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不同外源物质提高盐胁迫下黄连种子及幼苗抗逆性机理研究

张春平

  土壤盐渍化是影响农业生产与生态环境的一个重要因素,由于工业的发展和人口的不断增加,农业用耕地面积越来越少,因此提高作物的单产及抗逆性成为未来农业可持续发展及环境治理所面临的重要课题。土壤盐渍化是由于长期使用含有某些难溶性盐类的水灌溉或化肥的过度使用造成的,原始土壤和生产用水对设施土壤次生盐渍化形成有重要影响,不合理的施肥、特殊的水分运行方式、不合理的种植方式都是造成设施土壤次生盐渍化的重要因素。土壤盐渍化越来越成为影响作物生长、分布和产量的非生物因素。如何能使现有的作物正常生长在盐渍生境中并能获得一定的产量,这是长期以来科研工作者要努力解决的问题。 黄连(Coptis chinensis Franch.)又名味连、川黄连、鸡爪连,为毛茛科黄连属多年生草本植物,三级渐危种,为我国著名的传统中药。黄连在四川、重庆、湖南、湖北等省均有栽培,重庆石柱是黄连的主产区之一。黄连根部有效成份小檗碱的独特药效使得黄连极具药用价值,但在长期的栽培种植过程中,由于施肥方式的单一和栽培地的局限,使得黄连栽培地土壤的理化性质发生了较大的改变,土壤的日渐盐化便是其中之一。近年来发现多种外源化学物质能够诱导植物产生抗盐性,为了深入研究外源性物质对盐胁迫下植物的具体作用,本研究中以黄连种子和幼苗为材料,选择了5-氨基乙酰丙酸(ALA)、一氧化氮(NO)供体硝普钠(SNP)、一氧化碳(CO)供体高铁血红蛋白(Hematin)、亚精胺(Spd)及水杨酸(SA)共5种外源性化学物质对NaCl模拟盐胁迫下的黄连种子萌发生理、幼苗光合特性及叶绿素荧光特性、抗氧化酶体系及保护性渗透物质、次生代谢产物等的影响做了研究,根据实验结果了解了黄连的耐盐机理,并提出了缓解盐胁迫的方法,为黄连在栽培生产中遇到的盐胁迫问题提供理论依据和解决方法,并通过一系列问题的探讨,为黄连的大面积优质推广,规范黄连的种植提供理论依据。本研究的主要结果如下: 1.不同浓度的NaCl处理对黄连种子的萌发均有不同程度的抑制作用,较低浓度的NaCl (25mmol-L-1)处理黄连种子后,各萌发指标(发芽势、发芽率、发芽指数及活力指数)的变化并不明显。但是当NaCl浓度达到50mmol·L-1时,黄连种子的各萌发指标便显著降低,随着浓度的进一步升高,各指标变化趋势相似且不断降低,当浓度为400mmol·L-1时,黄连种子的4个萌发指标均降为零,这意味着在此浓度下,黄连种子的萌发完全被抑制。当用外源性物质进行处理后,各指标均有不同程度的提高,并且每种外源物质在所设置的4个浓度梯度中,均存在着相对效果最佳的处理浓度。 2.在不同浓度NaCl模拟的盐胁迫下,黄连植株叶片的Chla、Chlb、Chl a+b、Car含量均发生了不同程度的降低,且随着胁迫程度的增大和处理时间的延长降低幅度逐渐增大。Chla/b在盐胁迫初期呈现出先升高后降低的趋势,随着胁迫时间的进一步延长,呈现出规律性的降低现象。Car/Chl(a+b)的变化则自始至终都呈现出升高的趋势,这说明盐胁迫对Chl a的伤害较Chl b更大,对总叶绿素的伤害比对Car的伤害作用更加明显。不同外源物质处理均提高了各种色素的含量,提高了Chl a/b比值,即对Chl a的含量的促进作用大于对Chl b的作用;Car/Chl a+b的比值则随着处理时间的延长呈现出降低趋势,此结果表明外源物质处理显著提高了总叶绿素含量,且提高幅度高于Car。 3.在不同浓度的NaCl胁迫下,黄连植株的的净光合速率(Pn),气孔导度(Gs)及叶片蒸腾速率(Tr)均发生下降,并且随着胁迫时间和胁迫浓度的增加,下降幅度逐渐增大,胞间CO2浓度(Ci)则呈上升趋势。这说明在盐胁迫下,黄连净光合速率降低的主要影响因素是非气孔因素。在应用外源性物质进行处理后,黄连的Pn、Gs及Tr均有不同程度的提高,Ci也有不同程度的降低,并且不同的浓度梯度存在着显著的效果差异,这说明外源物质对维持黄连幼苗叶片正常的光合作用,维持光系统的较高活性具有积极的作用。 4.黄连植株在经过盐胁迫后,黄连叶片的最大荧光(Fm)、最大光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ潜在活性(Fv/Fo). PSⅡ有效光化学效率(Fv /Fm )、PSⅡ实际光化学效率(ΦPSⅡ)、光化学淬灭系数(qP)、电子传递率(ETR)和光化学速率(PCR)和光化学反应能(P)均有不同程度的降低,而初始荧光(Fo)、非光化学淬灭系数(NPQ)、天线色素热耗散能(D)和非光化学反应耗散能(E)则呈升高趋势。上述结果说明盐胁迫显著地抑制了PS Ⅱ的功能,造成了PS Ⅱ反应中心的破坏。PS Ⅱ天线色素吸收的能量流向光化学的部分减少,以荧光形式等散失的能量增加,并且随着时间的延长,破坏程度越高。并降低了PSⅡ反应中心QA的氧化态数量,使QA→QB传递电子的能力下降,从而形成较多的QB,导致PSⅡ反应中心放氧活性降低。在经过外源性物质处理后,显著提高了黄连叶片Fm、Fv/Fm、Fv/Fo、ΦPSⅡ、 Fv /Fm、qP、ETR、PCR和P的水平,降低了Fo、NPQ、E和D的值,提高了ΦPS Ⅱ的水平,减少PSⅡ和电子传递链的过分还原,可能还增强了假循环式光合磷酸化过程,用来消耗多余的能量,保护光合器官免受过多光能而造成伤害,减轻了膜脂过氧化作用,进而缓解了盐胁迫对黄连造成的伤害。 5.盐胁迫提高了黄连幼苗叶片的相对电导率及质膜过氧化指标(H202含量、02产生速率、LOX酶活性、MDA含量)。经过5种外源物质的处理后,均显著的降低了黄连叶片膜氧化的水平,叶片的相对电导率、H202含量、02产生速率及MDA含量均显著降低,并且ALA、SNP及Hematin显著地降低了LOX的活性。Spd和SA处理对LOX的活性的影响并不明显,但是其它指标均有显著降低,这可能是两种物质缓解胁迫及膜氧化的方式与其它3种物质有所差异。 6.低浓度和中等浓度的盐处理使黄连叶片SOD酶活性在前期和中期呈显著的上升趋势,而在处理后期则呈现逐渐下降的趋势,高浓度盐处理则呈现持续下降的变化趋势,这可能是由于高浓度下SOD的防御功能已经达到极限,可能会通过其它方式进行调节。POD活性在盐处理初期随处理浓度的升高逐渐升高,在处理的中后期,中低浓度处理仍然使得活性升高,而高浓度处理则呈现出降低趋势。中低浓度的盐处理使得CAT活性呈现出逐渐升高的趋势,而高盐处理则使得CAT呈现出先升高后下降的趋势,并且在盐处理后期,CAT活性降到最低。APX活性在胁迫初期显著升高,并且随着NaCl浓度的增大,活性升高的趋势逐渐加大,中低浓度的NaCl处理呈现出先增加后降低的趋势,高浓度NaCl处理则呈现出持续下降的趋势。GR活性在低浓度NaCl处理的整个过程出现不断升高的趋势,高浓度处理在整个过程呈现出不断降低的变化趋势,而中等浓度处理则呈现出先升高后降低的变化趋势。外源物质的应用在不同的处理时期有效的提高了盐胁迫下黄连幼苗叶片SOD、POD、CAT、APX及GR活性,从而形成了较为有效的抗氧化体系,有效地清除因为膜质过氧化积累下来的活性氧,以实现缓解过氧化的目标。 7.盐胁迫下,可溶性糖在处理前期和中期均呈上升趋势,但是在处理后期呈现出下降趋势,游离脯氨酸含量在整个过程一直呈现上升趋势,可溶性蛋白在处理初期随着NaCl浓度的增大呈现出不断升高的趋势,但是随着处理时间的延长,含量均有不同程度的降低。总黄酮含量整体呈上升趋势,并且随着时间的延长呈上升趋势,处理中期和后期的差异并不显著。盐酸小檗碱在低浓度NaCl处理下含量升高,而在高浓度下(>100mmol·L-1)含量呈逐渐下降的趋势。当用外源物质进行处理后,可溶性蛋白、可溶性糖和游离脯氨酸含量均有显著的增加,并存在着浓度梯度效应。总黄酮含量也有增加,但是各处理浓度之间差异并不显著,盐酸小檗碱含量在经过外源物质处理后也有显著的升高。 8.在用外源物质进行处理盐胁迫下黄连种子及种苗的过程中,各指标出现最佳效果的时间虽略有差异,但是最佳处理浓度基本一致。种子在进行外源物质处理时,筛选出基本的最佳浓度分别是:ALA (10mg·L-I)、SNP (0.1mmol·L-1)、Hematin (0.5μmol·L-1)、Spd (0.25mmol·L-1)、SA(10mg-L-1)。黄连植株在进行处理时,最佳处理浓度分别是:ALA(50mg·L-1)、SNP (0.25mmol·L-1)、Hematin (2.0μmol·L-1)、Spd (0.50mmol·L-1)、SA(50mg·L-1)。 综上所述,5种外源物质通过提高盐胁迫下黄连种子萌发指标、植株叶片光合色素含量、抗氧化酶活性、光合参数(Pn、Gs、Tr, Fm、Fv/Fm、Fv/Fo、ΦPSⅡ、Fv /Fm、qP、ETR、PCR和P)的水平,代谢产物(可溶性糖、游离脯氨酸、可溶性蛋白质、黄酮)的含量,降低Ci、Fo、NPQ、E、D H2O2含量、O2产生速率、LOX酶活性、MDA含量等的方式缓解了盐胁迫对黄连的伤害,提高了黄连的抗盐性。……   
[关键词]:黄连;盐胁迫;外源物质;光合特性;抗逆机理
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:西南大学2012年