不同基因型海岛棉根系形态参数对混合盐碱胁迫的响应

陈 振，张巨松，严青青，杨 培，张玮涛

(新疆农业大学农学院/教育部棉花工程研究中心，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2017年4月在新疆农业大学农学院棉花生理室进行。选取新海31号、新海35号、新海43号和新海48号作为供试材料，采用NaCl、Na2SO4(物质的量1∶1)和NaCl、NaHCO3(物质的量1∶1)对中性盐和碱性盐进行模拟，胁迫处理总盐浓度(Na+)设为0、120、180、240 mmol/L。根据严青青[15]的不同浓度盐碱胁迫对海岛棉根系影响的研究结果，设低浓度中性盐和碱性盐(180和120 mmol/L)，以及高浓度中性盐和碱性盐(240和180 mmol/L)。海岛棉品种由新疆农业科学院经济作物研究所提供。

1.2 方 法

1.2.1 样品处理

先将种子洗净，挑选饱满的种子用HgCl2(0.1%)浸泡消毒10 min，浸泡消毒后，用自来水冲净，再用蒸馏水冲洗5次，最后用蒸馏水浸种24 h；使用鼓风干燥箱在120℃下对砂子进行高温灭菌24 h。使用规格为13×19×12(cm)的发芽盒，每个发芽盒平铺600 g的砂子，每100 g砂子加对应浓度的盐水17 mL，对照加17 mL蒸馏水。选择浸种后露白一致的种子平整放入发芽盒中，每盒50粒种子，种子均匀播于湿砂上，加盖5 mm湿砂，每个处理播3盒，重复3次。盖上发芽盒盖子，防止水分蒸发。置于光照培养室内，白天温度(25±2)℃，光强400 μmol /(m2·s)，12 h；夜间温度(22±2)℃，12 h，相对湿度70%～75%。

1.2.2 样品测定

幼苗根系采用Scan Wizard EZ扫描仪进行扫描，根系形态参数用LA-S根系分析系统分析，依据根径大小分为细根(0～0.5 mm)、中根(0.5～2 mm)和粗根(>2 mm)。剪取棉株完整根系，置于105℃干燥箱中杀青20 min，80℃烘干至恒重，称其根干物质质量，3次重复，每10株幼苗期的平均值记为1次重复。

1. 3 数据处理

采用SPSS23.0和Origin9.1软件进行数据分析与作图，采用单因素、多因素和Duncan法进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 中性盐和碱性盐对不同耐盐品种海岛棉根系参数的影响

研究表明,中性盐和碱性盐胁迫对根系总表面积和总体积影响差异不大，对根系总长度影响有较大差异，其中碱性盐胁迫对根系总长度的抑制大于中性盐。中性盐浓度为180 mmol/L时，不同耐盐品种海岛棉根系长度与对照相比均无显著差异，新海31号、新海35号分别比对照高18%和5.97%；在碱性盐120和180 mmol/L处理下，新海35号、新海43号和新海48号的根系总长度较对照分别显著减低38.24%～46.32%、64.25%～75.58%和39.91%～71.47%，碱性盐对根系总长度的影响更严重。除了中性盐胁迫下根系总长度和碱性盐胁迫下根系总表面积外，海岛棉在盐、碱胁迫下根系参数均存在显著或极显著的品种×盐分交互作用。 表1,图1

注：不同小写字母表示同一品种不同处理间在0.05水平差异显著

Note: Different lowercase letters indicate significant differences among treatments of the same organ at 0.05 level.

图1 中性盐和碱性盐胁迫下海岛棉根系参数变化
Fig.1 Effects of neutral and alkaline salt stresses on root parameters of island cotton cultivars

表1 中性盐和碱性盐胁迫下海岛棉根系参数方差
Table 1 ANOVA results of island cotton cultivars under neutral and alkaline salt stresses

盐类型Salt genreF值F value根系总长度Root length(cm)根系总表面积Root surface area(cm2)根系总体积Root volume(cm3)中性盐N42.892∗∗227.156∗∗581.587∗∗Neutral saltC642.532∗∗539.929∗∗859.443∗∗N×C2.391 ns127.102∗∗216.069∗∗碱性盐A323.754∗∗156.729∗∗185.202∗∗Alkaline saltC158.618∗∗1 086.581∗∗713.026∗∗A×C73.441∗∗1.353 ns5.797∗

注：**表示差异极显著，*表示差异显著，ns表示差异不显著，下同

Note：**P<0.01,*P<0.05,nsP>0.05, the same as below

2.2 中性盐和碱性盐对不同耐盐品种海岛棉根长的影响

研究表明,中性盐和碱性盐对细根根长的影响差异较大，而对中根和粗根根长影响差异较小。中性盐浓度为180和240 mmol/L时，不同耐盐品种海岛棉细根根长与对照无显著性差异。盐浓度为180 mmol/L时，新海31号、新海35号和新海48号较对照分别增加23.92%、73.75%和17.29%；盐浓度为240 mmol/L浓度时，新海31号、新海43号和新海48号较对照分别增加40.7%、3.81%和2.71%，中性盐在低盐情况下促进了细根根长的生长。碱性盐浓度为120 mmol/L时，不同耐盐品种海岛棉细根根长较对照无显著抑制作用；当盐浓度为240 mmol/L时，新海31号、新海43号和新海48号细根根长较对照分别显著下降46.45%、81.54%和77.58%。碱性盐与中性盐相比，对细根根长的生长抑制更强。图2

2.3 中性盐和碱性盐对不同耐盐品种海岛棉根表面积的影响

研究表明,中性盐浓度为180和240 mmol/L时，不同耐盐品种海岛棉细根根表面积较对照均无显著性差异。其中盐浓度为180 mmol/L时，新海31号、新海35号和新海43号细根根表面积较对照分别增加53.03%、184.78和35.53%；240 mmol/L处理下新海31号和新海43号较对照分别增加28.28%和106.58%。碱性盐浓度为120和180 mmol/L时，新海31号、新海35号、新海43号和新海48号细根根表面积较对照分别降低0～58.59%、21.74%～50%、47.37%～75%和46.57%～91.71%，其中在180 mmol/L均达到显著性差异。图3

图2 中性盐和碱性盐胁迫下不同直径范围内海岛棉根长变化
Fig.2 Effects of neutral and alkaline salt stresses on root length of island cotton cultivars with different root diameter ranges

图3 中性盐和碱性盐胁迫下不同直径范围内海岛棉根表面积变化
Fig.3 Effects of neutral and alkaline salt stresses on root surface area of island cotton cultivars with different root diameter ranges

2.4 中性盐和碱性盐对不同耐盐品种海岛棉根体积的影响

研究表明,中性盐和碱性盐胁迫下对细根体积影响差异较大。中性盐浓度为180 mmol/L时，新海31号、新海35号和新海43号细根体积较对照分别增加111.77%、227.16%和331.43%；浓度为240 mmol/L时，新海31号和新海43号细根体积比对照也分别增加63.03%和194.29%。在碱性盐胁迫下，新海31号、新海35号、新海43号和新海48号细根体积较对照分别减少33.61%～78.15%、58.02%～76.54%、17.14%～65.71%和72.91%～100%。除了中性盐胁迫下0～0.5 mm根长、碱性盐胁迫下0～0.5 mm根表面积和碱性盐胁迫下2～3 mm根体积外，海岛棉在盐、碱胁迫下根系参数均存在显著或极显著的品种×盐分交互作用。不同耐盐碱品种海岛棉在低浓度盐、碱胁迫下没有表现出基因型差异；而当处于高浓度盐碱胁迫下，耐盐碱品种海岛棉才表现出明显抗性。表2

图4 中性盐和碱性盐胁迫下不同直径范围内海岛棉根体积变化
Fig.4 Effects of neutral and alkaline salt stresses on root volume area of island cotton cultivars with different root diameter ranges

表2 不同直径范围海岛棉根长、根表面积及根体积方差
Table 2 ANOVA of root surface area and root volume of island cotton cultivars with different root diameter ranges

参数Parameter盐类型Salt genreF值F value根径 Root diameter0～0.5 mm0.5～2 mm2～3 mm根长度中性盐N16.352∗∗417.649∗∗145.518∗∗Root lengthNeutral saltC910.931∗∗966.810∗∗841.828∗∗ N×C2.070 ns233.819∗∗236.062∗∗ 碱性盐A178.336∗∗86.406∗∗114.661∗∗ Alkaline saltC333.401∗∗328.283∗∗587.657∗∗ A×C42.903∗∗6.159∗103.382∗∗根表面积中性盐N6.481∗140.044∗∗9.264∗Root surfaceNeutral saltC292.895∗∗329.431∗∗434.459∗∗ area N×C16.926∗∗63.381∗∗63.449∗∗ 碱性盐A53.934∗∗61.698∗∗2.114ns Alkaline saltC161.490∗∗441.770∗∗287.726∗∗ A×C3.459 ns5.223∗71.594∗∗根体积中性盐N39.162∗∗585.858∗∗132.317∗∗Root volumeNeutral saltC201.945∗∗937.624∗∗196.798∗∗ N×C7.503∗188.325∗∗154.624∗∗ 碱性盐A259.217∗∗106.834∗∗107.428∗∗ Alkaline saltC137.056∗∗616.397∗∗330.673∗∗ A×C8.683∗53.749∗∗3.109 ns

2.5 盐碱和基因型差异对海岛棉根系形态变异的影响

研究表明,在中性盐和碱性盐胁迫下，对各级根长、根表面积与根体积等12个根系参数分别进行主成分分析，均提取前两个主成分，其主成分累积贡献率分别为88.6%和84.3%，对各根系指标的变异具有较高的解释。其中主成分1可将不同耐盐性海岛棉区分开来，主成分2能将盐分处理分开。在中性盐胁迫下，主成分1中根系表面积、根长、粗根根长、中根根表面积、根体积、中根根体积、粗根根表面积和中根根长的权重系数较高(>0.3)，中根和粗根受基因型影响较大；主成分2中细根根长、细根表面积和细根体积的载荷值较高，中性盐胁迫下，盐分对细根根长、细根表面积和细根体积有显著影响。

在碱性盐胁迫下，主成分1中中根系表面积、中根根表面积、中根根体积、根体积、粗根根长和中根根长的权重系数较高(>0.3)，中根受基因型影响较大；主成分2中细根根体积、细根表面积和细根根长的载荷值较高，碱性盐胁迫下，盐分对细根根体积、细根表面积和细根根长有显著影响。在碱胁迫下，不同盐分处理的值离散程度以及细根参数的荷载值均大于中性盐胁迫，碱性盐对细根的影响大与中性盐；中性盐对中根和粗根的抑制更显著。图5

注：RL：根系总长度； RA：根系总表面积；RV：根系总体积；FRL：细根根长；MRL：中根根长；CRL：粗根根长；FRA：细根表面积；MRA：中根表面积；CRA：粗根表面积；FRV：粗根体积；MRV：中根体积；CRV：粗根体积

Note：RL:Root length;RA:Root area;RV:Root volume; FRL:Fine root ; MRL:Middle root ;CRL: Coarse root ;FRA: Fine root area; MRA: Middle root area; CRA: Coarse root area; FRV: Fine root volume;MRV: Middle root volume ;CRV: Coarse root volume

图5 盐碱和基因型差异对海岛棉根系参数影响的主成分
Fig.5 Principal component analysis of island cotton root morphological parameters affected by different saline-alkali and genotypes

3 讨 论

根系是作物吸收水分和营养的主要器官，同时还制约着地上部的生长发育[18]。根系的生长发育与形态变化在很大程度上受控于土壤环境条件，土壤盐碱胁迫、水分亏缺及涝渍等土壤逆境均会使根系做出相应反应，并通过改变生理代谢的途径与方向影响碳同化产物在不同器官中的积累与分配[19-21]。海岛棉根系分布格局与受遗传和环境因子存在密切关系[22]。

作物往往通过改变根系形态和分布来适应逆境环境[23]。盐胁迫能降低棉花的根长、根平均直径、根体积和根表面积，在80～240 mmol NaCl/L之间达到显著水平[24]。张晓磊等[25]研究发现，盐碱胁迫对紫花苜蓿根长和根表面积影响较大，当混合盐浓度小于50 mmol/L时，其根长与表面积较对照有所增加。而当混合盐浓度大于100 mmol/L时，苜蓿根长和表面积与对照相比显著降低。研究发现，低盐浓度使各品种的细根根长、表面积及体积均有不同程度的增加，而对中根及粗根无显著抑制作用。这是由于海岛棉在低盐浓度下将更多的养分分配至细根，减缓了根系生长的抑制程度，增强了根系觅养能力，提高根系在逆境中的适应性，这在其他作物中也有所体现[26-27]。

盐碱化土壤对作物的毒害作用主要包括盐胁迫和高pH胁迫，以及这两种胁迫交互产生的复合毒害，高pH土壤可直接危害作物根系对营养物质的吸收，并严重影响作物内部的离子平衡[28]。当作物生长在高pH的土壤中，细胞质pH升高，造成细胞壁损伤，进而阻碍细胞伸长，影响作物生长发育。高pH土壤会严重抑制根毛的发生，影响作物对水分和养分的吸收利用[29]。而根际土壤pH还在不同程度上改变作物根际环境，比如根际土壤中养分的生物和化学有效性、根系细胞膜的透性以及根际酶的活性等[30]。石德成[31]和武德等[32]研究发现，盐度和高pH具有协同效应，混合盐碱胁迫对植物的危害远远大于单纯的高盐或高碱。研究表明，在中性盐和碱性盐胁迫下，海岛棉的根长、根表面积和根体积均受到显著抑制，但碱性盐胁迫对根系总长度的影响较大。进一步分析发现，中根和粗根的根长、根表面积和根体积在低浓度中性盐和碱性盐胁迫下差异不明显，而细根参数存在明显差异，碱性盐胁迫主要降低了细根伸长，导致根系总长度的降低。细根是海岛棉耐盐碱性的一个重要指标。霍平慧[33]研究认为，碱性盐胁迫下，紫花苜蓿根际有盐分积聚现象，使根际周围渗透势升高，从而影响了作物根系的构建。研究中，新海31号在高浓度的碱性盐胁迫下，根部出现变黑腐烂现象，这可能是由于根部盐分过量聚集以及碱性盐高pH作用造成根系供氧能力下降以及周围营养状况严被重破坏，并合成过量有机酸，导致作物细胞离子平衡和正常生理代谢被破坏[34-35]。

作物通过根系实现与土壤间的物质能量交换，根系的空间分布变化反应出其对环境的适应性以及基因型的差异[9]。罗佳等[36]认为，低磷胁迫下，磷高效基因型棉花可大幅度增加根长、根毛和侧根数量，促使比根长增加，从而提高根系构建效率。弋良明等[37]研究发现，不同荒漠盐生植物在盐胁迫下根系形态存在显著差异，耐盐的襄果碱蓬各根系指标下降幅度较小。Zhang等[24]认为，棉花的根长、根表面积、根体积和根径存在显著的盐分水平差异，而根长和根表面积存在着显著基因型差异。研究结果表明，中性盐浓度为240 mmol/L时，耐盐碱品种新海35号和新海43号的根系总长度、总表面积和总体积均显著低于对照，而盐碱敏感性品种新海31号和新海48号根系总长度、总表面积和总体积与对照无显著差异；碱性盐浓度为180 mmol/L时，4个品种的根系参数均显著降低，不同耐盐碱品种海岛棉在低浓度盐碱胁迫下没有表现出基因型差异；而当处于高浓度盐碱胁迫下，耐盐碱品种海岛棉才会表现出明显抗性。这可能与作物根系在长期的进化中形成的一套应对不利环境的防御机制有关，通过对不断变化的环境的适应来提高根系感知和响应胁迫的能力[38]。盐胁迫在很大程度上改变着根系形态的建立，抑制作物生长，甚至导致作物死亡[39-40]。植物受到非生物胁迫时，被称为植物“应激激素”的脱落酸能在植物体内迅速做出反应，其与根系的向水性和向地性密切相关[41]。不同耐盐性海岛棉脱落酸含量在低浓度盐碱处理下是否也存在差异还需进一步研究。

4 结 论

低浓度中性盐和碱性盐使不同耐盐品种海岛棉细根根长、表面积及体积有不同程度的增加，而对中根及粗根无显著抑制作用。中性盐和碱性盐胁迫均显著降低海岛棉根系总长度、总表面积和总体积，其中碱性盐对根系总长度的影响较大，碱性盐主要通过抑制细根的伸长来降低根系总长度。品种间，不同耐盐碱品种海岛棉在低浓度盐碱胁迫下没有表现出基因型差异，而当处于高浓度盐碱胁迫下，耐盐碱品种海岛棉才表现出明显抗性。