小麥百農矮抗58 幼苗對Na2SO4 脅迫響應及閾值鑒定

劉 鐸，白 爽，齊學斌，寧東峰，梁志杰,4，郭 魏，李 平

（1. 中國農業科學院農田灌溉研究所，河南 新鄉 453002；2. 中國農業科學院農業水資源高效安全利用重點開放實驗室，河南 新鄉 453002；3. 北京市八大處公園管理處，北京 100041；4. 農業農村部農產品質量安全水環境因子風險評估實驗室，河南 新鄉 453002）

0 引言

【研究意義】鹽堿脅迫是重要的植物非生物脅迫限制因素，嚴重抑制農作物生長發育[1?2]。據統計，全球目前約有鹽堿地9.54 億hm2，約占土地總面積的7%，其中我國鹽堿地面積達到991 3 萬hm2，約占全部土地面積的10%[3]。我國鹽堿地在全國23個省、市、自治區都有分布。在鹽堿地中最常見的鹽分類型是NaCl，但在全球以及我國廣泛分布的鹽堿地中，土壤鹽分類型多種多樣，有些鹽分甚至相比NaCl 對植物的傷害更大，其中以陰離子SO42?為主要組分的硫酸鹽就是非常重要的一種鹽分組成類型。例如在我國新疆天山山脈以南地區的鹽堿土中就以硫酸鹽為主，華北平原交界洼地一帶的淺色草甸鹽堿土中SO42?占陰離子總量的80%以上[4?5]。其形成原因，一方面受地殼風化等自然因素影響，另一方面隨著工業化的進程不斷加深，工廠廢液大量排放，SO2等氣體大量排放，導致土壤中的Na2SO4等含量快速增加[6]，進而對農作物生長構成威脅，因此研究農作物耐硫酸鹽脅迫具有重要意義。【前人研究進展】小麥是我國乃至全球重要的糧食作物[7?8]，對于我國糧食安全起到至關重要的作用，土地鹽堿化會嚴重抑制小麥的正常生長，降低小麥產量，進而威脅糧食安全[9]。鈕力偉等[10]通過研究證明鹽脅迫下小麥的葉綠素含量會降低，質膜透性與脯氨酸含量則會升高。時麗冉等[11]通過研究證明NaCl 脅迫下小麥幼苗生長會受到明顯抑制，丙二醛（MDA）和脯氨酸含量會升高，各種抗氧化酶活性會明顯增大。Kazem Poustini[12]通過研究發現，NaCl 脅迫下小麥生物量明顯下降，Na+積累增加K+/Na+明顯會降低。相比于鹽敏感品種，耐鹽性較強的小麥品種生物量下降較少，Na+積累較少，同時K+/Na+明顯也較小。Xie 等[13]研究了不同濃度NaCl 脅迫對3 種小麥種子萌發與幼苗生長的影響，通過研究發現隨著NaCl 濃度升高，小麥的種子發芽率、株高、根系長度及幼苗鮮重均出現下降。通過測定不同濃度NaCl脅迫下小麥離子與光合指標，鑒定了不同品種小麥耐鹽性強弱，并發現野生型小麥相比于硬粒小麥耐鹽性更好。Klay 等[14]通過測定不同濃度NaCl 脅迫下小麥離子與光合指標，鑒定了不同品種小麥耐鹽性強弱，并發現野生型小麥相比于硬粒小麥耐鹽性更好。由以上研究可以看出，以往更多的是以NaCl 為脅迫介質來研究鹽脅迫對小麥生長與生理的影響及鑒定不同品種小麥耐鹽性，主要關注NaCl 鹽脅迫對小麥生長與生理的影響，而有關Na2SO4脅迫對小麥生長與生理影響的研究則鮮見報道。【本研究切入點】小麥百農矮抗58 是我國小麥主栽品種之一，具有高產、優質、抗倒伏、抗寒及抗病的特點。然而有關小麥百農矮抗58 對Na2SO4脅迫響應及閾值鑒定研究還未見報道。【擬解決的關鍵問題】研究Na2SO4脅迫對我國小麥主栽品種百農矮抗58 生長、抗氧化調節、滲透調節及葉綠素含量指標變化的影響，分析 百農矮抗58 對Na2SO4脅迫的響應機制，并界定百農矮抗58 耐受Na2SO4脅迫的閾值。旨在為小麥耐Na2SO4脅迫研究提供科學數據，同時為小麥栽培生產提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

供試小麥品種為矮抗58。將小麥種子用75%酒精進行消毒，再用蒸餾水反復漂洗幾次，放入育苗盒中進行培養，育苗培養5 d 后，移栽至黑色塑料桶中用1/2Hogland 營養液進行培養，營養液pH 值6.5，每盆5 孔，每孔2 株幼苗，共計10 株。用人工LED 燈進行光照培養，每日光/暗周期為10 h/14 h，晝/夜溫度分別為25℃/20℃，相對濕度為60%～70%。培養30 d 之后，分別用20、40、60、80、100、120、140、160 mmol·L?1Na2SO4溶液進行脅迫處理，溶液pH 值6.5，脅迫5 d 之后取樣測定各指標。

1.2 測試方法

用稱重法測定植物樣品鮮重和生物量，直尺測定植物株高。用電導率儀測定植物質膜透性[15]，丙酮提取法測定葉綠素含量[16]，磺基水楊酸法測定脯氨酸含量[17]，蒽酮比色法測定可溶性糖含量[18]。愈創木酚法測定過氧化物酶（POD）活性[19]，紫外吸收法測定過氧化氫酶（CAT）活性[19]，氮藍四唑法測定超氧化物歧化酶（SOD）活性[19]，硫代巴比妥酸法測定丙二醛（MDA）含量[19]。

1.3 數據統計與分析

所有指標采用SPSS 19.0 數據統計軟件進行分析，用單因素方差分析法分析不同脅迫處理對小麥幼苗生長與生理特性的影響，采用LSD 法進行多重比較。采用sigmaplot10.0軟件進行制圖。

2 結果與分析

2.1 Na2SO4 脅迫對小麥幼苗生長的影響

由圖1 可以看出，低濃度的Na2SO4脅迫（20～80 mmol·L?1）對小麥幼苗的株高、鮮重和生物量影響均不大，當Na2SO4濃度為100、120、140、160 mmol·L?1時，株高分別為CK 的80.6%、75.2%、66.9%、61.5%，與CK 比差異均達極顯著水平（P＜0.01）；鮮重分別為CK 的69.2%、50.5%、43.9%、38.3%，與CK比差異均達極顯著水平（P＜0.01）；生物量分別為CK 的68.4%、60.6%、53.5%、44.9%，與CK 比差異均達極顯著水平（P＜0.01）。

圖 1 Na2SO4 脅迫對小麥幼苗生長影響Fig. 1 Effect of Na2SO4 stress on growth of wheat seedslings

由以上試驗結果可以得出，低濃度的Na2SO4脅迫對小麥幼苗生長影響不大，隨著濃度的升高，對小麥生長的抑制作用逐漸顯現。高濃度的Na2SO4脅迫能夠明顯抑制小麥幼苗的正常生長。

2.2 Na2SO4 脅迫對小麥幼苗抗氧化系統的影響

由圖2 可以看出，低濃度的Na2SO4脅迫下小麥各種抗氧化酶活性變化不明顯，隨著Na2SO4濃度升高，各個抗氧化酶活性總體呈現升高的趨勢。過氧化酶（POD）活性在80 mmol·L?1Na2SO4脅迫下明顯升高，在Na2SO4濃度為80、100、120、140、160 mmol·L?1時POD 活性分別為CK 的1.33、1.39、1.48、1.56、1.41 倍，與CK 差異均達顯著水平（P＜0.05），其中：Na2SO4濃度為140 mmol·L?1時POD 活性最大，隨后降低。當Na2SO4濃度為60、80、100、120 mmol·L?1時，過氧化氫酶（CAT）活性分別為CK 的1.37、1.52、1.34、1.22 倍，與CK 差異均達到顯著水平（P＜0.05），其 中：Na2SO4濃 度 為80 mmol·L?1時，CAT 活 性 最大，之后隨著Na2SO4濃度的升高而降低。在Na2SO4濃度為80、100、120、140、160 mmol·L?1時，超氧化物酶（SOD）活性分別為CK 的5.91、7.07、7.72、8.58、6.50 倍，與CK 差異均達極顯著水平（P＜0.01），其中：Na2SO4濃度為140 mmol·L?1時，SOD 活性最大，隨后降低。在Na2SO4濃度為80、100、120、140、160 mmol·L?1時，丙二醛（MDA）含量分別為CK 的2.26、2.55、2.78、2.91、3.20 倍，與CK 差異均達極顯著水平（P＜0.01）。當Na2SO4濃度超過60 mmol·L?1后小麥幼苗的質膜透性開始增大，在80、100、120、140、160 mmol·L?1Na2SO4脅迫下，小麥幼苗質膜透性 分 別 是CK 的2.75、4.23、4.60、4.82、4.94 倍，與CK 差異均達極顯著水平（P＜0.01）。說明低濃度的Na2SO4脅迫對小麥幼苗質膜透性影響不大，高濃度Na2SO4脅迫下小麥幼苗質膜透性顯著增高。

圖 2 Na2SO4 脅迫對小麥幼苗抗氧化系統影響Fig. 2 Effect of Na2SO4 stress on antioxidant system of wheat seedlings

2.3 Na2SO4 脅迫對小麥幼苗葉綠素含量的影響

由圖3 可以看出，隨著Na2SO4脅迫濃度的升高，小麥幼苗的葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素及總葉綠素含量都會降低。Na2SO4濃度越高，試管中葉綠素提取液顏色越淺。當Na2SO4濃度為80 mmol·L?1時，葉綠素a 含量為CK 的89.4%，與CK 差異達到顯著水平（P＜0.05）；在Na2SO4濃度為100、120、140、160 mmol·L?1時，葉綠素a 含量分別為CK 的72.6%、57.6%、47.4%、41.1%，與CK 比差異均達到極顯著水平（P＜0.01）。在Na2SO4濃度為80 mmol·L?1時，葉綠素b 含量為CK 的72.6%，與CK比差異達到顯著水平（P＜0.05）；在濃度Na2SO4為100、120、140、160 mmol·L?1時，葉綠素b 含量分別為CK 的68.4%、37.7%、31.8%、25.9%，與CK 差異達到極顯著水平（P＜0.01）。在Na2SO4濃度為80、100 mmol·L?1時，類胡蘿卜素含量分別為CK 的80.4%和64.9%，與CK差異達到顯著水平（P＜0.05）；在Na2SO4濃度為120、140、160 mmol·L?1時，類胡蘿卜素含量分別為CK 的56.6%、48.4%、43.9 %，與CK 差異均達到極顯著水平（P＜0.01）。在Na2SO4濃度為60 mmol·L?1時，總葉綠素含量為CK 的93.5%，與CK差異達到顯著水平（P＜0.05）；在Na2SO4濃度為80、100、120、140、160 mmol·L?1時，總葉綠素含量分別為CK 的84.7%、71.4%、52.0%、43.0%、36.8%，與CK差異均達到極顯著水平（P＜0.01）。

綜上所述，低濃度的Na2SO4脅迫對小麥幼苗葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素及總葉綠素含量影響不大，但在高濃度的Na2SO4脅迫下小麥幼苗葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素及總葉綠素顯著降低。

2.4 Na2SO4 脅迫對小麥幼苗滲透調節物質含量的影響

由圖4 可以看出，隨著Na2SO4脅迫濃度的升高，小麥幼苗葉片的可溶性糖含量呈先升高后下降的變化趨勢。當濃度為80 mmol·L?1時，可溶性糖含量最高，為CK 的1.4 倍，與CK 差異達極顯著水平（P＜0.01）。隨著濃度的進一步升高，可溶性糖含量不斷降低。當濃度為120、140 mmol·L?1時，可溶性糖含量為對照的73%和76.2%，與CK 差異顯著（P＜0.05）。當最高濃度160 mmol·L?1時，為對照的82.6%，差異不顯著。隨著Na2SO4脅迫濃度的升高小麥幼苗的脯氨酸含量一直升高，Na2SO4脅迫濃度越高試管中脯氨酸提取液顏色越深。低濃度Na2SO4脅迫下，脯氨酸含量較小，當Na2SO4脅迫濃度為60、80、100、120、140、160 mmol·L?1時，小麥幼苗脯氨酸含量分別為對照的2.00、2.20、7.95、8.36、8.40、8.51 倍，達到極顯著差異（P＜0.01）。

圖 3 Na2SO4 脅迫對小麥幼苗葉綠素含量的影響Fig. 3 Effect of Na2SO4 stress on chlorophyll content in leaves of wheat seedlings

圖 4 Na2SO4 脅迫對小麥幼苗滲透調節物質含量的影響Fig. 4 Effect of Na2SO4 stress on content of osmosis regulators in wheat seedlings

3 討論

鹽堿地是全球受到廣泛關注的環境問題，鹽堿脅迫是植物重要的非生物脅迫限制因素。受自然和人為因素的影響，如氣候因素、水文因素及不合理的農業灌溉方式等，鹽堿地面積還在不斷擴大[20]。然而，鹽堿地的成分復雜，很多地方鹽堿地的主要成分是以碳酸鹽和硫酸鹽為主，其中Na2SO4就是鹽堿地中一種非常重要的鹽分組成類型。

3.1 Na2SO4 脅迫對小麥生長的影響

鹽堿脅迫對植物影響的最直觀體現，就是抑制植物正常生長[21]。同樣以往的研究發現，NaCl 脅迫會抑制小麥正常生長，低濃度下抑制效果不明顯，當超過一定閾值后抑制效果明顯[22]。從本試驗結果可以看出低濃度Na2SO4濃度脅迫對小麥幼苗株高、鮮重及生物量的影響并不大，但是當Na2SO4濃度超過80 mmol·L?1后小麥幼苗的株高、鮮重和生物量明顯減小，萎蔫程度加深。從本試驗結果可以看出，硫酸鹽脅迫與其他鹽分脅迫結果相似，在低濃度鹽脅迫下對小麥生長影響不大，但是當超過80 mmol·L?1之后小麥生長就會受到顯著抑制。

3.2 Na2SO4 脅迫對小麥抗氧化系統的影響

植物在正常生長條件下體內活性氧的產生與清除之間保持動態平衡，但當植物遭遇鹽堿脅迫時這種動態平衡就會被打破，活性氧過多積累會對植物造成氧化脅迫[23]。以往研究證實，NaCl 脅迫下小麥各種抗氧化酶活性會升高，同時MDA 含量和質膜透性會增大。從本試驗可以看出，Na2SO4脅迫同樣會對小麥幼苗造成氧化脅迫，低濃度Na2SO4脅迫對小麥幼苗各個抗氧化酶活性影響不大，但是，當Na2SO4濃度超過80 mmol·L?1后各個抗氧化酶活性開始升高，以抵御由Na2SO4脅迫引起的氧化脅迫，當濃度超過一定閾值后各個抗氧化酶活性還會降低。這主要是由于高濃度的Na2SO4脅迫導致其抗氧化調節系統崩潰引起的，并且隨著濃度繼續升高，MDA含量也不斷升高，這主要也是由氧化脅迫引起的。質膜透性是衡量植物耐鹽性非常重要的指標[24]，由本試驗可以看出，低濃度Na2SO4濃度脅迫對小麥幼苗質膜透性的影響并不大，但是當Na2SO4濃度≥80 mmol·L?1，小麥幼苗的質膜透性明顯增大。

由本試驗結果可以看出，Na2SO4脅迫下，小麥為了抵御氧化脅迫會提高各個抗氧化酶活性，當脅迫濃度超過一定閾值后抗氧化酶活性會明顯增大，同時MDA 含量和質膜透性明顯增大。并且當超過一定濃度，小麥自身的抗氧化系統會喪失抵抗能力，進而各個抗氧化酶活性會降低。在其他同類研究中也有同樣發現，鹽脅迫下隨著鹽濃度升高，檉柳的抗氧化酶活性會增高，當超過一定濃度后其抗氧化酶活性則會降低[25]。造成這種現象的主要原因是，當脅迫濃度超過一定閾值之后，植物的抗氧化系統防御能力就會崩潰，抗氧化酶活性就會降低，進而喪失抵御氧化脅迫的能力。

3.3 Na2SO4 脅迫對小麥葉綠素含量的影響

植物光合作用對于植物的正常生長發育至關重要[26]，鹽堿脅迫會顯著抑制植物正常光合作用[27]，而葉綠素是植物光合作用的物質基礎，葉綠素含量是衡量光合作用強弱的重要指標，因此，植物葉綠素含量也是評判其耐鹽堿性的重要指標之一[28?30]。鄭世英等的研究表明，NaCl 脅迫會降低小麥葉綠素含量[31]。由本試驗可以看出，低濃度的Na2SO4脅迫對小麥幼苗葉片葉綠素含量影響并不大，與對照處理相比，各葉綠素組分及總葉綠素含量基本相當，但是當Na2SO4濃度超過80 mmol·L?1后，小麥幼苗的各葉綠素組分及總葉綠素含量大幅度減少。

3.4 Na2SO4 脅迫對小麥滲透調節物質含量的影響

土壤中積累過多的鹽分便會引起土壤水勢降低，造成植物吸水困難，進而引起生理干旱[32]。植物為了抵御由鹽堿脅迫引起的滲透脅迫，便會在體內合成滲透調節物質來維持正常的細胞滲透壓，從而達到抵御滲透脅迫的目的[33?34]。可溶性糖是一種非常重要的滲透調節物質，其含量是衡量植物耐鹽性的重要指標[35]，前人研究發現NaCl 脅迫下，小麥可溶性糖含量會升高[36]，由本試驗可以看出，同樣隨著Na2SO4濃度的升高，小麥幼苗可溶性糖含量呈先上升后下降的變化趨勢，當Na2SO4濃度為80 mmol·L?1時，小麥幼苗的可溶性糖含量最高，隨著濃度的繼續升高，可溶性糖含量呈下降趨勢。脯氨酸是植物體內重要的氨基酸，在植物體內普遍以游離狀態存在[37]。脯氨酸具有很強的結合水能力，以此可以提高鹽堿脅迫下植物抵御滲透脅迫的能力[38]。與此同時脯氨酸還可以清除植物體內積累的過多的活性氧，維持膜穩定性[39]。前人研究發現，NaCl 脅迫下小麥脯氨酸含量會升高[36]。由本試驗得出，低濃度Na2SO4對小麥幼苗脯氨酸含量的影響不太明顯，當濃度超過80 mmol·L?1時小麥幼苗的脯氨酸含量顯著提高，從脯氨酸提取液表型圖也可以看出，高濃度下顏色顯著加深。

本研究系統探討Na2SO4脅迫對于小麥生長與生理的影響，并且將生長、葉綠素及脯氨酸表型圖與數據圖有機結合起來，形象表現了不同濃度Na2SO4脅迫對于小麥生長、葉綠素含量、脯氨酸含量影響的變化過程，是對以前研究的補充與發展。今后還有待進一步研究不同濃度Na2SO4脅迫對小麥相關功能基因和轉錄因子表達情況的影響，并通過代謝組學和離子組學研究不同濃度Na2SO4脅迫對小麥代謝產物合成及不同離子含量變化的影響，從更深層次分析其機理。同時，將進一步研究不同鹽分組成對小麥影響的差異性，包括離子轉運、抗氧化調節、滲透調節、光合響應等，為揭示其機理提供理論支撐，為生產實踐提供指導。

4 結論

從本試驗結果可以得出，當Na2SO4濃度≥80 mmol·L?1，百農矮抗58 小麥生長受到明顯抑制，各種抗氧化酶活性明顯增強，質膜透性與MDA 含量明顯增高，葉綠素含量明顯降低，脯氨酸與可溶性糖含量明顯增高。因此，綜合分析百農矮抗58 小麥對于Na2SO4脅迫濃度閾值界于80～100 mmol·L?1，此值可作為相似生態區域農業生產的參考值，為生產實踐提供指導。