4個甜高粱品種(系)發芽期耐鹽性比較分析

杜 浩，張 彬，黃 萍，3，杜道林，3，莊義慶

(1.江蘇大學環境與安全工程學院，江蘇鎮江 212013； 2.江蘇丘陵地區鎮江農業科學研究所，江蘇句容 212013；3.江蘇大學農業工程研究院，江蘇鎮江 212013)

甜高粱[Sorghumbicolor(L.) Moench]起源于非洲，是一種C4植物，由于生長速度快、產量高、植物莖干含糖量高且具有較強的耐鹽堿、抗旱、耐高溫等特點，適宜在鹽堿灘涂及干旱等邊際土壤大規模種植，因此也被譽為“作物中的駱駝”。我國鹽堿地面積約為9 913萬hm2，且鹽堿化和次生鹽堿地面積逐年增加[1]。而江蘇省沿海灘涂總面積居全國首位，并且以每年1 333 hm2的速度增長[2]。研究甜高粱的耐鹽性，充分利用這些邊際性土地發展甜高粱生物質能源，可以有效緩解我國耕地面積緊缺和糧食安全壓力，也符合“不與人爭糧，不與糧爭地”的政策。因此，篩選耐鹽堿甜高粱品種(系)具有十分重要的意義。

本試驗以不同濃度的鹽脅迫(NaCl)處理對種子萌發和幼苗生長的影響程度為指標，對4個甜高粱品種(系)發芽期耐鹽性進行初步的鑒定與評價，旨在為甜高粱耐鹽性研究和品種篩選提供更多理論依據，進而為江蘇沿海灘涂甜高粱品種的選擇提供指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

用于研究的4個甜高粱品種(系)分別為大力王(DLW)、牛魔王(NMW)、海牛(HN)和帕卡(PK)，均購自鄭州華豐草業有限公司。選取籽粒飽滿、大小均一的種子備用。NaCl試劑由國藥集團化學試劑有限公司生產，MS培養基購自上海宇涵生物科技有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 種子預處理 選取顆粒飽滿、大小均一的DLW、NMW、HN和PK種子，在37 ℃通風放置7 d后統一置于4 ℃冰箱保存備用。用6% NaClO進行表面消毒20 min，然后用無菌水清洗3～5遍，在無菌操作臺中，接種于含有不同濃度NaCl的MS固體培養基上。

1.2.2 鹽脅迫處理 配制1 mol/L NaCl母液，在MS固體培養基中分別添加至NaCl終濃度為0、80、160、240 mmol/L，121 ℃ 高溫滅菌20 min后搖勻，待冷卻至50～60 ℃倒入 9 cm 培養皿中放置冷卻凝固，然后將消毒處理后的種子接種到培養基上進行培養。每個培養皿接10粒種子，每個品種4個處理，每個處理7個重復，培養皿置于25～28 ℃恒溫光照培養箱中培養，光照時間14 h/d。

1.2.3 種子發芽指標的測定 種子發芽能力的檢測參照GB/T 3543.4—1995《農作物種子檢驗規程 發芽試驗》，按以下公式計算萌發率：

種子萌發率=N1/N×100%。

式中：N1為全部正常發芽種子數，粒；N為供試種子數，粒。種子發芽以胚根突破種皮為標準，發芽期間每天統計發芽數，共計8 d。

1.2.4 形態指標的測定 發芽試驗結束后15 d測定幼苗的根長、株高以及干質量。

平均根長和株高：種子發芽15 d后，將幼苗從培養皿中取出洗凈，用吸水紙吸去水分，進行拍照，以標尺作為對照。從每個處理的7個重復中各取20株幼苗，用Image J軟件測出根長和株高，取平均值。

干質量：種子發芽后15 d，將幼苗從培養皿中取出，在 110 ℃ 殺青2 h，然后放入65 ℃烘箱內烘至恒質量，待冷卻至室溫后用FA1604電子天平稱取植株的干質量，并記錄。

1.3 生化指標的測定

1.3.1 丙二醛(MDA)含量的測定 采用硫代巴比妥酸法[3]測定。取上清液在Infinite M1000 PRO(TECAN)下分別測定600、532、450 nm下的吸光度。

1.3.2 脯氨酸含量的測定 參照酸性茚三酮法[4]測定，并對過程稍作優化。

1.3.3 保護酶活性的測定 過氧化物酶(POD)活性的測定采用愈創木酚顯色法[5]，用Infinite M1000 PRO(TECAN)在470 nm波長下測量吸光度，以1 min內D470 nm變化0.01為1個酶活性單位。

過氧化氫酶(CAT)活性的測定采用紫外吸收法[6]，用Infinite M1000 PRO(TECAN)在240 nm下測量吸光度，以 1 min 內D240 nm減少0.1為1個酶活性單位。

1.4 數據分析

對植物拍照后，采用Image J軟件測量根長和株高；采用SPSS 22.0軟件，利用差異分析法(即LSD法)進行分析；利用Origin 9.1對統計分析結果進行作圖。

2 結果與分析

2.1 鹽脅迫對甜高粱生長的影響

對4個品種的甜高粱進行耐鹽試驗，結果表明鹽脅迫處理能明顯抑制甜高粱種子的萌發，并且隨著鹽濃度的增加，不同品種甜高粱種子的萌發率均逐漸降低(圖1、圖2)。在正常情況下(無鹽脅迫)，DLW、NMW、HN品種之間無顯著差異，萌發率接近100%，PK萌發率約為90%。在低濃度鹽脅迫(80 mmol/L)處理下，不同甜高粱品種之間的萌發率差異不明顯，與正常情況相比，DLW、NMW、HN的萌發率無明顯差異。而高濃度鹽脅迫(160 mmol/L)處理使不同甜高粱品種的萌發率均受到明顯抑制。在高濃度鹽脅迫(160 mmol/L)處理下，DLW萌發率降低76%，NMW萌發率降低10%，HN和PK的萌發率幾乎為0(圖1、圖2)。

植物根系是吸收礦質營養和水分的重要器官，是鹽脅迫原初效應的發生部位，對地上部分的生命活動以及整個植株的生長發育具有重要調節作用[7]。由圖3可以看出，NaCl對根長具有抑制作用，4個甜高粱品種的根長均隨著鹽濃度的升高而減小。在正常情況下(無鹽脅迫)，不同品種甜高粱的根長并無顯著差異，但當鹽脅迫濃度為80 mmol/L時，不同品種甜高粱根長的相對減少量不同，NMW根長降幅最小，減少 35.90%，其次是DLW、PK，分別減少43.58%、43.63%，最后是HN，減少71.24%。當鹽脅迫濃度為160 mmol/L時，DLW、NMW的根長與正常情況下(無鹽脅迫)相比，分別減少89.67%、86.30%，而HN和PK的根長生長完全受到抑制(圖3)。

鹽脅迫對株高的抑制作用與對根長的抑制作用類似，由圖4可以看出，隨著鹽脅迫濃度的增加，不同品種的株高均呈下降趨勢，但不同品種之間存在差異。與正常情況(無鹽脅迫)相比，低濃度(80 mmol/L)的鹽脅迫處理使PK的株高減少43.4%，其次是HN(減少40.8%)，最后是NMW(減少36.6%)和DLW(減少24.6%)，且NMW和DLW兩者之間無顯著差異。而當鹽脅迫濃度為160 mmol/L時，DLW的株高顯著高于NMW(P<0.05)，而HN和PK的生長則完全被鹽脅迫抑制。

2.2 鹽脅迫對甜高粱生物量的影響

由圖5可以看出，在正常情況(無鹽脅迫)下，NMW的干質量顯著高于其他3個品種，DLW、HN、PK之間差異不顯著。隨著鹽脅迫濃度的增加，不同品種甜高粱的干質量均顯著降低(P<0.05)，其中NMW較其他3個品種的干質量減少的最少，DLW干質量減少的較少，其次是HN，PK減少的最多。NMW在不同鹽脅迫下的干質量均顯著高于其他3個品種(P<0.05)。在低濃度(80 mmol/L)鹽脅迫下，DLW、HN、PK 3個品種干質量差異不顯著，而在高濃度(160 mmol/L)鹽脅迫下，DLW的干質量要顯著高于HN(P<0.05)。

2.3 鹽脅迫對甜高粱抗氧化系統的影響

丙二醛是細胞膜不飽和脂肪酸發生過氧化作用的終產物，其含量多少可以衡量細胞膜受損傷的程度[8]。由圖6可以看出，隨著鹽濃度的變化，各品種甜高粱MDA含量變化趨勢基本一致，都是先升高后降低。在正常情況(無鹽脅迫)下，NMW的葉片MDA含量顯著低于其他3個品種(P<0.05)，而且在0.80 mmol/L鹽濃度脅迫處理下均處于最低水平。在低濃度鹽脅迫處理下(80 mmol/L)，各品種MDA含量均顯著上升，且不同品種之間無顯著差異。當鹽脅迫濃度為 160 mmol/L 時，DLW和NMW的MDA含量均明顯下降，且DLW的MDA含量顯著高于NMW(P<0.05)。

脯氨酸是植物在鹽脅迫下產生的一種滲透調節物質，有助于細胞或組織的保水，同時還可作為碳水化合物來源以及酶和細胞結構的保護劑[9-10]。由圖7可以看出，隨著鹽脅迫濃度的升高，4個品種甜高粱的脯氨酸含量均呈明顯上升趨勢。與正常情況(無鹽脅迫)相比，當鹽脅迫濃度為 80 mmol/L 時，PK和HN脯氨酸含量上升幅度顯著高于其他2個品種，分別升高3.87倍和3.57倍；而NMW和DLW則分別上升2.72倍和2.41倍。當鹽濃度為160 mmol/L時，與無鹽脅迫相比，NMW和DLW脯氨酸含量急劇增加，分別增加20.5倍和9.8倍。

2.4 鹽脅迫對植物保護酶系統的影響

過氧化氫酶是膜保護系統的一種酶，能夠在逆境脅迫中清除植物體內的過氧化氫，減少氧自由基的形成，維持體內的活性氧代謝平衡，保護膜結構，減輕有毒物質對生活細胞的毒害，延遲或阻礙細胞結構的破壞，使組織保持活力[11]。過氧化物酶作為自由基清除劑，其活性提高也可以減輕自由基對膜的傷害[12]。由圖8、圖9可以看出，隨著鹽脅迫的增加，CAT和POD活性均先升高后降低，不同品種(系)甜高粱變化趨勢不同。與正常情況(無鹽脅迫)相比，在低濃度(80 mmol/L)鹽脅迫處理下，除了NMW，其他3個品種的CAT活性均有所升高，其中HN活性最高，其次是PK，最后是DLW。低濃度鹽脅迫處理下DLW的POD活性最高，其次是PK和HN。高濃度(160 mmol/L)的鹽脅迫處理使不同甜高粱品種的抗氧化酶系統均受到了不可逆的損傷，DLW和NMW的酶活性均急劇下降(圖8、圖9)。

3 討論與結論

在鹽脅迫中，種子最先也最容易受到鹽害作用[13]。不同品種(系)甜高粱的萌發率是表征耐鹽性的重要依據之一。在鹽脅迫下種子的萌發情況與植物本身的耐鹽性有一定關系[14]，從萌發率來看，NMW耐鹽性最強，其他品種依次是DLW、HN、PK。

根長和芽長是影響植物耐鹽性的一個重要因素，根系的生長對地上部分和干質量具有重要影響。當根部鹽脅迫增強時，高濃度的鹽產生較高的滲透壓，因此地上部分的生長率就會顯著減少[15]。柴媛媛等認為，相對根長和相對芽長數值越大說明耐鹽性越強[16]。綜合考慮根長、芽長及干質量的相對與絕對生長量，本試驗結果表明，幼苗的耐鹽性排序依次是NMW>DLW>PK>HN。

在正常條件下，細胞內自由基的產生和清除處于一種動態平衡狀態，平衡體系的破壞導致自由基的積累，從而使膜內磷脂雙分子層中含有的不飽和脂肪酸鏈易于被過氧化分解，造成膜整體的破壞[11]。POD和CAT均是植物體內的自由基清除劑，屬于保護酶系統。一般情況下，鹽脅迫下保護酶活性增強，使體內的活性氧自由基保持在較低的水平，在一定的鹽脅迫下防止生物膜結構和功能的破壞。

本試驗中，低濃度(80 mmol/L)鹽脅迫處理下，不同品種甜高粱MDA含量均明顯升高，說明植物受到了鹽害作用。與之對應的，CAT和POD 2種抗氧化酶的活性升高，表明鹽害刺激引起了甜高粱體內的抗氧化保護機制，機體內清除活性氧的機制啟動，保護植物不受鹽分損傷。與此同時，不同品種甜高粱脯氨酸含量的增加，說明甜高粱通過滲透調節物質含量的提高來增強細胞的滲透調節能力，以減少鹽離子對植物細胞造成的損傷。當鹽濃度達到160 mmol/L時，HN和PK均不能萌發，而NMW和DLW根長、株高、生物量都受到了明顯的抑制，并且抗氧化酶系統也受到了破壞，活性降低，雖然脯氨酸含量均急劇升高，卻不能抑制這種不可逆的損傷。脯氨酸不僅具有滲透壓調節功能，還是活性氧清除劑，因而在脅迫條件下可能起到穩定蛋白質和膜結構的作用[17-18]。這可能是NMW在相同濃度鹽脅迫下，其酶活性較低而生物量較高的一個原因。

從不同品種甜高粱在不同鹽濃度下的萌發率、根長、株高、干質量、MDA含量、脯氨酸含量及保護酶活性的變化可以看出，NMW相對其他品種的耐鹽性最強，其次是DLW，而PK和HN易受鹽脅迫影響。當鹽脅迫濃度較低時，保護酶活性升高及滲透壓調節物質的增加有利于甜高粱品種耐鹽性的提高，而當鹽脅迫濃度較高時，植物的保護酶系統產生不可逆損傷，此時滲透壓調節物質對保護植物起到重要的作用。