尽管氢气可能参与调控多种植物对干旱的响应,但在大麦抗旱研究中,富氢水的作用仍未见报道,且现有研究多集中于探讨富氢水对植物根苗发育的影响,鲜有涉及干物质调控。本研究以大麦品种“新啤6号”为试材,使用PEG模拟干旱胁迫,分析了不同浓度富氢水浸种对干旱胁迫下大麦种子发芽率、干物质转移和幼苗生物量分配的影响,旨在丰富氢气的植物学作用机理,为增强大麦耐旱性研究提供一定理论依据和技术指导。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试大麦品种为“新啤6号”,由石河子大学农学院提供。
1.2 试验方法
1.2.1 富氢水的制备 使用AK-H300氢气发生器（上海埃焜仪器设备有限公司）制备纯度为99.994%的氢气,并将制备好的氢气以150mL/min的速率向500mL蒸馏水中持续鼓泡,1h后按Tomoki等[10]的方法测量蒸馏水中氢气含量,达到饱和后立即按比例将饱和富氢水溶液稀释至所需浓度。
1.2.2 种子发芽及幼苗生长试验 选取健康、大小均匀一致的大麦种子,取20份（每份10粒）置于80℃烘箱,2d后称取发芽前干重,得平均值为629.6mg（P<0.01）。剩余部分用10%的次氯酸钠消毒10min,蒸馏水冲洗3次后分别置于0%（CK）、25%、50%、75%和100%浓度的富氢水中暗培养24h,期间每隔12h更换一次处理液。之后采用纸上发芽法,将浸后的种子转移至含有40mL 20% PEG-6000的发芽盒中,50粒/盒,在光强400µmol/(m2·s)、光暗比12h/12h、温度25℃的条件下培养,每个处理重复3次。萌发期间,每日以根与种子等长、芽达种子长度一半为标准,记录发芽率,7d后,各处理选取10株幼苗置于80℃烘箱内烘干至恒重,称芽、根和种子干重,并计算相关指标[11],方法如下：
幼苗干重=根干重+芽干重;
根冠比=根干重/芽干重;
干物质转运量=发芽前种子干重-发芽后种子干重;
干物质转移率（%）=（干物质转运量/发芽前种子干重）×100;
干物质转化效率（%）=（幼苗干重/干物质转运量）×100;
呼吸消耗干物质量=干物质转移量-幼苗干重。
1.3 数据处理
使用SPSS 19.0软件进行统计分析,采用Microsoft Excel 2010绘制图表。
2 结果与分析
2.1 富氢水对干旱胁迫下大麦种子发芽率的影响
由图1可知,不同浓度富氢水浸种对干旱胁迫下大麦种子的发芽率有不同程度的影响。萌发3d时发芽率增长最快,是确保种子正常萌发的关键时期,该时期25%和50%浓度富氢水处理后发芽率相比CK有显著提升。萌发5d后,大麦种子的发芽率增幅明显减小,在萌发7d时趋于稳定。对第7天种子发芽率进行比较,可见经25%、50%和75%富氢水处理后种子发芽率显著高于CK,其中以25%浓度最佳;100%富氢水浸种处理后发芽率有轻微地提高,但相比CK提高不显著。
图1
图1
干旱胁迫下不同浓度富氢水浸种后大麦种子的发芽率
不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）,不同大写字母表示处理间差异极显著（P<0.01）,下同
Fig.1
Germination rate of barley seeds soaked in different concentrations HRW under drought stress
Different lowercase letters indicate significant differences between treatments (P < 0.05), different capital letters indicate extremely significant differences between treatments (P < 0.01), the same below
2.2 富氢水对干旱胁迫下大麦种子干物质转运与幼苗根和芽生物量分配的影响
由表1可得,适宜浓度富氢水浸种对大麦种子干物质转运有显著或极显著的影响。与CK相比,75%和100%富氢水浸种显著提高了大麦种子干物质转移量与转移率,其余浓度处理与CK无显著差异。相对而言,富氢水对干物质转化效率作用更加明显。50%富氢水处理相比CK有极显著提高,其余浓度富氢水处理也能显著提高干旱胁迫下大麦种子干物质转化效率。此外,25%、50%和75%富氢水处理与其他处理相比还显著降低了大麦种子萌发期间呼吸消耗干物质量,100%浓度处理与CK间则无显著差异。
表1 不同浓度富氢水浸种对干旱胁迫下大麦种子干物质转运的影响
Table 1
| 富氢水浓度 HRW concentration (%) | 干物质转移量 Dry matter transfer amount (mg) | 干物质转移率 Dry matter transfer rate (%) | 呼吸消耗干物质量 Respiratory consumption of dry matter (mg) | 干物质转化效率 Dry matter conversion efficiency (%) |
|---|---|---|---|---|
| 0(CK) | 426.39±20.15bA | 67.72±3.20bA | 313.79±22.98aA | 26.59±1.98bBC |
| 25 | 454.13±8.20abA | 72.12±1.31abA | 302.89±12.83bA | 33.36±1.64aB |
| 50 | 465.49±19.97abA | 73.93±3.17abA | 303.79±20.49bA | 34.87±1.58aA |
| 75 | 474.26±2.20aA | 75.32±0.35aA | 310.89±8.68bA | 34.45±1.61aB |
| 100 | 482.59±10.51aA | 76.64±1.67aA | 362.93±15.91aA | 24.87±1.73aC |
不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）,不同大写字母表示处理间差异极显著（P<0.01）,下同
Different lowercase letters indicate significant differences between treatments (P < 0.05), different capital letters indicate extremely significant differences between treatments (P < 0.01), the same below
由表2可知,与CK相比,25%、50%和75%富氢水浸种极显著提高了幼苗的干重,增幅在1.34~1.45倍之间,100%浓度处理则与CK无显著性差异。对于幼苗根系而言,与CK相比,50%和75%富氢水浸种能极显著增加根干重1.28倍和1.47倍,其余浓度处理与CK无显著差异。对于大麦幼芽,25%和50%浓度富氢水处理效果最好,芽干重较CK分别提升1.69倍和1.72倍,差异极显著,75%浓度处理次之,增幅为1.42倍,100%浓度处理则与CK无显著区别。由根冠比可知,随富氢水浓度升高,根冠比呈先下降后上升的趋势,其中25%浓度与CK相比显著减少0.32倍,100%与CK相比增加0.17倍,其余处理则无显著差异。
表2 不同浓度富氢水浸种对干旱胁迫下大麦幼苗根芽生物量分配的影响
Table 2
| 富氢水浓度 HRW concentration (%) | 幼苗干重 Seedling dry weight (mg) | 根干重 Root dry weight (mg) | 芽干重 Bud dry weight (mg) | 根冠比 Root-shoot ratio |
|---|---|---|---|---|
| 0(CK) | 112.60±3.10bB | 72.10±2.48cC | 40.50±2.35cB | 1.79±0.14abAB |
| 25 | 151.23±4.72aA | 82.70±4.69bcBC | 68.53±0.68aA | 1.21±0.07cB |
| 50 | 161.70±1.76aA | 91.97±2.40bAB | 69.73±2.11aA | 1.32±0.07bcAB |
| 75 | 163.37±7.15aA | 105.87±6.95aAB | 57.50±1.81bA | 1.85±0.13abAB |
| 100 | 119.67±5.82bB | 79.80±0.81bcBC | 39.87±6.54cB | 2.10±0.31aA |
2.3 富氢水浸种对干旱胁迫下大麦幼苗可溶性糖和可溶性蛋白含量的影响
据图2可知,随富氢水浓度的增加,大麦幼苗根和芽的可溶性糖含量均呈现先上升后下降的趋势。其中,根可溶性糖含量在富氢水浓度50%时达到峰值,约为CK的1.49倍;75%和25%浓度次之,约为CK的1.37和1.23倍;100%富氢水处理与CK相比则无显著变化。芽可溶性糖含量在25%富氢水处理下达到峰值,约为CK的1.69倍;其余处理芽可溶性糖含量则随浓度的增加而递减,依次为CK的1.60、1.30和1.16倍,除100%富氢水外,其余浓度下芽可溶性糖含量与CK差异均达显著水平。
图2
图2
干旱胁迫下不同浓度富氢水浸种对大麦幼苗根和芽可溶性糖含量的影响
Fig.2
The effects of seed soaking in different concentrations HRW on barley seedling soluble sugar contents of root and bud under drought stress
从图3可知,不同浓度富氢水浸种对干旱胁迫下大麦幼苗根和芽可溶性蛋白含量有不同程度的影响。在幼苗根中,与CK相比,仅75%富氢水处理能极显著促进可溶性蛋白的累积,为CK的1.71倍,其余浓度处理下,根可溶性蛋白含量有轻微提升,但与CK均无显著性差异。在幼苗芽中,可溶性蛋白累积量随着富氢水浓度的增加呈现上升趋势,在50%、75%和100%浓度下达到极显著水平,分别为CK的1.95、2.75和3.10倍,25%浓度处理则与CK无显著差异。
图3
图3
干旱胁迫下不同浓度富氢水浸种对大麦幼苗根和芽可溶性蛋白含量的影响
Fig.3
The effects of seed soaking in different concentrations HRW on barley seedling soluble protein contents of root and bud under drought stress
2.4 富氢水浸种对干旱胁迫下大麦幼苗叶绿素a、叶绿素b及叶绿素总含量的影响
由表3可知,各浓度富氢水处理能不同程度提升干旱胁迫下大麦幼苗叶绿素a含量,相较于CK,25%、50%和75%富氢水处理下叶绿素a含量极显著升高,分别达CK的1.50、1.33和1.24倍;100%浓度处理下叶绿素a含量也显著高于CK,为CK的1.09倍。随着浓度增加,富氢水对干旱胁迫下大麦幼苗叶绿素b含量的影响呈先上升后下降趋势,但各处理与CK均差异不显著。总体而言,富氢水浸种能增加大麦幼苗中叶绿素总含量,其中在浓度为25%时效果最好,为CK的1.39倍;50%和75%次之,为CK的1.22和1.15倍;100%浓度处理的总叶绿素含量有轻微增幅,但与CK差异不显著。
表3 干旱胁迫下不同浓度富氢水浸种对大麦叶绿素a、叶绿素b及叶绿素总含量的影响
Table 3
| 富氢水浓度 HRW concentration (%) | 叶绿素a Chlorophyll a | 叶绿素b Chlorophyll b | 叶绿素总含量 Total chlorophyll content |
|---|---|---|---|
| 0(CK) | 780.07±23.21dC | 249.68±21.52abA | 1029.76±33.64cD |
| 25 | 1173.08±63.89aA | 259.51±15.37aA | 1432.59±78.98aA |
| 50 | 1034.44±34.40bB | 218.03±7.17bA | 1252.48±41.51bB |
| 75 | 968.96±8.45bB | 214.88±2.79bA | 1183.84±9.79bBC |
| 100 | 850.46±33.16cC | 219.22±34.81bA | 1069.69±67.54cCD |
3 讨论
植物发芽初期,根芽发育尚不健全,幼苗建成所需能量多来自于种子中的营养物质。施成晓等[17]研究表明,干旱胁迫抑制了冬小麦萌发期幼苗生物量累积,这与种苗转化过程中种子干物质转移效率下降有关。本试验发现适宜浓度的富氢水能显著增加干旱胁迫下大麦幼苗干物质转移量与转移率,并因此提高幼苗干物质质量。此外,Soltani等[11]指出植物萌发期间,呼吸作用使得幼苗生物量总是低于种子干物质转移量,因此,呼吸消耗干物质量也是衡量植物萌发质量的重要指标。本研究表明,25%、50%和75%浓度的富氢水均能显著降低种子萌发期间呼吸消耗的干物质量,并因此提升种子干物质转化效率,该结果与大麦种子发芽率相一致,说明富氢水通过提升种子干物质转移量与转化效率改善了干旱胁迫下大麦种子发芽质量。
渗透调节是植物拮抗干旱胁迫的重要生理机制,可溶性糖是重要渗透调节物质之一。有研究[20,21]表明,干旱处理下,组织内可溶性糖含量的增加有助于增强植物抗旱性,且耐旱品种积累可溶性糖的能力比干旱敏感品种更强。本试验显示,适宜浓度的富氢水能显著或极显著地提升大麦幼苗根芽中可溶性糖含量,这与Wang等[22]在水稻抗硼害研究中所得结果相似,表明富氢水具有促进植物幼苗可溶性糖累积的作用。可溶性蛋白既是一种渗透调节物质,也是衡量植物蛋白质损伤的重要指标。顾正中等[23]研究表明,可溶性蛋白含量与小麦抗旱性呈正相关,抗旱性越强的小麦品种,其可溶性蛋白积累量越丰富,蛋白质损伤越小。本研究发现,富氢水浸种能显著或极显著地增加干旱胁迫下大麦幼苗可溶性蛋白含量,且对芽的作用显著强于对根系,说明富氢水处理不同程度地增加了大麦幼苗根和芽的耐旱性。此外,上述渗透调节物含量变化基本与根和芽干重的变化对应,证明外源氢气可能通过增加大麦幼苗可溶性物质含量的途径提升渗透调节能力,并因此影响植物干物质累积与分配。
光合作用是种子萌发中后期重要营养物质来源之一,叶绿素是参与植物光合作用不可或缺的物质。刘军等[24]研究指出,严重的水分胁迫会明显抑制紫花苜蓿光系统Ⅱ的光化学活性,而干扰光合作用的主要原因是干旱胁迫阻碍了叶绿体的功能。Chen等[8]研究表明,50%富氢水浸种能够缓解干旱对黄瓜幼苗叶绿素合成的负面影响,显著增加植株体内叶绿素含量和叶绿素荧光。本研究则发现25%浓度对干旱胁迫下大麦幼芽中叶绿素含量的增加效果最为显著,且这种增幅主要是通过提高叶绿素a含量实现的。鉴于在光合作用中只有极少数叶绿素a分子能起到转换光能的作用,因此我们有理由推测,外源氢气通过增加叶绿素含量的途径提升大麦幼苗光能转换率,并因此影响干旱胁迫下大麦幼苗的形态建成。
4 结论
适宜浓度外源富氢水浸种能显著提高干旱胁迫下大麦种子发芽率,明显改良大麦幼苗干物质转移与分配情况。一方面,富氢水通过增加种子干物质转运量与转运效率来缓解干旱胁迫对大麦种子萌发的抑制。另一方面,富氢水通过提升可溶性糖与可溶性蛋白含量来增强植株渗透调节能力;通过提升叶绿素含量的方式增加叶片光能转换效率,并由此协调根芽生物量分配比例,使大麦幼苗更加适应干旱环境。
参考文献
Proteomic insights into seed germination in response to environmental factors
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