嚴(yán)加坤，嚴(yán) 榮，汪亞妮

（榆林學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院陜西省陜北礦區(qū)生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 榆林 719000）

【研究意義】植物生長過程當(dāng)中或多或少都要受到來自環(huán)境脅迫的影響，例如干旱、熱、冷及鹽等［1-2］。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球超過7% 的可利用的土地受到鹽堿的影響而不能作為正常的耕地使用［3-4］。土壤高含鹽量嚴(yán)重影響著植物的生長。因此，研究提高作物抗鹽能力的方法具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】在鹽脅迫下，植物根系首先感受到高鹽帶來的滲透脅迫，此時植物通過生理調(diào)節(jié)例如降低蒸騰作用以減少水分散失，從而維持一定的水分狀態(tài)；在此過程中，植物根系的吸水作用、莖稈的輸水作用起到重要作用［4-6］。一般情況下，植物根系吸水主要通過共質(zhì)體途徑、質(zhì)外體途徑及跨膜運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)的，而一旦植物受到滲透脅迫將會降低質(zhì)外體運(yùn)輸；因此，鹽脅迫下，水分的跨膜運(yùn)輸對于植株整株的水分平衡起到重要作用［7］，而這種擴(kuò)膜運(yùn)輸有很大程度上受到水通道蛋白活性劑數(shù)量的影響［8］。報道顯示，鹽脅迫下，外源施加硅處理能有效的降低植物根系過氧化氫積累從而接觸對水通道蛋白功能活性的抑制進(jìn)而提高高粱根系的吸水能力［4］，說明通過調(diào)控水通道活性來改善根系吸水狀況從而提高植物對鹽脅迫的抗性具有可行性。茉莉酸是一種被廣泛作為應(yīng)對生物脅迫的調(diào)節(jié)劑是使用的植物激素，并且科研工作者圍繞植物生物脅迫做了大量工作［9-10］。最近研究發(fā)現(xiàn)，外源施用茉莉酸能有效地提高植物的非生物脅迫抗性［11-13］，說明茉莉酸在植物應(yīng)答非生物脅迫方面具有重要作用。鹽脅迫下，外源施用茉莉酸類似物茉莉酸甲酯能夠通過提高過氧化氫酶、超氧化物歧化酶及抗壞血酸過氧化物酶活性來減少丙二醛和過氧化氫的積累從而降低氧化損傷近而緩解鹽脅迫給小麥幼苗帶來的生長抑制［14］。此外，茉莉酸增加鹽脅迫下植物抗氧化系統(tǒng)活性也被廣泛報道［11-12，15］；外源茉莉酸提高菜豆（Phaseolus vulgaris）、擬南芥（Arabidopsis thaliana）及番茄（Solanumlycopersicum）的根系吸水能力也見諸報道［16］。【本研究切入點(diǎn)】短期鹽脅迫下，水通道蛋白調(diào)控的根系吸水能力的增強(qiáng)被認(rèn)為是植物應(yīng)答鹽脅迫的重要手段［4，17］。那么短期鹽脅迫下，水通道蛋白否參與里茉莉酸介導(dǎo)的植物鹽抗性的提升？【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究以廣適玉米品種鄭單958為材料，試圖通過外源施加茉莉酸甲酯探索水通道蛋白在玉米適應(yīng)鹽脅迫初期的作用，以期理清水通道蛋白在玉米抗鹽脅迫初期的作用，為后期鹽堿地玉米種質(zhì)資源創(chuàng)制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及苗期管理

試驗(yàn)于2018年6—9月在陜西省榆林市榆林學(xué)院陜西省陜北礦區(qū)生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室氣候室進(jìn)行。供試材料為鄭單958，種子經(jīng)1%次氯酸鈉溶液消毒15 min，用蒸餾水清洗5次，置于30℃培養(yǎng)箱中催芽3 d。將大小一致的幼苗轉(zhuǎn)移至1/4 Hoaglands營養(yǎng)液中，水培營養(yǎng)液通過加氧機(jī)24 h通氣供氧。設(shè)置光照/黑暗為14 h/10 h，溫度為25℃，濕度為55%，光照強(qiáng)度為30 000 lx。待玉米第三片葉片完全展開，50%外源施加1 μmol/L茉莉酸甲酯處理3 d，之后給與100 mmol/L氯化鈉處理，另外50%繼續(xù)Hoaglands營養(yǎng)液培養(yǎng)。試驗(yàn)設(shè)Hoaglands營養(yǎng)液（CK）、Hoaglands營養(yǎng)液+茉莉酸甲酯（CK+MeJA）、氯化鈉脅迫（S）和鹽+茉莉酸甲酯（S+MeJA）4個處理。

1.2 測定項(xiàng)目及方法

鹽脅迫5 d后測定玉米生物量積累［17］。玉米采樣后按照地上部分和地下根系部分進(jìn)行分樣，裝入信封經(jīng)105℃高溫殺青30 min后60℃烘干至恒重，采用分析天平稱重。試驗(yàn)設(shè)置15個重復(fù)。鹽脅迫2 h 后測定葉片光合參數(shù)、相對含水量［18］、葉片水勢［19］、根系水力學(xué)導(dǎo)度［19-20］。為驗(yàn)證水通道蛋白作用，進(jìn)行氯化汞抑制試驗(yàn)［21］。

葉片光合參數(shù)選用Li-6400測定。經(jīng)過2 h脅迫，選用完全展開的第三片葉片測定凈光合速率、氣孔導(dǎo)度及蒸騰速率。光合參數(shù)設(shè)置為：光量子500 μmol/m2s，流速為500 μmol/s，待讀數(shù)穩(wěn)定后記錄。

相對含水量：經(jīng)過鹽處理2 h后，取完全展開的第三片葉片，然后迅速用天平稱其鮮重（FW）。稱量完畢后，將葉片浸泡在蒸餾水中 6 h，然后將其取出并用吸水紙將表面擦干，測定其總重（TW）。然后將葉片置于 60℃烘箱中烘干并稱取其干重（DW）。計(jì)算葉片相對含水量。

葉片水勢采用3005型壓力室進(jìn)行測定（Soil Moisture Equipment Crop., Santa Barbara,USA），測定方法按照儀器說明進(jìn)行。

根系水力學(xué)導(dǎo)度：經(jīng)過鹽處理2 h后，將玉米幼苗從根基部剪斷，留中胚軸4 cm。然后將整株根系用硅膠塞密封后慢慢的對鋼瓶加壓，每次增加壓力 0.1 MPa，直至壓力增至 0.5 MPa 為止。每個壓力梯度下等達(dá)到出流穩(wěn)態(tài)后（大約1 min）用1.5 mL聚乙烯離心管放入脫脂棉吸取汁液，吸水時間統(tǒng)一為 60 s，然后在萬分之一天平上準(zhǔn)確迅速稱量所吸水的重量。完成上述操作后，將根從壓力室中取出，應(yīng)用數(shù)字化掃描儀將根系圖像存入計(jì)算機(jī)，然后采用CI-400型根系圖像分析系統(tǒng)（Image Analysis Software, CID, Inc.Vancouver,WA）求出根系表面積。每個壓力下根系吸水能力用單位時間內(nèi)單位根表面積流入水量表示，可根據(jù)以下公式計(jì)算：

式中，Lp為根系水流導(dǎo)度（m/s·MPa），V為t（s）時間內(nèi)通過測試根的水流總體積（m3），S為測試根段的表面積（m2），P為達(dá)到出流穩(wěn)態(tài)時的平衡壓（即外界所加壓力，MPa）。最后用所加壓力過程中單位面積下水流通量與壓力差關(guān)系曲線的斜率表示。

氯化汞試驗(yàn)：采用稱重法測定整株蒸騰速率。將玉米幼苗在50 μmol/L HgCl2中處理5 min，用蒸餾水清洗，迅速測定蒸騰速率。

試驗(yàn)結(jié)果選用最小顯著性分析（LSD）用SPSS19.0 處理，采用Sigmaplot12.5 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源茉莉酸甲酯對鹽脅迫下玉米生物量累積的影響

處理5 d后，鹽脅迫顯著降低了玉米生物量積累（表1）；而茉莉酸甲酯處理有效緩解了鹽脅迫所造成的玉米生長抑制，外源施加茉莉酸甲酯分別提高鹽脅迫下根系生物量41.32%，地上部生物量40.69%。結(jié)果再次驗(yàn)證了外源施用茉莉酸能有效緩解鹽脅迫對植物造成的生長抑制。

表1 外源茉莉酸對鹽脅迫下玉米生物量積累的影響Table 1 Effect of exogenous JA on the biomass accumulation of maize under salt stress

2.2 外源茉莉酸甲酯對鹽脅迫下玉米葉片生理參數(shù)的影響

表2 外源茉莉酸對鹽脅迫下玉米凈光合速率、氣孔導(dǎo)度及蒸騰速率的影響Table 2 Effect of exogenous JA on the net photosynthetic rate, stomatal conductance and transpiration rate of maize under salt stress

正常水分條件下，茉莉酸甲酯處理并沒有顯著影響玉米葉片凈光合速率（表2），而鹽脅迫條件下，與脅迫處理相比茉莉酸甲酯處理顯著提高了玉米葉片凈光合速率。說明茉莉酸處理有助于鹽脅迫下植物維持相對較高的凈光合速率（提高47.48%）。與光合結(jié)果類似，鹽脅迫下茉莉酸甲酯處理顯著提高了玉米葉片的氣孔導(dǎo)度及蒸騰速率。通過對葉片相對含水量的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，茉莉酸處理在提高玉米葉片蒸騰速率的同時并沒有降低玉米葉片相對含水量，與其結(jié)果類似，茉莉酸處理顯著提高了鹽脅迫下玉米葉片相對含水量（表3）。葉水勢結(jié)果與葉片相對含水量結(jié)果類似，說明鹽脅迫下茉莉酸減輕玉米生長的抑制可能與良好的葉片水分狀態(tài)有關(guān)，而高的蒸騰和葉片相對含水量可能與根系吸水能力的提升有關(guān)。

表3 外源茉莉酸對鹽脅迫下玉米葉片相對含水量和葉水勢的影響Table 3 Effect of exogenous JA on the leaf relative water content and water potential of maize under salt stress

2.3 外源茉莉酸甲酯對鹽脅迫下玉米根系水力學(xué)導(dǎo)度的影響

為理清根系吸水在維持葉片高含水量中的作用，本試驗(yàn)測定了玉米根系水力學(xué)導(dǎo)度。結(jié)果（圖1）顯示，正常條件下，茉莉酸甲酯并沒有對玉米根系水力學(xué)導(dǎo)度產(chǎn)生顯著影響；而在脅迫條件下，茉莉酸甲酯處理顯著提高了玉米根系水力學(xué)導(dǎo)度，提高41.60%。為驗(yàn)證水通道蛋白在這一過程中的作用，進(jìn)行了氯化汞試驗(yàn)。結(jié)果（圖2）顯示，相同處理?xiàng)l件下（鹽脅迫），氯化汞處理時其葉片蒸騰速率并沒有顯著差異，說明茉莉酸處理帶來的高的玉米根系水力學(xué)導(dǎo)度的確與水通道蛋白活性有關(guān)。

圖1 外源茉莉酸對鹽脅迫下玉米根系水力學(xué)導(dǎo)度的影響Fig. 1 Effect of exogenous JA on the root hydraulic conductivity（Lp） of maize under salt stress

圖2 氯化汞及茉莉酸對鹽脅迫下玉米蒸騰速率的影響Fig. 2 Effect of mercuric chlorid and JA on the transpiration rate of maize under salt stress

3 討論

土壤鹽堿化嚴(yán)重限制的植物的生長發(fā)育，進(jìn)而導(dǎo)致糧食減產(chǎn)［22-23］；然而研究顯示內(nèi)陸地區(qū)正常的地下水灌溉農(nóng)田正在加速土地鹽堿化［24］。因此，植物抗鹽堿研究迫在眉睫。本研究結(jié)果表明，外源施用茉莉酸甲酯能有效緩解鹽脅迫造成的生長抑制，這與前人研究結(jié)果一致［25-27］。

3.1 茉莉酸緩解玉米鹽脅迫

環(huán)境脅迫（鹽、干旱及氧化脅迫等）嚴(yán)重抑制植物的葉片氣體交換從而抑制植物的凈光合速率。本試驗(yàn)中外源施加茉莉酸甲酯顯著提高了鹽脅迫下玉米的凈光合速率，相似的研究在硅提高高粱［21］、茉莉酸提高番茄［11］的抗鹽研究中也有發(fā)現(xiàn)，這也再次證明茉莉酸能有效的提高玉米的抗鹽性。而經(jīng)過5 d脅迫處理的生物量積累數(shù)據(jù)也再次證明這一點(diǎn)。

3.2 茉莉酸改善鹽脅迫下玉米的水分運(yùn)輸能力

環(huán)境因素脅迫嚴(yán)重抑制植物根系水分吸收［17，19，29］，而植物整株水分平衡對植物維持正常的生命活動具有重要意義［5，28］。本試驗(yàn)中外源施用茉莉酸甲酯能夠有效的提高玉米葉片相對含水量及葉水勢，說明茉莉酸能有效的緩解鹽脅迫初期給植物帶來的葉片水分匱缺。通常鹽脅迫對植物的負(fù)面效應(yīng)分為兩階段：首先，脅迫初期高的鹽濃度產(chǎn)生滲透脅迫，促使植物根系吸水能力下降從而降低植物葉片含水量進(jìn)而影響植物光合等生理過程；接下來過多的攝取陽離子，從而產(chǎn)生鈉毒害。植物在經(jīng)歷鹽脅迫初期主要以滲透脅迫為主，因此茉莉酸提高玉米葉片的相對含水量及葉水勢對于植物應(yīng)對短期的鹽脅迫具有重要作用。

環(huán)境脅迫下，由于蒸騰拉力的下降，根系水分的跨膜運(yùn)輸對于植物根系吸水起到重要作用［8］。而水通道蛋白是水分跨膜運(yùn)輸?shù)闹匾ぞ?，在滲透脅迫下對于植物水分吸收及運(yùn)輸起到至關(guān)重要的作用［7］。我們發(fā)現(xiàn)鹽脅迫顯著降低了植物的根系水力學(xué)導(dǎo)度，這種降低主要是由蒸騰拉力的下降導(dǎo)致的。而外源施用茉莉酸能夠緩解鹽脅迫帶來的玉米根系水力學(xué)導(dǎo)度的降低，在這種緩解作用又與水通道蛋白活性緊密相關(guān)（氯化汞抑制實(shí)驗(yàn)結(jié)果），說明水通道蛋白參與了外源茉莉酸介導(dǎo)的玉米根系吸水能力的提升。

4 結(jié)論

綜上所述，我們認(rèn)為同硅提高高粱抗鹽能力機(jī)制類似，鹽脅迫下茉莉酸能夠通過調(diào)控玉米根系水通道蛋白活性來提高玉米根系水力學(xué)導(dǎo)度從而提高玉米根系吸水能力進(jìn)而維持茉莉酸處理下玉米高的葉面蒸騰速率及高的葉片相對含水量。而這種良好的整株水分平衡狀態(tài)又有利于葉片高的凈光合速率的維持從而導(dǎo)致茉莉酸處理下高的玉米生物量積累。