遼寧濱海稻區耐鹽堿水稻生理基礎研究

王紹林，李 珣，王 彤，劉琳琳，紀薇薇，于艷青，張麗麗，郭素華，張 戰*

（遼寧省鹽堿地利用研究所，遼寧 盤錦 124010）

土壤鹽堿化是一個世界性問題， 我國鹽堿化土壤總面積約3 600 萬hm2， 濱海鹽堿土面積約31 萬hm2［1，2］。 濱海鹽堿地是我國一類重要的土地資源，但其特殊的土壤理化性質，嚴重制約了農業生產。鹽堿脅迫對植物生長發育的影響非常復雜，不僅與其本身的遺傳背景有關，還包括生理、代謝和細胞結構等多方面的因素。 水稻是我國最重要的糧食作物之一， 種植水稻一直被認為是鹽堿地重要的生物改良方法［3］。 長期以來，國內外學者對鹽堿脅迫下對水稻的種子萌發、幼苗生長發育、光合作用等方面的影響進行了深入研究［4-8］，取得了大量的研究成果，但以遼寧濱海鹽堿土為基礎，設置脅迫梯度，利用盆栽的方式，探討對耐鹽水稻葉片滲透調節物質積累和無機離子吸收轉運的影響，鮮見報道。本研究以前期篩選出的遼寧濱海稻區耐鹽高產水稻品種鹽豐47 為試材，研究了鹽脅迫下對試驗材料葉片葉綠素含量、 滲透調節物質積累和離子吸收及轉運的影響， 以期為豐富濱海稻區水稻耐鹽堿機制及水稻耐鹽堿育種提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

以遼寧濱海稻區鹽堿土為供試土壤， 利用前期篩選出的耐鹽堿水稻品種鹽豐47 為研究材料，以鹽敏感品種秋光為對照。

1.2 供試土壤

試驗用土選自遼寧省盤錦市大洼區三角洲地區，屬于濱海鹽堿土，全鹽含量為3.67‰，取土深度為0～20 cm，充分混勻，過篩。 對照土壤取自遼寧省北鎮旱田土， 全鹽含量0.68‰， 處理方法同上。 以不同比例的濱海鹽堿土和對照土壤充分混合，配置脅迫梯度。

1.3 試驗設計

試驗地點位于遼寧省盤錦市大洼區唐家鎮。采用精量育秧技術培育壯秧，播種量80 g／盤，共設四個混合土濃度， 分別為：CK （對照）、1.5‰、2‰、2.5‰（下文中用CK、T1、T2、T3 表示）。 4 月20 日前后播種，各處理灌水、施藥防治病蟲草害及其它秧田管理措施按常規進行， 并于幼穗分化期取葉片進行相關指標的測定。

1.4 測定指標及方法

1.4.1 葉綠素含量 取葉片后用蒸餾水沖洗干凈，并用吸水紙吸干葉面水分。 準確稱取0.1 g 左右，放入刻度試管匯總，加入丙酮-無水乙醇混合液（體積比1∶1），刻度試管用塞子密封。 室溫暗處提取， 直至材料變白后， 取上清液在663 nm 和645 nm 下用分光光度計測定光密度。

1.4.2 葉片滲透調節物質積累 主要包括可溶性糖含量（蔗糖、果糖、葡萄糖）和可溶性蛋白含量等。 測定方法參照張憲政作物生理研究法［9］。

1.4.3 離子的吸收和轉運 準確稱取通過0.25 mm 篩的烘干植物樣品0.5 g，于消煮管中，加入30 ml 濃硝酸搖勻，在通風櫥中過夜，加3 ml 高氯酸搖勻，180 ℃加熱， 讓黃棕色煙霧揮發掉，再逐步升高溫度至300 ℃，待出現大量的煙，消化液仍為棕色時，取下冷卻后，繼續加入2 ml 濃硝酸，直至成為無色清液為止。冷卻后用去離子水沖洗消煮管過濾定容至100 ml， 此待測液測定鉀、鈣和鈉。 稀釋后用火焰光度計測原子含量。

1.5 數據分析

采用DPS 軟件和EXCEL 軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 鹽堿脅迫對水稻葉片葉綠素含量的影響

由圖1 可知，兩個材料的葉綠素總量、葉綠素a 含量、 葉綠素b 含量均隨鹽堿脅迫濃度增加而減少。鹽豐47 的葉綠素總量隨脅迫濃度增大而下降，T1 處理影響較小，T2 和T3 處理下， 與CK 相比較差異達極顯著水平。 葉綠素a 含量變化趨勢與葉綠素總量基本一致，T2 和T3 處理下差異達顯著水平，分別降低了10.4%和16.3%。 葉綠素b含量也呈下降趨勢，T1 和T2 脅迫下，與對照相比差異較小，T3 處理下與對照相比達顯著差異，與對照比降低了14.8%。 從圖中可以看出隨脅迫濃度增加，秋光葉綠素總量呈現降低趨勢，各處理水平與CK 相比差異均達極顯著， 分別降低了14.6%、17.9%和22.6%。葉綠素a 含量變化趨勢和葉綠素總量基本一致， 各處理濃度下均與對照達極顯著差異，分別降低了14.9%、19.2%和23.5%。葉綠素b 含量隨鹽濃度增加下降， 與CK 相比差異達顯著水平，T2 和T3 處理下分別降低了18.6%和23.8%。

2.2 鹽堿脅迫對水稻葉片滲透調節物質積累的影響

圖2 反映的是鹽堿脅迫下兩個材料葉片中滲透調節物質積累變化的情況。 從圖中可以看出鹽堿脅迫處理促進兩個試驗材料果糖積累， 果糖含量增加，不同材料間存在差異（圖2a）。 鹽豐47 果糖含量隨脅迫濃度增加而急劇上升， 各處理下與CK 差異達極顯著水平， 分別增長了74.3%、129%、206%， 秋光果糖含量也表現出增加趨勢，但增幅較小， 僅比對照增加了28%、68.7%、90.2%。

兩個材料的葉片蔗糖含量均隨脅迫濃度增加而上升，不同品種間存在差異（圖2b）。 鹽豐47 的蔗糖含量隨濃度增加而上升， 各處理梯度下均極顯著高于對照，且隨脅迫濃度加劇，增幅增大，分別比對照增加了40.8%、117%、150%。 秋光蔗糖含量與對照相比分別增加了49.9%、77.4%、108%。

兩個材料的葉片葡萄糖含量均隨脅迫濃度增加而上升，但增幅不同（圖2c）。 其中鹽豐47 的葡萄糖含量隨脅迫濃度增加急劇上升， 與對照相比達極顯著差異，分別提高了22.8%、47.0%、67.6%。秋光葡萄糖含量增加幅度較小， 各處理下僅增加了5.7%、11.9%、35.6%。

葉片可溶性蛋白含量均隨脅迫濃度增加而升高，不同材料間存在差異（圖2d）。 鹽豐47 葉片可溶性蛋白含量隨鹽濃度增加急劇上升， 各處理梯度下均極顯著高于對照， 且隨脅迫濃度加劇增幅增大， 分別比對照增加了1.23 倍、1.85 倍、2.50倍，而且相同處理濃度下均顯著高于秋光。秋光可溶性蛋白含量與對照相比分別增加了0.75 倍、1.02 倍、1.34 倍。

從圖2e 可見， 鹽豐47 葉片游離氨基酸含量隨著鹽濃度加劇，幾乎呈直線上升，分別比對照增加了3.02 倍、5.98 倍、8.95 倍。 秋光游離氨基酸 含 量 與 對 照 比 分 別 增 加 了0.17 倍、0.45 倍、3.79 倍。

2.3 鹽堿脅迫對水稻器官水平上的離子吸收與轉運的影響

迫濃度增大， 鹽豐47 與秋光Na＋濃度顯著升高，不同材料和不同部位存在差異。 兩材料根部Na＋積累量均高于葉和莖（圖3a）。 生長葉Na＋積累量顯著增加， 同一脅迫處理下， 增幅均表現出鹽豐47＜秋光。成熟葉也表現出相似的變化規律。同一處理水平下，成熟葉積累量大于生長葉。 莖部Na＋積累量急劇上升，增幅為鹽豐47 大于秋光。

兩個材料不同器官的Ca2＋積累量在脅迫處理下均降低，且降幅隨濃度增加而增大，存在材料間差異（圖3b）。 T1 處理下鹽豐47 各器官Ca2＋積累量降幅差異不大，隨脅迫濃度增大，Ca2＋積累量差異顯著。 T3 處理下，根部Ca2＋積累量降幅顯著降低，而生長葉和成熟葉差異較小，且表現為莖小于葉。秋光Ca2＋積累量總體變化規律與鹽豐47 基本一致，隨脅迫濃度增加，秋光各器官Ca2＋積累量急劇下降， 降幅表現為生長葉大于成熟葉大于莖大于根。材料間比較看出，同一器官Ca2＋積累量降幅表現為鹽豐47 低于秋光。

從圖3c 可知，隨著脅迫濃度增加，鹽豐47 和秋光K＋含量均降低，同樣存在材料和器官間的差異。 低濃度處理下，鹽豐47 生長葉K＋含量與對照相比，差異不顯著，僅降低了2.8%，根和莖K＋含量變異顯著， 與對照相比分別下降了9.8%和17.4%。 秋光葉、 根和莖部與對照差異達顯著水平，根和莖部降幅大于葉部。 從器官間比較來看，不同脅迫處理下，生長葉降幅小于成熟葉，葉小于莖，根大于地上部。材料間比較可知，鹽豐47 降幅小于秋光。

3 討論

3.1 葉綠素含量對濱海鹽堿土脅迫的響應

光合作用是構成植物生產力的最主要因素，葉綠素是光合作用的細胞器， 其含量高低與光合作用密切相關，當植物處于鹽脅迫下，各種生理代謝都受到影響， 直接或間接影響葉綠素的合成與分解，導致植物光合速率降低，進而影響生長［10-12］。 很多研究表明鹽堿脅迫會導致植物葉片葉綠素含量降低。劉琦等研究表明，鹽脅迫抑制番茄幼苗葉綠素的合成和增強葉綠素酶活性， 導致葉綠素合成減少和分解，最終導致含量降低［13］。許祥明等研究表明，鹽濃度越高，處理時間越長，對葉綠素合成抑制越大［14］。 研究表明鹽脅迫對不同植物葉片葉綠素含量的影響存在差異， 不同材料和處理濃度均可產生不同的結果［15］。本研究表明，鹽脅迫下供試材料葉片的葉綠素含量降低， 且脅迫濃度越大，葉綠素含量降幅越大。 葉綠素總量、葉綠素a 含量和葉綠素b 含量變化趨勢基本一致，這與前人研究結果一致［16-19］，這主要是由于鹽脅迫使葉綠素與葉綠素蛋白結合變松， 葉綠素遭到破壞，加劇降解，抑制合成，最終導致光合作用降低［20］。本研究還表明，鹽堿脅迫下，鹽豐47 葉綠素含量降幅小于秋光， 說明耐鹽性強的水稻品種在鹽堿脅迫下葉綠素遭受破壞程度小于鹽敏感品種，這可能是鹽豐47 的葉片中Na＋含量較低，保持了較高水勢，進而使得葉綠體結構不受破壞，對鹽脅迫表現為更強的適應性［21］。

3.2 滲透調節物質積累對濱海鹽堿土脅迫的響應

滲透調節物質是植物適應鹽堿脅迫的主要生理機制，植物通過滲透調節物質抵抗鹽害［22］。前人研究表明， 鹽脅迫條件下水稻幼苗能通過在胞內合成具有滲透調節功能的相容性溶質［23］，保護細胞免遭降解或破壞，維持其正常的生理活動［24］。本研究結果表明，隨鹽堿脅迫濃度增加，兩個試驗材料葉片的葡萄糖、 果糖含量均呈增加趨勢， 鹽豐47 增幅大于秋光，且隨濃度加劇，增幅增大，這與徐晨等研究結果一致［21］。 這是由于鹽脅迫下誘發了碳水化合物的合成，促使葡萄糖、蔗糖、果糖大量積累，胞內滲透勢降低，以此適應外界滲透脅迫環境，緩解鹽害。 耐鹽品種鹽豐47 抵御逆境的能力大于秋光，且脅迫越大，抗逆能力越強。

可溶性蛋白是與調節細胞的滲透勢有關，高含量的可溶性蛋白可幫助維持植物細胞較低的滲透勢，抵抗逆境帶來的脅迫。 本研究結果表明，隨著鹽堿脅迫加劇， 兩個試驗材料葉片的可溶性蛋白含量增幅增大， 且耐鹽材料增幅大于鹽敏感材料，可以看出脅迫強度越大，耐鹽品種通過增加可溶性蛋白含量提高耐鹽性的能力越強。鹽豐47 在逆境下通過生成積累可溶性蛋白調節滲透勢的能力強于不耐鹽品種秋光。本結果還表明，隨鹽堿脅迫加劇，試驗材料葉片游離氨基酸含量增加，鹽敏感品種的增加幅度小于耐鹽品種， 揭示鹽敏感品種秋光靠積累游離氨基酸來抵御逆境的能力不如耐鹽材料鹽豐47［25］。 可見，耐鹽品種鹽豐47 鹽脅迫下積累較多的滲透調節物質， 具有更強的滲透調節能力和鹽脅迫耐受能力。

3.3 器官水平離子吸收與轉運對濱海鹽堿土脅迫的響應

研究表明許多的非鹽生植物有顯著的拒鈉作用［26］。 本研究結果表明，在較低濃度脅迫下，兩個試驗材料表現出一定的拒鹽能力，但隨脅迫加劇，鹽敏感品種秋光的拒鹽性減弱。 T1 處理下，鹽豐47 和秋光葉片中Na＋含量增幅顯著低于根部和莖部。 隨脅迫加劇，鹽敏感品種秋光葉片Na＋含量增幅高于根部和莖部。鹽豐47 的莖部表現出較高的貯Na＋能力，減低葉片Na＋中的積累含量，維持了細胞正常生理功能。前人研究表明NaCl 脅迫下葉片細胞中保持較高K＋濃度是植物耐鹽性重要方式之一［27］。 本結果表明，低濃度脅迫下對鹽豐47的生長葉K＋含量影響不大，但其根和莖部的K＋含量表現出顯著下降趨勢。 各脅迫處理下秋光K＋含量降幅均大于鹽豐47［28］。 可見，在脅迫處理下，鹽豐47 葉片依然能保持較高的K＋濃度， 這可能是Na＋在向上部運輸過程中經韌皮部環流到根系中，維持了葉片中較高的K＋濃度， 進而減輕了Na＋對葉片傷害，保證其具有較強的鹽耐受力。

植物細胞內Ca2＋在耐鹽性中起重要作用，它可以減低對Na＋的吸收，維持細胞膜穩定性，保持正常生長。前人研究結果表明，鹽脅迫下，Na＋會取代細胞中的Ca2＋，導致Ca2＋的缺失，影響植物生長發育［29］。本研究表明，鹽堿脅迫下，鹽豐47 和秋光各器官的Ca2＋積累量均減少， 且不同材料與器官間存在差異，這與前人的研究結果吻合［22］。同等處理水平下，鹽豐47 各器官降幅均低于秋光。 從器官水平上看， 材料間變化規律相同， 即隨脅迫加劇，Ca2＋積累量降低， 且表現為生長葉最敏感，降幅最大，成熟葉次之，根部降幅最小。不難看出，在鹽堿脅迫下，耐鹽品種鹽豐47 在各器官水平能維持較高的Ca2＋含量，有利于保護膜的完整性，減少對細胞傷害，進而保證植株的正常生長。

綜上可知，鹽堿脅迫下，耐鹽品種鹽豐47 體內能保持較高的葉綠素含量、 積累較多的滲透調節物質以及較強器官水平上的拒鹽能力， 這是耐鹽品種比鹽敏感品種更能適應鹽脅迫環境的生理優勢。