不同耐盐高粱品种全生育期对盐胁迫的响应

高玉坤,杨溥原,项晓冬,2,魏世林,任根增,殷丛培,梁红凯,崔江慧,常金华

(1.河北农业大学 农学院,河北 保定 071001;2.中国林业科学研究院 林业研究所,北京 100091)

盐胁迫会对植物的发芽、生长和产量产生不利影响[1]。土壤中的盐分会抑制植物的生长[2],使植物提早发育、成熟,而盐分过高则会造成植物早衰甚至死亡[3]。中国的盐碱地面积约为0.99亿hm2,且面积不断增加,严重影响我国农业的可持续发展[4]。种植耐盐植物是盐渍化土地利用的有效途径之一[5]。高粱(SorghumbicolorL.)是世界五大谷物作物之一,具有较强的耐盐、耐旱、耐涝、耐贫瘠及生物产量高等优势,可作为盐碱地改良与利用的首选作物[6]。植物具有内部调节机制来应对环境条件的波动,利用抗氧化系统清除盐胁迫带来的活性氧(Reactive Oxygen Species,ROS)和自由基等有害物质的影响,以防止机体受到损伤[7]。Yin等[8]研究发现，抗氧化酶活性的增强,可以缓解盐胁迫对高粱的损伤。根系不仅是植物吸收水分和养分的重要器官,还对植株起支持固定的作用,合理的根系构型及发展是根系发挥作用和提高生产力的先决条件[9]。迟春明等[10]研究发现，盐胁迫处理显著降低了帚用高粱幼苗地上部分和地下部分的生长,而且长时间的盐胁迫,高粱的根长、苗高、鲜质量和干质量等都会降低。张会慧等[11]研究发现，盐胁迫还会通过影响光合能力抑制高粱的生长。Almodares等[12]的研究表明,不同品种高粱对高盐度的敏感性存在显著差异。本研究测定了2个耐盐性不同的高粱品种整个生育进程的生理及生长性状,以期为高粱的耐盐育种及种质资源的应用提供理论支持。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验于2018-2019年在河北农业大学温室(E115°45′,N38°83′)内进行,选用耐盐的甜高粱品种高粱蔗和盐敏感性的粮饲兼用品种河农16为试验材料。

1.2 试验处理

取河北农业大学育种中心(E115°48′,N38°85′)田间表层10～30 cm土壤,风干后过筛,筛孔直径0.425 mm。测量土壤盐度,按照土壤质量添加NaCl配制成含盐量为低盐(S3,NaCl 3 g/kg)、中盐(S5,NaCl 5 g/kg)和高盐(S7,NaCl 7 g/kg)的盐土,以原始土壤为对照(S0,CK NaCl 0 g/kg)。每个花盆(直径: 34 cm;高: 37 cm)放置20 kg不同盐浓度的土。选取籽粒饱满、大小一致的种子,用1.2% HgCl2消毒处理30 min,室温避光催芽3 d。挑选长势均匀的幼苗,每盆种植3株,正常生长管理(25～28 ℃,16 h/8 h光照/黑暗,相对湿度70%),采用随机区组设计,每个处理设6盆重复。每10 d浇水1.5 L(含0.5 L 1/2 Hoagland′s营养液),为避免淋溶造成盐分降低,将托盘上的水及时倒回盆中。

1.3 样品采集

在高粱拔节期(Elongation stage, E)收集2个高粱品种第4～6片叶,在开花期(Flowering stage, F)和成熟期(Maturity stage, M)收集第7～9片叶。成熟期根系样品采集时,将盆中土全部倒出,去除根系周围大块土壤和与根系结合松散的土壤,然后用刷子去除根部表面的土壤,将根系冲洗干净并吸干水分,放入盛有50%乙醇的塑封袋中,-20 ℃保存。在成熟期收获各处理单株的主穗,晒干并保存于种子柜。每个处理取样6棵,作为生物学重复。

1.4 测定指标与方法

对于每个单株,测定地上部分由下至上第三节的节长和茎粗作为基部节长(Basal internode length, Bil)和基部茎粗(Basal stem diameter, Bsd),测定株高(Plant height, Ph)、主穗长(Main panicle length, Mpl)、主穗质量(Main panicle weigth, Mpw)、千粒质量(Thousand grain weight, Tgw)。采用国家标准测定籽粒中蛋白(Grain protein content, Gpc)、脂肪(Grain fat content, Gfc)、淀粉(Grain starch content, Gsc)和单宁(Grain tannin content, Gtc)的含量[13-16]。使用根系扫描仪(EPSON Perfection V800 Photo,日本EPSON公司)扫描得到根系图片,通过WinPHIZO程序分析,测得总根长(Total length of root,Tlen)、根面积(Root surface area, TSA)、根体积(Root volume, Vol)、平均根粗(Average root diameter, AvgD)、根尖数(Number of root tips, NumT)、分支数(Number of root branches, NumB)。

在3个生育时期,采用愈创木酚法测定过氧化物酶(POD)活性,紫外吸收比色法测量过氧化氢酶(CAT)活性,氮蓝四唑(NBT)光还原法测定超氧化物歧化酶(SOD)活性,硫代巴比妥酸(TBA)法测定丙二醛(MDA)含量[17]。每天9:00-11:00测定拔节期第4～6片叶和抽穗期、成熟期第7～9片叶中部的叶绿素相对含量(SPAD)和光合参数,各处理重复测定3次。使用叶绿素测定仪(SPAD-502)测定叶片SPAD,使用LI-6400便携式光合作用测定系统(LI 6400,美国)测定各处理植株的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)作为光合参数[18]。

1.5 数据统计

采用Microsoft Excel 2019对数据进行整理和统计分析。利用SPSS 26采用邓肯氏新复极差法进行显著性测验及相关性分析。

2 结果和分析

2.1 盐胁迫对高粱植株不同生育时期生理指标的影响

2.1.1 盐胁迫对高粱叶片抗氧化酶活性的影响 在不同生育期,S3处理下POD、CAT酶活性达到最大值,随着盐胁迫程度的增加,抗氧化酶活性受到抑制而逐渐降低(表1)。其中,开花期S3处理下3种酶活性的增幅较大,相比对照高粱蔗CAT、POD、SOD酶活性分别提高49.81%,75.27%,104.17%,河农16分别提高50.80%,49.83%,90.62%。在3个生育时期,高粱蔗3种抗氧化酶活性在S3处理下均显著高于对照。在盐胁迫下,2个品种通过POD、SOD、CAT活性的升高,降低了活性氧对细胞膜的伤害,维持正常的生长状态,在同一条件下3种酶活性均表现为高粱蔗>河农16。

表1 盐胁迫对2个高粱品种保护酶活性的影响

2.1.2 盐胁迫对高粱叶片丙二醛含量的影响 高粱蔗和河农16叶片MDA含量随着盐胁迫程度增加而增加(图1)。在S7处理下,2个高粱品种MDA含量均显著高于对照,与对照相比,拔节期、开花期、成熟期高粱蔗分别增加48.63%,47.48%,44.94%,河农16分别增加99.83%,85.61%,74.12%。同一盐胁迫下,河农16的MDA含量高于高粱蔗,且随盐浓度增大,河农16的MDA含量增幅较大,说明在同等浓度盐胁迫处理下河农16受到伤害的程度较高。

同品种同生育时期不同小写字母表示各处理间差异显著(P<0.05)。图2-4。

2.1.3 盐胁迫对高粱叶片叶绿素相对含量的影响 随盐胁迫程度的加剧,2个品种SPAD值均表现为先增后降的趋势,且均为S3处理最高(图2),说明低盐胁迫促进了2个品种叶绿素的积累;在同一处理下高粱蔗的SPAD值高于河农16;不同生育期不同处理2个品种叶片SPAD值均在开花期S3处理最高,其中高粱蔗为130.32,河农16为103.43。

图2 盐胁迫对2个高粱品种叶片叶绿素相对含量的影响

2.1.4 盐胁迫对高粱叶片光合特性的影响 由表2可见,随着盐胁迫程度的增加,高粱的Pn值表现为下降的趋势,其中拔节期S7处理显著低于对照,高粱蔗和河农16分别较对照降低39.08%和46.89%;Ci值在不同品种表现不同,其中河农16 Ci值随着盐胁迫增加而不断增加,高粱蔗Ci值则呈先降低后升高趋势，且各生育期均于S3处理最低而S7处理最高。

表2 盐胁迫对2个高粱品种叶片光合特性的影响

2个品种在各生育时期,Gs值随盐胁迫的增加而降低,不同盐胁迫处理在不同生育期均以开花期S7处理降幅最大,高粱蔗和河农16分别较对照降低36.08%,42.17%。随盐胁迫程度增加Tr值下降,其中,高粱蔗在拔节期S7处理降幅最大,较对照下降43.90%,而河农16在开花期S7处理降幅最大,较对照下降30.08%。Pn值及Gs值的下降幅度均表现为高粱蔗低于河农16,表明盐胁迫下高粱蔗的光合能力更强。

2.2 盐胁迫对高粱植株成熟期形态指标的影响

随着盐胁迫程度的增加,高粱蔗的株高呈先增后降的趋势并于S3处理达到最大值,河农16的株高则表现为下降趋势(图3)。在S3处理下,高粱蔗株高较对照显著提高13.00%,而河农16则降低4.41%;在S7处理下,2个品种株高均显著低于对照,高粱蔗和河农16分别降低16.80%和23.78%。基部节长和株高变化基本一致,随盐胁迫程度的加剧,高粱蔗表现为先升高后降低的趋势并于S3处理达到最大值,而河农16表现为缓慢降低的趋势。2个品种的基部茎粗均随盐胁迫增加呈先升后降的趋势,均在S3处理下达到最大值且显著高于对照。表明低盐处理能刺激不同耐盐性高粱基部茎节的增粗,促进耐盐品种的株高和基部节长的增加。

2.3 盐胁迫对高粱成熟期根系性状的影响

在逆境条件下根系能通过改变形态及分布来适应环境。随着盐胁迫程度的增加,总根长、根面积、根体积、根尖数、分支数均基本呈现低盐处理S3显著升高或变化不显著(河农16的根体积)而后逐渐降低的趋势,而平均根粗则呈现先降低后升高的趋势;同一浓度盐处理下,总根长、根面积(S7处理除外)、根尖数和分支数均表现为高粱蔗高于河农16,根体积(S5处理除外)和平均根粗表现为河农16高于高粱蔗。

由图4可看出,高粱蔗在S3和S5处理下总根长显著高于对照,而河农16仅在S3处理下显著高于对照;在S7处理下,高粱蔗和河农16的总根长与对照相比分别下降33.67%,45.24%。2个品种根面积在S3处理下均达到最大,高粱蔗和河农16分别为4 621.153,4 396.713 cm2。根尖数与根面积的变化趋势相同,在不同处理之间全部表现出显著差异。2个品种的分支数均表现为先增加后降低的趋势,在S3处理下达到最大值,高粱蔗和河农16分别为420 823,159 666个。高粱蔗和河农16根体积在S7处理与对照相比分别下降28.30%,34.72%。平均根粗在高粱蔗不同处理间无显著差异,在河农16中对照显著高于盐处理。低盐胁迫对高粱根系的生长发育有促进作用,但过高浓度的盐胁迫则会抑制根系的生长。2个品种根系的总根长、根面积、根尖数均随盐胁迫加重表现为先升高后降低的趋势且在S3处理下达到最大值,在S7处理下显著低于S3处理。

图4 盐胁迫条件下2个高粱品种根系性状

2.4 盐胁迫对高粱穗部性状及籽粒品质的影响

由表3可见,随着盐胁迫程度的增加，高粱主穗长和主穗质量下降,在S7处理下降幅最大,与对照相比,高粱蔗主穗长和主穗质量分别下降20.95%,40.44%,河农16分别下降25.56%,44.76%。盐胁迫导致高粱千粒质量增加,S7处理增幅最大,高粱蔗和河农16分别较对照增加33.70%,30.03%。

表3 高粱成熟期穗部性状及籽粒品质性状

高粱籽粒单宁含量的变化因品种而异,高粱蔗表现为先升后降的趋势,而河农16表现为升-降-升的趋势,2个品种均在S3处理下增幅最大,与对照相比,高粱蔗和河农16分别增加45.28%,56.00%。随盐胁迫程度增加,高粱蔗籽粒蛋白先升后降且在盐胁迫处理均显著高于对照,而河农16则不断降低,在S7处理较对照降低11.96%。高粱籽粒淀粉和脂肪含量随盐胁迫程度加剧而不断降低,其中S7处理下2个品种的籽粒淀粉含量均显著低于对照。说明高度盐胁迫降低了高粱的可食用性。

2.5 盐胁迫下2个高粱品种25个性状相关性分析

对高粱在盐胁迫下的各生长性状及生理指标进行相关性分析(表4)。植株CAT与POD、SOD极显著正相关;SPAD与POD显著正相关、与SOD极显著正相关,与MDA呈极显著负相关,说明植株受到盐胁迫后,细胞内有毒物质积累会使得抗氧化酶活性增强而叶绿素减少;Pn值和Gs值呈极显著正相关;光合作用相关的Pn值、Gs值与抗氧化酶CAT间呈极显著正相关,而且与抗氧化酶POD呈显著正相关,高粱作为耐盐的作物在应对盐胁迫后,抗氧化酶活性与光合能力变化趋势较一致。

表4 25个性状的相关性系数

株高(Ph)与基部节长(Bil)呈极显著正相关,与基部茎粗(Bsd)呈显著负相关;株高(Ph)与平均根粗(AvgD)呈显著负相关,与根尖数(NumT)、分支数(NumB)呈极显著正相关。籽粒性状中:千粒质量(Tgw)与籽粒淀粉含量(Gsc)呈极显著负相关、与籽粒单宁含量(Gtc)呈显著负相关,与籽粒蛋白含量(Gpc)呈显著正相关;籽粒脂肪(Gfc)和籽粒单宁(Gtc)的品质性状呈显著负相关。根系性状中:根系根尖数(NumT)与分支数(NumB)呈极显著正相关;分支数(NumB)与根尖数(NumT)呈极显著正相关,与总根长(Tlen)、根面积(TSA)呈显著正相关,而与平均根粗(AvgD)呈极显著负相关。

3 讨论与结论

植物遭受非生物胁迫后,体内活性氧等有害物质增多,严重破坏了植物体内的正常代谢。本研究2个高粱品种受到盐胁迫后,随盐浓度的升高抗氧化酶POD和CAT活性表现为先升高后降低的趋势,且POD和CAT在低盐胁迫下显著高于对照。邹春雷[19]研究也发现，一定浓度(25/50 mmol/L)的盐胁迫处理可以提高甜菜(BetavulgarisL.)叶片的SOD和POD活性。本研究认为适宜的盐胁迫可以有效激活抗性因子,提高植物的抗氧化能力。但盐胁迫程度增加后,高盐的生长条件对植物产生了不可逆转的伤害,使高粱的抗氧化酶活性降低[20]。

盐胁迫对叶绿素的合成有抑制作用,其影响程度取决于盐浓度的高低和胁迫持续时间的长短,有研究发现增加水稻(OryzasativaL.)的盐处理浓度或胁迫时间,盐敏感的水稻品种叶绿素含量降低[21]。本研究中,随着盐胁迫程度的增加及生育进程推进,叶绿素含量降低,这可能是由于盐胁迫使大量的Cl-在细胞质中聚集,叶片的叶绿素结构遭到破坏[22]。叶绿素含量降低进一步影响高粱对光能的吸收和转化,从而导致光合速率的下降。马翠兰[23]研究盐胁迫对柚(Citrusmaxima(Burm)Merr.)的影响发现,导致植物光合作用下降的因素既有气孔因素也有非气孔因素,气孔限制因素即Pn值的降低伴随着Ci值的降低,而非气孔限制因素即Pn值的降低伴随着Ci值的升高。本研究中,高粱受到盐胁迫后光合能力降低,主要表现为净光合速率、气孔导度和蒸腾速率均有所降低,而Ci值有所上升,这与Liu等[24]和邹春雷[19]的研究结果一致,高粱中可能是由非气孔限制导致的光合速率降低。

在盐胁迫下作物的株高等有关生物量的指标是评价作物耐盐性最直观可靠的依据。刘爱荣等[25]同样发现低程度的盐胁迫可以促进金盏菊(CalendulaofficinalisL.)的生长。在低盐胁迫下耐盐品种高粱蔗,基部节长、基部茎粗和株高增加,这与孙飞[26]对耐盐高粱的研究结果一致,低盐胁迫能够促进高粱生长。有研究表明,当土壤盐分>4.7 g/kg时,甜高粱出苗和幼苗生长受到抑制,株高显著降低[27]。本研究同样发现,高粱基部节长、基部茎粗和株高受限制程度随盐胁迫的增加而增加。孙彩霞等[28]研究表明,在盐胁迫下,总根长、根表面积、根体积、根尖数和平均直径都会受到盐分的抑制呈下降的趋势,本研究也发现根系生长的相关性状,随盐胁迫增加而变化,高粱蔗在S3处理下根部各性状除平均根粗外均达到最高,而在S7处理下(除基部茎粗和平均根粗外)各性状显著降低。比较2个品种的根系参数,高粱蔗的总根长、根尖数较多,而河农16的平均根粗较大,在盐胁迫下高粱蔗通过减小根粗,增加根尖数和总根长提高对养分和水分的吸收,以抵御逆境胁迫。相关性分析结果也表明,平均根粗与其总根长、根面积呈负相关,而且与根尖数和分支数呈极显著负相关。本研究在高粱成熟期测定根系性状,此时根系发育已经稳定,能够充分说明盐处理对根系生长的影响。

盐分胁迫使植物光合减弱是导致作物减产的一个主要原因。本研究中,2个品种的主穗质量降低,但高粱蔗的下降程度低于河农16,盐胁迫可使2个高粱品种的千粒质量升高,但具体的产量水平还需要大田试验来验证。本研究中高粱籽粒营养物质含量在不同浓度间表现出显著差异,籽粒主要内含物之间相互转换,变化趋势不同。周影[29]研究发现,盐分胁迫促进了小麦(TriticumaestivumL.)籽粒蛋白质含量的提高。说明适宜浓度的盐分能够改善籽粒品质,而高浓度盐胁迫下单宁积累增多,营养物质含量下降,籽粒品质降低。

对2个耐盐性不同的高粱品种全生育期的盐胁迫研究发现,低盐胁迫S3处理下,高粱抗氧化酶活性增加,净光合速率升高,地上和地下部分的生长状态优于对照,适度盐胁迫能够促进高粱的生长,改善籽粒品质。而S7处理下,高粱的叶绿素相对含量降低、MDA含量升高,根系相关性状指标下降,高度的盐胁迫对高粱生长有抑制作用。同一盐胁迫下,高粱蔗的总根长、根尖数较多,而且高盐胁迫下高粱蔗的净光合速率、抗氧化酶活性均高于河农16,高粱蔗比河农16的耐盐性更强,更适合在盐碱地区种植。