NaCl脅迫對燕麥幼苗生長及適應策略的影響

高戰武，劉 晶，李絨萱，劉金雨，姚永清，李 倩，李玉波

（1.白城師范學院 吉林西部環境保護與生態工程綜合技術研究中心，吉林 白城 137000；2.吉林省東遼縣農業技術推廣總站，吉林 東遼 136600；3.吉林省水土保持局，長春 130022）

0 引言

鹽堿土廣泛分布于世界100多個國家和地區，中國鹽堿土主要分布在西北、華北、東北和沿海地區，面積約有3 460萬hm2，占耕地面積的10%左右［1］.土壤鹽堿含量高會對植物造成嚴重傷害并破壞土壤結構，進而影響農業生產.土壤中的中性鹽NaCl、Na2SO4是最主要的致害鹽分，中性鹽過多，會降低土壤溶液的滲透勢，使植物吸水困難，形成生理干旱.高濃度的NaCl可將細胞膜上結合的Ca2+置換，最終破壞細胞膜結構.鹽分過多會導致植物生理紊亂，降低植物蛋白質的合成速率，加速植物體內已有蛋白質的水解，造成植物體內氨大量積累，也會導致植物體葉綠素被破壞、呼吸速率降低，使植物缺乏營養等［2］.植物為了抵御鹽堿脅迫的危害，通常采取在細胞質中積累有機酸、可溶性糖和脯氨酸等一些小分子有機化合物以及無機離子的適應對策.小麥通過提高Cl-含量適應鹽脅迫，海濱雀稗主要是通過合成可溶性糖等有機物適應鹽脅迫［3］.

多年來關于鹽堿脅迫對植物影響的研究報道多集中于成體苗的地上器官，對地下器官生長和生理影響的研究報道卻很少.有的研究表明，鹽脅迫對植物體不同器官的影響因植物種類的不同而有差異.如在鹽脅迫下，檳榔莖葉的生物量顯著下降，而根的生物量卻下降不顯著，甚至在低濃度時顯著增加［4］，而向日葵和紫苑與其相反，根受到的傷害顯著大于莖葉［5］.在鹽脅迫下，作物幼苗生長是相對重要的階段，探究鹽脅迫下幼苗生長的響應機制，對鹽化土壤的農業開發和利用具有重要意義.

燕麥（Avena sativaL.）是禾本科早熟禾亞科燕麥屬的一年生植物，對栽培土壤要求不嚴格，并具有較好的抗鹽堿能力，是干旱、半干旱土壤鹽堿化地區較為廣泛種植的一種傳統作物.關于鹽脅迫對作物苗期生長狀況的響應機制已有許多研究，但對燕麥抵御鹽脅迫生理機制和對地上與地下器官的適應策略鮮見報道.為此，本文模擬自然條件下不同的鹽脅迫梯度對燕麥幼苗生長發育的影響，其目的在于探討NaCl脅迫對燕麥地上器官和地下器官生長與生理代謝影響的差異以及燕麥的耐鹽性機理和適應策略.

1 材料與方法

1.1 植物材料與材料培養

實驗材料是由吉林省白城市農業科學院2003年選育的裸燕麥品種“白燕2號”，千粒重為30.0 g.挑選飽滿均勻的種子在2019年6月3日播種于直徑20 cm盛洗凈細沙的塑料花盆內，置于室外，人工遮雨.出苗后每天17：00時用霍格蘭氏營養液透灌一次，并及時進行間苗，每盆定苗20株.

1.2 脅迫條件與處理

用蒸餾水配制48、72、96、120、144 mmol/L不同濃度梯度的NaCl溶液，共模擬5個不同條件.挑選生長4周且長勢均勻的燕麥苗24盆，分為6組.其中一組為對照，其余的五組用于脅迫處理，每一處理4次重復.每天16：00～18：00時用500 mL相應的脅迫處理液，分3次透灌，對照組只用霍格蘭氏營養液透灌，連續處理9 d.

1.3 脅變指標的調查與測定

1.3.1 生長指標的調查

在最后一次處理后的第二天，分別調查各處理組燕麥的存活率（n/N，n為存活株數，N為總株數）、分蘗數和株高.之后將每盆燕麥幼苗取出，并用自來水沖洗再用蒸餾水沖洗干凈，將莖葉與根部分開稱取鮮重及根長后，立即將莖葉及根在105℃烘箱內殺青15 min，然后在80℃烘箱內烘至恒重，稱取莖葉和根系的干重.莖葉與根系的含水量由鮮重減去干重算出.

1.3.2 pH值

在最后一次處理后的第二天分別取5 g燕麥幼苗新鮮莖葉和根系，用蒸餾水充分沖洗3次，用濾紙吸干表面水分后再用注射器擠出組織汁液，立即用數字pH計（PHSI-4A型）測定其pH值.

1.3.3 葉綠素含量測定

稱取第9天的燕麥幼苗新鮮葉片0.1～0.15 g，剪碎后放入離心管中.隨后取10 mL葉綠素提取液加入其中，置黑暗處放置2～4 d，直至葉綠素提取完全.然后分別在波長663、645 nm處測定OD值，根據式（1）和式（2）及樣品質量計算色素含量：

1.3.4 有機溶質與無機離子的測定

將每盆燕麥幼苗干樣剪碎混勻后，取0.1 g烘干樣，用10 mL去離子水浸泡，并在水浴鍋中沸水浸提8 h，水浸提液用于測定莖葉和根系有機溶質及各離子含量.采用原子吸收分光光度計（TAS-990，Purkinje General，北京）分別測定Na+、K+和游離Ca2+三種陽離子；Cl-、SO2-4、NO3-與有機酸含量用DX-300離子色譜系統（DIONEX，Sunnyvale，USA）測定（離子測定條件：AS4A-SC離子交換柱，CDM-II電導檢測器；移動相為：Na2CO3/NaHCO3=1.7/1.8；有機酸測定條件：ICE-AS6分析柱，CDM-II電導檢測器，AMMS-ICE II干擾抑制器，移動相為：0.4 mmol/L全氟丁酸，流速：1.0 mL/min，柱溫：20℃）；H2PO4-采用鉬藍染色法測定，脯氨酸含量采用水合茚三酮法進行測定［6］.

1.4 數據統計分析

應用統計分析軟件SPSS 26.0的Two-WayANOVA進行不同鹽濃度梯度對燕麥各種指標影響的差異性檢驗.

2 結果與分析

2.1 不同濃度NaCl脅迫對燕麥幼苗生長指標的影響

不同濃度NaCl脅迫對燕麥幼苗生長指標的影響如圖1所示.由圖1（a）可知，不同濃度NaCl脅迫對燕麥幼苗的存活率幾乎無影響，差異不顯著（P＞0.05）.由圖1（b）可知，當NaCl濃度為144 mmol/L時，燕麥分蘗數最少，且與其他處理組相比，差異性顯著（P＜0.05）.由圖1（c）可知，除對照組外，其他處理組隨NaCl濃度的增加燕麥幼苗株高大體呈下降趨勢，當NaCl濃度為144 mmol/L時，其株高大約是對照組的9/10；隨NaCl濃度的增加，燕麥幼苗根系長度呈下降趨勢，但當NaCl濃度為96、120、144 mmol/L時，燕麥幼苗根系長度差異不顯著（P＞0.05）.由圖1（d）可知，燕麥幼苗地上部分生物量隨NaCl濃度的增加而呈下降趨勢，當NaCl濃度為144 mmol/L時，燕麥幼苗地上部分生物量大約是對照組的1/2；隨NaCl濃度的增大，各處理組燕麥幼苗地下部分生物量呈先上升后下降的趨勢，差異不顯著（P＞0.05），當NaCl濃度為144 mmol/L時，燕麥幼苗地下部分生物量大約是對照組的4/5；不同濃度NaCl脅迫對燕麥幼苗地上部分生物量的影響大于地下部分.由圖1（e）可知，燕麥幼苗地上部分含水量隨NaCl濃度的增大大體呈下降趨勢，當NaCl濃度大于48 mmol/L時，燕麥幼苗地上部分含水量的變化不大，差異不顯著（P＞0.05）：不同濃度NaCl脅迫對燕麥幼苗地下部分含水量的影響不顯著（P＞0.05）.

圖1 不同濃度NaCl脅迫對燕麥幼苗生長指標的影響

2.2 不同濃度NaCl脅迫對燕麥幼苗有機溶質含量的影響

不同濃度NaCl脅迫對燕麥幼苗有機溶質含量的影響如圖2所示.由圖2（a）可知，當NaCl脅迫濃度大于72 mmol/L時，與對照組相比，燕麥幼苗地上部分和地下部分的脯氨酸含量隨脅迫濃度的增大均呈明顯增加趨勢，差異性顯著（P＜0.05）；不同濃度NaCl脅迫對莖葉脯氨酸含量的影響小于根系.由圖2（b）可知，不同濃度NaCl脅迫對燕麥幼苗地上部分和地下部分有機酸含量均沒有顯著影響（P＞0.05）.

2.3 不同濃度NaCl脅迫對燕麥幼苗生理指標的影響

不同濃度NaCl脅迫對燕麥幼苗葉綠素含量的影響如圖3所示.由圖3可知，隨NaCl濃度的增大，燕麥幼苗葉綠素a和葉綠素b的含量大體呈下降趨勢；當NaCl濃度為144 mmol/L時，燕麥幼苗葉綠素a的含量大約是對照組的4/5，葉綠素b的含量大約是對照組的7/10.不同濃度NaCl脅迫對燕麥幼苗葉綠素a的影響小于葉綠素b.

圖3 不同濃度NaCl脅迫對燕麥幼苗葉綠素含量的影響

2.4 不同濃度NaCl脅迫對燕麥幼苗無機離子含量的影響

2.4.1 不同濃度NaCl脅迫對燕麥幼苗無機陽離子的影響

不同濃度NaCl脅迫對燕麥幼苗無機陽離子的影響如圖4所示.由圖4（a）可知，隨NaCl濃度的增加，燕麥幼苗莖葉和根系的Na+含量均顯著上升（P＜0.01），當NaCl濃度為144 mmol/L時，莖葉Na+的含量為對照組的7.4倍，根系Na+的含量為對照組的6.5倍，且根系Na+的含量大于莖葉的含量.由圖4（b）可知，隨NaCl濃度的增加，燕麥幼苗莖葉與根系的K+含量呈顯著下降趨勢（P＜0.01），當NaCl濃度為144 mmol/L時，莖葉和根系K+的含量約為對照組的7/10，根系K+的含量小于莖葉.由圖4（c）可知，隨NaCl濃度的增加，燕麥幼苗莖葉和根系中的Ca2+含量下降且差異顯著（P＜0.01）.由圖4（d）可知，隨NaCl濃度的增加，燕麥幼苗莖葉與根系的Na+和K+的比值顯著增大（P＜0.01），當NaCl濃度為144 mmol/L時，莖葉Na+和K+的比值為對照組的9.4倍，根系Na+和K+的比值為對照組的11.2倍，根系Na+和K+的比值大于莖葉.

圖4 不同濃度NaCl脅迫對燕麥幼苗無機陽離子的影響

2.4.2 不同濃度NaCl脅迫對燕麥幼苗無機陰離子的影響

不同濃度NaCl脅迫對燕麥幼苗無機陰離子的影響如圖5所示.由圖5（a）可知，隨NaCl濃度的增加，燕麥幼苗莖葉與根系的Cl-含量顯著增加（P＜0.01），當NaCl濃度為144 mmol/L時，莖葉Cl-的含量是對照組的3.7倍、根系Cl-的含量是對照組的2.6倍.由圖5（b）可知，隨NaCl濃度的增加，燕麥幼苗莖葉與根系的SO42-含量大體呈增加趨勢，當NaCl濃度大于72 mmol/L時，SO42-含量增加顯著，與其他各處理組相比差異顯著（P＜0.01）.由圖5（c）和圖5（d）可知，除對照組外，其他各處理組隨NaCl濃度的增加，燕麥幼苗莖葉與根系的H2PO4-、NO3-含量呈下降趨勢.

圖5 不同濃度NaCl脅迫對燕麥幼苗無機陰離子的影響

2.4.3 不同濃度NaCl脅迫對燕麥幼苗pH值的影響

不同濃度NaCl脅迫對燕麥幼苗莖葉組織液和根系組織液pH值的影響如圖6所示.由圖6可知，隨NaCl濃度的增加，燕麥幼苗莖葉與根系的pH值均變化不大，說明不同濃度NaCl脅迫對燕麥幼苗體內的pH值影響不顯著（P＞0.05）.

圖6 不同濃度NaCl脅迫對燕麥幼苗莖葉和根系組織液pH值的影響

3 討論

3.1 不同濃度NaCl脅迫對燕麥幼苗的影響

NaCl脅迫作用主要是以Na+為主的離子毒害效應和高濃度鹽溶液造成水勢下降的滲透脅迫帶來的生理干旱［7］，因植物種類及器官的不同對鹽堿脅迫的響應程度不同.有的植物將鹽離子隔離在根中或貯存在莖等器官內，從而減少對其他器官的轉移和危害，或者通過特殊的離子通道將鹽離子排出體外，從而使其具有較高耐鹽性.在植物地上及地下器官對鹽脅迫的耐鹽性比較中，研究結果各異，莖葉比根敏感的植物如檳榔，根比莖葉敏感的植物如玉米和小麥.在本研究中，NaCl脅迫下燕麥幼苗生長與生理的反映出現了不同的傾向，即根系的長度相對下降幅度大于莖葉長度相對下降幅度，尤其是生物量的下降程度小于莖葉，但根系中Na+含量上升幅度比莖葉更高，K+含量下降幅度更大，使根系中Na+與K+的比值遠遠高于莖葉，燕麥幼苗在NaCl脅迫下根系對Na+起截留保護作用，但對鹽堿耐受性強于莖葉，說明不同植物各器官的生長與生理敏感性對鹽脅迫的響應機制是不同的.這進一步補充了植物耐鹽堿方面研究的成果.

3.2 不同濃度NaCl脅迫下燕麥幼苗的適應策略

鹽生植物在鹽脅迫下具有不同的滲透調節機制和離子平衡調節機制.在鹽脅迫下，主要是無機離子參與離子平衡調節作用.從本研究結果得出，在NaCl脅迫下燕麥主要采取大量積累脯氨酸和Cl-的適應對策以抵御滲透脅迫和離子毒害，而與有機酸無關.通過改變地上地下離子的分布來適應鹽脅迫環境.Cl-是燕麥適應鹽脅迫的根本所在，這一研究結果與前人進行的小麥研究結果相似.

4 結論

綜合分析表明，NaCl脅迫下，燕麥不同器官的反應機理有差異，不同濃度NaCl脅迫下燕麥幼苗的適應策略不同.通過積累脯氨酸含量及不同無機離子分配適應鹽脅迫條件.