喷施茉莉酸甲酯对干旱胁迫下狗牙根生理特性的影响
时间：2023-01-20 12:05:10 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
孙晓梵， 张一龙， 李培英，2，3*， 孙宗玖，2，3
(1.新疆农业大学草业学院， 新疆 乌鲁木齐 830052；
2. 新疆草地资源与生态自治区重点实验室， 新疆 乌鲁木齐 830052；
3. 西部干旱区草地资源与生态教育部重点实验室， 新疆 乌鲁木齐 830052)
近年来，干旱胁迫因发生频率高、范围广、持续时间长而成为影响我国农业生产最严重的气象灾害之一[1]。干旱胁迫可以从物候、形态到分子水平不同层次上影响植物生长发育[2]，使植株出现萎蔫、光合作用减弱、体内生化代谢紊乱等现象[3]。采取一定措施减轻干旱对幼苗伤害，提高幼苗抗旱性，对植物生产具有重要意义，因而探讨使用植物激素、信号分子、微量元素等外源物质是否能提高植物抗旱性研究有待开展。
MeJA是茉莉酸经甲酯化形成的一种环戊酮衍生物，被普遍认为是一种很有前途的提高植物对逆境胁迫耐受性的植物生长调节剂[4]。作为天然植物成分，具有对人体无毒、环境友好以及微量高效等特点[5]。近年研究发现MeJA可以提高棉花(Gossypiumspp)[6]、水稻(Oryzasativa)[7]、玉米(Zeamays)[8]、小麦(Triticumaestivum)[9]等植物的耐旱、耐盐害的能力。Wu等[10]研究发现MeJA处理干旱胁迫下的花椰菜(Brassicaoleracea)可以提高叶片的相对含水量、叶绿素含量以及抗氧化酶的活性，从而缓解干旱胁迫对其造成的不利影响。Munemasa等[11]研究发现花后喷施MeJA可显著提高干旱胁迫下大豆(Glycinemax)植株叶片超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)、过氧化物酶(Peroxidase，POD)等抗氧化酶的活性，增加干旱胁迫下产量和收获指数。研究结果表明MeJA在调节高羊茅镉胁迫中具有重要作用[12]，但对草坪草抗旱性的影响及作用机制研究较少。对于草坪草而言，干旱胁迫降低了其草坪质量，影响其在城市绿地、园林绿化及运动场的基本功能，导致巨大的经济损失[13]。狗牙根(Cynodondactylon)是一种C4型禾本科植物，适应在气候炎热、干旱环境种植，且一般认为它比其他暖型草坪草具有更好的抗旱性[14]。为了促进其推广应用，响应园林绿化对草坪节水抗旱需求，有必要探讨通过外源物质添加减轻其在干旱下景观受损，进而减少灌溉频率，实现节水目的。因此，本研究以‘新农1号’狗牙根[Cdactylon(L.)Pers.‘Xinnong No.1’]为材料，研究干旱下叶片喷施MeJA对狗牙根幼苗的脂膜稳定性、抗氧化系统活性、以及渗透调节物质含量有何影响，明确其是否能提高狗牙根抗旱性，以及作用机制，为生产中提高狗牙根抗旱性提供可用技术措施。
1.1 实验材料
试验所采用的狗牙根‘新农1号’，2019年采自新疆农业大学三坪农场。茉莉酸甲酯(Methyl Jasmonate，MeJA)购自Sigma公司。将狗牙根种子均匀播种在花盆(口径14 cm，高度14 cm)中，播量为每盆0.3 g。每盆装土壤1.2 kg(花土∶河沙∶草炭土=2∶2∶1)，土壤有机质含量为14.35%，土壤碱解氮含量为121.98 mg·kg-1，土壤速效磷含量为14.91 mg·kg-1，土壤速效钾含量为92.45 mg·kg-1。通过定量浇水、遮雨处理45 d后，试验材料达到成坪状态，开始进行实验。
1.2 试验设计
预实验发现，喷施0.75 μmol·L-1MeJA可以延缓狗牙根在自然干旱下的叶片枯黄，因而选定作为MeJA的处理浓度。试验在2020年7—8月，新疆农业大学草业与环境学院楼侧试验地进行，试验设置4个处理包括正常灌溉+喷蒸馏水(CK)、正常灌溉+喷MeJA(M)、干旱+喷蒸馏水(D)、干旱+喷MeJA(DM)，每个处理8盆。在干旱处理前连续3天在下午16时进行喷施MeJA或蒸馏水。采用手摇喷雾器均匀喷施到试验狗牙根叶片正反面，叶面全部湿润无液滴滴下为宜，进行充分灌溉后开始进行干旱处理。CK，M进行正常灌溉，D，DM不灌溉，晚上进行遮盖处理防止下雨以及晨露提供水分。通过在干旱胁迫第0，7，14 d以及复水7 d后进行取样测定。通过水分测定，干旱7 d时为中度干旱，干旱14 d时为重度干旱。
1.3 测定指标与方法
体积土壤含水量(Volume water content，VWC)采用MP 508土壤水分传感器测定，参考黄吕勇[15]的方法，利用土壤含水量(Soil water content，SWC)与VWC的拟合方程进行SWC的计算。草坪质量(Turf quality，TQ)参照美国草坪草评价体系(National turfgrass evaluation program，NTEP)标准[16]，以草坪的密度、色泽、质地、均一性进行评分，最好质量为9级，死亡或枯黄草坪为0级，6级为可接受的正常草坪。
相对含水量(Relative water content，RWC)采用饱和称重法[17]。相对电导率(Relative electric conductivity，REC)采用电导仪法，用DDS-307型电导率仪测定。
抗氧化酶活性测定：SOD采用氮蓝四唑光化还原法、POD采用愈创木酚法、CAT采用过氧化氢还原法进行测定。采用上海优选生物有限公司试剂盒测定过氧化氢(Hydrogen peroxide，H2O2)含量。
采用硫代巴比妥酸法测定丙二醛(Malondialdehyde，MDA)含量[18]。采用蒽酮比色法进行可溶性糖(Soluble sugar，SS)含量的测定[19]。采用考马斯亮蓝法进行可溶性蛋白(Soluble protein，SP)含量的测定[18]。
1.4 数据处理
通过Microsoft Excel 2016进行数据预处理，采用SPSS 21.0软件中One-way ANOVA进行每个取样时间4个处理间方差分析，并用Duncan法进行处理间平均数比较，显著性水平的判断依据为P<0.05。最终Origin 2018进行图的制作。
2.1 干旱和复水过程中土壤含水量的变化
由图1可知，干旱处理0 d，各处理土壤含水量为38.33%～40.32%，且处理间无显著差异，说明干旱处理前各处理土壤水分条件保持一致。干旱7 d时，2个干旱处理含水量分别为21.86%和22.26%(土壤相对含水量为56%左右)，且二者间无显著差异，但显著低于2个正常灌溉处理(P<0.05)。干旱处理14 d时，2个干旱处理土壤含水量降低到12.56%左右(土壤相对含水量为32%左右)。复水后2个干旱处理土壤含水量得到一定恢复，但仍然显著低于正常灌溉处理。
2.2 MeJA喷施对干旱及复水下狗牙根草坪质量及叶片相对含水量的影响
图2a可示，2个正常灌溉处理草坪质量维持在8～8.5分之间，且二者间无显著差异；
而干旱处理D和DM随干旱时间延长，草坪质量呈逐渐降低趋势。但与干旱处理(D)相比，干旱下喷施MeJA(DM)处理在干旱第14 d时草坪质量显著提高18.18%。复水后2个干旱处理的草坪质量均得以恢复，与正常灌溉无显著差异。
图1 干旱胁迫及复水对土壤含水量的影响Fig.1 Effects of drought and rewatering on soil water content (SWC)注：不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，大写字母CK，M，D，DM分别表示正常灌溉+无茉莉酸甲酯、正常灌溉+茉莉酸甲酯、干旱+无茉莉酸甲酯、干旱+茉莉酸甲酯、，数字0,7,14,R-7分别代表第0 d、7 d、14天、复水7天后的处理天数，下同Note:Different lowercase letters indicate significant difference between Treatments (P<0.05). CK,M,D,DM indicate normal irrigation + No-MejA,normal irrigation + MejA,drought + No-MejA,and drought + MejA,respectively,the numbers 0,7,14 and R-7 represent 0,7,14 days after treatment and 7 days after rewatering,respectively. The same as below
由图2b可知，在各取样时间，CK,M处理叶片相对含水量维持在85.67%～89.15%，且二者间无显著差异。2个干旱处理随干旱时间延长叶片相对含水量呈逐渐降低趋势；
干旱7 d，二者间叶片相对含水量无显著差异，但干旱14 d和复水7 d时DM处理叶片相对含水量较D处理分别显著高24.36%和7.44%，说明喷施MeJA可在干旱下促进狗牙根叶片含水量的维持，保证细胞内环境的稳定，且复水后也表现为更好地恢复。
图2 干旱及复水下MeJA对狗牙根草坪质量和叶片相对含水量的影响Fig.2 Effect of MeJA on turf quality and relative water content of bermudagrass seedlings under drought and rewatering
2.3 MeJA喷施对干旱及复水下狗牙根幼苗叶片相对电导率和丙二醛的影响
由图3a可知，干旱及复水下，CK和M处理叶片EL维持在9.45%～13.39%，且两个处理间无显著差异；
而干旱胁迫的D和DM处理随干旱程度加剧其叶片EL呈逐渐上升趋势，且DM处理叶片细胞膜质受害较轻，在干旱第7，14 d及复水后EL均显著低于D处理(P<0.05)，其值分别低13.02%，12.45%和27.88%。
由图3b可知，干旱及复水下，CK和M处理叶片MDA含量维持在8.08～11.16 μmol·g-1，且2个处理间无显著差异；
但D和DM处理随干旱胁迫加剧MDA含量呈逐渐上升，在干旱第7 d和14 d时DM处理MDA含量较D处理分别显著下降25.87%，21.30%，而复水后各处理间MDA含量虽有差异，但没达到显著水平。
图3 干旱及复水下MeJA对狗牙根相对电导率和丙二醛含量的影响Fig.3 Effect of MeJA on electrolyte leakage and MDA content of bermudagrass seedlings after drought and rewatering
2.4 MeJA喷施对干旱及复水下狗牙根叶片H2O2含量及抗氧化酶活性的影响
如图4a所示，干旱处理7 d，各处理间H2O2含量出现显著差异(P<0.05)，且D较CK处理H2O2含量高20.96%；
干旱14 d时，D和DM处理H2O2含量进一步上升，显著高于CK和M处理，但DM处理比D处理H2O2含量降低19.12%。
干旱0 d，4个处理间POD活性(图4b)无显著差异。随干旱加剧，各处理间POD活性均呈上升趋势，干旱14 d时达到峰值，且复水后其活性降低。干旱第7 d，14 d和复水后，DM较D处理POD活性显著提高36.26%，38.12%和23.53%。说明喷施MeJA可显著提高干旱胁迫下狗牙根POD活性。
干旱0 d，4个处理间CAT活性(图4c)无显著差异；
干旱14 d时，CK与M间CAT活性无显著差异，但显著低于DM和D处理，且DM处理较D处理CAT活性显著高52.37%(P<0.05)。复水后，DM处理的CAT活性仍保持活跃，较D处理高48.97%。
狗牙根叶片SOD活性(图4d)随干旱程度加剧，呈先升后降趋势，表现为干旱7 d达到峰值，且DM较D处理SOD活性显著提高16.76%。干旱14 d时，2个干旱处理SOD活性显著高于2个正常灌溉处理，但DM与D处理间无显著差异。复水后SOD活性进一步降低，表现为与干旱0 d基本相同。
图4 干旱及复水下MeJA对狗牙根H2O2含量及抗氧化酶活性影响Fig.4 Effect of MeJA on antioxidant enzyme activities and H2O2content of bermudagrass seedlings under drought and rewatering
2.5 MeJA喷施对干旱及复水下狗牙根渗透调节物质的影响
从图5a可以看出，狗牙根叶片可溶性蛋白(SP)含量随干旱程度加剧，呈先升后降趋势。干旱0 d时各处理间可溶性蛋白含量无显著差异，维持在31.78～35.38 mg·g-1左右；
干旱7 d达到峰值，但DM和D处理在各取样节点均无显著差异。
由图5b可知，在干旱0 d时可溶性糖(SS)含量差异不显著，维持在12.54～13.66 mg·g-1左右。干旱第7 d，D处理SS含量开始小幅上升，显著比DM处理提高20.78%；
干旱14 d时，SS含量达到峰值，且DM处理显著高于D处理(P<0.05)20.56%。复水后各处理SS含量显著下降且恢复至对照水平。
图5 干旱及复水下MeJA对狗牙根可溶性蛋白、糖的影响Fig.5 Effect of MeJA on SP and SS content of bermudagrass under drought and rewatering
根据图6b得知，4个处理间狗牙根叶片总氮含量在干旱0，7 d以及复水后均无显著差异，维持在2.11～2.76 g·kg-1。干旱14 d时，D处理显著低于正常灌溉处理，DM处理虽叶片总氮含量测定值高于D处理，但差异不显著。
图6 干旱及复水下MeJA对狗牙根硝态氮、全氮含量的影响Fig.6 Effect of MeJA on and total nitrogen content of bermudagrass under drought and rewatering
3.1 喷施MeJA对干旱下狗牙根水分代谢的影响
MeJA作为植物体内一种信号转导类激素，会对植物的生长发育造成一定影响。叶片RWC可以反映干旱胁迫后植物体内水分的亏缺情况。本研究中，随着干旱加剧、土壤含水量减少，狗牙根幼苗的RWC下降显著，而喷施MeJA可以显著减缓RWC的降低、保持细胞内环境的稳定，促进各项代谢的正常进行，与钱云妹等[21]在高羊茅上的研究结果相似。马超[22]在小麦上也同样发现，0.25 μM的MeJA处理组与干旱处理组相比，其鲜重、干重和RWC均出现显著提高。
3.2 喷施MeJA对干旱下狗牙根抗氧化系统影响
3.3 喷施MeJA对干旱下狗牙根渗调物质影响
渗透调节是植物在干旱胁迫下维持体内水分平衡的重要手段之一。干旱胁迫下，由于胁迫程度、植物种类、部位以及器官的不同，渗透调节物质含量的变化也会不同。研究发现，JA浸种可以通过增加可溶性糖、多糖、游离氨基酸、脯氨酸和可溶性蛋白含量缓解玉米在干旱胁迫下的损伤[26]。杨艺[6]在棉花上也同样发现，JA和MeJA处理能显著增加种苗干旱胁迫下脯氨酸含量、降低叶片渗透势。本研究发现，干旱初期，MeJA处理可提高狗牙根体内可溶性蛋白含量，干旱后期，可通过促进淀粉水解加速以及糖利用减少[27]导致可溶性糖积累。
干旱前喷施0.75 μmol·L-1MeJA，可通过提升中度干旱下狗牙根叶片SOD活性、POD活性、增加SP含量来维持草坪质量；
重度干旱下可提升叶片POD活性、CAT活性增加SS含量以减少干旱对狗牙根影响，延长草坪景观维持时间。
