王有为，常云霞，罗陈萍，刘倩梅， 周 琳，胡炳义

(周口师范学院 生命科学与农学学院，河南 周口 466001)



外源亚精胺对渍涝胁迫下芝麻幼苗根系生理特性的影响

王有为，常云霞*，罗陈萍，刘倩梅， 周 琳，胡炳义

(周口师范学院 生命科学与农学学院，河南 周口 466001)

为探讨缓解芝麻生产过程中渍涝伤害的方法，利用室内水培的方法，研究了不同浓度外源亚精胺(Spd)对渍涝胁迫下芝麻幼苗根系生长及其生理特性的影响。结果显示，渍涝胁迫7 d后，芝麻幼苗主根长和根系活力分别显著降低24.3%和41.1%；可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸、MDA含量和超氧阴离子产生速率分别升高12.2%、14.2%、18.7%、72.6%和66.9%；超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性也分别显著增加了10.2%、11.4%、5.7%。外施0.3～1.5 mmol/L Spd后，芝麻幼苗主根长、根系活力分别增加3.6%～19.6%、5.6%～28.5%，可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸含量分别增加10.0%～45.7%、8.4%～42.9%、8.4%～32.0%，SOD、POD、CAT活性分别提高7.0%～41.4%、5.1%～53.9%、13.9%～55.6%，MDA含量和超氧阴离子产生速率分别降低8.6%～23.8%、3.2%～21.7%。可见，不同浓度外源Spd均能够有效提高渍涝胁迫下芝麻幼苗根系活力、渗透调节能力及抗氧化酶活性，减轻膜脂过氧化程度，缓解渍涝胁迫所造成的伤害，提高芝麻幼苗抗涝能力，其中以1.2 mmol/L Spd效果最好。

亚精胺； 渍涝胁迫； 芝麻幼苗； 生理特性

渍涝是世界上重大自然灾害之一，全球约10%的耕地遭受渍涝灾害[1]。渍涝对我国农业影响很大。据统计，我国农业受水灾面积高达1 300多万hm2[2]。研究表明，渍涝可造成作物根系缺氧，根系活力降低，细胞质结构遭受破坏而致死，同时渍涝破坏土壤中好气性细菌的正常生长活动进而影响矿质营养供应，造成植物营养缺乏，植物生长受抑[3]。

芝麻(Sesamumindicum)为胡麻科芝麻属的1年生草本植物，是世界上最古老的油料作物之一，栽培历史悠久，在全国范围内均有种植[4-5]。河南生态条件下，由于阴雨或暴雨经常造成芝麻生育期内渍涝伤害，导致病害加重，产量低而不稳[6]。多胺是广泛存在于植物体内的一类低分子脂肪族含氮碱，是一种重要的植物生长物质，主要有精胺(spermine,Spm)、亚精胺(spermidine，Spd)和腐胺(putescine，Put)等[2]。多胺不仅能促进植物的正常生长发育，还可诱导植物对多种生物和非生物胁迫作出响应，抵抗不良因素造成的伤害，尤其是Spd，其具有的多价阳离子特性使其生理功能更强[7]，外源Spd能在一定程度上提高大豆的抗盐性[8]、生姜的抗高温胁迫能力[9]、甜瓜幼苗抗白粉病能力[10]，还能显著提高玉米[11-12]和黄瓜[13]的抗涝胁迫能力。但是，目前关于采用外源Spd缓解渍涝胁迫对芝麻幼苗伤害作用的研究尚未见报道。因此，本试验以芝麻幼苗为材料，研究外源Spd对渍涝胁迫下芝麻幼苗根系生长及其生理生化特性的影响，以期为利用Spd缓解芝麻生产过程中的渍涝伤害提供一定理论依据和技术支撑，且为渍涝胁迫的防治提供科学参考。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试芝麻品种为豫芝11号，种子购自周口市种子公司；Spd购自Sigma公司，营养液为1/2Hoagland营养液。

1.2 试验设计

取均匀饱满的芝麻种子，用2.5%的次氯酸钠溶液表面消毒7 min，蒸馏水冲洗3次，然后随机分成7组，均匀播种于加有蛭石的300 mm×200 mm×100 mm托盘中，每天上午9：00加入等量的1/2Hoagland营养液，使蛭石保持湿润，在光照强度7 500 lx，光14 h/暗10 h，温度为光下30 ℃、暗处26 ℃条件下培养。待芝麻幼苗长出1对真叶时定苗，每托盘50株幼苗。

试验设置7个处理，①对照1(CK1)：用1/2Hoagland营养液正常培养，同时叶面喷施蒸馏水；②对照2(CK2)：渍涝胁迫处理，用1/2Hoagland营养液淹没蛭石以上2 cm模拟渍涝胁迫，同时叶面喷施蒸馏水；③处理1(T1)：用含有0.3 mmol/L Spd的1/2Hoagland营养液淹没蛭石以上2 cm，同时叶面喷施0.3 mmol/L Spd溶液；④处理2(T2)：用含有0.6 mmol/L Spd的1/2Hoagland营养液淹没蛭石以上2 cm，同时叶面喷施0.6 mmol/L Spd溶液；⑤处理3(T3)：用含有0.9 mmol/L Spd的1/2Hoagland营养液淹没蛭石以上2 cm，同时叶面喷施0.9 mmol/L Spd溶液；⑥处理4(T4)：用含有1.2 mmol/L Spd的1/2Hoagland营养液淹没蛭石以上2 cm，同时叶面喷施1.2 mmol/L Spd溶液；⑦处理5(T5)：用含有1.5 mmol/L Spd的1/2Hoagland营养液淹没蛭石以上2 cm，同时叶面喷施1.5 mmol/L Spd溶液。根部处理于每天9:00进行，叶面处理于每天9:00和17:00进行，每次托盘喷施Spd溶液20 mL。连续培养7 d后，对每组芝麻幼苗进行相关形态指标和生理指标的测定，重复3次。

1.3 测定指标及方法

培养7 d后，各处理随机选取幼苗20株用蒸馏水反复冲洗，测定主根长及其生理生化特性。主根长为胚轴基部至形态学末端的实际距离[14]；可溶性蛋白、可溶性糖、游离脯氨酸、丙二醛(MDA)含量，超氧阴离子产生速率，超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性以及幼苗根系活力参考刘萍等[15]的方法测定。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2003软件处理数据；采用SPSS 16.0对不同处理的数据进行One-Way ANOVA分析，差异显著水平设置为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 外源Spd对渍涝胁迫下芝麻幼苗主根长及根系活力的影响

如图1所示，与CK1相比，CK2幼苗根长显著降低24.3%；T1、T2、T3、T4、T5处理芝麻幼苗主根长较CK2显著提高了3.6%、7.7%、13.1%、19.6%、16.6%，但仍低于CK1。表明渍涝胁迫显著抑制了芝麻幼苗根的生长，而外源Spd可以在一定程度上促进根的伸长，但其缓解渍涝胁迫的能力有限，其中1.2 mmol/L Spd缓解涝害能力稍高。

根系是植物吸收水分和矿质营养的主要器官，较高的根系活力有助于植物体内同化物质的积累转化及营养物质的吸收利用[16]。由图1可知，CK2芝麻幼苗根系活力较CK1显著降低41.1%；外施不同浓度Spd后，芝麻幼苗根系活力明显增强，并随着Spd浓度增加呈先增加后略微下降的趋势，T1、T2、T3、T4、T5处理芝麻幼苗根系活力较CK2增加5.6%、9.0%、17.4%、28.5%、22.3%，其中1.2 mmol/L Spd(T4)处理与CK2差异显著。此结果与Spd对渍涝胁迫下芝麻幼苗根长的影响相符，说明适宜浓度的Spd能够有效提高渍涝胁迫下芝麻幼苗的根长和根系活力，从而促进幼苗在渍涝胁迫下的生长。

不同小写字母表示在0.05水平上差异显著，下同

2.2 外源Spd对渍涝胁迫下芝麻幼苗根内渗透调节物质含量的影响

植物细胞在逆境下能主动形成渗透调节物质以适应逆境胁迫。图2表明，渍涝胁迫下，芝麻幼苗根内可溶性蛋白、可溶性糖、游离脯氨酸含量较CK1分别显著增加12.2%、14.2%、18.7%；外施Spd后，芝麻幼苗根内可溶性蛋白、可溶性糖、游离脯氨酸含量随Spd浓度增加均呈先增加而后略微降低的趋势，其中，T1、T2、T3、T4、T5处理芝麻幼苗根中可溶性蛋白含量较CK2显著增加10.0%、23.7%、31.3%、45.7%、37.6%，可溶性糖含量较CK2显著增加8.4%、16.8%、20.7%、42.9%、31.8%，游离脯氨酸含量较CK2显著增加8.4%、12.9%、21.2%、32.0%、27.0%。以上结果说明，可溶性蛋白、可溶性糖、游离脯氨酸均能在芝麻幼苗受到渍涝胁迫时积极响应，并且外施Spd后，可溶性蛋白、可溶性糖、游离脯氨酸含量显著提高，增强了其对渍涝胁迫的适应性。

图2 外源Spd对渍涝胁迫下芝麻幼苗根内渗透调节物质含量的影响

2.3 外源Spd对渍涝胁迫下芝麻幼苗根内抗氧化酶活性的影响

图3表明，渍涝胁迫下，芝麻幼苗根内抗氧化酶活性增加，其中SOD活性显著增加10.2%，POD活性显著增加11.4%，CAT活性显著增加5.7%；外施不同浓度Spd后，芝麻幼苗根内抗氧化酶活性显著增加，并随Spd浓度增加呈先增加后略微降低的趋势，T1、T2、T3、T4、T5处理芝麻幼苗根内SOD活性较CK2显著增加7.0%、13.3%、27.0%、41.4%、36.1%,POD活性显著增加5.1%、23.3%、36.3%、53.9%，43.5%，CAT活性显著增加13.9%、27.1%、44.3%、55.6%、47.5%。说明Spd能显著提高芝麻幼苗根系内的抗氧化酶活性，有效清除根系内的活性氧，从而减轻渍涝胁迫伤害。

图3 外源Spd对渍涝胁迫下芝麻幼苗根内抗氧化酶活性的影响

2.4 外源Spd对渍涝胁迫下芝麻幼苗根内膜脂过氧化的影响

图4表明，渍涝胁迫7 d后芝麻幼苗根内MDA含量、超氧阴离子产生速率较CK1分别显著增加72.6%、66.9%，说明渍涝胁迫对芝麻幼苗根系伤害程度很深；外施不同浓度Spd后，MDA含量及超氧阴离子产生速率显著下降，并随Spd浓度增加呈先下降后略微升高的趋势，T1、T2、T3、T4、T5处理芝麻幼苗根内MDA含量较CK2显著下降8.6%、15.5%、19.6%、23.8%、22.2%，超氧阴离子产生速率较CK2显著下降3.2%、10.1%、16.0%、21.7%、20.0%。说明Spd能有效降低渍涝胁迫对芝麻幼苗根系细胞膜的损坏，从而减轻渍涝胁迫伤害。

2.5 外源Spd对芝麻幼苗根系生理生化指标影响的相关性分析

表1表明，膜脂过氧化程度(MDA含量、超氧阴离子产生速率)与根系活力、渗透调节物质(可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸)含量、抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性之间呈负相关，其他生理指标之间呈强正相关性(r>0.66)，说明使用外源Spd处理，提高了芝麻幼苗根系活力和其他相关生理生化特性，且各生理指标间存在着重叠，相互作用提高了芝麻幼苗的抗涝性。

图4 外源Spd对渍涝胁迫下芝麻幼苗根内MDA含量、超氧阴离子产生速率的影响

指标根系活力可溶性糖含量可溶性蛋白含量脯氨酸含量SOD活性POD活性CAT活性MDA含量超氧阴离子产生速率根系活力1可溶性糖含量0.9751可溶性蛋白含量0.9730.9651脯氨酸含量0.9980.9720.9791SOD活性0.9930.9580.9740.9981POD活性0.9740.9550.9990.9810.9771CAT活性0.9590.9040.9760.9680.9740.9861MDA含量-0.947-0.921-0.989-0.961-0.964-0.992-0.9891超氧阴离子产生速率-0.967-0.934-0.991-0.978-0.980-.0996-0.9940.9971

3 结论与讨论

渍涝胁迫会导致土壤中O2亏缺，CO2积累，诱导生成乙烯，对植物生长和代谢产生一系列不良影响。本试验中，与正常培养的对照(CK1)相比，渍涝胁迫下，芝麻幼苗的主根生长受到抑制，根系变短，根系活力下降，这与张根峰等[6]、陈培等[17]关于渍涝处理下芝麻以及Ballesteros等[18]关于小麦的研究结论一致。本试验还表明，与渍涝胁迫处理(CK2)相比，不同浓度Spd处理的芝麻幼苗的主根生长显著增强，说明外源Spd能够有效缓解渍涝胁迫对芝麻幼苗根系生长的伤害，且一定浓度的Spd能显著增加其根系活力。

当植物处于渍涝状态时，细胞内自由基产生与清除间的平衡被破坏，造成自由基和活性氧含量增加，致使植物根系直接或间接地遭受氧化胁迫，引起膜的过氧化作用，使MDA含量和细胞膜透性增加，但植物对逆境引起的氧化胁迫具有相应的适应和抵抗能力，表现在其体内具有完美的活性氧清除系统，即维持较高的保护酶活性。本试验中，渍涝胁迫下，芝麻幼苗根系内MDA含量和超氧阴离子产生速率大幅度增加，同时刺激植物体内抗氧化酶(SOD、POD和CAT)活性增强，其中，SOD催化超氧阴离子与H+生成H2O2，而POD和CAT催化H2O2生成H2O和O2，降低自由基含量，减少细胞膜损伤，本试验抗氧化酶活性变化情况与吴启侠等[19]和Bansal等[20]对渍涝胁迫下小麦和木豆研究结果相一致。并且本试验中外施Spd可进一步增强芝麻幼苗体内抗氧化酶活性，及时清除活性氧的积累，减少MDA的生成并降低超氧阴离子产生速率，使植物组织保持正常的代谢水平，从而缓解渍涝胁迫对芝麻幼苗的伤害，这与程明明等[12]研究Spd处理缓解渍涝胁迫下玉米幼苗根系的氧化伤害结论一致。

逆境条件下植物可诱导参与渗透调节基因的表达，生成一些渗透调节物质，以防止细胞脱水，其中游离脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖是植物体内重要的渗透调节剂[21-22]。本试验中，渍涝胁迫下，1.2 mmol/L Spd处理可使芝麻幼苗根系内可溶性蛋白、可溶性糖、游离脯氨酸含量显著增加，说明Spd可以诱导芝麻幼苗根系内渗透调节物质含量增加以维持渗透平衡，同时参与体内活性氧的清除并激发抗氧化酶活性，防止细胞质膜损伤，减轻渍涝胁迫的伤害。这与李州等[23]对水分胁迫下Spd处理白三叶的研究结论一致。

综上所述，外源Spd可提高渍涝胁迫下芝麻幼苗根系的生长能力和根系活力，增加幼苗根系内渗透调节物质含量，增强抗氧化酶活性，减轻膜脂过氧化程度，从而增强幼苗的抗涝性；通过对各项生理生化指标的相关分析得知，其彼此之间相互关联，相互作用。因此，外源Spd可以提高芝麻幼苗抗涝耐涝的能力，且1.2 mmol/L Spd效果较好。今后还需开展外源Spd对渍涝胁迫下芝麻生长和产量性状的影响研究，进一步揭示Spd对芝麻后续生长的调控效应，以期更好地为农业生产服务。

[1] Kreuzwieser J,Rennenberg H.Molecular and physiological responses of trees to waterlogging stress[J].Plant,Cell & Environment,2014，37(10):2245-2259.

[2] 潘瑞炽.植物生理学[M].北京:高等教育出版社,2004:298.

[3] 任佰朝,朱玉玲,李霞,等.大田淹水对夏玉米光合特性的影响[J].作物学报,2015,41(2):329-338.

[4] Daniel A C,Cristiane F L,Teixeira I R,etal.Physiological potential of the black sesame(Sesamumindicum) seeds in reply to the storage conditions[J].Australian Journal of Crop Science,2015,9(7):671-677.[5] 黎冬华,刘文萍,张艳欣,等.芝麻耐旱性的鉴定方法及关联分析[J].作物学报,2013,39(8):1425-1433.

[6] 张根峰,张翼.渍涝胁迫对芝麻生理指标及产量性状的影响[J].作物杂志,2010(1):84-86.

[7] Liu H P,Dong B H,Zhang Y Y,etal.Relationship between osmotic stress and the levels of free,conjugated and bound polyamines in leaves of wheat seedlings[J].Plant Science,2004,166(5):1261-1267.

[8] 王强,尹相博.不同种类外源多胺缓解大豆盐胁迫伤害的研究[J].河南农业科学,2014,43(4):48-50,55.

[9] 李秀,巩彪,徐坤.外源亚精胺对高温胁迫下生姜叶片内源激素及叶绿体超微结构的影响[J].中国农业科学,2015,48(1):120-129.

[10] 李小玲,刘长命,刘炼红,等.外源亚精胺对甜瓜幼苗白粉病抗性的影响[J].西北植物学报,2015,35(9):1800-1807.

[11] 杜红阳,程明明,杨青华,等.外源亚精胺对涝胁迫下玉米幼苗根系无氧呼吸代谢的调控效应[J].华北农学报,2015,30(4):110-116.

[12] 程明明,杜红阳,刘怀攀.外源亚精胺对涝胁迫下玉米幼苗根的氧化伤害缓解效应[J].南方农业学报,2015,46(1):36-41.

[13] 张健,刘美艳,申杰,等.外源亚精胺对淹涝胁迫下黄瓜根HSP70表达的影响[J].广西植物,2013,33(5):669-673.

[14] 倪祥银,齐泽民,廖姝,等.外源水杨酸对NaCl胁迫下大豆种子萌发和幼苗生长生理的影响[J].西北植物学报,2014,34(1):106-111.

[15] 刘萍,李明军.植物生理学实验技术[M].北京:科学出版社,2007.

[16] 甘万祥,康超,张腾,等.不同叶面喷施肥对烟草生理及产量、品质的影响[J].河南农业科学,2015,44(9):40-44.

[17] 陈培,汪强,赵莉,等.土壤水分含量对芝麻萌发及幼苗生长发育的影响[J].种子,2013,32(11):70-73.

[18] Ballesteros D C,Mason R E,Addison C K,etal.Tolerance of wheat to vegetative stage soil waterlogging is conditioned by both constitutive and adaptive QTL[J].Euphytica,2015,201(3):329-343.

[19] 吴启侠,朱建强,杨威,等.小麦对渍涝的响应及排水指标确定[J].农业工程学报,2014,30(16):91-98.

[20] Bansal R,Srivastava J P.Antioxidative responses to short term waterlogging stress in pigeon pea[J].Indian Journal of Plant Physiology,2015,20(2):182-185.

[21] 陈洁,金晓玲,宁阳,等.3种含笑属植物抗寒生理指标的筛选及评价[J].河南农业科学,2016,45(2):113-118.

[22] 张永福,黄鹤平,银立新,等.温度与水分胁迫下玉米的交叉适应机制研究[J].河南农业科学,2015,44(1):19-24.

[23] 李州,彭燕.亚精胺对水分胁迫下白三叶脯氨酸代谢、抗氧化酶活性及其基因表达的影响[J].草业学报,2015,24(4):148-156.

Effects of Exogenous Spermidine on Root Physiological Property of Sesame Seedling under Waterlogging Stress

WANG Youwei,CHANG Yunxia*,LUO Chenping,LIU Qianmei,ZHOU Lin,HU Bingyi

(College of Life Science and Agronomy,Zhoukou Normal University,Zhoukou 466001,China)

Hydroponics experiments were carried out to study the effects of exogenous spermidine(Spd)with different concentrations(0.3,0.6,0.9,1.2,1.5 mmol/L)on the root growth and physiological characteristics of sesame seedlings under waterlogging stress，so as to explore the method of alleviating damages by waterlogging in the process of sesame production.The results showed that,after waterlogging stress for 7 d,the main root length and root activity significantly decreased by 24.3% and 41.1%;the contents of soluble protein,soluble sugar,proline,MDA and super oxygen anion producing rate increased by 12.2%,14.2%,18.7%,72.6% and 66.9%,and the activities of superoxide dismutase (SOD), peroxidase (POD) and catelase(CAT) significantly increased by 10.2%,11.4%,5.7%.While exogenous Spd (0.3—1.5 mmol/L)promoted rootstock growth,increased the root activity by 3.6%—19.6%,5.6%—28.5%,improved the contents of soluble protein,soluble sugar,proline and the activities of SOD,POD,CAT by 10.0%—45.7%,8.4%—42.9%,8.4%—32.0%,7.0%—41.4%,5.1%—53.9%,13.9%—55.6% respectively,decreased the MDA content and super oxygen anion producing rate by 8.6%—23.8% and 3.2%—21.7%.The results suggested that different concentrations of exogenous Spd could enhance root activity,osmotic adjustment ability and antioxidant enzymes activities,reduce the degree of membrane lipid peroxidation,alleviate the damages by waterlogging, and improve waterlogging tolerance of sesame seedlings,1.2 mmol/L Spd was optimal.

spermidine； waterlogging stress； sesame seedlings； physiological property

2016-06-28

河南省科技厅重点科技攻关项目(152102310383)；河南省高等学校重点科研项目(16A180055)；周口师范学院中青年骨干教师培养项目

王有为(1994-)，男，黑龙江哈尔滨人，在读本科生，研究方向：生物科学。E-mail:1511029328@qq.com

*通讯作者：常云霞(1978-)，女，河南漯河人，副教授，硕士，主要从事植物抗性生理研究。E-mail:changyx618@126.com

时间：2016-11-25 14∶24∶33

S565.3

A

1004-3268(2016)12-0029-05

网络出版地址：http:∥www.cnki.net/kcms/detail/41.1092.S.20161125.1424.011.html