NaCl胁迫对菠菜萌发和苗期生理特性的影响

刘吉　黄梦桑　赵敏华　葛晨辉　王全华　王小丽

摘  要： 以3个菠菜（Spinacia oleraceaL.）自交系材料S26，S77和S4为研究对象，研究了不同浓度的NaCl溶液对菠菜萌发期和幼苗期生理特性的影响.结果表明：供试浓度范围内，低浓度（50 mmol?L^-1）NaCl处理可以促进菠菜种子的萌发，但高浓度处理则抑制萌发;与S4相比，S77和S26在NaCl胁迫下具有较高的相对发芽率、相对发芽势和相对萌发指数，且幼苗根长、叶片长、根重和地上部分鲜重受NaCl抑制程度较小.苗期内，在NaCl胁迫下，S77，S26的株高、叶宽、根重、地上部分鲜重高于S4，且S77和S26的可溶性糖含量、脯氨酸含量，及超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性要高于S4，而S4的电解质渗透率（EC）和丙二醛（MDA）含量高于S77和S26.综上，供试材料S77，S26在萌发期和苗期均表现出较高的耐盐性，S4为NaCl敏感材料;菠菜萌发期与苗期的NaCl耐性评价结果一致，但NaCl筛选浓度差异较大，低浓度（50 mmol?L^-1）NaCl处理能促进菠菜种子萌发，但对幼根尤其是子叶生长的NaCl胁迫无缓解作用.

关键词： 菠菜（Spinacia oleraceaL.）; NaCl胁迫; 萌发期; 苗期; 生理特性

中图分类号： Q 945.78;S 636.1  文献标志码： A    文章编号： 1000-5137（2022）01-0001-08

Effects of NaCl stress on seed germination and the physiological characteristics of spinach

Abstract：Three spinach （Spinacia oleraceaL.） self-bred materials line S26， S77 and S4 were used to study the effects of different concentrations of NaCl solution on the physiological characteristics of spinach during the germination and seedling stages. Results showed that lower NaCl concentration （50 mmol?L^-1） can promote spinachs seed germination， while higher NaCl concentration treatment inhibited its seed germination. The relative germination percent， relative germination energy， and relative germination index of spinach materials S77 and S26 were greater than S4. During the germination period， the NaCl stress had relatively less inhibiting effect on the root and shoot elongation and the biomass accumulation for S26 and S77 than on those for S4. The seedlings of S26 and S77 also showed greater plant height， leaf breadth， root weight and shoot weight than those of S4. Moreover， the contents of soluble sugar， proline and the enzyme activities of superoxide dismutase （SOD）， peroxidase （POD） and catalase （CAT） were greater in the shoots of S26 and S77 than those in S4， whereas the electrolytic leakage （EC） values and the malonaldehyde （MDA） contents were greater in S4 than those in S26 and S77. In summary， the tested materials S77 and S26 showed high salt tolerance in both the germination and seedling stages， and S4 was a NaCl sensitive material. The results of the NaCl tolerance evaluation of spinach at the germination and seedling stages were consistent. However， the NaCl screening concentration was quite different. Low-concentration （50 mmol?L^-1） NaCl treatment can promote the germination of spinach seeds while has no alleviating effect on the NaCl stress of cotyledon growth.

Key words：spinach （Spinacia oleraceaL.）; NaCl stress; germination; seedling growth; physiological index

0  引 言

土壤盐渍化是影响世界粮食生产的要素之一，严重制约着农业生产.此外，随着设施培植面积的增加，温室土壤次生盐渍化已成为国内外设施栽培中广泛存在的问题^[1].菠菜（Spinacia oleracea L.），属于苋科藜亚科菠菜属植物，是以绿叶为主要产品器官的一二年生草本植物.菠菜味道鲜美，具有较高的食用价值和营养价值，富含类胡萝卜素、维生素C、维生素K、矿物质等多种营养素，其适应性广、耐寒力强、供应期长，易种快收，产量较高，一年四季均可播种，是全球重要的经济蔬菜作物之一.与其他绿叶蔬菜相比，菠菜具有较高的耐盐能力.因此，开展菠菜种质资源耐盐性综合评价，对耐盐菠菜品种培育、耐盐机理的研究，以及盐碱土开发利用均具有重要意义.

近年来，菠菜盐胁迫、耐盐机理和耐盐种质资源选育的研究均已见报道.盐胁迫会显著降低菠菜幼苗的生物量，但对种子的发芽率影响不一^[2].在一定浓度范围内，低浓度的NaCl处理能提高菠菜种子的发芽率和抗氧化酶活性，从而使其叶绿素及蛋白质含量增加，促进幼苗生长^[3-4].但随着NaCl浓度的增加，菠菜种子的发芽指数、活力指数、鲜重会受到抑制^[5]，当NaCl物质的量浓度为516.5 mmol?L^-1时，达到菠菜的耐盐阈值^[6].LONG等^[7]的研究表明：菠菜的耐盐能力与其较高的抗氧化酶能力以及渗透调节物质能力有关.但菠菜材料本身耐盐能力具有较大差异，且不同浓度的NaCl处理，对萌发期和苗期菠菜的耐盐能力影响是否具有一致性还存在疑问.因此，本实验在本课题组前期大规模种质资源筛选的基础上，选择3个耐盐性有差异的菠菜自交系材料，研究不同浓度盐胁迫处理对种子萌发、成苗能力，及苗期生长表现的影响，并结合生理生化指标分析其耐盐能力差异的原因，旨在综合评价供试3个自交系菠菜的耐盐能力，为菠菜耐鹽新品种的筛选和培育提供候选亲本材料.

1  材料与方法

1.1实验材料

供试菠菜自交系材料S26，S4，S77均由上海师范大学植物与种质资源开发中心提供，其在成熟期时的叶形分别为长椭圆形、浅裂刻戟形叶，及深裂刻戟形叶，种子形状均为尖粒.供试的NaCl试剂为分析纯.

1.2实验方法

1.2.1 菠菜种子萌发期处理

本实验在上海师范大学植物与种质资源开发中心进行.各处理组的NaCl溶液物质的量浓度梯度设定为0，50，100，200，300，400 mmol?L^-1，其中以不添加NaCl的菠菜为对照组（CK）.每组分别挑选颗粒大小一致、整齐饱满、无病虫害的菠菜种子各100粒，每个处理重复3次.种子消毒洗净后，置于盛有不同浓度的NaCl处理液的发芽盒中，放入智能培养柜内，白天温度为22 ℃，光照10 h，光照度为10 000 lx;夜间温度为18 ℃，无光照，湿度均为60%RH，10 d后结束发芽实验.

1.2.2 菠菜幼苗期处理

菠菜种子经消毒后，置于4 ℃冰箱浸种24 h后，于盆栽基质（质量比为m（草炭）∶m（珍珠岩）∶m（蛭石）=1∶1∶1）中，在人工气候室进行育苗培养，光照周期为10 h（光照）/14 h（黑暗），温度控制在21 ℃（光照）/18 ℃（黑暗），光照强度5 000 lx，湿度71%RH.培养16 d后，待幼苗4片真叶完全展开时，每株菠菜浇灌150 mL的NaCl溶液，各处理组物质的量浓度梯度设定为0，50，100和200 mmol?L^-1，每个处理重复3次，每隔2 d浇灌1次，胁迫至第16天结束实验.

1.3项目测定

1.3.1 菠菜萌发期各指标测定

发芽指数：

其中，G_t为在第t天的新增发芽数（t=1，2，…，n）;D_t为总天数.

相对发芽率：

其中，G_F为盐处理终期的发芽种子数;G_CKF为对照组发芽种子数.

相对发芽势：

其中，G_i为盐处理初期的发芽种子数;G_CKi为对照组初期的发芽种子总数.

相对萌发指数：

其中，G_NaCl为盐处理组的发芽指数;G_CK为对照组的发芽指数.

在第10天将种子取出，用滤纸将水分吸干，用直尺测量其根长、叶长，并用分析天平分别称取根鲜重及地上部鲜重.

1.3.2 菠菜幼苗期各指标测定

在自然状态下，以基质到菠菜植株最高点的垂直距离测定株高;叶幕垂直投影的最大直径测定叶宽;完全展开的真叶数目测定叶片数;地上部鲜重和干重采用分析天平称取;可溶性糖测定采用蒽酮比色法;丙二醛（MDA）含量测定采用硫代巴比妥酸（TBA）比色法;脯氨酸含量测定采用茚三酮显色法;超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性采用试剂盒（南京建成生物研究所，试剂盒货号：A001-4，A084-3，A007-1）进行测定.

1.4数据分析

对本实验数据采用最小显著性差异（LSD）法（p≤0.05）进行差异性比较和分析，并用Microsoft Excel软件进行绘图.

2  结果与分析

2.1NaCl胁迫对菠菜种子萌发期的影响

2.1.1 NaCl胁迫对菠菜种子发芽能力的影响

由表1可知：随着NaCl处理浓度的增加，S26和S77的相对发芽势、相对发芽率以及相对萌发指数呈先上升后下降的趋势，而S4呈逐渐降低的趋势.在物质的量浓度为50 mmol?L^-1和100 mmol?L^-1的NaCl处理下，S26和S77的相对发芽势和相对萌发指数显著高于S4. 200 mmol?L^-1NaCl处理下，S77和S26的相对萌发指数和相对发芽势仍显著高于S4，且S77的相对发芽率在与其对照组接近.200 mmol?L^-1NaCl处理下，S77的相对发芽率和相对萌发指数在3组材料中最高，相对发芽势与S26相当;当NaCl浓度达到400 mmol?L^-1时，S4相对发芽率和相对萌发指数最低.以上说明，盐胁迫对S4发芽抑制程度明显高于S26和S77.

2.1.2 NaCl胁迫对萌发期菠菜种子生长指标的影响

由表2可知：盐胁迫对萌发期3种菠菜材料的主根长和子叶长的影响较大，且主根长和子叶长受抑程度均随NaCl浓度的增加而增大.当NaCl物质的量浓度为50 mmol?L^-1时，3种菠菜材料的主根长和子叶长差异不大;当NaCl物质的量浓度为100 mmol?L^-1和200 mmol?L^-1时，S4主根长受抑制程度显著高于S26和S77;当NaCl物质的量浓度为300 mmol?L^-1和400 mmol?L^-1时，3种材料的主根长无显著差异.3种材料对照组及50 mmol?L^-1NaCl处理组的子叶长无显著差异，当NaCl物质的量浓度为100 mmol?L^-1时，仅S26可见子叶生长，S77和S4已无子叶萌出.

2.2NaCl脅迫对菠菜幼苗期的影响

2.2.1 NaCl胁迫对菠菜幼苗期形态指标的影响

对幼苗期菠菜进行NaCl胁迫处理，3种菠菜材料均表现出株高降低、叶宽减小、叶片数减少、根鲜重和地上部鲜重变轻的趋势（图1，表3-4）.在低NaCl浓度（50 mmol?L^-1）处理下，S26的叶片数及根鲜重与其对照组相比，无显著差异;但S77和S4受影响显著，相对其对照组，叶片数分别降低了7.89%和9.68%，根鲜重分别降低了13.81%和27.07%.随着NaCl浓度的增加，S4的表型指标显著降低.在高NaCl浓度（200 mmol?L^-1）时，S4的株高、叶宽、叶片数、根鲜重和地上部鲜重相比对照组的降幅分别为43.91%，54.42%，41.94%，58.56%，69.83%，远大于S26的降幅（27.85%，20.00%，10.81%，31.76%，24.98%）;也比S77的降幅（18.24%，22.32%，15.79%，33.7%，55.51%）要高，说明NaCl胁迫对S4的生长抑制作用最为显著，而S26和S77对盐胁迫的耐受性强.

2.2.2 NaCl胁迫对菠菜可溶性糖、脯氨酸、电解质渗透率及MDA含量的影响

由图2可知：菠菜可溶性糖含量、脯氨酸含量、电解质渗透率、MDA含量均随NaCl浓度的增加而增加，且3种菠菜材料对盐胁迫的响应不同.随NaCl浓度的增加，3种菠菜材料的可溶性糖含量均呈上升趋势（图2（a）），在用不同浓度NaCl处理后，S26和S77的可溶性糖含量均显著高于S4（图2（a））.除200 mmol?L^-1NaCl处理外，3种菠菜材料的脯氨酸含量、电解质渗透率差异不显著;在200 mmol?L^-1NaCl处理下，S26的脯氨酸含量、电解质渗透率显著高于S4，S77介于S26和S4之间，未达差异显著水平（图2（b）、2（c））.3种菠菜材料对照组的MDA含量无显著差异，但随着NaCl浓度的增加，S4的MDA含量显著高于S26和S77（图2（d））.

2.2.3 NaCl胁迫对菠菜抗氧化酶活力的影响

NaCl胁迫对3种菠菜材料抗氧化酶活力的影响如图3所示.3种菠菜材料的SOD，POD，CAT活性随着NaCl浓度的增加，呈先增加后降低的趋势.

0，200 mmol?L^-1NaCl处理下，各材料SOD活性差异不显著;50，100 mmol?L^-1处理条件下，S26的SOD活性显著高于S4，S77的介于S26和S4之间，未达显著差异水平（图3（a））.各菠菜材料POD活性在0，50 mmol?L^-1NaCl处理下差异不显著;100，200 mmol?L^-1处理条件下，S26和S77的POD活性显著高于S4（图3（b））.与POD活性相似，0，50 mmol?L^-1处理下，各材料CAT活性差异不显著;100 mmol?L^-1NaCl处理下，S26的CAT活性达到最高，其次为S77， S4最低;200 mmol?L^-1NaCl处理下，S26，S77的CAT活性显著高于S4的.总体来说，NaCl处理下S26和S77的POD、CAT活性增幅明显，其次是SOD.

3  讨 论

大量研究表明，不同植物在不同的生育期抗盐的能力也会有所不同.盐胁迫抑制植物的生长，浓度高时，造成植物代谢的紊乱，生长受阻，整个生育期都有不同程度的影响.耐逆性的强弱不仅表现在萌发率的高低，之后农艺性状的表型也在很大程度上反映了种质的优劣及其耐逆性能的高低^[8].LI等^[9]研究认为盐胁迫最敏感的时期是在种子的萌发和幼苗的生长阶段.本实验设置在以上两个时期进行实验，综合评价菠菜材料的耐盐能力.

发芽势、发芽率和萌发指数反映了种子的质量与活力，是筛选耐性材料的3项重要指标^[9].对菠菜种子萌发期的实验结果表明：随着NaCl浓度的升高，3种菠菜材料种子的相对发芽率、相对发芽势和相对萌发指数整体的变化趋势为先升高后降低，说明NaCl胁迫会影响菠菜的发芽能力.KIM等^[10]的研究表明，一定浓度的NaCl会抑制植物生长.在本实验中，3个菠菜材料种子的相对发芽率、相对发芽势及相对萌发指数在50 mmol?L^-1NaCl浓度下高于对照，说明低浓度的NaCl胁迫对菠菜种子的萌发有促进作用，与ZHOU等^[4]的结论基本相同，但促进发芽的NaCl浓度范围不同（文献[4] 中为5 mmol?L^-1和10 mmol?L^-1），可能与菠菜材料及萌发条件不同有关.萌发期出苗生長情况表明：随NaCl浓度的升高，3种菠菜材料种子幼苗的根长、子叶长、根鲜重和地上部分鲜重受到抑制的程度都逐渐增大，且根系形态及生长指标表现出一定的差异.NaCl敏感材料S4的根长、子叶长降幅均大于耐性材料S26和S77，表明3种菠菜材料萌发期形态指标对NaCl的响应规律与其发芽特性相似，但与低浓度NaCl能促进种子发芽相反，低浓度NaCl处理对菠菜根及子叶生长的盐胁迫损害无缓解作用.ZHANG等^[11]在对沙冬青种子的研究结果中也有相似的结论，低浓度的NaCl处理对其根系及地上部分的生长没有明显的促进作用，说明在用低浓度NaCl促进种子萌发的同时也要考虑对萌发期幼苗生长的不利影响.萌发期菠菜种子幼苗的地上部比根系对NaCl胁迫的反应更为敏感，当NaCl处理浓度达到100 mmol?L^-1时，3种菠菜材料种子幼苗地上部生长状况对NaCl胁迫均有显著响应，甚至停止生长.S26和S77的株高、叶宽、生物量等生长指标高于S4，说明供试菠菜材料在萌发期和苗期对NaCl的耐性表现一致，在菠菜不同生长阶段均可以进行NaCl耐性筛选，与WANG^[12]的研究结果一致.需要注意的是，由于菠菜各个生长时期对不同NaCl浓度的耐性不同，筛选浓度需要有所区别.

植物的生理生化指标的变化可客观反映植物受到NaCl的胁迫程度.NIU等^[13]发现大豆种子的下胚轴长、根干重、根鲜重和主根长可作为大豆芽期NaCl耐性的鉴定指标，而MDA含量和株高的耐NaCl指数则可以作为大豆苗期NaCl耐性的鉴定指标.FAN等^[14]则认为，可以将150 mmol?L^-1NaCl浓度选定为高粱品种萌发期NaCl耐性鉴定的标准浓度，在该浓度下，高粱的发芽率、发芽势、根长、叶长、植株鲜重可作为其NaCl耐性的鉴定指标.MA等^[15]在研究中发现，NaCl胁迫可以促进小麦叶中可溶性蛋白和可溶性糖的积累，且耐NaCl小麦品种可以合成更多的渗透调节物质来增强其对NaCl胁迫的抵抗能力.本研究发现，随着NaCl浓度的增加，3种菠菜材料的可溶性糖含量、脯氨酸含量和电解质渗透率均呈上升趋势.S26和S77比S4能积累更多的可溶性糖、脯氨酸，而其电解质渗透率的上升幅度也小于S4的.这说明耐NaCl材料S26和S77能积累较多的脯氨酸、可溶性糖来维持体内渗透势平衡，以应对高NaCl渗透胁迫，减少质膜受损伤程度，保证幼苗的正常生长.而NaCl敏感材料S4的可溶性糖和脯氨酸含量相对较少，质膜受损伤的程度最高，从而抵抗NaCl的能力也较弱，这与WANG^[11]对不同菠菜幼苗耐盐能力差异的研究结论相似.

MDA含量是植物细胞膜质过氧化程度的体现，而SOD，POD，CAT是植物体内清除活性氧的重要酶类，对细胞的抗氧化、抗衰老具有重要意义.在本实验中，3种菠菜材料的MDA含量随着NaCl浓度的增加而增加，并在高浓度NaCl胁迫下达到峰值，而SOD，POD和CAT活性均表现为先升高后降低，其中耐NaCl材料S26和S77的MDA含量变化幅度较小，而其SOD，POD和CAT活性变化幅度均高于S4，这与WANG等^[16]的研究结果基本相似，但浓度有差异.由此可见，耐NaCl较高材料的NaCl适应能力也可能与其较低的膜脂过氧化程度及较高的抗氧化酶活性有关.当NaCl浓度超过了其可承受的阈值，保护酶系统遭到破坏而导致抗氧化酶的活性降低，耐NaCl菠菜的发芽、生长也将受到显著的抑制.

综上，3种菠菜材料的细胞膜在高NaCl浓度下的受伤害率与其NaCl耐性成负相关，S26和S77在NaCl胁迫下有相对较高的发芽能力、成苗能力以及较高的幼苗生长期渗透调节能力、膜质抗氧化能力，有利于各种生理生化过程的正常进行，从而体现出相对较高的NaCl耐受能力.

4  结 论

研究结果表明：不同菠菜材料间耐盐能力差异较大，无论是种子发芽能力、出苗表现还是苗期生长，S26，S77均显著优于S4;低浓度盐处理（50 mmol?L^-1NaCl）能促进菠菜种子萌发，但对根系及地上部分的生长的盐害胁迫无缓解作用.萌发期菠菜种子幼苗的地上部分与根相比对盐胁迫更敏感.菠菜材料在萌发期和苗期对NaCl的耐性表现一致，萌发期和苗期均可以作为菠菜NaCl耐性筛选参考时期. 耐NaCl材料S26，S77可通过较高的渗透调节和活性氧清除能力，从而降低NaCl胁迫对细胞质膜的损伤，提高耐NaCl能力.

参考文献

[1]  THAI N Q， KAZUHIKO E. Effects of secondary soil forming processes after deposittion on the clay mineralogical composition of saline soils and acid sulfate soils in Vietnam [J]. Clay Science，2007，13（4/5）：107?116.

[2]  UGUN K， FERREIRA J F S， LIU X， et al. Germination and growth of spinach under potassium deficiency and irrigation with high-salinity water [J]. Plants，2020，9（12）：1739.

[3]  WEN X X， WANG D， ZHOU A F， et al. Effects of salt stress on germination rate and physiological characters of different spinach varieties [J]. Shandong Agricultural Sciences，2016，48（3）：27?30.

[4]  ZHOU F， HUA C. Effect of low NaCl concentration on growth of spinach [J]. Acta Agriculturae Boreali-Occidentalis Sinica，2008，17（6）：127?129，143.

[5]  WANG J W， WEI Y Y， QIU H， et al. Effects of salt stress on seed germination of different spinach varieties [J]. Shandong Agricultural Sciences，2007（6）：48?53.

[6]  XU F F. The effect of salt stress and alkaline stress on seed germination of spinach and physiological difference [J]. Seed，2015，34（1）：77?79.

[7]  LONG J， HE X Z， LI K Z， et al. Effects of nitrate stress on the antioxidant enzyme activities and sterol content in two spinach varieties with different resistance [J]. Life Science Research，2013，17（6）：493?498，524.

[8]  HE L. Physiological reponse to salt stress and growth and development ofGlycine soja [D]. Changchun： Jilin Agricultural University，2011.

[9]  LI Z， YUN L， SHI Z Y， et al. Physiological characters ofPsathyrostachys juncea at seed germination and seedling growth stages salt stress [J]. Acta Prataculturae Sinica，2019，28（8）：119?129.

[10] KIM B M， LEE H J， SONG Y H ， et al. Effect of salt stress on the growth， mineral contents， and metabolite profiles of spinach [J]. Journal of the Science of Food and Agriculture，2020，101（9）：3787?3794.

[11] ZHANG J， ZHANG D Z， MA Y， et al. Effect of NaCl simulation of salt stress on seed germination and seedling growth ofAmmopiptanthus mongolicus [J]. Northern Horticulture，2014（14）：65?72.

[12] WANG J W. Studies on physiological characteristics of salt-tolerance difference among different spinach （Spinacia Oleracea L.） varieties [D]. Taian： Shandong Agricultural University，2008.

[13] NIU Y， YANG X Y， DAI C F， et al. Related indices selection of soybean salt tolerance at germination and seedling stages [J]. Soybean Science，2018，37（2）：215?223.

[14] FAN N， BAI W B， PENG Z D， et al. Salt-tolerant germplasm resources of sorghum： selection and comprehensive assessment [J]. Chinese Agricultural Science Bulletin，2018，34（10）：82?87.

[15] MA H B， CAO Y Y， CHEN J， et al. Effects of soil salt stress on wheat nutrient and osmotic regulator [J]. Jiangsu Journal of Agricultural Sciences，2012，28（6）：1300?1305.

[16] WANG X P. Physiological effects of different concentration of Na ion stress on Spinacia oleracea seedling [J]. Anhui Agricultural Science Bulletin，2010，16（23）：36?38.

（责任编辑：顾浩然，郁慧）

收稿日期： 2021-09-17

基金项目： 上海市科技兴农推广项目（沪农科推字（2021）第1-14号）

作者简介： 刘 吉（1996—），男，硕士研究生，主要从事蔬菜营养与栽培方面的研究. E-mail： 1808573441@qq.com

* 通信作者： 王小丽（1980—），女，博士，副教授，主要从事蔬菜营养与栽培方面的研究. E-mail： wxl2006by@163.com

引用格式： 刘吉， 黄梦桑， 赵敏华， 等. NaCl胁迫对菠菜萌发和苗期生理特性的影响 [J]. 上海师范大学学报（自然科学版），2022，51（1）：1?8.