3个玉米自交系对盐胁迫的生理响应及耐盐性评价

2017-05-11王婧泽高树仁孙丽芳胡凯凤

干旱地区农业研究 2017年2期

关键词：根冠盐浓度耐盐性

王婧泽，高树仁，孙丽芳，王霞，王晶，胡凯凤，邓杰

(黑龙江八一农垦大学农学院，黑龙江大庆 163319)

3个玉米自交系对盐胁迫的生理响应及耐盐性评价

王婧泽，高树仁，孙丽芳，王霞，王晶，胡凯凤，邓杰

(黑龙江八一农垦大学农学院，黑龙江大庆 163319)

以自交系M-2导入系、Hr30导入系和Mo17导入系为试验材料，研究不同浓度NaCl(0、100 mmol·L-1、150 mmol·L-1、200 mmol·L-1、250 mmol·L-1)对3个玉米幼苗的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、可溶性蛋白等生理指标的变化规律的影响，并采用主成份分析与隶属函数相结合的方法对其耐盐性进行综合评价，旨在为玉米耐盐性筛选及抗盐新品种的选育奠定基础。结果表明，3个自交系的株高、生物量、叶绿素含量、净光合速率(Pn)以及可溶性蛋白质的含量大体上随着盐浓度的增加而呈下降的趋势；根长、相对电导率、丙二醛(MDA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化物酶(POD)活性和根冠比大体上呈先上升后下降的趋势。利用主成份分析归纳出株高、净光合速率(Pn)、丙二醛(MDA)等9个与耐盐密切相关的生理指标，运用模糊数学隶属函数分析得出，3个玉米自交系的耐盐性强弱依次为M-2导入系>Hr30导入系>Mo17导入系。

玉米；盐；隶属函数

1 材料与方法

1.1 供试材料与设计

本课题组前期对野生碱蓬总DNA通过花粉管导入玉米自交系并稳定遗传的20个后代进行耐盐性筛选试验，选择其中3个耐盐性较强的玉米自交系M-2导入系、Hr30导入系和Mo17导入系作为试验材料。

1.2 试验设计

试验于植物生长室内进行，培养条件为：昼夜温度为25℃/18℃，白天光照12 h，光强为1 000 μmol·m-2·s-1，相对湿度为60%～80%。挑选大小一致，无破损无病斑的玉米种子，用10%的次氯酸钠表面消毒后，于24℃的培养箱内催芽，挑选长势发芽一致的种子播于装有等量蛭石的塑料盆内(直径20 cm、高22 cm)，每盆浇灌等量的1/2 Hoagland营养液。于三叶一心时分别以5个不同浓度梯度(0、100 mmol·L-1、150 mmol·L-1、200 mmol·L-1、250 mmol·L-1)的NaCl溶液进行盐胁迫处理，处理7天后，选取相同功能的幼嫩叶片进行样品采集。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 生长指标的测定盐胁迫处理一周后，每个处理随机选取5株幼苗，测定其株高、根长。将幼苗的地上部与地下部分离，置于 105℃下杀青30 min，80℃烘干至恒重，称干重即生物量，并计算根冠比(根冠比=地上部干重/地下部干重)。

1.3.2 生理指标的测定用便携式Li-6400XTR光合仪(美国Li-COR公司)测定幼苗三叶一心时期生长点下第2片完全展开功能叶的净光合速率(Pn)，每叶片重复记录3组数据，结果取其平均值。测定时叶室CO2浓度为400 μL·L-1，光强约为800 mmol·m-2·s-1，温度为(25±2)℃。叶绿素含量的测定方法参照Wellburn[12]的方法测定。相对电导率的测定参照Lutts等[13]的方法测定。MDA含量的测定采用李合生等[14]的方法。SOD和POD活性的测定分别参照Giannopolitis C N等[15]和Rao M V等[16]的方法测定。可溶性蛋白含量的测定参照郝再彬等[17]的方法测定。

⑨Feng S．，Heerink N．，“Are farm households’land renting and migration decisions inter－related in rural China?”NJAS － Wageningen Journal of Life Sciences，4，2008．

1.4 数据分析

用Excel 2003进行数据整理，SPSS 19.0软件进行单因素方差分析和主成分分析，采用Duncan检验法进行多重比较及差异显著性分析，图表中的数据均为3次重复的平均值。选取盐胁迫一周后的主成分分析中得分系数较高的9个生理指标的测定值，采用模糊数学中的隶属函数法进行耐盐性综合评价，计算方法如下。

隶属函数值计算公式：

R(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

反隶属函数值计算公式：

R(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

2 结果与分析

2.1 盐胁迫对玉米幼苗生长的影响

盐胁迫对玉米幼苗的生长变化有直接的影响。如图1(A)、1(B)所示，盐胁迫对3个玉米自交系玉米幼苗的株高和生物量有明显的抑制作用，当盐浓度达到250mmol·L-1时，与对照相比，M-2导入系的株高和生物量分别下降14.6%和13.7%，Hr30导入系下降20.2%和33.2%，Mo17导入系下降21.78%和36.9%，M-2导入系下降幅度最小。如图1(C)、1(D)所示，盐胁迫对3个玉米自交系玉米幼苗的根长和根冠比有一定的促进作用，随着盐浓度的增加，3个玉米自交系的根长和根冠比呈先上升后下降的趋势，Mo17导入系的根长和根冠比在盐浓度为150mmol·L-1时达到最大值，分别比对照高67.8%和120.9%，随着盐浓度的继续增加逐渐下降；M-2导入系和Hr30导入系在盐浓度达到250mmol·L-1时达到最大值，与对照相比，M-2导入系的根长和根冠比增加了75.1%和248.5%，Hr30导入系的根长和根冠比增加了75.0%和183.2%，之后逐渐降低。

图1 盐胁迫下各导入系株高、生物量、根长和根冠比的变化

Fig.1Plantheight,totalbiomass,rootlengthandroot/shootratioofdifferentinbredlinesundersaltstress

2.2 盐胁迫对玉米幼苗叶片叶绿素含量和净光合速率的影响

盐胁迫下，3个玉米幼苗叶片的叶绿素含量和净光合速率显著下降。如图2(A)、2(B)所示，当盐浓度增加到250mmol·L-1时，与对照相比，M-2导入系的叶绿素含量和净光合速率分别比对照下降了46.7%和42.7%，Hr30导入系分别比对照下降了49.5%和64.8%，Mo17导入系分别比对照下降了51.2%和68.6%，M-2导入系的下降幅度较小。

2.3 盐胁迫对玉米幼苗叶片电导率、MDA、可溶性蛋白及抗氧化酶活性的影响

结果如表1所示，3个玉米叶片的MDA含量和相对电导率的变化均随着盐浓度的增加呈先上升后降低的趋势，当盐浓度达到200mmol·L-1时3个自交系均达到最大值，与对照差异显著，M-2导入系的MDA含量和相对电导率分别比对照增加115.3%和81.7%，Hr30导入系分别比对照增加了144.9%和90.4%，Mo17导入系分别比对照增加了156%和120.5%，M-2导入系的增幅较小。

3个玉米叶片的可溶性蛋白含量的变化大体上随盐浓度的增加而呈逐渐下降的趋势。当盐浓度达到100mmol·L-1时，Hr30导入系叶片可溶性蛋白的含量与对照相比略有升高，比同浓度下M-2导入系和Mo17导入系分别高7.04%和52.3%，随着盐浓度的增加，可溶性蛋白的含量显著下降。当盐浓度升高到250mmol·L-1时，M-2导入系的可溶性蛋白含量与对照相比下降了40%，但分别比Hr30导入系和Mo17导入系高35.8%和81.6%。

图2 盐胁迫下各导入系叶绿素含量和净光合速率的变化

Fig.2Chlorophyllcontent(a+b)andnetphotosyntheticrateindifferentinbredlinesundersaltstress

表1 盐胁迫对玉米幼苗叶片电导率、MDA、可溶性蛋白及抗氧化酶活性的影响

注：同列不同字母表示达到显著性差异(P<0.05)。

Note: Different small letters in same columns indicate significant difference(P<0.05).

POD、SOD活性均随着盐浓度的增加呈先上升后下降的趋势，当盐浓度升高到150 mmol·L-1时，Mo17导入系的POD和SOD活性达到最大值，分别比对照增加了207.9%和183.2%，随着盐浓度的继续增加，活性下降显著。当盐浓度升高到200 mmol·L-1时，M-2导入系和Hr30导入系的POD和SOD活性达到最大值，POD的活性分别比对照增加了173%和228.8%，分别比同浓度下的Mo17高54.5%和47.1%；SOD的活性分别比对照增加了103%和199%，分别比同浓度下的Mo17高54.5%和39.4%。

2.4 耐盐指标的相关性分析和方差分析

对盐胁迫下3个玉米自交系的11个生理指标进行了相关性分析(表2)，大部分指标间存在着相关性，部分指标间的相关性达到了显著或极显著水平。为避免指标间的信息重叠，采用主成分分析，转换成较少的综合指标，能够较好地反映玉米的耐盐性。

表2 玉米不同耐盐性指标的相关关系

注：*和**分别表示在0.05和0.01的显著水平。X1：株高；X2：生物量；X3：根冠比；X4：净光合速率；X5：丙二醛；X6：相对电导率X7：可溶性蛋白；X8：过氧化物酶；X9：超氧化物歧化酶；X10：叶绿素；X11：根长。

Note: * and ** indicate significance at 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. X1: plant height; X2: biomass; X3: shoot/root ratio; X4: Pn; X5: MDA; X6: relative conductivity; X7: soluble protein content; X8: POD; X9: SOD; X10: chl (a+b); X11: Plant root.

方差分析结果表明(表3)，11项指标在3个玉米自交系试验材料和不同盐浓度间呈显著或极显著差异。3个试验材料间存在显著差异才可进行主成分分析，因此本试验的11项耐盐指标可以作主成分分析。

表3 3种玉米自交系耐盐性状的11个指标方差分析及F值检验

注：F检验，*表示差异显著(P<0.05)；**表示差异极显著(P<0.01)。

Note:Ftest; * and ** indicate significant difference at 0.05 and 0.01 level, respectively.

2.5 耐盐指标间主成分分析

对3个玉米自交系不同浓度NaCl胁迫的11个指标进行主成分分析(表4)。前三个主成分的累积贡献率达到93.959%，表明前3个主成分已经对3个玉米自交系的耐盐指标作出了充分的概括。由表4、5可知，第一主成分的特征值为7.570，贡献率为68.815%，其中株高、MDA、Chl(a+b)、Pn、 SOD和POD有绝对值较大的得分系数，除株高、Pn、和Chl(a+b)负向标外，其余均为正向标，第一主成分主要反映地上部生长和生理状况；第二主成分的特征值为2.185，贡献率为19.864%，其中根冠比、根长和生物量有绝对值较大的得分系数，均为正向坐标，根长拥有绝对值最大的得分系数，第二主成分与地下部生物量因子密切相关；第三主成分的特征值为0.581，贡献率为5.280%，其中电导率有绝对值较大的得分系数，第三主成分主要反映与膜透性相关的因子。

表4 耐盐指标筛选主成分分析

表5 主成分因子得分系数

2.6 隶属函数分析

主成分分析中各特征向量表示各指标相对于综合指标贡献的大小，特征向量的大小是植物耐盐性评价指标选择的重要依据。第一主成分和第二主成分累积贡献率为84.349%，表明前2个主成分反映了3个玉米自交系耐盐能力的84.349%的信息。第一、二主成分中特征向量较大的有株高、MDA、POD、SOD、Chl(a+b)、Pn、根冠比、根长和生物量9个指标，然后对筛选出的9个指标进行隶属函数分析，求平均值并评价3个玉米自交系的耐盐性。根据隶属函数平均值的大小对3个玉米自交系的耐盐能力进行排序(表6)，3个玉米自交系玉米耐盐能力由强到弱的顺序为：M-2导入系、Hr30导入系、Mo17导入系。

表6 盐胁迫条件下玉米隶属函数值

3 结论与讨论

植物形态的变化是反映盐害最直观的指标[18]，合适的筛选压是植物抗逆筛选的基础。本试验中除根冠比的变化率(相对变化率=胁迫后的测定值/对照)在4个盐胁迫下3个自交系间差异均不显著外，在250 mmol·L-1盐胁迫下，株高、生物量和根长的变化率在3个玉米自交系间的差异显著性最高，所以本试验设计的盐胁迫梯度中，250 mmol·L-1可以作为玉米苗期耐盐性筛选的最适浓度。由于土壤中过度盐分的存在，导致土壤的渗透势过高，会损伤叶片中具有蒸腾作用的细胞，降低植物对水分吸收的能力，抑制了植物的正常生长发育[19]。本研究中，三个玉米自交系的株高和根冠比大体上随着盐浓度的增加而降低，相比较根系受盐胁迫影响较小，在低盐浓度下反而会促进根系的生长发育，说明玉米的地上部对盐胁迫敏感，比地下部更容易受到盐胁迫的伤害。有研究表明，盐胁迫通常会破坏植物细胞膜透性和完整性，引起脂膜过氧化和膜透性增大[20-21]。本研究中3个玉米自交系的MDA和相对电导率均随着盐胁迫浓度的增加呈先升高后降低的趋势，M-2的变化幅度较小，说明M-2的膜质过氧化程度和细胞膜受损伤程度均小于其他两个自交系。此外，盐胁迫会使植物的叶绿体色素系统受损，导致叶绿素酶活性增强，迫使叶绿素不断降解，进而抑制植物的光合作用[22]。本试验的3个玉米自交系的叶绿素含量和净光合速率均随着盐浓度的增加而下降，这与郑世英[23]等研究结果一致。盐胁迫导致植物体内产生过量的活性氧，活性氧大量增加还会损坏蛋白质的分子结构，使蛋白质合成受阻[24]，本研究中三个玉米自交系的可溶性蛋白质大体上随着盐浓度的增加而逐渐降低。同时，植物会产生大量抗氧化酶来清除多余的活性氧，以此来形成植物体内活性氧的生成和清除之间的动态平衡，减少盐胁迫对植物造成的氧化损伤[25-26]。付艳[27]等研究表明，随着盐浓度的增加，玉米幼苗的POD和SOD活性均呈先升后降的趋势，本研究得到相似结果，这可能与活性氧的大量产生超出了抗氧化酶系统的清除能力有关。本试验中的3个自交系的两种酶活性达到最大值的盐处理浓度不同，因此不同品种对活性氧的清除能力也存在一定差异。

通常植物耐盐的机理相对复杂，采用多种生理指标主成分分析和隶属函数法相结合的方法可以充分挖掘各指标间更深层的关系，避免了单一生理指标评价的片面性。戴海芳[28]等通过主成分分析将盐胁迫下棉花幼苗叶片的11项生理指标转换成6个彼此独立的指标，通过隶属函数分析得到不同幼苗的耐盐性的综合评价值。刘春荣等[29]同样结合主成分分析和隶属函数法对玉米苗期的生长指标进行耐盐性评价。本试验运用主成分分析归纳出株高、Pn、MDA等9个关键筛选指标，因此盐胁迫下株高、生物量、根冠比和根长可以作为苗期玉米耐盐性鉴定及筛选的形态指标，4个盐胁迫下除根冠比的变化率(相对变化率=胁迫后的测定值/对照)在3个自交系间的差异显著性均不明显外，250 mmol·L-1的盐胁迫下株高、生物量和根长的变化率在3个玉米自交系间的差异显著性均高于其余三个浓度，所以本试验设计的盐浓度梯度中，250 mmol·L-1可以作为耐盐性评价的最适浓度。根据筛选的指标应用隶属函数法对3个玉米自交系进行综合评价，求出每个自交系9项生理指标的隶属平均值，平均值越大，耐盐性就越强。模糊数学隶属函数分析得出，3个玉米自交系玉米耐盐能力由强到弱的顺序为：M-2导入系、Hr30导入系、Mo17导入系。

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Physiological responses and tolerance of three maize inbred lines to salt stress

WANG Jing-ze, GAO Shu-ren, SUN Li-fang, WANG Xia, WANG Jing, HU Kai-feng, DENG Jie

(CollegeofAgronomy,HeilongjiangBayiAgriculturalUniversity,Daqing,Heilongjiang163319,China)

Using three maize inbred lines (including M-2 introgression line, Hr30 introgression line, and Mo17 introgression line) as test materials, an experiment was conducted to investigate the effects of different concentrations of NaCl(0 mmol·L-1, 100 mmol·L-1, 150 mmol·L-1, 200 mmol·L-1, and 250 mmol·L-1)on physiological parameters such as superoxide dismutase (SOD) activity, peroxidase (POD) activity and malondialdehyde (MDA) content in maize seedlings. Furthermore, the salt tolerance of these three inbred lines was comprehensively evaluated by the methods of principal components analysis and fuzzy subordinate function, so as to lay foundation of identifying salt tolerance and selecting salt-tolerant cultivars of maize. The results showed that, with the increase of salt concentration, the plant height, biomass, chlorophyll content, net photosynthetic rate (Pn) and soluble protein content in all three inbred lines tended to decrease, while the root length, relative conductivity, MDA content, SOD activity, POD activity and root/shoot ratio were increased at first and decreased subsequently. According to the results of principal components analysis, 9 parameters (including plant height,Pn, MDA content, SOD activity and so on) were closely related to salt tolerance. Through the analysis of fuzzy subordinate function, the salt-resistant capability of tested inbred lines was ranked as: M-2 introgression line>Hr30 introgression line>Mo17 introgression line.

maize; salt; subordinate function

1000-7601(2017)02-0089-07

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.02.15

2015-12-01基金项目：黑龙江八一农垦大学研究生创新项目(YJSCX2015-Y05)；农业部公益性项目(201303007)