NaHS对NaHCO3胁迫下黑籽南瓜及黄瓜种子生理指标的影响

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  【内容摘要】:本实验以黑籽南瓜及黄瓜种子为实验材料,探究了在不同浓度NaHCO3的作用下,外施相同浓度的NaHS对种子萌发过程中生理指标的影响。实验结果表明,黑籽南瓜及黄瓜种子在NaHCO3作用下,其根系活力、淀粉酶、过氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)活性与对照相比均显著下降,丙二醛(MDA)含量增加;并且随着盐浓度的增加,酶活性出现不同程度的下降趋势,丙二醛含量呈现上升趋势。外施相同浓度的NaHS后,提高了种子淀粉酶、SOD、POD活性及根系活力,降低了MDA含量。可见,外施NaHS对不同浓度NaHCO3胁迫均有缓解作用,可有效缓解碱性盐对种子萌发的抑制作用。
  【关键词】:盐胁迫;NaHS;NaHCO3;南瓜;黄瓜;生理特性
  盐害是农业生产过程中重要的逆境危害之一,发生盐害的蔬菜主要表现为发育不良、植株矮小等,严重影响了蔬菜的产量。中国盐渍土面积大,分布广且类型多样,土壤中碱化与盐化往往相伴发生。土壤中的盐分严重威胁着蔬菜作物的生长,致使蔬菜作物受到不同程度的伤害,盐害已经成为制约我国农业发展及生态环境发展的重要问题。现如今,世界范围内的盐碱化土壤面积仍在不断扩大,与此同时,农耕地面积的减少也在要求更好的利用盐碱化土壤,增加盐胁迫下蔬菜的产量。因此,探究缓解盐胁迫的有效方法就显得尤为重要。
  有研究表明,NaCl胁迫抑制了黑籽南瓜和西葫芦种子的萌发(王广印等,2005),外施NaHS可明显提高铝胁迫和铜胁迫下小麦的发芽率(Triticun aestivum)(鲍敬等,2011),即NaHS可减轻水分对小麦的伤害程度。以上研究主要针对中性盐NaCl胁迫下的作物,而关于NaHS在缓解碱性盐胁迫中生理生化方面的研究还少有报道。此外,中性盐和碱性盐胁迫对黄瓜种子萌发的影响(崔玮等,2006)文章中指出,碱性盐胁迫对种子萌发的损伤效应明显高于中性盐胁迫。同时,有研究指出硫化氢调控胁迫条件下植物生长的信号机制(焦浩,2010),可见NaHS对盐胁迫的缓解作用可能是由于其释放的硫化氢。可见,探究NaHS在碱性盐胁迫作用对种子萌发的作用有重要意义,可为找出缓解碱性盐胁迫的有效方法提供理论参考。
  南瓜是世界上最古老的园艺栽培作物之一,栽培面积广泛,用途广泛且营养价值高,常被用来作为嫁接砧木。黄瓜是世界上栽培面积最大的园艺作物之一,在我园艺作物中占有重要地位。无论是露天栽培还是保护地栽培,盐碱地面积的不断扩大对南瓜及黄瓜的种植都造成了一定的影响。植物组织在受到外界不良条件的危害时,细胞膜的结构与功能最先受到损害,细胞膜的透性增大。因此可用细胞膜相对透性大小表示细胞伤害率。丙二醛是由于植物器官在逆境条件下受到伤害,其组织膜脂质发生过氧化反应而产生的。它的含量与植物逆境伤害有着密切联系,含量越高,植物受到的伤害越严重。过氧化物酶是植物中活性较高的一种酶,它与呼吸作用、光合作用及生长素的氧化等有密切联系。过氧化物酶可清除H202对植物细胞生物功能分子的破坏作用。超氧化物歧化酶是生物体内清除氧自由基德首要物质,可以提高植物德抗污染能力。淀粉酶是植物萌发过程中重要的一种酶,淀粉酶可以将淀粉分解为小分子糖类,供种子萌发使用,因此淀粉酶的活性可以反映种子活力的高低。通过测定种子萌发过程中细胞膜相对透性,丙二醛含量,淀粉酶、SOD、POD活性,种子根系活力,可以反映种子细胞受伤害程度,从而探究外源NaHS对缓解碱性盐胁迫的效果。
  本实验采用黑籽南瓜和黄瓜为实验材料,探讨外源NaHS对不同浓度NaHCO3胁迫下黑籽南瓜及黄瓜种子生理指标的影响,以期为瓜类作物抗盐栽培提供理论依据和技术参考。
  一、材料与方法
  (一)实验材料
  实验选用中国农业科学院蔬菜花卉研究所生产的中农8号黄瓜种子为实验材料。
  (二)试验设计
  首先选取饱满且大小均匀一致的黑籽南瓜及黄瓜种子,用0.1%的KMnO4消毒10min,再用蒸馏水冲洗数次,温汤浸种后用吸水纸吸干水分,放置于铺有2层湿润滤纸的培养皿中,每个培养皿内放置黑籽南瓜或黄瓜种子35粒,培养皿置于28℃的光照培养箱内进行催芽。实验共设7个处理:T1:CK(蒸馏水);T2:120mmol/L NaHCO3;T3:180mmol/L NaHCO3;T4:240mmol/L NaHCO3 ;T5:120mmol/L NaHCO3+0.9mmol/L NaHS;T6: 180mmol/L NaHCO3+0.9mmol/L NaHS;T7: 240mmol/L NaHCO3+0.9mmol/L NaHS。每个处理设3次重复,且每个处理中各加7mL处理液。每24h观察并记录发芽种子数1次,黄瓜种子培养5天后结束发芽统计,黑籽南瓜种子培养7天后结束发芽统计,分别测定种子细胞膜相对透性、淀粉酶活性、超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化物酶(POD)酶活性、丙二醛(MDA)含量以及根系活力等生理指标,并进行统计分析。
  (三)生理指标的测定方法
  ① 细胞膜相对透性:采用电导法测定(张宪政,1992)
  ②SOD酶活性:采用氮蓝四唑(NBT)还原法
  ③POD酶活性:采用愈创木酚法(赵世杰等,2002)
  ④MDA含量:采用硫代巴比妥酸显色法测定(赵世杰等,2002)
  ⑤根系活力:采用TTC法(赵世杰等,2002)
  (四)数据处理方法
  本实验采用Microsoft Office Excel 2007, DPS 7.55软件对数据进行统计和分析,采用Duncan’s新复极差法进行多重比较。
  二、结果与分析
  (一) 黑籽南瓜生理指标分析
  1. NaHCO3处理及NaHS对NaHCO3胁迫下黑籽南瓜种子细胞膜透性的影响   由图1可知,NaHCO3处理会明显导致黑籽南瓜种子细胞膜相对透性的增加,且NaHCO3处理浓度越大,细胞膜相对透性升高越明显,经方差分析,120~240 mmol/L的NaHCO3处理均与CK的差异达到了显著水平, 180mmol/L、240mmol/L NaHCO3处理时,还达到了极显著水平。由图2可知,在各浓度NaHCO3中加入0.9mmol/L NaHS处理的细胞膜相对透性均小于单独用对应浓度NaHCO3处理的细胞膜相对透性,120~240 mmol/L的NaHCO3处理均达到了极显著差异水平。
  2.NaHCO3处理及NaHS对NaHCO3胁迫下黑籽南瓜种子超氧化物歧化酶(SOD)活性的影响
  由图3可知,NaHCO3处理明显抑制了黑籽南瓜种子中超氧化物歧化酶活性,且随着NaHCO3浓度增大,超氧化物歧化酶活性降低,经方差分析,120~240mmol/L的的NaHCO3处理均与CK的差异达到了极显著水平。由图4可知,在各浓度NaHCO3中加入0.9mmol/L NaHS处理的超氧化物歧化酶(SOD)活性均大于单独用对应浓度NaHCO3处理的超氧化物歧化酶活性,120~240 mmol/L的NaHCO3处理均达到了极显著差异水平。
  3.NaHCO3处理及NaHS对NaHCO3胁迫下黑籽南瓜种子过氧化物酶(POD)活性的影响
  由图5可知,NaHCO3处理明显抑制了黑籽南瓜种子中超氧化物歧化酶活性,且随着NaHCO3浓度增大,超氧化物歧化酶活性降低,经方差分析,120~240mmol/L的的NaHCO3处理均与CK的差异达到了极显著水平。由图6可知,在各浓度NaHCO3中加入0.9mmol/L NaHS处理的均显著提高了对应浓度NaHCO3处理的POD活性,且经方差分析可知,在各浓度的NaHCO3中加入0.9mmol/LNaHS处理前后POD活性均达到了极显著差异水平。
  4. NaHCO3处理及NaHS对NaHCO3胁迫下黑籽南瓜种子丙二醛含量(MDA)含量的影响
  由图7可知,NaHCO3处理会明显导致黑籽南瓜种子内丙二醛含量的增加,且NaHCO3处理浓度越大,丙二醛含量升高越明显,经方差分析,各处理之间差异显著,180mmol/L、240mmol/L的NaHCO3处理均与CK的差异达到了显著水平。由图8可知,在各浓度NaHCO3中加入0.9mmol/L NaHS处理的丙二醛含量均不大于单独用对应浓度NaHCO3处理的丙二醛含量,120 mmol/L NaHCO3处理时无显著差异,180mmol/L、240mmol/L NaHCO3处理时,达到了极显著水平。
  5.NaHCO3处理及NaHS对NaHCO3胁迫下黑籽南瓜种子根系活力的影响
  由图9可知,NaHCO3处理会明显导致黑籽南瓜种子根系活力的降低,且NaHCO3处理浓度越大,根系活力下降越明显,经方差分析,120~240 mmol/L的NaHCO3处理均与CK的差异达到了极显著水平。由图9可知,在各浓度NaHCO3中加入0.9mmol/L NaHS处理的根系活力均大于单独用对应浓度NaHCO3处理的根系活力,120 mmol/L NaHCO3处理时无显著差异,180mmol/L、240mmol/L NaHCO3处理时,达到了极显著水平。
  6.NaHCO3处理及NaHS对NaHCO3胁迫下黑籽南瓜种子淀粉酶活性的影响
  由图11可知,NaHCO3处理会明显导致黑籽南瓜种子淀粉酶活性降低,且NaHCO3处理浓度越大,淀粉酶活性下降越明显,经方差分析,120~240 mmol/L的NaHCO3处理均与CK的差异达到了极显著水平。由图12可知,在各浓度NaHCO3中加入0.9mmol/L NaHS处理后的淀粉酶活性均大于单独用对应浓度NaHCO3处理的淀粉酶活性,经过方差分析,NaHCO3+0.9mmol/L NaHS处理后的α淀粉酶活性与单独用对应浓度NaHCO3处理的α淀粉酶活性之间无显著性差异,在各浓度NaHCO3中加入0.9mmol/L NaHS处理后的α淀粉酶活性与单独用对应浓度NaHCO3处理的总淀粉酶活性之间达到极显著差异。
  (二) 黄瓜生理指标分析
  1. NaHCO3处理及NaHS对NaHCO3胁迫下黄瓜种子细胞膜透性的影响
  由图13可知,NaHCO3处理会明显导致黄瓜种子细胞膜相对透性的增加,且NaHCO3处理浓度越大,细胞膜相对透性升高越明显,经方差分析,120~240 mmol/L的NaHCO3处理均与CK的差异达到了极显著水平。由图14可知,在各浓度NaHCO3中加入0.9mmol/L NaHS处理的细胞膜相对透性均小于单独用对应浓度NaHCO3处理的细胞膜相对透性,且差异显著,180mmol/L、240mmol/L NaHCO3处理时,还达到了极显著水平。
  2. NaHCO3处理及NaHS对NaHCO3胁迫下黄瓜种子超氧化物歧化酶(SOD)活性的影响
  由图15可知,NaHCO3处理明显抑制了黄瓜种子中超氧化物歧化酶活性,且随着NaHCO3浓度增大,超氧化物歧化酶活性降低,经方差分析,120~240mmol/L的的NaHCO3处理均与CK的差异达到了极显著水平。由图16可知,在各浓度NaHCO3中加入0.9mmol/L NaHS处理的超氧化物歧化酶(SOD)活性均大于单独用对应浓度NaHCO3处理的超氧化物歧化酶活性,且差异显著,180mmol/L、240mmol/L NaHCO3处理时,还达到了极显著水平。
  3. NaHS对NaHCO3胁迫下黄瓜种子过氧化物酶(POD)活性的影响
  由图17可知,在各浓度NaHCO3中加入0.9mmol/L NaHS处理的过氧化物酶活性均大于单独用对应浓度NaHCO3处理的过氧化物酶活性,且差异显著,180mmol/L、240mmol/L NaHCO3处理时,还达到了极显著水平。   4. NaHCO3处理及NaHS对NaHCO3胁迫下黄瓜种子丙二醛含量(MDA)含量的影响
  由图18可知,NaHCO3处理会明显导致黄瓜种子内丙二醛含量的增加,且NaHCO3处理浓度越大,丙二醛含量升高越明显,经方差分析,120~240 mmol/L的NaHCO3处理均与CK的差异达到了显著水平,180mmol/L、240mmol/LNaHCO3处理时与CK的差异达到了极显著水平。由图19可知,在各浓度NaHCO3中加入0.9mmol/L NaHS处理的丙二醛含量均小于单独用对应浓度NaHCO3处理的丙二醛含量,且差异显著,180mmol/L、240mmol/L NaHCO3处理时,达到了极显著水平。
  5. NaHCO3处理及NaHS对NaHCO3胁迫下黄瓜种子根系活力的影响
  由图20可知,NaHCO3处理会明显导致黄瓜种子根系活力的降低,且NaHCO3处理浓度越大,根系活力下降越明显,经方差分析,120~240 mmol/L的NaHCO3处理均与CK的差异达到了极显著水平。由图21可知,在各浓度NaHCO3中加入0.9mmol/L NaHS处理的根系活力均大于单独用对应浓度NaHCO3处理的根系活力,均达到了极显著水平。
  6. NaHCO3处理及NaHS对NaHCO3胁迫下黄瓜种子淀粉酶活性的影响
  由图22可知,NaHCO3处理会导致黑籽南瓜种子淀粉酶活性降低,且随着NaHCO3处理浓度增加,淀粉酶活性不断下降,经方差分析,120~240 mmol/L的NaHCO3处理后的总淀粉酶活性均与CK的差异达到了极显著水平。由图23可知,从整体上看,在各浓度NaHCO3中加入0.9mmol/L NaHS处理后的淀粉酶活性大于单独用对应浓度NaHCO3处理的淀粉酶活性,经过方差分析,在各浓度NaHCO3中加入0.9mmol/L NaHS处理后的淀粉酶活性与单独用对应浓度NaHCO3处理的淀粉酶活性之间无显著性差异,且在个别处理中出现了施加NaHS后淀粉酶活性下降的现象。可见,施加NaHS后虽提高了种子内淀粉酶活性,但效果不太明显。
  三、讨论与结论
  盐碱胁迫可对植物造成严重危害,是影响农业生存与发展的重要障碍,一般植物对土壤中盐分极为敏感,罗庆云等指出,盐碱胁迫下最显著的变化就是植物生长受到了抑制。因此,找到缓解碱性盐胁迫的方法显得尤为重要。
  植物组织受到逆境伤害后,由于细胞膜的结构或功能受损,从而导致细胞膜相对透性增大。同时,细胞内的各种物质将会有不同程度的外渗,伤害越重,外渗越多,其电导率增加程度也越大。本实验中,外施NaHS后,细胞膜相对透性下降,可见NaHS缓解了NaHCO3对植物的胁迫作用。植物根系是活跃的吸收与合成器官,根的生长状况与活力水平直接影响植物生长情况、营养状况与产量水平。在逆境条件下,植物根系受到伤害,其活力水平将会下降。本实验中,外施NaHS后根系活力上升,有效缓解了NaHCO3的胁迫作用。
  在正常条件下,植物可以通过依靠自身的自由基清除系统,从而保持细胞内活性氧的平衡,而当植物受到逆境的胁迫作用时,活性氧平衡被打破,植物自身的清除系统将会做出应激反应,从而保证植物不受伤害。超氧化物歧化酶(SOD)是膜保护系统中的一种关键酶,是活性氧清除系统中第一个发挥作用的抗氧化酶。丙二醛是植物受到逆境伤害后,导致膜脂过氧化产生,丙二醛含量的高低不仅可以反映出植物受到逆境的程度,其含量的增加还会影响植物的正常生长。在本实验中,黄瓜种子受到NaHCO3胁迫后,丙二醛含量上升,淀粉酶、SOD及POD活性下降,随着盐浓度增大丙二醛含量随之增大。外施NaHS后降低了NaHCO3胁迫下的丙二醛的含量,提高了SOD、POD的活性。说明外施NaHS后黄瓜种子内具有较高的活性氧清除系统,可减少活性氧化物对作物的危害,NaHS能够提高盐胁迫下种子中抗氧化酶的活性,减缓了种子萌发过程中膜脂氧化程度。由此可以看出外施NaHS缓解了NaHCO3胁迫的作用,提高了碱性盐胁迫下种子对逆境的适应性。淀粉是种子子叶中主要的贮藏物质之一,种子萌发过程中,淀粉酶活性不断增加,将淀粉分解为小分子糖类,以供种子萌发,由此可见,淀粉酶活性可以反应种子的活力高低,本实验中,外施NaHS有效提高了NaHCO3胁迫下种子淀粉酶的活性,加快淀粉分解,为植物萌发提供能量,可见外施NaHS有效缓解了NaHCO3对种子的胁迫作用。
  本实验结果表明,黑籽南瓜及黄瓜种子在NaHCO3作用下,其根系活力、淀粉酶、过氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)活性与对照相比均显著下降,细胞膜相对透性及丙二醛(MDA)含量增加;并且随着盐浓度的增加,酶活性出现不同程度的下降趋势,细胞膜相对透性及丙二醛含量呈现上升趋势。外施相同浓度的NaHS后,显著提高了种子淀粉酶、SOD、POD活性和根系活力,降低了MDA含量,由此可见,外施NaHS能够有效缓解NaHCO3对黑籽南瓜及黄瓜种子的胁迫作用,与前人所做实验结论一致。
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  【作者简介】
  郝园园(1992.10-),女,河北石家庄,海南大学园艺园林学院,设施农业科学与工程专业;
  江雪飞(1977.1-),女,广西桂林,博士,海南大学园艺园林学院副教授,主要研究方向:设施园艺环境调控。
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