作者简介:张盼盼(1985-),女,陕西渭南人,博士,副教授。E-mail: zpp35@163.com
为探究叶面喷施烯效唑对糜子幼苗耐盐性的调控作用,以榆糜3号为试验材料,采用砂培方式,研究了三叶一心期叶面喷施烯效唑(50 mg·L-1)对150 mmol·L-1 NaCl盐胁迫下糜子幼苗生长和生理特性的影响。结果表明: 喷施烯效唑提高了盐胁迫下糜子幼苗叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度,同时烯效唑增加了盐胁迫下糜子叶片光系统II的最大光能转换效率、实际光化学效率和光化学猝灭系数,降低了叶片PSⅡ的非光化学猝灭系数;盐胁迫下喷施烯效唑处理株高显著降低( P<0.05),叶面积和地上部干重减小,糜子幼苗总根长、根体积、根总表面积、根平均直径和地下部干重增加;盐胁迫下经烯效唑处理的幼苗叶片和根系超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化物酶(POD)活性、过氧化氢酶(CAT)活性、可溶性蛋白含量均升高;而丙二醛(MDA)含量和超氧阴离子自由基($\mathop{}_{A}^{B}$)含量均下降;其中POD活性和$\mathop{}_{A}^{B}$含量在叶片中无显著差异,而在根系中差异达显著水平( P<0.05)。因此,在三叶一心期叶面喷施50 mg·L-1烯效唑能够调控糜子幼苗形态特征,增强根系和叶片保护酶活性和可溶性蛋白含量,减缓膜脂过氧化程度,从而有效提高植株的耐盐能力。
The aim of this research was to investigate the effect on seedling morphology and physiological characteristics of foliar uniconazole spraying of ‘Yumi 3’ proso millet seedlings under salt stress. Leaf photosynthetic characteristics, seedling growth and seedling antioxidase systems were measured, following foliar spraying with uniconazole (50 mg·L-1), in plants grown under 150 mmol·L-1 NaCl stress in sand culture experiments. The results showed that foliar uniconazole spraying increased net photosynthetic rate, transpiration rate, stomatal conductance and intercellular CO2 concentration, maximum light energy conversion efficiency, actual photochemical efficiency and photochemical quenching of the seedlings, but decreased non-photochemical quenching coefficient. In seedlings exposed to salt stress and foliar spraying with uniconazole, seedling height decreased significantly ( P<0.05), and leaf area and shoot dry weight also decreased. However, the total root length, root volume, root surface area, root average diameter and root dry weight of seedlings increased. With respect to antioxidase systems, in seedlings treated with uniconazole under salt stress, superoxide dismutase activity, peroxidase (POD) activity, catalase activity and soluble protein content were all increased, while malondialdehyde content and superoxide anion content ($\mathop{}_{A}^{B}$) were decreased. Among these parameters, POD activity and $\mathop{}_{A}^{B}$ levels showed no significant differences in leaves, but significant differences in roots ( P<0.05). Therefore, foliar uniconazole (50 mg·L-1) spraying at the three-leaf-and-one-leaflet stage of development effectively improved the salt tolerance of proso millet seedlings by regulating the seedling morphological characteristics, enhancing the protective enzyme activity and soluble protein content in the roots and leaves, and decreasing the degree of membrane lipid peroxidation.
近年来, 随着工农业的不断发展、化肥的大量使用, 灌溉和耕作的不合理, 温室效应等因素, 盐渍化程度以每年百万公顷的速度增加[1, 2, 3, 4]。据统计, 目前全世界约有5%的耕地受到不同程度的盐碱化。我国盐碱地面积约1亿hm2, 并呈逐渐扩大的趋势[5]。其中陕西的土壤盐碱化形势也非常严峻, 以陕北榆林盐碱地为主[6]。土壤盐碱化已成为当地农业发展和土地开发利用的重要限制因素。如何合理开发利用盐碱地资源, 保障该区粮食安全及农业经济发展是迫切需要解决的问题。
糜子(Panicum miliaceum), 为禾本科黍属, 原产于我国最古老的农作物, 在小杂粮作物中占有重要的地位, 栽培历史悠久[7, 8], 在长期进化过程中积累了生长发育期短, 抗逆性强、耐贮性强等特点[9, 10]。糜子是新垦土地的先锋植物和理想的复种植物, 在我国农业救灾备荒中发挥着重要的作用, 同时又是陕北糜子产区重要的饲草。然而该区盐碱化严重地制约着糜子产业的发展。因此, 通过合适的栽培技术改善糜子的耐盐能力, 提高糜子生产水平, 对增加产区农民收入, 实现农业增效具有重要的意义。
烯效唑(uniconazole, S3307)是一种具有较高生物活性和使用安全的植物生长延缓剂[11], 其具有提高作物抗逆性的重要作用, 前人关于烯效唑对作物的影响多集中于小麦(Triticum aestivum)[12]、玉米(Zea mays)[13]、水稻(Oryza sativa)[14]、油菜(Brassica napus)[15]等主要农作物生产, 而有关叶面喷施烯效唑对盐胁迫下糜子幼苗生长和生理特性方面调控效应的研究尚未见相关报道。鉴于此, 本研究以榆糜3号为试验材料, 以烯效唑为处理药剂, 进行糜子抗盐性试验, 探讨烯效唑对糜子幼苗形态和生理特性的影响, 为植物生长调节剂的应用及糜子高产栽培提供理论依据。
供试糜子品种为榆糜3号, 由西北农林科技大学国家小宗粮豆研究中心提供, 该品种幼苗和茎秆绿色, 生育期102 d, 单株粒重7.6 g, 千粒重8.0~8.6 g。供试烯效唑药剂由榆林学院生命科学学院农业节水实验室提供, 喷施浓度为50 mg· L-1。
试验于2017年8-12月在榆林学院生命科学学院农业节水实验室中进行。本试验采用完全随机设计, 设置4个处理, 分别为:CK, 0 mmol· L-1NaCl(1/2Hogland营养液配置)+叶面喷施0 mg· L-1烯效唑溶液; S, 150 mmol· L-1 NaCl(1/2Hogland营养液配置)+叶面喷施0 mg· L-1烯效唑溶液; T1, 0 mmol· L-1NaCl(1/2Hogland营养液配置)+叶面喷施50 mg· L-1烯效唑溶液; T2, 150 mmol· L-1NaCl (1/2Hogland营养液配置)+叶面喷施50 mg· L-1烯效唑溶液, 每个处理重复10次。试验所用150 mmol· L-1NaCl和50 mg· L-1烯效唑是结合前人文献及经过前期试验筛选出的浓度。盆栽试验采用上口径29.5 cm、下口径20.5 cm、高26.5 cm的聚乙烯塑料盆进行, 每盆装经过过筛的沙子4 kg。用蒸馏水将大小一致、健壮饱满的糜子种子按体积比10: 1浸种, 放置于25 ℃培养箱中, 期间摇晃2~3次, 使得种子与溶液充分接触, 24 h后用自来水清洗种子3~4遍, 阴干后, 采用打孔方式播种, 播深3 cm, 每盆播种25粒, 放置于人工气候室, 昼/夜(25± 1) ℃/(18± 1) ℃, 每天光照16 h, 黑暗8 h, 光强为1000 μ mol· m-2· s-1, 相对湿度为60%~80%; 播种后所有盆每3 d补充适量且等量浇水以保证种子顺利出苗; 待苗齐后, 定苗, 每盆留取长势一致的幼苗15株, 并开始浇灌1/2Hogland营养液, 以后每3 d浇灌1次, 直至三叶一心期, 将40盆幼苗随机分成4组, 开始进行处理。盐胁迫时NaCl溶液浇透, 托盘中过量的溶液倒掉, 叶面喷施烯效唑处理以叶面挂满药剂但不聚合成水流为宜。以后每3 d补充缺少的1/2Hogland营养液。于盐胁迫处理后9 d, 进行相关指标测定。
1.3.1 光合参数的测定 于每个处理中选取长势一致的幼苗4株, 利用Li-6400光合测定系统测定植株最上面完全展开叶的净光合速率(net photosynthetic rate, Pn)、气孔导度(stomatal conductance, Gs)、蒸腾速率(transpiration rate, Tr)、胞间CO2浓度(intercellular CO2 concentration, Ci)等光合参数。
1.3.2 叶绿素荧光参数的测定 在测量植物叶片光合参数同一天的上午, 使用PM2500便携式调制叶绿素荧光仪测量植株同一叶片的非光化学猝灭系数(non-photochemical quenching coefficient, NPQ)、实际光化学效率(actual photochemical efficiency, Φ PSⅡ )、光化学猝灭(photochemical quenching, qP)、最大光能转换效率(maximum light energy conversion efficiency, Fv/Fm)等叶绿素荧光参数指标, 每个处理重复4次。
1.3.3 幼苗株高和叶面积的测定 从每个处理中选取长势一致的6株糜子, 用钢尺测量植株基部地面处至生长点的长度, 即为株高(cm); 同时, 测量第一片完全展开叶(由上至下)的叶长、叶宽, 根据叶面积计算公式叶长× 叶宽× 0.75求幼苗全展叶叶面积(cm2)。
1.3.4 单株干重的测定 每个处理随机抽取6株, 将待测幼苗用蒸馏水冲洗干净后, 地上部分和地下部分分装, 在105 ℃下“ 杀青” 30 min后再在75 ℃下烘干至恒重, 取出纸袋和材料, 放入干燥器中冷却至室温, 用万分之一天平分别称取地上部干重和地下部干重。
1.3.5 根系形态指标的测定 每个处理选取长势一致的幼苗6株, 将根从节上剪下放入装有无色透明含有去离子水的塑料水槽, 用镊子调整根的位置, 避免交叉重叠, 使用扫描仪(EPSON PERFECTIONTM4990 PHOTO型)对根样进行扫描, 扫描仪的分辨率设为300 dpi。用根系分析软件(Win RHIZO)对扫描图像进行分析, 得到总根长度、表面积、体积、根平均直径等数据。
1.3.6 幼苗生理指标的测定 根系和叶片可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250染色法测定, 超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)活性采用NBT光化还原法测定, 过氧化氢酶(catalase, CAT)活性采用紫外吸收法测定, 超氧阴离子自由基含量采用羟胺氧化法测定[16]。根系和叶片过氧化物酶(peroxidase, POD)活性参照杨丽涛等[17]介绍的愈创木酚比色法测定, 并稍做修改。根系和叶片丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量参照高俊凤[18]的硫代巴比妥酸比色法测定, 并稍做修改。以上指标均为3次重复, 取平均值。
数据由Microsoft Excel 2013 软件进行录入、整理, 结果用平均值± 标准差表示, 用SPSS 20.0对数据进行均值、标准差和差异显著性分析, 并采用Origin 9.1软件绘图。
如表1所示, 当植株受到盐胁迫时(S), 叶片Pn、Gs、Ci和Tr均显著降低, 较CK分别降低了31.81%、56.22%、23.78%和57.14%; 在正常水分环境条件下叶面喷施烯效唑(T1)对叶片Gs无明显影响, 叶片Ci和Tr呈升高的趋势, 而叶片Pn呈降低的趋势; 与S相比, T2处理叶片Pn、Gs、Ci和Tr均呈显著升高的趋势, 分别升高了12.69%、40.20%、13.40%和53.85%。
| 表1 S3307对盐胁迫下糜子幼苗叶片光合特性的影响 Table 1 Effects of S3307 on photosynthetic characteristics of proso millet seedlings under salt stress |
如表2所示, 当植株受到盐胁迫(S)时, 叶片Fv/Fm、Φ PSⅡ 和qP较CK均显著降低, 分别降低了22.22%、25.00%和43.24%, 而叶片NPQ反而升高了27.78%; 与CK相比, 在正常水分环境条件下叶面喷施烯效唑(T1)均可显著提高Fv/Fm、Φ PSⅡ 和qP, 而对NPQ无明显影响; 与S相比, T2处理叶片Fv/Fm、Φ PSⅡ 和qP均呈显著升高的趋势, 分别升高了12.50%、22.22%和19.05%, 而叶片NPQ显著降低了13.04%。
| 表2 S3307对盐胁迫下糜子幼苗叶片叶绿素荧光特性的影响 Table 2 Effects of S3307 on chlorophyll fluorescence characteristics of proso millet seedlings under salt stress |
由表3可知, 在盐胁迫处理(S)下, 糜子幼苗株高显著降低, 而叶面积无明显变化; 在正常水分环境条件下喷施烯效唑(T1), 糜子幼苗株高有大幅度的降低, 而叶面积有小幅度的增加; 与S相比, 在盐胁迫下叶面喷施烯效唑(T2), 糜子株高和叶面积均有所降低, 分别降低了25.30%和25.62%。
| 表3 S3307处理对盐胁迫下糜子幼苗形态特征的影响 Table 3 Effects of S3307 on morphological characteristics of proso millet seedlings under salt stress |
在盐胁迫条件(S), 糜子幼苗根系总根长、根总表面积、根体积和根平均直径均呈降低的趋势, 分别降低了5.04%、32.09%、23.03%和6.40%; 与CK相比, 在正常水分条件下喷施烯效唑(T1), 糜子幼苗根系总根长、根总表面积、根体积和根平均直径均呈上升的趋势, 分别升高了70.78%、61.19%、19.58%和6.40%; 与S相比, 在盐胁迫下喷施烯效唑(T2), 糜子幼苗根系总根长、根总表面积、根体积和根平均直径均升高(图1), 分别升高了39.22%、118.68%、45.14%和9.40%。
由图2可知, 仅盐胁迫下(S)糜子幼苗地上部和地下部分干重较正常水分条件均减小, 其中地上部干重在CK与S之间存在显著差异(P< 0.05); 与CK相比, 在正常水分环境条件下喷施烯效唑(T1), 糜子幼苗地上部干重无明显变化, 而植株地下部干重有小幅度的增加; 与S相比, 在盐胁迫下喷施烯效唑(T2)处理下地上部干重降低, 而地下部干重增加, 但地上部干重和地下部干重在S和T2之间均无显著差异。
由图3可知, 当植株受到盐胁迫时(S), 糜子幼苗叶片和根系SOD活性有大幅度的增加; POD活性有小幅度的提高; 叶片CAT活性下降, 而根系CAT活性显著上升。在正常水分环境条件下喷施烯效唑(T1), 可以提高糜子幼苗叶片和根系SOD活性, 分别提高了10.12%和85.26%; 叶片POD活性有小幅度的降低, 而根系POD活性显著升高; 糜子幼苗叶片和根系CAT活性均显著上升, 分别升高了33.63%和96.35%。与S相比, 在盐胁迫下喷施烯效唑(T2)叶片和根系SOD活性无明显变化; 糜子幼苗叶片和根系POD活性均有所升高, 分别升高了1.36%和83.61%; 糜子幼苗叶片和根系CAT活性均显著升高, 分别提高了142.22%和102.33%。
由图4可知, 在盐胁迫条件下, 糜子幼苗叶片和根系MDA含量均有所增加; 在正常盐分环境下喷施烯效唑(T1), 糜子幼苗叶片和根系MDA含量均显著降低; 与S相比, 在盐胁迫下喷施烯效唑(T2), 可有效降低叶片和根系MDA含量。
| 图4 S3307对盐胁迫下糜子幼苗丙二醛和超氧阴离子自由基含量的影响Fig.4 Effect of S3307 on malondialdehyde and superoxide anion content of proso millet seedlings under salt stress |
当植株受到150 mmol· L-1 NaCl盐胁迫(S)时, 糜子幼苗叶片和根系内
由图5可知, 与CK相比, 盐胁迫处理下(S), 糜子叶片和根系可溶性蛋白质累积量均增加; 在正常水分环境条件下, 喷施烯效唑(T1)对叶片可溶性蛋白含量无明显影响, 而根系可溶性蛋白含量显著增加(P< 0.05); 与S相比, 在盐胁迫下喷施烯效唑(T2), 叶片和根系可溶性蛋白含量均显著增加, 分别增加了3.81%和2.84%。
光合作用是影响作物生长的重要方面[19], 光合速率反映叶片合成和供应同化物的能力, 光合速率越大, 作物生产能力越强[20]。前人研究指出, 喷施烯效唑可以有效调控作物叶片光合性能, 提高光能利用率[21]。叶绿素荧光可以作为光合作用研究的探针, 它不仅能反映光能吸收、激发能传递和光化学反应等光合作用的原初反应过程, 而且与电子传递、质子梯度的建立及ATP合成和CO2固定等过程有关[22, 23]。孟娜等[24]研究表明, 烯效唑能够显著提高盐胁迫下黄13大豆(Glycine max)品种叶片光合色素含量。于奇等[25]研究表明, 叶面喷施烯效唑能够显著提高淹水胁迫下绿豆叶片的Pn、Gs、Ci、Tr。本研究表明, 盐胁迫下糜子叶片Pn、Gs、Ci、Tr、Fv/Fm、Φ PSⅡ 和qP均显著降低; 盐胁迫下喷施烯效唑处理下, 糜子叶片Pn、Gs、Ci、Tr、Fv/Fm、Φ PSⅡ 和qP等光合特性指标较盐胁迫处理均提高, 而叶面积和NPQ均降低。说明盐胁迫抑制糜子的光合作用, 而叶面喷施烯效唑能够通过调控光合参数缓解盐胁迫对糜子的伤害。
根系是吸收水分和矿质营养的主要器官, 根的生长情况和活力水平直接影响地上部的生长发育, 同时, 根系还是最先感受和响应盐胁迫的器官。根系代谢的变化不仅可以调节根系本身的功能, 而且影响植株的生理代谢。大量研究表明[26, 27], 盐胁迫对植物的生长发育影响总体表现为抑制作用, 具体表现为根系的伸长受到抑制, 鲜重的增加和干物质的积累、侧根的减少。本试验研究表明, 在盐胁迫下, 糜子幼苗根系的根总长、根平均直径、根总表面积、根体积和根干重均明显降低, 这与慈敦伟等[28]在花生(Arachis hypogaea)幼苗上的研究结果相一致。同时, 盐胁迫下采用叶面喷施烯效唑可以明显增加糜子幼苗的根总长、根平均直径、根总表面积和根体积, 这与蒋玉香[29]在黄瓜(Cucumis sativus)上的研究结果相一致。
植物对盐胁迫的响应机制是一个复杂的过程, 盐胁迫时, 糜子体内的活性氧代谢平衡被破坏,
烯效唑可以提高盐胁迫下糜子幼苗叶片的光合作用, 有效保护叶片光合机构的PSⅡ , 促进根系形态发育, 增强叶片和根系保护酶活性和可溶性蛋白含量, 减缓膜脂过氧化程度, 从而提高糜子幼苗耐盐能力。因此, 在糜子盐碱地种植中, 可以在幼苗三叶一心期进行叶面喷施50 mg· L-1烯效唑来促进糜子生长。
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