外源亚精胺对盐胁迫下甜菜生长及养分吸收的影响

2020-04-09朱兰耿贵於丽华

中国糖料 2020年2期

朱兰，耿贵，於丽华

（黑龙江省普通高等学校甜菜遗传育种重点实验室/黑龙江大学，哈尔滨 150080）

0 引言

世界盐碱地面积逐渐扩大，约5%的土地（77 Mhm2）受过量盐分的影响，导致生态系统的破坏，成为农业生产日益严重的问题，给农业可持续发展带来了巨大的威胁[1-3]；盐胁迫对作物的生长发育和产质量造成了极大的负面影响[2，4]。因此提高作物耐盐碱性的途径和方法成为研究的热点。提高植物耐盐性的途径主要有：选育抗盐碱植物品种、使用外源物质提高植物的耐盐碱性以及科学栽培管理[5-6]，其中施用外源化学物质调控是提高作物耐盐碱性的有效途径之一。常用的外源物质有：激素类物质[7]（如赤霉素、脱落酸等）、信号类物质[8]（水杨酸、乙烯等）、渗透调节物质[9]（甜菜碱、脯氨酸等）以及一些其他的化学物质[10]（CaCl2、Se等）。

多胺是植物自身存在的渗透调节物质，其与植物的抗逆性有关[11-12]。多胺主要包括腐胺、精胺及亚精胺，其中亚精胺与植物抗逆性的关系最为密切[13]。外源亚精胺能够增强盐胁迫下小麦抗氧化系统功能[14]，保护番茄的线粒体结构及提高其产量和品质[15]；热胁迫下，能够提高水稻灌浆前期的光合效率[16]，维持黄瓜、番茄叶绿体结构及抑制光合蛋白复合物的降解[17]，缓解高羊茅光系统II 和酶抗氧化物热损伤[18]。大量的研究表明喷施外源亚精胺后能够有效地减轻非生物胁迫造成的损伤，从而增强植物抵抗外界环境变化的能力，提高盐胁迫下作物的生产力，对培育耐盐性和抗逆性植物起到了关键性作用[19]。

甜菜是世界上被广泛种植的第二大制糖原料，甜菜属于盐生植物，其耐盐能力远远高于玉米、大豆等大田作物，但在盐度较高的条件下其生长也将受到抑制[20]。如何提高甜菜的耐盐能力也是目前甜菜生产中急需解决的问题，外源亚精胺能够提高作物抗逆性的理论在番茄、黄瓜等作物上得到了证实[13,15]，但外源亚精胺在甜菜耐盐方面的应用研究还比较少。为此，本试验采用室内营养液培养的方式，研究喷施外源亚精胺处理后在盐胁迫条件下，耐盐能力不同的两甜菜品系‘T510’和‘210’的生长及主要的矿质营养元素N、P、K 的含量变化，旨在探寻外源亚精胺对缓解盐胁迫方面的作用，以及查明其对耐盐能力不同的两甜菜品系的缓解作用是否存在差异，从而为甜菜的抗逆高效栽培提供理论和实践上的参考。

1 材料与方法

1.1 试验概况

供试材料：甜菜耐盐‘T510’和盐敏感‘210’品系；试验于2018年3月在黑龙江大学光照培养室进行。

1.2 试验方法

在此前对亚精胺进行浓度筛选试验，发现在280 mmol/L NaCl胁迫下，甜菜幼苗叶面喷施0.25 mmol/L亚精胺试验对盐胁迫的缓解效果较好，因此本试验的亚精胺浓度设定为0.25 mmol/L。试验设4个处理：（1）空白对照组（CK）：1/2Hoagland营养液+叶面喷施蒸馏水；（2）S：1/2Hoagland营养液+叶面喷施0.25 mmol/L亚精胺+0.01%表面活性剂；（3）Na：1/2Hoagland营养液+280 mmol/L NaCl+叶面喷施蒸馏水；（4）Na+S：1/2Hoagland营养液+280 mmol/L NaCl+叶面喷施0.25 mmol/L亚精胺+0.01%表面活性剂。5个重复。

将精选的甜菜种子消毒杀菌后，均匀播种在灭菌的蛭石中，放入25±1℃的恒温培养箱中，保持基质湿润，出苗后立即转入光照培养室中，子叶完全展开后开始移植到Hoagland营养液玻璃槽中，每槽8株，培养液昼夜连续通气供养，并按时补充水，每7 天更换一次。3 周后开始喷施亚精胺，连续喷两天，再进行不同盐度处理，每天加70 mmol/L，使加入到培养液中的盐浓度达到280 mmol/L 后，再生长2周，收获取样。培养室光照强度450±50µmol/(m2·s)，光照时温度为25℃，黑暗时温度为20℃，光照时间为14 h/d，相对湿度为70%。

1.3 指标测定方法及数据处理

叶面积采用Epson根系扫描仪进行甜菜叶片扫描，使用WinRHIZO 软件分析叶片面积；叶绿素含量采用李合生的方法[21]；叶片相对含水量：取完整的甜菜功能叶片，称鲜重W1，完全浸入蒸馏水中，24 h 后待叶片吸饱水称重W2，放入80℃烘干至恒重W3，计算公式如下：相对含水量（%）=（W1-W3）/（W2-W3）×100；丙二醛含量采用硫代巴比妥酸比色法[21]；干物重：将甜菜幼苗各营养器官，105℃杀青半小时后，80℃烘干至恒重，天平称重；N、P、K 全量的测定：样品采用H2SO4-H2O2消煮后，全氮采用半量凯氏定氮法，全磷元素采用钼锑抗比色法，全钾采用原子吸收法。试验数据采用Excel 2007和SPSS 21.0软件进行整理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 喷施外源亚精胺对盐胁迫条件下甜菜叶片相对含水量及丙二醛含量的影响

植物从环境中吸收的水分减少将引起叶片含水量降低，相对含水量能够反映出叶片水分的亏缺情况，相对含水量越高，水分亏缺的越少。从表1 中可以看出，与CK 比，S 处理（在正常条件下，喷施0.25 mmol/L 亚精胺）对甜菜叶片的相对含水量没有影响；Na 处理（280 mmol/L NaCl 胁迫下），两品系幼苗叶片的相对含水量明显降低；Na+S处理（喷施亚精胺后，在280 mmol/L NaCl胁迫下）与Na处理比，甜菜叶片相对含水量都显著升高，从两品系对比来看，‘T510’品系叶片相对含水量的增加量明显高于‘210’品系。

叶片中丙二醛（MDA）含量在一定程度上反映了膜的受损程度。从表1 中可以看出，NaCl 胁迫下，两品系幼苗叶片中MDA 含量明显升高，Na+S 处理与Na 处理相比，两品系MDA 都有不同程度的降低；耐盐品系‘T510’在胁迫后的MDA 明显低于敏感品系‘210’，‘T510’品系MDA 降低的较为明显，且两品系差异显著。由此可见，喷施亚精胺后耐盐品系‘T510’细胞膜的过氧化程度得到了改善，其受损程度有所降低。

表1 喷施外源亚精胺对盐胁迫条件下甜菜幼苗水势及相对含水量的影响Table 1 Water potential and relative water content of sugar beet seedlings sprayed with spermidine under salt stress

2.2 喷施外源亚精胺对盐胁迫条件下甜菜叶片面积及叶绿素含量的影响

叶片面积的大小直接关系到光合作用的效率，从而影响到作物的产量。从图1A 可看出，在正常环境中喷施亚精胺（S处理），对两品系幼苗叶片面积没有明显影响；但喷施亚精胺在盐胁迫下（Na+S处理），与Na处理比，都有不同程度的升高，其中耐盐‘T510’品系的升高幅度较为明显，约为‘210’品系升高的两倍，而‘210’品系虽有升高，但差异不显著。

叶绿素在光合过程中起着非常重要的作用，光合作用受叶片面积制约的同时，叶绿素含量情况也影响光合产物。从图1B中可以看出，虽然NaCl 胁迫后（Na 处理），两品系叶绿素含量明显降低；但喷施外源亚精胺后盐胁迫下（Na+S处理），叶绿素的含量都有不同程度的提高，因此其破坏程度都得到了缓解，两品系在喷施前后的差异都比较显著，耐盐品系‘T510’叶绿素含量提高了13.7%，盐敏感品系‘210’提高了16.0%，虽然‘210’品系提高的幅度较大，但其含量仍然明显低于‘T510’品系。

图1 喷施外源亚精胺对盐胁迫条件下甜菜幼苗叶片面积（A）和叶绿素含量（B）影响Fig.1 The leaf area(A)and chlorophyll content(B)of sugar beet seedlings sprayed with spermidine under salt stress

2.3 喷施外源亚精胺对盐胁迫条件下甜菜地上部和地下部干物质积累的影响

从图2A 中可知，S 处理与CK 比差异不显著；Na处理与CK 比，‘210’与‘T510’两品系地上部干重明显降低，分别降低了28.6%、23.7%；Na+S 处理与S 处理比，‘210’、‘T510’地上部干重降低幅度分别为23.9%、13.8%。从以上的数据可看出，与Na 处理相比，喷施亚精胺后在盐胁迫下（Na+S 处理），‘210’、‘T510’地上部干重分别提高了4.7%、9.8%，‘T510’地上部干重提高了接近‘210’的2倍。

由图2B可见，Na处理与CK 比，‘210’与‘T510’两个品系地下部干重明显降低，分别降低36.6%、31.1%；Na+S 处理与S处理比较，‘210’、‘T510’品系地下部干重降低幅度分别为34.1%、23.8%。从以上数据中可看出，与Na 处理相比，喷施亚精胺后盐胁迫下（Na+S处理），‘210’、‘T510’地下部干重分别提高了2.5%、7.3%，‘T510’品系地下部干重提高了接近‘210’品系的3倍。

通过地上地下部比较发现，喷施亚精胺后在盐胁迫条件下，能更有效地提高甜菜地下部的干物质积累。

图2 喷施外源亚精胺对盐胁迫条件下甜菜幼苗茎叶干重（A）和根干重（B）的影响Fig.2 The dry weight of stem leaf(A)and root(B)of sugar beet seedlings sprayed with spermidine under salt stress

2.4 喷施外源亚精胺对盐胁迫条件下甜菜体内养分含量的影响

2.4.1 喷施外源亚精胺对盐胁迫条件下甜菜体内氮素含量的影响

从表2 可看出，与CK 组相比，Na处理后甜菜幼苗各营养器官的含氮量显著下降，约是对照含量的1/2；正常环境下喷施亚精胺后（S 处理），各器官的氮素含量都不同程度地有所提高，但提高效果未达到显著水平。喷施亚精胺在NaCl胁迫下（Na+S处理）与Na处理相比，显著提高了两品系幼苗的氮素含量，‘210’品系叶片、叶柄及根系分别提高了11.64%、8.33%、9.95%，‘T510’品系叶片、叶柄及根系分别提高了20.30%、14.97%、21.3%，由此可见‘T510’品系喷施亚精胺后氮素含量提高较为明显。

表2 喷施外源亚精胺对盐胁迫条件下甜菜幼苗氮素和磷素含量的影响Table 2 Nitrogen and phosphorus contents in sugar beet seedlings sprayed with exogenous spermidine under salt stress

2.4.2 喷施外源亚精胺对盐胁迫条件下甜菜体内磷素含量的影响

从表2 中可以看出，与CK 比，正常环境下，喷施亚精胺后（S处理），甜菜幼苗各部位磷素含量有所升高，但差异不显著；与CK相比，盐胁迫后（Na处理），两品系各部分磷素含量都显著上升；通过Na+S处理与Na处理比较可看出，喷施外源亚精胺后幼苗各部分磷素含量都有不同程度的降低，其中两品系根系中磷素含量降低较为显著。从两个品系间的比较来看，喷施亚精胺在盐胁迫下，‘210’品系仅有根系的磷素明显降低，叶片与叶柄虽然有所降低，但差异不显著，而‘T510’品系各部位磷素含量都明显降低。

2.4.3 喷施外源亚精胺对盐胁迫条件下甜菜体内钾素含量的影响

从表3 中可以看出，与CK 比，盐胁迫后（Na 处理），两品系钾素含量显著降低；两品系的S 处理与CK 相比，各器官钾素含量都有所升高，但差异不显著。与Na 处理相比，喷施亚精胺在盐胁迫下（Na+S处理），各器官的钾素含量明显增加，其中增加的幅度：叶柄>根系>叶片；从两个品系比较来看，‘210’品系体内钾素含量低于‘T510’品系，且钾素含量升高的幅度也明显低于‘T510’品系。

表3 喷施外源亚精胺对盐胁迫条件下甜菜幼苗钾素含量的影响Table 3 Potassium contents in sugar beet seedlings sprayed with exogenous spermidine under salt stress

3 讨论

3.1 外源亚精胺对盐胁迫条件下甜菜幼苗生长的影响

盐胁迫条件下，植物根系吸收水分受阻，造成组织缺水，叶片的含水量降低，直接影响植物的生长、气孔开闭状况、光合作用以及作物产量[22]，因此植物组织含水量是反映植物组织水分生理状况的重要指标。本试验研究发现，喷施外源亚精胺后，叶片的相对含水量明显提高，且耐盐品系的相对含水量明显高于盐敏感品系。逆境条件下，MDA 等过氧化产物增多，这些过氧化产物将对细胞产生伤害，从而干扰细胞的正常代谢[23]。在本试验条件下，喷施外源亚精胺后，叶片中的MDA含量明显降低，说明外源亚精胺有助于减轻细胞膜的过氧化程度，其它作物也得到类似的结果[17,23]。

多项研究发现，植物受到盐胁迫，最直观的表现就是植株生长受到抑制[24]。盐胁迫促进叶绿素的分解，导致植株叶片失绿[25]，为了适应盐胁迫，叶面积减小，叶片变厚，光合作用受到抑制[26]。以往研究中，亚精胺对盐敏感的植物缓解盐害作用研究较多，作用比较明显[13-19]。本试验研究发现，喷施外源亚精胺后盐胁迫下，两品系叶片面积、叶绿素含量及干物质积累明显增加，其中对耐盐品系甜菜缓解盐害的效果更为明显，亚精胺对耐盐性较强的甜菜缓解盐害的作用也比较强，对‘T510’品系的缓解效果强于‘210’品系，表明外源亚精胺对耐盐性较强的植物作用更为明显。即同一物种不同基因型植物外源亚精胺的施用效果不同[13]。

3.2 外源亚精胺对盐胁迫条件下甜菜营养器官N、P、K养分吸收的影响

氮、磷、钾是植物生长必需的大量营养元素，参与植物体内各种代谢活动，在盐胁迫下，植物体被动吸收了过量的Na+和Cl-，干扰了其他养分离子的吸收和运输[20]，从而导致植物体内养分失衡。本试验，加入外源亚精胺后在盐胁迫下，‘T510’与‘210’两个品系的根、叶柄、叶片含N 量都增加，这可能是盐胁迫使核酸和蛋白的分解大于同化，引起核酸和蛋白等信息大分子明显亏缺，造成氮代谢紊乱[27]；外源亚精胺处理提高了盐胁迫下植物体内核酸和蛋白含量，同时通过促进硝态氮的还原及铵态氮的同化[28]，最终缓解氮代谢紊乱。

有研究发现过量的Cl-含量能够刺激植物对磷的吸收，使磷含量高于正常水平[29]，植物体内磷含量过高，引起净光合速率下降，也会导致磷素与其他营养元素失衡，磷的过多积累导致植物缺铁的发生[30]。本研究发现，盐胁迫下，甜菜各器官中的磷素存在明显积累现象；喷施亚精胺在盐胁迫下，两品系磷素含量都有不同程度的降低，从而降低了高磷浓度引起其它离子失衡造成的危害，使磷素的吸收和代谢趋于正常。

植物吸收过多Na+，势必影响其对K+的吸收[20]，影响植株矿物质营养的养分平衡。虽然有研究发现在甜菜体内存在着钠替代钾的作用[2,20]，但钠只能替代钾行使非专性生理功能[2，31]，而专性生理功能不可替代，所以在盐胁迫下维持较高水平的钾含量还是十分必要的。本研究，虽然盐胁迫降低了甜菜体内钾素的含量，但喷施外源亚精胺的盐胁迫处理，钾素含量明显提高，甜菜体内含钾量提高，才能保证钾代谢正常进行。

综上所述，外源亚精胺在提高甜菜干物质积累及促进N、P、K 养分吸收利用方面具有较明显的作用，特别是对耐盐能力强的基因型效果更为明显。通过本研究为盐碱地区的甜菜种植提供一种增产方法，为抗盐生长调节剂的生产提供理论参考。