趙文靜, 張浩陽(yáng), 徐燕妮, 羅 蛟, 劉美君*
(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院, 新疆草地資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西部干旱荒漠區(qū)草地資源與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 烏魯木齊 830052; 2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 泰安 271018)
苜蓿(MedicagosativaL.)作為重要的多年生優(yōu)質(zhì)豆科牧草,其產(chǎn)業(yè)對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)與保護(hù)起著重要的作用[1]。紫花苜蓿廣泛分布于我國(guó)西北、華北、東北等地,也是新疆分布最廣的栽培牧草,在南北疆平原和山區(qū)均有分布[2],然而由于新疆春秋氣溫低且不穩(wěn)定,夏季高溫炎熱,導(dǎo)致一些優(yōu)良的紫花苜蓿品種在生長(zhǎng)發(fā)育階段易遭受低溫或高溫的影響,這嚴(yán)重降低了苜蓿的產(chǎn)量和質(zhì)量。
種子萌發(fā)在植物繁衍和種群更新中起著至關(guān)重要的作用,故其對(duì)作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量有重要的影響[3]。溫度是影響種子萌發(fā)生長(zhǎng)的關(guān)鍵環(huán)境因子之一,外界溫度過(guò)高或過(guò)低均會(huì)顯著降低種子的萌發(fā)活性,導(dǎo)致種子萌發(fā)生理發(fā)生變化[4-5]。萬(wàn)茜等研究發(fā)現(xiàn),高、低溫脅迫都會(huì)導(dǎo)致豇豆(Vignaunguiculata)幼苗體內(nèi)丙二醛含量的上升,但其體內(nèi)可溶性蛋白質(zhì)含量、過(guò)氧化物酶、過(guò)氧化氫酶活性變化不一致[6]。肖夢(mèng)穎等研究發(fā)現(xiàn),高粱種子萌發(fā)時(shí),遭受低溫脅迫會(huì)導(dǎo)致超氧化物歧化酶、過(guò)氧化物酶和過(guò)氧化氫酶的活性上升[7]。溫度與其它脅迫結(jié)合會(huì)加重對(duì)種子萌發(fā)的抑制[8-11]。然而,目前有關(guān)紫花苜蓿種子萌發(fā)的研究主要集中在抗寒[12]、干旱[13]、鹽堿[14-15]等方面,而有關(guān)高、低溫脅迫對(duì)苜蓿種子萌發(fā)的影響研究較少,且研究不深入。
種子萌發(fā)是一個(gè)需能的過(guò)程,線粒體呼吸代謝是種子萌發(fā)的唯一能量來(lái)源。植物呼吸代謝具有多樣性,除了糖酵解途徑(Glycolysis pathway,EMP),磷酸戊糖途徑(Pentose phosphate pathway,PPP),三羧酸循環(huán)(Tricarboxylic acid cycle,TCA)3條主要的呼吸途徑外,交替氧化酶(Alternative oxidase,AOX)途徑和細(xì)胞色素氧化酶(Cytochrome oxidase,COX)途徑也是植物呼吸代謝的2條重要途徑。前人研究表明,在適宜植物種子萌發(fā)溫度下,AOX和COX途徑均在種子萌發(fā)過(guò)程中發(fā)揮重要作用,水稻(Oryzasativa)種子剛長(zhǎng)出胚芽和胚根時(shí),COX的活性會(huì)達(dá)到高峰[16],甜菜(BetavulgarisL.)種子的吸脹萌發(fā)與COX的活性大小密切相關(guān)[17];也有研究認(rèn)為AOX途徑在鷹嘴豆(Cicerarietinum)、棉花(Gossypiumhirsutum)、大豆(Glycinemax)種子的萌發(fā)過(guò)程中起關(guān)鍵作用[18-20]。
然而,目前針對(duì)線粒體AOX和COX途徑在不同溫度下對(duì)種子萌發(fā)的作用的研究較少,而且溫度是否會(huì)影響AOX和COX途徑對(duì)種子萌發(fā)的作用尚不清楚。因此,本研究以‘甘農(nóng)5號(hào)’和‘新牧4號(hào)’紫花苜蓿為供試材料,分別采用水楊基氧羥肟酸(SHAM)、氰化鈉(NaCN)專一性抑制劑部分抑制AOX和COX途徑,探究了不同溫度下AOX和COX途徑對(duì)種子發(fā)芽速率和幼根生長(zhǎng)的影響。闡明這一問(wèn)題將豐富我們對(duì)種子萌發(fā)機(jī)制的理解,而且研究不同溫度下不同秋眠級(jí)紫花苜蓿種子萌發(fā)的生理機(jī)制,對(duì)苜蓿品種的引種選育具有較強(qiáng)的實(shí)際意義,對(duì)草地的建植以及維持草地生態(tài)功能有重要的理論意義。
本試驗(yàn)以‘甘農(nóng)5號(hào)’(GN5)和‘新牧4號(hào)’(XM4)紫花苜蓿為試驗(yàn)材料,其中XM4由新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院2018年收獲并提供,GN5由甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院2018年收獲并提供,且2種紫花苜蓿的發(fā)芽率均在95%以上,至2019年3月進(jìn)行試驗(yàn)前2種紫花苜蓿都存放于新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)牧草種子庫(kù)。
2種紫花苜蓿各選取50粒顆粒飽滿[21],大小均勻的種子,用75%的酒精消毒約30 s,然后用無(wú)菌蒸餾水沖洗3次后將種子整齊的置于直徑為90 mm鋪有雙層濾紙的培養(yǎng)皿中,每個(gè)培養(yǎng)皿中加入3 mL去離子水或者處理溶液,最后將培養(yǎng)皿置于光周期12 h·d-1,光照強(qiáng)度為50 μmol·m-2·s-1的恒溫培養(yǎng)箱中。
由于新疆位于我國(guó)西北內(nèi)陸(73°E~96°E,34°N~48°N),屬溫帶大陸性氣候,氣溫溫差大,歷史上夏季最高氣溫為41℃,春季最低氣溫為-28℃。因此在預(yù)試驗(yàn)中分別設(shè)置了5℃,15℃,25℃,35℃,40℃5個(gè)溫度梯度進(jìn)行了種子萌發(fā)的預(yù)試驗(yàn),并最終選取10℃,25℃,40℃進(jìn)行正式試驗(yàn),每個(gè)溫度下每個(gè)試劑處理設(shè)置3個(gè)重復(fù),共計(jì)63個(gè)培養(yǎng)皿。自種子置培養(yǎng)皿之時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí),每24 h觀察記錄種子的萌發(fā)情況,以胚根突破種皮露白作為萌發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)[22],持續(xù)觀察5 d,期間每48 h更換一次濾紙,并補(bǔ)充3 mL相應(yīng)的處理溶液,5 d后每個(gè)培養(yǎng)皿隨機(jī)選擇10株幼苗,用游標(biāo)卡尺測(cè)量其根長(zhǎng)。
本試驗(yàn)共設(shè)置7種不同的處理(詳見(jiàn)表1),其中SHAM不溶于水,需要乙醇助溶。
表1 7種不同的試劑處理對(duì)紫花苜蓿種子萌發(fā)和幼根生長(zhǎng)的影響Table 1 Effects of 7 different reagent treatments on seed germination and root growth of alfalfa
種子萌發(fā)指標(biāo)按如下計(jì)算公式。
(1)發(fā)芽率(%)=當(dāng)天發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%[25];
(2)發(fā)芽抑制率=(第n d CK下的發(fā)芽率-第n d處理組的發(fā)芽率)/第n d CK下的發(fā)芽率×100%,n=5[26];
(3)根長(zhǎng)抑制率=(第6 d CK的根長(zhǎng)—第6 d處理的根長(zhǎng))/第6 d CK的根長(zhǎng)×100%[27]。
采用Microsoft Excel 2003軟件整理數(shù)據(jù),SPSS 19.0軟件進(jìn)行單因素方差(ANOVA)統(tǒng)計(jì)分析,Duncan法多重比較,差異顯著性定義為P<0.05,采用軟件Sigmaplot 10.0進(jìn)行繪圖。
不同溫度處理下,2種紫花苜蓿的種子均在第3 d完全萌發(fā)。與25℃相比,40℃,10℃均顯著降低了種子第1 d和第2 d的發(fā)芽率(P<0.05),但對(duì)3 d之后的種子發(fā)芽率無(wú)顯著影響(圖1)。這表明非適宜溫度會(huì)降低紫花苜蓿種子的發(fā)芽速率,但對(duì)種子最終發(fā)芽率無(wú)明顯影響,且2種紫花苜蓿品種不同溫度下的發(fā)芽率結(jié)果基本相似。
圖1 10℃,25℃,40℃下紫花苜蓿種子發(fā)芽率的影響Fig.1 Effect of 10℃,25℃ or 40℃ on the germination rate of alfalfa seeds注:圖A為‘新牧4號(hào)’,圖B為‘甘農(nóng)5號(hào)’。不同小寫(xiě)字母表示不同溫度和不同萌發(fā)時(shí)間下紫花苜蓿發(fā)芽率差異顯著(P<0.05)Note:Fig.1A for ‘Xinmu No.4’;Fig. B for ‘Gannong No.5’. Different lowercase letters indicate significant differences in the germination rate of alfalfa under different temperatures and different germination times at the 0.05 level
由圖2可知,2種紫花苜蓿種子發(fā)芽的第1 d,25℃下NaCN和SHAM處理均顯著抑制了XM4和GN5種子的發(fā)芽率(圖2B)(P<0.05)。10℃下NaCN處理對(duì)2種紫花苜蓿種子的發(fā)芽率有著顯著地抑制作用(P<0.05),而SHAM處理對(duì)2種紫花苜蓿種子的發(fā)芽率影響不顯著(圖2A)。40℃下,NaCN和SHAM處理均抑制了2種紫花苜蓿種子的發(fā)芽率(圖2C)(P<0.05)。同一溫度下NaCN處理對(duì)2種紫花苜蓿種子發(fā)芽率的影響相似,而SHAM處理對(duì)2種紫花苜蓿種子發(fā)芽率的影響存在差異。
不同溫度下,種子發(fā)芽第5 d時(shí),NaCN處理對(duì)2種紫花苜蓿種子發(fā)芽的抑制作用消失,但40℃下SHAM處理仍顯著降低了2種紫花苜蓿種子的發(fā)芽率(圖2G,H,I)(P<0.05)。
圖2 10℃(A,D,G),25℃(B,E,H)或40℃(C,F(xiàn),I)下不同呼吸抑制劑處理對(duì)紫花苜蓿種子發(fā)芽率的影響Fig.2 Effect of different treatments on the germination rate of alfalfa seeds at 10℃(A,D,G),25℃(B,E,H)or 40℃(C,F,I)注:不同小寫(xiě)字母表示相同品種同一溫度不同呼吸抑制劑處理下差異顯著(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate significant differences under different respiration inhibitor treatments at the same temperature at the 0.05 level
綜上所述,AOX和COX途徑在苜蓿種子萌發(fā)尤其是萌發(fā)初期有重要作用,并且溫度會(huì)顯著影響AOX和COX途徑對(duì)種子萌發(fā)的作用。
為了更加清晰的對(duì)比AOX和COX途徑對(duì)紫花苜蓿種子發(fā)芽的影響,本文分析了SHAM和NaCN處理對(duì)紫花苜蓿種子萌發(fā)過(guò)程中每1 d發(fā)芽率的抑制比例,并將5 d的抑制比例累加(圖3),結(jié)果表明,25℃下SHAM和NaCN處理種子的發(fā)芽抑制率基本相似(圖3C,圖3D)。與25℃相比,10℃下NaCN處理種子的發(fā)芽抑制率明顯升高,但SHAM處理種子的發(fā)芽抑制率明顯降低(圖3A,圖3B)。與25℃相比,40℃處理小幅提高了NaCN處理種子的發(fā)芽抑制率,但是大幅提高了SHAM處理種子的發(fā)芽抑制率(圖3E,圖3F)(P<0.05)。這表明,25℃下AOX和COX途徑對(duì)紫花苜蓿種子發(fā)芽的作用大小相似,10℃下COX途徑對(duì)紫花苜蓿種子萌發(fā)的作用大,而40℃下AOX途徑對(duì)紫花苜蓿種子萌發(fā)的作用大;此外,不同溫度下SHAM和NaCN處理對(duì)2種苜蓿種子萌發(fā)的影響基本一致。
圖3 10℃(A,B),25℃(C,D),或40℃(E,F(xiàn))下不同呼吸抑制劑處理對(duì)紫花苜蓿種子發(fā)芽的抑制率Fig.3 Inhibition of different respiration inhibitor treatments on the germination of alfalfa seeds at 10℃(A,B),25℃(C,D),or 40℃(E,F(xiàn))注:圖A,C,E為‘新牧4號(hào)’,圖B,D,F(xiàn)為‘甘農(nóng)5號(hào)’。不同小寫(xiě)字母表示同一溫度不同處理下差異顯著(P<0.05),不同大寫(xiě)字母表示同一處理不同溫度下差異顯著(P<0.05)Note:Figure A,C,E for ‘Xinmu NO.4’,Figure:B,D,F for ’Gannong No.5’. Different lowercase letters indicate significant differences under different treatments of the same temperature at the 0.05 level,while different capital letters indicate significant differences under different temperatures of the same treatment at the 0.05 level
種子萌發(fā)后幼根快速生長(zhǎng)以吸收水分和養(yǎng)分。在紫花苜蓿生長(zhǎng)的第6 d,測(cè)定2種紫花苜蓿的幼根長(zhǎng)。25℃下紫花苜蓿的幼根最長(zhǎng),10℃和40℃均明顯降低了紫花苜蓿的幼根長(zhǎng)(圖4)(P<0.05),且2種紫花苜蓿間無(wú)明顯差異。這說(shuō)明溫度低于或高于適宜的發(fā)芽溫度都會(huì)對(duì)種子的幼根生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用。
圖4 10℃,25℃,40℃下用去離子水培養(yǎng)第6 d的紫花苜蓿種子幼根長(zhǎng)Fig.4 Length of Roots of alfalfa cultivars seedlings was culture in deionized water at 10℃,25℃ and 40℃ for the 6th day注:不同小寫(xiě)字母表示不同紫花苜蓿在不同溫度下培養(yǎng)第6 d的幼根長(zhǎng)差異顯著(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate that the root lengths of different alfalfa are significantly different on the 6th day of cultivation at different temperatures at the 0.05 level
在25℃處理下,SHAM和NaCN處理均顯著降低了2種苜蓿的幼根長(zhǎng)(圖5B)(P<0.05);10℃下SHAM處理對(duì)2種苜蓿的幼根長(zhǎng)度均有明顯的抑制作用,NaCN處理對(duì)XM4的幼根長(zhǎng)有顯著抑制作用(P<0.05),但對(duì)GN5幼根長(zhǎng)的影響并不顯著(圖5A);40℃下SHAM處理明顯縮短了2種紫花苜蓿的幼根長(zhǎng),2 mmol·L-1的NaCN處理均顯著降低了2種紫花苜蓿的幼根長(zhǎng)(圖5C)(P<0.05),1 mmol·L-1的NaCN處理對(duì)2種紫花苜蓿的抑制作用不明顯。
圖5 10℃(A),25℃(B)或40℃(C)下不同試劑處理對(duì)紫花苜蓿第6 d幼根長(zhǎng)的影響Fig.5 Effects of different reagent treatments at 10℃(A),25℃(B) or 40℃(C) on the 6th day root length of alfalfa注:不同小寫(xiě)字母表示同一溫度下不同處理間差異顯著(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate significant differences under different treatments of the same temperature at the 0.05 level
為了精確比較2種試劑對(duì)幼根生長(zhǎng)的影響,本文分析了相對(duì)于對(duì)照組,SHAM和NaCN處理對(duì)紫花苜蓿幼根長(zhǎng)的抑制比例。結(jié)果表明,在XM4中,與25℃相比,40℃和10℃均明顯加重了SHAM對(duì)幼根長(zhǎng)的抑制(圖6A)(P<0.05)。在GN5中,SHAM處理對(duì)幼根的抑制程度在不同溫度下類似;NaCN處理對(duì)幼根長(zhǎng)的抑制程度在不同溫度處理下無(wú)顯著性差異(圖6B)。另外,在不同溫度處理下,2種紫花苜蓿中SHAM處理導(dǎo)致的幼根長(zhǎng)的受抑程度均大于NaCN處理。
圖6 10℃,25℃,或40℃下培養(yǎng)第6 d的紫花苜蓿幼苗的根長(zhǎng)抑制率Fig.6 Inhibition rate of different reagent treatments on the 6th day root length of alfalfa at 10℃(A),25℃(B),and 40℃(C)注:圖A為新牧4號(hào),圖B為甘農(nóng)5號(hào)。不同小寫(xiě)字母表示同一溫度不同處理下差異顯著;不同大寫(xiě)字母表示同一處理不同溫度下差異顯著(P<0.05)Note:Figure A for Xinmu No.4,Figure B for Gannong No.5.Different lowercase letters indicate significant differences under different treatments of the same temperature at the 0.05 level,while different capital letters indicate significant differences under the different temperatures of the same treatment at the 0.05 level
種子萌發(fā)是植物生長(zhǎng)的第一步,種子萌發(fā)從干種子開(kāi)始吸水膨脹到胚軸突破種皮長(zhǎng)成幼苗都離不開(kāi)植物線粒體的呼吸作用[28]為其提供ATP。植物呼吸有2條重要的電子傳遞鏈,其中COX途徑是植物呼吸電子傳遞的主鏈,為細(xì)胞新陳代謝提供能量[29]。而植物特有的AOX途徑,在生物脅迫和非生物脅迫中發(fā)揮重要作用[30]。因此,文中利用呼吸途徑專一性抑制劑SHAM,NaCN(所選抑制劑濃度可有效抑制AOX,COX途徑且不會(huì)直接影響植物的其他代謝路徑[31-32])對(duì)紫花苜蓿的AOX,COX呼吸途徑進(jìn)行了部分的抑制,結(jié)果表明NaCN和SHAM均明顯降低了2種紫花苜蓿種子的發(fā)芽速率,這表明AOX和COX途徑均在紫花苜蓿種子萌發(fā)中發(fā)揮重要作用,這與前人研究結(jié)果一致[2,33]。
溫度是影響種子萌發(fā)的重要因素之一,不適的溫度常常會(huì)影響種子萌發(fā)過(guò)程中水解酶性質(zhì)、膜結(jié)合蛋白的活力及膜透性等,進(jìn)而影響種子的發(fā)芽速率和胚根、胚芽的生長(zhǎng)。本研究以及呂朝燕等[34]的研究都表明萌發(fā)溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)降低種子的萌發(fā)活性,影響種子萌發(fā)進(jìn)程。前人研究發(fā)現(xiàn)溫度會(huì)影響呼吸代謝過(guò)程中AOX和COX這2條呼吸途徑,從而影響呼吸代謝,進(jìn)而影響種子萌發(fā)過(guò)程[35],在本研究中發(fā)現(xiàn)不同溫度下,2條呼吸途徑對(duì)溫度的響應(yīng)不同,低溫下AOX途徑比COX途徑對(duì)紫花苜蓿種子萌發(fā)的貢獻(xiàn)小,40℃下則相反。這是因?yàn)榉N子萌發(fā)需要大量的ATP維持復(fù)雜的生化代謝[36],而低溫脅迫下,EMP和TCA循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)較慢[37],產(chǎn)生的還原力較少,因此進(jìn)入呼吸電子傳遞鏈的電子相對(duì)不足。此時(shí),高效利用還原力產(chǎn)生盡可能多的ATP是種子萌發(fā)面臨的最大挑戰(zhàn),因此在低溫下抑制COX途徑對(duì)種子的萌發(fā)速率影響較大。此外,低溫脅迫下AOX途徑對(duì)種子萌發(fā)的貢獻(xiàn)小于COX途徑,有可能是因?yàn)榈蜏孛{迫下AOX的活性降低,增強(qiáng)了線粒體應(yīng)激信號(hào)通路,激發(fā)了抗氧化系統(tǒng)的表達(dá)[38],從而維持了低溫下細(xì)胞內(nèi)COX途徑功能的正常運(yùn)行。與低溫相反,高溫會(huì)促進(jìn)EMP途徑和TCA循環(huán)的運(yùn)轉(zhuǎn)[39],從而產(chǎn)生較多的ATP用于種子的萌發(fā),此時(shí)COX途徑合成ATP就不再是種子萌發(fā)的限制因素。但是高溫會(huì)顯著影響酶活以及蛋白復(fù)合體的活性,導(dǎo)致呼吸電子傳遞過(guò)程中發(fā)生電子滲漏,產(chǎn)生大量的ROS,從而造成氧化脅迫[40]。高溫脅迫下,AOX的活性顯著增加,能夠有效的減少ROS的積累[41],從而減輕高溫對(duì)種子萌發(fā)的傷害,因此,與COX途徑相比,高溫脅迫下AOX途徑對(duì)種子發(fā)芽速度的貢獻(xiàn)更高,有效的增加了苜蓿種子發(fā)芽的耐熱性。
種子萌發(fā)慢意味著幼苗根生長(zhǎng)的時(shí)間短,因此我們預(yù)測(cè)溫度和抑制劑對(duì)幼根生長(zhǎng)與對(duì)種子萌發(fā)速度的影響類似。但本試驗(yàn)結(jié)果卻發(fā)現(xiàn),AOX和COX途徑在種子萌芽期和幼根生長(zhǎng)期的貢獻(xiàn)是不同的,具體表現(xiàn)為與抑制COX途徑相比,AOX途徑受抑制會(huì)明顯增加對(duì)幼根生長(zhǎng)的抑制作用。AOX途徑是非磷酸化途徑,可以快速消耗還原力,從而解除高NADH/NAD+比值對(duì)TCA循環(huán)的限制[42]。而COX途徑會(huì)受到ADP可用性和跨膜電動(dòng)勢(shì)的限制,其活性難以大幅提高[43]。因此AOX途徑比COX途徑能更有效的促進(jìn)TCA循環(huán)。TCA循環(huán)是脂肪酸和氨基酸代謝所需碳骨架的主要來(lái)源[44]。在幼根生長(zhǎng)階段,需要合成大量的脂肪酸(用于合成生物膜)以及蛋白質(zhì)。因此我們推測(cè)AOX途徑可以通過(guò)促進(jìn)TCA循環(huán)提供更多的碳骨架以促進(jìn)幼根的生長(zhǎng)。
高、低溫脅迫均會(huì)明顯減慢紫花苜蓿種子的發(fā)芽速率和幼根生長(zhǎng)。在萌芽期和幼根生長(zhǎng)期AOX和COX途徑都對(duì)種子萌發(fā)具有重要的作用,在種子萌發(fā)的初始階段,AOX途徑在高溫條件下的貢獻(xiàn)大,COX途徑在低溫條件下的貢獻(xiàn)大;在幼苗生長(zhǎng)階段,不同溫度下AOX途徑對(duì)幼根生長(zhǎng)的貢獻(xiàn)均大于COX途徑;此外,不同溫度對(duì)種子發(fā)芽的影響以及AOX和COX途徑對(duì)種子發(fā)芽的貢獻(xiàn)在2種紫花苜蓿間無(wú)明顯差異。