小麥幼苗根系生理特性和解剖結構對根際pH的響應

2021-09-16 09:41:36王光濤馮素偉丁位華金立橋文昭普茹振鋼

西北農業學報 2021年8期

王光濤，馮素偉，丁位華，金立橋，文昭普，茹振鋼

(1.河南科技學院小麥研究中心，河南新鄉 453003；2.現代生物育種河南省協同創新中心，河南新鄉 453003)

前人研究發現，紫穗槐[11]、水稻[12]、大豆[13]和小麥[14]在不同的脅迫處理下抗氧化酶活性及根系細胞結構表現不同的反應，但這些研究大多單一地集中在干旱脅迫、堿脅迫、鋁脅迫及鹽脅迫上。然而，關于不同pH 條件下的小麥抗氧化酶活性及根系微觀結構的研究報道較少。為此，通過水培法模擬不同根際酸堿環境，研究不同pH 對小麥幼苗期生物量、根冠比、根系抗氧化酶活性、丙二醛(MDA)含量和根系解剖結構的影響，探討小麥適應不同根際pH 的根系調控機制，以期為篩選耐酸堿品種，提升小麥產量提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

本試驗選用黃淮麥區大面積栽培的兩個半冬性小麥品種‘矮抗58’(AK58)和‘百農4199’(BN4199)，均由河南科技學院小麥中心提供。

小麥種子經φ=1% H2O2表面消毒24 h，再用蒸餾水沖洗干凈。將預先浸種的種子放入培養皿中。發芽3 d后，將大小均勻的小麥幼苗移栽到Hoagland營養液中進行水培，培養3 d后，營養液設置3個pH 水平：pH 4.0(酸脅迫)、pH 6.5(正常環境)和pH 9.0(堿脅迫)，溶液pH 分別用1 mol/L HCl和1 mol/L NaOH調節。植物培養在光周期14 h(光照度20 000 lx)、晝夜溫度22 ℃/19 ℃、相對濕度64%的光照培養箱內進行。每天隨機移動培養箱以減少位置影響，定時更換營養液并調節至對應pH ，培養16 d。幼苗數量保證每個指標測10～15株，完全隨機設計。取樣小麥植株為三葉期幼苗。

1.2 測定項目及方法

1.2.1 干物質測定蒸餾水沖洗根部，吸水紙吸干表面水分。將地上部和根部分開，105 ℃殺青30 min，于70 ℃烘至恒量，稱干質量。

1.2.2 根系抗氧化酶及MDA含量測定參照郝再彬等[15]的方法測定抗氧化酶活性及丙二醛含量。超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍四唑(NBT)法，過氧化物酶(POD)活性采用愈創木酚顯色法，過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外分光光度法，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸(TBA)法。

1.2.3 根系解剖結構參照李和平[16]的方法制作石蠟切片觀察小麥幼苗根系的解剖結構。先用去離子水沖洗幼苗根部，然后切取根尖0～1 cm，迅速固定于FAA(90 mL 50%醇+5 mL甲醛+ 5 mL冰乙酸)固定液中，抽氣，24 h后梯度酒精脫水，制作石蠟切片，對根尖材料縱切，蘇木精染色，OlympusCX41鏡檢照相。

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2016進行數據處理和作圖，用SPSS 19.0進行數據統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同pH對植株生物量積累的影響

如圖1所示，不同pH 條件下兩個品種間根系干質量差異顯著，而地上部干質量差異不顯著。兩個品種地上部及根系生物量積累均表現為pH 6.5>pH 9.0>pH 4.0，說明酸堿脅迫會抑制生物量的積累，酸脅迫對植物的傷害大于堿脅迫。BN4199在不同pH 條件下根系干質量顯著高于AK58，地上部干質量高于AK58但差異不顯著。兩個品種根冠比均表現為pH 4.0

2.2 不同pH對小麥幼苗根系抗氧化酶活性的影響

由圖2所示，不同根際pH 對小麥根系抗氧化酶活性有顯著影響。不同根際pH 下2個品種的根系SOD、POD和CAT活性表現為pH 4.0

2.3 不同pH對小麥幼苗根系MDA含量的影響

如圖3所示，不同pH 條件下，根系MDA含量有較大的差異，2個品種均表現為pH 6.5

2.4 不同pH對小麥幼苗根系解剖結構的影響

如圖4所示，2個品種的根系解剖結構在不同pH 條件下有顯著變化。pH 6.5條件下2個品種根系結構無明顯差異，根系細胞排列整齊、緊密，表皮細胞完好。pH 9.0條件下，2個品種根系結構較對照受損較小，根系細胞排列較為整齊，細胞形態規則，表皮及根冠區細胞較為完整。pH 4.0條件下較對照根系受損較大，表皮細胞破損，細胞排列疏松紊亂、細胞形態不規則，根冠區細胞受損嚴重。2個品種在pH 9.0條件下細胞形態及排列、表皮和根冠區細胞好于pH 4.0條件，說明酸性條件對根系結構的損害程度大于堿性條件。‘BN4199’根系結構在pH4.0條件和pH9.0條件下根系細胞的排列及形狀、根冠區細胞的完整性好于‘AK58’。

2.5 地上部和根系各指標之間的相關性分析

如表1所示，地上部和根系干物質積累量與SOD、POD、CAT活性呈顯著正相關，與根系MDA含量呈極顯著負相關，說明保持較高的根系抗氧化酶活性對保護根系膜結構和植物生物量的積累有著重要的作用。

表1 不同測定指標的相關性Table 1 Relevance of different parameters

3 討論

根際pH 的變化會改變土壤中的養分有效性，還可以影響微生物的活性以及礦物養分的吸收[17]，從而影響植物的生長發育。徐呈祥[18]研究認為生物量的積累準確地反映植物對脅迫的響應。本試驗發現，酸堿脅迫下不利于小麥植株干物質積累，說明酸堿脅迫抑制養分的吸收，使生物量積累降低，而堿脅迫較酸脅迫有更強的營養吸收能力。根冠比體現同化物在地上和地下器官之間的分配，根系結構對環境變化的響應表現很大的可塑性，并且對作物在脅迫條件下的發育至關重要[19]。本試驗表明堿脅迫下植株干物質積累及根冠比大于酸脅迫，李菊艷等[20]研究認為提高根冠比可以增強耐鹽性，可見酸堿條件下根冠比的提高有利于提高抗逆能力及干物質積累。

當ROS不完全還原時會氧化生物分子，導致細胞氧化破壞，積累許多有害的過氧化產物，如MDA等[21]。植物體內的某些酶和抗氧化劑可以降低和抑制活性氧對植物細胞的傷害[22-23]。本試驗發現，酸堿脅迫抑制小麥根系抗氧化酶活性，提高根系膜脂過氧化程度，說明酸堿脅迫抑制根系的生理活動。根系解剖結構是根系發育水平的體現，與根系生理密切相關，對逆境供水和保證植物活力具有重要作用[24]。Choudury等[25]研究認為在各種脅迫下過量的ROS積累是細胞損傷的主要原因。本試驗發現堿性條件下生物量積累、根冠比、抗氧化酶活性均高于酸性條件，而酸性條件對根系結構的損害程度大于堿性條件。說明酸堿脅迫下保持較高的抗氧化酶活性有利于根系生長，提高根冠比可以適應不良的根際酸堿環境。相關分析表明保持較高的根系抗氧化酶活性對保護根系膜結構和植株生物量的積累有重要作用。酸堿脅迫下‘BN4199’地上部和根系生物量積累、根系抗氧化酶活性高于‘AK58’，根系結構好于‘AK58’，而根系MDA含量小于‘AK58’，說明抗酸堿脅迫強的品種，膜脂過氧化程度較低，根系結構受損較小。Terletskaya等[26]研究認為耐性較強的小麥品種的根冠比隨脅迫而增加，而敏感品種的根冠比則下降。‘BN4199’在酸堿條件下根冠比顯著高于‘AK58’，說明‘BN4199’具有較強的耐酸堿能力，根冠比可作為小麥苗期篩選耐酸、堿品種的參考指標。