六个生长时期高粱对NaCl胁迫的响应

王海莲 王润丰 刘 宾 张华文

(山东省农业科学院作物研究所/山东省特色作物工程实验室,山东 济南 250100)

土壤盐碱化是影响农业生产的重要限制因子,也是人类面临的生态危机之一。我国盐渍土面积约为3 467 万hm2(不包括滨海滩涂),已开垦种植面积约667 万hm2。山东省黄河三角洲地区有53 万hm2未利用土地,主要为滨海盐碱土,土壤盐分主要来源于海水,组分与海水相似,钠型盐氯化物占优势,阴离子以Cl-为主,占阴离子总量的89.95%,阳离子以Na＋为主,占阳离子总量的85.72%[1]。受季节性降雨的影响,盐碱地盐分含量分布不均匀。东营地区盐碱地裸地的含盐量从5月份至7月份逐渐增加,随着降雨量的增多,7月下旬土壤盐分含量开始下降[2]。土壤中盐浓度过高会抑制作物种子的萌发和幼苗生长,导致产量降低,因此,具备一定的耐盐能力是盐碱地作物种植的必要条件之一。

高粱(Sorghum bicolorL.)为中等耐盐作物[3],与我国北方小麦、玉米等主要粮食作物相比具有抗旱、耐盐碱、耐瘠、耐涝等多重抗性优势,可在轻度到中度盐碱地上生长,并获得较高的产量。在高粱耐盐性研究方面,前人从萌发期和苗期耐盐鉴定方法[4-5]、萌发期和苗期耐盐种质资源的筛选和鉴定[6-9]以及盐胁迫对高粱相关生理生化性状的影响[6-7,10]等方面开展了大量研究。但是,上述报道均是针对高粱萌发期和苗期,也有少量研究针对生长发育后期[11],但针对不同生长时期高粱对盐胁迫的响应尚鲜见报道。

由于品种间耐盐能力不同,高粱通常种植在含盐量0.6%以下的轻度和中度盐碱地[12]。萌发期和苗期的高粱在0.6% NaCl胁迫下,虽然生长变慢,叶片变黄,生物量降低,但植株可完成整个生育进程[13-14]。因此,可利用该浓度研究NaCl胁迫对高粱开花、灌浆、生物产量和籽粒产量等生长后期相关性状的影响。基于此,本研究以山东省黄河三角洲地区主要推广种植的粒用高粱杂交种济粱1号为研究对象,采用0.6% NaCl胁迫,分别对萌发期、苗期、拔节前期、拔节后期、孕穗期和开花期的幼苗或植株进行28 d NaCl胁迫,通过与正常生长的济粱1号比对分析,明确济粱1号对盐胁迫显著响应的生长时期,并根据植株最上部3 片新叶的SPAD(soil and plant analyzer development)值、叶和根中离子积累及转运等方面的变化,探究济粱1号的耐盐特点和耐盐生理机制,以期为黄河三角洲盐碱地高粱抗盐栽培措施的制定提供一定的理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以耐盐性强的粒用高粱杂交种济粱1号为材料,该杂交种以外引不育系晋长早A 为母本,自育恢复系R4545 为父本经三系杂交组配而成。

1.2 试验设计

称量4 kg 育苗基质于高25 cm,上口部直径35 cm的塑料花盆中,用塑料烧杯分2 次浇灌4 L 自来水,使基质完全浸透,湿润。挑选健康饱满的济粱1号种子,待花盆里基质墒情适宜时,将种子播种在育苗基质中,每盆20 粒,每次播8 盆,4 盆对照(CK),4 盆NaCl胁迫(T)。分别于2017年6月27日(CK6 和T6)、7月11日(CK5 和T5)、7月18日(CK4 和T4)、7月25日(CK3 和T3)、8月29日(CK2 和T2)和9月12日(CK1 和T1)播种。9月12日开始处理时,对照和NaCl胁迫6 个不同播种时期的植株分别对应萌发期、苗期、拔节前期、拔节后期、孕穗期和开花期(CK1～6/T1～6)。具体播种时间和NaCl胁迫见表1。于四至五叶期定苗,每盆保留大小一致的2 株幼苗。所有高粱材料均放置于山东省农业科学院作物研究所试验基地旱棚中,下雨或极端天气提前移动旱棚盖住所有材料,其他管理同大田。

播种后2 周无需浇水,第3 周开始每周对CK6 和T6、CK5 和T5、CK4 和T4、CK3 和T3 用塑料烧杯浇灌4 L 自来水,分2 次浇灌；盐胁迫前10 d 称量每盆重量,控制浇水量,使每批次播种的8 盆植株重量一致。9月12日随机选择每批种植的4 盆为对照(包括CK1～CK6),4 盆为处理(T1～T6),CK 同前期一样浇灌4 L 自来水,分2 次浇灌；T 浇灌4 L 0.6% NaCl 溶液,分2 次浇灌。最终每盆基质含24 g NaCl,盐土比为6/1000。NaCl 处理后,CK6 和T6、CK5 和T5、CK4 和T4、CK3 和T3 每周同NaCl 处理前一样正常浇灌自来水。CK1 和T1、CK2 和T2 于2 周后每周浇灌4 L 自来水,分2 次浇灌。及时预防病虫害,抽穗后记录每个单株的抽穗日期,并对每个穗子套网袋防鸟啄食。

表1 济粱1号播种及NaCl胁迫时间Table 1 Time of sowing and NaCl stress of Jiliang No.1

1.3 测定项目与方法

2017年10月10日盐处理4 周后,利用SPAD-502Plus 叶绿素仪(浙江托普云农科技股份有限公司)测定每个单株最上部3 张叶片的SPAD 值,每张叶片取6 个固定部位测定,最后取平均值作为单株叶片的SPAD 值。株高或苗高为植株根至穗顶或最长叶顶端的距离。茎粗为地面向上一节茎秆均匀部位的直径。从根基部收获植株后,称量地上部分植株的总重量为总鲜重。在穗柄接近籽粒处将穗子剪下,称重为穗鲜重。把每个花盆中2 个单株的根取出,用自来水冲洗干净,放入75℃烘箱烘干至恒重,称重为根干重。取每个单株最上部3 张叶片放入105℃烘箱,杀青30 min,然后75℃烘干至恒重。将烘干的叶片和根粉碎,过40 目筛,称量0.3 g 置于消化管中,利用浓硫酸高温消解,消解结束定容至100 mL,采用FP6431 火焰光度计(上海仪电分析仪器有限公司)分别测量叶片和根中Na＋和K＋含量。

1.4 盐害分析方法

借鉴高粱和其他植物耐盐性鉴定标准[14-16],利用正常生长和NaCl胁迫下6 个生长时期植株的株高、茎粗、地上部鲜重、穗鲜重、根干重和抽穗期等表型数据,计算各性状的相对盐害率(relative salt-injury rate,RSR),RSR 越大,植株受盐害影响越大。RSR 的计算公式如下：

式中,XCK和XT分别为正常生长和NaCl胁迫28 d后的株高、茎粗、地上部鲜重、穗鲜重、根干重和抽穗期表型数据的平均值。

1.5 数据分析

利用统计分析软件SPSS 11.5 计算正常生长和NaCl胁迫下6 个生长时期的株高、茎粗、地上部鲜重、穗鲜重、根干重、抽穗期、SPAD 值、Na＋含量、K＋含量和K＋/Na＋的平均数和标准差,并对正常生长和NaCl胁迫下各性状的差异显著性进行统计学分析。

2 结果与分析

2.1 6 个生长时期NaCl胁迫28 d 后相关农艺性状变化

由图1可知,6 个生长时期NaCl胁迫均抑制了高粱植株的生长,其株(苗)高、茎粗、地上部鲜重、穗鲜重和根干重的平均值均低于对照(表2)。

图1 6 个生长时期济粱1号正常生长(CK)和NaCl胁迫(T)28 d 后的生长状况Fig.1 Growth status of Jiliang No.1 at six growth stages under normal(CK)and NaCl stress(T)for 28 days

萌发期开始NaCl胁迫28 d 后,T1 植株苗高极显著低于CK1,地上部受盐害明显,生长较弱(图1),株高、茎粗、地上部鲜重和根干重也均极显著低于CK1。尤其是根干重降幅最大,T1 根干重仅为CK1 的13.1%。株高、茎粗、地上部鲜重和根干重的RSR 分别为51.4%、44.6%、76.8%和86.9%(表2)。

与正常生长条件相比,苗期进行NaCl胁迫,T2 植株地上部和根的生长均受到抑制(图1)。与CK2 相比,苗期NaCl胁迫对茎粗、地上部鲜重和根干重的影响均达极显著水平,对株高影响达到显著性水平。株高、茎粗、地上部鲜重和根干重的RSR 分别为21.8%,35.8%,50.3%和44.8%(表2)。

拔节前期进行NaCl胁迫,与CK3 相比,T3 植株叶片和穗子形态差异较小(图1)。拔节前期NaCl胁迫对茎粗、穗鲜重和根干重的影响均达极显著水平,对株高的影响达显著水平,对地上部鲜重和抽穗期影响不显著。对穗鲜重影响最大,其RSR 为32.6%(表2)。

拔节后期进行NaCl胁迫,与CK4 相比,T4 植株株高降低,叶片较早失水、变黄(图1)。拔节后期NaCl胁迫对株高、茎粗、穗鲜重和根干重的影响均达极显著水平,对地上部鲜重和抽穗期影响不显著,穗鲜重受NaCl胁迫影响最大,其RSR 为28.3%(表2)。

孕穗期进行NaCl胁迫,与CK5 相比,T5 的株高变化不大,除下部有较多叶片变黄,植株生长发育基本正常(图1)。孕穗期NaCl胁迫对茎粗和根干重的影响均达极显著水平,对穗鲜重的影响达显著水平,对株高、地上部鲜重和抽穗期影响均不显著。根干重的RSR 最大,为38.0%(表2)。

开花期进行NaCl胁迫,与CK6 相比,T6 的叶片提前衰老,黄色叶片明显增多(图1)。开花期NaCl胁迫对地上部鲜重的影响达极显著水平,对根干重的影响达显著水平,对株高、茎粗和穗鲜重的影响均不显著。对地上部鲜重的影响最大,RSR 为17.1%(表2)。

表2 6 个生长时期正常生长(CK)和NaCl胁迫(T)下后济粱1号相关农艺性状统计分析Table 2 Statistical analysis of agronomic traits at six growth stages of Jiliang No.1 under normal(CK)and NaCl stress(T)

2.2 NaCl胁迫对6 个生长时期济粱1号叶片SPAD值的影响

由图2可知,无论CK 还是T,济粱1号叶片的SPAD 值在6 个生长时期的变化趋势基本相同。拔节前期进行NaCl胁迫植株叶片SPAD 值达到最大,随后拔节后期、孕穗期和开花期进行NaCl胁迫SPAD 值逐渐降低。与CK 相比,NaCl胁迫后济粱1号6 个生长时期叶片的SPAD 值均降低。苗期和拔节前期进行NaCl胁迫叶片SPAD 值差异不显著,萌发期、拔节后期、孕穗期和开花期进行NaCl胁迫叶片SPAD 值差异达到显著或极显著水平。

2.3 NaCl胁迫对6 个生长时期济粱1号叶片和根中Na＋，K＋和K＋/Na＋的影响

由图3可知,济粱1号6 个生长时期CK 和T 的根中Na＋含量均高于叶片。与CK 相比,T 的叶片和根中Na＋含量显著提高。与其他几个生长时期相比,拔节后期和孕穗期进行NaCl胁迫叶片和根中Na＋含量增幅最大。由图4可知,无论CK 还是T,6 个生长时期根中K＋含量均显著高于叶片。NaCl胁迫28 d 后,除萌发期外,其余5 个生长时期T 的叶片K＋含量均显著高于CK；6 个生长时期,T 的根中K＋含量均显著低于CK。由图5可知,与CK 相比,6 个生长时期T 的叶片和根中K＋/Na＋均显著降低,其中孕穗期和开花期叶片中K＋/Na＋降幅最大。

图2 6 个生长时期正常生长(CK)和NaCl胁迫(T)下济粱1号叶片SPAD 值Fig.2 SPAD values in leaves of Jiliang No.1 at six growth stages under normal(CK)and NaCl stress(T)

图3 6 个生长时期正常生长(CK)和NaCl胁迫(T)下济粱1号叶片和根中Na＋含量Fig.3 Na＋content in leaves and roots of Jiliang No.1 at six growth stages under normal(CK)and NaCl stress(T)

3 讨论

图4 6 个生长时期正常生长(CK)和NaCl胁迫(T)下济粱1号叶片和根中K＋含量Fig.4 K＋content in leaves and roots of Jiliang No.1 at six growth stages under normal(CK)and NaCl stress(T)

图5 6 个生长时期正常生长(CK)和NaCl胁迫(T)下济粱1号叶片和根中K＋/Na＋Fig.5 K＋/Na＋in leaves and roots of Jiliang No.1 at six growth stages under normal(CK)and NaCl stress(T)

植物耐盐性是复杂的数量性状[17]。高粱作为典型的耐盐农作物,在耐盐生理生化和分子生物学方面已有大量研究[18-19]。由于盐碱地类型多样,前人针对不同盐碱地特点,利用不同盐组分对高粱耐盐性开展了相关研究。有些研究采用混合盐碱胁迫[20-21],但更多的研究采用NaCl胁迫[22-24]。NaCl胁迫对植物危害最明显的效应是抑制植株生长[25]。因此,植株的发育状况是评价植物耐盐性的重要指标。本研究结果表明,与CK 相比,0.6% NaCl胁迫济粱1号28 d 后,萌发期和苗期的高粱地上部鲜重显著降低,6 个生长时期根干重均显著降低,这与前人研究结果基本相似[22-26]。在6 个生长时期中,萌发期开始NaCl胁迫的株高、茎粗、地上部鲜重和根干重的RSR 最大,其次是苗期,说明济粱1号在萌发期对NaCl胁迫敏感,受NaCl胁迫影响最大。穗重是粒用高粱生产关注的主要指标之一,拔节前期和拔节后期穗鲜重受NaCl胁迫的影响最大,RSR 分别为32.6%和28.3%,大于孕穗期和开花期。因此,在拔节期或孕穗期可采取灌溉、施肥等栽培措施,以缓解盐胁迫对高粱植株和籽粒产量的影响[27]。在调查的6 个性状中,只有根干重在6 个生长时期的CK 和T 间差异达到显著性水平。根是植物吸收营养物质的主要器官,NaCl胁迫显著抑制了根的生长,从而影响了营养物质向地上部运输,在一定程度上抑制了植株的生长发育,使株高降低、茎秆变细、生物量下降。拔节前期、拔节后期和孕穗期NaCl胁迫使济粱1号的抽穗期延长,但差异不显著。任根增等[21]利用混合盐碱胁迫对3 个不同高粱品种农艺性状进行研究,结果显示盐碱胁迫延长耐盐高粱品种高粱蔗和河农16 的抽穗期,轻度和中度盐胁迫延长TAX623B 的抽穗期,重度盐胁迫缩短TAX623B 的抽穗期。因此,盐胁迫对高粱抽穗期的影响,可能与高粱品种自身的耐盐性、盐胁迫浓度以及盐胁迫处理时间有一定的关系。

叶绿素含量是反映作物光合作用能力的主要指标之一,SPAD 值和叶绿素含量具有较高的相关性,可以客观地反映作物的光合作用强度[28]。前人研究结果表明,盐胁迫可使幼苗叶片叶绿素含量降低,光合作用能力下降[29-30]。本研究中,与CK 相比,NaCl胁迫28 d 后,6 个生长时期济粱1号的叶片SPAD 值均降低,尤其在萌发期、拔节后期、孕穗期和开花期,叶片SPAD 值显著降低,说明NaCl胁迫对这4 个生长时期叶片叶绿素的合成影响较大,但NaCl胁迫影响植株的生长发育的机理还有待进一步研究。

离子在植物正常生长发育过程中起着重要的作用,土壤盐碱化打破了植物体内离子的动态平衡。Na＋和K＋参与糖及蛋白质代谢,可保持机体的正常渗透压及酸碱平衡。NaCl胁迫后,无论叶片还是根中Na＋含量均显著增加,为了减少Na＋对济粱1号地上部的毒害,Na＋首先在根中大量积累,但随着盐胁迫时间的延长,一部分Na＋转运至地上部,导致叶中Na＋含量增加,但6 个生长时期根中Na＋含量均高于叶片(图3),这与前人的研究结果相似[10,22,31]。与CK 相比,NaCl 盐胁迫后,除萌发期外,其余5 个生长时期叶片中的K＋含量均较CK 显著增加；6 个生长时期根中K＋含量均显著下降。这可能是因为NaCl 盐胁迫后,叶片和根中Na＋含量增加,高粱体内的钠和钾离子平衡被打破,为了维持机体生长,根中有一部分K＋转运至叶片中,叶片中K＋含量增加,根中K＋含量降低。K＋/Na＋是衡量植物耐盐性的一个重要指标。本研究发现,与CK 相比,6 个生长时期NaCl胁迫叶片和根中的K＋/Na＋均显著降低,这与前人研究结果相同[31-32]。但也有研究显示盐胁迫下耐盐品种K＋/Na＋降低,而盐敏感品种K＋/Na＋提高[24],表明K＋/Na＋的变化可能与品种自身耐盐性有关。

4 结论

本研究对济粱1号6 个生长时期进行28 d 的0.6%NaCl胁迫,发现与正常生长相比,NaCl胁迫均抑制了各个生长时期高粱的生长,其中萌发期NaCl胁迫对济粱1号的苗高、茎粗、地上部鲜重和根干重影响最大,RSR 均大于其他5 个生长时期；拔节前期NaCl胁迫对穗鲜重积累的影响最大。因此,萌发期和拔节前期是济粱1号对NaCl胁迫比较敏感的2 个时期。NaCl胁迫显著降低了萌发期、拔节后期、孕穗期和开花期叶片SPAD 值,显著增加了6 个生长时期叶片和根中的Na＋含量。但本研究仅采用一个品种,0.6%NaCl胁迫后叶片和根中K＋含量和K＋/Na＋的变化趋势与前人研究结果也有一定的差异,还需采用不用耐盐性的品种做进一步验证。