赤霉素对盐胁迫下泡桐种子萌发及幼苗生理特性的影响

朱秀红， 任方方， 茹广欣， 李哲静， 杨会焕， 张 威

(河南农业大学， 郑州 450002)

土壤盐渍化是全球性的难题，是影响植物生长发育的主要非生物胁迫因子[1]，大面积土壤盐碱化已成为限制农业生产和植物栽培的严峻问题之一[2]。盐胁迫对植物的危害主要表现在渗透胁迫、离子毒害、膜透性变化与生理代谢紊乱等多方面[3]。

GA3是一种植物激素，是许多种子的重要成分，在休眠调节中发挥中心作用。研究表明，外源添加一定浓度的GA3可以提高植物的耐盐性[4]，不同浓度GA3对NaCl胁迫条件下的黄芪[5]、番茄[6]和红砂[7]等植物种子萌发及幼苗生长具有不同程度的缓解效应，但对GA3在盐胁迫下林木种子的萌发及生长状况研究甚少。

泡桐(PaulowniaSieb.et Zucc)是玄参科(Scorphulariaceae)泡桐属(Paulownia)植物，落叶乔木，原产于我国，种类繁多，具有一定的耐盐能力，是重要造林树种。泡桐对世界的生态公益有重大贡献，也解决了国家木材原料稀缺的现状，同时，在农林间作上对改变小气候、提高农作物产量发挥着巨大作用。泡桐在实际生产中，一般采用埋根育苗，但由于长期采用无性繁殖，丛枝病蔓延较快，严重影响生长，且大规模繁育困难，因此可推广种子繁殖。泡桐种子极细小，初出土的幼苗娇嫩，对光、温、水、盐等外界条件敏感，因此对于种子育苗条件要求十分苛刻。倪善庆[8]、王孟筱等[9]对泡桐种子耐盐性的研究表明，泡桐种子有一定的耐盐能力，且不同采种期耐盐性不同。Liu等[10]研究表明，适宜浓度的GA3对兰考泡桐种子萌发具有促进作用。但对于经GA3处理后不同品种的泡桐种子在盐胁迫条件的响应研究甚少，本研究对不同泡桐品种种子在NaCl胁迫条件下，GA3浸种的缓解效应，以期为泡桐种子育苗提供理论指导和实践参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试泡桐品种为毛泡桐(Paulowniatomentosa(Thunb.) Steud.)、白花泡桐(Paulowniafortunei(Seem.) Hemsl.)和台湾泡桐(PaulowniakawakamiiIto)，种子均采自河南农业大学科技园区泡桐种质资源圃(34°86′N，113°5′E)。NaCl、GA3为分析纯，均购自Solarbio公司。

1.2 试验设计与处理

将3种泡桐种子消毒后冲洗干净，用滤纸将泡桐种子表面水分吸干，分别用0、100、200、400、600、1 000 mg·L-1GA3溶液浸泡12 h，再用蒸馏水冲洗3～5次后室内回干，然后采用纸上发芽法，将种子分别播于铺有两层滤纸、含有10 mL 0.3% NaCl溶液的培养皿中，每皿播50粒种子。以蒸馏水为对照(ck)，设置7个处理(表1)，每个品种均做3次重复。将种子统一置于(25±1)℃的恒温箱中萌发培养。种子培养期间，根据培养皿中水分消耗情况每天补充水分至原刻度，当胚根突破种皮接近种子等长时，即认为种子萌发，记录种子每日萌发数量，培养10 d后，计算种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数，测定根长、芽长和鲜重。继续培养10 d后，取泡桐幼苗样品用于相关生理指标测定。

表1 试验处理

1.3 测定项目与方法

1.3.1种子萌发指标测定

泡桐种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数计算参考任艳芳等[11]的方法，公式如下：

发芽率 (%)= (全部发芽种子粒数/供试种子总数) ×100%；

发芽势(%)=(第4天内发芽种子数/供试种子总数)×100%；

发芽指数=∑Gt/Dt；

活力指数=S×GI；

式中，Gt为t时间内的发芽数，Dt为相应的发芽时间(d)，S为根长度(cm),GI为发芽指数。

1.3.2幼苗生长及生理指标的测定

萌发试验结束后，从每组处理中随机取10株泡桐幼苗，用吸水纸将泡桐苗植株表面的水分吸干，使用游标卡尺测量根长和芽长，计算平均长度，以cm表示；然后用千分之一天平称其鲜重，计算平均值，以mg·株-1表示。

参照李合生等[12]的方法，SOD测定采用氮蓝四唑(NBT)光还原法，POD测定采用愈创木酚比色法，CAT测定采用紫外吸收法，MDA含量测定采用硫代巴比妥酸法，Pro含量测定采用酸性茚三酮显色法。Chl测定采用日本柯尼卡美能达SPAD-502 PLUS叶绿素仪。

注：不同小写字母表示差异达0.05显著水平。下同。图1 GA3处理对盐胁迫下泡桐种子萌发的影响Fig.1 Effects of GA3 treatment on the germination of Paulownia seeds under salt stress

1.4 数据处理

试验采用Microsoft Excel 软件进行数据记录与处理，运用SPSS 20.0软件进行单因素方差分析，使用Duncan检验进行不同处理间显著性分析(p<0.05)，结果用平均值±标准误差表示。

2 结果与分析

2.1 GA3对NaCl胁迫下泡桐种子萌发的影响

由图1可知，0.3% NaCl胁迫抑制种子萌发，不同泡桐品种受抑制程度存在显著差异，3种泡桐种子的发芽率、发芽势、发芽指数与活力指数均显著低于ck。适宜GA3浓度能有效缓解0.3% NaCl胁迫对泡桐种子萌发的抑制作用，且不同品种间存在差异。T 1～T 5处理均不同程度地提高了NaCl胁迫下3种泡桐种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数，且随着GA3处理浓度的增加，各指标均呈先升高后下降的趋势。其中，毛泡桐在T 3处理下缓解NaCl胁迫效果最明显，白花泡桐和台湾泡桐在T 4处理下缓解NaCl胁迫效果最明显(p<0.05)，3种泡桐发芽率分别较T 0处理提高了30.56%、48.28%和63.64%。

2.2 GA3对NaCl胁迫下泡桐幼苗生物量的影响

由表2可知，NaCl胁迫明显降低了3种泡桐幼苗的根长、芽长和鲜重，毛泡桐分别降低73.08%、76.00%和16.18%；白花泡桐分别降低65.33%、71.62%和9.28%；台湾泡桐分别降低81.06%、79.00%和66.67%，且各项指标降幅最大。在T 1～T 5 处理下，随着GA3浓度的增加，3种泡桐的芽长、根长和鲜重均呈先升高后降低的趋势，NaCl胁迫对根长和芽长的抑制作用在GA3处理下得到缓解，但整体仍低于ck，鲜重的缓解效果最为明显，在T 2～T 4处理下，显著高于ck(p<0.05)。

表2 GA3处理对NaCl胁迫下泡桐幼苗的影响

2.3 GA3对NaCl胁迫下泡桐幼苗抗氧化酶活性的影响

由图2可知，与ck相比，NaCl胁迫降低了3种泡桐幼苗SOD、POD和CAT的活性。在T 1～T 5处理下，随GA3浓度的升高，3种泡桐品种SOD、POD、CAT活性均呈先升高后下降的趋势。毛泡桐的SOD和POD活性在T 3处理下达到最大，分别是T 0的1.29倍和1.52倍，CAT活性在T 3处理下最大，是T 0的1.62倍，且与T 4处理下无显著差异；白花泡桐的SOD和POD活性在T 4处理下达到最大，分别是T 0的1.24倍和2.04倍，CAT活性在T 4处理下最大，是T 0的1.84倍，且与T 3处理无显著差异；台湾泡桐的SOD、POD和CAT活性均在T 4处理下最大，分别是T 0的1.19倍、1.47倍和2.85倍。

图2 GA3对NaCl胁迫下泡桐幼苗SOD、POD和CAT 活性的影响Fig.2 Effects of GA3 on SOD, POD and CAT activities in Paulownia seedlings under NaCl stress

2.4 GA3对NaCl胁迫下泡桐幼苗MDA含量的影响

由图3可知，NaCl胁迫使3种泡桐幼苗MDA含量明显增加(p<0.05)，与ck处理相比，毛泡桐、白花泡桐和台湾泡桐分别提高1.44倍、1.45倍和2.28倍。GA3浸种处理降低了NaCl胁迫下3种泡桐幼苗中MDA含量，且随着GA3处理浓度的增加，幼苗中MDA含量呈先降低后增加的趋势。T 1～T 5处理中，毛泡桐和台湾泡桐分别在T 3和T 4处理下最低；白花泡桐在T 4处理下最低，与T 3无显著差异。

图3 GA3对盐胁迫下泡桐幼苗MDA含量的影响Fig.3 Effects of GA3 on SOD,POD and CAT activities in Paulownia seedlings under NaCl stress

2.5 GA3对NaCl胁迫下泡桐幼苗Pro含量的影响

由图4可知，NaCl胁迫下，3种泡桐幼苗中Pro含量均明显增加，与ck相比，毛泡桐、白花泡桐和台湾泡桐幼苗内Pro含量分别增加了1.31倍、1.07倍和1.36倍(p<0.05)。GA3处理进一步促进Pro含量的提高，在T 1～T 5处理下3种泡桐幼苗内Pro含量呈先上升后下降的趋势，毛泡桐在T 3处理下达到最大，白花泡桐和台湾泡桐在T 4处理下达到最大，且整体都高于ck处理。

图4 GA3对盐胁迫下泡桐幼苗Pro含量的影响Fig.4 Effects of GA3 on Pro content in Paulownia seedlings under NaCl stress

2.6 GA3对NaCl胁迫下泡桐幼苗Chl含量的影响

由图5可知，NaCl胁迫下，3种泡桐Chl的含量(p<0.05)显著降低，毛泡桐、白花泡桐和台湾泡桐分别降低24.84%、22.65%和15.27%，在T 1～T 5处理下，3种泡桐Chl含量得到不同程度的恢复，均呈先升高后降低的趋势，毛泡桐在T 3处理下达到最大，是T 0的1.15倍，白花泡桐和台湾泡桐在T 4处理下达到最大，是T 0的1.10倍和1.31倍，但整体都低于ck处理。

图5 GA3对盐胁迫下泡桐幼苗Chl含量的影响Fig.5 Effects of GA3 on Chl content in Paulowniaseedlings under NaCl stress

3 讨论与结论

3.1 NaCl对植物种子萌发的影响

发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数等指标可作为种子萌发期耐盐性鉴定指标，NaCl胁迫是影响植物生长和产量的主要原因，另一原因就是内源激素含量及其比值的变化，多种激素通过相互协同和拮抗作用也会对植物生长发育起调控作用。本试验中，3个泡桐品种在0.3% NaCl胁迫下，发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数均显著降低。徐蓉蓉等[14]研究表明，在NaCl胁迫下，蒙古黄芪和扁茎黄芪种子的发芽率降低，且扁茎黄芪降幅更大，耐盐性低于蒙古黄芪，说明同属植物不同种之间也存在差异。孙若峥等[15]研究表明，盐胁迫下，杨树植物体内ABA含量升高，而GA3等其他激素含量下降。本试验在0.3% NaCl胁迫下，台湾泡桐各指标降幅最大，白花泡桐次之，毛泡桐降幅最小，即3种泡桐耐盐能力强弱为：毛泡桐>白花泡桐>台湾泡桐，与其研究结果相似。且这种差异可能是因为盐胁迫阻碍了GA3的合成和转化，引起的植物体内源激素含量和比值不平衡[16]。

3.2 GA3对NaCl胁迫下植物种子萌发及幼苗生长的影响

GA3是植物体内重要的生长调节物质，对植物种子萌发、营养生长和抵抗逆境胁迫等方面都发挥重要作用。孙彬等[17]研究表明，100 mg·L-1的NaCl胁迫对碱茅种子萌发的抑制作用较为明显，随着GA3浓度升高，各萌发指标出现先升高后下降的趋势。本试验利用不同浓度GA3对0.3% NaCl胁迫下的3种泡桐种子进行浸种12 h处理，萌发指标、幼苗根长、芽长和鲜重均呈先升高后下降的趋势，且根长和芽长各趋势变幅不同，说明不同品种泡桐在盐胁迫下对赤霉素的敏感程度不同，同一泡桐品种的不同部位对赤霉素的敏感程度也不同，整体而言，毛泡桐在400 mg·L-1GA3处理时、白花泡桐和台湾泡桐在600 mg·L-1GA3处理时，缓解效果最佳。结果表明，适宜浓度的GA3浸种可调节内源激素含量的变化及其比值平衡，可以缓解盐胁迫对泡桐种子造成的伤害，且不同品种缓解所需最佳GA3浓度不同。该结论与前人研究结果一致。

3.3 GA3对NaCl胁迫下植物抗氧化酶活性及MDA含量的影响

植物种子萌发过程中，植物体内的相关酶活性提高，细胞内活性氧的产生和清除始终处于一种动态的平衡，当受到高低温、干旱、盐碱和重金属等非生物胁迫时，植物体内活性氧的产生速度加快，平衡被打破，细胞内活性氧急剧累积而损害细胞，SOD是活性氧清除反应过程中发挥重要作用的抗氧化酶，能将O2-·快速歧化为H2O2和O2，生成的H2O2在CAT和POD等的作用下转变为H2O和O2，使植物细胞免受O2-·的氧化损伤[18]。MDA是活性氧启动膜脂过氧化过程中的主要产物之一，其含量高低是衡量植物在逆境胁迫下活性氧伤害程度的常用指标，盐胁迫下MDA累积导致膜结构发生变化，会影响膜的流动性和通透性，对植物造成伤害[19]。朱金芳等[20]研究表明，当盐胁迫达到150 mmol·L-1时，中国柽柳SOD、POD和CAT 酶活性均显著降低，MDA含量升高，植物膜脂过氧化作用增强，细胞膜结构被破坏，植物生长受到抑制。本试验在0.3% NaCl胁迫下，毛泡桐、白花泡桐和台湾泡桐3种泡桐植物体内的SOD、POD、CAT活性均显著下降，MDA含量升高。说明NaCl胁迫使泡桐幼苗受到严重的氧化损伤，与前期对于泡桐1201幼苗的研究结果一致[21]。经不同浓度GA3处理后，SOD、POD和CAT活性均呈现先升高后降低的趋势，减少了MDA的积累，毛泡桐在400 mg·L-1GA3处理效果最明显，白花泡桐和台湾泡桐在600 mg·L-1GA3处理效果最明显。结果表明，用适宜浓度GA3浸种可提高逆境胁迫下泡桐体内抗氧化酶活性来增强对活性氧的清除能力，提高抗逆性，缓解来自外界的氧化损伤，维持细胞膜结构和功能的稳定，这与前人在甘蓝[22]、板蓝根[23]方面的研究结果一致。

3.4 GA3对NaCl胁迫下植物幼苗Pro含量的影响

Pro是植物体内重要的渗透调节物质，植物体平衡渗透势是通过增减调节物质来维持的，具有多种生物功能，参与渗透调节、蛋白质构成、保护细胞膜完整性、稳定酶和蛋白质以及清除自由基，Pro累积量与植物对胁迫的耐受能力成正相关[24]。正常条件下Pro在植物体内含量极低，但在盐胁迫条件下会显著增高，这主要是植物为了应对盐胁迫而自我调节的一种保护方式，促使生理代谢过程中酶和细胞膜结构免受逆境伤害[25]。张丽丽等[26]研究表明，外源GA3处理可以提高水稻幼苗NaCl胁迫下Pro含量。本研究表明，在0.3%的盐胁迫下，3种泡桐品种的Pro含量均升高，经GA3浸种处理后，Pro含量先上升后下降，但整体仍略高于正常状态下泡桐植物体内的Pro含量，说明不管是盐胁迫还是GA3处理，都会影响泡桐植物体内的渗透势。

3.5 GA3对NaCl胁迫下植物幼苗Chl含量的影响

高添乐等[27]认为，Chl是植物进行光合作用的重要物质，其含量的多少对植物光合作用有着重要影响，在一定程度上能反映植物同化物质的能力，在盐胁迫下，植物叶片内Chl会遭到破坏，抑制Chl的合成或促进其分解。尚娜等[28]研究表明，随着盐胁迫浓度增加，植物叶片的Chl含量降低，且浓度越高下降趋势越明显，GA3的施加同样使Chl含量降低。本研究表明，盐胁迫下，3种泡桐Chl含量均降低，经GA3处理后，随其浓度增大，Chl含量先升高后下降，但整体仍低于正常状态，这与上述研究结果一致。

综上所述，0.3% NaCl胁迫显著降低了毛泡桐、白花泡桐和台湾泡桐3种泡桐种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数，使幼苗中SOD、POD、CAT活性显著降低，MDA含量和Pro含量上升，Chl含量下降，且毛泡桐降幅最小，台湾泡桐降幅最大，耐盐性强弱为：毛泡桐>白花泡桐>台湾泡桐。在0.3% NaCl胁迫下，经不同浓度的GA3浸种12 h处理后，随浓度的升高，3种泡桐品种种子的萌发指标、幼苗抗氧化酶活性和Pro含量呈现先升高后下降的规律，MDA含量先降低后上升，Chl含量得到部分恢复。说明一定浓度的GA3处理可以缓解盐胁迫对泡桐种子和幼苗的影响，提高泡桐的耐盐性，且不同品种间存在差异，毛泡桐、白花泡桐和台湾泡桐分别在400、600 mg·L-1和600 mg·L-1GA3处理条件下有最大促进作用。因此，外源GA3浸种可作为提高泡桐种子建植期耐盐性的一种方法，这为后期利用种子繁育提供一定的理论依据，但本试验对于外源GA3提高泡桐种子萌发性的内在机理未有深入研究，是下一步继续探究和学习的重要方向。