Summary
以下の論文は、6つの混合塩濃度に応じて塩分耐性の違いを持つ2つのコショウ品種の種子発芽、苗の成長、および生理学的指標を測定するためのプロトコルを示しています。このプロトコルは、コショウ品種の耐塩性を評価するために使用できます。
Abstract
発芽段階におけるトウガラシ(トウガラシL.)の耐塩性と生理的メカニズムを決定するために、耐塩性に大きな違いがある紅天湖101および新郷8品種を研究材料として採用しています。Na2CO3、NaHCO3、NaCl、CaCl2、MgCl2、MgSO4、およびNa2SO4の等しいモル比を使用して導出された0、3、5、10、15、および20 g / Lの6つの混合塩濃度が使用されます。それらの効果を決定するために、種子の発芽、苗の成長、生理機能の関連する指標を測定し、メンバーシップ関数分析を使用して耐塩性を総合的に評価します。その結果,混合塩濃度が増加するにつれて,2品種の発芽ポテンシャル,発芽指数,発芽率,種子発芽活力指数,根長,根生加重は有意に減少し,相対塩分率は徐々に増加することが示された。胚軸の長さと地上の新鮮重量は最初に増加し、次に減少しますが、マロンジアルデヒド(MDA)、プロリン(Pro)含有量、カタラーゼ(CAT)、ペルオキシダーゼ(POD)、およびスーパーオキシドジスムターゼ(SOD)活性は減少してから増加します。Hongtianhu 101種子の発芽電位、発芽指数、発芽率、種子発芽活力指数、根長、根の新鮮重量、MDAおよびPro含有量、およびCAT活性は、ここで使用したすべての塩濃度で新郷8のそれらよりも高くなっています。ただし、胚軸の長さ、地上の新鮮重量、および相対塩分率は、新郷8よりも紅天湖101の方が低くなっています。耐塩性の総合評価により、2つのメンバーシップ関数インデックスの合計加重値は、最初に増加し、次に混合塩濃度が増加するにつれて減少することが明らかになりました。メンバーシップ関数値が最も高い5 g/Lと比較して、3 g/L、10 g/L、および15 g / Lの塩濃度下での指数は、それぞれ4.7%-11.1%、25.3%-28.3%、および41.4%-45.1%減少します。本研究では,トウガラシの耐塩性品種の育種に関する理論的指針と,耐塩性・耐塩性栽培に関わる生理的メカニズムの解析を行う。
Introduction
塩分濃度は、世界中の作物生産性の主要な制限要因です1。現在、世界の灌漑地の19.5%近く、乾燥地の2.1%が塩分の影響を受けており、農地の約1%が毎年塩水アルカリ地に退化しています。2050年までに、耕作可能な土地の50%が塩類化の影響を受けると予想されています2,3。海岸近くまたは沿岸周辺の自然の岩石風化や塩辛い雨水などの自然要因に加えて、急速な表面蒸発、低降雨量、および不合理な農業管理方法が土壌塩類化のプロセスを悪化させています。土壌塩類化は植物の根の成長を阻害し、植物の根から葉への水と栄養素の吸収と輸送を減らします。この阻害は、生理的な水不足、栄養の不均衡、およびイオン毒性をもたらし、作物の生産性を低下させ、作物収量を完全に失います。耕作地の塩類化は、世界の農産物生産に影響を与える最も重要な非生物的ストレス要因の1つになりつつあります4。塩ストレスは農業に利用できる耕作地を減少させ、将来の農産物の需要と供給の間に大きな不均衡をもたらす可能性があります。したがって、土壌塩類化が作物の成長と生理学的および生化学的メカニズムに及ぼす影響を調査することは、耐塩性品種の育種、塩分土壌の持続可能な利用、および農産物の安全性に役立ちます。
コショウ(トウガラシ) は、その高い栄養価と薬効のために世界中に植えられています。たとえば、カプサイシンはコショウのスパイシーな風味の原因となるアルカロイドです。カプサイシンは、痛みの緩和、体重減少、心血管系、消化管系、呼吸器系の改善、およびその他のいくつかの用途に使用できます5。コショウはまた、生理活性物質、特にさまざまな抗酸化化合物(カロチノイド、フェノール、フラボノイド)とビタミンC6が豊富です。現在、コショウは中国最大の栽培面積を持つ野菜作物であると報告されており、年間植栽面積は1.5 x 106 ヘクタールを超え、それによって中国の総野菜栽培面積の8%〜10%を占めています。コショウ産業は中国最大の野菜産業の1つになり、最高の生産額7を持っています。しかし、コショウの栽培は、さまざまな生物学的(害虫や真菌)および非生物的ストレス、特に塩ストレスにさらされることが多く、種子の発芽、成長、および発達に直接悪影響を及ぼし、コショウ果実の収量と品質が低下します8。
種子の発芽は、植物と環境の間の相互作用の最初の段階です。種子の発芽は、周囲の培地の変動、特に土壌塩ストレスに非常に敏感であり、生理学と代謝に逆の影響を及ぼし、最終的には作物の正常な成長、発達、および形態形成を乱す可能性があります9。以前の研究では、塩ストレス下でのコショウ種子の発芽と苗の成長が広範囲に調査されました。しかし、ほとんどの研究では、ストレス誘発の唯一の塩としてNaClを使用していました10,11,12。しかし、土壌塩害は、主にナトリウム塩、カルシウム塩、マグネシウム塩の解離によって生じるNa+、Ca2+、Mg2+、Cl-、CO3 2-、およびSO42-イオン毒性によるものです。イオン間の相乗効果と拮抗作用により、作物の成長と発達に対する混合塩と単一塩の影響はかなり異なる場合があります。しかし、コショウ種子の発芽と混合塩の成長の対応する特性はまだ不明です。そこで本研究では,耐塩性の差が著しい2種類のトウガラシを材料として用いた。7つの塩を等モル混合した後のコショウ種子の発芽、成長、および生理学的および生化学的指標に対するさまざまな塩濃度の影響を分析することで、塩分ストレスに対するコショウ種子発芽の応答メカニズムを明らかにすることができます。それはまた、強いコショウの苗を栽培するための理論的基礎、ならびに塩水耕作地での高収量および高品質の栽培を提供することができる。
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Protocol
注:ここでは、種子塩耐性評価の参照方法として役立つ、異なる混合塩ストレス下でのコショウ種子の発芽と苗の成長の応答特性と内部メカニズムを評価するためのプロトコルを提示します。
1. 実験準備
- 耐塩性の強いHongtianhu 101と耐性の低いXinxiang 8の栽培品種用の作物種子を準備します。
- 種子消毒試薬として0.2%KMnO4溶液を調製する。まず、KMnO 4を4.0g秤量し、次に蒸留水2,000mLを加えます。
注:過マンガン酸カリウムは通常、その強い酸化のために不安定です。従って、使用直前に調製される。 - 炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、塩化ナトリウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、硫酸マグネシウム、硫酸ナトリウムを含む7つの塩を用いて混合塩を調製する13。混合塩の総質量比のそれぞれ14.8%、11.7%、8.2%、15.5%、13.3%、16.7%、および19.8%を順次占める、それぞれ同じモル量を添加する。
- 直径9 cmのペトリ皿(使い捨て)とろ紙(中速定性ろ紙)を準備します。
注意: ペトリ皿の材質は変更できます。ただし、シャーレとろ紙の直径は同じでなければなりません。
2.種子の浸漬と発芽の準備
- 種子の最適化のために、各品種から一貫したサイズと完全な粒子を持つコショウの種子を選択し、Hongtianhu 101とXinxiang 8の種子の平均直径はそれぞれ4.2 mmと3.7 mmです。テスト ワークロードに従って選択されたシードの総数を計算します。
- 種子消毒のために、選択したコショウの種子を0.2%KMnO4 溶液に15分間浸してから、蒸留水で5回すすぎます。
- 種子を浸すには、滅菌した種子を蒸留水に移し、24時間浸します。種子を蒸留水で数回すすぎ、さらに使用するために乾燥させます。
注:作物によって種子の浸漬時間は異なる場合があります。
3.種子の発芽と苗の成長
- 0(対照)、3、5、10、15、および20 g / Lの6つの濃度の混合塩を準備します。 導電率計を使用して塩溶液の導電率を測定します。溶液導電率のEC値は、それぞれ0.092、3.05、4.73、8.33、11.53、および15.22 ms/cmです。
- 種子の準備のために、2層のろ紙でペトリ皿に40コショウの種を均等に置きます。6つの実験的処理のために種子を準備し、各処理を5回繰り返します。
- 種子の発芽のために、6つの混合塩濃度の適量をペトリ皿に加えて、ろ紙が湿っていることを確認します。種子を28°C、湿度80%の空気インキュベーターに入れて、暗所で発芽させます。
- 種子の発芽後、播種後14日間、インキュベーター内で苗を光(光強度約450ルクス、光サイクル12/12時間)で成長させ続けます。苗の成長段階での温度と湿度は、発芽段階で使用されるものと同じでなければなりません。
- 12時間ごとに培養皿に溶液を補充して湿ったろ紙を保持し、24時間ごとに対応する濃度の混合塩溶液でろ紙を完全に洗浄して、シャーレ内の混合塩濃度を一定に保ちます。
注:湿った種子に添加する塩溶液の量は、種子の発芽および成長段階に応じて調整できます。培養皿中の塩溶液を一定濃度に維持するために多くの方法が利用可能です。この実験で説明した方法に加えて、蒸留水を重量で添加する戦略を使用することができる。
4.指標の測定と計算
- 種子発芽指数の決定
- 播種後毎日発芽率を決定し、幼根を破る種皮が発芽マーカーとして種子直径の長さの半分に達する。
- 次の式を使用して、発芽率、発芽可能性、相対塩率、発芽指数、および種子発芽活力指数を計算します。
発芽率(%)=(播種後7日目の正常発芽種子数/試験種子数)×100
発芽電位(%)=(播種後3日目の正常発芽種子数/試験種子数)×100
相対食塩率(%)=(対照発芽率-処理発芽率)/対照発芽率×100
播種後7日目の種子発芽率を用いて算出
発芽指数 (GI) = ∑ [Gt/Dt]
ここで、Gtは播種後の一定期間(t)における種子発芽数を指し、Dtは対応する発芽日数を指します。
種子発芽活力指数 (VI) = GI x S
ここで、S はルートの長さです。
- 苗成長指数の決定
- 播種後14日目に、各シャーレから代表的な苗を無作為に10本選び、根の長さと胚軸の長さを測定します。
- ナイフを使用して、コショウの苗を2つの部分に分けます:幼根と地上の部分。拭いて苗から水を取り除き、苗を別々に計量して新鮮な重量を決定します。
- コショウ中の抗酸化酵素活性、マロンジアルデヒド(MDA)レベル、およびプロリン(Pro)含有量を次のように測定します。
- コショウの苗を保存するために、播種後14日目の各処理から代表的な全コショウの苗(約24.0 g)を選択します。表層水分を除去した後、直ちに苗を液体窒素中で1分間凍結し、超低温(-80°C)の冷蔵庫に保管する。
注:いくつかの指標を再テストする必要がある場合に備えて、超低温冷蔵庫に保管されているコショウ苗のサンプル数は十分なはずです。 - 三重に集めた各処理から約1.0gの苗サンプルを回収します。苗サンプルを遠沈管に入れ、液体窒素を加え、粉砕ロッドを使用してサンプルを粉砕し、苗の生理学的指標を決定します。決定された指標と測定スキームを以下に示します。
- 因子14ごとに市販のキット(分光光度法ベース)を用いて苗保護酵素活性(ペルオキシダーゼ[POD]、カタラーゼ[CAT]、スーパーオキシドジスムターゼ[SOD])、マロンジアルデヒド(MDA)、プロリン(Pro)含量を求めた。
注:以前の観察では、15 g / Lと20 g / Lの混合塩濃度の間で塩ストレスに違いはないことが明らかになりました。その結果、5つの塩濃度(0、3、5、10、および15 g / L)のみが測定されます。
- コショウの苗を保存するために、播種後14日目の各処理から代表的な全コショウの苗(約24.0 g)を選択します。表層水分を除去した後、直ちに苗を液体窒素中で1分間凍結し、超低温(-80°C)の冷蔵庫に保管する。
- メンバーシップ関数法を用いた耐塩性の総合評価
注:メンバーシップ関数は、定性的評価を定量的評価15に変換するファジィ数学法を使用して、塩害の影響を受けるさまざまな生理学的指標を評価します。- Zhoubin Liuらによる次の式を使用してメンバーシップ関数の値を計算します15:
Ri = (Xi - Xmin)/(Xmax - Xmin)
特性が耐塩性と負の相関がある場合は、次を使用して逆メンバーシップ関数を計算します。
Ri = 1 - (Xi - Xmin)/(Xmax - Xmin)
各生理指標のメンバーシップ値を累積し、Xiはある形質の測定値、XmaxとXminはそれぞれXiの最大値と最小値、Riはその形質のメンバーシップ値です。 - 次の関連指標を含めます:種子発芽特性(発芽電位、発芽率、発芽指数、および種子発芽活力指数)、発芽段階での苗成長特性(根長、胚軸長、根の新鮮重量、および地上の新鮮重量)、MDA、Pro、およびメンバーシップ関数値の計算のための保護酵素活性(CAT、POD、SOD)。メンバーシップ関数の値は、各インジケーターから取得されます。
- Zhoubin Liuらによる次の式を使用してメンバーシップ関数の値を計算します15:
- スプレッドシートとSPSSソフトウェア(バージョン22.0)を使用してテストデータを分析および処理し、多重比較に最小有意差(LSD)法を適用して有意差を特定します。ピアソンの相関分析を使用して、複合塩ストレス下でのコショウの種子発芽と苗の生理学的指標との相関を調査します。
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Representative Results
種子発芽特性
混合塩濃度が増加するにつれて、Hongtianhu 101とXinxiang 8の発芽電位と発芽指数は大幅に減少します。どちらの品種も、塩濃度が0〜3 g / Lから急激に低下し、塩濃度が3〜20 g / Lからゆっくりと着実に低下しています(図1A、B)。2品種の発芽率は混合塩濃度が増加するにつれて徐々に減少し、品種の相対塩率は徐々に増加します。塩濃度3-15 g/Lでは発芽速度と相対塩分率に有意差は認められなかった。ただし、他のすべての塩濃度では差が有意です(図1C、D)。2品種の耐塩性に関しては、混合塩濃度の増加に伴うHongtianhu 101種子の発芽可能性、発芽指数、および発芽率は新郷8よりも高く、相対塩率は新郷8よりも低くなっています。
混合塩濃度が増加すると(0〜15 g / L)、2品種の種子発芽活力指数は大幅に減少します。混合塩濃度が15 g / Lの場合、紅天湖101と新郷8の種子発芽活力指数は、対照と比較してそれぞれ91.0%と94.6%減少しました。注目すべきことに、混合塩濃度がさらに15から20 g / Lに増加した場合、減少は有意ではありません。Hongtianhu 101の種子発芽活力指数は、各混合塩濃度レベルでXinxiang 8のそれよりも高い(図1E)。
苗の成長特性
混合塩濃度が増加すると(0-15 g / L)、紅天湖101と新郷8の根の長さと根の新鮮重量が大幅に減少します。混合塩濃度が15 g / Lの場合、Hongtianhu 101とXinxiang 8の根の長さは、対照と比較してそれぞれ89.4%と91.1%減少し、根の新鮮重量はそれぞれ81.7%と71.2%減少します。しかし、塩分濃度が15-20 g/Lの場合、2品種の根長と根の新鮮重量は大きく変化しません(図2A、C)。Hongtianhu 101の根の長さと根の新鮮重量は、一般的にXinxiang 8のそれらよりも高く、混合塩レベルが増加し、0〜10 g / Lの範囲の濃度で明らかな違いがあります。
2品種の胚軸長と地上での新鮮重量は、混合塩濃度の増加とともに増加し、その後減少します。両方の指標は、5 g / Lの塩濃度で最高値に達します。同様に、塩分濃度が15〜20 g / Lの場合、2つの品種の胚軸の長さと地上の新鮮重量はわずかに減少します。品種の違いに基づいて、新郷8の地上部の胚軸の長さと新鮮な重量は、各塩濃度で紅天湖101のそれよりも高くなっています(図2B、D)。
膜脂質過酸化および浸透圧調整物質含有量
混合塩濃度が増加するにつれて、2つの品種のMDAおよびPro含有量は減少し、その後増加する。MDAおよびPro含有量は、それぞれ5 g / Lおよび3 g / Lの濃度で最低値に達します(図3A、B)。MDA含有量は、0〜5 g / Lの塩濃度でわずかに減少し、10 g / Lで急速に増加します。 5 g / L処理と比較して、10 g / L処理後のMDA含有量は59.9%〜64.8%増加し、その後変化しません。Hongtianhu 101のMDA含有量は、異なる塩濃度でXinxiang 8のMDA含有量よりも高い(図3A)。0〜3 g / LでのPro含有量の減少は有意ではなく、2つの品種の間にほとんど違いが見られません。塩濃度が3〜15 g / Lの場合、新郷8のPro含有量はゆっくりと増加し、比較的安定していますが、Hongtianhu 101のPro含有量は急速に増加します。3 g / Lと比較して、Hongtianhu 101のPro含有量は15 g / Lで440.2%大幅に増加します(図3B)。
保護酵素活性
混合塩濃度が増加するにつれて、紅天湖101および新郷8の苗のCAT、POD、およびSOD活性は減少してから増加し、最低値は3 g / Lの濃度で得られました(図4A-C)。2品種のCATおよびPOD活性は、0〜5 g / Lの塩濃度でわずかに異なり、それらの差はわずかです。その後、2つの品種のCATおよびPOD活性は、塩濃度の増加とともに有意に増加します。さらに、紅天湖101のCATおよびPOD活動は新郷8のそれよりも高く、それらの差は徐々に増加する(図4A、B)。2品種のSOD活性は、0〜10 g / Lの塩濃度でわずかに変化し、その後急速に増加します。新郷8のSOD活性は、0〜10 g / Lの塩濃度で紅天湖101の活性よりも高い。残りの濃度については、その活性はHongtianhu 101の活性よりも低い(図4C)。
トウガラシの種子発芽指数の相関分析と塩ストレスの総合評価
相関分析(表1)により、苗成長特性指標の根長および根新鮮重量は、発芽指数(発芽電位、発芽率、発芽指数、種子発芽活力指数など)と有意に正の相関があることが明らかになった。ただし、胚軸の長さ、地上の新鮮重量、および発芽指数の間に明確な関連性は見られません。苗の成長特性の指標と保護酵素(CAT、POD、およびSOD)の活性との間には有意な負の相関が見られます。胚軸の長さとMDAおよびProの含有量、およびシュートの新鮮重量とMDA含有量との間にも有意な負の相関が見られます。種子発芽活力指数と保護酵素活性との間に有意な相関が認められた例外として、発芽特性指数と苗生理指標(保護酵素活性とMDAおよびPro含量)との間に有意な相関は見られなかった。
複合塩ストレス下における2品種のトウガラシの耐塩性を,多重形質に対する会員関数法を用いて評価した。トウガラシ苗は混合塩濃度が0 g/Lの場合には塩ストレスを受けないため,会員関数値は計算されない。その結果、塩ストレスを伴う処理のみがメンバーシップ関数分析を使用して評価されます。MDAは、コショウ苗の耐塩性と負の相関があることがわかり、逆メンバーシップ関数法を使用して計算されます。その他のインデックスは、メンバーシップ関数メソッドを使用して計算されます。 表 2は、混合塩濃度が増加するにつれて、2つの品種の各指標関数の合計加重値が増加および減少し、最終的に5 g / Lの塩濃度で最大に達することを示しています。 5 g / L処理と比較して、3 g / L、10 g / Lで得られた値は、 15 g / Lの塩濃度処理は、それぞれ4.7%〜11.1%、25.3%〜28.3%、および41.4%〜45.1%減少します。したがって、5 g / L、3 g / L、10 g / L、および15 g / Lの塩濃度処理を受けたコショウの耐塩性は、それぞれ最良、次善、悪、最悪に分類できます。
図1:トウガラシの種子発芽に及ぼす混合塩濃度の増加の影響 。 (A)、(B)、(C)、(D)、(E)は、それぞれトウガラシ種子発芽能、発芽指数、発芽率、相対塩率、種子発芽活力指数の複合塩ストレスに対する応答特性を表す。図中の異なる小文字は、テューキーの多距離検定(p < 0.05)によって分析される処理間の有意差を示しています。エラーバーは標準偏差を示します(n = 5)。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2:混合塩濃度の増加がトウガラシの種子発芽と形態学的指標に及ぼす影響 。 (A)、(B)、(C)、(D)は、それぞれトウガラシ苗の根長、胚軸長、根の新鮮重量、地上の新鮮重量の複合塩ストレスに対する応答特性を表す。図中の異なる小文字は、治療間の有意差を示しており、これはテューキーの多距離検定(p < 0.05)によって分析されます。エラーバーは標準偏差を示します(n = 5)。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:トウガラシ苗のMDAおよびPro含量に及ぼす混合塩濃度の増加の影響 。 (A)および(B)は、それぞれトウガラシ苗MDAおよびPro含量の複合塩ストレスに対する応答特性を表す。図中の異なる小文字は、治療間の有意差を示しており、これはTukeyの多距離検定(p < 0.05)によって分析される。エラーバーは標準偏差を示します(n = 3)。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図4:トウガラシ苗のCAT 、POD、SOD活性に及ぼす混合塩濃度の増加の影響。 (A)、(B)、(C)は、それぞれトウガラシ苗の複合塩ストレスに対するCAT、POD、SOD活性の応答特性を表す。図中の異なる小文字は、テューキーの多距離検定(p < 0.05)によって分析される治療間の有意差を示しています。エラーバーは標準偏差を示します(n = 3)。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
表1:複合塩ストレス下でのトウガラシ発芽と生理指標との相関分析(n=30)。 ピアソンの相関分析は、複合塩ストレス下でのコショウの種子発芽と苗の生理学的指標との相関を調査するために使用されます。 * p < 0.05; ** p < 0.01. この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
表2:混合塩ストレス下でのトウガラシ発芽と苗の生理指標の加重メンバーシップ関数値。この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
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Discussion
この研究方法は、実験結果の精度に影響を与える4つの重要なステップで構成されています。第一に、高塩濃度溶液中の溶質含有量の増加による混合塩の溶解不良、および塩化カルシウムなどの試薬の溶解度が低いため、水に可溶化することがより困難であるため、計量された試薬は乳鉢で完全に粉砕する必要があります。さらに、試薬は、容量を決定する前に超音波 を介して 溶解する必要があります。第二に、構成された塩溶液を毎回完全に振盪し、使用のためにペトリ皿に添加しなければならない。第三に、ペトリ皿は塩溶液の添加後に適切な水層を保持しなければならず、各ペトリ皿の水の状態は比較的一貫していなければならない。最後に、種子の発芽後、光の状態は一貫していなければなりません。
この研究では、単一のペトリ皿中の試験種子の数は、選択されたペトリ皿の直径を変えることによって調整することができる。異なる植栽地域における土壌塩ストレスの特定の状況に応じて、各単一塩添加の割合を調整して、地域の土壌における塩ストレスの実際の状況との整合性を可能にすることができます。この方法は実用的であるが、小さな種子(菜種、アイスプラント、アマランサスなど)や大きな種子(刀剣豆やソラマメなど)では、苗の長さや新鮮重量の決定が操作上の困難さや、1つの培養皿でデータを繰り返す種子が非常に少ないなどの問題があり、この方法を使用した耐塩性の研究が困難になります。
ここで説明した方法は、異なる混合塩濃度下での種子発芽特性と苗の成長を決定し、内部の生理酵素活性による変化メカニズムを明らかにするために使用され、種子の耐塩特性を客観的に評価するために非常に重要です。この技術は、他の作物の耐塩性評価のための技術的基準を提供することができます。種子の発芽と苗の成長は、作物が塩ストレスに最も敏感な段階です。したがって、この方法は、耐塩栽培および作物育種の基準を効果的に提供することができる。
ほとんどの作物では、塩ストレスは生物的ストレス下で種子の発芽と苗の成長を阻害する可能性があります。このような阻害は、生理食塩水条件下での塩溶液の浸透電位を低下させることによる種子水分取り込みの減少に起因し得る。塩イオンストレスと毒性は、種子発芽中の保護酵素(POD、CAT、SODなど)の活性とタンパク質代謝を変化させ、内因性ホルモンバランスを破壊する可能性があります11,16。Zhaniらは、発芽プロセスは主に発芽率の低下と塩(NaCl)ストレス下での発芽の延長によって変化したと報告した。さらに、塩濃度8 g / Lでの発芽率の違い(10%-50%)に有意差が見られました17。本研究はまた、混合塩濃度が増加するにつれて、Hongtianhu 101およびXinxiang 8の発芽電位、発芽指数、発芽率、および種子発芽活力指数が大幅に減少し、相対塩率が徐々に増加することを明らかにした。Patanèらによると、塩ストレスはスイートソルガム種子の発芽時間を延長したが、塩ストレスの増加は種子の最終発芽に悪影響を及ぼした18。しかし、関連する研究は、NaCl処理がコショウ種子の発芽と成長を促進する可能性があることを示唆しており19、これは塩濃度レベルの違いに関連している可能性があります。
塩ストレスのレベルを上げることはコショウ苗の成長に大きな影響を与え、この研究に基づいて、2つの品種の根の長さと根の新鮮重量は、混合塩濃度の増加とともに有意に減少しました。この発見は、塩ストレスが増加するにつれて根の長さと根の重さが減少し、処理間の差が有意であることを示唆したMirosavljevićらの発見と類似しています20。この結果は,根系が土壌溶液と直接接触する土壌培地に置かれ,根長と根重がNaCl浸透圧ストレスに対してより敏感であったことを示している。根の長さと根の重さは、塩ストレスに対する植物の反応の重要な指標です。この研究によると、塩濃度が増加するにつれて、地上部の胚軸の長さと新鮮重量は増加してから減少し、最大値は5 g / Lで達成されます。 Khanらはまた、塩分(NaCl)が増加するにつれて(0〜9 ms / cm)、コショウのシュート長が最初に増加し、次に減少し、3 ms / cmで最高の性能が得られることを示唆しました12、21.本研究における塩濃度の導電率は,苗の胚軸長と地上の新鮮重量の値が最も高い場合,4.73 ms/cmであり,Khan et al.21で報告された値よりも高かった。この結果は、単一塩ストレスと比較して、地上のコショウの複合塩ストレスに対する耐性が高いことが原因である可能性があります。
塩ストレスは作物の成長を妨げるだけでなく、植物に大きな生理学的変化を引き起こします。塩ストレスは活性酸素種(ROS)のレベルを上昇させる可能性があります。ROSが時間内に除去されない場合、膜脂質過酸化および酸化ストレスが発生し、植物細胞膜に深刻な損傷を引き起こす可能性があります。MDAは膜脂質過酸化の最終代謝産物であり、細胞内MDA濃度は、ストレス下の植物への損傷の程度を評価するための指標としてしばしば使用される22。本研究では、混合塩濃度が増加するにつれて、2品種の苗のMDA含量が最初に減少し、次に増加する。注目すべきことに、0〜5 g / Lの範囲の塩濃度では減少は有意ではありません。ただし、5〜10 g / Lから急激な増加が観察されます。その後、値は変化せず、トウガラシ種子の膜過酸化脂質の程度が一般的から急速に増加するもの、安定なものに変化することを示す。混合塩濃度が10 g / Lを超えると、塩ストレスが細胞膜透過性に深刻な影響を与えると推測されています。 Guzmán-Murilloらは、NaCl濃度が増加するにつれて、ピーマン苗の膜過酸化脂質レベルが減少し、その後増加するという同様の結論を報告しました(0-50 nmol/L)。さらに、脂質過酸化のレベルは25 nmol/L NaCl23で最も低かった。
植物は塩ストレスに対処するためのいくつかの戦略を進化させてきました。一方では、作物はプロリンなどの浸透圧調整物質を増加させることによってタンパク質の安定性と膜の完全性を高め、細胞内水分の損失を減らし、それによって耐塩性を改善します24。本研究では、混合塩濃度が増加するにつれて、新郷8および紅天湖101苗のPro含有量が最初に減少し、次に増加する。特に、0〜3 g / Lの濃度では減少は有意ではなく、2つの品種の違いは有意ではなく、Muchateらの実験結果と一致しています25。耐塩性に優れたHongtianhu 101コショウ品種のPro含有量も、3〜15 g / Lの塩濃度で急速に増加します。 3 g / Lと比較して、15 g / LのPro含有量は440.2%大幅に増加しますが、一般的な耐塩性を備えたXinxiang 8のPro含有量はゆっくりと増加し、3〜15 g / Lの塩濃度で比較的安定したレベルを維持します。塩ストレスによって誘発されるROSに対する抗酸化酵素の清掃効果は、作物防御メカニズムの主成分であることが証明されています。CAT、POD、およびSODの活動は、異なる塩ストレス環境下で増加し、それによってその耐塩性を改善することが報告されています25,26。Chenらは、NaCl濃度が増加するにつれて、トマト種子の発芽におけるSOD、POD、およびCATの活性が徐々に増加し、0〜50 nmol / L NaCl27で処理した後、各指標に有意差がないことを示しました。この研究はまた、混合塩濃度が増加するにつれて、紅天湖101および新郷8の苗におけるCAT、POD、およびSODの活動が減少し、その後増加することを示しています。低塩濃度(0〜3 g / L)では、抗酸化酵素の活性は大きく変化せず、塩濃度をさらに上げると耐塩性が向上します。
塩ストレスに対する作物の適応性と応答特性は、主に形態、構造、生理生態学などに反映されています。複合塩ストレスの総合評価は、複数の形質に対するメンバーシップ関数値法を使用して実行されます。この研究は、混合塩濃度が増加するにつれて、関数値の合計加重値が最初に増加し、次に減少することを示しています。2つの品種は最大5 g / Lに達し、最高の耐塩効果をもたらします。5 g/L処理と比較して、塩濃度3 g/L、10 g/L、15 g/Lの処理後の加重値は、紅天湖101ではそれぞれ4.7%、25.3%、41.4%、新郷8では11.1%、28.3%、45.1%減少した。このような発見は、紅天湖101の耐塩性が新郷8の耐塩性よりも高いことを示しています。
この研究は、コショウ種子の発芽とその生理学的酵素活性に対するさまざまな濃度の化合物塩ストレスの影響の包括的な説明を提供し、他の作物の耐塩性に関する研究のための技術リファレンスを提供します。コショウの苗は、シミュレートされた混合塩濃度(0〜5 g / L)の下で塩ストレスの影響を受けにくいです。高塩ストレス(>5 g/L)下では,トウガラシの種子発芽,幼根伸長,苗形態形成が有意に阻害され,トウガラシ苗に深刻な膜脂質過酸化を引き起こす。作物は、Pro含有量を増やし、保護酵素(CAT、POD、およびSOD)の活性を高めることにより、塩ストレスの悪影響を軽減します。塩ストレス下では、Hongtianhu 101苗のプロリン含有量と保護酵素活性が高く、膜脂質過酸化の程度が低く、種子の発芽と苗の成長はXinxiang 8よりも明白です。
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Disclosures
著者は利益相反を宣言しません。
Acknowledgments
この作業は、江西省科学技術局(20203BBFL63065)および江西省教育局科学技術研究プロジェクト総合プロジェクト(GJJ211430)の支援を受けました。英語の編集をしてくださったエディテージ(www.editage.cn)に感謝します。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Calcium chloride | Shanghai Experiment Reagent Co., Ltd.,China | Analytical reagent | |
| Centrifugal machine | Shanghai Luxianyi Centrifuge Instrument Co., Ltd., China | TGL-16M | |
| Centrifuge tube | None | None | |
| Conductivity meter | Shanghai Instrument&Electronics Science Instrument Co., Ltd., China | DDSJ-308F | |
| Constant temperature and humidity box | Ningbo Laifu Technology Co., Ltd.,China | PSX-280H | |
| Digital display vernier caliper | Deli Group Co., Ltd.,China | DL90150 | |
| Electronic balance | Mettler Toledo Instruments (Shanghai) Co., Ltd.,China | ME802E/02 | |
| Filter paper | Hangzhou Fuyang North Wood Pulp and Paper Co., Ltd.,China | GB/T1914-2017 | |
| Grinding rod | None | None | |
| Hongtianhu 101 | Seminis Seed (Beijing) Co., Ltd.,China | 11933955/100147K1-137 | |
| Ice machine | Shanghai Kehuai Instrument Co., Ltd., China | IM150G | |
| Liquid nitrogen | None | None | |
| Magnesium chloride | Tianjin Kermel Chemical Reagent Co., Ltd.,China | Analytical reagent | |
| Magnesium sulfate | Tianjin Kermel Chemical Reagent Co., Ltd.,China | Analytical reagent | |
| Petri dish | Jiangsu Yizhe Teaching Instrument Co., Ltd.,China | I-000163 | |
| Pocket knife | None | None | |
| Potassium permanganate (KMnO4 | Xilong Scientific Co.,Ltd.,China | Analytical reagent | |
| Pure water equipment | Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.,China | UPT-I-20T | |
| Sodium bicarbonate | Xilong Scientific Co.,Ltd.,China | Analytical reagent | |
| Sodium carbonate | Xilong Scientific Co.,Ltd.,China | Analytical reagent | |
| Sodium chloride | Xilong Scientific Co.,Ltd.,China | Analytical reagent | |
| Sodium sulfate | Xilong Scientific Co.,Ltd.,China | Analytical reagent | |
| Test kit | Suzhou Keming, Biotechnology Co., Ltd, Suzhou.,China | Spectrophotometer method | |
| Ultra-low temperature freezer | SANYO Techno Solution TottoriCo.,Ltd. | MDF-382 | |
| Ultraviolet visible spectrophotometer | Shanghai Precision Scientific Instrument Co., Ltd., China | 760CRT | |
| Xinxiang 8 | Jiangxi Nongwang High Tech Co., Ltd.,China | GPD Pepper 2017(360013) |
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