外源褪黑素对NaCl胁迫下草莓幼苗生理特性的缓解效应

马媛媛,李 刚,何 旺,赵宝龙,鲁倩君,陈丽靓,刘 迎

(1.石河子大学农学院/特色果蔬栽培生理与种质资源利用兵团重点实验室,新疆石河子 832000;2.中国农业科学院郑州果树研究所,郑州 450009;3.重庆市黔江区农业技术服务中心,重庆 400000)

0 引 言

【研究意义】草莓(Fragaria×ananassaDuch.)属蔷薇科草莓属,多年生常绿草本植物,具有易繁殖、株体小、周期短、成熟早和效益高等特点[1],很多国家的小浆果类生产当中,草莓产量和栽培面积均处于重要位置[2]。日照时间长、昼夜温差大等优越的环境条件,使草莓成为新疆特色产业的组成部分[3]。新疆是全国最大的盐渍土壤分布地区[4],尤其是南疆地区,其气候干燥,土壤盐碱化严重[5],草莓根系又比较浅,属于盐敏感性植物[6]。缓解草莓盐害的方法较多,利用外源物质提高植物耐盐性是近几年的研究热点。通过外源物质来缓解草莓盐胁迫还比较薄弱。研究外源褪黑素对Nacl胁迫下草莓幼苗生理特性的缓解效应,对找出褪黑素缓解草莓Nacl胁迫的最适浓度有重要意义。【前人研究进展】褪黑素(Melatonin,MT)属于吲哚杂环类化合物,是一种普遍存在于植物体内的生长调节物质,能够调节植物对多种非生物胁迫的抗性,在植物中具有广泛的生理作用,如清除活性氧自由基、保护组织细胞、提高抗氧化酶活性等[7-8]。褪黑素能够缓解逆境胁迫对植物的影响,已在干旱[9]、高温[10]、弱光[11]和盐胁迫[12]等多种非生物胁迫中被证实,提高植物的抗氧化酶活性,改善光合作用,增强质膜透性等[13]。偶春等[14]对NaCl胁迫下的香椿外源施加不同浓度的褪黑素,发现有效缓解盐胁迫造成的伤害,其中100 μmol/L的褪黑素处理效果为最佳。此外,褪黑素还在苦荞[18]、金盏菊[19]、芹菜[20]和红花[21]等多种植物中施用,发现对盐胁迫下植物的缓解效果显著。【本研究切入点】目前关于褪黑素在草莓采后品质[22]、果实保鲜效果[23]、黑斑病[24]等多种应用上有报道,但是关于NaCl胁迫后施加褪黑素的研究相对较少。需研究外源褪黑素对NaCl胁迫下草莓幼苗生理特性的缓解效应。【拟解决的关键问题】试验以草莓品种甜查理为材料,研究NaCl胁迫下草莓幼苗的生长指标、光合色素含量、光合特性、叶绿素荧光和抗氧化酶活性,分析褪黑素对盐胁迫下的草莓幼苗缓解机理,为减轻草莓幼苗盐胁迫伤害提供理论依据和新的技术途径。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验选用草莓品种甜查理,选取5～6片叶,长势均匀健壮的植株,移栽到装有20 L的营养液的水培盒(80×50×30) cm中,每盒放入15株,共10盒,在石河子大学园艺试验站温室进行培养。使用霍格兰营养液(电导率为1.2 mS/cm),每5 d更换1次营养液,24 h通气。草莓幼苗生长到7～8片真叶后开始处理。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

5 g/L的NaCl作为盐胁迫处理的浓度,在同一天对草莓植株进行处理,为避免褪黑素见光分解,选择傍晚时间,叶片正反面喷洒均匀(记作0 d),以药液附于叶面但不下滴为标准,喷施蒸馏水为对照。在处理的第3、6、9 d取样测定生长指标、光合色素含量、光合特性、叶绿素荧光特性和抗氧化酶活性。采集的叶片经过液氮处理,放入-80℃超低温冰箱,待3次叶片采集完成测定。表1

表1 草莓幼苗的不同MT浓度组合

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 株高、茎粗与鲜重

(1)株高:使用直尺从近地面到自然生长的最高处测量。(2)茎粗:使用游标卡尺从近地面到第一片叶的茎中段测量。(3)鲜重:将整个植株放于电子秤测量。

1.2.2.2 光合色素含量

叶片光合色素含量测定参考植物生理学试验指导[25]。

1.2.2.3 光合特性

采用开放式气体交换Li-6400便携式光合仪对草莓幼苗自上至下第2～4片完全展开的功能叶片进行Pn和Ci的测定。

1.2.2.4 荧光指标

在测量日上午对草莓叶片遮光30 min后,选取从上到下的第2～4片完全展开的功能叶片,采用M-PEA(植物效率仪)测定,获取叶片初始荧光(F0)、最大荧光(Fm)。

1.2.2.5 抗氧化酶

采用愈创木酚法测定过氧化物酶活性;采用氮蓝四唑还原法测定超氧化物歧化酶活性;根据H2O2的分解速度来测定过氧化氢酶的活性;采用紫外分光光度法测定抗坏血酸过氧化物酶活性[26-27]。

1.3 数据处理

数据均重复3次以上,采用WPS 2020和SPSS 18.0软件统计数据,显著水平选定在0.05,采用OriginPro 7.5制作图表。

2 结果与分析

2.1 外源褪黑素对NaCl胁迫下草莓幼苗生长指标的影响

研究表明,与对照相比,NaCl和褪黑素处理第3 d草莓幼苗的株高和鲜重无显著差异,茎粗存在显著差异,处理第6和9 d,株高、茎粗和鲜重显著降低,第9 d差异达到最大。外源施加不同浓度的褪黑素后,草莓幼苗的株高、茎粗和鲜重与NaCl处理相比有所提高,150 μmol/L的浓度在处理第9 d,分别增加23.75%、37.97%和18.87%。NaCl处理显著抑制了草莓幼苗的生长,外源喷施不同浓度的褪黑素能够有效缓解NaCl胁迫对草莓带来的伤害,150 μmol/L的浓度处理效果最佳。表2

表2 NaCl胁迫及不同浓度外源褪黑素下草莓幼苗的株高、茎粗和鲜重变化

2.2 外源褪黑素对NaCl胁迫下草莓幼苗叶片光合色素含量的影响

研究表明,与对照相比,NaCl处理后草莓幼苗叶片的Chla、Chlb、总叶绿素和Car含量呈现下降的趋势,处理的第9 d降幅最大,分别下降36.80%、48.50%、44.06%和39.98%。与NaCl相比,不同浓度的褪黑素处理后,显著提高整个时期草莓幼苗叶片的Chla、Chlb、总叶绿素和Car含量,其中50 μmol/L浓度的上升幅度较小,处理后第9 d分别上升10.25%、32.48%、15.43%和20.82%,150 μmol/L的上升幅度最大,分别为37.95%、75.93%、46.83%和41.22%。在NaCl胁迫下,草莓幼苗叶片光合色素含量下降,合成受阻,外源施加不同浓度的褪黑素均可以有效缓解,150 μmol/L浓度处理效果为最佳。图1

图1 NaCl胁迫及不同浓度外源褪黑素下草莓幼苗叶片光合色素含量变化

2.3 外源褪黑素对NaCl胁迫下草莓幼苗叶片光合参数的影响

研究表明,与对照相比,NaCl胁迫显著降低了整个处理时期的净光合速率(Pn),处理第3、6和9 d分别降低49.05%、54.36%和60.43%。外源施加不同浓度褪黑素均可提高整个处理时期的Pn,处理后第3 d,上升幅度达到最大,与NaCl胁迫相比,50、100、150和200 μmol/L浓度处理下的净光合速率分别提高50.56%、59.24%、73.47%和59.51%,其中150 μmol/L的浓度的处理效果为最佳,50和200 μmol/L的浓度差异较小。

与对照相比,NaCl胁迫显著降低整个处理时期的胞间CO2浓度(Ci),处理第9 d下降37.31%,降幅为最大。外源施加不同浓度褪黑素显著提高第3和6 d的Ci。与NaCl胁迫相比,50 μmol/L浓度处理下的Ci在第9 d没有达到显著水平,100、150和200 μmol/L浓度的处理达到显著水平,分别提高8.72%、26.47%和17.17%,其中150 μmol/L的浓度表现效果最佳,200 μmol/L的浓度表现效果次之。图2

图2 NaCl胁迫及不同浓度外源褪黑素下草莓幼苗叶片净光合速率和胞间CO2浓度变化

2.4 外源褪黑素对NaCl胁迫下草莓幼苗叶片荧光参数的影响

研究表明,与对照相比,NaCl胁迫显著降低整个处理时期的最大荧光(Fm),处理第3、6和9 d分别降低13.74%、21.36%和37.29%。外源施加不同浓度外源褪黑素可以提高整个处理时期Fm,150和200 μmol/L浓度在处理第3和6 d达到显著水平。与NaCl胁迫相比,50、100、150和200 μmol/L浓度的处理分别提高15.48%、26.01%、46.72%和35.08%,其中150和200 μmol/L的浓度表现效果较好。

与对照相比,NaCl胁迫下提高整个处理时期的初始荧光(F0),第9 d达到最高值,上升52.90%。外源施加不同浓度的褪黑素,显著降低F0的上升速度,其中150 μmol/L表现效果最佳,处理第3、6和9 d与NaCl胁迫相比分别降低18.18%、19.86%和27.66%。图3

图3 NaCl胁迫及不同外源亚精胺下草莓幼苗叶片最大荧光和初始荧光变化

2.5 外源褪黑素对NaCl胁迫下草莓幼苗抗氧化酶活性的影响

研究表明,与对照相比,草莓幼苗叶片的过氧化物酶活性(POD)在NaCl胁迫第3 d稍有下降,第6和9 d则显著升高,分别提高6.05%和25.34%。与NaCl胁迫相比,外源施加不同浓度褪黑素均可以提高整个处理时期草莓幼苗叶片的POD活性,50、100、150和200 μmol/L的浓度分别上升39.28%、62.38%、48.34%和49.18%。表现效果最佳的为100 μmol/L的浓度,150和200 μmol/L浓度的效果次之。

与对照相比,NaCl胁迫可以提高草莓幼苗叶片的超氧化物歧化酶(SOD)活性,在处理第6和9 d达到显著水平,分别提高26.67%和11.53%。与NaCl胁迫后相比,外源施加不同浓度褪黑素显著提高整个处理时期SOD活性,呈现出先上升后下降的趋势,处理第6 d达到最高值,50、100、150和200 μmol/L浓度的处理分别提高10.25%、7.04%、32.91%和13.87%,其中150 μmol/L浓度的处理表现效果最佳。

与对照相比,NaCl胁迫显著提高处理第3和6 d的草莓幼苗叶片过氧化氢酶(CAT)活性,第9 d开始下降。与NaCl胁迫相比,外源施加不同浓度褪黑素显著提高整个处理时期CAT活性,第3 d达到峰值,50、100、150和200 μmol/L浓度的处理分别提高21.70%、40.80%、71.50%和51.73%,处理第6和9 d呈现出下降的趋势,其中150 μmol/L的褪黑素浓度表现效果为最佳。

与CK相比,NaCl胁迫后,提高草莓幼苗叶片抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性,处理第3、6和9 d分别上升3.73%、22.93%和15.29%。与NaCl胁迫相比,外源施加不同浓度褪黑素显著提高整个处理时期的APX活性,呈现出先上升后下降趋势,处理第6 d达到峰值,50、100、150和200 μmol/L的浓度分别提高了5.27%、12.61%、33.94%和17.93%。150 μmol/L的褪黑素浓度表现效果最佳,200 和100 μmol/L次之。图4

图4 NaCl胁迫及不同浓度外源褪黑素下POD、SOD、CAT和APX活性变化

2.6 外源褪黑素对NaCl胁迫下草莓的缓解能力的综合评价

研究表明,2个主成分初始特征值大于1,第1主成分贡献率为67.304%,第2主成分贡献率为28.712%,累计贡献率达到了96.016%,提取前2个主成分作为综合指标评价依据。

根据成分矩阵计算出主成分得分系数,计算2个主成分的得分。表3

表3 主成分分析成分荷载矩阵

Y1=0.331X1+0.335X2+0.337X3+0.324X4+0.333X5+0.337X6+0.335X7+0.316X8-0.286X9-0.15X10-0.09X11-0.041X12-0.096X13.

Y2=-0.013X1+0.041X2-0.024X3+0.148X4+0.054X5-0.039X6-0.022X7+0.184X8-0.234X9+0.423X10+0.463X11+0.480X12+0.508X13.

Y=2.958Y1+1.932Y2.

式中,Y1和Y2代表主成分1和2的得分,Y为综合得分,X1～X13分别代表株高、茎粗、单株重、Chla+b、Car、Pn、Ci、Fm、F0、POD、SOD、CAT、APX。

各处理综合评价由高到低排名依次为CK>T3>T4>T2>T1>T0。表4

表4 不同浓度褪黑素主成分值及排序

3 讨 论

3.1盐胁迫往往会抑制植物的生长和发育[28],试验研究表明,5 g/L NaCl处理第6和9 d,显著降低了草莓幼苗的株高、茎粗和鲜重,植株的生长受到了明显的抑制。外源施加褪黑素,显著缓解NaCl胁迫对草莓幼苗的危害,其中150 μmol/L浓度处理效果最佳,与王丽英[26]在黄瓜、范海霞[27]在金盏菊上的研究结果一致。可能是因为褪黑素能够调节细胞壁延伸从而诱导植物根系生长,在逆境中具有较强的根系吸收能力,达到促进植株生长的目的[29-31]。此外,褪黑素促进NaCl胁迫下草莓幼苗的生长,可能与提高植株叶片光合效率有关[32],在试验中,对草莓幼苗光合研究也得到了验证。

3.2盐胁迫可以加速叶绿素的降解、降低叶绿体对光能的吸收以及破坏类囊体膜的稳定性,从而影响光能在两个光系统之间的合理分配,降低光合速率[33]。褪黑素作为抗氧化剂,可以在植物体内自身合成,也可以通过外源施加的方法达到缓解逆境胁迫的作用[34]。试验发现,NaCl胁迫下草莓幼苗叶片的Chl a、Chl b、总叶绿素和Car含量显著降低,外源施加不同浓度的褪黑素可以使胁迫下叶片色素含量有不同程度的提高,喷施褪黑素第3和6 d缓解效果比较好,第9 d效果逐渐减弱,可以说明在短时间内,褪黑素缓解NaCl胁迫效果较好,其中150 μmol/L的浓度效果为最佳。与韩国民[35]在5BB葡萄砧木叶片上,赵丽娟[36]在紫花苜蓿上施用褪黑素研究结果保持一致。因为在NaCl胁迫下,施用外源褪黑素可能会抑制叶绿素降解酶活性增强,也有可能促进参与叶绿素合成的δ氨基乙酰丙酸原和叶绿素酸酯还原酶复合体的合成,从而达到提高叶绿素含量的目的[37]。

3.3试验结果表明,在NaCl胁迫下,草莓幼苗的净光合速率和胞间CO2浓度显著降低,外源施加褪黑素后显著升高。与李阳[38]在棉花幼苗的研究结果保持一致,因为褪黑素可以提高光合酶的活性,保护光合机构,从而减轻NaCl胁迫对光和特性的不良影响,达到缓解NaCl胁迫下草莓幼苗光合的目的。

3.4叶绿素荧光特性是研究植物光合作用与环境作用的关键[39]。试验发现在NaCl胁迫下,F0随着时间的延长,呈现出增加的趋势,Fm呈现下降的趋势。与周家旭[40]的研究结果基本一致,F0值越高,表明光系统中心活性降低,造成这种现象的原因可能是,逆境胁迫下活性氧会积累,破坏植物的叶绿素结构,叶绿素的合成速率下降,降低光能的吸收和转化,从而影响叶绿素荧光特性。外源施加褪黑素后,显著提高Fm,降低F0的上升幅度,其中150 μmol/L的褪黑素浓度效果为最佳,可能是因为褪黑素是一种吲哚杂环类化合物,具有抗氧化和清除氧自由基的功能,保护植物叶绿素结构[41],达到缓解叶绿素荧光特性的目的。

4 结 论

NaCl处理下,影响了植物的形态和生理特征,外源施加不同浓度的褪黑素可显著缓解NaCl胁迫下草莓幼苗的生长发育,提高植株的株高、茎粗、单株重、Chl a、Chl b、Chl a+b、Car、Pn、Ci、Fm、SOD、CAT、POD和APX,降低F0上升速度。150 μmol/L浓度的褪黑素缓解NaCl胁迫下草莓幼苗的效果最佳。