殷叢叢，陳錦芳，郝統(tǒng)，胡曉芳，王敏，岳愛琴，杜維俊*，趙晉忠*

（1.山西農(nóng)業(yè)大學 基礎(chǔ)部，山西 太谷030800；2.山西農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院，山西太谷030800）

土壤鹽堿化是普遍存在的環(huán)境問題，也是制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素，應(yīng)對鹽堿脅迫是確保農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的全球性問題。鹽堿脅迫影響全球20%的土地和50%以上的灌溉農(nóng)業(yè)用地［1］。當鹽堿土壤中含有CO32?和（或）HCO3?，從而導致土壤pH 值升高時，植物會遭受鹽和堿雙重效應(yīng)的脅迫［2］。研究證明堿脅迫的危害比鹽脅迫更加復雜，具有更大的破壞力［3］。堿脅迫對植物的危害除了具有鹽脅迫引發(fā)的滲透脅迫、離子毒害和氧化脅迫外，還有附加的高pH 脅迫。植物根系周圍的高pH 環(huán)境會引起Ca2+、Mg2+等金屬離子和磷的沉淀，嚴重影響植物對無機離子和磷的吸收，從而破壞細胞內(nèi)的離子平衡和酸堿穩(wěn)定［4］，處于堿脅迫環(huán)境中的植物需要應(yīng)對同時存在的多種脅迫干擾。如何提高植物對鹽堿脅迫環(huán)境的適應(yīng)性已成為備受關(guān)注的研究熱點［5］。

利用外源物質(zhì)提高植物的鹽堿耐受能力是使其適應(yīng)逆境的有效途徑。外源化合物通常可提高植物的生理機能，增強光合能力，維持細胞膜完整性和離子平衡，從而提高植物對鹽堿脅迫的抗逆性。任艷芳等［6］發(fā)現(xiàn)外源H2O2可促進小白菜種子萌發(fā)，明顯緩解了NaCl 脅迫對小白菜種子和幼苗的傷害。黃放等［7］發(fā)現(xiàn)1.5～3.0 mmol·L?1水楊酸浸種24 h 可提高側(cè)柏種子發(fā)芽率和幼苗SOD、CAT 活性，并促進幼苗地下部分生長。賴晶等［8］發(fā)現(xiàn)外源ATP 可使NaCl 脅迫下油菜幼苗ROS 含量、死細胞數(shù)量、MDA 含量等降低，提高葉片中葉綠素、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量，增強其體內(nèi)抗氧化酶活性。鄭州元等［9］發(fā)現(xiàn)外源硫化氫可提高鹽脅迫下加工番茄幼苗葉片的光合色素量和光合電子傳遞速率，有效緩解NaCl 對其葉片PSⅡ的傷害。已有報道多見于鹽脅迫下外源物對植物生長及生理特性等的影響，關(guān)于外源物對堿脅迫下植物生長及生理特性影響的研究少有報道。

本課題組研發(fā)的化合物乙酰化糖作為一種新型改良劑，可降低土壤pH 值，改善土壤理化性質(zhì)，促進玉米的生長［10］，有效緩解堿脅迫對小麥幼苗生長的抑制，具有提高幼苗的光合作用和抗氧化酶活性等作用，從而顯著促進其生長及生物量的積累［11］。濃度適宜的乙酰化糖還可提高大豆種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、發(fā)芽勢和胚根長度［12］。但是，目前乙?；菍A脅迫下大豆幼苗生長的影響尚未見報道。本文以堿脅迫下添加不同量乙酰化糖對大豆幼苗根系、生長指標及生理特性的影響為主要研究內(nèi)容，以期為乙?；翘岣咧参锟鼓嫘院望}堿地種植大豆提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試大豆品種為武鄉(xiāng)小黑豆，山西農(nóng)業(yè)大學大豆課題組提供；外源乙?；牵–16H22O11）由山西農(nóng)業(yè)大學鹽堿地治理研究課題組合成；Na2CO3和NaHCO3均為分析純。

1.2 試驗設(shè)計

設(shè)置7 個處理組，采用1/2 霍格蘭營養(yǎng)液培養(yǎng)作為空白組W，空白組基礎(chǔ)上加入堿性鹽Na2CO3和NaHCO3（摩爾比1∶1，20 mmol·L?1）配制的堿脅迫溶液作為對照組CK，堿脅迫溶液基礎(chǔ)上添加乙?；亲鳛樘幚砣芤海ū?）。

表1 不同處理溶液組成Table 1 Composition of different treatment solutions

1.3 大豆幼苗的培養(yǎng)

取大小均勻、顆粒飽滿且無病害的武鄉(xiāng)小黑豆，經(jīng)1% NaClO 溶液消毒10 min、無菌水漂洗后，置于發(fā)芽盒中發(fā)芽，芽長3～4 cm 時移栽，在25 ℃、光暗周期為12 h/12 h 的條件下進行培養(yǎng)，每個處理3 次重復，3 d 更換一次培養(yǎng)液，脅迫7 d 后取樣測定大豆幼苗根系形態(tài)指標、生長指標及根系生理特性指標。

1.4 測定指標與方法

切取1 cm 大豆幼苗根尖組織制備電鏡樣品，然后分別用KYKY-1000B 掃描電鏡和DXB2-12型透射電子顯微鏡觀察并拍照。用Win RHIZO PRO 2007 根系分析系統(tǒng)軟件（Regent Instruments Inc8，Canada）分析根系形態(tài)學參數(shù)。用直尺測量培養(yǎng)7 d 后大豆子葉節(jié)至主莖頂端生長點的長度為株高。干、鮮質(zhì)量測定參照宋松泉等［13］的方法。根系活力、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)（可溶性蛋白、可溶性糖）含量和抗氧化物酶（SOD、POD、CAT）活性測定參照李合生的方法［14］。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用Microsoft Excel 2010，數(shù)據(jù)作圖采用Origin 2017，利用SPSS 22 軟件進行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 乙?；菍A脅迫下大豆幼苗根系的影響

2.1.1 大豆幼苗根系形態(tài)

由圖1 可見，堿脅迫下（CK）大豆幼苗的主根短小，側(cè)根極短且數(shù)量極少，根系顏色發(fā)黃，地上部分生長矮小，加入乙?；呛?，大豆幼苗的主根變長，側(cè)根數(shù)量增多、長度增加，地上部分增高明顯。T3 處理下，幼苗根系發(fā)育最佳。

2.1.2 大豆幼苗根系生長指標

如表2 所示，堿脅迫處理（CK）7 d 后，大豆幼苗的總根長、總根系表面積、根系體積與空白組（W）相比分別降低了82.5%、65.2%、33.3%，且差異顯著（P＜0.05），根平均直徑顯著高于空白組。隨著乙?；菨舛鹊脑黾?，總根長、總根系表面積和根系體積的變化趨勢為先增加后降低，T1～T5 處理的總根長、總根系表面積均高于CK，根平均直徑顯著低于CK。T3處理時，總根長、總根系表面積和根系體積達最大值，比CK處理分別增加了406.1%、184.4%、70.0%，且差異顯著（P＜0.05）。

2.1.3 大豆幼苗根尖表面特征

圖1 不同處理下大豆幼苗根系形態(tài)Fig.1 Root morphology of soybean seedlings under different treatments

表2 不同處理下大豆幼苗根系指標Table 2 Root indexes of soybean seedlings under different treatments

掃描電鏡下觀察大豆幼苗根尖（圖2），空白組（W）的大豆幼苗根尖細胞排列緊密，根尖光滑無損傷（圖2A、圖2B）。CK 處理下的大豆幼苗根尖結(jié)構(gòu)被嚴重破壞，根尖表層凸起，組織排列疏松，甚至破裂掉落（圖2C、圖2D）；T3 處理下，大豆根尖結(jié)構(gòu)與空白組（W）無明顯差異（圖2E、圖2F），說明添加乙?；? mmol·L-1時能夠有效緩解堿脅迫對大豆幼苗根尖組織結(jié)構(gòu)的傷害。

2.1.4 大豆幼苗根尖細胞壁超微結(jié)構(gòu)

當植物遭受鹽堿脅迫時，根尖細胞壁起著重要的保障作用，防止細胞在滲透脅迫作用下吸水過量漲破。透射電鏡下觀察大豆幼苗根尖超微結(jié)構(gòu)（圖3），CK 處理下，原生質(zhì)體失水，細胞發(fā)生一定程度的收縮，細胞膜和細胞壁間間隙變大，原生質(zhì)體中有的細胞器發(fā)生移動，圖中可以看到線粒體結(jié)構(gòu)等。T3 處理下，大豆根尖細胞的細胞壁結(jié)構(gòu)排列緊密，各部位中原生質(zhì)體由橢球形變成球形且內(nèi)含物增多，細胞膜逐漸擴大向外延伸，有恢復到空白組（W）水平的傾向，與空白組根尖細胞壁結(jié)構(gòu)無明顯差異。

圖2 不同處理下大豆幼苗根尖掃描電子顯微照片F(xiàn)ig.2 Scanning electron micrograph of root tips of soybean seedlings under different treatments

2.1.5 大豆幼苗根系活力

由圖4 可見，與空白組（W）相比，CK 處理下大豆幼苗的根系活力顯著下降（P＜0.05）。隨乙?；菨舛鹊脑黾樱祷盍Τ手饾u上升的趨勢，T3、T4、T5 處理時與CK 處理組差異達顯著水平（P＜0.05），且在T5 處理時達最大值290.28 mg·g?1·h?1。表明堿脅迫下添加改良劑乙酰化糖能顯著提高大豆幼苗根系活力。

2.2 乙酰化糖對堿脅迫下大豆幼苗生長指標影響

2.2.1 大豆幼苗株高

如圖5 所示，CK 處理顯著降低了大豆幼苗株高（P＜0.05）。添加乙?；呛?，株高首先隨其濃度的增加而逐漸增加，并在T3 處理時達最大值，比CK 處理增加了105.3%，說明乙?；强捎行Ь徑鈮A脅迫對大豆幼苗生長的抑制。株高并未隨乙酰化糖濃度的增加而持續(xù)增加，T4 和T5 處理下，幼苗株高與CK 處理差異均不顯著（P＞0.05），說明過量的乙酰化糖反而使幼苗的生長反受到抑制，其影響機制有待于進一步研究。

2.2.2 大豆幼苗干、鮮重

由表3 可見，CK 處理降低了大豆幼苗地上部鮮重、地下部鮮重、地下部干重，分別為31.1%，52.7%，35.2%，與空白組差異顯著（P＜0.05）。添加乙?；呛螅厣喜旷r重、地下部鮮重、地下部干重與CK 處理相比差異顯著（P＜0.05），地上部干重與CK 處理相比差異不顯著（P＞0.05）。在T5 處理時，地上部鮮重達最大值，比CK 處理增加27.1%。在T4 處理時，地下部鮮、干重達最大值，分別比CK 處理增加84.3%、29.4%。這說明乙?；怯行Т龠M了大豆幼苗地下部生長。

2.3 乙?；菍A脅迫下大豆幼苗根系生理特性的影響

2.3.1 幼苗根系抗氧化酶活性

與空白組（W）相比，CK 處理下大豆幼苗根系的SOD、POD、CAT 活性顯著升高（P＜0.05）（圖6A～圖6C）。添加乙?；呛?，SOD、POD 活性顯著增強，且均在T2 處理時達到峰值，分別比CK 處理提高了98.0%、227.9%。CAT 活性顯著低于空白組和CK 處理組，隨著乙?；菨舛鹊脑黾佣饾u降低，并且各處理組之間差異顯著（P＜0.05）。說明堿脅迫激活了抗氧化酶的活性，添加適宜劑量的乙?；强墒筍OD、POD 的活性增強，過量添加則會產(chǎn)生抑制作用。

圖3 不同處理下大豆幼苗根尖不同部位細胞壁透射電鏡圖Fig.3 TEM images of cell walls at different root tips of soybean seedlings under different treatments

圖4 不同處理下大豆幼苗根系活力Fig.4 Root vigor activity of soybean seedlings under different treatments

圖5 不同處理下大豆幼苗株高Fig.5 Plant height of soybean seedlings under different treatments

2.3.2 幼苗根系滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)

由圖7A 可以看出，CK 處理下大豆幼苗根系中的可溶性糖含量與空白組（W）相比顯著增加。隨著乙?；菨舛鹊脑黾?，可溶性糖含量呈先升高后下降的變化趨勢，在T3 處理時達最大值，較CK 處理提高了25.6%，差異達顯著水平（P＜0.05）。其余添加量條件下，可溶性糖含量均低于CK 處理組，說明乙?；菨舛葹? mmol·L-1時可通過增加可溶性糖含量進而提高大豆幼苗的滲透調(diào)節(jié)能力。

由圖7B 可以看出，堿脅迫使大豆幼苗根系中的可溶性蛋白含量急劇下降，較空白組（W）下降了79.3%。添加乙酰化糖后，可溶性蛋白含量隨其濃度的增加急劇上升，T2 處理時已增至CK 處理的3.94 倍，之后緩慢增加，T4 處理時達到最大值，為CK 處理的5.04 倍，并且T4、T5 處理組可溶性蛋白含量略高于空白組（W），說明乙?；怯欣谟酌缰锌扇苄缘鞍缀炕謴椭琳Ｋ健?/p>

3 討論

植物根系直接與土壤接觸，是吸收營養(yǎng)和水分的重要器官，也是對環(huán)境脅迫最敏感的器官。堿脅迫條件下根系會產(chǎn)生相應(yīng)的形態(tài)及生理變化，進而抑制植物的莖、葉等其它器官的生長發(fā)育，因此植物根系的生長發(fā)育狀況和活力是評價植物抗逆性的重要指標。與地上部相比，根系生長更加消耗植物本身的能量，植物幼苗可自身減緩根系的生長來抵抗堿脅迫的傷害。已有研究表明，鹽堿脅迫對海島棉、黃瓜、番茄等的根系總長度、總表面積、體積以及根尖數(shù)有顯著的抑制作用［15～17］。本試驗中，堿脅迫下幼苗根系各項指標與對照組相比顯著降低，根尖表層細胞凸起甚至破裂掉落、原生質(zhì)體失水，說明堿脅迫已對大豆幼苗根系造成了不可逆?zhèn)?。添加乙酰化糖后，幼苗根系總根長、總根系表面積、根系體積等顯著增加，根尖結(jié)構(gòu)細胞排列緊密，組織結(jié)構(gòu)損傷明顯緩解。并且，根系活力隨乙?；菨舛鹊脑黾映手饾u增強的趨勢，表明乙?；谴龠M了堿脅迫下大豆幼苗的根系發(fā)育，增強了根系吸收水分和運輸營養(yǎng)的功能。

表3 不同處理下大豆幼苗干、鮮重的變化Table 3 Changes of dry and fresh weight of soybean seedlings under different treatments 單位：g·10 plant-1

圖6 不同處理下大豆幼苗根系的抗氧化酶活性Fig.6 Antioxidant enzyme activities of soybean seedling roots under different treatments

圖7 不同處理下大豆幼苗根系的滲透調(diào)節(jié)物含量Fig.7 Osmotic regulator content of soybean seedling roots under different treatments

幼苗階段是植物對鹽堿脅迫較敏感的時期，生長受到抑制是最為直觀的表現(xiàn)。由于植物需消耗更多的能量和有機物質(zhì)來應(yīng)對鹽堿脅迫引發(fā)的脅迫滲透和離子毒害，因此，生物量的積累和株高會受到不同程度的抑制［18～20］。生物量的積累反應(yīng)植物維持生命活力的能力，本研究結(jié)果表明，堿脅迫對大豆幼苗生物量的積累和株高均造成了不利影響。但是，堿脅迫下適量乙?；堑奶砑涌墒勾蠖褂酌绲叵虏可锪康姆e累顯著增加，從而提高了根冠比，說明在乙?；亲饔孟?，大豆幼苗增加了生物量在根系上的分配來抵抗堿脅迫的破壞作用。株高的顯著增加，一方面反映了乙?；菍τ酌绺灯鸬搅诵拮o作用，增強了其吸收營養(yǎng)和水分的功能；另一方面可能乙?；潜旧碜鳛轲B(yǎng)分被幼苗吸收，促進了幼苗生長。

鹽堿脅迫會導致植物細胞內(nèi)產(chǎn)生大量的活性氧自由基，損壞膜系統(tǒng)的完整性。植物體內(nèi)存在抗氧化系統(tǒng)來抵抗逆境脅迫，且效果依賴于抗氧化酶間的協(xié)調(diào)配合，SOD、POD、CAT 是植物抗氧化系統(tǒng)的重要組成，可有效清除活性氧自由基。SOD 可以將O2?催化成H2O2，構(gòu)成清除活性氧自由基的第一道防線，而H2O2同時又是SOD 的抑制劑，需要被POD 與CAT 進一步分解。本研究中，堿脅迫下大豆幼苗的SOD、POD、CAT 活性較空白組顯著增加，說明堿脅迫已將抗氧化系統(tǒng)激活。加入乙?；呛?，SOD、POD 活性較空白組及堿脅迫處理組顯著增高；而CAT 活性則較對照組及堿脅迫處理組顯著降低，且隨其濃度的增加而逐漸降低。表明乙?；秋@著增強了SOD、POD 活性，二者相互配合足以對幼苗進行膜系統(tǒng)修復，并維持膜系統(tǒng)的穩(wěn)定，因此CAT 活性顯著降低，究其原因可能是CAT 對H2O2的親和力較低，只有在H2O2較高濃度時才能與之高效結(jié)合，在SOD、POD 活性被乙?；秋@著增強的情況下，無需CAT 參與清除反應(yīng)。但在較高濃度乙酰化糖作用下，SOD、POD 活性反而有所降低，說明高濃度的乙?；强赡軐Χ呋钚杂幸种谱饔谩?/p>

滲透調(diào)節(jié)是植物應(yīng)對鹽堿脅迫逆境的主動調(diào)節(jié)機制。可溶性蛋白和可溶性糖作為植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，可緩沖植物細胞內(nèi)高濃度無機離子，幫助植物適應(yīng)逆境。已有報道，不同植物體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量隨鹽濃度變化的呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律?？扇苄蕴呛吭邴}、堿脅迫下堿地膚［21］、野大麥［22］中隨鹽濃度的升高而升高，而在馬齒莧［23］、大果白刺葉片［24］中則呈先升高后下降的趨勢?？扇苄缘鞍缀吭邴}堿脅迫下羊草［25］中隨鹽分含量的增加而逐漸升高，而在冬油菜［26］中含量則逐漸降低，蘆筍在不同濃度鹽、堿、混合鹽脅迫下的變化規(guī)律不同［27］。本研究中，與空白組相比，堿脅迫下可溶性糖含量顯著升高，而可溶性蛋白含量顯著降低，說明在大豆幼苗的滲透調(diào)節(jié)方面，可溶性糖比可溶性蛋白占據(jù)更重要的地位。堿脅迫下添加乙酰化糖后，可溶性糖含量3 mmol·L?1時顯著高于堿脅迫處理組；可溶性蛋白含量則隨乙?；菨舛鹊脑黾佣饾u增加，直至與空白組含量接近，表明乙?；堑募尤氩坏梢詭椭蠖褂酌绶e累可溶性糖來調(diào)節(jié)體內(nèi)的滲透式以及緩解離子毒害作用，而且有助于緩解可溶性蛋白的氧化損傷，使之恢復到正常水平。

4 結(jié)論

乙酰化糖降低了堿脅迫溶液的pH 值，提高了堿脅迫下大豆幼苗的抗氧化酶活性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量及根系活力，促進了大豆幼苗的生長發(fā)育，說明乙酰化糖不僅可以有效緩解堿脅迫對大豆幼苗的損傷、增強其抗逆性及根系的生理功能，并且綠色環(huán)保無污染，不會產(chǎn)生其它有害化合物。但其作用機制是復雜的過程，尤其對植物各生理過程的調(diào)控機制及作用原理尚需深入研究。綜合考慮株高、生物量、根系等各項指標，乙酰化糖較適宜的濃度為3 mmol·L?1，濃度過高會抑制大豆幼苗的生長。本研究結(jié)果為鹽堿地種植大豆提供了一定的理論基礎(chǔ)。