唐榕， 梁培鑫， 郭晨荔， 郭睿， 何皇成， 王騰飛， 劉建國(guó)

(石河子大學(xué) 新疆兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832003)

隨著自然環(huán)境的惡化，世界范圍內(nèi)土壤鹽堿化問(wèn)題愈發(fā)突出，使土地資源受到嚴(yán)重威脅。鹽堿脅迫是影響植株正常生長(zhǎng)發(fā)育的主要非生物逆境因素[1-2]，會(huì)直接導(dǎo)致植株產(chǎn)量和品質(zhì)的下降。目前，鹽堿脅迫已成為第二大影響因素，對(duì)作物正常生長(zhǎng)發(fā)育的阻礙程度僅次于干旱脅迫[3]，所以種植耐鹽堿的先鋒作物對(duì)治理、改善鹽堿地具有重要意義。我國(guó)的鹽堿地主要分布于內(nèi)陸，土壤中一般含有大量鹽分，因我國(guó)地域廣闊，不同區(qū)域的土壤鹽成分存在明顯不同，分為高鹽低pH的中性鹽脅迫或低鹽高pH的堿性鹽脅迫，通常土壤中的鹽、堿化是相伴相隨的[4]。鹽脅迫主要是通過(guò)水分脅迫和離子毒害的形式表現(xiàn)出來(lái)，而堿脅迫中還包括高pH的脅迫[5]。由此常以Na2SO4、NaCl、Na2CO3、NaHCO3四種鹽混合模擬外界鹽堿條件[6-9]。因鹽、堿脅迫發(fā)生機(jī)制的不同，對(duì)植物的作用機(jī)理及產(chǎn)生的危害也存在差異，植物遭受鹽堿危害時(shí)首先會(huì)發(fā)生滲透脅迫和活性氧脅迫，表現(xiàn)為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)及抗氧化酶活性發(fā)生響應(yīng)，之后體內(nèi)開(kāi)始適應(yīng)，并作出相應(yīng)的調(diào)整[10]。在鹽濃度不斷增大的條件下，向日葵3種抗氧化酶活性均呈先升高后下降的趨勢(shì)，而在高pH條件下，超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)的活性下降，過(guò)氧化物酶(POD)的活性則持續(xù)上升[11]。不同生長(zhǎng)階段的向日葵對(duì)鹽堿脅迫的反應(yīng)有所不同。在幼苗生長(zhǎng)中，不同指標(biāo)抑制程度均表現(xiàn)出堿脅迫大于鹽脅迫[11]，同時(shí)兩者間還具有協(xié)同效應(yīng)[12]。董靜等[13]研究指出，隨著鹽堿脅迫程度的增加，馬齒莧葉片中的丙二醛(MDA)含量表現(xiàn)出不同程度的增長(zhǎng)，但SOD、POD和CAT酶活性均呈先升后降的趨勢(shì)，且脯氨酸(Pro)和可溶性糖含量在堿脅迫下的增幅均高于同濃度下的中性鹽脅迫。

油莎豆(CyperusesculentusL.)亦稱(chēng)油莎草，原產(chǎn)于非洲地區(qū)，具有適應(yīng)性強(qiáng)、抗逆性高、耐鹽堿、耐貧瘠、抗旱的特點(diǎn)，是干旱區(qū)鹽堿地種植優(yōu)選作物及鹽堿地改良的先鋒作物。目前，關(guān)于油莎豆的研究主要在種植密度[14]、理化性質(zhì)[15]、有效成分[16]等方面，而對(duì)鹽堿脅迫方面的研究較少。油莎豆地下結(jié)果特性決定其適宜砂土種植，而砂質(zhì)地大多屬鹽堿地。新疆砂化、鹽漬化土地面積大，油莎豆在新疆干旱氣候區(qū)種植表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)性[17]。本文通過(guò)探討油莎豆對(duì)鹽堿脅迫生境的適應(yīng)機(jī)理，以期為油莎豆在新疆綠洲鹽堿環(huán)境下的種植提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

以中油莎1號(hào)品種為供試材料，選取籽粒飽滿(mǎn)、大小一致且無(wú)蟲(chóng)眼的種子為試驗(yàn)材料，用5%NaClO溶液消毒10 min，用無(wú)菌水清洗3次，晾干后備用。

1.2 方法

試驗(yàn)選取中性鹽(Na2SO4、NaCl)及2種堿性鹽(Na2CO3、NaHCO3)為供試材料，均按1∶2混合模擬鹽脅迫(Na2SO4∶NaCl)和堿脅迫(Na2CO3∶NaHCO3)2個(gè)處理組，每組設(shè)低、中、高3個(gè)濃度梯度。經(jīng)前期預(yù)備試驗(yàn)，確定中性鹽低、中、高濃度依次為80、160、320 mmol·L-1，pH值依次為7.06、8.21、9.44；設(shè)堿性鹽低、中、高濃度依次為40、80、120 mmol·L-1，pH值依次為10.12、10.26、10.36，對(duì)照處理為蒸餾水+營(yíng)養(yǎng)液，共7個(gè)處理。

1.3 培養(yǎng)

試驗(yàn)于2020年6—9月進(jìn)行。采用室內(nèi)發(fā)芽盒發(fā)芽法，將消過(guò)毒的油莎豆種子先置于低濃度處理液中浸泡3 d，置于裝有蛭石的發(fā)芽盒中，灌入等量處理液，進(jìn)行不同濃度鹽堿脅迫處理。每盒10粒，以蒸餾水為對(duì)照，每處理重復(fù)6次。置于光照培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)(晝/夜14 h/10 h，溫度30 ℃/25 ℃)，期間依據(jù)發(fā)芽盒內(nèi)濕度情況，每處理添加等量處理液。幼苗培養(yǎng)至第20天，測(cè)量幼苗生長(zhǎng)發(fā)育狀況、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量及抗氧化酶活性等指標(biāo)。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目

植株生長(zhǎng)參數(shù)。脅迫處理幼苗培養(yǎng)至第20天，將油莎豆幼苗用蒸餾水洗凈，濾紙吸干水分，稱(chēng)量株高、鮮重、根長(zhǎng)等指標(biāo)；在85 ℃下烘至恒重，稱(chēng)量地上和地下部干重。

生理指標(biāo)。采集幼苗葉片，游離脯氨酸含量采用酸性茚三酮法測(cè)定；可溶性糖含量采用蒽酮比色法測(cè)定；采用氮藍(lán)四唑(NBT)光化還原法測(cè)定SOD活性；采用紫外吸收法測(cè)定CAT活性[18]。

鹽敏感指數(shù)。采用Molhtar等[19]關(guān)于鹽敏感指數(shù)(SSI)的公式進(jìn)行計(jì)算。

SSI=[(WNaCl-Wcontrol)/Wcontrol]×100。

式中，WNaCl表示鹽堿處理下數(shù)值；Wcontrol表示對(duì)照數(shù)值。

1.5 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel 2010、SPSS 26、Origin 2019對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析及作圖，并采用LSD法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽、堿脅迫對(duì)油莎豆幼苗生長(zhǎng)的影響

植物在逆境條件下，最直接的指標(biāo)表現(xiàn)在植株高度上。表1顯示，在不同濃度鹽、堿脅迫下，油莎豆幼苗生長(zhǎng)均會(huì)受到抑制，各生長(zhǎng)指標(biāo)整體呈顯著下降趨勢(shì)。其中，不同鹽堿脅迫下對(duì)油莎豆幼苗地上部的抑制作用尤為顯著。在高濃度下，中性鹽脅迫下的幼苗苗長(zhǎng)、地上部鮮干重分別較CK降低71.39%、74.11%、69.57%，堿性鹽脅迫下分別較CK降低58.03%、45.31%、39.13%，且均呈顯著差異。隨著中性鹽脅迫濃度的增加，油莎豆各指標(biāo)均呈降低趨勢(shì)。隨著堿性鹽脅迫濃度的增加，苗長(zhǎng)、根長(zhǎng)和地上部鮮、干重表現(xiàn)出不斷降低趨勢(shì)，而地下部鮮、干重在低濃度下較CK增加4.9%和15.36%，在中、高濃度處理下則表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)。

表1 鹽、堿脅迫對(duì)油莎豆幼苗生長(zhǎng)的影響

2.2 對(duì)油莎豆幼苗葉片Pro含量的影響

Pro是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，其積累有利于植物抵御外界鹽堿脅迫，因其對(duì)鹽堿脅迫響應(yīng)迅速，也可作為植物開(kāi)始遭受脅迫的信號(hào)[20-21]。

圖1顯示，油莎豆幼苗Pro含量均隨脅迫濃度的增大而增加。其中，在鹽脅迫下，Pro含量隨濃度的增加呈上升趨勢(shì)，分別較CK增加88.72%、150.99%、288.03%，且差異均達(dá)到顯著水平；在堿脅迫下則表現(xiàn)出先增后降的趨勢(shì)，并在中濃度下達(dá)到最大，各處理分別較CK增加94.8%、161.44%、151.01%。整體來(lái)看，相比于堿脅迫，高濃度鹽脅迫下Pro含量增加更為迅速。

同處理柱上無(wú)相同小寫(xiě)字母者表示組間差異顯著(P<0.05)。圖2～4同。圖1 鹽、堿脅迫對(duì)油莎豆幼苗葉片Pro含量的影響

2.3 對(duì)油莎豆幼苗葉片可溶性糖含量的影響

可溶性糖作為細(xì)胞中能量代謝的中間產(chǎn)物，在鹽堿脅迫下對(duì)維持細(xì)胞內(nèi)pH值穩(wěn)定和離子平衡有重要作用[22]。由圖2可知，隨著處理濃度的增大，可溶性糖含量均呈增加趨勢(shì)，且均高于對(duì)照，并在高濃度下達(dá)到最大值。其中，高濃度鹽脅迫下可溶性糖含量較CK增加490.00%，顯著高于其他各處理，各脅迫濃度處理均顯著高于CK。堿脅迫下，低、中、高濃度處理相比CK分別增加29.83%、92.33%和119.67%，且中、高濃度堿脅迫下的可溶性糖含量顯著高于其他處理。

圖2 鹽、堿脅迫對(duì)油莎豆幼苗葉片可溶性糖含量的影響

2.4 對(duì)油莎豆幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

2.4.1 SOD活性

相對(duì)于生長(zhǎng)指標(biāo)，抗氧化酶是植物重要的抗逆防御系統(tǒng)，對(duì)外界脅迫的表征更迅速敏感，且在抗逆境方面扮演著重要的保護(hù)作用[23]。由圖3可知，隨著處理濃度的增加，油莎豆幼苗葉片中SOD活性均表現(xiàn)為先增加后下降的趨勢(shì)，各處理下的SOD活性均大于CK。其中，鹽脅迫低、中、高各處理的SOD活性差異不顯著，但均顯著高于CK，且低濃度下的SOD活性最大，低、中、高濃度處理相比CK分別增加53.95%、42.44%和41.08%；堿脅迫的SOD活性變化趨勢(shì)與鹽脅迫一致，在低濃度處理下達(dá)到最大值后，隨著濃度的增大呈下降趨勢(shì)，低濃度處理相較CK顯著增加37.47%，而中、高濃度處理分別增加15.8%和3.61%，且與中、高濃度和對(duì)照間差異不顯著。

圖3 鹽、堿脅迫對(duì)油莎豆幼苗葉片SOD活性的影響

2.4.2 CAT活性

無(wú)論是怎樣的分組方式，小組成員都不宜過(guò)多，小組規(guī)模越大，小組中某個(gè)學(xué)生被隱藏和忽略的機(jī)會(huì)也就越大，最終小組的學(xué)習(xí)任務(wù)也只是少部分同學(xué)在完成，使合作學(xué)習(xí)的效率低下。小組的成員也不宜過(guò)少，過(guò)少的成員的分組可能會(huì)造成學(xué)習(xí)小組眾多，教師沒(méi)有充足精力照顧到每一個(gè)小組，課堂時(shí)間也不夠每個(gè)小組展示發(fā)言。在提倡小班化教學(xué)的今天，小班額的班級(jí)為合作學(xué)習(xí)的科學(xué)分組提供了良好的環(huán)境，本次研究的固定分組方法是把學(xué)生劃分成4人小組，一個(gè)班級(jí)大約8—10個(gè)小組，這種分組方式可以使小組合理的開(kāi)展分工合作，每個(gè)學(xué)生也有機(jī)會(huì)發(fā)言，學(xué)生參與度高，學(xué)習(xí)效率提高。

由圖4可知，隨著脅迫濃度的增加，油莎豆葉片內(nèi)CAT活性均呈上升趨勢(shì)。其中，鹽脅迫下分別增加48.80%、65.97%和72.61%，各處理與CK間差異不顯著。堿脅迫下CAT活性增加迅速，中、高濃度處理較CK增加122.49%和170.75%，且顯著高于CK；低濃度下與CK顯著不差異。從總體來(lái)看，油莎豆葉片在低濃度時(shí)中性鹽處理組的CAT活性高于堿性鹽處理，而在中、高濃度時(shí)，堿性鹽處理下CAT活性均高于中性鹽處理。

圖4 鹽、堿脅迫對(duì)油莎豆幼苗葉片CAT活性的影響

2.5 對(duì)油莎豆幼苗鹽敏感指數(shù)的影響

油莎豆對(duì)鹽、堿脅迫的形態(tài)響應(yīng)主要通過(guò)地上部植株、地下部根系的生物量變化來(lái)體現(xiàn)。表2顯示，不同處理下，苗長(zhǎng)、根長(zhǎng)及生物量均受鹽堿脅迫的抑制，對(duì)苗長(zhǎng)和干重的抑制程度均隨處理濃度的增大而增加。在堿脅迫下，地下部鮮干重在低濃度表現(xiàn)為促進(jìn)效果，在中、高濃度中表現(xiàn)為抑制效果。由于油莎豆種子萌發(fā)對(duì)中性鹽和堿性鹽的敏感程度不同，故在本試驗(yàn)所設(shè)的鹽、堿脅迫下的低、中、高濃度不一致，而在同濃度處理下(80 mmol·L-1，即鹽脅迫的低濃度、堿脅迫的中濃度)，油莎豆幼苗苗長(zhǎng)、根長(zhǎng)、地上部干重和地下部干重的鹽敏感指數(shù)均表現(xiàn)為堿脅迫高于鹽脅迫。處于逆境時(shí)，植物通過(guò)體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)，增加可溶性糖含量，加速蛋白質(zhì)分解，提高Pro含量，增強(qiáng)體內(nèi)抗氧化酶(SOD、CAT)活性，以適應(yīng)逆境和減少傷害。鹽、堿脅迫會(huì)使油莎豆幼苗葉片中Pro、可溶性糖含量及SOD、CAT活性升高，隨著處理濃度的增加，Pro、可溶性糖含量及CAT活性的鹽敏感性也不斷增加，而葉片中SOD活性鹽敏感指數(shù)則隨處理濃度增加不斷降低。相同濃度下，鹽堿脅迫對(duì)各代謝指標(biāo)的影響與油莎豆形態(tài)指標(biāo)基本一致。

表2 鹽、堿脅迫下油莎豆幼苗各鹽敏感指數(shù)的變化 單位:%

3 討論

植物在逆境條件下生長(zhǎng)，均會(huì)受到不同程度的抑制作用，而植物體內(nèi)則會(huì)通過(guò)各種生理作用來(lái)適應(yīng)或調(diào)節(jié)逆境條件帶來(lái)的傷害。胡華冉等[24]研究表明，隨著鹽、堿濃度的增大，大麻幼苗的株高、根長(zhǎng)和干物質(zhì)均不斷減小。本研究中，鹽、堿脅迫下，幼苗苗長(zhǎng)、根長(zhǎng)等指標(biāo)均隨著脅迫濃度的增加呈下降趨勢(shì)，堿性鹽對(duì)植物傷害更大。在同種鹽和同濃度處理下，地下部干鮮重的下降速率明顯低于地上部，且在高濃度處理下尤為顯著，使其在鹽堿脅迫下，根冠比呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，這種現(xiàn)象作為一種植物的自我保護(hù)效應(yīng)，可以在一定程度上降低植物的蒸騰，并有利于植物從外界吸收水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，緩解水分脅迫[25]。

通常在鹽堿地中，植物會(huì)受到滲透脅迫和離子毒害，而許多植物則會(huì)通過(guò)體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)以及調(diào)節(jié)Na+的分配來(lái)躲避傷害[26-30]。在鹽堿環(huán)境下補(bǔ)血草幼苗葉片中蛋白質(zhì)合成速率減慢，分解速率加快，致使其葉片內(nèi)Pro含量增加，因其對(duì)鹽堿脅迫反應(yīng)迅速，可以作為植物開(kāi)始受害的標(biāo)志[31]。劉建新等[32]對(duì)裸燕麥幼苗研究表明，葉片中Pro的增加可能是植物適應(yīng)鹽堿脅迫的一種表現(xiàn)。本研究中，Pro含量在不同鹽、堿脅迫下均表現(xiàn)為隨處理鹽濃度的增加而增加，其中中性鹽處理下的Pro含量迅速增加，而堿性鹽處理下Pro先增加后降低，Pro降低可能是因堿脅迫下，土壤pH的升高，部分金屬離子發(fā)生沉積，植物根系對(duì)土壤中的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)吸收受阻，造成營(yíng)養(yǎng)脅迫，致使幼苗內(nèi)蛋白質(zhì)含量減少，間接導(dǎo)致Pro含量降低。從而表明油莎豆幼苗耐中性鹽能力較強(qiáng)。

當(dāng)植物開(kāi)始遭受脅迫時(shí)，其體內(nèi)抗氧化酶系活性均會(huì)不同程度的增強(qiáng)或著維持較高水平，這有助于清除其自身過(guò)多的氧自由基，以維持植物中細(xì)胞膜的穩(wěn)定性和完整性[36]，本研究中，隨鹽濃度的增加，油莎豆幼苗中SOD活性均在低濃度下達(dá)到最大，然后呈下降趨勢(shì)。表明SOD主要在油莎豆遭受輕度脅迫時(shí)發(fā)揮較大作用，隨脅迫程度增大其活性降低，且相較與堿性鹽，中性鹽處理可更好的保持SOD活性。

4 小結(jié)

不同濃度鹽、堿脅迫均會(huì)對(duì)油莎豆幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生抑制作用，在中性鹽80～320 mmol·L-1，堿性鹽40～120 mmol·L-1(pH值10.12～10.36)，隨處理濃度增加，抑制作用逐漸增強(qiáng)，僅在低堿脅迫下的根系生長(zhǎng)表現(xiàn)為促進(jìn)作用。鹽、堿脅迫使油莎豆啟動(dòng)防御機(jī)制，通過(guò)提高葉片內(nèi)SOD、CAT活性以緩解鹽害，并通過(guò)Pro與可溶性糖的積累調(diào)節(jié)油莎豆幼苗葉片中的滲透勢(shì)，以此提高油莎豆對(duì)鹽堿脅迫的適應(yīng)能力。油莎豆對(duì)鹽堿脅迫有一定耐受性，其幼苗對(duì)堿性鹽耐受能力低于中性鹽，表明堿脅迫對(duì)油莎豆造成的傷害更大。