盐土条件下不同品系藜麦生理特性和产量指标对花期渍水胁迫的响应

2021-03-17晏军王伟义费月跃崔必波时丕彪马萌萌李斌陈满霞李亚芳顾闽峰

灌溉排水学报 2021年2期

晏军，王伟义，费月跃，崔必波，时丕彪，马萌萌，李斌，陈满霞，李亚芳，顾闽峰

（江苏沿海地区农业科学研究所新洋试验站，江苏盐城 224049）

0 引言

【研究意义】藜麦（Chenopodium quinoaWilld）是一种原产于南美洲安第斯山脉苋（藜）科藜属的一年生双子叶草本植物，具有耐寒、耐旱、耐贫瘠、耐盐碱等生理特性[1-2]。目前，世界各国对藜麦的关注越来越多，还因为藜麦具有非常高的营养价值[3]，联合国粮农组织（FAO）认为藜麦是唯一一种单体植物即可基本满足人体营养需求的食物，并将2013年定为“国际藜麦年”[4]。因此，在我国农业“转方式、调结构”的大背景下，发展集营养、生态和经济价值于一体的藜麦产业，对于促进我国农业种植结构调整、保障粮食安全方面具有广泛的应用前景。

【研究进展】近年来，我国藜麦产业发展迅速，2017年我国种植面积已达9 000 hm2，但产地主要集中在西北地区[5]。我国东部沿海地区，拥有大量滩涂资源，并还在逐渐增加[6]，由于藜麦具有高度耐盐性，Jacobsen 等[2]研究发现在中度盐胁迫条件下（10～20dS/m），藜麦的生物量、种子产量和收获指数都比非盐胁迫处理高。所以在滨海滩涂地区种植藜麦对于完善农业结构、增加农民收入、提高滩涂地利用率以及保持农业生态系统多样性等具有极其重要的现实意义。然而，在这一区域涝渍灾害严重制约农业生产，每年4—9月是降雨的多发期，在此期间持续阴雨、多大雨和暴雨天气，受平原微地形影响，农田排水困难，导致藜麦生长期间容易受到涝渍胁迫[7-8]，引起植株发生一系列形态和生理特征变化，如植株总干质量和叶面积减少，细胞膜脂过氧化作用加剧，体内保护酶受损，光合速率降低，蒸腾作用减弱，籽粒结实率降低，充实度差等[11-12]。由于花期与梅雨期重合，导致藜麦开花结实期更易遭受渍水胁迫，这种负面影响比干旱胁迫更严重[9]，有研究指出藜麦对水分最敏感时期是灌浆期和开花期[10]。但是，不同品系、不同生育时期对水分胁迫的响应和防御效果均不同，田计均等[13]研究指出水涝胁迫对现蕾期藜麦影响较大，幼苗期和灌浆期藜麦对水分胁迫均表现出较强的耐受性；岳凯[14]研究指出5 个不同品系藜麦对干旱胁迫的耐受范围及其适应能力表现为明显的不同。【切入点】目前，针对盐土环境下藜麦花期对渍水胁迫的耐逆性分析、耐渍品系筛选及排水调控方面的研究较少。【拟解决的关键问题】本研究探索在沿海滩涂地区藜麦花期遭受渍水胁迫的响应机制，为引进、选育适合沿海地区种植耐渍、耐涝优质高产稳产的品种提供数据支撑，对沿海地区藜麦的推广种植和产业发展具有重要指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

盆栽试验于2019年在江苏省盐城市新洋农业试验站的沿海现代农业科技创新与示范基地（34°28′ N，120°54′E）内进行，该基地东临黄海，为沿海滩涂地，属亚热带季风气候，年平均气温14℃，年降水总量100 cm，年平均日照时间2 200 h，无霜期210 d，海拔不足5 m；试验基地土壤类型为滨海盐土，土壤质地为沙壤土，五点取样法测得0～20 cm 土壤pH 值为8.2，干土含盐量为3～4 g/kg，总氮量1.03 g/kg、铵态氮量6.07 mg/kg、硝态氮量8.79 mg/kg、速效磷量7.39 mg/kg、速效钾212.1 mg/kg。

1.2 试验材料

试验材料为江苏沿海地区农业科学研究所新洋试验站从国内外200 多份种质资源中自主选育的4 个藜麦品系SL 21、SL 44、SL 24、SL 45，其中SL 21和SL 44 为高秆品系，SL 24 和SL 45 为矮秆品系，正常气候条件下适合在本区域（土壤盐分在3g/kg 左右）种植。试验用盆为40 L（长、宽、高为48 cm×34 cm×25cm）长方体塑料箱，于塑料箱侧面底部安装1 个进出水阀门，盆内装基地大田0～20cm风干土25 kg，选取每品系幼苗株高基本一致的进行移栽，每盆定植4 个品系各1 株，共定植30 盆。每盆基施复合肥（N：15%，K2O：15%，P2O5：15%）10g，于显穗期每盆追施尿素（N：46%）2g。

1.3 试验设计

试验采用大棚基质育苗，于3月31日移栽入盆中，在主穗开花后（5月23日上午）进行渍水试验，从30 盆中选取各品系长势一致的24 盆作为试验对象。渍水时间设3 个水平，分别为4、8 和12 d，每个处理重复6 次，把试验盆栽放入长、宽、高为200 cm×60cm×40 cm 的淹水池中，保证水刚好淹没过土壤表面，保持渍水期间土壤水分饱和度为100%，渍水结束后不再浇灌。以不渍水作为对照（CK），根据作物生长和需水情况用1 L 自来水正常浇灌，花期至成熟期共浇灌5 次。每个渍水时间结束后选取其中3 盆用于光合参数和生理指标的测定，另外3 盆用于产量构成和干物质积累测定。

1.4 测定指标

1.4.1 生理指标测定

于渍水试验结束时测定藜麦叶片的叶绿素（Chl）、丙二醛（MDA）、可溶性蛋白（SP）、可溶性糖（SS），采用浸提法（95%乙醇）测定剑叶的叶绿素（Chl）a、叶绿素b 的质量浓度，硫代巴比妥酸（TBA）比色测定MDA 物质的量浓度，考马斯亮蓝G-250 法测定SP量，蒽酮比色法测定SS 量，每个处理重复测3 次取平均值[15]。

1.4.2 光合指标与叶绿素荧光参数测定

于渍水试验结束时的第2 天上午09:00－11:00 利用便携式光合作用测定仪（LI-6400，USA）测定藜麦倒四叶净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Cs）和细胞间CO2摩尔分数（Ci）。光合仪设置为开放式气路，CO2物质的量浓度约为385 μmol/L 左右，选择红蓝光源叶室，设定光合有效辐射（PAR）为1500 μmol/(m2·s)，每处理测定3 株，每次3 次重复。

利用 OS-5p 型脉冲调制叶绿素荧光仪（Opti-sciences，美国），在距藜麦倒4 叶叶尖1/2 处将叶片暗适应20 min，测定PSII 初始荧光（original fluorescence，F0）和最大荧光（maximum fluorescence，Fm），计算潜在光化学活性（PSII potential photochemical activity，Fv/Fo，Fv/Fo=（Fm-Fo）/Fo）和PSII 最大光化学量子产量（PSIImaximum photochemicalquantum yield，Fv/Fm，Fv/Fm=（Fm-Fo）/Fm）。

1.4.3 产量与干物质积累测定

在藜麦叶片80%枯黄进行收获测产，分品系单独统计每盆单株的株高、主穗长、分枝数以及分枝籽粒和主穗籽粒产量，然后统计每株的千粒质量（g），每株分枝籽粒和主穗籽粒产量和作为每处理的实际产量（g）。单株干物质量测定：将用于籽粒产量测定后的叶片和茎秆在105 ℃下杀青0.5 h，80 ℃烘12 h 至恒质量后称量。

1.5 统计分析

应用 DPS15.1 进行方差和回归分析，利用Microsoft Excel 2016 作图，采用LSD 法进行处理间多重比较。

2 结果与分析

2.1 藜麦花期渍水对丙二醛和叶绿素的影响

图1、图2 给出了渍水胁迫对藜麦叶片MDA、Chl(a+b)的影响（图中同一品系柱图不同小写字母表示处理间差异显著（P＜0.05）；下同。）。由图2 可知，4 个品系Chl(a+b)量随渍水时间的增加呈逐渐降低趋势，除SL 44 外，其他3 个品系在渍水4 d 后Chl(a+b)量均显著低于CK，除SL 24 外，与渍水8 d 相比，渍水天数12 dChl(a+b)量不再显著降低；4 个品系MDA 物质的量浓度（图1）均随渍水时间的增加而升高，且在渍水4 d 后均显著高于CK，除SL 21 外，渍水天数每增加4 d，MDA 都显著增加。

图1 花期渍水后藜麦叶片MDAFig.1 MDAin leaves of quinoa after Waterloggingat flowering stage

图2 花期渍水后藜麦叶片Chl(a+b)Fig.2 Chl(a+b)in leaves of quinoa after Waterloggingat flowering stage

2.2 藜麦花期渍水对可溶性蛋白与可溶性糖的影响

图3、图4 给出了渍水后各处理叶片中SP 与SS量，随着渍水时间的增加，各品系藜麦叶片中的SP和SS 量均呈逐渐降低的趋势。从质量浓度降低相对比例可以看出，渍水对SS 量的影响大于SP 量；除SL 24 外，其他3 个品系在渍水达到8 d 时SP 量均显著低于CK；除SL 45 外，其他3 个品系在渍水达到4 d时SS 量均显著低于CK，在达到8 d 时SL 24 和SL45 SS 量降低幅度相对较大。

图3 花期渍水后藜麦叶片SPFig.3 SPin leaves of quinoa after Waterloggingat flowering stage

图4 花期渍水后藜麦叶片SSFig.4 SSin leaves of quinoa after waterlogging at flowering stage

2.3 藜麦花期渍水对光合特性的影响

表1 为花期渍水后藜麦叶片光合特性。由表1 可知，随着渍水时间增加，净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2摩尔分数（Ci）和蒸腾速率（Tr）呈现下降趋势，且渍水持续时间越长，下降趋势越明显。多重分析结果可得，4 个品系在渍水持续12d 时，Pn、Tr、Gs和Ci均显著低于CK；SL 21 和SL44 在渍水4、8 d和12 d时Pn逐渐下降但处理间差异不显著，在渍水12 d 时，SL 21、SL44、SL24 和SL 45 的Pn相较CK分别显著降低26.2%、30.7%、36.6%和50.0%；SL 44 在渍水达到8 d 时Tr与CK 无显著差异，在渍水12 d 时，SL 21、SL44、SL24 和SL45 的Tr相较CK 分别显著降低32.0%、32.8%、41.2%和61.0%，Gs相较CK 分别显著降低38.7%、41.4%、70.8%和70.1%，Ci相较CK 分别显著降低11.3%、26.1%、17.1%和11.9%。表明藜麦花期遭受短期渍水胁迫不会显著影响其光合特性，说明藜麦有一定耐逆性，但随着渍水时间增加，对SL 24 和SL45 光合特性各参数的影响大于SL 21 和SL44。

表1 花期渍水后藜麦叶片光合特性Table 1 Photosynthetic characteristics in leaves of quinoa after waterlogging at flowering stage

2.4 藜麦花期渍水对叶绿素荧光动力学参数的影响

表2 为花期渍水后藜麦叶片叶绿素荧光动力学参数。由表2 可知，随着渍水天数增加，PSⅡ的潜在光化学活性（Fv/Fo）和最大光化学量子产量（Fv/Fm呈下降趋势，且渍水深持续时间越长，下降趋势越明显。多重分析结果可得，渍水4 d 不会显著影响Fv/Fo和Fv/Fm；除SL 21 外，其他3 个品系在渍水12 d 后Fv/Fo和Fv/Fm显著低于CK。由此表明，花期藜麦渍水12 d，PSⅡ反应中心结构发生显著破坏，其潜在活性显著降低，最终导致其光能转化效率降低。

2.5 藜麦花期渍水对产量构成的影响

表3 为花期渍水对藜麦农艺性状和产量构成，由表3 可知，随着渍水时间增加，藜麦的单株地上部干物质量、有效分枝数、单株主穗产量、单株分枝产量、单株总产量和千粒质量均呈下降趋势，单株主穗产量占总产量的65%以上。多重分析结果可得，渍水12 d对SL 21 和SL 24 的株高没有显著影响，而SL 44 和SL 45 显著低于CK；除SL 21 外，SL 44、SL 24 和SL 45 在渍水8 d 时，单株地上部分干物质量显著低于CK；除SL 21 外，SL 44、SL 24 和SL 45 在渍水4 d 时，有效分枝数显著低于CK，在渍水12 d 时，4 个品系均无有效分枝；4 个品系在渍水持续12 d 后，单株分枝产量降为0，在渍水8 d 后单株主穗产量和千粒质量显著低于CK；4 个品系在渍水4 d 时单株总产量均显著低于CK，单株总产量的大小顺序为SL 44＞SL 21＞SL 24＞SL 45，渍水12 d 后，SL 21、SL 44、SL 24 和SL 45 单株总产量相较CK 分别显著降低81.3%、83.2%、77.7%和78.6%。

表2 花期渍水后藜麦叶片叶绿素荧光动力学参数Table 2 Fluorescence induction kinetic parameters in leaves of quinoa after waterlogging at flowering stage

表3 花期渍水后藜麦农艺性状和产量构成Table 3 Agronomic characters and yield components of quinoa after waterlogging at flowering stage

2.6 排水指标探究

考虑天气原因、农田排水工程的使用效率及其相关费用等因素，以一定频率（20%或10%）降水发生条件下可接受或者容许的减产水平，可作为选择排水控制指标的依据。4 个品系相对产量与渍水天数的回归关系如表4 所示，相关性均极显著，优化后的回归关系如图5 所示，以藜麦减产15%～20%（即Ry为80%～85%）作为排水控制标准，花期允许的渍水时间为3.2～4.1 d，在此期间及时采取排水措施。

表4 渍水时间与藜麦相对产量的关系分析Table 4 Regression analysis between waterlogging days and relative yield of quinoa

图5 渍水时间与藜麦相对产量的优化分析Fig.5 Optimizationanalysis between waterlogging days and relative yield of quinoa

3 讨论

3.1 藜麦花期生理代谢指标对渍水胁迫的响应

MDA 作为膜脂过氧化程度的指标，可反映膜脂过氧化反应速率和膜的受损程度[16]。田计均等[13]研究表明，藜麦现蕾期遭受水涝胁迫48 h，MDA 能显著增加，但其他时期无明显变化，本研究表明，藜麦花期渍水4 d，MDA 物质的量浓度显著增加，并随着渍水时间增加有持续显著增加的趋势，说明藜麦花期对渍水胁迫的逆境反应比较强，使藜麦产生了氧化胁迫，导致叶片细胞膜系统受损。可溶性蛋白作为重要的渗透调节物质，可以起到调节细胞渗透压，保护膜结构稳定的功能，糖类是新陈代谢的基础，植物体内糖的质量浓度越高，则新陈代谢越旺盛，其生命力就越强[17]。本研究表明，随着渍水时间的增加，各品系藜麦叶片中的SP 量和SS 量均呈逐渐降低的趋势，说明藜麦在遭受渍水胁迫是渗透调节平衡被打破，3个品系在渍水8 d 时SP 量均显著低于CK，这与周琴等[18]在大豆上的研究相似。3 个品系在渍水达到4 d时SS 量均显著低于CK，且随渍水时间的增大，表明花期渍水不会导致叶片糖外运受阻但随渍水时间的延长糖类合成受阻加重，这与杨长琴等[19]在棉花上的研究相反，可能原因是藜麦中的SS 量能够在一定程度的逆境胁迫下调节植物细胞的渗透平衡，保持运输通道的畅通，有研究指出[13]藜麦可以通过提高SS量来减少水分胁迫带来的不利影响，但是长时间的渍水胁迫导致其生理系统严重破坏，从而会影响糖类物质的合成。

3.2 藜麦花期光合特征和叶绿素荧光参数对渍水胁迫的响应

光合作用是衡量植物抗逆能力的重要指标之一[20-21]。本研究表明Chl(a+b)量随渍水时间的增加呈逐渐降低趋势，可能原因是渍水导致其叶绿体色素合成酶活性降低、叶绿素分解加速、叶绿体功能紊乱或结构受损等。叶绿素量的降低必然会影响光能的吸收、传递和转化，随着亏缺灌溉程度的加大，藜麦植株Pn、Tr、Gs均显著降低[20]。在遭受渍水胁迫下也有相同表现，本研究中4 个品系藜麦随着渍水时间增加，Pn、Tr、Gs和Ci均呈下降趋势，这与在其他作物（小麦、油菜和棉花）上的研究结论[22-24]基本一致。叶绿素荧光参数的变化可以更好地反映出逆境下植物内在光能利用激发能传递和光化学反应等光合作用过程[21,25]，在渍水12d 时，Pn、Tr、Gs和Ci显著低于CK，除SL 21 外，其他3 个品系在渍水12 d 后Fv/Fo和Fv/Fm才显著低于CK，而SL 21 和SL 44 在渍水4、8 d 和12 d 时Pn逐渐下降但处理间差异不显著，渍水4 d 后不会显著影响Fv/Fo和Fv/Fm，表明藜麦在适应逆境环境后，会有一定的耐受性，在耐逆阈值范围内光合作用不会受到显著影响。但随着渍水时间增加，SL 24 和SL 45 光合特性各参数和叶绿素荧光参数的下降趋势大于SL 21 和SL 44。

3.3 藜麦花期渍水的产量响应及排水指标确定

本研究表明，SL 44、SL 24 和SL 45 在渍水8 d时，单株干物质量显著低于CK，原因可能是花期主要以生殖生长为主，长时间渍水胁迫会影响物质吸收转运，进而导致地上部干物质积累降低。姚有华等[20]研究表明，充分灌溉下藜麦的有效分枝数均高于亏缺灌溉处理，但亏缺灌溉处理有利于有效分枝数的形成。本研究表明渍水胁迫会导致有效分枝数减少，在渍水12 d 时，4 个品系有效分枝数为0，可能原因是藜麦开花期不一致，本试验主要以主穗开花为标准开始渍水，而此时大部分分枝开花期不一致，当渍水时间延长，分枝营养供应不够，就会严重影响分枝开花与灌浆。在产量形成上，主穗产量占总产量的65%以上，4 个品系在渍水4 d 时单株总产量均显著低于CK，渍水8 d 后4 个品系的千粒质量显著低于CK，渍水12 d后SL 21、SL 44、SL 24 和SL 45 单株总产量相较CK分别显著降低81.3%、83.2%、77.7%和78.6%。表明渍水胁迫会严重影响藜麦分枝灌浆结实，同时灌浆不充分导致千粒质量降低，使得总产量降低明显。研究[26]表明，通过轻度亏缺灌溉对藜麦单穗粒质量、单株粒质量和千粒质量的形成有积极促进作用，所以在沿海地区引进藜麦种植，要选择地势相对较高、排水条件好的农田。作物在遭受田间渍水后，及时排水是关键，若以减产15%～20%（即Ry为80%～85%）作为排水控制标准，杨威等[27]研究表明油菜花期允许田间渍涝为4.7～6.2 d，本研究表明藜麦花期允许的渍水时间为3.2～4.1 d，在此期间可及时采取排水措施。