作物杂志, 2019, 35(6): 195-202 doi: 10.16035/j.issn.1001-7283.2019.06.031

种子科技

褪黑素浸种对盐碱胁迫下大豆种子萌发的影响

王明瑶, 曹亮, 于奇, 邹京南, 何松榆, 秦彬, 王孟雪, 张玉先

黑龙江八一农垦大学农学院,163319,黑龙江大庆

Effects of Melatonin Soaking on Germination of Soybean Seeds under Saline-Alkali Stress

Wang Mingyao, Cao Liang, Yu Qi, Zou Jingnan, He Songyu, Qin Bin, Wang Mengxue, Zhang Yuxian

College of Agronomy, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, Heilongjiang, China

通讯作者: 张玉先,教授,主要从事大豆逆境栽培生理和轮作体系研究

收稿日期: 2019-06-24   修回日期: 2019-10-16   网络出版日期: 2019-12-15

基金资助: 国家重点研发计划(2018YFD1000905)
国家现代农业产业技术体系(CARS-04-01A)
黑龙江八一农垦大学科研启动计划(XDB-2017-03)

Received: 2019-06-24   Revised: 2019-10-16   Online: 2019-12-15

作者简介 About authors

王明瑶,硕士,主要从事大豆逆境栽培生理研究 。

摘要

为研究褪黑素浸种对盐碱胁迫下大豆种子萌发的影响,以大豆品种垦丰16为试验材料,研究100µmol/L褪黑素浸种对不同浓度混合盐碱(NaCl和NaHCO3物质的量按1:1混合,配制为0、25、50、100、200mmol/L的盐碱溶液)胁迫下大豆种子萌发的影响。结果表明:与对照相比,随盐碱浓度提升,大豆种子发芽率、发芽指数、芽鲜重和芽干重呈不断降低趋势,超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽还原酶和谷胱甘肽过氧化物酶活性呈现先升高后降低的趋势,抗坏血酸过氧化物酶活性呈不断上升趋势;渗透调节物质可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量呈现先升高后降低的趋势;膜脂过氧化产物丙二醛、H2O2含量、$\mathop{{O}}_{2}^{{\mathop{}_{\ .}^{-}}}$产生速率呈不断上升趋势。褪黑素浸种可提高不同浓度盐碱胁迫下大豆种子发芽率、发芽指数、芽鲜重、芽干重和抗氧化酶活性以及渗透调节物质含量,降低丙二醛、H2O2含量和$\mathop{{O}}_{2}^{{\mathop{}_{\ .}^{-}}}$产生速率。综上所述,褪黑素浸种可以缓解不同浓度盐碱胁迫对大豆种子发芽的抑制作用,并能提高抗氧化酶活性和渗透调节物质含量,降低膜脂过氧化程度。

关键词: 盐碱胁迫 ; 大豆 ; 褪黑素 ; 种子萌发

Abstract

In order to study the effects of melatonin soaking on the germination of soybean seeds under salt-alkali stress, the soybean variety Kenfeng 16 was used as experimental material to study the effects of 100µmol/L melatonin soaked on the seeds germination of soybean under different concentrations of mixed saline-alkali stress. The results showed that compared with the control, with the increase of concentration, the saline-alkali stress continuously reduced the germination rate, germination index, bud fresh weight and dry weight of soybean seeds, and the antioxidant enzymes superoxide dismutase, peroxidase, catalase, glutathione reductase, glutathione peroxidase activities rised first and then decreased. The activity of APX increased continuously. The content of soluble sugar, soluble protein and proline osmotic adjustment substances increased first and then decreased. The content of membrane lipid peroxidation products malonaldehyde (MDA), H2O2, and $\mathop{{O}}_{2}^{{\mathop{}_{\ .}^{-}}}$ rate of production was on the rise. Melatonin soaking could increase the germination rate, germination index, bud fresh weight, bud dry weight and antioxidant enzymes activity, as well as the content of osmotic adjustment substances, and decrease the content of MDA, H2O2 and $\mathop{{O}}_{2}^{{\mathop{}_{\ .}^{-}}}$ production rate under different concentrations of saline-alkali stress. In summary, melatonin soaking can alleviate the inhibition of soybean seed germination under different concentrations of saline-alkali stress, and can increase the activity of antioxidant enzymes and osmotic adjustment substances, and reduce the degree of lipid peroxidation on membrane.

Keywords: Saline-alkali stress ; Soybean ; Melatonin ; Seed germination

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本文引用格式

王明瑶, 曹亮, 于奇, 邹京南, 何松榆, 秦彬, 王孟雪, 张玉先. 褪黑素浸种对盐碱胁迫下大豆种子萌发的影响[J]. 作物杂志, 2019, 35(6): 195-202 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2019.06.031

Wang Mingyao, Cao Liang, Yu Qi, Zou Jingnan, He Songyu, Qin Bin, Wang Mengxue, Zhang Yuxian. Effects of Melatonin Soaking on Germination of Soybean Seeds under Saline-Alkali Stress[J]. Crops, 2019, 35(6): 195-202 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2019.06.031

土壤盐碱化是制约我国甚至世界农业发展的主要因素之一,盐碱土面积呈逐年增加趋势,且大部分未开发利用[1]。大豆是我国重要的粮食作物和油料作物[2]。盐碱胁迫会显著抑制大豆种子萌发,降低胚芽含水量,活性氧过度积累导致膜脂过氧化程度加重,破坏生理代谢平衡[3]。虽然种子自身有一套缓解逆境胁迫的机制,但这并不能完全缓解逆境对其萌发的抑制[4]。采取措施提高大豆种子萌发期对盐碱的耐受性,为利用盐碱地种植大豆提供理论基础。

应用植物生长调节剂进行浸种处理能有效提高盐胁迫下小麦种子的发芽率[5]。褪黑素(N-乙酰-5-甲氧基色胺)是一类重要的吲哚类化合物,目前广泛用于提高植物抗逆性[6,7]。褪黑素作为一种抗氧化剂,能通过提高非生物胁迫下抗氧化酶活性和抗氧化剂含量清除过量活性氧自由基。例如:外源褪黑素可提高镉胁迫下水稻种子的抗氧化酶活性,清除过量活性氧自由基来保护细胞免受氧化损伤[8];还可以增强黄瓜对低温与盐胁迫的耐受性[9,10];提高盐胁迫下玉米和狼尾草种子的抗氧化酶活性[11,12]等。

虽然褪黑素对盐胁迫下种子萌发研究较多,但多集中在单盐胁迫,而实际生产中往往盐胁迫伴随着碱胁迫,关于褪黑素对盐碱胁迫下大豆种子萌发的影响鲜有报道。本试验通过研究褪黑素对大豆种子在不同盐碱浓度条件下萌发形态和相关生理指标的影响,为进一步探讨利用盐碱地进行大豆生产提供一定理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2018年6-8月在黑龙江八一农垦大学国家杂粮工程技术研究中心实验室进行,以大豆品种垦丰16为材料,选取均匀饱满、大小一致的大豆种子用5%次氯酸钠浸泡消毒10min,蒸馏水反复冲洗3~5遍直至洗净,放置阴凉通风处阴干至种子10%含水量。褪黑素由国家杂粮工程技术研究中心提供,本研究前期试验筛选的适宜褪黑素溶液使用浓度为100μmol/L。

1.2 试验设计

将种子均分为2份,分别于100μmol/L褪黑素溶液和蒸馏水中浸泡8h,然后取出晾干,其中用蒸馏水浸泡的种子记为CK,用褪黑素浸泡的种子记为MCK。配制NaCl、NaHCO3物质的量比为1:1的混合盐碱溶液,分别设置0、25、50、100和200mmol/L 5个浓度,用不同浓度的盐碱溶液分别处理CK和MCK。每个铺有滤纸直径为9cm的培养皿中放9粒种子,分别一次性加入6mL不同浓度盐碱溶液,共计10组处理,分别为CK0(0mmol/L盐碱溶液胁迫CK)、CK25(25mmol/L盐碱溶液胁迫CK)、CK50(50mmol/L盐碱溶液胁迫CK)、CK100(100mmol/L盐碱溶液胁迫CK)、CK200(200mmol/L盐碱溶液胁迫CK);MCK0(0mmol/L盐碱溶液胁迫MCK)、MCK25(25mmol/L盐碱溶液胁迫MCK)、MCK50(50mmol/L盐碱溶液胁迫MCK)、MCK100(100mmol/L盐碱溶液胁迫MCK)、MCK200(200mmol/L盐碱溶液胁迫MCK)。每个处理重复3次,之后每天采用称重法对不同处理补充水分,以保持培养皿内盐碱浓度不变。放置于人工气候箱中进行种子萌发培养,昼/夜温度为25℃/20℃,时间为14h/10h,光照强度为6 000Lx,相对湿度75%。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 萌发指标测定 处理第2天开始统计种子发芽数(以胚根突破种皮达到种子长度的1/2为发芽),共统计7d的萌发数据,计算发芽率、发芽指数、相对盐害率。种子萌发第7天测量芽长、芽鲜重、芽干重。

发芽率=(第t天发芽种子数/试验种子数)×100%;

发芽指数=∑(Gt/Dt),其中Gt为时间t日内的发芽种子数,Dt为发芽日数。

相对盐害率=[CK0发芽率-各盐碱胁迫下MCK(CK)发芽率]/CK0发芽率×100%。

发芽率抑制比=(各盐碱胁迫下MCK发芽率-对应盐碱胁迫下CK发芽率)/CK0发芽率

发芽指数抑制比=(各盐碱胁迫下MCK发芽指数-对应盐碱胁迫下CK发芽指数)/CK0发芽指数

1.3.2 生理指标测定 种子萌发试验第7天收取幼芽用液氮速冻,放入-80℃超低温冰箱保存待测各项生理指标。参照李合生[13]方法测定超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性;考马斯亮蓝法测定可溶性蛋白含量[14];蒽酮比色法测定可溶性糖含量[15];硫代巴比妥酸(TBA)法测定丙二醛(MDA)含量[16];酸性茚三酮比色法测定脯氨酸含量[17];参照郭欣欣等[18]方法测定H2O2含量;参考Xia等[19]的方法测定超氧阴离子($\mathop{{O}}_{2}^{{\mathop{}_{\ .}^{-}}}$)产生速率。参照Jiang等[20]方法测定谷胱甘肽还原酶(GR)和谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)。

1.4 数据处理

试验数据用SPSS 20.0软件进行统计分析,使用Excel作图。

2 结果与分析

2.1 盐碱胁迫下褪黑素对大豆种子发芽率的影响

图1可知,与CK0相比,MCK0处理提升了第3、5、7天大豆种子发芽率,但未达到显著差异水平。与CK0相比,随盐碱浓度升高大豆种子的发芽率呈不断降低趋势。褪黑素浸种提高了盐碱胁迫下大豆种子发芽率,其中在第3天显著提高了50mmol/L盐碱胁迫下大豆种子发芽率,提高了20.0%。随盐碱浓度升高,褪黑素浸种缓解盐碱胁迫对大豆发芽率抑制比在第3天分别为3.03%、13.39%、3.34%、12.99%,第5天分别为6.07%、9.08%、9.69%、7.56%,第7天分别为5.93%、6.71%、8.36%、6.32%。

图1

图1   盐碱胁迫下褪黑素对大豆种子发芽率的影响

不同小写字母表示差异显著(P<0.05),下同

Fig.1   Effects of melatonin on the germination rate of soybean seeds under saline-alkali stress

Different lowercase letters indicate significant difference (P<0.05), the same below


2.2 盐碱胁迫下褪黑素对大豆种子发芽指数的影响

图2可知,与CK0相比,MCK0处理提升了第3、5天大豆种子发芽指数,但未达到显著差异水平。与CK0相比,随盐碱浓度升高大豆种子的发芽指数呈不断降低趋势。褪黑素浸种均提高了盐碱胁迫下大豆种子的发芽指数,显著提高了第5天50mmol/L盐碱胁迫下大豆种子的发芽指数,提高了31.4%。随盐碱浓度升高,褪黑素浸种缓解盐碱胁迫对大豆发芽指数抑制比在第3天分别为7.02%、22.98%、11.06%、8.93%,在第5天分别为9.34%、20.20%、2.20%、9.06%。

图2

图2   盐碱胁迫下褪黑素对大豆种子发芽指数的影响

Fig.2   Effects of melatonin on germination index of soybean seeds under saline-alkali stress


2.3 盐碱胁迫下褪黑素对大豆种子相对盐害率的影响

图3可知,随盐碱浓度升高大豆种子相对盐害率均呈上升趋势。褪黑素浸种降低了盐碱胁迫下大豆种子相对盐害率,其中在第5天和第7天褪黑素处理显著降低了25、50mmol/L盐碱浓度胁迫下大豆种子的相对盐害率,分别降低了49.9%、42.9%和46.2%、23.3%。

图3

图3   盐碱胁迫下褪黑素对大豆种子相对盐害率的影响

Fig.3   Effects of melatonin on the relative salt injury rate of soybean seeds under saline-alkali stress


2.4 盐碱胁迫下褪黑素对大豆种子抗氧化酶活性的影响

图4所示,MCK0处理的抗氧化酶活性与CK0差异未达到显著水平。与CK0相比,随盐碱浓度升高SOD、POD、CAT活性均呈现先升高后下降的趋势,APX活性呈不断上升趋势。褪黑素浸种提高了盐碱胁迫下大豆种子抗氧化酶活性,褪黑素浸种显著提高了50mmol/L混合盐碱胁迫下大豆种子的SOD活性,提高了36.5%;MCK100处理较CK100处理POD和CAT活性显著上升,分别提升了57.7%和53.5%。

图4

图4   盐碱胁迫下褪黑素对大豆种子抗氧化酶活性的影响

Fig.4   Effects of melatonin on antioxidant enzyme activities of soybean seeds under saline-alkali stress


2.5 盐碱胁迫下褪黑素对大豆种子GR和GPX活性的影响

图5可知,MCK0处理GR活性和GPX活性与CK0差异未达到显著水平。与CK0相比,随盐碱浓度升高GR活性和GPX活性呈现先升高后下降的趋势。褪黑素浸种显著提高了25mmol/L混合盐碱胁迫下大豆种子的GR活性,提高了29.3%。

图5

图5   盐碱胁迫下褪黑素对大豆种子GR和GPX活性的影响

Fig.5   Effects of melatonin on the activity of GR and GPX of soybean seeds under saline-alkali stress


2.6 盐碱胁迫下褪黑素对大豆种子渗透调节物质含量和膜脂过氧化的影响

图6 A、B、C可知,MCK0处理可溶性蛋白含量、可溶性糖含量和脯氨酸含量与CK0差异未达到显著水平。与CK0相比,随着盐碱浓度的升高,可溶性蛋白含量、可溶性糖含量和脯氨酸含量均呈现先升高后降低的趋势。褪黑素浸种显著提高了大豆种子在50、100mmol/L混合盐碱胁迫下的可溶性蛋白含量,分别提高了22.7%、35.7%。褪黑素浸种提升了盐碱胁迫下大豆种子可溶性糖含量,其中在50mmol/L盐碱胁迫下可溶性糖含量显著提高了21.2%。褪黑素浸种提升了盐碱胁迫下大豆种子脯氨酸含量,但在各浓度盐碱胁迫下其提升程序均未达到显著差异水平。

图6

图6   盐碱胁迫下褪黑素对大豆种子渗透调节物质含量和膜脂过氧化的影响

Fig.6   Effects of melatonin on osmotic adjustment substance content and membrane lipid peroxidation of soybean seeds under saline-alkali stress


图6 D、E、F可知,与CK0相比,MCK0处理H2O2含量、$\mathop{{O}}_{2}^{{\mathop{}_{\ .}^{-}}}$产生速率和MDA含量有所降低,但未达到显著差异水平。与CK0相比,随着盐碱浓度的升高,H2O2含量、$\mathop{{O}}_{2}^{{\mathop{}_{\ .}^{-}}}$产生速率和MDA含量呈不断上升趋势,褪黑素浸种降低了盐碱胁迫下大豆种子的H2O2含量、$\mathop{{O}}_{2}^{{\mathop{}_{\ .}^{-}}}$产生速率和MDA含量,其中褪黑素浸种显著降低了50、100、200mmol/L盐碱胁迫下大豆种子H2O2含量,分别降低了16.1%、22.0%、15.1%;褪黑素浸种显著降低200mmol/L盐碱胁迫下大豆种子$\mathop{{O}}_{2}^{{\mathop{}_{\ .}^{-}}}$的产生速率,降低了26.8%;褪黑素浸种显著降低了100、200mmol/L盐碱胁迫下大豆种子MDA含量,分别降低了19.0%、26.9%。

2.7 盐碱胁迫下褪黑素对大豆种子芽长、芽鲜重、芽干重的影响

表1可知,与CK0相比,MCK0处理提高了芽长、芽鲜重和芽干重,但未达到显著差异水平。与CK0相比,随盐碱浓度升高芽长、芽鲜重、芽干重呈现不断下降趋势。褪黑素浸种提升了盐碱胁迫下大豆种子芽长、芽鲜重和芽干重,其中对芽长提升效果不显著,在200mmol/L盐碱胁迫下对芽鲜重提升效果显著,提升了23.8%,在100mmol/L盐碱胁迫下对芽干重提升效果显著,提升了19.0%。

表1   盐碱胁迫下褪黑素对大豆种子芽长、芽鲜重、芽干重的影响

Table 1  Effects of melatonin on bud length,bud fresh weight and bud dry weight of soybean seed under saline-alkali stress

处理
Treatment
芽长(cm)
Bud length
芽鲜重(g)
Bud fresh weight
芽干重(g)
Bud dry weight
CK09.15±0.83a0.85±0.06a0.059±0.001a
MCK09.18±1.63a0.89±0.05a0.062±0.003a
CK257.86±2.72ab0.59±0.08bc0.041±0.005bc
MCK258.07±1.53ab0.68±0.10b0.047±0.008b
CK506.42±0.67b0.45±0.01c0.031±0.002c
MCK507.01±0.51b0.56±0.05bc0.039±0.006bc
CK1004.79±1.25cd0.30±0.02de0.021±0.004e
MCK1005.58±0.56c0.36±0.03d0.025±0.001d
CK2003.25±0.78d0.21±0.01f0.015±0.002f
MCK2003.30±1.53d0.26±0.03e0.018±0.001ef

Note: Different lowercase letters indicate significant difference (P<0.05)

注:同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)

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2.8 大豆种子发芽率与生理生化相关指标的相关系数

表2可知,大豆发芽率与APX活性、MDA含量、H2O2含量呈极显著负相关,可溶性蛋白含量、POD活性和CAT活性与发芽率呈负相关,而SOD活性、脯氨酸含量、可溶性糖含量与发芽率呈正相关。因此,提高SOD活性、脯氨酸含量和可溶性糖含量,降低MDA含量和H2O2含量可以提高发芽率。

表2   大豆种子发芽率与相关生理生化指标的相关系数

Table 2  Correlation coefficient between germination rate and related physiological and biochemical indexes of soybean seeds

指标Index发芽率
Germination
rate
SOD活性
SOD
activity
POD活性
POD
activity
CAT活性
CAT
activity
APX活性
APX
activity
MDA含量
MDA
content
H2O2含量
H2O2
content
脯氨酸含量
Proline content
可溶性糖含量
Soluble sugar content
可溶性蛋白含量
Soluble protein content
发芽率Germination rate-1
SOD活性SOD activity-0.349-1
POD活性POD activity-0.322-0.2961
CAT活性CAT activity-0.089-0.5470.933**1
APX活性APX activity-0.847**-0.3250.3310.061-1
MDA含量MDA content-0.973**-0.4690.2540.027-0.773**-1
H2O2含量H2O2content-0.963**-0.1730.4260.255-0.758*-0.935**-1
脯氨酸含量Proline content-0.265-0.961**0.4630.658*-0.242-0.385-0.1061
可溶性糖含量
Soluble sugar content
-0.266-0.962**0.4630.659*-0.243-0.386-0.1061.000**1
可溶性蛋白含量
Soluble protein content
-0.307-0.3340.949**0.893**-0.404-0.226-0.3840.5060.5051

Note: ** indicates significantly correlation at the 0.01 level, * indicates significantly correlation at the 0.05 level

注:**表示在0.01水平上显著相关;*表示在0.05水平上显著相关

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3 讨论

不同程度盐碱胁迫均会对细胞造成氧化损伤,破坏膜的通透性和离子调节功能,抑制大豆种子萌发。本研究发现,盐碱胁迫均会降低大豆种子不同发芽时间的发芽率和发芽指数,且随盐碱浓度提升发芽率和发芽指数不断降低,盐碱胁迫还抑制了芽生物量积累和芽长,这与于崧等[21]研究结果一致。本研究表明,褪黑素浸种可提高不同浓度盐碱胁迫下大豆种子的发芽率、发芽指数,并降低相对盐害率,缓解盐碱胁迫对大豆发芽的抑制作用,且对50mmol/L盐碱胁迫缓解效果更好。这与前人[11,12]研究褪黑素缓解盐碱胁迫对种子发芽抑制作用结果一致。

盐碱胁迫引起种子细胞内外渗透调节失衡、吸水困难甚至失水,细胞内Na+过度积累产生过量活性氧自由基,损害细胞膜的结构和功能[22]。为了减少非生物胁迫引发的活性氧自由基积累,植物可通过提高抗氧化酶(SOD、POD、CAT、APX等)活性来清除过多的活性氧,从而缓解氧化胁迫损伤[23]。本研究表明,随着盐碱浓度的逐渐升高,大豆种子内$\mathop{{O}}_{2}^{{\mathop{}_{\ .}^{-}}}$产生速率和H2O2含量不断上升,说明盐碱胁迫下种子内大量活性氧自由基积累,损伤细胞膜系统,导致膜脂过氧化产物MDA的积累,同时促进了抗氧化酶活性上升以应对活性氧自由基过度积累,但随着盐碱胁迫浓度上升,抗氧化酶活性会降低,这与活性氧自由基过度积累使蛋白质分子分解和抗氧化酶合成受到抑制有关。褪黑素作为强抗氧化剂,可直接消除活性氧自由基及其后续产物,其衍生物AFMK(N1-乙酰基-N2-甲酰基-5-甲氧基犬尿氨酸)和AMK(N1-乙酰基-5-甲氧基犬尿氨酸)也能清除活性氧自由基,并可以进一步终止膜脂过氧化的联合反应[24]。有研究表明外源褪黑素可以促进盐胁迫下棉花种子抗氧化酶活性,清除过量的活性氧,维持氧化还原平衡[25]。在本研究中,褪黑素浸种均提高了不同浓度盐碱胁迫下大豆种子的SOD、POD、CAT、APX、GR和GPX活性,$\mathop{{O}}_{2}^{{\mathop{}_{\ .}^{-}}}$通过SOD的作用转化为H2O2,H2O2可以通过CAT、APX和POD转化为无害的H2O和O2,GR和GPX不仅可以共同参与H2O2的清除过程,可能还参与ASA-GSH循环系统,促进抗氧化剂含量积累[26]。这些结果表明,褪黑素可通过激活整个抗氧化系统保护细胞免受盐碱胁迫诱导的氧化应激,从而来改善细胞氧化还原稳态。本研究中还得出褪黑素处理可降低MDA、H2O2含量和$\mathop{{O}}_{2}^{{\mathop{}_{\ .}^{-}}}$产生速率,表明褪黑素应用可有效保护细胞膜免受氧化损伤,这与褪黑素促进抗氧化酶活性和褪黑素直接参与膜脂过氧化产物降解过程或抑制其合成系统有关。

脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白不仅在植物中参与同化物运输和转化过程,同时在遭受非生物胁迫时具有维持渗透调节平衡的作用[25]。本试验表明,一定浓度的盐碱胁迫增加了大豆种子脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白的含量,说明盐碱胁迫条件下通过增加渗透调节物质含量来维持细胞渗透势平衡,但盐碱浓度过高降低了渗透调节物质含量,这可能与渗透失衡过大导致生理性缺水或碱性胁迫对蛋白等物质合成产生抑制有关。刘月等[27]研究表明外源褪黑素可增加盐胁迫下大豆幼苗的可溶性蛋白与可溶性糖含量。本研究同样表明,外源褪黑素浸种提高盐碱胁迫下大豆种子渗透调节物质含量,说明褪黑素有助于降低盐碱胁迫对植物细胞的伤害,调节细胞内外环境渗透平衡,防止细胞原生质过度失水和盐碱对细胞的损伤。相关性分析结果表明,SOD活性、脯氨酸含量、可溶性糖含量与发芽率呈正相关,MDA、H2O2含量与发芽率呈极显著负相关,因此提高盐碱胁迫下抗氧化酶活性和渗透调节物质含量,降低膜脂过氧化程度是提高大豆发芽率的关键。

4 结论

100µmol/L褪黑素浸种处理缓解了不同浓度盐碱胁迫对大豆种子的发芽率、发芽指数、芽长的不利影响,增加了生物量积累。增强大豆种子抗氧化酶活性,提高渗透调节物质水平,降低膜脂过氧化程度,通过激活抗氧化防御系统和消除活性氧自由基来减轻盐碱胁迫的损害,提高大豆种子萌发期对盐碱胁迫的耐受性。

参考文献

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外源生长调节物质对甜高粱种子萌发过程中盐分胁迫的缓解效应及其生理机制

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DOI:10.3724/SP.J.1006.2018.01713      URL     [本文引用: 1]

盐渍化土壤中盐胁迫是作物种子萌发和生长发育的主要限制因子, 探究盐分胁迫下提高种子萌发率的技术及机制对开发利用盐碱地有重要意义。本文以不同耐盐能力的高粱品种国甜2011和国甜106为材料, 研究了盐分对甜高粱种子萌发期生长过程的影响, 并比较了耐盐性差异。以耐盐性弱的国甜106为试材, 探究盐分胁迫下不同生长调节物质[γ-氨基丁酸(GABA)、赤霉素(GA3)、激动素(KT)和水杨酸(SA)]对甜高粱种子吸水萌发过程中生长特性的调节效应。表明, 盐分胁迫显著抑制种子的吸水萌发, 降低种子的吸水速率、发芽势、发芽率、发芽指数, 增加种子的相对盐害率和丙二醛(MDA)含量。外源生长调节物质可有效缓解盐害, 显著增加种子的吸水率、发芽率、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量, 提高SOD (超氧化物岐化酶)、POD (过氧化物酶)、CAT (过氧化氢酶)的活性, 促进K +、Ca 2+、Mg 2+离子的吸收, 降低Na +和MDA含量。外源生长调节物质主要是通过提高保护酶活性、渗透调剂物质含量和维持体内离子平衡来提高耐盐性。GA3和GABA对盐害的缓解效应较好, 而KT促进种子对Mg 2+的吸收效果较好。本研究表明外源生长调节物质(尤其是 GA3和 GABA)可用于盐碱地高粱生产, 为减轻盐碱地对高粱的盐碱胁迫提供了理论依据。

李倩倩, 罗旭, 许腾 , .

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Phytochemistry, 2013,95(6):215-223.

DOI:10.1016/j.phytochem.2013.06.026      URL     PMID:23871298      [本文引用: 1]

Impact of long-term salinity and subsequent oxidative stress was studied on cellular antioxidants, proline accumulation and lipid profile of Artemisia annua L. (Sweet Annie or Qinghao) which yields artemisinin (Qinghaosu), effective against cerebral malaria-causing strains of Plasmodium falciparum. Under salinity (0.0-160 mM NaCl), in A. annua, proline accumulation, contents of ascorbate and glutathione and activities of superoxide dismutase (SOD), ascorbate peroxidase (APX), glutathione reductase (GR) and catalase (CAT) increased, but the contents of reduced forms of glutathione (GSH) and ascorbate declined. The fatty-acid profiling revealed a major salinity-induced shift towards long-chain and mono-saturated fatty acids. Myristic acid (14:0), palmitoleic acid (16:1), linoleic acid (18:2) and erucic acid (22:1) increased by 141%, 186%, 34% and 908%, respectively, in comparison with the control. Contents of oleic acid (18:1), linolenic acid (18:3), arachidonic acid (22:0) and lignoceric acid (24:0) decreased by 50%, 17%, 44% and 78%, respectively. Thus, in A. annua, salinity declines ascorbate and GSH contents. However, increased levels of proline and total glutathione (GSH+GSSG), and activities of antioxidant enzymes might provide a certain level of tolerance. Modification in fatty-acid composition might be a membrane adaptation to long-term salinity and oxidative stress.

Julkowska M M, Testerink C .

Tuning plant signaling and growth to survive salt

Trends in Plant Science, 2015,20(9):586-594.

DOI:10.1016/j.tplants.2015.06.008      URL     PMID:26205171      [本文引用: 1]

Salinity is one of the major abiotic factors threatening food security worldwide. Recently, our understanding of early processes underlying salinity tolerance has expanded. In this review, early signaling events, such as phospholipid signaling, calcium ion (Ca(2+)) responses, and reactive oxygen species (ROS) production, together with salt stress-induced abscisic acid (ABA) accumulation, are brought into the context of long-term salt stress-specific responses and alteration of plant growth. Salt-induced quiescent and recovery growth phases rely on modification of cell cycle activity, cell expansion, and cell wall extensibility. The period of initial growth arrest varies among different organs, leading to altered plant morphology. Studying stress-induced changes in growth dynamics can be used for screening to discover novel genes contributing to salt stress tolerance in model species and crops.

陈蔚燕 .

新植物生长调节剂缓解盐胁迫对小麦种子生根的影响

种子, 2017,36(8):102-104,111.

[本文引用: 1]

于奇, 曹亮, 金喜军 , .

低温胁迫下褪黑素对大豆种子萌发的影响

大豆科学, 2019,38(1):56-62.

[本文引用: 1]

Arnao B M, Hernández-Ruiz J .

The physiological function of melatonin in plants

Plant Signaling and Behavior, 2006,1(3):89-95.

DOI:10.4161/psb.1.3.2640      URL     PMID:19521488      [本文引用: 1]

Melatonin (N-acetyl-5-methoxytryptamine), a well-known animal hormone, was discovered in plants in 1995 but very little research into it has been carried out since. It is present in different parts of all the plant species studied, including leaves, stems, roots, fruits and seeds. This brief review will attempt to provide an overview of melatonin (its discovery, presence and functions in different organisms, biosynthetic route, etc.) and to compile a practically complete bibliography on this compound in plants. The common biosynthetic pathways shared by the auxin, indole-3-acetic, and melatonin suggest a possible coordinated regulation in plants. More specifically, our knowledge to date of the role of melatonin in the vegetative and reproductive physiology of plants is presented in detail. The most interesting aspects for future physiological studies are presented.

刘仕翔, 黄益宗, 罗泽娇 , .

外源褪黑素处理对镉胁迫下水稻种子萌发的影响

农业环境科学学报, 2016,35(6):1034-1041.

[本文引用: 1]

赵小红, 罗庆熙, 饶玲 , .

外源褪黑素在低温胁迫下对黄瓜幼苗抗冷性的影响

北方园艺,2017(14):55-59.

[本文引用: 1]

张海军 .

褪黑素处理对氯化钠胁迫下黄瓜种子萌发的影响及其分子机制

北京:中国农业大学, 2016.

[本文引用: 1]

徐暑晖 .

外源褪黑素促进盐胁迫下玉米种子萌发的分子机理

扬州:扬州大学, 2018.

[本文引用: 2]

张娜, 蒋庆, 李殿波 , .

外源施加褪黑素对NaCl胁迫下狼尾草种子萌发及相关生理指标的影响

中国农业大学学报, 2014,19(4):54-60.

[本文引用: 2]

李合生 . 植物生理生化实验原理和技术. 北京: 高等教育出版社, 2000.

[本文引用: 1]

邹琦 . 植物生理学实验指导. 北京: 中国农业出版社, 2000.

[本文引用: 1]

高俊凤 . 植物生理学实验指导. 北京: 高等教育出版社, 2006.

[本文引用: 1]

中国科学院上海植物生理研究所. 现代植物生理学实验指南. 上海: 科学出版社, 1999.

[本文引用: 1]

王晶英, 敖红, 张杰 , . 植物生理生化实验技术与原理. 哈尔滨: 东北林业大学出版社, 2003.

[本文引用: 1]

郭欣欣, 李晓锋, 朱红芳 , .

淹水胁迫对不结球白菜抗坏血酸-谷胱甘肽循环的影响

植物生理学报, 2015,51(12):2181-2187.

[本文引用: 1]

Xia X J, Wang Y J, Zou Y H , et al.

Reactive oxygen specise are involved in brassinosteroid-induced stress tolerance in cucumber

Plant Physiology, 2009,150:801-814.

DOI:10.1104/pp.109.138230      URL     PMID:19386805      [本文引用: 1]

Brassinosteroids (BRs) induce plant tolerance to a wide spectrum of stresses. To study how BR induces stress tolerance, we manipulated the BR levels in cucumber (Cucumis sativus) through a chemical genetics approach and found that BR levels were positively correlated with the tolerance to photo-oxidative and cold stresses and resistance to Cucumber mosaic virus. We also showed that BR treatment enhanced NADPH oxidase activity and elevated H(2)O(2) levels in apoplast. H(2)O(2) levels were elevated as early as 3 h and returned to basal levels 3 d after BR treatment. BR-induced H(2)O(2) accumulation was accompanied by increased tolerance to oxidative stress. Inhibition of NADPH oxidase and chemical scavenging of H(2)O(2) reduced BR-induced oxidative and cold tolerance and defense gene expression. BR treatment induced expression of both regulatory genes, such as RBOH, MAPK1, and MAPK3, and genes involved in defense and antioxidant responses. These results strongly suggest that elevated H(2)O(2) levels resulting from enhanced NADPH oxidase activity are involved in the BR-induced stress tolerance.

Jiang J L, Su M, Wang L Y , et al.

Exogenous hydrogen peroxide reversibly inhibits root gravitropism and induces horizontal curvature of primary root during grass pea germination

Plant Physiology and Biochemistry , 2012,53:84-93.

DOI:10.1016/j.plaphy.2012.01.017      URL     [本文引用: 1]

During germination in distilled water (dH(2)O) on a horizontally positioned Petri dish, emerging primary roots of grass pea (Lathyrus sativus L) grew perpendicular to the bottom of the Petri dish, due to grayitropism. However, when germinated in exogenous hydrogen peroxide (H2O2), the primary roots grew parallel to the bottom of the Petri dish and asymmetrically, forming a horizontal curvature. Time-course experiments showed that the effect was strongest when H2O2 was applied prior to the emergence of the primary root. H2O2 failed to induce root curvature when applied post-germination. Dosage studies revealed that the frequency of primary root curvature was significantly enhanced with increased H2O2 concentrations. This curvature could be directly counteracted by dimethylthiourea (DMTU), a scavenger of H2O2, but not by diphenylene iodonium (DPI) and pyridine, inhibitors of H2O2 production. Exogenous H2O2 treatment caused both an increase in the activities of H2O2-scavenging enzymes [including ascorbate peroxidase (APX: EC 1.11.1.11), catalase (CAT: EC 1.11.1.6) and peroxidase (POD: EC 1.11.1.7)] and a reduction in endogenous H2O2 levels and root vitality. Although grass pea seeds absorbed exogenous H2O2 during seed germination, DAB staining of paraffin sections revealed that exogenous H2O2 only entered the root epidermis and not inner tissues. These data indicated that exogenously applied H2O2 could lead to a reversible loss of the root gravitropic response and a horizontal curvature in primary roots during radicle emergence of the seedling. (C) 2012 Elsevier Masson SAS.

于崧, 张婷婷, 于立河 , .

盐碱胁迫对小麦种子萌发特性的影响

黑龙江八一农垦大学学报, 2019,31(2):20-27.

[本文引用: 1]

杨发荣, 刘文瑜, 黄杰 , .

不同藜麦品种对盐胁迫的生理响应及耐盐性评价

草业学报, 2017,26(12):77-88.

[本文引用: 1]

李志萍, 张文辉, 崔豫川 .

NaCl和Na2CO3胁迫对栓皮栎种子萌发及幼苗生长的影响

生态学报, 2015,35(3):742-751.

DOI:10.5846/stxb201304190747      URL     [本文引用: 1]

为了阐明栓皮栎种子萌发期对盐碱胁迫的耐受性,研究了不同浓度(0、50、100、200和400 mmol/L) NaCl和Na2CO3胁迫对其种子萌发、生长、保护酶活性和有机渗透调节物质等的影响,结果表明:(1)盐碱胁迫对栓皮栎种子的萌发率和发芽指数均没有显著影响;随着Na+浓度的升高,NaCl和Na2CO3处理下的胚根长度、胚根生长速率、胚根鲜重均受到抑制,呈现下降趋势;活力指数和耐盐指数在NaCl胁迫下表现为较低浓度(50 mmol/L)促进,较高浓度(100, 200, 400 mmol/L)抑制,而在Na2CO3处理下则不断下降;相对盐害率在两种处理下均表现波动趋势。(2)通过建立活力指数、胚根长度等与Na+浓度的回归方程,发现在NaCl胁迫下栓皮栎种子活力指数、胚根鲜重、胚根长度和胚根生长速率的临界值分别为300.0、300.0、333.6、369.6 mmol/L。(3)在NaCl和Na2CO3胁迫下,随Na+浓度的增加,丙二醛含量增幅显著;NaCl处理下的SOD(superoxide dismutase)活性呈现先升高后降低的趋势,而Na2CO3处理下则均低于对照;POD(peroxidase)活性变化不显著;CAT(catalase)活性均表现为先降低后升高;脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖含量均随着Na+浓度的升高而呈现不同程度上升趋势。(4)等Na+浓度时,NaCl处理下的各项生长指标均高于Na2CO3处理,丙二醛、保护酶活性及渗透调节物质含量均低于Na2CO3处理,说明Na2CO3对栓皮栎种子的影响比NaCl更为显著。

López-Burillo S, Tan D X, Rodriguez-Gallego V , et al.

Melatonin and its derivatives cyclic 3-hydroxymelatonin,N1-acetyl-N2-formyl-5-methoxykynuramine and 6-methoxymelatonin reduce oxidative DNA damage induced by fenton reagents

Journal of Pineal Research, 2003,34(3):178-184.

DOI:10.1111/jpi.2003.34.issue-3      URL     [本文引用: 1]

袁志刚 .

外源褪黑素在维持盐胁迫下棉花种子萌发和幼苗生长中的应用

秦皇岛:河北科技师范学院, 2018.

[本文引用: 2]

刘文瑜, 杨宏伟, 魏小红 , .

外源NO调控盐胁迫下蒺藜苜蓿种子萌发生理特性及抗氧化酶的研究

草业学报, 2015,24(2):85-95.

DOI:10.11686/cyxb20150211      URL     [本文引用: 1]

本试验以蒺藜苜蓿种子为材料,预先用0.1,0.3和1.0 mmol/L 硝普钠(SNP, NO 供体)浸种,通过计算相关萌发指标,测定种子萌发过程中各项生理指标及抗氧化系统酶活性,研究外源NO对2.0% NaCl胁迫下蒺藜苜蓿种子萌发生理特性及活性氧代谢的影响。结果表明,0.1 mmol/L SNP能显著缓解盐胁迫对蒺藜苜蓿种子造成的伤害,使蒺藜苜蓿种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数分别提高了333.40%,79.64%,171.93%和100.00%;种子可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量分别提高了21.1%,42.3%和123.1%,淀粉含量降低了17.7%,淀粉酶活性提高了29.7%,丙二醛(MDA)和超氧阴离子(O2-·)含量分别降低了21.8%和27.2%,超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性和抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性分别增加了28.6%,43.1%,56.2%和60.3%;与0.1 mmol/L SNP处理相比,0.3 mmol/L SNP处理对盐胁迫下蒺藜苜蓿种子萌发的促进、氧化损伤的缓解和抗氧化系统酶活性的提高显著降低;1.0 mmol/L SNP处理对盐胁迫下蒺藜苜蓿种子的萌发起到抑制作用。说明低浓度的NO可通过降低种子MDA和O2-·含量,提高种子脯氨酸含量以及激活抗氧化系统酶活性,减轻盐胁迫对蒺藜苜蓿种子的伤害,促进淀粉、可溶性蛋白的水解,从而加速种子萌发。

刘月, 寇从贤, 付桂萍 , .

褪黑素对大豆幼苗盐害的缓解效应及机理研究

中国油料作物学报, 2017,39(6):813-819.

[本文引用: 1]

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