聶萌恩, 寧 娜, 張一中, 李雙雙, 范昕琦, 柳青山, 張海平

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)基因資源研究中心, 太原 030000; 2.楚雄師范學(xué)院, 云南 楚雄 675000;3.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)高粱研究所/高粱遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新山西省重點實驗室, 山西 晉中 030600;4.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)/省部共建有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)國家重點實驗室(籌), 太原 030000)

土壤鹽漬化是世界范圍內(nèi)普遍存在的限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要非生物脅迫之一,我國鹽漬化土壤面積約占世界鹽漬土面積的1/10,因此鹽堿地的改良和綜合開發(fā)利用已成為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)亟待解決的問題[1-2]。高粱(Sorghμmbicolor(L.)Moench)為禾本科高粱屬一年生作物,具有抗逆性強(qiáng)、光合速率高等特性,是鹽漬化土壤的潛力作物,可用于鹽堿地的改良,因而在鹽堿、干旱等邊際土地上被廣泛種植[3]。種子萌發(fā)和幼苗生長是作物形態(tài)建成及營養(yǎng)物質(zhì)積累的前提,種子萌發(fā)期也是對外界環(huán)境最敏感的時期,如遇不良環(huán)境,將極大降低作物產(chǎn)量[4]。因此,提高鹽脅迫下高粱種子萌發(fā)是推廣高粱種植和開發(fā)利用鹽漬化土壤的重要前提。播前種子處理是提高植株抗逆性的重要手段之一,外源生長調(diào)節(jié)物質(zhì)浸種可通過調(diào)節(jié)離子平衡、提高抗氧化酶活性和增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量等途徑有效減緩鹽脅迫導(dǎo)致的水勢降低和離子毒害等不良影響,顯著增強(qiáng)植株耐鹽能力[5]。褪黑素是一種有效的抗氧化劑,能快速清除植物體內(nèi)過量活性氧,降低膜脂過氧化程度,增強(qiáng)植株抗逆性,進(jìn)而保障植株正常生長[6]。劉佳奇等[7]研究表明,100～150 μmol/L的褪黑素浸種可有效提高小麥種子耐鹽性。Zhang等[8]研究表明,褪黑素對植物的生長發(fā)育具有類似于IAA的作用,并可促進(jìn)植物的開花、光合作用、衰老和種子萌發(fā)。

目前,關(guān)于粒用高粱對鹽脅迫響應(yīng)方面的研究主要集中在耐鹽脅迫基因的挖掘、耐鹽種質(zhì)資源的篩選與鑒定,以及鹽脅迫下植株生理生化反應(yīng)。張飛等[9]研究表明,苯丙氨酸代謝、類黃酮生物合成、苯丙烷類生物合成3個途徑的基因過表達(dá)可能是造成鹽害的重要原因。王海蓮等[10]研究表明,萌發(fā)期鹽脅迫對高粱幼苗形態(tài)建成影響最大,拔節(jié)前期鹽脅迫對高粱穗鮮重的影響最大。有關(guān)褪黑素對鹽脅迫下高粱種子萌發(fā)緩解作用及評價指標(biāo)的研究鮮有報道,因此本試驗以粒用高粱晉雜2002為試驗材料,探討褪黑素對鹽脅迫下高粱種子萌發(fā)及生理特性的調(diào)節(jié)效應(yīng),揭示褪黑素緩解高粱鹽脅迫作用機(jī)制,為高粱栽培調(diào)控及鹽堿地生產(chǎn)應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試高粱品種為晉雜2002,由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)高粱研究所提供。褪黑素(分析純)購買于Sigma公司(美國)。

1.2 試驗方法

1.2.1篩選試驗

鹽溶液由 NaCl(分析純)和蒸餾水配置而成, 設(shè)置7個濃度,即0 mmol/L,40 mmol/L,80 mmol/L,120 mmol/L,160 mmol/L,240 mmol/L,280 mmol/L。于2022年4月13日將高粱種子選種及消毒后,清水浸種12 h后取10粒均勻擺放于培養(yǎng)皿(直徑90 mm)中,重復(fù)3次,培養(yǎng)皿中分別加入相應(yīng)濃度的NaCl溶液2 mL并放置于室溫下,每24 h換一次NaCl溶液以保證鹽濃度不變,觀察并統(tǒng)計種子的萌發(fā)數(shù)量。

以篩選的NaCl濃度來確定緩解鹽脅迫下高粱種子萌發(fā)的最適褪黑素濃度。浸種溶液褪黑素設(shè)置9個濃度,即0 μmol/L,10 μmol/L,50 μmol/L,100 μmol/L,200 μmol/L,500 μmol/L。于2022年4月22日將高粱種子選種及消毒后置于不同褪黑素濃度培養(yǎng)皿黑暗浸泡12 h,將浸種后的種子用蒸餾水沖洗3次并吸干水分。篩選步驟同鹽濃度的確定。

1.2.2試驗處理

以預(yù)試驗篩選出的120 mmol/L作為鹽(NaCl)溶液濃度,以100 μmol/L作為褪黑素濃度。試驗于2022年5月2日在光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行,光照周期為12 h晝/12 h夜,溫度為(25±1)℃。挑選大小一致的高粱種子選種及消毒后,分別置于0 μmol/L,100 μmol/L的褪黑素溶液中室溫避光浸種12 h,撈出后蒸餾水沖洗并吸干水分,取25粒置于培養(yǎng)皿(直徑90 mm)中,設(shè)置4個處理,ck(0 mmol/L NaCl+0 μmol/L褪黑素)、MT(0 mmol/L NaCl+100 μmol/L褪黑素)、NaCl(120 mmol/L NaCl+0 μmol/L褪黑素)、MT+NaCl(120 mmol/L NaCl+100 μmol/L褪黑素),每處理重復(fù)5次,每24 h更換NaCl溶液以保證鹽濃度不變。第3天測定發(fā)芽勢,第7天測定發(fā)芽率、芽長、根長、鮮重、干重、相對電導(dǎo)率、根系活力、光合色素含量;種子萌發(fā)至第4,6,8天分別取胚根胚芽混合物測定抗氧化酶活性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量和丙二醛含量。

1.3 測定方法

1.3.1生長指標(biāo)測定

胚根、胚芽長度:用游標(biāo)卡尺測量胚根長、胚芽長。

干物質(zhì):取整顆發(fā)芽種子105 ℃殺青30 min,65 ℃烘干至恒重。

發(fā)芽勢/%=(第3天發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%;

發(fā)芽率/%=(第7天發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%。

1.3.2生理指標(biāo)測定

葉綠素(Chl)含量測定采用95%乙醇浸提法;可溶性糖(SS)含量測定采用蒽酮比色法;可溶性蛋白(SP)含量測定采用考馬斯亮藍(lán)法;脯氨酸(Pro)含量測定采用茚三酮法;根系活力(RA)測定采用TTC還原法;超氧化物歧化酶活性(SOD)測定采用氮藍(lán)四唑(NBT)法;過氧化物酶活性(POD)測定采用愈創(chuàng)木酚法;過氧化氫酶活性測定(CAT)采用高錳酸鉀滴定法;丙二醛(MDA)含量測定采用硫代巴比妥酸法,以上指標(biāo)的測定均參照李小方和張志良[11]實驗方法;相對電導(dǎo)率(RC)測定采用電導(dǎo)率儀法[12]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用WPS office 2022軟件整理試驗數(shù)據(jù)及制作圖表,用SPSS 17.0、Origin 2021軟件進(jìn)行單因素方差分析、相關(guān)性分析及主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽濃度和褪黑素濃度的篩選

由圖1可知,高粱種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽率隨著鹽脅迫濃度的增加而逐漸降低,與0 mmol/L NaCl相比,NaCl濃度低于40 mmol/L,高粱種子萌發(fā)受到輕微脅迫,只有胚根長度顯著降低;80～120 mmol/L NaCl處理下,高粱種子萌發(fā)受到中等脅迫,發(fā)芽勢和發(fā)芽率顯著降低,但其胚根和胚芽的伸長未受到完全抑制;在160～200 mmol/L NaCl處理下,高粱種子萌發(fā)受到嚴(yán)重脅迫,胚芽受到抑制且不伸長;NaCl濃度高于240 mmol/L時,高粱種子萌發(fā)完全受到脅迫,種子發(fā)芽勢為0,其胚根和胚芽都受到抑制且不伸長。120 mmol/L NaCl對高粱種子有抑制作用,但不會完全抑制其胚芽或胚根的伸長,因此本試驗選取該濃度模擬鹽脅迫。

注:不同字母表示在0.05水平上有顯著差異。下同。

由圖2可知,在鹽脅迫下,褪黑素浸種處理高粱種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽率隨著褪黑素濃度的升高呈先升后降的趨勢,在100 μmol/L時達(dá)到最大。與0 μmol/L褪黑素處理相比,100 μmol/L褪黑素處理高粱種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率分別顯著上升30.37%和26.24%;200 μmol/L和500 μmol/L 褪黑素浸種高粱種子萌發(fā)都會降低。說明低濃度(≤100 μmol/L)褪黑素浸種促進(jìn)鹽脅迫下高粱種子的萌發(fā),而高濃度(≥200 μmol/L)褪黑素浸種超過高粱種子承受范圍會對其產(chǎn)生毒害作用,對其萌發(fā)有抑制效果,因此本試驗選取100 μmol/L作為褪黑素浸種濃度。

圖2 不同濃度褪黑素浸種對鹽脅迫下高粱種子萌發(fā)的影響

2.2 褪黑素浸種對鹽脅迫下高粱種子萌發(fā)的影響

2.2.1褪黑素浸種對鹽脅迫下高粱種子干物質(zhì)積累的影響

如表1所示,鹽脅迫會抑制高粱種子胚根和胚芽伸長。與ck相比,NaCl處理的高粱種子胚根和胚芽長度分別顯著下降了40.44%和51.08%,褪黑素浸種對高粱種子胚根、胚芽的伸長促進(jìn)效果不顯著;與NaCl處理相比,MT+NaCl處理對高粱種子胚根伸長促進(jìn)效果不顯著,但其胚芽顯著增長了20.00%。在鹽脅迫下,高粱種子胚芽、胚根的鮮重和干重都顯著下降。與ck相比,褪黑素浸種對高粱種子胚芽干重、胚根鮮重和干重影響不顯著,但胚芽鮮重顯著增加了17.67%。與NaCl處理相比,MT+NaCl處理胚芽干重和胚根鮮重分別顯著增加39.88%和47.80%。說明褪黑素浸種對高粱種子萌發(fā)及生物量積累有促進(jìn)作用,同時也能有效地緩解鹽脅迫對高粱種子萌發(fā)生長的抑制效果。

表1 褪黑素浸種對鹽脅迫下高粱種子干物質(zhì)重量的影響

2.2.2褪黑素浸種對鹽脅迫下高粱種子抗氧化酶活性的影響

由圖3可知,隨高粱種子萌發(fā)時間的延長,其SOD、POD、CAT活性呈先升高后降低的趨勢,在第6天達(dá)到最大,各處理間SOD、POD、CAT活性大小依次為MT+NaCl>NaCl>MT>ck。以第6天為例,在正常水分條件下,褪黑素處理的高粱種子SOD、POD、CAT活性與ck相比分別提高了4.33%,13.38%,13.77%;在鹽脅迫條件下,NaCl處理的SOD、POD、CAT活性與ck相比分別顯著提高了20.35%,39.31%,38.80%;MT+NaCl處理的SOD、POD、CAT活性與NaCl相比分別顯著提高了7.39%,15.21%,16.98%。表明外源褪黑素浸種在正常水分條件和鹽脅迫條件下均能有效提高高粱種子SOD、POD、CAT活性,且對鹽脅迫條件下的提升效果要優(yōu)于正常水分條件。

圖3 褪黑素浸種對鹽脅迫下高粱種子抗氧化酶活性的影響

2.2.3褪黑素浸種對鹽脅迫下高粱種子滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)及MDA含量的影響

如圖4 A所示,隨高粱種子萌發(fā)時間的延長,可溶性糖含量呈先升后降的趨勢。高粱種子萌發(fā)至第4,6,8天,與ck相比,NaCl處理的高粱種子可溶性糖含量分別顯著增加16.07%,19.70%,3.70%,MT處理的高粱種子可溶性糖含量分別顯著增加12.67%,16.32%,11.99%;與NaCl處理相比,MT+NaCl處理的高粱種子可溶性糖含量分別顯著增加30.92%,36.66%,9.29%?？扇苄缘鞍缀颗c可溶性糖含量的變化趨勢基本一致(圖4 B)。在正常條件下,MT處理的可溶性蛋白含量增加幅度小于可溶性糖增加幅度。在鹽脅迫條件下,MT+NaCl處理可溶性蛋白含量增加幅度僅在第8天大于可溶性糖。表明外源褪黑素浸種能顯著提高鹽脅迫下高粱種子可溶性糖和可溶性蛋白含量。

圖4 褪黑素浸種對鹽脅迫下高粱種子滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)及MDA含量的影響

隨高粱種子萌發(fā)時間的延長,Pro含量呈先降后升的趨勢(圖4 C)。鹽脅迫顯著提高了高粱種子中Pro含量。外源褪黑素浸種對Pro含量的積累具有明顯的促進(jìn)作用。高粱種子萌發(fā)至第4,6,8天,在鹽脅迫條件下,MT+NaCl處理的高粱種子Pro含量比NaCl處理分別顯著上升37.42%,7.99%,20.01%;然而,在無鹽脅迫條件下,褪黑素浸種對Pro含量的影響較小,MT處理的Pro含量與ck相比分別增加5.88%,7.89%,0.35%。說明,褪黑素浸種對鹽脅迫下Pro含量增加幅度要比正常水分處理大。

MDA含量隨高粱種子萌發(fā)時間的延長逐漸升高(圖4 D)。高粱種子萌發(fā)第4,6,8天,NaCl處理的高粱種子MDA含量最高,比ck處理分別顯著提高59.53%,43.46%,34.69%;褪黑素浸種可顯著降低高粱種子MDA含量,MT處理比ck處理分別顯著降低38.50%,26.26%,28.12%,MT+NaCl處理比NaCl處理分別顯著降低31.49%,25.72%,19.07%。表明外源褪黑素浸種可有效降低鹽脅迫下高粱種子MDA含量,降低細(xì)胞膜脂過氧化程度。

2.2.4褪黑素浸種對鹽脅迫下高粱種子發(fā)芽后RA及RC的影響

由圖5 A可知,ck、MT、NaCl和MT+NaCl處理下,高粱種子RA分別為11.47 μg/(g·h),11.49 μg/(g·h),6.73 μg/(g·h),8.59 μg/(g·h)。MT處理的高粱種子RA最大,與ck處理無顯著差異;鹽脅迫條件下,NaCl和MT+NaCl處理RA均顯著低于ck和MT處理,但MT+NaCl較NaCl處理顯著提高27.72%。RC變化趨勢與RA相反(圖5 B)。說明鹽脅迫下高粱種子RA顯著降低,RC顯著升高,褪黑素浸種可減輕鹽脅迫對RA及RC的影響。

圖5 褪黑素浸種對鹽脅迫下高粱種子RA和RC的影響

2.2.5褪黑素浸種對鹽脅迫下高粱種子發(fā)芽后光合色素含量的影響

如圖6所示,高粱種子萌發(fā)過程中,鹽脅迫會抑制其光合色素合成,NaCl處理高粱種子萌發(fā)過程中葉綠素a含量(Chla)、葉綠素b含量(Chlb)及葉綠素總量(Chla+Chlb)與ck相比分別顯著下降87.73%,90.88%,88.75%;褪黑素浸種處理促進(jìn)了高粱種子萌發(fā)過程中光合色素的合成,MT處理Chla、Chlb、Chla+Chlb與ck相比分別顯著上升56.01%,121.47%,54.16%;MT+NaCl處理Chla、Chlb、Chla+Chlb與NaCl處理相比分別顯著上升3.80%,5.10%,2.81%。表明外源褪黑素浸種正常條件下和鹽脅迫條件下均可增強(qiáng)高粱種子萌發(fā)過程中葉綠素的生物合成,緩解鹽脅迫對葉綠素含量的降解作用。

圖6 褪黑素浸種對鹽脅迫下高粱種子光合色素含量的影響

2.2.6高粱種子萌發(fā)過程中形態(tài)及生理指標(biāo)之間的相關(guān)性

為明確鹽脅迫下高粱種子萌發(fā)過程中形態(tài)及生理指標(biāo)之間的相關(guān)性,對20個代表性指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)分析(圖7),發(fā)現(xiàn)發(fā)芽勢(GP)、發(fā)芽率(GR)、胚芽長度(GL)、胚根長度(RL)、胚芽鮮重(GFW)、胚芽干重(GDW)、胚根鮮重(RFW)、胚根干重(RDW)與SOD活性(SOD)、POD活性(POD)、CAT活性(CAT)、可溶性糖含量(SS)、可溶性蛋白含量(SP)、脯氨酸含量(Pro)、根系活力(RA)、葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)和葉綠素總量(Chla+Chlb)均呈正相關(guān),與MDA含量、電導(dǎo)率(RC)呈負(fù)相關(guān)。SOD、POD、CAT、SS、SP、Pro、RA與MDA呈負(fù)相關(guān),MDA與RC呈正相關(guān)。表明高粱種子萌發(fā)過程中發(fā)芽勢、發(fā)芽率升高,胚根長度、胚芽長度增加,抗氧化酶活性、根系活力、葉綠素含量升高、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量增加,MDA含量及電導(dǎo)率降低,導(dǎo)致了干物質(zhì)積累量增加,反映了高粱種子內(nèi)部生理活動與形態(tài)建成的相關(guān)性。

注:GP為發(fā)芽勢;GR為發(fā)芽率;GL為胚芽長度;RL為胚根長度;GFW為胚芽鮮重;GDW為胚芽干重;RFW為胚根鮮重;RDW為胚根干重;SOD為SOD活性;POD為POD活性;CAT為CAT活性;SS為可溶性糖含量;SP為可溶性蛋白含量;Pro為脯氨酸含量;MDA為MDA含量;RA為根系活力;RC為相對電導(dǎo)率;Chla為葉綠素a;Chlb為葉綠素b;Chla+Chlb為葉綠素總量。下同。

對高粱種子萌發(fā)過程中20個代表性性狀進(jìn)行主成分分析。由圖8可知,將20個性狀歸成了2個主成分,貢獻(xiàn)率分別為71.7%和20.0%,共解釋了20個性狀總變異的91.7%。第一主成分在GR、GL、RL、GFW、GDW、RDW、Chla、Chlb、Chla+Chlb等指標(biāo)上具有較高的載荷量,以高粱種子萌發(fā)生長的情況為主,可稱為生長因子;第二主成分在POD、CAT、SS、SP、Pro等指標(biāo)上具有較高的載荷量,以高粱種子萌發(fā)植株體內(nèi)生理變化的情況為主,可稱為生理因子。

圖8 高粱種子萌發(fā)20個形態(tài)及生理指標(biāo)的主成分分析

3 結(jié)論與討論

3.1 褪黑素浸種對鹽脅迫下高粱種子萌發(fā)特性的影響

種子萌發(fā)期是植物生長發(fā)育的關(guān)鍵時期,該階段發(fā)生逆境脅迫,會延緩植物萌發(fā)及幼苗生長,進(jìn)而影響其最終產(chǎn)量[13-14]。鹽脅迫對種子萌發(fā)的抑制作用是鹽漬化土地限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要因素之一[15]。關(guān)于植物種子耐鹽性的研究已有大量報道,Izadi等[16]研究表明,鹽濃度低于40 mmol/L時,鼠尾草受到的傷害較小。胡卉芳等[17]研究表明,老芒麥相對發(fā)芽率隨NaCl濃度增加而降低,但0.2%～0.4%濃度NaCl處理對部分老芒麥品系有一定的促進(jìn)作用。鹽脅迫對作物種子萌發(fā)的影響與鹽分濃度及作物種類息息相關(guān)。本試驗結(jié)果表明,鹽脅迫下,粒用高粱種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率隨著鹽濃度的升高而降低,低濃度NaCl對高粱種子萌發(fā)的抑制效果較小,高濃度NaCl(≥120 mmol/L)嚴(yán)重抑制高粱種子萌發(fā),這與王志恒等[18]的研究結(jié)果一致。鹽脅迫對高粱萌發(fā)過程中胚根、胚芽伸長的影響不同。王曉寧等[19]研究表明,隨著鹽脅迫程度的增加,甜高粱胚芽與胚根相比表現(xiàn)出更明顯的抑制作用;范惠玲等[20]研究表明,當(dāng)Na2SeO4脅迫濃度大于30 mmol/L時,白芥種子胚根、胚軸伸長受到顯著抑制,與胚芽相比,胚根對鹽脅迫更為敏感。本研究發(fā)現(xiàn)鹽脅迫對高粱種子胚芽的抑制作用比胚根明顯,其原因可能是鹽脅迫導(dǎo)致外界環(huán)境的滲透壓升高,胚根無法吸取足夠的水分用以合成胚芽伸長所需的酶和蛋白質(zhì),胚芽細(xì)胞分裂分化受阻,但具體機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

褪黑素作為一種吲哚類植物生長調(diào)節(jié)劑,在一定程度上能夠調(diào)控植物萌發(fā)和代謝生長,幫助植物抵抗逆境脅迫[21]。本試驗結(jié)果表明,鹽脅迫下高粱種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢隨著褪黑素濃度的增加呈先升后降的趨勢,在100 μmol/L時達(dá)到最大,與朱春權(quán)等[22]研究結(jié)果相似。說明褪黑素對高粱種子萌發(fā)的影響與所施用的劑量密切相關(guān),100 μmol/L褪黑素作為本試驗的最適褪黑素濃度。

高粱種子萌發(fā)與種子發(fā)芽能力有關(guān),胚根、胚芽生長狀況對種子萌發(fā)也至關(guān)重要。赫傳杰等[23]研究表明,噴施外源50 μmol/L和100 μmol/L褪黑素均可顯著提高干旱脅迫下樟子松苗木干重。段文靜等[24]研究表明,10 μmol/L褪黑素浸種能顯著緩解鹽脅迫對棉花根系和株高的抑制作用。本研究表明,鹽脅迫下,高粱種子萌發(fā)過程中胚根長度、胚芽長度以及生物量積累顯著降低。褪黑素浸種后,高粱無論處于正常條件還是鹽脅迫條件,其胚根、胚芽長度及生物量的增加量均高于同等條件下未施加褪黑素處理。說明褪黑素能緩解鹽脅迫對高粱種子胚根、胚芽伸長的抑制,促進(jìn)高粱種子萌發(fā)過程中生物量的積累,增強(qiáng)其抗逆性。

3.2 褪黑素浸種對鹽脅迫下高粱種子生理特性的影響

鹽脅迫能夠誘導(dǎo)植物產(chǎn)生大量的活性氧,引發(fā)膜脂過氧化反應(yīng),破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能完整性,影響植物正常代謝活動[25]?？寡趸烙到y(tǒng)在緩解植物逆境脅迫方面具有重要作用,其分為酶類抗氧化和非酶類抗氧化劑防御體系,二者協(xié)同作用能迅速清除體內(nèi)過量的活性氧物質(zhì),使植物體內(nèi)的活性氧產(chǎn)生和清除處于一種動態(tài)平衡狀態(tài),保障機(jī)體正常代謝運(yùn)轉(zhuǎn)[26]。

植物還可通過非酶促系統(tǒng)來緩解鹽脅迫危害,即植物處于逆境脅迫下,細(xì)胞會主動合成和積累各種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),包括SS、SP、Pro、甜菜堿等,這些滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可以增加細(xì)胞液濃度,降低細(xì)胞內(nèi)滲透勢,維持細(xì)胞膨壓,保障作物正常水分供應(yīng),促進(jìn)作物生長[31]。本研究表明,鹽脅迫下高粱種子滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量增加,這與前人研究中鹽脅迫下辣椒[21]、甜高粱[19]等作物中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量增加的結(jié)果類似。外源褪黑素浸種正常條件下和鹽脅迫條件下均可促進(jìn)高粱種子萌發(fā)過程中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累,但對鹽脅迫下促進(jìn)效果更為明顯,這與段文靜等[25]對棉花的研究結(jié)果相似。

MDA作為膜脂過氧化產(chǎn)物,其含量變化反映了逆境脅迫對植物細(xì)胞的損傷程度[32]。逆境脅迫會導(dǎo)致作物細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)遭到破壞,細(xì)胞內(nèi)的電解質(zhì)外滲,從而使細(xì)胞浸提液電導(dǎo)率增大,相對電導(dǎo)率高度也可以反映細(xì)胞膜系統(tǒng)受破壞程度[33]。本研究表明,鹽脅迫下高粱種子MDA含量和相對電導(dǎo)率顯著增加,這與He等[34]在黃瓜中的研究結(jié)果一致;褪黑素浸種能有效減緩鹽脅迫下高粱種子MDA含量和RC的增加幅度。說明褪黑素浸種能夠緩解鹽脅迫對細(xì)胞膜的損害,促進(jìn)高粱種子正常萌發(fā)生長。

根系是作物第一時間感知逆境脅迫并作出應(yīng)激反應(yīng)最敏感的器官。RA是衡量根系生命力的主要指標(biāo)之一,逆境脅迫下根系活力越強(qiáng)代表植物代謝越旺盛,抵抗逆境脅迫的能力越強(qiáng)[35]。本試驗結(jié)果表明,鹽脅迫顯著抑制了高粱的RA,無論是否處于鹽脅迫下,褪黑素浸種的高粱種子RA都高于同等條件下未施加褪黑素處理,這與向警等[36]對水稻的研究結(jié)果一致。說明褪黑素能夠提高鹽脅迫下高粱種子的RA,增強(qiáng)其吸收礦質(zhì)元素的能力,保證高粱種子萌發(fā)和幼苗生長的正常營養(yǎng)和水分需求。

葉綠素作為植物進(jìn)行光合作用最重要的色素,是光能吸收和轉(zhuǎn)換的原初物質(zhì),其含量會受多種逆境的脅迫而下降[37]。陶榮榮等[38]研究發(fā)現(xiàn),鹽脅迫通過降低葉綠素含量及Fv/Fm抑制了小麥的光合作用,減少了光合產(chǎn)物的生成,造成最終的減產(chǎn)。本研究結(jié)果表明,鹽脅迫造成高粱種子萌發(fā)過程中胚芽綠色部分葉綠素含量顯著下降,褪黑素浸種可有效緩解鹽脅迫下葉綠素下降幅度。其原因可能是褪黑素增強(qiáng)葉綠體中AsA-GSH循環(huán)效率,增強(qiáng)了活性氧的清除速率,進(jìn)而緩解了逆境脅迫對葉綠體的損傷[39]。

3.3 高粱種子萌發(fā)形態(tài)及生理指標(biāo)之間的相關(guān)性

通過對鹽脅迫下高粱種子代表性指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),高粱種子形態(tài)指標(biāo)與SOD、POD、CAT、SS、SP、Pro、RA、Chl呈正相關(guān),而與MDA、RC呈負(fù)相關(guān)。表明褪黑素浸種可通過促進(jìn)抗氧化酶活性,來減輕鹽脅迫對種子萌發(fā)的氧化損傷,還可通過增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累緩解鹽脅迫對高粱種子的滲透脅迫,促進(jìn)高粱種子萌發(fā)和干物質(zhì)的積累,提高高粱種子的耐鹽性,但褪黑素?zé)o法完全緩解鹽脅迫對作物造成的損傷,相較于非鹽脅迫,其MDA含量增加,RC增加,RA及細(xì)胞色素含量降低,干物質(zhì)積累減少。這與褪黑素能提高鹽脅迫下油菜[40]、棉花[25]耐鹽性研究結(jié)果一致。

主成分分析法是一種降維的方法,把一些錯綜復(fù)雜的指標(biāo)歸結(jié)為少數(shù)綜合因子來反映原來變量的信息[41]。目前,該方法在種子萌發(fā)期耐鹽堿研究中已有大量報道,如孫現(xiàn)軍等[42]研究表明,倒二葉葉長、總?cè)~片數(shù)、株高、倒二葉葉綠素、根長和根干重可作為苗期小麥耐鹽性鑒定評價指標(biāo)。王志恒等[43]研究表明,發(fā)芽勢和芽干重可作為甜高粱種子萌發(fā)期耐鹽性主要評價指標(biāo)。但關(guān)于外源生長調(diào)節(jié)物質(zhì)對高粱萌發(fā)期鹽脅迫緩解性評價指標(biāo)研究較少。在本研究中,通過主成分分析將20項指標(biāo)歸類為兩大因子,各因子又分別以胚芽長度和可溶性糖含量為負(fù)荷量最大的指標(biāo),可作為褪黑素對鹽脅迫下高粱種子萌發(fā)緩解性的評價指標(biāo)。這與楊怡帆等[44]得出的細(xì)胞膜透性、MDA含量可作為氯化鈣對鹽脅迫下酸棗幼苗緩解性的評價指標(biāo)不符,其原因可能是由于外源生長調(diào)節(jié)物質(zhì)及作物種類不同,因而獲得的主成分因子也不盡相同。

4 結(jié) 論

鹽脅迫通過抑制水分吸收、加劇膜脂過氧化反應(yīng)影響高粱種子萌發(fā)及胚根、胚芽伸長。褪黑素浸種可通過啟動酶類抗氧化防御體系來提高高粱種子萌發(fā)過程中抗氧化酶活性,降低MDA積累;褪黑素浸種還可通過非酶類抗氧化防御體系來緩解鹽害,即增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量,中和或緩解有害物質(zhì)的損傷;同時褪黑素浸種還可增加種子胚根根系活力,提高胚芽綠色部分光合色素含量,這些均能提高高粱種子萌發(fā)期抵御鹽脅迫能力,促進(jìn)鹽脅迫下高粱種子萌發(fā)和干物質(zhì)的合成積累。對20個代表性指標(biāo)主成分分析結(jié)果表明,褪黑素對鹽脅迫下高粱種子萌發(fā)緩解性影響較大的指標(biāo)為胚芽長度和可溶性糖含量。