滕元旭,駱 霞,張雪蒙,崔輝梅

(1.石河子大學農(nóng)學院,新疆 石河子 832003; 2．特色果蔬栽培生理與種質(zhì)資源利用兵團重點實驗室,新疆 石河子 832003)

【研究意義】新疆是世界三大加工番茄產(chǎn)區(qū)之一[1],近年來隨著膜下滴灌技術(shù)的推廣和不斷的淺層灌溉,土壤正處于較嚴重的積鹽狀態(tài),目前土壤鹽漬化已成為制約加工番茄生長發(fā)育的重要非生物因素[2],CO作為三大氣體信號分子之一,在植物細胞中具有調(diào)節(jié)植物生理變化的特性[3]。同為氣體信號分子的H2S[4-5]、NO[6]被證明可以有效緩解鹽脅迫。因此,探究適宜濃度CO對鹽脅迫的緩解效應和機理研究,對提高番茄耐鹽性具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】目前,多數(shù)研究認為鹽脅迫主要通過滲透脅迫[7]、氧化脅迫[8]、離子脅迫[9]來影響番茄的生長發(fā)育、根系形態(tài)構(gòu)建[10]、光合作用[11]和生理代謝等方面。近年來,通過外源物質(zhì)誘導提高植物抗逆性的研究已經(jīng)取得較大進展,王紅燕等[12]分析不同濃度NaHS處理對鹽脅迫下棉花的影響發(fā)現(xiàn),外源H2S可以顯著緩解鹽脅迫對棉花生長的抑制,增強光合性能,提高抗氧化能力,提高植物抗鹽性。朱營營等[13]研究發(fā)現(xiàn),外源NO同樣可以緩解鹽脅迫對花生生長的抑制,而周萬海等[14]對苜蓿根系的研究發(fā)現(xiàn)外源NO對改善鹽脅迫對苜蓿根系的生長抑制及氧化損傷起到一定作用。袁星星等[15]研究表明,CO可以有效緩解鹽脅迫對小麥幼苗的生長抑制。Verma等[16]研究發(fā)現(xiàn),CO可以通過增強抗氧化酶活性及脯氨酸含量來緩解鹽脅迫對油菜的傷害。李江等[17]研究發(fā)現(xiàn),外源CO可以顯著提高干旱脅迫下保護酶活性,降低膜脂過氧化程度。而Chen等[18]和Amooaghaie等[19]分別對CO處理下的鋅脅迫水稻和銀脅迫芥菜的研究發(fā)現(xiàn),CO處理可以降低重金屬離子在植物體內(nèi)的積累,降低重金屬離子對植物的傷害?！颈狙芯壳腥朦c】近年來,針對CO緩解非生物脅迫的研究已經(jīng)開展,但外源CO能否調(diào)控鹽脅迫下加工番茄幼苗根系形態(tài)構(gòu)建和抗氧化能力,增強抗鹽性目前鮮有報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以加工番茄為試驗材料,采用水培方式研究鹽脅迫下噴施不同濃度CO供體對加工番茄幼苗的影響,旨在探討鹽脅迫下加工番茄對外源CO的響應機制,為CO在提高番茄耐鹽性等領(lǐng)域提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試加工番茄為KT-32品系,高鐵血紅素(hemin)購自Sigma公司(美國)。

1.2 試驗設計

將供試種子在1%高錳酸鉀溶液中消毒10 min,用蒸餾水沖洗3次,播種于72 孔穴盤中,穴盤基質(zhì)為v(草炭)∶v(蛭石)=1∶1。加工番茄第1片真葉展平后,用1/2 Hoagland營養(yǎng)液培養(yǎng),待加工番茄4葉1心時移栽至水培槽(1X Hoagland營養(yǎng)液)中,緩苗3 d后進行處理。

試驗設置6個處理:正常處理(對照,CK)、NaCl(100 mmol/L NaCl)、H1(100 mmol/L NaCl+5 μmol/L hemin)、H2(100 mmol/L NaCl+10 μmol/L hemin)、H3(100 mmol/L NaCl+15 μmol/L hemin)、H4(100 mmol/L NaCl+25 μmol/L hemin)。每個處理重復5次,每個重復5株番茄。試驗處理液均用1×Hoagland營養(yǎng)液配置,并用氣泵向水培槽中通入空氣,試驗期間每天10:00左右向加工番茄幼苗噴施處理試劑,CK處理和NaCl處理噴施蒸餾水,各處理噴到葉片滴水為止。于處理后3、6、9 d測定相關(guān)參數(shù)。

1.3 測定方法

1.3.1 根系形態(tài) 將幼苗根系放置在掃描儀上,每根根系展開,避免重疊和交叉;采用根系掃描儀進行掃描,使用Win-RHIZO測定總根長(L)、根投影面積(PA)、根表面積(SA)、根體積(AD)、根系平均直徑(RV)等參數(shù)。

1.3.2 光合色素含量 參照王學奎[20]的方法測定光合色素含量(95%乙醇法)。測定665、649、470 nm處的分光光度值,其中葉綠素a含量Ca=13.95A665-6.88A649,葉綠素b含量Cb=24.96A649-7.32A665,葉綠素總量Ca+b=Ca+Cb,類胡蘿卜素含量Car=(1000A470-2.05Ca-114.8Cb)/245

1.3.3 葉片相對含水率 每個處理各取3片第4片葉片,稱取鮮重(Fw)后置于蒸餾水中浸泡2 h,濾紙吸干后,稱其飽水重(Tw),放入烘箱中105 ℃殺青15 min后,75 ℃烘干至恒重,稱干重(Dw)。計算相對含水率RWC=(Fw-Dw)/(Tw-Dw)。

1.3.4 抗氧化酶活性測定 稱取0.2 g加工番茄第4片葉的葉片,參照陳建勛等[21]的方法測定過氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)、過氧化氫酶(CAT)活性。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

運用Excel 2019對試驗數(shù)據(jù)進行整理,使用SPSS 19.0對各處理數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,對各處理進行單因素方差分析,使用Duncan法進行多重比較檢驗(P<0.05),使用Origin 2022進行數(shù)據(jù)圖繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源CO對鹽脅迫下加工番茄根系形態(tài)的影響

由表1可知,隨著鹽脅迫持續(xù),加工番茄KT-32幼苗的總根長、根投影面積、根表面積、平均根系直徑、總根體積的增長幅度均呈降低趨勢,外源施加CO供體的處理H1、H2、H3、H4在6和9 d時與NaCl處理相比均呈增長趨勢,當鹽脅迫持續(xù)到第9天,NaCl處理的總根長、根投影面積、根表面積、平均根系直徑、總根體積分別比CK降低24.12%、32.01%、32.01%、32.51%、42.04%,均呈顯著差異。H3處理相對NaCl處理緩解效果最為顯著,總根長、根投影面積、根表面積、平均根系直徑、總根體積分別增加24.22%、38.16%、38.16%、24.51%、53.97%,均呈顯著差異。

2.2 外源CO對鹽脅迫下加工番茄葉片葉綠素含量的影響

由圖1可知,隨著鹽脅迫時間延長,各處理葉片的葉綠素含量呈逐漸降低趨勢,但下降幅度存在差異。在3、6、9 d下鹽脅迫處理(NaCl)葉片的葉綠素含量均顯著低于同期對照(CK),各濃度CO供體處理(H1～H4)也不同程度高于同期單鹽處理(NaCl),隨著CO濃度的升高呈不斷升高后降低趨勢,在H3處理最高且與NaCl處理呈顯著差異。在處理第9天,加工番茄葉片中葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b含量在NaCl處理比CK顯著降低41.73%、42.90%、42.09%,在H3處理比NaCl處理顯著增加29.04%、34.73%、30.75%。而類胡蘿卜素含量變化(圖1-D)與葉綠素含量變化相似,且在處理第9天NaCl處理比CK顯著降低35.56%,而H3處理比NaCl處理顯著提高26.06%?？梢婝}脅迫會顯著降低加工番茄幼苗葉片中葉綠素含量和類胡蘿卜素含量,葉片噴施不同濃度的CO供體能顯著緩解葉綠素和類胡蘿卜素含量降低趨勢,并以H3處理效果最佳。

圖1 外源CO對鹽脅迫下加工番茄幼苗葉片葉綠素含量的影響Fig.1 Effects of exogenous CO on the chlorophyll content of processed tomato seedlings under salt stress

2.3 外源CO對鹽脅迫下加工番茄葉片活性氧代謝的影響

圖2 外源CO對鹽脅迫下加工番茄幼苗葉片產(chǎn)生速率和H2O2含量的影響Fig.2 Effects of exogenous CO on production rate and H2O2 content in leaves of processed tomato seedlings under salt stress

2.4 外源CO對鹽脅迫下加工番茄葉片保護酶活性的影響

由圖3可知,隨著鹽脅迫的延長,鹽處理下KT-32幼苗葉片的SOD和APX活性呈逐漸降低趨勢,在處理9 d時達到最低;而POD和CAT活性呈先降低再升高趨勢,處理6 d達到最低,且各鹽處理下SOD、POD、CAT、APX活性與對照相比均顯著提高。隨著CO供體濃度升高,葉片中POD酶活性在3、6、9 d呈先升高后降低趨勢,CAT酶在3、6、9 d呈不斷降低趨勢,SOD、APX酶活性在3、6、9 d呈先降低后升高趨勢,且噴施CO供體的處理顯著高于同期NaCl處理。在處理9 d時,與NaCl處理相比,H3處理SOD、POD、APX活性分別顯著提高36.19%、97.23%和135.35%,CAT活性顯著降低55.54%。

圖3 外源CO對鹽脅迫下加工番茄幼苗葉片保護酶活性的影響Fig.3 Effects of exogenous CO on the activity of protective enzymes in leaves of processed tomato seedlings under salt stress

由此可見,外源CO可有效提高鹽脅迫下加工番茄幼苗葉片中4種抗氧化酶活性,且多以H3處理效果最佳。

2.5 外源CO對鹽脅迫下加工番茄葉片滲透性調(diào)節(jié)的影響

由圖4-A可知,隨著鹽脅迫延長,加工番茄幼苗葉片中脯氨酸含量呈先升高后降低趨勢,在處理第6天達到峰值,在6 d時各CO處理均高于同期NaCl處理;可溶性糖含量變化(圖4-B)隨時間延長呈先升高后降低趨勢,各鹽脅迫處理均高于同期對照。隨著CO供體濃度升高,第3、6天時葉片中脯氨酸含量和可溶性糖含量均呈增加趨勢。處理第6天時,H3處理的脯氨酸、可溶性糖含量達到最高,與NaCl相比,分別增加40.68%和55.20%。而可溶性蛋白含量(圖4-C)隨著時間延長呈逐漸降低趨勢,各鹽脅迫處理均低于同期對照。隨著CO供體的濃度增加呈先增加后降低趨勢;相對含水率(圖4-D)的變化趨勢與可溶性蛋白含量趨勢一致,處理第9天時H3效果最佳,與NaCl處理相比分別增加117.34%和13.43%。由此可見,鹽脅迫顯著提高了葉片中可溶性糖和脯氨酸含量,顯著降低了可溶性蛋白含量和相對含水率,葉面噴施CO供體可調(diào)節(jié)葉片中滲透性調(diào)節(jié)物質(zhì)含量,增加葉片相對含水率,并以H3處理效果最佳。

2.6 外源CO對鹽脅迫下加工番茄葉片相對電導率及MDA含量的影響

由圖5可知,隨著鹽脅迫延長,加工番茄幼苗葉片中相對電導率(REC)和丙二醛(MDA)含量均呈逐漸上升趨勢,相對電導率(REC)在處理第9天達到峰值,在處理第9天時各CO處理均低于同期NaClP處理,其中以H3處理緩解效果最佳,與NaCl處理相比顯著降低19.35%;丙二醛(MDA)含量在處理第6天達到最高,在第6天時各CO處理均低于同期NaCl處理,其中以H3處理緩解效果最佳,與NaCl處理相比顯著降低61.95%。說明外源CO處理能有效緩解鹽脅迫下加工番茄幼苗葉片細胞膜透性提高,其中以H3處理效果最佳。

2.7 外源CO對鹽脅迫下加工番茄幼苗根系形態(tài)及生理效應的綜合性評價

表2 不同處理下加工番茄幼苗各指標相關(guān)性分析

表3 主成分分析方差解釋

2.7.3 綜合得分排名 對上述的4個主成分代表指標進行總得分排名,F1、F2、F3、F4分別代表第一、第二、第三、第四主成分。綜合得分(F)為每個主成分得分與對應貢獻率的乘積之和,即F=F1×36.883%+F2×32.724%+F3×14.838%+F4×7.125%。由表4可知,KT-32在各處理下綜合得分分別為2.87、-3.95、-1.33、0.01、2.25、0.69,因此不同處理對KT-32幼苗的效應從大到小依次為:CK、H3、H4、H2、H1、NaCl。

表4 KT-32幼苗在不同處理下的綜合得分排名

3 討 論

鹽脅迫下番茄幼苗生長會發(fā)生一系列形態(tài)和生理變化,植物主要依靠根系從土壤中吸收水分和營養(yǎng),供給植物生長發(fā)育、新陳代謝等生理活動所需[23]。鹽脅迫會抑制根系發(fā)育和伸長,使根長和根體積下降[24],程貝等[10]研究發(fā)現(xiàn),0.2%、0.3%鹽濃度脅迫會使番茄根系生長受到抑制。本研究發(fā)現(xiàn),100 mmol/L NaCl脅迫對加工番茄幼苗根系生長具有很強的抑制作用,主要表現(xiàn)在根系長度、體積、表面積和直徑上,而外源施加CO供體會緩解對根系生長的抑制作用。這與方濤等[25]試驗結(jié)果類似。

植物生長發(fā)育所需的能量來源于光合色素捕獲的光能,而葉片中光合色素的含量在很大程度上反映出植物的光合能力[26],當植物受到鹽脅迫時葉片中的葉綠素會出現(xiàn)降解[27]。本研究表明,鹽脅迫使加工番茄葉片中Chla、Chlb、Chla+b含量隨時間延長不斷降低,此觀點與孫德智等[28]研究一致。本研究發(fā)現(xiàn),施加外源CO后,鹽脅迫對加工番茄葉片葉綠素含降解出現(xiàn)明顯緩解,但并不能停止葉綠素的降解,同時類胡蘿卜素含量的升高可以提高植物的抗氧化能力[28]。CO可能通過提高葉片光合色素含量,緩解NaCl脅迫,提高加工番茄葉片的光合能力。

葉片相對含水率可反映植物水分狀況,可以直接反映植物水分虧缺程度[29],游離脯氨酸是細胞質(zhì)內(nèi)重要的滲透性調(diào)節(jié)物質(zhì),可溶性蛋白具有較強的吸水性[30],而可溶性糖可以緩解逆境對膜系統(tǒng)的傷害[31],三者均可以作為滲透性調(diào)節(jié)物質(zhì)緩解鹽脅迫對加工番茄的影響。本研究表明,鹽脅迫會降低植物葉片的相對含水率和可溶性蛋白含量,并伴隨著脯氨酸和可溶性糖含量的提高,而施加外源CO后,加工番茄葉片含水率下降有所緩解,并逐漸趨近于正常水平,可溶性糖和脯氨酸含量進一步提高。本研究發(fā)現(xiàn),CO可能通過提高滲透性調(diào)節(jié)物質(zhì)含量,提高葉片中的水分,緩解鹽脅迫。此觀點與Zhang等[32]研究結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

外源CO對鹽脅迫下KT-32幼苗的影響是多個生理活動相互影響的結(jié)果,本試驗對21個相關(guān)指標進行測定并進行相關(guān)性及主成分分析,通過綜合得分排名得出不同濃度外源CO對鹽脅迫下加工番茄葉片緩解作用依次為:H3>H4>H2>H1。因此外源CO通過提高鹽脅迫下加工番茄幼苗的抗氧化酶活性和滲透性調(diào)節(jié)物質(zhì),降低膜脂過氧化程度提高植株光合色素含量,維持抗氧化酶系統(tǒng)與膜內(nèi)外環(huán)境的相對穩(wěn)定,進而清除過量的活性氧,抑制鹽脅迫對植株的傷害,并具有濃度效應,以15 μmol/L緩解效果最佳。