EEB中国农科院资源区划所：NMT发现外源SA促羊草种子吸O2提升排Na+保K+​/Ca2+能力提高种子发芽率

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微信原图文

感谢本文一作，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所陈红娜博士校稿

 

基本信息

 

主题：NMT发现外源SA促羊草种子吸O₂提升排Na⁺保K⁺/Ca²⁺能力提高种子发芽率

期刊：Environmental and Experimental Botany

影响因子：4.027

研究使用平台：NMT植物耐盐创新平台

标题：Exogenous salicylic acid signal reveals an osmotic regulatory role in priming the seed germination of Leymus chinensis under salt-alkali stress

作者：中国农业科学院农业资源与农业区划研究所程宪国、陈红娜

 

检测离子/分子指标

Ca²⁺、K⁺、Na⁺、O₂

 

检测样品

羊草种子，种子胚顶部

 

 

中文摘要（谷歌机翻）

 

渗透调节剂在提高植物种子活力以应对非生物胁迫方面起着重要的调节作用。但种子萌发率较低一直是限制羊草繁殖的障碍因素，特别是在盐碱化的土壤中。本研究通过水杨酸浸种处理羊草种子，探讨外源水杨酸是否参与盐碱胁迫下羊草种子萌发的渗透调节。本文报道了水杨酸对促进羊草种子发芽率的诱导作用。数据表明，盐碱胁迫下，外源水杨酸促进了羊草萌发种子中O₂的内流，从而提高了呼吸强度，引发了萌发种子的一系列生理变化。外源水杨酸通过调节Na⁺、K⁺、Ca²⁺等离子以及脯氨酸、可溶性糖等相容代谢产物的积累，平衡渗透势，降低质膜的渗透损伤。外源水杨酸处理增加了盐碱胁迫下羊草种子Na⁺的外排，抑制了K⁺和Ca²⁺的外排，从而降低了盐碱胁迫下羊草种子萌发过程中Na⁺的积累，使更多的K⁺和Ca²⁺保留下来，从而提高了羊草种子萌发过程中抗氧化酶的活性，减轻了损伤，促进了信号因子H₂O₂的积累，提高了羊草种子的发芽率。

 

 

离子/分子流实验处理

 

选取0.1 mM 水杨酸（SA）、蒸馏水（对照）处理，盐碱土培养3 d后的羊草种子测定Na⁺、K⁺、Ca²⁺流速，另外选取0.1 mM 水杨酸和对照浸种12 h后和盐碱土培养3 d后的羊草种子进行O₂的测定。

 

 

 

离子/分子流实验结果

研究采用非损伤微测技术（NMT）测定萌发种子表面的O₂内流。结果表明，萌发培养3 d后，0.1 mM SA处理下萌发种子的O₂速率显著高于对照（图1H），但盐碱胁迫下种子的呼吸强度有所降低。此外，0.1 mM SA处理后O₂内流速率显著高于对照（图1I），说明SA可以提高盐碱胁迫下羊草种子的发芽率和活力。

 

图1. 羊草种子O₂吸收。

为了进一步探究为什么用0.1 mM SA处理会减少Na⁺的含量，而增加Ca²⁺、K⁺的积累，研究用NMT测量了用0.1 mM SA处理和对照组在培养3 d后的发芽种子的胚顶部的Na⁺、K⁺和Ca²⁺的流速和浓度空间成像。结果显示，0.1 mM SA处理和对照组都明显表现出Na⁺的外排（图2A），但0.1 mM SA处理表现出比对照组更高的Na⁺外排，Na⁺的平均速率达到1144 pmol cm^-2⋅s^-1，与对照组相比，增加了4.66倍（图2B）。Na⁺浓度空间成像表明，虽然对照处理下种子表面Na⁺含量增加，但种子表面Na⁺积累量明显低于SA处理（图2C）。与对照K⁺的外排不同，0.1 mM SA处理下萌发的种子虽然K⁺流速较低，但仍然是内流（图2D），种子胚顶部的平均内流速率仅为0.68 pmol cm^-2·s^-1。值得注意的是，对照组中K⁺平均外排速率达到341.81 pmol cm^-2⋅s^-1（图2E），对照组中萌发种子表面的K⁺浓度也明显低于SA处理时的浓度，表明对照组中发生了巨大的K⁺外排（图2F）。Ca²⁺流速数据表明，在用0.1 mM SA处理和对照组中，检测到稳定的Ca²⁺外排（图2G）。与对照组相比，用0.1 mM SA处理后的Ca²⁺外排速率明显降低（图2H），用0.1 mM SA处理的种子表面的Ca²⁺浓度也比对照组低（图2I）。

 

 

图2. 在盐碱胁迫下，外源SA改变了羊草发芽种子表面的离子流速。(A) Na⁺的瞬时流速 (B) Na⁺平均流速 (C) 种子表面Na⁺浓度空间成像（0-150 μm）。(D) K⁺的瞬时流速 (E) K⁺平均流速 (F) 种子表面K⁺浓度的空间成像（0-150 μm）。(G) Ca²⁺的瞬时流速 (H) Ca²⁺平均流速 (I) 种子表面Ca²⁺浓度空间成像（0-150 μm）。

其他实验结果

 

• 外源SA提高了羊草种子的活力和发芽率。

• 盐碱胁迫下外源SA影响了种子休眠。

• 盐碱胁迫下外源SA激活了羊草种子抗氧化酶系统。

• 外源SA缓解了盐碱胁迫对质膜的损伤。

• 盐碱胁迫下外源SA改变了Na⁺、K⁺和Ca²⁺的积累。

• 盐碱胁迫下外源SA触发转录水平的变化。

 

 

结论

综上所述，合理剂量的外源SA可以作为渗透调节剂促进羊草种子萌发，0.1 mM SA的施用浓度有效提高了盐碱胁迫下羊草种子的活力和萌发。通过增加内源SA和O₂流入，SA在平衡羊草萌发种子中的内源性激素和渗透物方面发挥了重要的渗透调节作用（图3）。此外，外源SA通过调节信号因子H₂O₂、渗透物质以及Na⁺、K⁺、Ca²⁺等离子在羊草种子萌发过程中的积累，提高抗氧化酶活性，保护细胞膜的完整性。本研究表明，SA主要通过调控盐碱胁迫下羊草种子萌发过程中离子分泌和渗透调节物质积累途径发挥作用，外源SA将为促进盐碱化土壤羊草种子萌发和繁殖提供有效参考。调节外源SA介导的植物种子的生理和渗透响应，也揭示了在非生物胁迫下减轻渗透胁迫对发芽种子的损害的一个启示。\

图3. 盐碱胁迫下，SA介导羊草种子萌发的一种假设调控途径。

 

 

测试液

0.1 mM CaCl₂, 0.1 mM KCl, 0.5 mM NaCl, 0.3 mM MES, 0.2 mM Na₂SO₄, pH 6.0

 

 

仪器采购信息

 

• 据中关村NMT产业联盟了解，北京地区的北京大学、中国农业大学、首都师范大学分别于2019年、2015年、2006采购了美国扬格公司的非损伤微测系统。

 

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2021.104498

 

关键词：羊草；渗透平衡；引物；水杨酸；种子萌发；盐碱胁迫