陳 振，張巨松，嚴青青，楊 培，張瑋濤

(新疆農業(yè)大學農學院/教育部棉花工程研究中心，烏魯木齊 830052)

0 引 言

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2017年4月在新疆農業(yè)大學農學院棉花生理室進行。選取新海31號、新海35號、新海43號和新海48號作為供試材料，采用NaCl、Na2SO4(物質的量1∶1)和NaCl、NaHCO3(物質的量1∶1)對中性鹽和堿性鹽進行模擬，脅迫處理總鹽濃度(Na+)設為0、120、180、240 mmol/L。根據嚴青青[15]的不同濃度鹽堿脅迫對海島棉根系影響的研究結果，設低濃度中性鹽和堿性鹽(180和120 mmol/L)，以及高濃度中性鹽和堿性鹽(240和180 mmol/L)。海島棉品種由新疆農業(yè)科學院經濟作物研究所提供。

1.2 方 法

1.2.1 樣品處理

先將種子洗凈，挑選飽滿的種子用HgCl2(0.1%)浸泡消毒10 min，浸泡消毒后，用自來水沖凈，再用蒸餾水沖洗5次，最后用蒸餾水浸種24 h；使用鼓風干燥箱在120℃下對砂子進行高溫滅菌24 h。使用規(guī)格為13×19×12(cm)的發(fā)芽盒，每個發(fā)芽盒平鋪600 g的砂子，每100 g砂子加對應濃度的鹽水17 mL，對照加17 mL蒸餾水。選擇浸種后露白一致的種子平整放入發(fā)芽盒中，每盒50粒種子，種子均勻播于濕砂上，加蓋5 mm濕砂，每個處理播3盒，重復3次。蓋上發(fā)芽盒蓋子，防止水分蒸發(fā)。置于光照培養(yǎng)室內，白天溫度(25±2)℃，光強400 μmol /(m2·s)，12 h；夜間溫度(22±2)℃，12 h，相對濕度70%～75%。

1.2.2 樣品測定

幼苗根系采用Scan Wizard EZ掃描儀進行掃描，根系形態(tài)參數用LA-S根系分析系統(tǒng)分析，依據根徑大小分為細根(0～0.5 mm)、中根(0.5～2 mm)和粗根(>2 mm)。剪取棉株完整根系，置于105℃干燥箱中殺青20 min，80℃烘干至恒重，稱其根干物質質量，3次重復，每10株幼苗期的平均值記為1次重復。

1. 3 數據處理

采用SPSS23.0和Origin9.1軟件進行數據分析與作圖，采用單因素、多因素和Duncan法進行方差分析和多重比較。

2 結果與分析

2.1 中性鹽和堿性鹽對不同耐鹽品種海島棉根系參數的影響

研究表明,中性鹽和堿性鹽脅迫對根系總表面積和總體積影響差異不大，對根系總長度影響有較大差異，其中堿性鹽脅迫對根系總長度的抑制大于中性鹽。中性鹽濃度為180 mmol/L時，不同耐鹽品種海島棉根系長度與對照相比均無顯著差異，新海31號、新海35號分別比對照高18%和5.97%；在堿性鹽120和180 mmol/L處理下，新海35號、新海43號和新海48號的根系總長度較對照分別顯著減低38.24%～46.32%、64.25%～75.58%和39.91%～71.47%，堿性鹽對根系總長度的影響更嚴重。除了中性鹽脅迫下根系總長度和堿性鹽脅迫下根系總表面積外，海島棉在鹽、堿脅迫下根系參數均存在顯著或極顯著的品種×鹽分交互作用。 表1,圖1

注：不同小寫字母表示同一品種不同處理間在0.05水平差異顯著

Note: Different lowercase letters indicate significant differences among treatments of the same organ at 0.05 level.

圖1 中性鹽和堿性鹽脅迫下海島棉根系參數變化
Fig.1 Effects of neutral and alkaline salt stresses on root parameters of island cotton cultivars

表1 中性鹽和堿性鹽脅迫下海島棉根系參數方差
Table 1 ANOVA results of island cotton cultivars under neutral and alkaline salt stresses

鹽類型Salt genreF值F value根系總長度Root length(cm)根系總表面積Root surface area(cm2)根系總體積Root volume(cm3)中性鹽N42.892??227.156??581.587??Neutral saltC642.532??539.929??859.443??N×C2.391 ns127.102??216.069??堿性鹽A323.754??156.729??185.202??Alkaline saltC158.618??1 086.581??713.026??A×C73.441??1.353 ns5.797?

注：**表示差異極顯著，*表示差異顯著，ns表示差異不顯著，下同

Note：**P<0.01,*P<0.05,nsP>0.05, the same as below

2.2 中性鹽和堿性鹽對不同耐鹽品種海島棉根長的影響

研究表明,中性鹽和堿性鹽對細根根長的影響差異較大，而對中根和粗根根長影響差異較小。中性鹽濃度為180和240 mmol/L時，不同耐鹽品種海島棉細根根長與對照無顯著性差異。鹽濃度為180 mmol/L時，新海31號、新海35號和新海48號較對照分別增加23.92%、73.75%和17.29%；鹽濃度為240 mmol/L濃度時，新海31號、新海43號和新海48號較對照分別增加40.7%、3.81%和2.71%，中性鹽在低鹽情況下促進了細根根長的生長。堿性鹽濃度為120 mmol/L時，不同耐鹽品種海島棉細根根長較對照無顯著抑制作用；當鹽濃度為240 mmol/L時，新海31號、新海43號和新海48號細根根長較對照分別顯著下降46.45%、81.54%和77.58%。堿性鹽與中性鹽相比，對細根根長的生長抑制更強。圖2

2.3 中性鹽和堿性鹽對不同耐鹽品種海島棉根表面積的影響

研究表明,中性鹽濃度為180和240 mmol/L時，不同耐鹽品種海島棉細根根表面積較對照均無顯著性差異。其中鹽濃度為180 mmol/L時，新海31號、新海35號和新海43號細根根表面積較對照分別增加53.03%、184.78和35.53%；240 mmol/L處理下新海31號和新海43號較對照分別增加28.28%和106.58%。堿性鹽濃度為120和180 mmol/L時，新海31號、新海35號、新海43號和新海48號細根根表面積較對照分別降低0～58.59%、21.74%～50%、47.37%～75%和46.57%～91.71%，其中在180 mmol/L均達到顯著性差異。圖3

圖2 中性鹽和堿性鹽脅迫下不同直徑范圍內海島棉根長變化
Fig.2 Effects of neutral and alkaline salt stresses on root length of island cotton cultivars with different root diameter ranges

圖3 中性鹽和堿性鹽脅迫下不同直徑范圍內海島棉根表面積變化
Fig.3 Effects of neutral and alkaline salt stresses on root surface area of island cotton cultivars with different root diameter ranges

2.4 中性鹽和堿性鹽對不同耐鹽品種海島棉根體積的影響

研究表明,中性鹽和堿性鹽脅迫下對細根體積影響差異較大。中性鹽濃度為180 mmol/L時，新海31號、新海35號和新海43號細根體積較對照分別增加111.77%、227.16%和331.43%；濃度為240 mmol/L時，新海31號和新海43號細根體積比對照也分別增加63.03%和194.29%。在堿性鹽脅迫下，新海31號、新海35號、新海43號和新海48號細根體積較對照分別減少33.61%～78.15%、58.02%～76.54%、17.14%～65.71%和72.91%～100%。除了中性鹽脅迫下0～0.5 mm根長、堿性鹽脅迫下0～0.5 mm根表面積和堿性鹽脅迫下2～3 mm根體積外，海島棉在鹽、堿脅迫下根系參數均存在顯著或極顯著的品種×鹽分交互作用。不同耐鹽堿品種海島棉在低濃度鹽、堿脅迫下沒有表現出基因型差異；而當處于高濃度鹽堿脅迫下，耐鹽堿品種海島棉才表現出明顯抗性。表2

圖4 中性鹽和堿性鹽脅迫下不同直徑范圍內海島棉根體積變化
Fig.4 Effects of neutral and alkaline salt stresses on root volume area of island cotton cultivars with different root diameter ranges

表2 不同直徑范圍海島棉根長、根表面積及根體積方差
Table 2 ANOVA of root surface area and root volume of island cotton cultivars with different root diameter ranges

參數Parameter鹽類型Salt genreF值F value根徑 Root diameter0～0.5 mm0.5～2 mm2～3 mm根長度中性鹽N16.352??417.649??145.518??Root lengthNeutral saltC910.931??966.810??841.828?? N×C2.070 ns233.819??236.062?? 堿性鹽A178.336??86.406??114.661?? Alkaline saltC333.401??328.283??587.657?? A×C42.903??6.159?103.382??根表面積中性鹽N6.481?140.044??9.264?Root surfaceNeutral saltC292.895??329.431??434.459?? area N×C16.926??63.381??63.449?? 堿性鹽A53.934??61.698??2.114ns Alkaline saltC161.490??441.770??287.726?? A×C3.459 ns5.223?71.594??根體積中性鹽N39.162??585.858??132.317??Root volumeNeutral saltC201.945??937.624??196.798?? N×C7.503?188.325??154.624?? 堿性鹽A259.217??106.834??107.428?? Alkaline saltC137.056??616.397??330.673?? A×C8.683?53.749??3.109 ns

2.5 鹽堿和基因型差異對海島棉根系形態(tài)變異的影響

研究表明,在中性鹽和堿性鹽脅迫下，對各級根長、根表面積與根體積等12個根系參數分別進行主成分分析，均提取前兩個主成分，其主成分累積貢獻率分別為88.6%和84.3%，對各根系指標的變異具有較高的解釋。其中主成分1可將不同耐鹽性海島棉區(qū)分開來，主成分2能將鹽分處理分開。在中性鹽脅迫下，主成分1中根系表面積、根長、粗根根長、中根根表面積、根體積、中根根體積、粗根根表面積和中根根長的權重系數較高(>0.3)，中根和粗根受基因型影響較大；主成分2中細根根長、細根表面積和細根體積的載荷值較高，中性鹽脅迫下，鹽分對細根根長、細根表面積和細根體積有顯著影響。

在堿性鹽脅迫下，主成分1中中根系表面積、中根根表面積、中根根體積、根體積、粗根根長和中根根長的權重系數較高(>0.3)，中根受基因型影響較大；主成分2中細根根體積、細根表面積和細根根長的載荷值較高，堿性鹽脅迫下，鹽分對細根根體積、細根表面積和細根根長有顯著影響。在堿脅迫下，不同鹽分處理的值離散程度以及細根參數的荷載值均大于中性鹽脅迫，堿性鹽對細根的影響大與中性鹽；中性鹽對中根和粗根的抑制更顯著。圖5

注：RL：根系總長度； RA：根系總表面積；RV：根系總體積；FRL：細根根長；MRL：中根根長；CRL：粗根根長；FRA：細根表面積；MRA：中根表面積；CRA：粗根表面積；FRV：粗根體積；MRV：中根體積；CRV：粗根體積

Note：RL:Root length;RA:Root area;RV:Root volume; FRL:Fine root ; MRL:Middle root ;CRL: Coarse root ;FRA: Fine root area; MRA: Middle root area; CRA: Coarse root area; FRV: Fine root volume;MRV: Middle root volume ;CRV: Coarse root volume

圖5 鹽堿和基因型差異對海島棉根系參數影響的主成分
Fig.5 Principal component analysis of island cotton root morphological parameters affected by different saline-alkali and genotypes

3 討 論

根系是作物吸收水分和營養(yǎng)的主要器官，同時還制約著地上部的生長發(fā)育[18]。根系的生長發(fā)育與形態(tài)變化在很大程度上受控于土壤環(huán)境條件，土壤鹽堿脅迫、水分虧缺及澇漬等土壤逆境均會使根系做出相應反應，并通過改變生理代謝的途徑與方向影響碳同化產物在不同器官中的積累與分配[19-21]。海島棉根系分布格局與受遺傳和環(huán)境因子存在密切關系[22]。

作物往往通過改變根系形態(tài)和分布來適應逆境環(huán)境[23]。鹽脅迫能降低棉花的根長、根平均直徑、根體積和根表面積，在80～240 mmol NaCl/L之間達到顯著水平[24]。張曉磊等[25]研究發(fā)現，鹽堿脅迫對紫花苜蓿根長和根表面積影響較大，當混合鹽濃度小于50 mmol/L時，其根長與表面積較對照有所增加。而當混合鹽濃度大于100 mmol/L時，苜蓿根長和表面積與對照相比顯著降低。研究發(fā)現，低鹽濃度使各品種的細根根長、表面積及體積均有不同程度的增加，而對中根及粗根無顯著抑制作用。這是由于海島棉在低鹽濃度下將更多的養(yǎng)分分配至細根，減緩了根系生長的抑制程度，增強了根系覓養(yǎng)能力，提高根系在逆境中的適應性，這在其他作物中也有所體現[26-27]。

鹽堿化土壤對作物的毒害作用主要包括鹽脅迫和高pH脅迫，以及這兩種脅迫交互產生的復合毒害，高pH土壤可直接危害作物根系對營養(yǎng)物質的吸收，并嚴重影響作物內部的離子平衡[28]。當作物生長在高pH的土壤中，細胞質pH升高，造成細胞壁損傷，進而阻礙細胞伸長，影響作物生長發(fā)育。高pH土壤會嚴重抑制根毛的發(fā)生，影響作物對水分和養(yǎng)分的吸收利用[29]。而根際土壤pH還在不同程度上改變作物根際環(huán)境，比如根際土壤中養(yǎng)分的生物和化學有效性、根系細胞膜的透性以及根際酶的活性等[30]。石德成[31]和武德等[32]研究發(fā)現，鹽度和高pH具有協同效應，混合鹽堿脅迫對植物的危害遠遠大于單純的高鹽或高堿。研究表明，在中性鹽和堿性鹽脅迫下，海島棉的根長、根表面積和根體積均受到顯著抑制，但堿性鹽脅迫對根系總長度的影響較大。進一步分析發(fā)現，中根和粗根的根長、根表面積和根體積在低濃度中性鹽和堿性鹽脅迫下差異不明顯，而細根參數存在明顯差異，堿性鹽脅迫主要降低了細根伸長，導致根系總長度的降低。細根是海島棉耐鹽堿性的一個重要指標?；羝交踇33]研究認為，堿性鹽脅迫下，紫花苜蓿根際有鹽分積聚現象，使根際周圍滲透勢升高，從而影響了作物根系的構建。研究中，新海31號在高濃度的堿性鹽脅迫下，根部出現變黑腐爛現象，這可能是由于根部鹽分過量聚集以及堿性鹽高pH作用造成根系供氧能力下降以及周圍營養(yǎng)狀況嚴被重破壞，并合成過量有機酸，導致作物細胞離子平衡和正常生理代謝被破壞[34-35]。

作物通過根系實現與土壤間的物質能量交換，根系的空間分布變化反應出其對環(huán)境的適應性以及基因型的差異[9]。羅佳等[36]認為，低磷脅迫下，磷高效基因型棉花可大幅度增加根長、根毛和側根數量，促使比根長增加，從而提高根系構建效率。弋良明等[37]研究發(fā)現，不同荒漠鹽生植物在鹽脅迫下根系形態(tài)存在顯著差異，耐鹽的襄果堿蓬各根系指標下降幅度較小。Zhang等[24]認為，棉花的根長、根表面積、根體積和根徑存在顯著的鹽分水平差異，而根長和根表面積存在著顯著基因型差異。研究結果表明，中性鹽濃度為240 mmol/L時，耐鹽堿品種新海35號和新海43號的根系總長度、總表面積和總體積均顯著低于對照，而鹽堿敏感性品種新海31號和新海48號根系總長度、總表面積和總體積與對照無顯著差異；堿性鹽濃度為180 mmol/L時，4個品種的根系參數均顯著降低，不同耐鹽堿品種海島棉在低濃度鹽堿脅迫下沒有表現出基因型差異；而當處于高濃度鹽堿脅迫下，耐鹽堿品種海島棉才會表現出明顯抗性。這可能與作物根系在長期的進化中形成的一套應對不利環(huán)境的防御機制有關，通過對不斷變化的環(huán)境的適應來提高根系感知和響應脅迫的能力[38]。鹽脅迫在很大程度上改變著根系形態(tài)的建立，抑制作物生長，甚至導致作物死亡[39-40]。植物受到非生物脅迫時，被稱為植物“應激激素”的脫落酸能在植物體內迅速做出反應，其與根系的向水性和向地性密切相關[41]。不同耐鹽性海島棉脫落酸含量在低濃度鹽堿處理下是否也存在差異還需進一步研究。

4 結 論

低濃度中性鹽和堿性鹽使不同耐鹽品種海島棉細根根長、表面積及體積有不同程度的增加，而對中根及粗根無顯著抑制作用。中性鹽和堿性鹽脅迫均顯著降低海島棉根系總長度、總表面積和總體積，其中堿性鹽對根系總長度的影響較大，堿性鹽主要通過抑制細根的伸長來降低根系總長度。品種間，不同耐鹽堿品種海島棉在低濃度鹽堿脅迫下沒有表現出基因型差異，而當處于高濃度鹽堿脅迫下，耐鹽堿品種海島棉才表現出明顯抗性。