2018, Vol. 26
2. 贵州省山地珍稀动物与经济昆虫重点实验室, 贵阳 550005
2. Guizhou Provincial Key Laboratory for Rare Animal and Economic Insect of the Mountainous Region, Guiyang 550005, China
黄秋葵(Abelmoschus esculentus)为锦葵科(Malvaceae)秋葵属一年生草本植物，是一种药食兼用型保健蔬菜[1-2]。该物种起源于非州，西非地区的野生资源最为丰富[3]。黄秋葵富含各种维生素和矿物质，其根、茎、叶和花皆可入药[4]。基于重要的食用和药用价值，近年来黄秋葵成为国内外研究的热点。
干旱是当前农业生产中面临的严峻问题，缺水会抑制植物的生长、代谢，进而降低产量，造成巨大的经济损失[5]。Clavel等[6]研究表明，干旱对作物生长的影响取决于作物的生长时期和水分胁迫的程度。Wang等[7]的研究表明，干旱胁迫会抑制水稻(Oryza sativa)幼苗的生长，显著降低茎和叶的干重。Lemoine等[8]的研究表明，干旱胁迫对植物地上部分的影响要高于地下部分。黄秋葵为热带作物，虽具有一定的耐旱性，但水分对黄秋葵种子萌发仍至关重要，缺水同样也会影响幼苗的生长和发育。韦吉等[9]研究表明，干旱胁迫下结荚期黄秋葵叶片的相对含水量和叶绿素含量下降，离体失水率、相对电导率、游离脯氨酸和可溶性蛋白质含量升高。Haq等[10]研究表明，黄秋葵苗期和整个生育期的耐盐特性无差异，说明苗期耐盐材料的筛选可作为种质资源抗性鉴定的重要基础，从而缩短育种进程。目前，关于黄秋葵抗干旱胁迫的研究较少，尚不明确其生理和分子机制。本研究采用不同浓度PEG-6000模拟干旱胁迫，探讨干旱胁迫对杂交黄秋葵‘纤指’和‘红秋葵’种子萌发和幼苗生理特性的影响，为揭示黄秋葵对干旱胁迫的应答机制提供参考依据。
1 材料和方法 1.1 材料黄秋葵(Abelmoschus esculentus)杂交品种‘纤指’种子由浙江省农业科学院提供，‘红秋葵’种子由湖南省农业科学院提供。PEG-6000溶液为模拟干旱胁迫处理剂，购自于贵州恒英试剂公司。
1.2 干旱胁迫PEG-6000浓度分别设为5%、10%、15%和20%，共4个干旱胁迫处理。以清水浸种为对照，每处理5次重复。
1.3 种子萌发2个黄秋葵品种各随机选取500粒大小一致、饱满种子，用5%次氯酸溶液消毒后，再用蒸馏水冲洗3次，摆放在铺有两层滤纸的培养皿内，每个培养皿20粒种子，种子的3/4浸没于处理溶液中。培养皿在光照培养箱(25℃)中发芽，光照12 h d–1, 相对湿度为(70±1)%。每隔3 d换1次液体，从种子置床至第6天，每天测定种子吸水量，并记录发芽种子数。
在种子萌发期测定种子的吸水量、发芽率、发芽势、根长、下胚轴长、苗鲜重和干重，并计算发芽指数、活力指数、简易活力指数和旱害率。每处理随机选取10粒种子或幼苗进行测量，取平均值。
吸水量(%)=(Wi-W)/W，发芽率(%)=第7天发芽的种子数/供试种子数×100%，发芽指数=∑Gt/ Dt, 发芽势(%)=3 d内发芽种子数/供试种子数× 100%，活力指数=S×∑Gt/Dt，简易活力指数=S×发芽率，旱害率(%)=(对照值-处理值)/对照值× 100%，式中，Wi为第i天的种子质量(g)，W为种子的干质重(g)；Gt为置床后t日的发芽数，Dt为相应的发芽天数；S为苗鲜重。
1.4 幼苗生理生化指标测定种子萌发第6天取幼苗叶片测量生理生化指标。采用考马斯亮蓝法[11]测定可溶性蛋白含量，采用蔥酮比色法[12]测定可溶性糖含量，采用茚三酮法[9]测定游离脯氨酸含量。参照石芸[13]的方法测定MAD含量和POD活性，参照Hwang等[14]的方法稍改进测定SOD活性，KMnO4滴定法[13]测定CAT活性。每处理均5次重复。
1.5 统计分析试验数据采用Excel 2010进行统计整理，采用SPASS 10.0进行分析, 以P < 0.05和P < 0.01分别表示处理间差异显著和极显著。
2 结果和分析 2.1 对种子吸水量的影响由图 1可看出，干旱胁迫下，黄秋葵两品种的种子吸水率总体上均明显低于其对照，且种子的吸水率随PEG-6000浓度的增加而降低。20% PEG- 6000处理‘红秋葵’种子吸水率持续降低，其余处理的吸水率均呈先上升后下降再升高的变化趋势; ‘纤指’的种子吸水率均呈先上升后下降再上升的变化趋势，这说明干旱胁迫会抑制黄秋葵种子对水分的吸收，降低其吸水率。
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图 1 ‘红秋葵’(A)和‘纤指’(B)种子在PEG-6000处理下的吸水率 Fig. 1 Water absorbing rate of 'Red okra' (A) and 'Qianzhi" (B) seeds treated by PEG-6000 |
由表 1可知，‘纤指’和‘红秋葵’种子的发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数、简易活力指数和幼苗的下胚轴长、根长、苗鲜重和苗干重均随着PEG-6000浓度的增加而降低。在PEG-6000浓度为20%时，‘纤指’和‘红秋葵’种子均未发芽，当PEG-6000浓度为15%时，‘红秋葵’种子的发芽势为0。‘纤指’种子的发芽率和活力指数和‘红秋葵’种子的发芽率、发芽指数和活力指数在不同处理间均差异显著(P < 0.05)；与对照相比，在PEG-6000浓度为5%和10%时，‘纤指’种子的发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数、简易活力指数和苗下胚轴长的下降幅度明显高于‘红秋葵’；而在PEG-6000浓度为20%时则是‘纤指’的明显低于‘红秋葵’。在PEG-6000浓度低于15%时，‘纤指’幼苗根长和鲜重的下降幅度均高于‘红秋葵’。这说明干旱胁迫抑制了黄秋葵种子的萌发和幼苗的生长，重度胁迫(20%的PEG-6000)下黄秋葵种子不能萌发。
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表 1 干旱胁迫下黄秋葵种子萌发性状的变化 Table 1 Changes in seed germination of two okra varieties under drought stress |
由表 2可以看出，‘纤指’和‘红秋葵’各性状的旱害率随PEG-6000浓度的增加而增加。PEG-6000浓度为5%和10%时，‘纤指’各性状的旱害率明显高于‘红秋葵’；PEG-6000浓度为20%时，‘纤指’种子的发芽势、发芽率、发芽指数、苗干重的旱害率却低于‘红秋葵’。PEG-6000浓度为5%~10%时，‘纤指’各性状旱害率的增加幅度明显高于‘红秋葵’, PEG- 6000浓度为10.00%~15.00%时，‘纤指’的增加幅度明显低于‘红秋葵’。这说明干旱胁迫越严重，对黄秋葵种子萌发的抑制作用也越强。总体而言，干旱胁迫对‘纤指’种子萌发的抑制作用要低于‘红秋葵’。
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表 2 干旱胁迫下黄秋葵性状的旱害率(%) Table 2 Drought-injury rate (%) of traits of two okra varieties under drought stress |
结果表明(表 3)，‘纤指’和‘红秋葵’幼苗叶片的可溶性糖、可溶性蛋白、游离脯氨酸、丙二醛含量均随着PEG-6000浓度的增加而增加。5%、10%和15% PEG-6000处理的‘纤指’幼苗叶片可溶性糖含量与对照差异显著，但处理间差异不显著。PEG- 6000浓度为10%和15%时，‘纤指’幼苗叶片的可溶性蛋白含量与对照差异显著，但PEG-6000浓度为5%的与对照差异不显著。在PEG-6000浓度为5%时，‘纤指’幼苗叶片的游离脯氨酸含量与对照差异不显著，但PEG-6000浓度为10%和15%时则与对照差异极显著。PEG-6000处理的‘纤指’幼苗叶片丙二醛含量均差异显著，且PEG-6000浓度为10%和15%的与5%和对照的均差异极显著。这说明干旱胁迫会提高黄秋葵幼苗细胞内含物的含量，但轻度胁迫时(PEG-6000浓度为5%)时增加不明显。
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表 3 干旱胁迫下黄秋葵幼苗叶片的可溶性蛋白、游离脯氨酸、可溶性糖和丙二醛含量 Table 3 Soluble protein, proline, soluble sugar and malondialdehyde contents in seedling leaves of two okra varieties under drought stress |
在PEG-6000浓度为5%时，‘红秋葵’幼苗叶片的可溶性糖含量与对照差异不显著，但PEG-6000浓度为10%和15%时与对照和5%的均差异极显著。PEG-6000处理的‘红秋葵’幼苗叶片可溶性蛋白含量均差异显著，且PEG-6000浓度为10%和15%的与对照和5%的均差异极显著。在PEG-6000浓度为5%时，‘红秋葵’幼苗叶片的游离脯氨酸含量与对照差异不显著，但PEG-6000浓度为10%和15%时与对照和5%的均差异极显著。PEG-6000处理的‘红秋葵’幼苗叶片丙二醛含量与对照均差异极显著。与对照相比，在PEG-6000浓度为5%时，‘纤指’幼苗叶片的可溶性糖、可溶性蛋白、游离脯氨酸和丙二醛含量增加幅度明显高于‘红秋葵’。与对照相比，在PEG-6000浓度为10%和15%时，‘纤指’幼苗叶片的可溶性糖、可溶性蛋白、游离脯氨酸和丙二醛含量增加的幅度明显低于‘红秋葵’。这说明干旱胁迫下, ‘纤指’幼苗叶片的细胞内含物的含量高于‘红秋葵’, 表现出较强的耐旱性。
2.5 对SOD、POD和CAT活性的影响从表 4可见，‘纤指’和‘红秋葵’幼苗叶片的SOD、POD和CAT活性均随PEG-6000浓度的增加而显著增加。‘纤指’幼苗叶片的SOD、POD和CAT活性在处理间均差异极显著。‘红秋葵’幼苗叶片的SOD活性在处理间均差异极显著。PEG-6000浓度为5%时，‘红秋葵’幼苗叶片珠POD和CAT活性与对照差异不显著，但其余处理间均差异极显著。与对照相比，在PEG-6000浓度为5%时，‘纤指’幼苗叶片的SOD、POD和CAT活性的增加幅度明显高于‘红秋葵’。与对照相比，在PEG-6000浓度为10%和15%时，‘纤指’幼苗叶片的SOD、POD和CAT活性的增加幅度明显低于‘红秋葵’。这说明干旱胁迫会影响黄秋葵幼苗叶片的抗氧化酶活性，但对不同品种黄秋葵幼苗叶片的影响程度有所不同。
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表 4 干旱胁迫下黄秋葵的SOD、POD和CAT活性 Table 4 Activities of SOD, POD and CAT in seedling leaves of two okra varieties under drought stress |
本研究结果表明，用不同浓度(5%、10%、15%和20%)的PEG-6000溶液模拟干旱胁迫，黄秋葵2品种种子的吸水率、发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数、简易活力指数和幼苗的下胚轴长、根长、鲜重和干重均随干旱胁迫程度增加呈降低的趋势, 其旱害率随着胁迫程度增加而增加。这说明干旱胁迫明显抑制黄秋葵种子的萌发，且影响程度与干旱程度相关，这与Altaf等[15]的研究结果相同。由于影响植物生长发育的细胞因子、生理生化作用等与干旱胁迫因子间的互作十分复杂，因此，造成植物对干旱胁迫的响应也十分复杂[16]。干旱胁迫会使植物叶片气孔关闭，抑制细胞延展和生长，破坏细胞结构，中断酶的合成反应，严重的干旱胁迫会终止光合作用，最终导致植物死亡。本研究结果表明, 重度干旱胁迫会导致黄秋葵种子不能萌发或者幼苗死亡，但黄秋葵两品种对轻度干旱胁迫均具有一定的耐性，PEG-6000浓度为5%和10%时，‘红秋葵’幼苗对干旱胁迫的抗性强于‘纤指’，而PEG-6000浓度15%时则弱于‘纤指’，提示不同品种黄秋葵对干旱胁迫的响应可能不同，导致其适应的胁迫程度不同。
本研究结果表明，‘纤指’和‘红秋葵’幼苗叶片的SOD、POD和CAT活性和可溶性蛋白、可溶性糖、游离脯氨酸、丙二醛含量随PEG-6000浓度的增加而增加，这与Rabert等[17]的研究结果一致，同时也与水稻[18]、玉米(Zea mays)[19]等作物的研究结果相似。Manivannan等[20]研究表明，SOD可增强植物对水分胁迫的耐受力，同时SOD和CAT的协同作用可将O2·和H2O2转换成水和分子态氧，从而避免细胞因缺水而破损。植物细胞内游离脯氨酸和可溶性蛋白的积累可能起渗透调节作用，是对干旱胁迫引起伤害的反映。丙二醛含量反映植物细胞膜质的过氧化程度[21]，干旱胁迫条件下，黄秋葵丙二醛含量增加，说明其细胞膜质过氧化程度较高，细胞膜受损。干旱胁迫会引起细胞内活性氧的爆发，从而引起细胞内的代谢紊乱，因此，植物可能通过提高其抗氧化能力来抵御干旱胁迫对植物细胞的伤害。本研究仅初步研究了干旱胁迫对黄秋葵种子萌发、幼苗细胞内含物含量和抗氧化酶活性的影响，后续将研究抗旱相关基因的表达模式，以进一步揭示黄秋葵对干旱胁迫的应答机制。
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