外源喷施油菜素内酯对碱胁迫下甜菜生长的影响

刘 丹，郭广昊，刘 磊，邹春雷，武沛然，杨芳芳，王玉波，李彩凤

(东北农业大学 农学院，哈尔滨 150030)

土壤盐碱化一直以来是农业生产上所面临的重要问题之一，同时盐碱土也作为一种重要的后备土壤资源[1]。世界有三大盐碱土聚集区，在中国黑龙江地区松嫩平原分布着全国面积最大的苏打盐碱地就是其中之一，其面积正以每年2万hm2的速度扩增[2]。

甜菜是世界两大糖料作物之一，也是北方地区重要的经济作物，而且甜菜具有很强的耐盐碱能力，对北方尤其对中国黑龙江松嫩平原大面积盐碱土的修复、开发及利用具有明显的作用，深入挖掘耐盐碱潜力是目前甜菜研究的热点问题，但是目前在栽培措施上，缺乏进一步提高甜菜耐盐碱能力的技术，限制了甜菜在盐碱地上的种植，同时也限制了盐碱地的开发和利用。

油菜素内酯(Brassinosteroid，BR)又名芸苔素内酯，广泛存在于植物的花粉、种子、茎和叶等器官中，是国际上公认的一类高效、广谱、无毒植物甾醇类生长激素[3]。BR能够促进植物细胞分裂和增殖，同时BR可以提高细胞抵抗逆境的能力[4]。现有报道大多是将BR主要用于蔬菜作物抵抗逆境条件的研究，有关BR增强甜菜等农作物在逆境条件下的适应能力，改善其品质和提高其产量的报道很少。为此，本试验重点研究在碱胁迫下苗期喷施不同质量浓度的外源BR对甜菜干物质量、光合特性、内源激素及块根产量和含糖率的影响，以期为作物生产上施用外源激素增强其抗性，提高产量和品质提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试甜菜(BetavulgarisL.)品种为‘KWS0143’。

1.2 试验设计

试验于东北农业大学试验站内进行。供试土壤为黑土，基础肥力为速效氮155.26 mg·kg-1，速效磷38.3 mg·kg-1，速效钾241 mg·kg-1，有机质44.84 g·kg-1。

化学肥料：按N 120 kg·hm-2，P2O590 kg·hm-2，K2O 60 kg·hm-2施入肥料，磷钾肥和70%的氮肥作基肥一次性施入，30%氮作追肥。

碱性盐为碳酸钠和碳酸氢钠(均无结晶水，分析纯99.8%)摩尔比1∶2。碱性盐占风干土(3%含水量)质量的1.05%，将基肥和碱性盐与土壤搅拌均匀后装桶，桶直径30 cm。试验共6个处理，分别为正常土壤(CK)、碱土(Alk)、BR 处理质量浓度分别为0.05 mg·L-1、0.1 mg·L-1、0.15 mg·L-1、0.2 mg·L-1(B5、B10、B15、B20)，每个处理12桶，共72桶。

除CK和Alk处理，其余处理待甜菜第2对真叶完全展开，连续2 d喷施不同质量浓度的BR。

喷施7 d和14 d后进行取样，之后每隔25 d左右在晴天上午进行取样，共4次，同时利用光合仪测定光合指标，10月1日收获并测定产量和含糖率。每次取样时，将各处理的植株装入冰盒中带回实验室，迅速经液氮处理，并保存于-80 ℃超低温冰箱中用于激素的测定，同时测定植株干物质量。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 植株干物质量 待植株完整取回后，用蒸馏水冲洗干净，用滤纸吸干表面水，然后将地上部和地下部用刀快速切开，将其分装后一并放入烘箱中105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒量，分别称其地上部和地下部的干物质量，每个处理重复3次。

1.3.2 光合指标 利用CI-340手持式光合作用测定系统(CID，USA)，在8:00-10:00釆用CI-340红蓝光光源测定各处理叶片(相同朝向且最新完全展开的绿叶)净光合速率(Pn)和气孔导度(Gs)，各处理重复3次，每重复读取3组数值并记录其平均值，控制光合有效辐射(PAR)为1 500 μmol·m-2·s-1，相对湿度为83%～85%，叶室温度为28～30 ℃，叶室CO2浓度为390 μmol·m-2·s-1。

1.3.3 内源激素 采用上海酶联生物科技有限公司提供的酶联免疫分析(ELISA)试剂盒进行测定。

样本处理：将新鲜的甜菜叶片均匀剪碎，称取0.5 g，经液氮迅速冷冻并保存于-80 ℃超低温冰箱，备用。样本取出后经液氮处理后研磨充分，加入一定量的PBS(pH 7.4)。利用离心机(型号MIKRO 220R)离心20 min左右(2 000～3 000 r·min-1)。收集上清液。分装后一份待检测，其余放于4 ℃冰箱，备用。用酶标仪在450 nm波长下测定吸光度(OD值)，通过标准曲线计算样品中植物内源激素(BR、CTK、ABA、GA3)的含量。

1.3.4 含糖率 用便携式折光仪测定含糖率。

1.4 数据分析

用Excel 2010软件进行数据处理和制图， 所有表中数据均以“平均数±标准差”表示，采用SPSS 22.0进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 BR对碱胁迫下甜菜干物质积累的影响

2.1.1 对地上部分干物质量的影响 由表1可以看出，叶面喷施BR后7 d(07-14)和14 d(07-21)，B15较碱处理地上部分干物质量均增加0.58 g；B20较碱处理增加0.49 g、0.57 g。地上部分干物质量随BR质量浓度的增大呈现先上升后下降的趋势，即B15>B20>B10>B5。取样期间，B15显著高于其他处理，9月3日取样中，B15与CK的甜菜地上部分干物质量差异不显著，B15较Alk干物质量增加1.28 g，且B15较Alk干物质量在各个取样期均达到差异显著水平。

注:同列数据后不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同。

Note:Values within same columns with different letters are significantly different between treatments(P<0.05),the same below.

2.1.2 对地下干物质积累量的影响 碱处理在各个取样期的根干物质积累量明显小于CK，由表2可以看出，在叶面喷施BR之后的7 d和14 d，B5、B10、B15、B20分别较碱处理根干物质量增加0.04 g和0.07 g、0.15 g和0.1 g、0.02 g和0.06 g、0.21 g和0.19 g。甜菜根干物质量在各个取样期整体呈现上升趋势，同时伴随生育期的推进，根干物质积累量呈现上升趋势。9月3日，B15高于碱处理1.49 g，差异显著。

2.1.3 对甜菜根冠比的影响 如图1所示，处理7 d和14 d后，B10、B15、B20的根冠比分别为碱处理的1.11倍和1.22倍、1.06倍和1.09倍、1.18倍和1.23倍；B5、B10、B15、B20的根冠比分别为CK的72.0%、80.0%、88.0%、76.0%和80.0%、86.7%、93.3%、90.0%。8月14日，B5、B10、B15、B20的根冠比分别比碱处理高12.9%、20.3%、29.6%和27.7%，其中B15和B20较碱处理差异显著。9月3日，B5、B10、B15、B20与碱处理相比，根冠比上升3.15%、7.4%、12.7%和7.4%；与CK相比根冠比降低16.3%、12.9%、8.6%和12.9%。B5、B10、B20与CK相比达差异显著水平，B15与CK相比差异不显著。

表2 不同质量浓度BR对甜菜块根干物质量的影响Table 2 Effects of different mass concentrations BR on sugarbeet root dry matter mass

图1 不同质量浓度BR对甜菜根冠比的影响Fig.1 Effects of different mass concentrations of BR on root and shoot ratio of sugar beet

2.2 BR对碱胁迫下甜菜叶片Pn和Gs的影响

由表3可见，随着生育进程的推进，不同处理叶片Pn不断增加，由于受到水分、外源激素、光照强度等条件的影响，Gs呈现先升高再下降的趋势。碱处理在各取样期与CK相比Pn分别下降55%、59%、45%和46%。喷施不同质量浓度的BR能够增强甜菜叶片的Pn，8月14日，B5、B10、B15、B20与碱处理相比，Pn分别增加8.2%、1.6%、13.8%和16.1%。

碱处理在各取样期相比CK的Gs分别下降约48%、54%、36%和35%，BR处理较碱处理Gs均有提升，其中B10在各个取样期较碱处理分别上升39%、34%、30%和22%，B15在各个取样期较碱处理分别上升119%、50%、44%和28%，B20在各个取样期较碱处理上升77%、65%、35%和2%。碱处理下，叶面喷施不同质量浓度的BR可以明显增强甜菜本身的Pn和Gs，而且在处理之后对甜菜有一个长时间的影响。

表3 不同质量浓度BR对碱胁迫下光合速率(Pn)和气孔导度的影响(Gs)Table 3 Effects of different mass concentrations of BR on photosynthetic rate(Pn) and stomatal conductance(Gs) under alkali stress

2.3 BR对碱胁迫下甜菜内源激素质量浓度的影响

2.3.1 对ABA质量浓度的影响 如图2 所示，处理中ABA质量浓度均小于碱处理，在喷施之后的第7天和第14天，B5、B10、B15、B20的ABA质量浓度与碱处理相比分别下降6.7%、10.1%、9.8%、7.1%和5.3%、6.8%、16.7%、9.5%，且各处理与碱处理之间均差异显著。8月14日，B5、B10、B15、B20的ABA质量浓度与碱处理相比，分别下降1.2%、14.6%、18.3%、4.6%；分别为CK中ABA的1.24倍、1.07倍、1.03倍、1.20倍。B15与CK差异不显著。这表明喷施BR可以显著降低甜菜内源ABA的质量浓度，而且对于甜菜的影响有一定持续效应。

2.3.2 对内源BR质量浓度的影响 如下图3所示，随着生育期的促进，B5处理，内源BR质量浓度上升显著高于CK和碱处理。外源BR会影响内源BR质量浓度，对于内源BR质量浓度的影响呈现出先降低再上升的趋势。喷施BR之后的第7天，内源BR质量浓度均有显著降低，随着施用量的增加，质量浓度降低的越明显，B5、B10、B15、B20叶片中内源BR较CK和碱处理分别下降13.8%、17.9%、17.8%、21.8%和7.0%、11.5%、11.4%、15.7%。其中B10、B15、B20与CK和碱处理达差异显著水平。

图2 不同质量浓度BR对碱胁迫下甜菜ABA质量浓度的影响Fig.2 Effects of different mass concentrations of BR on ABA mass concentration in sugar beet under alkaline stress

图3 不同质量浓度BR对碱胁迫下内源BR质量浓度的影响Fig.3 Effects of different mass concentrations of BR on endogenous BR mass concentration under alkali stress

2.3.3 对CTK质量浓度的影响 如下图4所示，甜菜叶片CTK质量浓度与内源BR质量浓度变化趋势基本一致，经BR处理之后的各处理叶片内CTK质量浓度均呈上升趋势。处理后7 d，B5、B10、B15、B20与碱处理相比，CTK质量浓度升高0.5%、0.7%、2.3%、-9.5%，各处理分别为CK的81%、81%、83%、73%。7月21日和8月14日，B5、B10、B15、B20分别比碱处理高12.7%、17.6%、3.1%、6.5%和23.2%、29.5%、33.9%、20.3%，CTK分别较CK高13.6%、18.5%、3.8%、7.3%和13.3%、19.2%、23.2%、10.6%。B5、B10、B15与CK和碱处理均达差异显著水平。在8月14日取样中，B15显著高于其他各处理。

图4 不同质量浓度BR对碱胁迫下CTK质量浓度的影响Fig.4 Effects of different mass concentrations of BR on CTK mass concentration under alkali stress

2.3.4 对GA3质量浓度的影响 如下图5所示，BR处理之后，GA3质量浓度均有所提升，叶喷BR之后的7 d和14 d，甜菜叶片的GA3质量浓度随BR质量浓度升高而呈下降趋势，即B5>B10>B15>B20>CK>Alk。其中7月14日取样，B5、B10、B15、B20分别高于碱处理20.9%、19.7%、17.8%和11.4%；在7月21日分别高于碱处理49.1%、46.9%、44.3%和34.9%；在8月14日分别高于碱处理19.0%、13.9%、29.7%和17.8%，各处理与碱处理均达差异显著水平。在8月14日的取样中B15中GA3质量浓度高于B5、B10、B20的9.0%、13.8%、10.0%，均呈差异显著水平。这表明在甜菜苗期喷施低质量浓度的外源BR有助于提高甜菜叶片GA3的质量浓度。

2.3.5 对ABA与其他激素比值的影响 如图6所示，从整体来看，碱处理ABA与各激素的比例明显高于其他处理，且不同激素的比例间随生育期的推移变化趋势不同；CK变化趋势基本一致，随生育期的推进，ABA与其他激素比例的变化均呈先升高后降低的趋势；BR处理后，各处理的ABA与其他激素的比例均低于碱处理Alk，且随BR质量浓度的增加基本呈现出先降低后升高的趋势，在B15处理达到最低。其中，ABA/GA3除B5处理，其余各BR处理的变化趋势随生育期的推移均与ABA/BR的变化趋势一致；ABA/CTK除B10处理，其余各BR处理的变化趋势随生育期的推移均与ABA/BR的变化趋势一致，这表明甜菜生长过程中，体内的CTK、GA3与BR呈显著的正相关关系，在一定质量浓度范围内，随BR质量浓度的升高，ABA与其他3种激素的比例显著下降。

图5 不同质量浓度BR对碱胁迫下甜菜GA3质量浓度的影响Fig.5 Effects of different mass concentrations of BR on mass concentration of GA3 in sugar beet under alkali stress

图6 不同处理条件下ABA与其他激素比值的变化Fig.6 Changes of ABA and other hormone ratios under different treatment conditions

2.4 BR对碱胁迫下块根产量和含糖率的影响

如表4所示，随着BR质量浓度的不断加大，甜菜块根产量呈现先上升再下降的趋势。碱处理、B5、B10、B15、B20与CK相比，产量分别下降57.9%、56.1%、44.4%、33.7%和39.3%。B5、B10、B15、B20与碱处理相比产量分别上升4.2%、31.9%、57.3%和44.2%，B15与其他各处理间均达差异显著水平。而喷施BR并没有明显提高甜菜含糖率，各处理间差异均不显著。B5、B10、B15、B20与碱处理相比分别增加产糖量4.3 g、18.7 g、28 g和20.8 g，B10、B15、B20显著高于碱处理和B5。说明喷施适宜质量浓度的BR会提高甜菜块根产量。

3 讨 论

植株干物质积累量是植株形态的重要性状，能够直观地反映作物的生长状况。而地下部与地上部的干物质量的比能够反映出作物根系的发育情况，比例越大表明其根系发育越好，植株因此具有较强的吸收水分和矿物质的能力，根系的良好发育对于作物在逆境中生长具有积极的作用。

许多研究显示，一定质量浓度的BR可以显著提高植株的光合作用和抵抗逆境的能力。喷施0.1 mg·L-1BR可以有效缓解高温胁迫对“巨峰”葡萄叶绿素含量和叶片Pn的影响[5]。在甜菜的糖分积累初期喷施0.1 mg·L-1BR，甜菜根部可以继续膨大，根冠比达到最大，明显高于对照处理[6]。经过BR浸种处理之后的小麦种子，其地上部分高度、根数、根长、地上部分干物质量与根干物质量均得到增大，地上部分的膜透性显著降低，从而能够显著提高小麦抗盐性[7]。但是高质量浓度的BR会抑制植株根系的生长，研究表明在马铃薯离体培养过程中，低质量浓度的BR(0.01 μg·L-1和0.1 μg·L-1)会促进根系生长，而质量浓度高于1 μg·L-1则会抑制根系的生长[8]。本试验研究表明，在碱胁迫下喷施BR可在碱胁迫下显著增加甜菜地上部和地下部的干物质量。当BR质量浓度达到0.15 mg·L-1时，甜菜地下部的干物质量最大；当质量浓度达到0.2 mg·L-1时地下部的干物质量小于0.15 mg·L-1，这也验证了前人的试验，低质量浓度会促进根系的生长而高质量浓度抑制根系发育，根据作物类型不同则会出现不同质量浓度的峰值。

表4 碱胁迫下不同质量浓度BR对于甜菜块根产量和含糖率的影响Table 4 Effects of different mass concentrations of BR on root yield and sugar content of sugar beet under alkali stress

外源BR能够提高叶片光合能力，进而提升植物对胁迫的抵抗能力。谢云灿等[9]研究外源BR缓解大豆高温胁迫显示，外源BR显著提高了高温胁迫大豆叶片净Pn和干物质积累量；也有研究显示，外源BR能够使刺槐幼苗在盐胁迫下维持一定的光合作用 ，并能维护叶绿体结构的完整性[10]。本试验研究结果也表明，喷施BR后可提高甜菜叶片的光合能力和干物质量。但杨艳君等[11]研究发现，随着外源BR质量浓度的升高，谷子叶片的净Pn呈先上升后下降的趋势，这与本试验研究结果不一致；而干物质积累量则均呈现先上升后下降的趋势，这可能是甜菜的叶片宽大，高质量浓度的BR同时伴随着高强度的呼吸作用，消耗了有机物，因而干物质量并没有继续增加。

前人研究发现，经过1 μmol·L-1BR处理水稻根系在12 h和24 h后， CTK和GA3的质量浓度显著上升，而IAA和ABA质量浓度与对照相比没有明显变化[12]，但不同的是，当油菜在受到高温胁迫时，其内源ABA和BR质量浓度都得到显著提高，施加外源BR可以显著提高短期内高温胁迫下油菜叶片的内源ABA质量浓度[13]，这与本试验中在碱胁迫下，外源BR对ABA质量浓度的影响所致的变化相反。还有研究发现，弱光胁迫可以降低番茄植株叶片中IAA、GA3和BR的质量浓度，提高ABA质量浓度；而在施用BR之后，IAA、GA3和BR的质量浓度升高，ABA质量浓度降低，促进叶片生长发育，缓解弱光胁迫对果实产量及品质的不利影响[14]，这与本试验结果基本一致。出现2种不同情况的原因可能是不同植物所需的BR量的差异所致。在甜菜生长过程中前期外源喷施BR可以在短期内抑制内源BR的合成，随着生育期的推进，在生长后期则提高甜菜内源BR的质量浓度，同时降低叶片内源ABA的质量浓度，提高叶片CTK和GA3质量浓度，从而提高甜菜的生长适应能力，缓解碱胁迫，增强甜菜的抗逆性，提高产糖量。

本试验仅在甜菜苗期对其进行喷叶处理，对于在其不同生育期分别喷施BR对碱胁迫产生的影响还有待进一步研究。

4 结 论

苗期叶面喷施BR可以增加碱胁迫下甜菜地上部和根干物质量，短期内会显著降低甜菜内源BR质量浓度，但在生长后期则增加其质量浓度，同时降低叶片内源ABA，提高CTK和GA3质量浓度，提高碱处理的块根产量和产糖量，其中叶面喷施0.15 mg·L-1效果最佳。试验结果表明，苗期喷施适宜质量浓度的BR可以缓解碱土对甜菜生长的胁迫，增加干物质积累，增强甜菜的光合作用及降低叶片ABA与其他激素的比值，提高甜菜的抗碱能力。