外源喷施油菜素内酯对碱胁迫下大麦种子萌发的影响.pdf

外源喷施油菜素内酯对碱胁迫下大麦种子萌发的影响靳亚楠1，张霆1，李建波2，徐寿军2（1.内蒙古民族大学 生命科学与食品学院，内蒙古 通辽 028043；2.内蒙古民族大学 农学院，内蒙古 通辽 028043）摘要 为探讨外源油菜素内酯（Brassinosteroids，BR）对碱性盐胁迫下大麦种子萌发过程形态特征，揭示大麦种子的萌发特性及其化学调控，以黄长芒大麦品种为试材，利用0、40、60、80、100 mmolL-1的NaHCO3+Na2CO3（摩尔比为9 1）溶液培养大麦种子进行萌发试验，确定大麦种子萌发的耐碱胁迫适宜浓度、半致死浓度和极限浓度。用不同浓度的BR（0.01、0.05、0.10 mmolL-1）配制碱性盐溶液，并在25、12 h/20、12 h的白天/黑暗条件下培养，以75 mmolL-1的NaHCO3+Na2CO3（摩尔比为9 1）模拟碱胁迫，在培养第3 d 统计发芽势，第7 d统计发芽率，并取样测定地上、地下形态指标。结果显示：碱胁迫下大麦种子的萌发受到显著抑制，至100 mmolL-1碱处理时，大麦种子的萌发率仅为对照的一半，为55.83%，发芽势仅为对照的1/3；0.01 mmolL-1的BR处理对碱胁迫引起种子萌发抑制的缓解效果最佳，具体体现为种子的发芽势、发芽率和发芽指数都高于对照的1倍以上（P0.05）；外源BR处理对缓解碱胁迫下大麦种子根和幼苗的抑制效果以0.05 mmolL-1和0.01 mmolL-1为最佳。外源BR可调节大麦种子萌发期的萌发特性和苗期生长特性，提高其对碱胁迫的抵抗能力，促进种子的萌发与生长。关键词 大麦；种子萌发；碱胁迫；油菜素内酯中图分类号 S512.3文献标志码 A文章编号 1671-0185（2023）04-0329-06Effect of Exogenous Brassinosteroids on BarleySeeds Germination under Alkaline StressJIN Ya-nan1，ZHANG Ting1，LI Jian-bo2，XU Shou-jun2（1.College of Life Sciences and Food Engineering，Inner Mongolia Minzu University，Tongliao 028043，China；2.Collegeof Agriculture，Inner Mongolia Minzu University，Tongliao 028043，China）Abstract：To investigate the morphological characteristics of barley seed germination under alkaline-salt stress andexogenous brassinosteroids（BR）and reveal the germination characteristics and chemical regulation of barley seeds，seeds of barley cultivar Huangchangmang were cultured with 0，40，60，80 and 100 mmolL-1NaHCO3+Na2CO3solution（molar ratio 9 1），as well as the germination rate was selected to determine the suitable alkali tolerance concentration，semi-lethal concentration and limiting concentration.Alkaline-salt solutions were prepared with 0.01，0.05 and 0.10mmolL-1BR solution，and barley was cultured at 25 for 12 h（day）and 20 for 12 h（night）with 75 mmolL-1NaHCO3+Na2CO3（molar ratio 9 1），the germination potential was counted on the third day，as well as the germinationrate，the above-ground and under-ground morphological indexes were counted on the seventh day.Results showedthat the germination of barley seeds was significantly inhibited under alkali stress，and the germination rate was only基金项目：内蒙古自治区直属高校基本科研业务费项目（GXKY22150，GXKY22053，GXKY23Z020）；内蒙古自治区自然科学基金项目（2021BS03035）；内蒙古自治区科技计划项目（2021GG0007）；内蒙古民族大学博士科研启动基金项目（BS569）；国家大学生创新创业训练计划（202009005）作者简介：靳亚楠，内蒙古民族大学生命科学与食品学院讲师，博士，硕士研究生导师。通讯作者：徐寿军，内蒙古民族大学农学院教授，博士，硕士研究生导师。DOI：10.14045/ki.15-1220.2023.04.007第38卷第4期内蒙古民族大学学报（自然科学版）Vol.38No.42023年07月Journal of Inner Mongolia Minzu UniversityJuly 2023内蒙古民族大学学报2023年half of that of the control（55.83%）under 100 mmolL-1alkali treatment，as well as the germination potential was only1/3 of that of control.Treatments with 0.01 mmolL-1BR had the optimal effect of inhibiting germination，and thegermination potential，germination rate and germination index of barley seeds were higher than those of control byone times（P0.05）.The best inhibiting effect of exogenous BR on alleviating alkali stress was 0.05 mmolL-1（roots）and 0.01 mmolL-1（seedlings），respectively.Hence，exogenous BR can improve barley resistance to alkali stress andpromote seed germination and growth through regulating the seed germination characteristics and seedling growthcharacteristics.Key words：Barley；Seed germination；Alkali stress；Brassinosteroids盐碱胁迫是限制作物生长和生产力的主要环境因素之一，已成为公认的世界性难题。目前，我国盐碱地总面积达0.99亿hm2，占国土面积的10.3%，主要分布在黄淮海平原、东部滨海地区、西部的新疆、西藏部分地区以及东北松嫩平原等地1。土壤盐碱化包括土壤盐化（NaCl和Na2SO4）和土壤碱化（NaHCO3和Na2CO3），二者往往相伴发生1-3。研究发现，碱化土壤中因额外高pH胁迫的存在，导致其对植物伤害的机理不同于盐化土壤，伤害程度更为严重和复杂4-5。因此，针对碱化土壤的改良更为重要。大麦是啤酒行业的主要原料和畜牧养殖业的优质饲草料6，也是重要的盐碱地改良与利用的先锋作物，因此，培育耐盐碱大麦品种可充分利用我国盐碱地，兼具可观的经济潜力和生态价值。种子萌发作为植物生命周期的开始，受盐碱胁迫抑制明显，会导致植物出苗率下降、胚根和胚芽生长滞缓等，这种差异在不同作物品种间也有差异7。张华瑜等8研究表明，随NaHCO3+Na2CO3浓度的升高，3个大麦品种的发芽势减小，发芽率下降，根长和芽长减小，对根长的影响尤为突出。包奇军等9利用不同浓度的NaCl和NaHCO3+Na2CO3对甘啤5号、甘啤4号和甘啤7号3个大麦品种进行萌发期耐盐碱性研究，结果表明，NaCl和NaHCO3+Na2CO3对3个大麦品种的萌发均有抑制作用，且随着浓度的增大，发芽率、发芽势、根长和苗长均呈下降趋势，NaCl胁迫下各指标的下降幅度小于NaHCO3+Na2CO3胁迫，尤其是NaHCO3+Na2CO3对根长的胁迫最突出。李建波等10以相对苗长、相对地上干鲜重、相对根干鲜重、存活天数和萎蔫系数为评价指标，对285 份大麦种质资源进行耐碱性鉴定，筛选出耐碱品种 13 个。已有研究表明，外源物质浸种或直接喷洒于作物叶片表面，可以在一定程度上提高作物发芽率，进而增强作物的耐盐碱能力。例如，将种子经过适量浓度的硝普钠（SNP）、亚精胺（Spd）、油菜素内酯（BRs）、硝酸钙（Ca（NO3）2）、水杨酸（SA）和赤霉素（GA）等处理，均可以提高种子发芽率，这些外源物质主要通过调节作物生理代谢来缓解盐碱胁迫对作物造成的伤害11。BRs作为一类植物激素，在作物生长发育过程中的多种功能已被广泛研究。大量研究发现，BRs能够协同其他激素参与到植物细胞的分裂和扩张、植物细胞的气孔发育及开关，植物根系发育等重要的生命周期12。郭本森等13研究发现，在大麦抽穗期，叶面喷施油菜素内酯，能提高旗叶的叶绿素含量、光合速率和叶片水势，有效降低相对电导率和减缓MDA的积累，能够显著提高千粒重。SOARES等14提出，一定浓度的BRs可显著缓解重金属铅胁迫对油菜种子萌发期及幼苗期的生长负作用。华智锐等15研究发现，黄芩幼苗在盐胁迫下喷施适量的外源BR，可提高叶片抗氧化能力，清除叶片中的活性氧，保护膜结构，缓解盐胁迫对黄芩幼苗的伤害，从而提高黄芩幼苗的抗盐性。高战武等16研究发现，盐碱胁迫下，添加油菜素内酯能够有效提高盐碱胁迫下羊草生物量累积，改善光合作用，激活抗氧化酶活性，降低脂质过氧化和ROS累积。郑春芳等17研究表明，外施BR可有效提高盐胁迫下番茄地上部和根部的K+/Na+比值，减轻Na+毒害，维持离子平衡，提高番茄叶片净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）及生物量，增强番茄的耐盐性。目前，前人研究仅局限于BR对盐胁迫和重金属胁迫以及植物发育的影响，而对碱胁迫下BRs对植物影响的研究相对较少。因此，笔者以黄长芒大麦品种为材料，研究碱胁迫下添加外源BR对大麦萌发特性和生长特性的影响，以期为揭示碱胁迫下大麦生长发育的调控机制提供理论支撑。1材料与方法1.1试验材料本试验所用大麦材料为黄长芒大麦品种，由内蒙古民族大学农学院提供。3301.2试验处理取籽粒饱满大小均匀的大麦种子，利用5%的次氯酸钠消毒10 min，置于长宽为10 cm10 cm铺有滤纸的发芽盒中培养。每个发芽盒中加15 mL不同浓度（0、40、60、80和100 mmolL-1）的NaHCO3和Na2CO3的混合碱液（NaHCO3与Na2CO3的摩尔比为91）进行耐碱性鉴定。油菜素内酯（BR）浓度筛选：消毒后的种子一部分加蒸馏水作为对照（CK），一部分用75 mmolL-1NaHCO3+Na2CO3进行处理（alkali treatment，AT）；另一部分种子用含75 mmolL-1的NaHCO3+Na2CO3和不同浓度的BR进行处理（BR+NaHCO3+Na2CO3）（brassinosteroids，BR），其中，BR浓度分为低浓度（low brassinosteroids，LBR）、中浓度（middle brassinosteroids，MBR）和高浓度（high brassinosteroids，HBR）（表1）。各处理放在25 恒温箱中培养，以胚根突破种皮0.5 cm为发芽标准。发芽势以处理3 d 发芽百分比表示，处理7 d统计发芽率，发芽结束后把胚根和胚芽分开，测量长度并称重，计算种子发芽指数、活力指数。表1碱胁迫及BR试验处理Tab.1 Experimental treatments of alkaline stress and BR treatment in this studymmolL-1处理CKATLBRNaHCO3+Na2CO3（摩尔比为9 1）浓度07575BR浓度000.01处理MBRHBRNaHCO3+Na2CO3（摩尔比为9 1）浓度7575BR浓度0.050.101.3测定指标与方法种子发芽处理第3 d时，统计当天发芽个数，计算发芽势。种子发芽处理第7 d时，统计当天发芽个数，计算发芽率；分别测量样品的根芽鲜干重、长度，计算发芽指数、活力指数等。发芽率=（发芽的种子数/供试的总种子数）100%；发芽势=（3 d发芽的种子数/供试的总种子数）100%；发芽指数（Germination Index，GI）=（Gt/Dt），式中，Gt为发芽第t天时的发芽数，Dt为相对应的发芽天数；活力指数（Vitality Index，VI）=GIS，式中，GI为发芽指数，S为幼苗鲜重。碱处理筛选适宜浓度（mmolL-1）范围：发芽率达CK发芽率的75%以上时所对应的碱浓度范围；碱处理半致死浓度（mmolL-1）：发芽率达CK发芽率50%时所对应的碱浓度；碱处理极限浓度（mmolL-1）：发芽率达CK发芽率10%时所对应的碱浓度。1.4数据统计分析运用Microsoft Excel 2007软件处理试验数据并作图，根据试验数据的重复性判断数据的可用性，并对数据进行显著性分析（P0.05）。2结果与分析2.1碱胁迫对大麦种子萌发的影响包括发芽势、发芽率、发芽指数在内的大麦发芽相关指标随着碱浓度的提高而下降，平均发芽时间随碱浓度的升高而延长，40 mmolL-1碱胁迫处理对大麦种子的萌发抑制不显著，与对照相比发芽率、发芽势和平均发芽时间3个指标间未达显著差异；当碱处理浓度高于60 mmolL-1时，大麦种子萌发显著减弱；当碱处理浓度为100 mmolL-1时，萌发率仅为对照的一半左右，为55.83%，发芽势仅为对照的1/3左右，显著抑制了大麦种子萌发（表2）。本试验计算了相对萌发率（碱胁迫处理时发芽率/对照发芽率）与不同碱处理浓度关系，得到回归方程：Y=108.01-0.43X（R2=0.898 2，Y为碱浓度，X为相对发芽率）。进一步由方程得出大麦萌发期耐碱性筛选的适宜浓度范围为75.76 mmolL-1，半致死浓度为86.51 mmolL-1，极限浓度为103.71 mmolL-1，综合确定本试验中大麦品种黄长芒的最适碱胁迫浓度为75 mmolL-1。表2碱胁迫对大麦种子萌发的影响Tab.2 Effects of alkaline stress on barley seed germination处理0406080100发芽势/%95.834.25a85.007.07b72.505.40c54.179.45d35.007.36e发芽率/%99.171.18a98.331.18a88.336.24b75.0010.80c55.8315.32d发芽指数42.760.73a40.810.66a35.632.34b28.764.34c20.215.51d平均发芽时间5.020.022a5.060.038ab5.080.019bc5.150.022d5.190.029e注：不同小写字母表示同一品种的不同浓度处理间在 0.05 水平上差异显著。下同。第4期靳亚楠等：外源喷施油菜素内酯对碱胁迫下大麦种子萌发的影响331内蒙古民族大学学报2023年2.2外源喷施不同浓度的BR对碱胁迫下大麦种子萌发的影响大麦种子的发芽势、发芽率、发芽指数及活力指数等发芽相关指标都明显低于对照组（表3），表明大麦种子萌发受碱胁迫抑制显著。当用0.010.10 mmolL-1浓度的BR溶液处理种子时，可明显缓解碱胁迫对大麦种子萌发的抑制作用，其中，0.01 mmolL-1的BR溶液缓解效果最佳，种子发芽势比单独碱胁迫处理提高2倍多（P0.05），发芽率提高1倍多（P0.05），发芽指数提高近1.5倍（P0.05），活力指数提高3倍多（P0.05）。表3外源BR对碱胁迫下大麦种子萌发的影响Tab.3 Effects of exogenous brassinosteroids on barley seed germination under alkaline stress处理CKATLBRMBRHBR发芽势/%84.501.50e23.000.05a70.007.00d66.503.50c63.503.50b发芽率/%91.004.00d35.002.00a73.0010.00b78.005.00c76.503.50c发芽指数39.371.05c12.131.07a30.334.57b31.912.63b29.511.50b活力指数0.4500.040d0.0700.006a0.2960.065c0.2870.009c0.2350.007b2.3外源喷施油菜素内酯对碱胁迫下大麦种子根生长的影响碱胁迫显著抑制大麦种子根的伸长，种子根长、根干重和根鲜重明显低于对照（图1）。经0.010.10 mmolL-1的BR溶液处理后，碱胁迫下的大麦种子根伸长得以促进，其中，当BR溶液的浓度为0.05 mmolL-1（MBR）时的促进效果最好，显著高于0.01 mmolL-1（LBR）和0.10 mmolL-1（HBR）处理。CKATLBRMBRHBR根长/cm处理CKATLBRMBRHBR根鲜重/（mg 株-1）处理CKATLBRMBRHBR根干重/（mg 株-1）处理*表示在0.01水平上差异显著图1外源喷施油菜素内酯对碱胁迫下大麦种子根生长的影响Fig.1 Effects of exogenous brassinosteroids on barley root under alkaline stress2.4外源喷施油菜素内酯对碱胁迫下大麦种子芽生长的影响碱胁迫显著抑制大麦芽苗的生长，芽长、芽干重和芽鲜重明显低于对照（图2）。经0.010.10 mmolL-1的BR溶液处理的大麦种子在碱胁迫下的芽伸长有明显促进，其中，BR溶液浓度为0.01 mmolL-1（LBR）时促进效果最佳，且显著高于0.05 mmolL-1（MBR）和0.10 mmolL-1（HBR）处理。332CKATLBRMBRHBR芽长/cm处理CKATLBRMBRHBR芽鲜重/（mg 株-1）处理CKATLBRMBRHBR芽干重/（mg 株-1）处理*表示在0.05水平上差异显著；*表示在0.01水平上差异显著图2外源喷施油菜素内酯对碱胁迫下大麦芽生长的影响Fig.2 Effects of exogenous brassinosteroids on barley shoot under alkaline stress3讨论与结论3.1外源喷施BR溶液可减缓碱胁迫对大麦种子萌发的抑制种子的萌发阶段是植物生命周期的起始阶段，萌发状况良好的种子是作物出苗和植物建成的基本前提。以往研究表明，低浓度盐分对种子萌发有促进作用，较高的盐分对种子萌发有抑制作用18-19。BR作为一种重要的植物激素，通过提升植物在逆境环境下的缓冲能力进而加强自身的逆境忍耐能力，广泛应用于农业生产。刘丹20研究表明，施用外源BR能够增强甜菜对氮素的吸收和转运能力，促进渗透调节物质的合成来调节渗透压。王秀峰等21认为，盐胁迫下喷施BR能提高叶绿素水平、抗氧化酶活性和渗透调节物质，降低质膜相对透性，增强辣椒的抗盐性。本研究中，经0.010.10 mmolL-1不同浓度BR溶液处理的大麦在碱胁迫下种子萌发有较为明显的促进，发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数等发芽相关指标都显著提升，说明BR可参与大麦在萌发期对碱胁迫的应答，进而提高大麦耐盐碱性。3.2外源喷施BR溶液促进碱胁迫下大麦幼苗的生长根系是植物与土壤间养分吸收、物质交换的关键媒介22。根系作为传播水分和营养的器官，也是最早感受碱胁迫的器官，土壤中的高盐高碱物质会直接迫害植物根系进而引起整个植株的反应。因此，植物的根系可以通过改善根系形态来抵御盐环境23。本研究中，加入0.010.10 mmolL-1的BR后，根长、根干重和根鲜重显著增加，并在0.05 mmolL-1时达到最大值，表明0.05 mmolL-1的BR可以在一定程度上缓解碱性盐胁迫对根系造成的损伤。这种缓解作用随着外源BR浓度的升高而呈降低趋势，这可能是因为高浓度BR对植物产生毒害作用，该结果与辛正琦24的研究结果相似。叶片是作物进行光合作用的主要器官，在进化过程中形成对环境变化较敏感且可塑性较大的调控系统，因而，植物对外界逆境环境的适应性反应也较多地体现在叶片的形态25。本试验中，碱胁迫下大麦幼苗高、苗干重、苗鲜重显著低于对照，表明碱胁迫下，大麦通过降低幼苗生长速度来适应胁迫环境。碱胁迫下施用外源BR，苗高、苗干重、苗鲜重显著增高，0.01 mmolL-1的BR浓度对缓解碱性盐胁迫的效果最好，表明低浓度的BR对碱胁迫下地上部的损失缓解效果更好。综上所述，外源BR可以通过提高碱胁迫下大麦种子萌发，提高出苗率，并且促进幼苗根系伸长和地上部的生长与干物质积累，维持地上、地下的器官稳态，有效缓解碱胁迫对大麦的伤害。第4期靳亚楠等：外源喷施油菜素内酯对碱胁迫下大麦种子萌发的影响333内蒙古民族大学学报2023年参考文献1 刘奕媺，于洋，方军.盐碱胁迫及植物耐盐碱分子机制研究 J.土壤与作物，2018，7（2）：201-211.2 GUO R，YANG Z Z，LI F，et al.Comparative metabolic responses and adaptive strategies of wheat（Triticum aestivum）to salt and alkali stress J.BMC Plant Biology，2015，15：170（1-13）.3 邓杰，李婷，蔡书婷，等.24份玉米品种萌发期耐碱性的综合评价 J.黑龙江八一农垦大学学报，2020，32（5）：1-6，89.4 PAZ R C，ROCCO R A，REINOSO H，et al.Comparative study of alkaline，saline，and mixed saline-alkaline stresseswith regard to their effects on growth，nutrient accumulation，and root morphology of Lotus tenuis J.Journal of PlantGrowth Regulation，2012，31：448-459.5 HARTUNG W，LEPORT L，RATCLIFFE R G，et al.Abscisic acid concentration，root pH and anatomy do not explaingrowth differences of chickpea（Cicer arietinum L.）and lupin（Lupinus angustifolius L.）on acid and alkaline soils J.Plant and Soil，2002，240：191-199.6 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