NaCl脅迫對(duì)不同苗齡甜菜生長(zhǎng)及生理特性的影響

黃春燕，蘇文斌，樊福義，郭曉霞，李 智，菅彩媛，田 露，任霄云，宮前恒

(內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院 特色作物研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031)

土壤鹽漬化是植物在自然界中遭受的非生物脅迫之一，它影響植物的分布、生長(zhǎng)和發(fā)育[1]。據(jù)聯(lián)合國(guó)糧食與農(nóng)業(yè)組織評(píng)估，世界上約有6%的鹽漬土壤，鹽脅迫是植物生長(zhǎng)的主要限制因子之一。土壤鹽分過(guò)高影響植物生長(zhǎng)的原因有兩方面，一是土壤中的鹽分降低了植物根系的吸水能力，導(dǎo)致植物體內(nèi)水分虧缺；二是通過(guò)蒸騰作用，過(guò)多的鹽離子進(jìn)入植物體內(nèi)，引起細(xì)胞離子毒害[2]。植物體可通過(guò)改變自身的形態(tài)結(jié)構(gòu)、細(xì)胞結(jié)構(gòu)及一系列生理變化來(lái)適應(yīng)鹽脅迫[3]，如產(chǎn)生脯氨酸、可溶性糖及可溶性蛋白質(zhì)等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，以保證植物逆境條件下的正常水分供應(yīng)[4]。葉綠素是一類與光合作用有關(guān)的最重要色素，鹽脅迫下葉綠體是最敏感的細(xì)胞器之一，適度鹽脅迫葉綠素含量升高，高鹽脅迫葉綠體片層結(jié)構(gòu)逐漸降解，光合反應(yīng)效率下降，葉綠素含量下降[5]，葉綠素含量的高低成為衡量植物耐鹽性的一個(gè)重要指標(biāo)。鹽分能夠增加膜的透性，加強(qiáng)膜質(zhì)過(guò)氧化，丙二醛是其產(chǎn)物之一，丙二醛的多少常作為衡量膜損傷程度的指標(biāo)。超氧化物歧化酶(SOD)和過(guò)氧化物酶(POD)是植物體內(nèi)重要的抗氧化酶，具有清除活性氧自由基、保護(hù)膜系統(tǒng)的功能，常被作為判斷植物抗逆性強(qiáng)弱的指標(biāo)[6]。

甜菜是藜科甜菜屬二年生草本植物，是世界兩大糖料作物之一，具有耐旱、耐寒、耐鹽堿等特性，是一種適應(yīng)性廣、抗逆性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的作物[7]。糖是關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大事，近十多年統(tǒng)計(jì)分析，全球食糖供需趨勢(shì)為：豐年略有余，災(zāi)年略不足，基本為緊平衡。我國(guó)對(duì)糖的需求是逐年遞增的，由于甘蔗受到立地條件差、機(jī)械化程度低和勞動(dòng)力緊缺的制約，發(fā)展空間有限，為甜菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了廣闊的空間。甜菜耐鹽性強(qiáng)，主要表現(xiàn)為比其他作物有更強(qiáng)的吸收或容納Na+和Cl-的能力[8]。盡管甜菜能夠耐受一定濃度的鹽分，但土壤中含鹽量超過(guò)一定限度，也不利于甜菜的生長(zhǎng)[9]。鹽脅迫對(duì)甜菜傷害的最初位點(diǎn)便是細(xì)胞膜，它影響膜的正常透性及其結(jié)合酶類的活性，從而影響細(xì)胞膜的正常生理功能，使甜菜正常的生長(zhǎng)代謝失調(diào)，產(chǎn)質(zhì)量下降[10-11]。

隨著制糖產(chǎn)業(yè)整體的提升，甜菜種植面積逐年增加，2017年播種面積為8.5萬(wàn)hm2，2018年已增加至14.0萬(wàn)hm2，由于種植業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，鹽堿地將為甜菜的產(chǎn)地轉(zhuǎn)移提供巨大的空間。鹽堿地甜菜生產(chǎn)中保苗是首要問(wèn)題，植物能否在鹽漬化環(huán)境下生長(zhǎng)主要取決于早期幼苗生長(zhǎng)的狀況[12-13]。因此，針對(duì)甜菜苗期是耐鹽性敏感期且鹽堿地甜菜保苗率低的現(xiàn)象，本研究采用外源施加NaCl的盆栽試驗(yàn)，模擬田間鹽脅迫環(huán)境，研究NaCl脅迫對(duì)不同苗齡甜菜苗期各項(xiàng)生理生化指標(biāo)的變化，為進(jìn)一步明確甜菜的耐鹽機(jī)理、鹽脅迫下甜菜的生理響應(yīng)及進(jìn)行鹽堿地甜菜生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

選擇甜菜品種IM1162為試驗(yàn)材料。供試土壤基本理化性質(zhì)：有機(jī)質(zhì)24.10 g/kg，全氮1.12 g/kg，全磷0.58 g/kg，全鉀24.63 g/kg，堿解氮110.40 mg/kg，有效磷15.60 mg/kg，速效鉀144.86 mg/kg，pH值7.23，含鹽量0.89%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017年4-6月在內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院溫室內(nèi)進(jìn)行，播種于同批次、同規(guī)格的塑料盆中。土壤為內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)地0～20 cm耕層土壤，裝盆前過(guò)篩，篩孔直徑≤1 cm。每200 kg土壤加2 kg甜菜紙筒育苗苗床專用肥，混勻后每盆裝土10 kg，每盆播種20粒，于1對(duì)真葉小米粒大小時(shí)定苗至10株。按混合后在土壤中的質(zhì)量百分比設(shè)計(jì)，NaCl(分析純)濃度梯度：0(CK)，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，分別于1對(duì)真葉(OPL)、2對(duì)真葉(TPL)、3對(duì)真葉(TRPL)和4對(duì)真葉(FPL)小米粒大小時(shí)(間隔時(shí)間7 d)以2 L溶液形式一次性澆入土壤進(jìn)行鹽脅迫，另每3 d澆去離子水1次，每處理4次重復(fù)。于第4對(duì)真葉鹽脅迫第7天測(cè)定所有處理各項(xiàng)指標(biāo)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

利用保苗株數(shù)計(jì)算保苗率。株高利用0.5 mm精度直尺測(cè)量最長(zhǎng)葉片高度。將植株清洗干凈后，在105 ℃殺青30 min，60 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱量干質(zhì)量。利用SPAD-502葉綠素儀進(jìn)行葉綠素含量測(cè)定。葉片質(zhì)膜透性采用相對(duì)電導(dǎo)率(REC)法測(cè)定[14]。丙二醛(MDA)含量和超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)活性利用南京建成生物工程研究所植物試劑盒測(cè)定，分別采用硫代巴比妥酸(TBA)法、WST-1法和比色法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

用Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與作圖，用SAS 9.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 NaCl脅迫對(duì)不同苗齡甜菜保苗率的影響

由表1可見，不同苗齡低鹽脅迫(CK、0.2%和0.4%)甜菜保苗率均為100%，高鹽脅迫甜菜保苗率不同程度的下降。其中，OPL脅迫NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%和0.8%顯著低于其他處理，二者較CK降低40百分點(diǎn)。TPL、TRPL和FPL脅迫NaCl濃度0.8%顯著低于其他處理，較CK分別降低22.50百分點(diǎn)，20.00百分點(diǎn)，15.00百分點(diǎn)，且隨著苗齡的增加，0.8%NaCl處理的保苗率增加。

表1 NaCl脅迫對(duì)甜菜保苗率的影響Tab.1 Effect of NaCl stress on seedling reservation rate %

注： 均值±SE，同列數(shù)據(jù)后不同字母表示不同處理間差異達(dá)到0.05的顯著性水平。表2-4同。

Note:Data are mean ± SE, values followed by different letters in a column are significant difference among treatment at the 0.05 level. The same as Tab.2-4 .

2.2 NaCl脅迫對(duì)不同苗齡甜菜株高的影響

由表2可見，隨著苗齡的增加，相同NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)甜菜的株高增加；隨著NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，同一苗齡甜菜的株高降低，各處理均顯著低于對(duì)照。OPL不同NaCl濃度處理甜菜株高均顯著低于CK，NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%，0.4%，0.6%，0.8%時(shí)，較CK分別降低9.75%，34.28%，40.25%，55.75%；TPL各NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%，0.4%，0.6%，0.8%時(shí)較CK株高分別降低21.92%，33.02%，33.90%，43.37%；TRPL各NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%，0.4%，0.6%，0.8%時(shí)較CK株高分別降低15.50%，27.98%，43.98%，45.09%；FPL各NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%，0.4%，0.6%，0.8%時(shí)較CK株高分別降低14.06%，37.46%，60.00%，66.88%。

表2 NaCl脅迫對(duì)甜菜株高的影響Tab.2 Effect of NaCl stress on plant height cm

2.3 NaCl脅迫對(duì)不同苗齡甜菜干質(zhì)量的影響

由表3可見，隨著鹽脅迫苗齡的增加，相同NaCl濃度甜菜的干質(zhì)量增加；隨著NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，同一苗齡甜菜的干質(zhì)量呈“低-高-低”的變化趨勢(shì)，處理間差異達(dá)顯著水平。OPL、TRPL不同鹽脅迫處理甜菜干質(zhì)量在NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%時(shí)最大，且與CK差異不顯著，但顯著高于同一苗齡其他鹽脅迫處理；TPL、FPL不同鹽脅迫處理甜菜干質(zhì)量也是NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%時(shí)最大，且均顯著高于同一苗齡其他處理，分別較CK提高25.71%，52.17%。隨著苗齡的增加，各處理間干質(zhì)量表現(xiàn)為差異縮小的變化趨勢(shì)。

表3 NaCl脅迫對(duì)甜菜干質(zhì)量的影響Tab.3 Effect of NaCl stress on dry weight g/株

2.4 NaCl脅迫對(duì)不同苗齡甜菜葉綠素含量的影響

由于葉片SPAD值與葉綠素含量具有顯著相關(guān)性[15-16]，因而SPAD值常被用來(lái)表征植物體葉片葉綠素含量。由圖1可見，同一苗齡隨著NaCl濃度的增加，甜菜葉綠素含量呈逐漸增加的趨勢(shì)，處理間差異顯著。OPL不同鹽脅迫處理葉綠素含量均顯著高于CK，隨NaCl濃度的增加，NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%，0.4%，0.6%，0.8%時(shí)較CK分別提高21.00%，36.99%，49.58%，54.48%；TPL不同鹽脅迫處理也均顯著高于CK，NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%，0.4%，0.6%，0.8%時(shí)較CK分別提高9.19%，15.30%，21.55%，24.08%；TRPL不同鹽脅迫處理也均顯著高于CK，NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%，0.4%，0.6%，0.8%時(shí)較CK分別提高7.01%，10.72%，16.38%，20.84%；FPL在NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%和0.8%處理時(shí)顯著高于CK，二者較CK分別提高8.31%，12.37%。

圖中不同字母表示不同處理間差異達(dá)到0.05的顯著性水平。圖2-3同。Values followed by different letters are significant difference among treatment at the 0.05 level. The same as Fig.2-3.

2.5 NaCl脅迫對(duì)不同苗齡甜菜葉片質(zhì)膜透性和丙二醛含量的影響

由圖2可見，隨著鹽脅迫苗齡的增加，相同NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)甜菜的葉片質(zhì)膜透性基本表現(xiàn)為降低的趨勢(shì)；同一苗齡隨著NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，甜菜葉片質(zhì)膜透性表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)，處理間存在顯著差異。OPL和TPL不同鹽脅迫處理葉片質(zhì)膜透性均顯著高于CK，依NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)遞增，OPL各NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%，0.4%，0.6%，0.8%時(shí)較CK分別提高15.69%，55.07%，113.84%，197.12%，TPL分別提高24.37%，53.89%，75.16%，98.28%；TRPL和FPL在NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%，0.6%，0.8%處理時(shí)顯著高于CK，其中TRPL較CK分別提高77.62%，95.14%，105.00%，F(xiàn)PL分別提高31.47%，47.43%，78.98%。

丙二醛是細(xì)胞膜脂過(guò)氧化的終產(chǎn)物，其含量的高低是反映膜損傷程度的重要指標(biāo)。隨著鹽脅迫和苗齡的增加丙二醛含量變化與葉片質(zhì)膜透性基本一致，同一苗齡隨著NaCl濃度的增加丙二醛含量變化也與葉片質(zhì)膜透性一致(圖2)。OPL、TRPL和FPL不同鹽脅迫處理丙二醛含量均顯著高于CK，依NaCl濃度遞增，OPL各NaCl濃度0.2%，0.4%，0.6%，0.8%時(shí)較CK分別提高15.64%，27.79%，30.48%，95.80%，TRPL分別提高22.81%，34.35%，49.27%，65.72%，F(xiàn)PL分別提高27.17%，40.33%，47.38%，78.19%；TPL NaCl濃度0.4%，0.6%，0.8%處理顯著高于CK，較CK分別提高27.15%，34.71%，58.56%，F(xiàn)PL分別提高31.47%，47.43%，78.98%。

圖2 NaCl脅迫對(duì)甜菜葉片質(zhì)膜透性和丙二醛含量的影響Fig.2 Effect of NaCl stress on plasmalemma permeability and MDA content

2.6 NaCl脅迫對(duì)不同苗齡甜菜超氧化物歧化酶活性和過(guò)氧化物酶活性的影響

由圖3可見，隨著NaCl濃度的增加，不同苗齡甜菜SOD活性變化規(guī)律不同。OPL鹽脅迫處理，隨NaCl濃度增加，SOD活性呈單峰曲線變化，NaCl濃度0.6%處理SOD活性最高，顯著高于其他處理，較CK提高43.73%；TPL和FPL隨NaCl濃度增加SOD酶活性呈升高的趨勢(shì)，各NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%，0.4%，0.6%，0.8%時(shí)處理均顯著高于CK，TPL較CK分別提高19.51%,29.69%,28.80%,110.51%，F(xiàn)PL較CK分別提高26.61%,45.96%,86.02%,99.87%；TRPL隨NaCl濃度增加，SOD酶活性也呈升高的趨勢(shì)，NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%，0.6%，0.8%均顯著高于CK，分別較CK提高49.69%,79.94%,96.71%。

隨NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，甜菜POD活性不同苗齡變化規(guī)律不同。OPL和TPL依NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)遞增，POD活性呈單峰曲線變化， 0.6% NaCl處理最高，顯著高于CK、0.2%和0.4%處理，OPL和TPL鹽脅迫處理分別較CK提高38.56%，29.99%；TRPL和FPL依NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)遞增，POD活性均呈逐漸升高的規(guī)律，高鹽脅迫(NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%和0.8%)顯著高于低鹽脅迫和CK，TRPL高鹽脅迫較CK分別提高42.87%，52.58%，F(xiàn)PL較CK分別提高58.77%，59.33%。

圖3 NaCl脅迫對(duì)甜菜抗氧化酶活性的影響Fig.3 Effect of NaCl stress on antioxidant enzymes activity

3 討論與結(jié)論

植物在逆境下會(huì)發(fā)生一系列的生理生化反應(yīng)來(lái)提高植株抗逆性。已有研究表明，鹽脅迫對(duì)植物的危害主要通過(guò)離子脅迫和滲透脅迫[17-18]。鹽脅迫下，土壤水勢(shì)下降，植物通過(guò)增加小分子溶質(zhì)降低植株水勢(shì)，發(fā)揮滲透保護(hù)和滲透適應(yīng)的作用，從而提高葉片保水能力和根系吸水能力，但隨著脅迫程度的增加或時(shí)間的持續(xù)，其調(diào)節(jié)能力超過(guò)閾值，植物吸水困難，細(xì)胞失水，自由基增多，過(guò)氧化產(chǎn)物大量積累，激活抗氧化酶系統(tǒng)產(chǎn)生作用[19]。本研究中，TPL、TRPL和FPL鹽脅迫，依NaCl濃度遞增，甜菜SOD活性和POD活性呈升高的趨勢(shì)，說(shuō)明鹽脅迫能夠誘導(dǎo)SOD、POD活性的升高以保護(hù)其細(xì)胞自身結(jié)構(gòu)不被破壞。而OPL在0.8%NaCl SOD活性降低，OPL和TPL在0.8%NaCl POD活性也降低，這說(shuō)明由于脅迫苗齡小、苗勢(shì)弱、時(shí)間長(zhǎng)葉片內(nèi)氧自由基含量的增加導(dǎo)致膜脂過(guò)氧化加劇，酶活力下降，膜脂氧化作用的防御能力降低，從而降低了對(duì)細(xì)胞的保護(hù)作用[20]。

丙二醛是膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物之一，其含量水平代表膜受損害程度，它又可與細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)、酶等結(jié)合，引起蛋白質(zhì)分子內(nèi)和分子之間的交聯(lián)，從而使蛋白失活，破壞了生物膜的結(jié)構(gòu)與功能[21]。葉片質(zhì)膜透性和丙二醛含量的高低通常能夠反映植物細(xì)胞膜脂過(guò)氧化強(qiáng)弱和細(xì)胞質(zhì)膜破壞程度[22]。膜系統(tǒng)是植物鹽害的主要敏感部位，鹽脅迫下植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能受到傷害，表現(xiàn)為質(zhì)膜透性增大[23]，本研究中，同一苗齡甜菜葉片質(zhì)膜透性隨著NaCl濃度的升高而升高，丙二醛含量升高，OPL鹽脅迫處理較其他苗齡葉片質(zhì)膜透性和丙二醛含量上升快，可能是OPL時(shí)甜菜幼苗耐鹽脅迫能力弱，鹽離子對(duì)幼苗的傷害較大，細(xì)胞膜損傷嚴(yán)重，造成丙二醛大量積累。

鹽脅迫主要通過(guò)影響植株碳同化，進(jìn)而影響植株的正常生長(zhǎng)發(fā)育，降低植株生長(zhǎng)量和干物質(zhì)積累量，甚至導(dǎo)致植物死亡[24]。本研究中，0～0.4% NaCl甜菜保苗率為100%，后逐漸降低，說(shuō)明高鹽脅迫影響了甜菜的出苗，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中保苗率是影響作物產(chǎn)量的重要因素。同一苗齡隨著鹽脅迫的加重，甜菜的株高逐漸降低，干質(zhì)量呈單峰曲線變化，至NaCl 0.2%最大，說(shuō)明低鹽脅迫有利于甜菜的生長(zhǎng)，適度的鹽分不但不會(huì)抑制植物生長(zhǎng)反而會(huì)促進(jìn)其生長(zhǎng)和生物量積累[25-26]；而葉綠素含量增加，可能原因是植株體內(nèi)抗氧化酶活性增強(qiáng)，修復(fù)損傷，緩解了對(duì)葉綠素的降解及葉綠素合成的抑制作用，造成葉綠素的積累[27]。隨著鹽脅迫苗齡的變大，甜菜干質(zhì)量、葉綠素含量和葉片質(zhì)膜透性、丙二醛含量不同鹽脅迫處理間的差異逐漸減小，說(shuō)明隨著苗齡的增加，甜菜的耐鹽能力增強(qiáng)。

綜上所述，NaCl脅迫誘導(dǎo)甜菜SOD活性和POD活性的增高，降低了細(xì)胞質(zhì)膜的穩(wěn)定性，葉片質(zhì)膜通透性提高，丙二醛含量增加，進(jìn)而抑制了甜菜保苗率、株高、干質(zhì)量的提高，葉綠素含量增加，但隨著NaCl脅迫苗齡的推后，對(duì)甜菜生長(zhǎng)的抑制作用減弱，而紙筒育苗移栽可以很好地避開早期鹽脅迫環(huán)境，建議在鹽堿地甜菜生產(chǎn)中采用紙筒育苗移栽的種植方式較直播好。