、半干旱地區(qū)生長。山西北部屬季風(fēng)性干旱地區(qū),土壤貧瘠,緯度高、濕度低、晝夜溫差大,獨(dú)特的地理、土壤和氣候環(huán)境形成了黍子特有的營養(yǎng)成分和口感,黍子成為晉北地區(qū)極富特色且營養(yǎng)價值極高的一種小雜糧作物[1]。
干旱和土壤鹽漬化是影響農(nóng)作物生長的主要逆境因子。土壤鹽漬化可以分為輕度(含鹽量在0.1%~0.3%)、中度(0.4%~0.6%)和重度(大于0.6%),3種不同程度的土壤鹽漬化在山西均有分布,其中輕度鹽漬化面積占比最大,中度次之,重度最小[2]。Na+、Cl–和SO42–是多數(shù)鹽漬區(qū)土壤的主要鹽分類型[3]。土壤鹽漬化對農(nóng)作物組織與器官的生長和分化有抑制作用,使植株發(fā)育緩慢、衰老加速,進(jìn)而造成農(nóng)作物減產(chǎn)甚至發(fā)生大面積死亡[4]。鹽分升高對農(nóng)作物造成的主要危害與生理干旱、離子失衡、氧化應(yīng)激及隨后產(chǎn)生的嚴(yán)重營養(yǎng)脅迫有關(guān)[5]。如高濃度的鹽會使環(huán)境水勢降低,幼苗葉片水勢、滲透勢、壓力勢和相對含水量均明顯下降,出現(xiàn)生理干旱現(xiàn)象,形成對細(xì)胞的滲透脅迫[6]。同時,環(huán)境中Na+過度攝入會干擾細(xì)胞對其他離子的吸收和分布,根、莖和葉中K+、Mg2+、Ca2+等離子濃度會因Na+過度進(jìn)入細(xì)胞而明顯下降,造成細(xì)胞離子失衡和離子毒害[5]。逆境脅迫下,維持細(xì)胞內(nèi)滲透平衡、確保植物細(xì)胞吸水是植物提高抗逆性、實(shí)現(xiàn)個體生存和發(fā)展的早期適應(yīng)性反應(yīng)。
赤霉素(gibberellin,GA3)是一種植物激素,具有促進(jìn)植物生長和增產(chǎn)的作用。研究[7]顯示,GA3能顯著緩解鹽脅迫對水稻種子萌發(fā)的抑制作用,在此過程中,類異黃酮還原酶和葡萄糖磷酸變位酶等與GA3提高水稻耐鹽性有關(guān)。對甜玉米的研究[8]顯示,在鹽脅迫條件下,幼苗鮮重、葉綠素含量、過氧化氫酶(CAT)及超氧化物歧化酶(SOD)活性均降低,在鹽脅迫條件下對其進(jìn)行外源GA3的葉面噴施,可使幼苗的鮮重、葉綠素含量及2種酶活性得到恢復(fù)。
目前,我國耕地面積逐年縮小,而土壤鹽漬化程度和面積卻有不斷擴(kuò)大趨勢,有效耕地面積減少已成為制約我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個重要因素。如何充分利用鹽堿土地、提高鹽漬化土壤的生產(chǎn)力、促進(jìn)糧食增產(chǎn)是亟待解決的問題。選用抗鹽農(nóng)作物品種或添加外源性物質(zhì)提高作物抗鹽性是有效利用輕度及中度鹽堿土地進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一種有效措施。綠寶糯是口感好、營養(yǎng)品質(zhì)優(yōu)良的黍子品種,該品種是否適合在干旱鹽堿化的晉北地區(qū)種植以及適合在哪種鹽堿土壤種植還未見報道,能否利用GA3提高綠寶糯黍子的抗鹽性,擴(kuò)大品種種植范圍也需要做進(jìn)一步研究。本試驗以綠寶糯黍子為材料,研究該品種幼苗期對鹽脅迫的耐受性,探究GA3對鹽脅迫下幼苗生長及滲透調(diào)節(jié)的作用,為合理利用鹽堿土地進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)(增產(chǎn)增收)提供更多的理論依據(jù)。
黍子品種為金谷綠寶,購買于山西省晉中市太谷縣。
鹽脅迫處理:挑選籽粒飽滿、大小一致的種子,用NaClO消毒沖洗后將種子均勻鋪在育苗盤中(育苗盤中鋪一層紗布)并放入25℃恒溫培養(yǎng)箱中水培萌發(fā)生長,待種子萌發(fā)后進(jìn)行鹽脅迫處理。試驗共設(shè)4個處理,CK:對照組,用蒸餾水進(jìn)行培養(yǎng);T1:用0.1%NaCl溶液進(jìn)行培養(yǎng);T2:用0.2%NaCl溶液進(jìn)行培養(yǎng);T3:用0.3%NaCl溶液進(jìn)行培養(yǎng),每組設(shè)3個重復(fù)。每天更換培養(yǎng)液,萌發(fā)后第3天開始測量幼苗的根長和芽長,連續(xù)統(tǒng)計6d。生長至第8天取幼苗根,觀察結(jié)構(gòu),測定滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量及根系活力。
GA3緩解處理:種子萌發(fā)后以水培為對照(CK),以0.2%NaCl溶液進(jìn)行鹽脅迫處理(T2),0.2%NaCl溶液處理同時外施60、80、100、120和150mg/L GA3水溶液進(jìn)行緩解處理,分別記為T2+GA60、T2+GA80、T2+GA100、T2+GA120 和T2+GA150,篩選出合適濃度的GA3水溶液,在第5天測量根長與芽長,連續(xù)統(tǒng)計4d,研究GA3的緩解作用。
1.2.1 根長和芽長 先用一根細(xì)線量取根基部到根尖的長度并做好標(biāo)記,再將該段細(xì)線拉直用直尺測量其長度,即為根長;測量芽長時,用細(xì)線量取芽基部到幼芽尖端的長度并做好標(biāo)記,再將細(xì)線拉直測量其長度。
1.2.2 根尖細(xì)胞顯微結(jié)構(gòu)觀察 幼苗生長至第8天時,取根尖(距根最前端2~3mm的部分),制作臨時裝片。具體操作如下:將根尖放入解離液(15%HCl和95%乙醇1:1)中室溫下解離30min,蒸餾水漂洗后用龍膽紫(0.01g/mL)染色2min,用蒸餾水沖洗后將根尖放在載玻片并蓋上蓋玻片,用拇指輕壓蓋玻片,使細(xì)胞分散開來,制成臨時裝片,在顯微鏡下觀察拍照。對伸長區(qū)細(xì)胞縱向長度和橫向長度進(jìn)行顯微測量,伸長區(qū)細(xì)胞縱橫比(縱向長度/橫向長度)表示細(xì)胞的伸長水平。
1.2.3 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量 采用蒽酮比色法[9]測定可溶性糖含量,采用考馬斯亮藍(lán)染色法[10]測定可溶性蛋白含量,采用酸性茚三酮比色法[11]測定游離脯氨酸(Pro)含量。
1.2.4 根系活力 利用TTC法測定根系活力,具體參照《植物生理學(xué)實(shí)驗指導(dǎo)》[11]。
利用SPSS 21.0軟件分析處理數(shù)據(jù),結(jié)果用3次試驗平均值±S.E.表示。
2.1.1 鹽脅迫對幼苗生長的影響 從圖1a可以看出,對照組(CK)幼苗生長旺盛,根系發(fā)達(dá),幼根長且須根多,地上部分生長快速,芽長明顯。鹽脅迫處理后的幼苗纖細(xì)矮小,幼根短且須根少或沒有,幼芽生長減緩,長度明顯變短;鹽濃度越高對幼苗生長抑制作用越明顯。由圖1b可見,CK組幼苗的根不斷伸長,生長趨勢明顯;鹽脅迫處理后根的生長明顯減緩。鹽脅迫5d內(nèi)3個處理組幼根生長速度顯著低于CK組,鹽濃度越大幼根生長速度越慢;5d后3個鹽處理組幼根停止生長;在第8天,T1、T2和T3處理組的根長比CK組分別低49.70%、54.07%和63.65%;在鹽脅迫后期幼根的生長已被完全抑制。與對根的抑制作用不同,芽在整個鹽脅迫過程中一直生長但生長緩慢,低于CK組,生長至8d時,在3個鹽濃度組(由低到高)芽長分別比CK組降低了11.11%、18.28%和34.77%(圖1c)。上述結(jié)果表明,鹽脅迫不僅抑制根的生長,同時對地上部分芽的生長也產(chǎn)生顯著抑制作用,且鹽脅迫對根生長的抑制作用大于芽;鹽濃度越高對幼苗的傷害越大,抑制作用越明顯。
2.1.2 鹽脅迫對幼苗根尖伸長區(qū)細(xì)胞生長的影響
如圖2所示,CK組伸長區(qū)細(xì)胞明顯伸長(圖2a),細(xì)胞縱向長度約為橫向長度的6倍(圖2b);而在鹽脅迫下,細(xì)胞的伸長明顯受到抑制,T1處理組伸長區(qū)細(xì)胞縱向長度約是橫向長度的3.6倍;T2處理組細(xì)胞的縱橫比約為2.0;T3處理組細(xì)胞縱橫比為1.8(圖2a和2b)。鹽脅迫對幼苗根尖伸長區(qū)細(xì)胞生長產(chǎn)生了明顯的抑制作用,制約了根的縱向生長并最終影響根的生長及對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。
圖2 鹽脅迫對綠寶糯黍子幼苗根尖伸長區(qū)細(xì)胞生長的影響Fig.2 Effects of salt stress on cell growth in root tip elongation zone of Lübaonuo broomcorn millet seedling
2.1.3 鹽脅迫對幼苗根中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響 由圖3a可知,CK組可溶性糖含量為0.03μg/g,鹽脅迫后根中可溶性糖含量略有升高,T3處理組脅迫下可溶性糖含量最高,是CK組的1.26倍,但無顯著差異。如圖3b所示,CK組可溶性蛋白含量為0.72μg/g,鹽脅迫處理后根中可溶性蛋白含量比CK組明顯增多,T1、T2和T3處理組的含量分別是CK組的1.24、1.47和1.46倍。CK組游離Pro含量為13.53μg/g;T1處理組游離Pro含量增加,但與CK組比無顯著差異;隨著鹽濃度的增加,根中Pro含量顯著升高,T3處理組Pro含量為CK組的3.94倍(圖3c)。
圖3 鹽脅迫對綠寶糯黍子幼苗根中可溶性糖、可溶性蛋白和游離Pro含量的影響Fig.3 Effects of salt stress on the contents of soluble sugar,soluble protein and proline in roots of Lübaonuo broomcorn millet seedling
2.1.4 鹽脅迫對幼苗根系活力的影響 根系活力是根生理功能的一項綜合性指標(biāo),根系越發(fā)達(dá),活力越高,根的吸收功能越強(qiáng),生命力越旺盛。由圖4可知,鹽脅迫嚴(yán)重影響幼根的正常生長和發(fā)育,根吸收功能降低,根系活力顯著下降。CK組根系活力最高,幼苗根系發(fā)達(dá),不僅具有生長旺盛的主根系,還有較多的須根。鹽脅迫處理根系活力明顯降低,與CK組相比,T1和T2處理組幼苗根系活力分別下降了10.6和13.2mg/(g·h),T3處理組對根產(chǎn)生極顯著影響,根系受損程度高,根系活力下降了19.2mg/(g·h)。
圖4 不同濃度鹽脅迫對綠寶糯黍子幼苗根系活力的影響Fig.4 Effects of salt stress on root activity of Lübaonuo broomcorn millet seedling
2.2.1 GA3對鹽脅迫下幼苗生長的影響 圖5顯示了GA3對黍子鹽脅迫的緩解作用。圖5a濃度效應(yīng)顯示,GA100和GA120處理組對鹽脅迫的緩解作用較好,且GA120處理組對根的緩解作用明顯。由圖5b可知,CK組幼苗生長旺盛,幼根發(fā)達(dá),根長且須根多,整個根部為白色,未出現(xiàn)發(fā)黃、發(fā)褐色的氧化現(xiàn)象;鹽脅迫處理幼苗矮小,生長緩慢甚至停滯,根長與芽長均低于CK組,須根少且根系發(fā)黃,有明顯的氧化現(xiàn)象;T2+GA120處理組對幼苗生長會產(chǎn)生非常明顯的緩解作用,與T2處理組相比,T2+GA120處理組幼根的長度略有增加,幼芽的長度明顯增加。施加GA3處理后,幼根的長度大于T2處理組,生長至第8天,根長是T2處理組的138%,但仍明顯低于CK組(圖5c)。如圖5d所示,GA3對幼芽的緩解作用更加明顯,T2+GA120處理組幼苗地上部分生長迅速,在第8天時幼芽長度是T2處理組的159%,高于CK組。上述結(jié)果表明,添加GA3能夠顯著緩解鹽脅迫對幼苗生長的抑制作用,促進(jìn)幼苗在輕度鹽堿環(huán)境中的生長。
圖5 GA3對鹽脅迫下綠寶糯黍子幼苗生長的影響Fig.5 Effects of application of GA3on the growth of Lübaonuo broomcorn millet seedlings under salt stress
2.2.2 GA3對鹽脅迫下幼苗根尖伸長區(qū)細(xì)胞生長的影響 如圖6所示,CK組伸長區(qū)細(xì)胞明顯伸長,細(xì)胞縱橫比為6.0;而T2處理組根尖伸長區(qū)細(xì)胞體積較小,縱向伸長現(xiàn)象不明顯,細(xì)胞縱橫比為2.0。T2+GA120處理組伸長區(qū)細(xì)胞的縱向長度明顯增加,細(xì)胞縱橫比為4.8(圖6)。GA3可以促進(jìn)伸長區(qū)細(xì)胞的伸長,緩解鹽脅迫對根細(xì)胞生長的抑制作用,促進(jìn)根的縱向生長。
圖6 GA3對鹽脅迫下綠寶糯黍子幼苗根尖伸長區(qū)細(xì)胞生長的影響Fig.6 Effects of application of GA3on cell growth in root tip elongation zone of Lübaonuo broomcorn millet seedlings under salt stress
2.2.3 GA3對鹽脅迫下幼苗根滲透調(diào)節(jié)作用的影響 與CK組相比,T2處理組根中可溶性糖含量增加但無顯著差異,T2+GA120處理組可溶性糖含量較單獨(dú)鹽脅迫處理降低,略高于CK組,但3個試驗組間無顯著差異(圖7a)。T2處理組根中可溶性蛋白含量明顯升高,T2+GA120處理組可溶性蛋白含量顯著降低,與CK組含量接近(圖7b)。根中游離Pro含量在T2處理組顯著增加,T2+GA120處理組游離Pro含量比T2處理組略有降低,但比CK組仍顯著升高(圖7c)。上述結(jié)果說明,游離Pro含量的升高是綠寶糯黍子幼苗對抗鹽脅迫引發(fā)的滲透脅迫的主要適應(yīng)方式。
圖7 GA3對鹽脅迫下綠寶糯黍子幼苗根中可溶性糖、可溶性蛋白和游離Pro含量的影響Fig.7 Effects of application of GA3on the contents of soluble sugar,soluble protein and free proline in roots of Lübaonuo broomcorn millet seedling under salt stress
2.2.4 GA3對鹽脅迫下幼苗根系活力的影響 由圖8可知,CK組根系活力為24.1mg/(g·h),T2處理組根系活力顯著降低,是CK組的45%;T2+GA120處理組幼苗根系活力明顯升高,是T2處理組的217%,是CK組的98%,趨于正常水平。這一結(jié)果表明,GA3可以緩解鹽脅迫對綠寶糯黍子幼苗根系的損傷,提高幼苗的根系活力及抗輕度鹽脅迫的能力。
圖8 GA3對鹽脅迫下綠寶糯黍子幼苗根系活力的影響Fig.8 Effects of application of GA3on root activity of Lübaonuo broomcorn millet seedling under salt stress
北方地區(qū)春季多風(fēng)少雨、氣候干燥、土壤鹽漬化的環(huán)境使大部分農(nóng)作物難以生存,但黍子是適合北方地區(qū)種植的一種糧食作物,具有明顯的地區(qū)優(yōu)勢和生產(chǎn)優(yōu)勢。研究[12]表明,寧糜16號幼苗能忍受1.6%鹽濃度,晉黍8號和隴糜8號可分別忍受0.8%和0.4%鹽溶液,而內(nèi)糜5號和寧糜14號的抗鹽性較低。本試驗對綠寶糯黍子的抗鹽性研究發(fā)現(xiàn),鹽濃度超過0.3%時,幼苗生長受到嚴(yán)重抑制,而且對根的抑制作用尤為明顯。這表明該品種對鹽敏感,在幼苗期對輕度鹽脅迫有一定的抗性,但在中度及重度鹽脅迫時難以生長。
根尖伸長區(qū)細(xì)胞的縱向生長是根伸長的一個重要原因,與根的向下生長乃至整個植株的生長息息相關(guān)。細(xì)胞的生長依賴于細(xì)胞內(nèi)水分和營養(yǎng)物質(zhì)的積累,而鹽脅迫減弱了細(xì)胞對水分的吸收(滲透脅迫)、降低葉片中Mg2+含量(離子脅迫),使葉綠素合成受阻、光合作用減弱,甚至造成嚴(yán)重營養(yǎng)脅迫,無法滿足細(xì)胞生長所需物質(zhì)基礎(chǔ)[5]。另外,鹽脅迫可通過根冠細(xì)胞內(nèi)淀粉體數(shù)量明顯減少引起根生長在垂直方向的偏離及生長停止[13]。本試驗結(jié)果表明,輕度鹽脅迫(0.1%~0.3%)對綠寶糯黍子幼根的生長產(chǎn)生明顯的抑制作用,根尖細(xì)胞顯微觀察和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計顯示,伸長區(qū)細(xì)胞縱橫比顯著降低,說明鹽脅迫抑制了伸長區(qū)細(xì)胞伸長且抑制作用與鹽濃度呈正相關(guān)性。
土壤鹽漬化對植物造成的危害之一就是滲透脅迫。鹽脅迫對根系產(chǎn)生毒性作用的同時也促發(fā)了大量代謝反應(yīng)的進(jìn)行,包括抗逆蛋白、抗氧化酶、熱激蛋白和滲透調(diào)節(jié)相關(guān)蛋白的合成,提高細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)能力[14]。Pro具有較強(qiáng)的吸水能力和持水能力,在保持體內(nèi)外滲透平衡、膜系統(tǒng)完整性和抗?jié)B透脅迫中有重要作用。鹽脅迫信號可快速催化Pro的合成并累積到足以調(diào)節(jié)滲透作用的量,Pro含量的增加有效減少了水分的丟失和蛋白的變性,從而增加幼苗對脅迫的抗性[15]。緩解鹽脅迫的主要途徑包括改變代謝途徑和積累溶質(zhì)來進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)[5]??扇苄蕴?、可溶性蛋白及Pro與植物滲透調(diào)節(jié)相關(guān),小麥幼苗在受到NaCl脅迫后上述3種物質(zhì)含量較對照都顯著升高[16]。在本研究中,綠寶糯黍子幼苗受到鹽脅迫后根中可溶性糖含量并沒有發(fā)生顯著提高,但可溶性蛋白和游離Pro含量明顯升高??梢姡G寶糯黍子幼苗在受到鹽脅迫時主要通過根系中Pro和可溶性蛋白的積累降低細(xì)胞的水勢,維持細(xì)胞內(nèi)外滲透平衡。由于鹽脅迫抑制了幼苗的生長,幼根弱小且缺少須根,根對水分和無機(jī)鹽的吸收能力減弱,根系活力的下降,而且鹽濃度越大,根系活力越低,根的損傷越大。
GA3是一種植物內(nèi)源性激素,在根尖或葉尖合成,其最突出的作用是加速細(xì)胞的伸長,進(jìn)而促進(jìn)植物的生長發(fā)育。已有試驗[17-18]證明,根的生長依賴于GA3對根尖分生區(qū)和伸長區(qū)細(xì)胞的調(diào)控,而過量鹽分誘導(dǎo)ABA增加,抑制了根尖生長素和GA3的合成,引起伸長區(qū)細(xì)胞中DELLA蛋白積累并通過限制細(xì)胞的增殖和伸長抑制根的生長發(fā)育。在鹽脅迫下,施加GA3能夠促進(jìn)玉米[19]、番茄[20]和黃芪[21]等幼苗的生長。本試驗選取0.2% NaCl同時施加GA3聯(lián)合處理,結(jié)果顯示,外施GA3對鹽脅迫下幼苗生長是有利,主要表現(xiàn)為它加速了伸長區(qū)細(xì)胞生長,有效促進(jìn)了根的延伸,保證了Pro對滲透脅迫的調(diào)節(jié)作用,根系活力顯著提高;而且根的生長發(fā)育促進(jìn)了地上部分的生長,顯著緩解了鹽脅迫對幼苗生長的抑制作用。外施GA3緩解鹽脅迫的原因在于:(1)鹽脅迫影響GA3合成,抑制種子萌發(fā)和幼苗的生長,而外施GA3解除了內(nèi)源GA3缺乏,促進(jìn)根尖伸長區(qū)細(xì)胞生長;(2)外施GA3可抑制鹽脅迫引起的根冠細(xì)胞中淀粉體的分解,在一定程度上解除了鹽脅迫對細(xì)胞生長的抑制作用,促進(jìn)根的向下生長;(3)GA3促進(jìn)根和芽的快速生長,起到了稀鹽作用,間接降低了機(jī)體內(nèi)鹽的濃度及對細(xì)胞的危害,有利于作物生長;(4)外施GA3后高水平Pro的積累足以調(diào)控細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)作用,促進(jìn)細(xì)胞對水分的吸收,進(jìn)而緩解鹽對綠寶糯黍子的滲透脅迫。
綠寶糯黍子是一種對鹽敏感的植物,低鹽脅迫抑制幼苗根的生長發(fā)育,根系活力顯著下降,并且鹽濃度越高抑制作用越明顯;在應(yīng)對鹽產(chǎn)生滲透脅迫時,幼苗的根部主要通過提高游離Pro和可溶性蛋白含量提高細(xì)胞滲透勢,降低鹽的危害;添加GA3能顯著緩解鹽脅迫對根生長的抑制作用,促進(jìn)根和幼苗的生長;幼苗快速生長稀釋機(jī)體中鹽濃度,同時細(xì)胞通過調(diào)節(jié)Pro含量增加細(xì)胞滲透勢,提高作物對鹽脅迫的適應(yīng)性,促進(jìn)綠寶糯黍子在低鹽堿環(huán)境的生長。適度添加GA3可促進(jìn)綠寶糯黍子在輕度鹽漬化土壤的種植。