盐碱胁迫下甜高粱生理生化指标及综合评价方法的研究进展

黄禹翕 赵雨潼 高佳昕 赵云杰 杨兰兰 李雪梅 李玥莹

摘 要：本文介绍了在盐碱胁迫下甜高粱部分生长发育指标的变化情况及作用机理和甜高粱耐盐性综合评价方法的研究进展。根据国内外最新的研究资料，本文主要从种子萌发和幼苗生长的指标、以叶绿素含量和叶绿素荧光为主的光合作用指标以及抗性指标三个方面说明了盐碱胁迫对甜高粱的影响。同时对甜高粱耐盐碱综合评价的隶属函数分析法进行了简要的介绍。本文旨在总结在盐碱胁迫下甜高粱的部分研究成果，并对今后的研究方向提出建议，从而加快相关成果在植物生理和育种等领域的应用。

关键词：甜高粱；盐碱胁迫；生理生化指标；隶属函数分析法

受自然因素和长时间不合理的耕种、灌溉等人为因素影响，土壤盐碱化是主要的环境问题之一。在中国，土地盐碱化的程度也愈发严重。盐碱环境大多是多种盐碱成分混合造成的。由混合盐碱胁迫造成的伤害比单一盐碱的伤害更为严重。甜高粱可以食用、饲用和替代燃料等，具有极大的利用价值。此外，甜高粱还有耐旱、耐涝、耐盐碱等多种优良性状。因此，甜高粱是可以种植在盐碱类土地上的优良作物。

目前，国内外的学者以甜高粱为试材，在盐碱胁迫下做种子萌发、幼苗生长、光合作用、抗性变化等诸多指标的研究，从而寻找甜高粱抵抗盐碱胁迫的机制。不同学者在进行相关研究时，主要采用两种方法进行盐碱胁迫处理，一种是配比溶液模拟盐碱条件，如中性盐 （如NaCl）胁迫、苏打盐 （如Na2CO3、NaHCO3） 胁迫和混合盐胁迫。另一种是利用田间盐碱土地进行试验。前者对于实验条件变量的控制更加精准，而后者更加接近实际自然条件。虽然二者的方法不同，但甜高粱在盐碱胁迫下各项指标的变化规律是大体相同的。盐碱胁迫对植物的影响涉及多个方面，使用单一指标不能全面反映植物的耐盐碱程度，需要综合多个方面指标的变化，从而对植物的耐盐性进行综合评价。

1 盐碱胁迫下甜高粱的生理生化指标的变化

1.1 盐碱胁迫下种子萌发及幼苗生长指标的变化

种子发芽是决定植物能否生长的重要因素。种子萌发过程中的指标主要有萌发率、萌发指数等。萌发率也称发芽率，是体现种子发芽能力的重要指标。其公式为：

萌发率 = （萌发的种子数/测试种子数） ×100%

萌发指数也称发芽指数，是体现种子发芽速度的指标，发芽所需时间与发芽指数呈负相关。其公式为：

Gl=∑Gt /t

式中，Gl是萌发指数；Gt是发芽種子数；t是萌发天数。

盐碱胁迫对高粱种子的萌发有一定的影响。戴凌燕的研究表明，所有的甜高粱品种随着苏打盐胁迫程度的增加，萌发率和萌发指数均有所下降，但各品种的敏感性有所差别。王晨的研究也得出相同的结论：盐碱胁迫对甜高粱种子的发芽有显著的抑制作用。原因是在盐碱浓度较高时，甜高粱种子无法从外界吸收足够的水分，无法合成发芽所需的各种酶和结构蛋白，阻碍了细胞分裂和分化的完成，也阻碍了胚胎的生长，从而阻碍了种子萌发，使得萌发率、萌发系数降低。

幼苗生长过程中的指标主要有幼芽长度、幼根长度、干重和鲜重（生物量）等。生物量是植物对盐碱胁迫的综合反应，是评估植物胁迫和耐盐性的重要指标之一。戴凌燕的研究结果表明，盐碱胁迫使甜高粱的株高、根长下降，抑制幼苗的生长发育。陈展宇的研究表明，盐碱环境下能够使苗期的甜高粱生物量均下降。何磊的研究也表明，甜高粱幼苗的生物量由于盐碱胁迫均出现下降，此外幼苗、幼根的生长也受到抑制。

综上说明盐碱胁迫对种子的萌发和幼苗的生长均有一定程度的抑制作用。对于不同部位和不同品种的抑制程度有所差异，即不同种类的甜高粱对盐碱的耐受性不同。因此如何缓解盐碱胁迫下不同甜高粱品种种子萌发和幼苗生长是今后实验探索和育种的工作之一。

1.2 盐碱胁迫下光合指标的变化

光合作用是逆境中对应激最敏感的生理过程之一，光合作用的速率在一定水平上体现了光合作用的程度。而与光合作用相关的指标如净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、叶绿素含量和叶绿素荧光参数等，均能够反映出植物对胁迫的抵抗程度。叶绿素荧光参数的测定因快速、无损的特点，能够从光合作用的角度反映植物的抗逆性，已被广泛应用于植物的抗性检测中。

叶片中叶绿素a和叶绿素b的含量和比例的变化是植物耐盐碱的生理特点之一。刘吉利的研究结果表明，盐碱性胁迫破坏了叶绿体结构，降低了叶绿体的光合活性，所以，甜高粱叶片的叶绿素含量明显降低，且不同品种的叶绿素含量降低程度不同。贝盏临的研究表明：M-81E甜高粱苗期叶绿素含量随盐度的增加而下降，在混合盐胁迫下下降较快。吐尔逊的研究表明，在不同NaCl胁迫水平下，随着处理时间的增加，3个甜高粱栽培品种苗叶中叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b的含量都是下降趋势。葛江丽在不同浓度NaCl胁迫对甜高粱的叶绿素、叶绿素a/b比值和类胡萝卜素相关研究也得到了相似结论。但也有研究得到了不同结论。凌海燕的研究表明，利用盐浓度为50毫摩尔/升溶液作为苏打盐碱胁迫液（pH9.27，盐度 2.79%）时，叶绿素含量在其胁迫下出现了显著的增长。

通过查阅资料发现，在探究牛叠肚叶片叶绿素变化中，在中性盐和苏打盐的胁迫下，均出现了低浓度促进高浓度抑制的现象。其次，在研究碱性盐胁迫下，刺槐总叶绿素和叶绿素a的含量变化时，含量依据胁迫程度的加大出现升高、降低再升高的规律。

由此推测，甜高粱叶绿素含量出现差异的原因可能是：甜高粱在盐碱胁迫下，叶绿素的含量也会出现低促进高抑制的现象。苏打盐属于碱性环境，且50毫摩尔/升的盐浓度仍属于较低浓度，在此浓度下，胁迫对叶绿素含量有一定的提高作用，而对于胁迫使叶绿素含量下降的情况，可能是由于NaCl属于中性环境，且所设计的浓度梯度较大，错过了提高叶绿素含量的浓度范围，随NaCl浓度的增加，整体呈现下降趋势。但目前没有对甜高粱进行相关系统研究，造成差异的原因是否可能是中性盐和碱性盐胁迫的规律不同，或是甜高粱不同品种的结果，有待在今后进行更为系统的研究。

叶绿素荧光常用的指标有初始荧光（F0）、最大荧光（Fm）、最大光子产率（Fv/Fm）、光化学猝灭系数（qP）、实际光系统效率（ΦPSII）等。F0反映的是植物叶片PS Ⅱ反应中心开放完全时的荧光产量，其数值上升是表明反应中心失去活性；Fm表示PSⅡ的电子传递情况，最大光子产率（Fv/Fm）反映了PSⅡ的反应中心最大光转换效率。qP能体现PSⅡ反应中心的能量转化情况。实际光化学效率（ΦPSII）能体现叶片光合作用能力。袁闯的研究表明，甜高粱在盐胁迫较强时，F0的数值升高，Fm和Fv/Fm的数值降低。其原因是由土壤盐分胁迫条件下影响植物光系统对光能的吸收和传递而引起。葛江丽的研究表明F0呈上升趋势， Fm和Fv/Fm呈下降趋势。这表明反应中心可能受到了破坏。ΦPSII和qP的数值下降，说明胁迫强度较大时能够改变甜高粱幼苗PSⅡ的光化学效率和能量的分配。王彩娟的实验中对Fv/Fm、ΦPSII和qP的测量也得出相似结论。

由此可见，盐碱胁迫使得甜高粱的叶绿素的含量及荧光参数均有一定的变化，从而也体现出胁迫对光合作用的显著影响，进一步探究甜高粱在胁迫条件下光合作用及相关指标的变化范围、作用机理等是十分必要的。

1.3 盐碱胁迫下抗性指标的变化

植物的抗逆机制表现在生殖的各个阶段的生理、形态和行为等方面。植物抗逆性强的两个表现分别是体内渗透调节物质的增加和各种能够消除体内活性氧的抗氧化酶活性的提高。

各种渗透调节物质和酶在不同逆境中或在不同的物种中起不一样的作用。渗透调节物质分为有机、无机两种成分。有机包括甘氨酸、脯氨酸、丙二醛（MDA）、酯类、可溶性蛋白質和可溶性糖类，无机成分以离子最为常见。MDA含量可能反映了细胞膜脂质过氧化的程度和植物对不利条件的反应强度。吐尔逊的研究表明，随着浓度和时间的增加，3个甜高粱品种苗叶中丙二醛含量呈上升趋势。王晨的研究表明，甜高粱叶片脯氨酸含量均随着胁迫强度的增加而增加，但不同胁迫浓度下，增加趋势不同。

常见的抗氧化酶有SOD、POD、CAT、谷胱甘肽还原酶（GR）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）等。CAT能够在盐胁迫时清除植物体内的H2O2，维持机体活性氧代谢平衡，保护细胞膜结构，提高抵抗力。POD能有效地捕获活性氧，使其含量保持在较低水平，从而减少对膜结构和功能的破坏，维持植物在盐碱胁迫条件下的正常生长。SOD的功能是保护细胞免于遭受超氧化物氧化应激。刘吉利的研究结果表明，碱性土壤对各类甜高粱的保护酶活性均产生显著影响，碱性土壤处理能较大程度的提高甜高粱SOD、POD、CAT等保护活性。戴凌燕所做的关于盐碱胁迫下甜高粱的耐盐性实验也得出了相似的结论。王晨的研究表明，在盐胁迫后，所有品种甜高粱的SOD 活性都表现出先升后降的趋势。出现峰值的原因可能是SOD清除活性氧的作用是有限度的，如果应激超过阈值，细胞就会受到严重破坏，导致其生理活性下降，SOD活性开始下降，此时相应的盐浓度可能是植物SOD活性的最大耐受浓度。

综上，无论是渗透调节物质还是抗氧化性酶，都能够在盐碱胁迫的过程中提高甜高粱的抗性，但其对甜高粱的保护作用是有一定限度的。此外，现对甜高粱抗氧化酶活性的研究较多，渗透调节物质相对较少，且哪种物质起关键作用尚不清楚。

2 甜高粱耐盐性隶属函数综合评价方法

2.1隶属函数分析法

大量研究表明，单一的农艺性状或生理指标难以准确评估植物抗逆性，选择几个指标进行综合评估可以更全面体现作物抗逆性。在盐碱胁迫方法也是如此，由于其对植物会造成多方面的伤害且植物耐盐性的表达是多种代谢途径的结合，所以众多学者在衡量甜高粱的抗性程度和筛选优质抗逆品种时，大多采用了综合评价的方法。综合评估耐盐性的最常用的方法为隶属函数分析法，除此之外，灰色关联分、主成分分析和聚类分析等也是植物耐盐性的综合评价方法。隶属函数法的公式为：

R（xi） =（x-xmin） / （xmax-xmin）

其中R（xi）为隶属函数值，xi为指标测定值，xmin、xmax是所有试材某指标的最小值和最大值，最后再将每一品种各个指标的隶属值累加求其平均值，进而比较各品种的抗性。

2.2 隶属函数分析法的应用

戴凌燕采用隶属函数法，通过统计根冠比、根系活力、总叶绿素含量、丙二醛含量和质膜相对透性5个指标的变化幅度，比较6种甜高粱的隶属值总平均值大小，最终确定其耐盐碱性的强弱。王晨采用隶属函数法和灰色关联分析法，通过比较甜高粱发芽率、茎叶鲜重、脯氨酸含量、SOD活性、叶片相对电导率等5种指标比较各品种的耐盐程度并进一步筛选最优质种。袁闯采用隶属函数分析法和主成分分析两种方法对甜高粱的耐盐性进行综合评价并选择优质种。

可见，综合评价方多种多样，不同研究人员所用方法也不尽相同。所以今后可以整合现有的评价方法，并开发或设计针对不同品种、不同逆境的更为系统的综合评价方法，从而方便不同地区的科研人员进行更深入研究。

3 总结及展望

盐碱胁迫对甜高粱的的影响是多种多样的，在种子萌发和幼苗生长方面，盐碱胁迫降低了萌发率、萌发指数、生物量等多个指标。光合作用对于甜高粱的生长起着至关重要的作用，同时相关光合指标也是抗逆性的表现。叶绿素含量受到盐碱胁迫发生变化，而对于叶绿素荧光，F0的数值随着胁迫程度的加深而升高，Fm、Fv/Fm、ΦPSII和qP的数值随着胁迫程度的加深而下降，综合相关参数来看，不难发现盐碱胁迫对光合作用的影响是十分显著的。植物的抗性直标变化是对盐碱胁迫的最直接的反映之一，在盐碱胁迫下，渗透调节物质和抗氧化性酶类的含量均上升，但其对盐碱胁迫的抵抗是有限度的。现有的综合评价方法有很多种，但大多均统计了种子萌发、幼苗生长、光合作用、抗性变化等重要的生长发育指标，进而对甜高粱的耐盐碱程度进行比较和筛选。

今后，对于甜高粱在盐碱胁迫下的研究，可以从以下几个方面入手。第一，对甜高粱各时期的抗性进行探究。第二，对盐碱胁迫下甜高粱叶绿素的变化进行研究，寻找其变化规律，从而探明光合作用在抗盐碱方面的变化机制。第三，在抗性指标方面，针对渗透调节物质的研究相对较少，可以继续研究此类物质的变化情况，并确定哪类物质在抗逆中起主导地位。第四，以甜高粱为试材，设计更为系统的综合评价方法，对于筛选优质甜高粱品种和应用生产实践具有重要意义。

■作者简介： 黄禹翕（2000-），男，辽宁辽阳人，本科学历，研究方向：生物科学。李玥莹（1966-），教授，博士学历，硕士研究生导师，研究方向：植物基因工程。

■基金项目：辽宁省教育厅重点攻关项目（LZD201901，LZD202004）。校级大学生创新训练项目（x202010166144）。

*李玥莹为本文通讯作者。