外源海藻糖对碱胁迫下不同品种水稻幼苗生长及生理特性的影响

邹德堂，王 烁，孙 健，李嘉明，尹天娇，王敬国，刘化龙，郑洪亮，杨洛淼

（东北农业大学农学院，寒地粮食作物种质创新与生理生态教育部重点实验室，哈尔滨 150030）

土壤盐碱化已成为重要环境问题之一，我国土地盐碱化问题较严重[1]。土壤中碱份积累对植物生长具有较大危害，破坏土壤养分有效性，不利于土壤良性发育和作物生长发育[2]。水稻是世界上主要粮食作物，且对碱胁迫表现为中度敏感，在幼苗期影响最为显著[3]。当碱浓度较高时，严重干扰离子稳态，产生活性氧，降低膜脂透性，导致生理代谢紊乱，抑制水稻生长，造成减产[4-5]。因此，研究提高水稻耐碱性有效方法对盐碱地利用和提高水稻产量具有重要意义。

海藻糖是一种非还原性双糖，广泛存在于低等植物、藻类、昆虫、酵母及无脊椎动物中，在水稻、小麦、烟草和玉米等高等植物中含量较低，但却发挥重要作用[6]。近年来，海藻糖因其独特理化性质，且对调节植物响应环境压力具有良好作用，显著提高植物抗逆境能力。研究表明，外源施加海藻糖可提高植物在干旱、高温、高盐等逆境条件下抗性。周林等研究发现，外源海藻糖有效提高双胞蘑菇菌株耐高温能力[7]。刘旋研究表明，外源海藻糖提高玉米耐低温能力[8]。刘岩研究表明，外源海藻糖提高盐胁迫下番茄可溶性糖、脯氨酸含量积累，提高过氧化物酶活性，进而提高番茄耐盐性[9]；孙梦利等研究表明，海藻糖对西瓜具有维持细胞生长、保护亚细胞结构并调节抗性反应的功能[10]。

目前对外源海藻糖是否提高水稻耐碱能力研究较少，不同浓度下外源海藻糖对水稻各种生理指标、水稻抗逆性，尤其是耐碱性的影响也鲜有报道。

本研究以6个耐盐碱性不同水稻品种为材料，在水稻幼苗期作碱胁迫处理，叶面喷施不同浓度海藻糖，测定其形态、生理指标，旨在探究碱胁迫的水稻幼苗形态及生理变化和缓解水稻碱害作用的最适外源海藻糖浓度，为水稻耐碱品种培育和耐碱栽培措施优化提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究以水稻强耐碱品种长白10号、龙稻5号，中度耐碱品种松粳16号、吉宏6号、龙粳18号，碱敏感品种东农425等6个品种为试验材料，开展碱胁迫处理和外源海藻糖喷施试验，所有材料均由东北农业大学农学院水稻研究所保存。

1.2 试验设计

选择籽粒饱满水稻种子于75%乙醇中浸泡10 s，放入2%次氯酸钠溶液中消毒5 min，自来水冲洗数次，室温下浸泡36～48 h，直至种子发芽。将发芽水稻种子播种于秧盘中，秧盘规格为：长100 cm、宽50 cm、高10 cm，共32孔，每孔规格为：长10 cm、宽10 cm、高10 cm。待秧苗长到三叶一心时胁迫处理，设置6个处理，每个处理3次重复。将每个品种种子均匀分为6份播于秧盘中，其中5份0.2%Na2CO3溶液处理，1份为自来水空白对照。

0、5、10、15、20 mmol·L-1海藻糖分别记作CK、T1、T2、T3、T4和T5。为避免碱冲击水稻幼苗，Na2CO3浓度每隔6 h增加0.02%，直至营养液中Na2CO3浓度达0.2%，pH 9.00～9.09，设定此时为0 d，土培过程中保持通气良好，营养液每隔2 d更换1次。处理3 d后取幼苗整株，观察形态指标、测定相应生理指标。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 幼苗根总长度、根数、苗高、存活率测定

将整株幼苗从栽培盆中取出，清水冲洗表面杂物，蒸馏水冲净，滤纸吸干表面水分，测量尺测量相应根长、株高，计数相应根数、存活数、死亡数，并计算存活率（存活数/总苗数）。

1.3.2 丙二醛（MDA）含量测定

制备磷酸缓冲液A液与磷酸缓冲液B液，称取0.5 g新鲜样品制作酶液。硫代巴比妥酸、三氯乙酸和NaOH制备MDA反应液，采用硫代巴比妥酸法测定[11]。

1.3.3 脯氨酸（Pro）含量测定

茚三酮、冰醋酸和蒸馏水制备酸性茚三酮，称取0.6 g新鲜样品，配制冰醋酸及甲苯，采用茚三酮显色法测定[12]

1.3.4 可溶性蛋白含量测定

将G-250溶于乙醇、磷酸配制溶液，采用考马斯亮蓝G-250染色法测定[13]。

1.3.5 超氧物歧化酶活性（SOD）测定

将磷酸缓冲液、Met、NBT、EDTA-Na2、核黄素（FD）和H2O按照15∶3∶3∶3∶3∶2.5配置SOD反应液，再用配制后酶液与反应液采用氮蓝四唑（NBT）测定[14]。

1.3.6 过氧化物酶活性（POD）测定

磷酸缓冲液配制10 mmol·L-1pH 7.0 PBS，PBS与稀释后0.1 mol·L-1H2O2配制POD反应液。采用愈创木酚法测定[15]。

1.4 数据处理与分析

采用SPSS 18.0和Excel 2016处理和分析数据。

2 结果与分析

2.1 不同浓度海藻糖对碱胁迫下各水稻品种幼苗形态指标的影响

由表1可知，在T0条件下，6个品种存活率、苗高、根长、根数均达最低值，CK达最高值，碱处理后外源施加海藻糖使各品种中T1、T2、T3、T4均较T0有不同程度增长，其中尤以T2即海藻糖浓度为10 mmol·L-1时增长最显著。增长趋势呈先降再增后降趋势。但叶长无明显变化，说明外源施加海藻糖可提高碱胁迫下水稻幼苗根数、根长、苗高，进而提高碱胁迫下水稻存活率。尤其对碱敏感品种东农425苗高、根数、根长及存活率提高最显著。对强耐碱品种长白10号、龙稻5号，中度耐碱品种松粳16号、吉宏6号、龙粳18号也有提高。综上所述，当海藻糖浓度为10 mmol·L-1时，提高最显著。说明外源海藻糖大幅提高碱敏感品种耐碱性，且最适宜海藻糖浓度为10 mmol·L-1。

2.2 不同浓度海藻糖对碱胁迫下各品种水稻幼苗生理指标的影响

2.2.1 不同浓度海藻糖对碱胁迫下水稻幼苗丙二醛含量的影响

由图1可知，6个品种丙二醛含量碱胁迫前存在差异，由高到低为东农425号＞龙粳18号＞吉宏6号＞松粳16号＞龙稻5号＞长白10号。碱胁迫后，各品种丙二醛含量均上升，但东农425上升幅度最大，长白10号上升幅度最小。随海藻糖浓度不断增加，6个品种丙二醛含量均表现为先升后降再升。其中，当海藻糖浓度为10 mmol·L-1时，各品种水稻幼苗丙二醛含量均达到最低值。外源施加不同浓度（T2、T3、T4、T5）海藻糖使丙二醛含量均比碱胁迫（T1）下丙二醛含量低，表明外源施加海藻糖降低碱胁迫下水稻丙二醛含量；其中外源海藻糖对碱处理后碱敏感品种东农425丙二醛含量提高最显著。对碱处理后强耐碱品种长白10号、龙稻5号，中度耐碱品种松粳16号、吉宏6号、龙粳18号也有一定提高。结果表明，外源施加10 mmol·L-1海藻糖时，对水稻耐碱性提升最大。

表1 碱胁迫下不同浓度海藻糖处理6个水稻品种幼苗形态指标变化Table 1 Morphological indices of rice seedlings of six varieties treated with trehalose at different concentrations under alkali stress

图1 碱胁迫下不同浓度海藻糖处理6个水稻品种幼苗MDA含量变化Fig.1 Changes of MDAcontents of six rice varieties treated with trehalose at different concentrations under alkali stress

2.2.2 不同浓度海藻糖对碱胁迫下水稻幼苗脯氨酸含量的影响

植物受干旱、盐碱等胁迫时，植物体内Pro含量大量积累。由图2可知，6个品种中除东农425号外，其他5个品种Pro含量在碱胁迫前有差异，而东农425号Pro含量明显高于其他品种，长白10号最低。Pro含量由高到低为东农425号＞龙粳18号＞吉宏6号＞松粳16号＞龙稻号5号＞长白10号。碱胁迫后，各品种Pro含量均上升，且东农425号上升幅度最大，长白10号上升幅度最小。随施加海藻糖浓度不断提升，6个品种Pro含量均表现为先升后降再升。其中，当海藻糖浓度为10 mmol·L-1时，Pro含量达到最低值。趋势均保持一致，6个品种脯氨酸含量均表现为先升后降再升。T1时达到峰值，T3时达最低值。即碱处理后当海藻糖浓度为0 mmol·L-1时，含量达到最高值；其中当海藻糖浓度为10 mmol·L-1时，含量达到最低值。其中外源海藻糖对碱处理后碱敏感品种东农425 Pro含量显著提高。对碱处理后强耐碱品种长白10号、龙稻5号，中度耐碱品种松粳16号、吉宏6号、龙粳18号也有一定提高。当海藻糖浓度为10 mmol·L-1时，提高最显著。说明外源海藻糖可大幅提高碱敏感品种耐碱性，且最适宜海藻糖浓度为10 mmol·L-1。

2.2.3 不同浓度海藻糖对碱胁迫下水稻幼苗SOD、POD活性的影响

由图3可知，碱胁迫下6种水稻幼苗叶片SOD活性均小于对照（CK）。6个品种本身SOD含量不同，长白10号含量最高，东农425号含量最低，由高到低为长白10号＞龙稻5号＞吉宏6号＞松粳16号＞龙粳18号＞东农425号。趋势均保持一致，6个品种SOD活性均表现为先降后升再降趋势。说明碱胁迫后水稻幼苗中SOD含量降低，随外源施加海藻糖不断增加，幼苗中SOD含量提高，当海藻糖浓度为10 mmol·L-1时，提升达到最大值；继续增加海藻糖浓度后，幼苗中SOD含量逐渐降低。当相同碱处理后，6个品种所表现变化幅度不同，东农425号变化幅度最大，长白10号变化幅度最小；而随外源施加海藻糖东农425幅度最大，长白10号幅度最小。其中外源海藻糖对碱处理后碱敏感品种东农425 SOD活性降低效果最显著。对碱处理后强耐碱品种长白10号、龙稻5号，中度耐碱品种松粳16号、吉宏6号、龙粳18号也有降低效果。当海藻糖浓度为10 mmol·L-1时，效果最为显著。说明外源海藻糖可大幅提高碱敏感品种耐碱性，且最适宜海藻糖浓度为10 mmol·L-1。

图2 碱胁迫下不同浓度海藻糖处理6个水稻品种幼苗Pro含量变化Fig.2 Changes of Pro contents of six rice varieties treated with trehalose at different concentrations under alkali stress

图3 碱胁迫下不同浓度海藻糖处理6个水稻品种幼苗SOD活性变化Fig.3 Changes of SOD activities of six rice varieties treated with trehalose at different concentrations under alkali stress

由图4可知，碱胁迫后6种水稻幼苗叶片POD含量均小于对照（CK），因品种POD含量不同，长白10号含量最高，东农425号含量最低，由高到低为长白10号＞龙稻5号＞吉宏6号＞松粳16号＞龙粳18号＞东农425号。趋势均保持一致，6个品种POD含量均表现为先降后升再降趋势。说明碱胁迫后水稻幼苗中POD含量降低，随着外源施加海藻糖不断增加，幼苗中POD含量提高，当海藻糖浓度为0 mmol·L-1时，植物体内POD含量达最低值；当海藻糖浓度为10 mmol·L-1时，达最高值。继续增加海藻糖浓度后，幼苗中POD含量逐渐降低。相同碱处理后，6个品种表现变化幅度不同，东农425变化幅度最大，长白10号变化幅度最小；而随着外源施加海藻糖同样呈现东农425变化幅度最大，长白10号变化幅度最小。其中外源海藻糖对碱处理后碱敏感品种东农425的POD活性降低效果最显著。对碱处理后强耐碱品种长白10号、龙稻5号，中度耐碱品种松粳16号、吉宏6号、龙粳18号也有降低效果。当海藻糖浓度为10 mmol·L-1时，效果最为显著。说明外源海藻糖可大幅提高碱敏感品种耐碱性，且最适宜海藻糖浓度为10 mmol·L-1。

图4 碱胁迫下不同浓度海藻糖处理6个水稻品种幼苗POD活性变化Fig.4 Changes of POD activities of six rice varieties treated with trehalose at different concentrations under alkali stress

2.2.4 不同浓度海藻糖对碱胁迫下水稻幼苗可溶性蛋白质含量的影响

由图5可知，碱胁迫后6种水稻幼苗叶片可溶性蛋白含量均显著高于对照（CK），而当施加不同浓度海藻糖后，水稻幼苗可溶性蛋白含量变化呈先升后降趋势，但不同品种增加程度不同。长白10号可溶性蛋白含量随浓度递增，增幅最大；东农425增幅最小。其中外源海藻糖对碱处理后碱敏感品种东农425可溶性蛋白含量提高效果最显著。对碱处理后强耐碱品种长白10号、龙稻5号，中度耐碱品种松粳16号、吉宏6号、龙粳18号也有提高。当海藻糖浓度为10 mmol·L-1时，效果最显著。说明外源海藻糖可大幅提高碱敏感品种耐碱性，且最适宜海藻糖浓度为10 mmol·L-1。

图5 碱胁迫下不同浓度海藻糖处理6个水稻品种幼苗可溶性蛋白含量变化Fig. 5 Changes of soluble protein contentsof six rice varieties treated with trehalose at different concentrations under alkali stress

3 讨 论

盐碱胁迫下，水稻幼苗根部首先遭受严重伤害，造成根部生长缓慢，根数减少，甚至死亡。索艺宁等研究表明，碱胁迫较盐胁迫对水稻根长的影响严重[16]。吕海燕研究结果表明，碱胁迫下水稻根总长度、根数、株高均明显减少[17]。吕丙盛试验结果表明，碱胁迫显著抑制水稻幼苗根总长度、根数[18]。本研究中碱胁迫下，水稻幼苗根长、根数及苗高均显著降低，与索艺宁等研究结果一致。本研究中，0.2%Na2CO3胁迫下，外源施加10 mmol·L-1海藻糖后，各品种水稻幼苗根总长度、根数、株高、存活率均提升，但对叶长无影响。可能是叶部对碱胁迫表现迟缓，而根部对碱胁迫表现更为敏感，因而施加海藻糖后差异更大。

丙二醛是膜脂过氧化最终产物之一，是反映膜脂损伤程度重要指标，其含量反映植物遭受逆境伤害程度。丙二醛浓度越高，代表植物受逆境损伤越严重。胡慧芳等研究表明，外源海藻糖可降低干旱条件下黄瓜MDA含量，使其具有更强的耐干旱能力[19]。陈晓云等研究表明，外源蔗糖可减少盐胁迫下荞麦叶片MDA含量，提高荞麦抗逆能力[20]。本研究表明，正常情况下，水稻幼苗MDA含量较低，碱胁迫后，MDA含量增加。喷施海藻糖后，水稻幼苗叶片中MDA含量显著降低，可能海藻糖提高细胞抗脱水性，使细胞膜结构和功能损伤缓解，改变膜通透性，进而提高水稻幼苗耐碱能力。喷施10 mmol·L-1海藻糖浓度效果最佳，且对碱敏感品种东农425提升更显著。

SOD、POD是植物体内有效清除活性氧重要酶促系统，超氧化物歧化酶在需氧原核生物和真核生物中广泛存在，是活性氧清除系统中第一个发挥作用的抗氧化酶。过氧化物酶同SOD发生协同作用，帮助植物清理体内过剩自由基，使自由基水平维持在正常水平，从而提高植物抗逆性。丁顺华等研究表明，小麦叶片中SOD、POD活性在盐胁迫下显著降低[21]。本研究表明，碱胁迫下，水稻幼苗SOD、POD活性显著下降，外源施加海藻糖后，SOD、POD活性提升，尤其10 mmol·L-1浓度效果最佳，且对碱敏感品种东农425提升显著。可能海藻糖提高碱胁迫下水稻幼苗SOD、POD活性，提高体内活性氧清除能力，保护膜脂完整性。

脯氨酸、可溶性蛋白等有机调节物质使细胞内渗透势保持相对稳定，避免细胞失水。同时还使生物大分子功能和结构作用得到保护与稳定[22]。杜锦等研究结果发现，玉米幼苗中脯氨酸和可溶性蛋白含量在盐胁迫条件下增加[23]。本研究发现碱胁迫下水稻幼苗中脯氨酸、可溶性蛋白含量提高，从而提高水稻幼苗对碱环境抗逆能力，施加10 mmol·L-1海藻糖时，脯氨酸含量显著降低，同时可溶蛋白含量显著提升。碱敏感品种表现最显著，从而增加细胞内细胞质浓度，降低细胞渗透势，缓解碱胁迫对水稻幼苗伤害。

4 结论

综上所述，本研究以水稻强耐碱品种长白10号、龙稻5号，中度耐碱品种松粳16号、吉宏6号、龙粳18号以及碱敏感品种东农425共6个品种为试验材料，置于0.2%Na2CO3碱胁迫条件下，观察各品种水稻幼苗形态和生理变化。一定时间后外源施加海藻糖后观察幼苗形态和生理变化。比较两次观察结果得出结论：外源施加海藻糖有效提高各品种耐碱性，特别是对碱敏感品种提高效果最显著，最适宜海藻糖浓度为10 mmol·L-1。