海岛棉不同基因型幼苗对盐胁迫的生理响应

杨淑萍，危常州，梁永超，4

（1新疆兵团绿洲生态农业重点实验室，石河子832003；2石河子大学师范学院，石河子832003；3石河子大学农学院，石河子832003；4中国农业科学院农业资源与农业区划研究所农业部植物营养与养分循环重点实验室，北京10008）

海岛棉不同基因型幼苗对盐胁迫的生理响应

杨淑萍1，2，危常州1，3，梁永超1，3，4

（1新疆兵团绿洲生态农业重点实验室，石河子832003；2石河子大学师范学院，石河子832003；3石河子大学农学院，石河子832003；4中国农业科学院农业资源与农业区划研究所农业部植物营养与养分循环重点实验室，北京10008）

以海岛棉品种新海21号（XH 21，盐敏感基因型）和新海28号（XH 28，耐盐基因型）为材料，采用水培法，从3叶期开始进行 NaCl处理（NaCl浓度为0、50、100、150、200、250mmol／L），研究了盐胁迫下海岛棉不同基因型幼苗干物质分配、生长特征、游离脯氨酸含量、根系活力、膜透性及丙二醛含量的变化规律。结果表明：NaCl胁迫对海岛棉耐盐基因型和盐敏感基因型根长、根系活力、茎粗及干物质分配影响具有明显差异，低浓度的NaCl（≤50 mmol／L）能够提高耐盐基因型根系活力，促进根长及茎的生长，增加生物量，而对盐敏感基因型无促进作用；随盐浓度的增加，二基因型功能叶丙二醛含量和细胞膜透性均显著上升，但XH 28与XH 21相比，则具有较低丙二醛含量和电解质外渗率。故盐胁迫下海岛棉叶中能保持较高的游离脯氨酸含量及较低丙二醛含量、膜透性是耐盐性品种的生理基础。

盐胁迫；干物质分配；生理特性；幼苗；海岛棉

盐渍化是影响土地生产力的重要障碍因子，也是目前威胁农业可持续发展的全球性问题。全世界盐渍土面积已达15亿hm2［1］，我国约2600万hm2，占我国耕地总面积的10%。新疆地处欧亚大陆腹地，典型的气候使新疆成为土壤盐渍化大区，盐渍土不仅种类多而且总面积超过1100万hm2，且现有耕地中已有31．1%的面积受到盐渍危害，其中，强盐化及中等盐化类型已达盐渍化耕地总面积的51%。耕地盐碱化导致农业生产力严重衰退，甚至有些耕地开始变为弃耕地［2－3］。这对绿洲生态环境的稳定及土地资源的可持续利用造成了危害。

海岛棉的品质优于陆地棉，其纤维长、细度高、强度大，是重要的纺织品原料。新疆降水稀少，日照非常充足，积温高，独特的气候条件使新疆成为我国唯一的海岛棉生产基地，但棉田土壤不同程度的盐渍化几乎影响棉株所有重要的生命过程［4－8］。在盐渍环境中生长的棉株无法阻止盐分的进入或排除盐分，其只能通过不同生理途径适应或部分适应盐分而使之不受伤害，从而维持其正常的生理活动。前人研究认为棉花是较耐盐的作物之一，但棉株在幼苗期、现蕾开花期，土壤盐分过高可引起盐害［9－11］。因此，棉花生育早期的耐盐性、根系生长发育特征是作物生理生态学和栽培学研究热点［12］，但目前有关盐胁迫下海岛棉幼苗期植株整体水平上的干物质分配格局和耐盐生理机制方面的研究未见文献报道。本实验选用2个海岛棉品种为实验材料，研究不同程度盐胁迫下海岛棉幼苗期生长发育特征和生理响应，以期为海岛棉抗盐、耐盐品种培育及合理栽培调控提供理论依据。

1 材料与方法

1．1 材料

海岛棉品种为新海21号（XH 21，盐敏感型）和新海28号（XH 28，耐盐型）为材料，耐盐性的鉴定参见文献［13］中的方法。

1．2 方法

1．2．1 试验设计

试验于2008年6－8月在新疆兵团绿洲生态农业重点实验室的人工气候室中进行。

采用水培法培养海岛棉植株，先将发芽后的种子播于蛭石中，当第1片真叶露尖后挑选生长一致的幼苗移入带孔盖板的8L立方体PVC钵中（长×宽×高＝38cm×31cm×13cm），每钵12株，钵中装入6L用去离子水配制的Hogland营养液，将培养钵放入LT／ACR－2002型人工气侯室中培养，白天光照为300μmol photons／（m2·s），夜晚光照为0，光暗周期为14／10h，昼夜温度为28／20℃，空气相对湿度为60～70%，培养期间用电动气泵24h持续通气。待幼苗第3片真叶完全展开后进行盐处理，设6个处理，即：0、50、100、150、200、250mmol／L，每处理重复3次。为避免盐激，采取浓度逐渐递加的方法，每天递增50mmol／L，最终达到预定的处理浓度，盐胁迫培养30d，前期（加盐处理前）每6 d换1次营养液，后期（加盐处理后）每3d换1次营养液，每天用NaOH和H2SO4调节pH值，使pH值维持在5．8～6．5，同时加蒸馏水以补充水分的散失。盐处理30d后测定相关指标。

1．2．2 测定项目与方法

1．2．2．1 棉株生长指标及生物量测定

盐处理30d后每处理取植株30株，用游标卡尺测得茎粗，后从茎基部将植株分为地上部分和地下部分；地下部分用蒸馏水迅速冲洗3次，吸水纸擦干植株表面，测根长，然后对地上、地下部分分别称量鲜重后，再将鲜样品材料置于105℃烘箱中杀青30min转至80℃烘至恒重称得干重，生物量以每10株幼苗鲜干重的平均值表示（g／株）。

1．2．2．2 根系活力测定

采用TTC法测定根系活力［14］。

1．2．2．3 游离脯氨酸含量的测定

采用3%磺基水杨酸提取，酸性茚三酮比色法［14］测定脯氨酸（Pro）。

1．2．2．4 丙二醛含量测定

采用硫代巴比妥酸法［14］测定丙二醛（MDA）。

1．2．2．5 膜透性测定

采用相对电导率法［15］测定。

1．2．3 统计分析

试验原始数据的处理采用Excel软件完成，差异显著性分析采用SPSS 11．5软件，以Origin软件绘图。

2 结果与分析

2．1 盐胁迫对海岛棉幼苗干物质积累和根冠比的影响

水培条件下不同NaCl处理对2基因型海岛棉幼苗干物质积累和根冠比的影响有明显差异（表1）。盐敏感基因型XH 21的地上干重及根干重均随着盐浓度的增大，总体上呈现降低的趋势，说明盐分可抑制盐敏感基因型XH 21的生长，降低干物质的积累；耐盐基因型XH 28在NaCl浓度为50 mmol／L时，地上干重及根干重均显著高于对照，后随着盐浓度的增加显著降低且明显低于对照，说明适当盐分可促进耐盐基因型XH 28的生长，有利于干物质的积累，但当盐浓度超过50mmol／L后则会受到抑制作用。同一植株不同部分对盐胁迫的反应有所差异，盐处理后植株根冠比XH 21均低于对照而XH 28均高于对照，说明盐处理后，XH 21光合作用产物供给地下部的减少，因而地下部生长受抑制程度大于地上部，但盐处理有利于XH 28将更多的同化产物分配到根系，增加根冠比从而增大对水分和养分的吸收量，最终增强植株的抗盐能力。

表1 盐胁迫对海岛棉幼苗干物质积累和根冠比的影响Table．1Effects of saline stress on dry weight and root／shoot ratio of Sea Island Cotton seedlings

2．2 盐胁迫对海岛棉幼苗根长及茎粗的影响

不同盐浓度处理下海岛棉两品种的根长随着盐分浓度的增加，呈现不同的变化趋势（图1a）。盐胁迫下XH 21根长与对照相比显著下降，200mmol／L NaCl处理降幅达47．2%；而XH 28根长在50 mmol／L NaCl处理下却显著高于对照，后随盐浓度的增加根长显著下降，与对照相比200mmol／L NaCl处理的降幅达7．2%。从茎粗的变化来看（图1b），XH 21茎粗随盐浓度的增加显著下降，而XH 28除在50mmol／L NaCl处理下略有上升外，其它处理均显著低于对照。

图1 NaCl浓度对海岛棉根长和茎粗的影响Fig．1Effect of NaCl concentration length of root and stem diam in Sea Island Cotton

2．3 盐胁迫对海岛棉幼苗根系活力和叶片游离Pro含量的影响

根系活力强弱直接影响植株个体的生命活动，因此测定海岛棉根系活力，可以反映出海岛棉的受害程度。图2a显示了不同处理下海岛棉根系活力的变化，对于XH 21根系活力随着盐浓度的增加显著下降，XH 28在从0～100mmol／L NaCl处理浓度下根系活力迅速上升，50mmol／L NaCl处理下根系活力保持在最高水平，NaCl浓度超过100 mmol／L后XH 28根系活力显著下降且低于对照，因此低于100mmol／L NaCl浓度处理下根系活力的提高可能是XH 28幼苗对盐分的一种适应性表现。另外，50、100和150mmol／L NaCl处理下 XH 28的根系活力均高于XH 21。

Pro作为重要的渗透调节物质，其作用除保持原生质和环境渗透平衡，阻止水分丧失外，还可能直接影响蛋白质的稳定性，增加蛋白质的可溶性，减少可溶性蛋白质沉淀，保护膜结构的完整，作为含氮的储藏物质和恢复生长的能源［16］。从图2b可看出，叶Pro含量的变化趋势在不同基因型间完全不同，对盐敏感的XH 21，所有加盐处理Pro含量均低于对照，而且随着盐浓度的增加，Pro的含量呈现总体下降趋势；而耐盐型XH 28所有加盐处理叶片中Pro含量则显著高于对照。

图2 NaCl浓度对海岛棉根系活力和叶游离脯氨酸含量的影响Fig．2Effects of saline stress on root activity and free proline content of Sea Island Cotton

2．4 盐胁迫对海岛棉叶片MDA含量及膜透性的影响

MDA是膜脂过氧化的产物，也是细胞膜损伤程度的标志性物质。由图3a可见，随着盐浓度的增加，XH 21与XH 28叶内的MDA含量呈逐渐升高趋势，且各处理与对照相比达到显著差异，但相同处理浓度下XH 21叶内的MDA含量均明显高于XH 28；在盐胁迫下，植物生长受到抑制与细胞膜受损有关，因此膜透性的测定也常作为植物抗性研究的一个重要生理指标。由图3b可见，海岛棉两基因型叶片细胞膜透性均随着盐浓度的增加而显著增加，且各处理与对照相比达到显著差异，但相同处理浓度下，XH 21的膜透性均明显高于XH 28。

图3NaCl浓度对海岛棉叶片MDA含量及膜透性的影响Fig．3 Effect of NaCl concentration MDA contents and Relative conductance ratio in Sea Island Cotton

3 讨论

目前，土壤盐渍化是影响农业生产和生态环境并阻碍农业快速发展的因素之一。新疆受干旱气候和封闭内陆盆地的影响，盐渍地面积大，类型多，积盐重，尤其是南疆地区，盐渍地面积占新疆耕地面积的35%以上，而海岛棉的种植区盐渍化亦十分严重。作物对盐胁迫响应最敏感的生理现象是影响生长，但做为耐盐性较强的棉花，王艳娜等［17］和Sharma等［18］研究表明土壤中的盐分对棉花生长和发育具有双重影响，较低浓度的盐分（35mmol／L以下）有利于棉花生长，但当盐分浓度大于35mmol／L时，则会影响棉花生长；谢德意等［19］却发现无论盐浓度高低均对陆地棉（豫棉15）幼苗生长产生抑制作用。本实验的结果表明，对于盐敏感的XH 21，所有加盐处理的棉株其根长、茎粗及生物量均低于或显著低于对照，这与谢德意等［19］的结论一致，但XH 28在NaCl浓度为50mmol／L其根长、茎粗及生物量均高于所有处理而后随盐度的增加显著降低，与Sharma等［18］的结论吻合，这说明盐分可能对海岛棉的影响机理不同于陆地棉，同时盐分对海岛棉的作用方式又与其基因型密切相关。从本试验的结果来看，NaCl 50mmol／L为XH 28生长的最适盐浓度，而其最大耐盐阈值可能为250mmol／L，新海21则为150～200mmol／L。Passioura［20］认为根系是吸收水肥的主要器官，与地上部相比，生产相同单位干物质需要的能量是地上部的2倍，如果根冠比增大，将有更多的同化产物分配到根系，这对于根系的快速扩张十分有利。由本实验结果可知，随着盐浓度的增加，XH 21根冠比显著低于对照，而XH 28则显著高于对照，说明盐处理后，XH 21光合作用产物供给地下部的减少，因而生长受抑制程度地下部大于地上部，但盐处理有利于XH 28将更多的同化产物分配到根系，增加根冠比，从而增大对水分和养分的吸收量，最终增强植株的抗盐能力。

Pro是许多植物在盐分胁迫时大量积累的有机小分子物质。盐胁迫下Pro积累的作用是多方面的，不仅可缓解高浓度盐离子构成的渗透胁迫［21］，还可作为植物体内氮和能量的一种贮存库，有利于胁迫恢复后重新利用［22］。但目前对盐胁迫下Pro积累的生理机制仍存在较大分歧。一些研究表明，Pro作为一种主要的细胞渗透调节物质，盐胁迫下大量的积累是植物对盐渍逆境的一种适应，对提高植物抗盐性起着重要作用［23］；但也有研究认为盐胁迫下Pro积累量更适于作为胁迫伤害指标［24］。本研究中，XH 28叶的游离Pro含量高于XH 21，并随盐胁迫程度加重变动幅度较大，表明盐胁迫下海岛棉幼苗Pro的积累有利于维持较高的盐胁迫抗性，因此更适合做为海岛棉抗盐性筛选的重要指标。

植物在逆境下往往发生膜脂过氧化作用，破坏膜的结构，积累许多有害的过氧化物。MDA是膜脂过氧化的主要产物之一，其含量的多少可代表膜损伤的严重程度。MDA可以与膜上的蛋白质、酶等结合，引起蛋白质分子内和分子间的交联，使之失去活性，破坏生物膜的结构和功能，从而使生物表现出受伤害状态［25］。在盐胁迫下，海岛棉叶内的MDA含量随盐浓度的增大而升高，这与陶晶等［26］、张亚冰等［27］的研究的结果一致，但不同耐盐性海岛棉基因型在NaCl胁迫下MDA含量变化不一致，从试验结果看出，相同NaCl浓度处理下XH 21叶内的MDA含量均高于XH 28。说明XH 21在盐胁迫下其膜脂过氧化程度较高，造成的伤害程度较大。

生物膜在植物逆境胁迫研究中占重要地位。许多研究证实生物膜与植物抗性关系密切［28］。植物受到盐胁迫伤害时，细胞质膜透性增加，细胞内溶质大量外渗［29］。本试验的结果表明，盐胁迫使海岛棉叶电解质渗漏率加大，这是由于膜质过氧化程度加剧，细胞膜透性加大，导致膜系统及生理生化机能的损伤和细胞内物质外渗。盐敏感基因型XH 21比耐盐基因型XH 28有较高的电解质渗漏率，说明耐盐基因型能降低盐胁迫条件下海岛棉叶片的细胞膜透性，减少细胞内物质的外渗，从而减缓盐胁迫对海岛棉叶片细胞膜的伤害。总之，本研究的结果表明，盐胁迫导致海岛棉叶内为MDA含量大幅度上升，相对电导率急剧增加。意味着盐胁迫破坏了海岛棉叶内自由基的产生与清除的动态平衡关系，海岛棉叶自身清除活性氧、防止膜脂过氧化作用、保护膜结构与功能的能力下降，致使活性氧大量增加，使得膜脂过氧化作用加剧，最终导致膜结构和功能的破坏，质膜透性显著增加，从而影响到叶片的生理生化机能。这可能是盐胁迫导致海岛棉叶片伤害的主要原因。与盐敏感基因型21相比，耐盐基因型的叶在盐胁迫下仍能保持较高游离Pro、较低的MDA含量和电解质外渗率，因此能保持膜结构及功能的相对稳定性，减少细胞内容物外渗，减轻对功能叶的伤害。

4 结论

NaCl胁迫对海岛棉耐盐基因型和盐敏感基因型根长、根系活力、茎粗及干物质分配影响具有明显差异，低浓度的NaCl（≤50mmol／L）能够提高耐盐基因型根系活力，促进根长及茎的生长，增加生物量，而对盐敏感基因型却无促进作用；随盐浓度的增加二基因型功能叶MDA含量和细胞膜透性均显著上升，但XH 28与XH 21相比具有较低MDA含量和电解质外渗率，故盐胁迫下海岛棉叶内能保持较高的游离Pro含量，较低的膜透性及MDA含量是耐盐性品种的生理基础。

［1］Keiffer C H．Germiantion and establishment of halophytes on brine－affecter soils［J］．J Appl Eco，2002，39：402－415．

［2］田长彦，周宏飞，刘国庆．21世纪新疆土壤盐渍化调控与农业持续发展研究建议［J］．干旱区地理，2000，23：178－181．

［3］蔺娟．新疆盐渍土时空变化的研究［J］．干旱区资源与环境，2007，21（11）：113－117．

［4］周桃华．NaCl胁迫对棉子萌发及幼苗生长的影响［J］．中国棉花，1995，22（4）：11－12．

［5］文卿琳，阿曼古丽·肉孜．盐胁迫对海岛棉种子萌发的影响［J］．中国种业，2008，（1）：39－40．

［6］张子学，王正鹏，凌中鑫，等．不同棉花品种NaCl胁迫的生理表现及其耐盐性筛选指标分析［J］．中国棉花，2004，31（8）：8－10．

［7］汤菊香，韩静，卫秀英，等．不同棉花品种幼苗生长耐盐性比较［J］．吉林农业科学，2007，32（4）：6－8．

［8］马丽，侯振安，梁永超，等．NaCl胁迫对棉花幼苗生理特性的影响［J］．石河子大学学报：自然科学版，2008，26（2）：180－184．

［9］Diegoa M，Marcoa O，Carlosa M．Photosynthesis and activity of superoxide dismutase，peroxidase and glutathione reductase in cotton under salt stress［J］．Environmental and Experimental Botany，2003，49：69－76．

［10］吕有军．盐胁迫下棉花生长发育特性与耐盐机理研究［D］．杭州：浙江大学，2005．

［11］孙小芳，刘友良．NaCl胁迫下棉花体内Na＋、K＋分布与耐盐性［J］．西北植物学报，2000，20（6）：1027－1033．

［12］辛承松，董合忠，唐薇，等．棉花盐害与耐盐性的生理和分子机理研究进展［J］．棉花学报，2005，17（5）：309－313．

［13］孙小芳，刘友良．棉花品种耐盐性鉴定指标可靠性的检验［J］．作物学报，2001，27（6）：794－800．

［14］李合生，孙群，赵世杰，等．植物生物生化试验原理和技术［M］．北京：北京高等教育出版社，2000：182－261．

［15］张宪政．作物生理研究法［M］．北京：北京农业出版社，1992：197－212．

［16］Sabry S R，Smith L T，Smith G M．Osmoregulation in spring wheat under drought and salinity［J］．Journal of Genetics ＆ Breeding，1995，49（1）：55－60．

［17］王艳娜，侯振安，龚江，等．咸水滴灌对土壤盐分分布、棉花生长和产量的影响［J］．石河子大学学报：自然科学版，2007，25（2）：158－161．

［18］Sharma S K．Saline Environment and plant Growth［M］．Bikaner（India）：Agro Botanical Publishers，1986．

［19］谢德意，王惠萍，王付欣，等．盐胁迫对棉花种子萌发及幼苗生长的影响［J］．中国棉花，2000，27（9）：12－13．

［20］Passioura J B．Root signals control leaf expansion in wheat seed－lings growing in drying soil［J］．Australian Journal of Plant Physiology，1988，15：687－693．

［21］史庆华，朱祝军，刘慧英，等．离子胁迫对番茄抗氧化酶H＋－ATPase，H＋－PPase的影响［J］．植物生理与分子生物学学报，2004，30（3）：311－316．

［22］Trotel P，Bouchereau A，Niogret M F，et al．The fate of osmo－accumulated proline in leaf discs of rape（Brassica napus L．）incubated in a medium of low osmolarity［J］．Plant Science，1996，118：31－45．

［23］白宝璋．植物生理学［M］．北京：中国农业出版社，1996：257－260．

［24］Lutts S，Majerus V，Kinet J M．NaCl effects on proline metabolism in rice（Oryza sativa）seedlings［J］．Physiologia Plantarum，1999，105：450－458．

［25］张亚冰，刘崇怀，潘兴，等．盐胁迫下不同耐盐性葡萄砧木丙二醛和脯氨酸含量的变化［J］．河南农业科学，2006（4）：84－86．

［26］陶晶，陈士刚，秦彩云，等．盐碱胁迫对杨树各品种丙二醛及保护酶活性的影响［J］．东北林业大学学报，2005，33（3）：13－15．

［27］张亚冰，刘崇怀，孙海生，等．葡萄砧木耐盐性与丙二醛和脯氨酸关系的研究［J］．西北植物学报，2006，26（8）：1709－1712．

［28］王建华，刘鸿先，徐同．SOD酶在植物逆境生理和衰老生理中的作用［J］．植物生理学通讯，1989（1）：17．

［29］Ingram D L．Root cell membrane heat tolerance of two dwarf hollies［J］．J Am Hort Sci，1986，111：270－272．

Physiological Response to NaCl Stress
of Different Sea Island Cotton Genotypes in Seedlings

YANG Shuping1，2，WEI Changzhou1，3，LIANG Yunchao1，3，4
（1Key Laboratory of Oasis Eco－agriculture of Xinjiang Production and Construction Corps，Shihezi University，Shihezi 832003，China；2Teachers Training College，Shihezi University，Shihezi 832003，China；3College of Agriculture，Shihezi University，Shihezi 832003，China；4Ministry of Agriculture Key Laboratory of Plant Nutrition and Nutrient Cycling，Institute of Agricultural Resources and Regional Planning，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081，China）

In this experiment，two Sea Island Cotton varieties，Xinhai 21（XH 21，NaCl sensitive genotype）and Xinhai 28（XH 28，NaCl tolerant genotype）were selected，and germinated in full nutritional solution．NaCl was added to solution at 3full expand leaves stages at 6NaCl levels（0，50，100，150，200and 250 mmol／L）Dry matter partitioning，the growth of the plants characteristics，soluble protein content，root activity，relative conductance ratio and malonyldialdehyde（MDA）contents were investigated after 30d．The results showed that root length，root activity，stem diam and dry matter partitioning in both cultivars had significant differences．Under low NaCl concentration stress（≤50mmol／L），root length，root activity，stem diam were enhanced in tolerant genotype XH 28．While XH 21s′decreased．With the increasing of a salinity concentration the increase of MDA content and membrane permeability in tolerant genotype XH 28was more significant under saline stress than in sensitive genotype XH 21．In conclusion，under saline stress，higher soluble protein content，lower membrane permeability and MDA content in Sea Island Cotton leaf were the physiological basis of tolerant genotype Sea Island Cotton．

salinity stress；dry matter partitioning；physiology；seedling；Sea Island Cotton

S562

A

2010－01－04

国家自然科学基金项目（30900872），国家科技支撑计划项目（2007BAC20B03），农业部行业公益性专项（200803030）

杨淑萍（1976－），女，副教授，博士研究生，专业方向为作物逆境生理；e－mail：ysp_tea＠shzu．edu．cn。

危常州（1966－），男，教授，博士生导师，从事作物信息技术与作物生理研究；e－mail：changzhou．wei＠gmail．com。