魏曉凱 景延秋 何佶弦 顧會(huì)戰(zhàn) 雷 強(qiáng) 俞世康 張啟莉 李俊舉
(1河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院,450002,河南鄭州;2四川省煙草公司廣元市公司,628017,四川廣元;3中國煙草總公司四川省公司,610041,四川成都)
近年來,隨著全球溫室氣體排放量的增加,干旱問題日趨嚴(yán)峻,全國范圍內(nèi)干旱和半干旱地區(qū)面積已達(dá)到我國國土面積的50%[1-2]。干旱脅迫已成為嚴(yán)重制約我國農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量的主要因素之一,其造成的損失相當(dāng)于其他所有非生物脅迫損失之和[3-4]。干旱脅迫時(shí),植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,光合器官受損,光合作用受到抑制,同時(shí)產(chǎn)生大量活性氧,進(jìn)而造成植物生長發(fā)育受阻[5-7]。烤煙是喜溫暖而濕潤的經(jīng)濟(jì)作物,對水分的反應(yīng)較為敏感,在整個(gè)生長發(fā)育過程中,充足的水分供應(yīng)在一定程度上決定其品質(zhì)[8-9]。因此,研究植物在干旱脅迫下的適應(yīng)性和保護(hù)機(jī)制,對于我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。
多胺是一種廣泛存在于植物體內(nèi)的脂肪族含氮堿,主要包括腐胺(Put)、精胺(Spm)和亞精胺(Spd)等,其在植物整個(gè)生長發(fā)育過程中起著重要的生理調(diào)節(jié)作用,其中Spd因其多聚陽離子特性,生理調(diào)節(jié)作用最為顯著,可作為脅迫信號直接參與植物的基因表達(dá)、蛋白質(zhì)修飾和激素調(diào)節(jié),進(jìn)而增強(qiáng)植物對逆境的緩解能力[10-14]。近年來,有研究[15]發(fā)現(xiàn),Spd對于降低植物多種非生物脅迫損害具有顯著的作用。已有研究[16-18]表明,外源Spd在活性氧的清除、促進(jìn)植物根系導(dǎo)水率與葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累、增強(qiáng)抗氧化酶活性和根系呼吸速率等方面有重要的作用。也有研究[19]發(fā)現(xiàn)在鹽堿脅迫下Spd浸泡過的苜蓿種子發(fā)芽率和生物量都顯著提高,同時(shí)鈉離子和丙二醛(MDA)毒害作用也顯著降低。李東等[3]研究了干旱脅迫下外源Spd對烤煙幼苗生長及生理特性的影響機(jī)理,發(fā)現(xiàn)噴施0.40mmol/L Spd對緩解烤煙幼苗干旱效果最佳,但是關(guān)于最佳濃度條件下噴施外源Spd對不同干旱脅迫程度烤煙幼苗影響的生理機(jī)理仍需深入研究。鑒于此,本研究以云煙87為供試品種,研究在不同干旱脅迫程度下,噴施最佳濃度外源Spd對烤煙幼苗的緩解效應(yīng),為探究外源Spd對提高烤煙抗旱性的生理機(jī)制提供理論依據(jù)。
供試烤煙品種為云煙87,由四川省煙草公司廣元市公司提供。外源Spd(純度為98%)購于山東福瑞達(dá)生物科技有限公司。
1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)于2021年3月在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)人工氣候室進(jìn)行,光照強(qiáng)度為4000Lx,晝溫為28℃±2℃,夜溫為20℃±2℃,光照周期為15h/d。選取大小均勻籽粒飽滿的種子進(jìn)行消毒浸種(用體積分?jǐn)?shù)10%的H2O2浸泡15min,再用自來水反復(fù)沖洗,然后浸泡8h),然后在盛有蛭石的育苗盤上進(jìn)行發(fā)芽。當(dāng)煙苗長至4片葉時(shí),選取形態(tài)和長勢一致的煙苗移栽于盛有Hoagland營養(yǎng)液、pH 5.7(±0.2)的1.5L黑色塑料盆中,每盆定植3株。
在Hoagland營養(yǎng)液中分別加入10%和20%的PEG-6000(天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司)模擬輕度干旱和重度干旱。設(shè)置6個(gè)處理,CK為噴施清水(不進(jìn)行干旱處理),T1為噴施0.40mmol/L Spd(不進(jìn)行干旱處理),T2為輕度干旱+噴施清水,T3為輕度干旱+噴施0.40mmol/L Spd,T4為重度干旱+噴施清水,T5為重度干旱+噴施0.40mmol/L Spd。每個(gè)處理20株,重復(fù)3次。每2d更換1次處理液,各個(gè)處理于每天17:00噴施1次,噴施量以烤煙葉片正反面均勻噴至形成細(xì)霧狀小液滴為準(zhǔn)。連續(xù)噴施3d后,在脅迫第6天時(shí),取從上向下第3片葉進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)測定。
1.2.2 測定項(xiàng)目及方法 各處理選取均勻一致的烤煙幼苗5株,按照YC/T 142-1998[20]測定煙株農(nóng)藝性狀。將煙株根、莖和葉在105℃殺青20min后,60℃烘干,測定各器官干物質(zhì)質(zhì)量。采用TTC法測定根系活力[21],采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法測定可溶性蛋白含量[22],采用水合茚三酮法測定脯氨酸含量[23]。采用北京索萊寶科技有限公司生產(chǎn)的檢測試劑盒測定MDA含量,超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)活性,采用蘇州科銘生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)的檢測試劑盒測定超氧陰離子(O-2·)產(chǎn)生速率。
使用便攜式光合測定儀(Li-6400,美國LICOR公司)于脅迫第6天9:00-11:00測定葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr),參照李合生[24]的方法測定葉綠素含量。
運(yùn)用SPSS 17.0以及Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)分析整理,采用最小顯著差異法比較不同處理在0.05水平上的差異顯著性。
由表1可知,直接噴施Spd(T1)時(shí)烤煙幼苗農(nóng)藝性狀和生物量與CK處理之間沒有顯著的差異。與CK處理相比,輕度干旱(T2)和重度干旱(T4)處理顯著抑制了烤煙幼苗的生長發(fā)育。T3處理烤煙幼苗的最大葉長、最大葉寬、最大葉面積、根干重、莖干重和葉干重顯著高于T2處理,分別增加了14.54%、10.18%、26.17%、50.00%、57.14%和35.71%。T5處理烤煙幼苗的最大葉寬和最大葉面積顯著高于T4處理,分別增加了3.73%和5.88%,但最大葉長、根干重、莖干重和葉干重與T4處理之間沒有顯著差異。說明葉面噴施Spd緩解輕度干旱的作用顯著,但對重度干旱則沒有明顯作用。
表1 外源Spd對干旱脅迫下烤煙幼苗葉片及生物量的影響Table 1 Effects of exogenous Spd on leaves and biomass of flue-cured tobacco seedlings under drought stress
由表2可知,與CK處理相比,T1處理葉片的Pn、Gs和葉綠素含量沒有顯著的變化,而Ci顯著降低,Tr顯著提高。與T2處理相比,T4處理葉片的Pn、Gs、Tr和葉綠素含量顯著降低,說明干旱脅迫下烤煙幼苗的光合色素合成受阻,抑制了光合效率。T3處理的Pn、Gs、Tr和葉綠素含量均顯著高于T2處理,分別提高了7.02%、8.89%、11.73%和35.80%,而Ci顯著降低了12.13%,T5處理的Pn、Gs、Ci和Tr與T4處理之間沒有顯著差異,而葉綠素含量顯著提高了8.33%。說明噴施Spd可以有效 提高輕度干旱脅迫下烤煙幼苗的光合特性和葉綠素含量,增強(qiáng)抗旱能力。
表2 外源Spd對干旱脅迫下烤煙幼苗光合特性和葉綠素含量的影響Table 2 Effects of exogenous Spd on photosynthetic characteristics and chlorophyll content of flue-cured tobacco seedlings under drought stress
圖1表明,與CK處理相比,T1處理烤煙幼苗根系活力沒有明顯的變化,而T2和T4處理烤煙幼苗的根系活力顯著降低。與T2處理相比,T3處理的烤煙根系活力顯著提高了33.26%。與T4處理相比,T5處理的烤煙根系活力顯著提高34.71%。說明外源Spd對于提高正常生長烤煙幼苗的根系活力沒有顯著作用,但對于提高干旱脅迫下的烤煙幼苗根系活力作用顯著。
圖1 外源Spd對干旱脅迫下烤煙幼苗根系活力的影響Fig.1 Effects of exogenous Spd on root activity of flue-cured tobacco seedlings under drought stress
滲透調(diào)節(jié)作用是植物適應(yīng)逆境環(huán)境的重要生理機(jī)制,對于緩解植物逆境脅迫有重要的作用。由圖2可知,與CK處理相比,T1處理烤煙幼苗的可溶性蛋白和脯氨酸含量沒有顯著的變化,說明烤煙正常生長時(shí),葉面噴施Spd對提高幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量沒有明顯作用。與T2處理相比,T4處理可溶性蛋白和脯氨酸含量顯著積累,說明干旱脅迫可促進(jìn)烤煙幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的增加。T3和T5處理可溶性蛋白含量分別比T2和T4處理顯著提高了68.25%和28.95%,脯氨酸含量分別比T2和T4處理顯著提高32.33%和22.50%。說明烤煙幼苗在干旱時(shí),可以通過葉面噴施外源Spd來提高幼苗內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量。
圖2 外源Spd對干旱脅迫下烤煙幼苗可溶性蛋白和脯氨酸含量的影響Fig.2 Effects of exogenous Spd on contents of soluble protein and proline of flue-cured tobacco seedlings under drought stress
由圖3可知,干旱脅迫時(shí),烤煙幼苗的MDA含量和O-2·產(chǎn)生速率均顯著高于CK處理,與CK處理相比,T2處理分別提高了51.35%、82.95%,T4處理分別提高了73.94%、146.12%。而噴施外源Spd(T3、T5)則顯著降低了MDA含量和O-2·產(chǎn)生速率,與T2處理相比,T3處理MDA含量和O-2·產(chǎn)生速率分別降低了23.88%和27.19%,與T4處理相比,T5處理的MDA含量和O-2·產(chǎn)生速率分別降低了14.81%和29.50%。說明干旱脅迫時(shí),外源噴施Spd可顯著降低烤煙幼苗活性氧和過氧化物含量,緩解膜質(zhì)過氧化傷害,提高煙株的抗旱能力。
圖3 外源Spd對干旱脅迫下烤煙幼苗MDA含量和O-2·產(chǎn)生速率的影響Fig.3 Effects of exogenous Spd on MDA content and O-2·production rate of flue-cured tobacco seedlings under drought stress
圖4 表明,與CK處理相比,干旱脅迫(T2、T4)時(shí)烤煙幼苗葉片抗氧化酶SOD和CAT的活性顯著提高,說明干旱脅迫促使了烤煙幼苗葉片抗氧化酶活性的提高。T3處理時(shí)烤煙幼苗葉片的SOD、POD和CAT活性比T2處理分別提高了26.36%、30.48%和34.88%。T5處理時(shí)烤煙幼苗葉片的SOD、POD和CAT活性比T4處理分別顯著提高了7.25%、22.61%和9.32%。說明噴施Spd可以通過提高烤煙幼苗抗氧化酶活性來增強(qiáng)抗旱能力,尤其對輕度干旱作用最為顯著。
圖4 外源Spd對干旱脅迫下烤煙幼苗SOD、POD和CAT活性的影響Fig.4 Effects of exogenous Spd on SOD,POD,and CAT activities of flue-cured tobacco seedlings under drought stress
植物干物質(zhì)的營養(yǎng)積累反映了其生長發(fā)育狀況,是植株對逆境響應(yīng)的直接體現(xiàn),而根系活力反映了植物的新陳代謝能力,其活性的高低影響著植物對水分的利用能力[25-26]。李麗杰[16]研究發(fā)現(xiàn),外源Spd能夠促使干旱脅迫下玉米幼苗根系生長,提高根系活力,進(jìn)而促進(jìn)幼苗對水分的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)效率。本研究表明,干旱脅迫下烤煙幼苗根、莖和葉的干物質(zhì)積累量以及根系活力均顯著降低,說明干旱脅迫顯著抑制了烤煙幼苗根系對水分的吸收。噴施外源Spd有效緩解了輕度干旱脅迫對烤煙幼苗的損害,顯著提高了根系活力、最大葉長、最大葉寬、最大葉面積以及根、莖和葉的生物量。說明輕度干旱脅迫時(shí),外源Spd可作為生長調(diào)節(jié)劑促進(jìn)烤煙幼苗的發(fā)育和干物質(zhì)的積累,提高根系活力,增強(qiáng)其保水能力,進(jìn)而緩解輕度干旱脅迫對烤煙幼苗的傷害,這與冀保毅等[27]的研究結(jié)果一致。
光合作用作為植物有機(jī)物合成的主要方式,直接反映植物生理代謝的持續(xù)能力[28]。葉綠素作為植物主要的光合色素和功能物質(zhì),擔(dān)負(fù)著對光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換,其含量體現(xiàn)了植物的光合能力[29-30]。干旱脅迫時(shí),植物通過收縮或關(guān)閉氣孔減少蒸騰作用,降低水分散失,但同時(shí)也抑制了CO2進(jìn)出細(xì)胞的通道,光合速率減弱,進(jìn)而阻礙植物的生長發(fā)育[31]。本試驗(yàn)研究表明,干旱脅迫顯著降低了烤煙幼苗的Pn、Gs、Tr和葉綠素含量,而Ci升高,這是因?yàn)楦珊得{迫使植物失水速率增加,引起氣孔關(guān)閉,Tr降低,又因?yàn)榧?xì)胞失水破壞了葉綠體結(jié)構(gòu),葉綠素含量減少,造成光合速率減弱。另有研究[32]發(fā)現(xiàn),外源Spd能有效緩解干旱脅迫時(shí)葉片氣孔的閉合程度,促進(jìn)植物對CO2的吸收,從而提高光合能力。本研究也表明,外源Spd能夠顯著提高輕度干旱脅迫下烤煙幼苗的光合能力,這可能是因?yàn)镾pd能夠控制植物光合色素的降解,保護(hù)了光反應(yīng)系統(tǒng),從而提高了輕度干旱脅迫下烤煙幼苗的光合能力[19,33]。
滲透調(diào)節(jié)是植物應(yīng)對逆境環(huán)境的一種適應(yīng)性反應(yīng),滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)越多,則抗逆性越強(qiáng)[3,34-35]。脯氨酸和可溶性蛋白作為植物體內(nèi)主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),可以有效清除植物體內(nèi)的活性氧自由基,提高其抗氧化能力,從而提高抗逆性[36-37]。本研究表明,干旱脅迫時(shí),烤煙幼苗可溶性蛋白和脯氨酸含量顯著高于CK處理,但以輕度干旱含量最高,說明干旱脅迫能促使烤煙幼苗積累更多的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來應(yīng)對逆境脅迫。已有研究[38]表明,干旱脅迫下外源Spd能夠提高植物體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量,從而削弱逆境環(huán)境造成的損害。本研究也發(fā)現(xiàn),干旱脅迫下噴施Spd仍能大幅增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量,說明外源Spd通過增加烤煙幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量使細(xì)胞維持較低的滲透勢,增強(qiáng)吸水能力,提高烤煙幼苗的抗逆性,這與韓忠明等[39]研究結(jié)果一致。
膜質(zhì)過氧化產(chǎn)物是反映植物抗逆能力的重要指標(biāo)[40]。植物在干旱脅迫時(shí),會(huì)引起細(xì)胞內(nèi)活性氧(ROS)產(chǎn)生和清除系統(tǒng)的失衡,引起并加劇膜質(zhì)過氧化反應(yīng)[41]。MDA作為膜質(zhì)過氧化的主要產(chǎn)物,會(huì)對植物細(xì)胞膜造成損傷,抑制植物的生長發(fā)育[42]。賀嘉豪等[43]研究發(fā)現(xiàn),干旱脅迫下烤煙幼苗的膜質(zhì)過氧化程度與O-2·產(chǎn)生速率呈正相關(guān)關(guān)系。在本研究中,干旱脅迫下烤煙幼苗抗氧化酶活性、MDA含量和O-2·產(chǎn)生速率均顯著增加,這可能是因?yàn)楦珊得{迫使烤煙幼苗產(chǎn)生了大量的ROS,加劇了膜質(zhì)過氧化反應(yīng)。已有研究[33]表明,外源Spd能夠顯著增加干旱脅迫下植物內(nèi)抗氧化酶活性,從而清除活性氧等造成的細(xì)胞傷害。本研究也發(fā)現(xiàn),外源Spd能夠顯著提高烤煙幼苗抗氧化酶活性,從而削弱O-2·產(chǎn)生速率和MDA含量。由此推測,外源Spd促進(jìn)抗氧化酶等相關(guān)基因的表達(dá),減少烤煙幼苗活性氧自由基的產(chǎn)生,從而緩解干旱脅迫對烤煙幼苗生長的抑制作用[3]。
干旱脅迫下烤煙幼苗的生長發(fā)育受到抑制,而葉面噴施Spd可提高抗氧化酶活性,增強(qiáng)幼苗的滲透調(diào)節(jié)能力,降低MDA含量和O-2·產(chǎn)生速率,可有效緩解光合系統(tǒng)的損害,促進(jìn)烤煙幼苗的抗旱能力,尤以輕度干旱最為顯著。