盐碱胁迫对油莎豆幼苗生长和生理性状的影响

唐榕， 梁培鑫， 郭晨荔， 郭睿， 何皇成， 王腾飞， 刘建国

(石河子大学 新疆兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆 石河子 832003)

随着自然环境的恶化，世界范围内土壤盐碱化问题愈发突出，使土地资源受到严重威胁。盐碱胁迫是影响植株正常生长发育的主要非生物逆境因素[1-2]，会直接导致植株产量和品质的下降。目前，盐碱胁迫已成为第二大影响因素，对作物正常生长发育的阻碍程度仅次于干旱胁迫[3]，所以种植耐盐碱的先锋作物对治理、改善盐碱地具有重要意义。我国的盐碱地主要分布于内陆，土壤中一般含有大量盐分，因我国地域广阔，不同区域的土壤盐成分存在明显不同，分为高盐低pH的中性盐胁迫或低盐高pH的碱性盐胁迫，通常土壤中的盐、碱化是相伴相随的[4]。盐胁迫主要是通过水分胁迫和离子毒害的形式表现出来，而碱胁迫中还包括高pH的胁迫[5]。由此常以Na2SO4、NaCl、Na2CO3、NaHCO3四种盐混合模拟外界盐碱条件[6-9]。因盐、碱胁迫发生机制的不同，对植物的作用机理及产生的危害也存在差异，植物遭受盐碱危害时首先会发生渗透胁迫和活性氧胁迫，表现为渗透调节物质及抗氧化酶活性发生响应，之后体内开始适应，并作出相应的调整[10]。在盐浓度不断增大的条件下，向日葵3种抗氧化酶活性均呈先升高后下降的趋势，而在高pH条件下，超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)的活性下降，过氧化物酶(POD)的活性则持续上升[11]。不同生长阶段的向日葵对盐碱胁迫的反应有所不同。在幼苗生长中，不同指标抑制程度均表现出碱胁迫大于盐胁迫[11]，同时两者间还具有协同效应[12]。董静等[13]研究指出，随着盐碱胁迫程度的增加，马齿苋叶片中的丙二醛(MDA)含量表现出不同程度的增长，但SOD、POD和CAT酶活性均呈先升后降的趋势，且脯氨酸(Pro)和可溶性糖含量在碱胁迫下的增幅均高于同浓度下的中性盐胁迫。

油莎豆(CyperusesculentusL.)亦称油莎草，原产于非洲地区，具有适应性强、抗逆性高、耐盐碱、耐贫瘠、抗旱的特点，是干旱区盐碱地种植优选作物及盐碱地改良的先锋作物。目前，关于油莎豆的研究主要在种植密度[14]、理化性质[15]、有效成分[16]等方面，而对盐碱胁迫方面的研究较少。油莎豆地下结果特性决定其适宜砂土种植，而砂质地大多属盐碱地。新疆砂化、盐渍化土地面积大，油莎豆在新疆干旱气候区种植表现出较强的适应性[17]。本文通过探讨油莎豆对盐碱胁迫生境的适应机理，以期为油莎豆在新疆绿洲盐碱环境下的种植提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

以中油莎1号品种为供试材料，选取籽粒饱满、大小一致且无虫眼的种子为试验材料，用5%NaClO溶液消毒10 min，用无菌水清洗3次，晾干后备用。

1.2 方法

试验选取中性盐(Na2SO4、NaCl)及2种碱性盐(Na2CO3、NaHCO3)为供试材料，均按1∶2混合模拟盐胁迫(Na2SO4∶NaCl)和碱胁迫(Na2CO3∶NaHCO3)2个处理组，每组设低、中、高3个浓度梯度。经前期预备试验，确定中性盐低、中、高浓度依次为80、160、320 mmol·L-1，pH值依次为7.06、8.21、9.44；设碱性盐低、中、高浓度依次为40、80、120 mmol·L-1，pH值依次为10.12、10.26、10.36，对照处理为蒸馏水+营养液，共7个处理。

1.3 培养

试验于2020年6—9月进行。采用室内发芽盒发芽法，将消过毒的油莎豆种子先置于低浓度处理液中浸泡3 d，置于装有蛭石的发芽盒中，灌入等量处理液，进行不同浓度盐碱胁迫处理。每盒10粒，以蒸馏水为对照，每处理重复6次。置于光照培养箱内培养(昼/夜14 h/10 h，温度30 ℃/25 ℃)，期间依据发芽盒内湿度情况，每处理添加等量处理液。幼苗培养至第20天，测量幼苗生长发育状况、渗透调节物质含量及抗氧化酶活性等指标。

1.4 测定项目

植株生长参数。胁迫处理幼苗培养至第20天，将油莎豆幼苗用蒸馏水洗净，滤纸吸干水分，称量株高、鲜重、根长等指标；在85 ℃下烘至恒重，称量地上和地下部干重。

生理指标。采集幼苗叶片，游离脯氨酸含量采用酸性茚三酮法测定；可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定；采用氮蓝四唑(NBT)光化还原法测定SOD活性；采用紫外吸收法测定CAT活性[18]。

盐敏感指数。采用Molhtar等[19]关于盐敏感指数(SSI)的公式进行计算。

SSI=[(WNaCl-Wcontrol)/Wcontrol]×100。

式中，WNaCl表示盐碱处理下数值；Wcontrol表示对照数值。

1.5 数据处理

运用Excel 2010、SPSS 26、Origin 2019对试验数据进行处理、分析及作图，并采用LSD法对数据进行显著性分析(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 盐、碱胁迫对油莎豆幼苗生长的影响

植物在逆境条件下，最直接的指标表现在植株高度上。表1显示，在不同浓度盐、碱胁迫下，油莎豆幼苗生长均会受到抑制，各生长指标整体呈显著下降趋势。其中，不同盐碱胁迫下对油莎豆幼苗地上部的抑制作用尤为显著。在高浓度下，中性盐胁迫下的幼苗苗长、地上部鲜干重分别较CK降低71.39%、74.11%、69.57%，碱性盐胁迫下分别较CK降低58.03%、45.31%、39.13%，且均呈显著差异。随着中性盐胁迫浓度的增加，油莎豆各指标均呈降低趋势。随着碱性盐胁迫浓度的增加，苗长、根长和地上部鲜、干重表现出不断降低趋势，而地下部鲜、干重在低浓度下较CK增加4.9%和15.36%，在中、高浓度处理下则表现出降低的趋势。

表1 盐、碱胁迫对油莎豆幼苗生长的影响

2.2 对油莎豆幼苗叶片Pro含量的影响

Pro是重要的渗透调节物质，其积累有利于植物抵御外界盐碱胁迫，因其对盐碱胁迫响应迅速，也可作为植物开始遭受胁迫的信号[20-21]。

图1显示，油莎豆幼苗Pro含量均随胁迫浓度的增大而增加。其中，在盐胁迫下，Pro含量随浓度的增加呈上升趋势，分别较CK增加88.72%、150.99%、288.03%，且差异均达到显著水平；在碱胁迫下则表现出先增后降的趋势，并在中浓度下达到最大，各处理分别较CK增加94.8%、161.44%、151.01%。整体来看，相比于碱胁迫，高浓度盐胁迫下Pro含量增加更为迅速。

同处理柱上无相同小写字母者表示组间差异显著(P<0.05)。图2～4同。图1 盐、碱胁迫对油莎豆幼苗叶片Pro含量的影响

2.3 对油莎豆幼苗叶片可溶性糖含量的影响

可溶性糖作为细胞中能量代谢的中间产物，在盐碱胁迫下对维持细胞内pH值稳定和离子平衡有重要作用[22]。由图2可知，随着处理浓度的增大，可溶性糖含量均呈增加趋势，且均高于对照，并在高浓度下达到最大值。其中，高浓度盐胁迫下可溶性糖含量较CK增加490.00%，显著高于其他各处理，各胁迫浓度处理均显著高于CK。碱胁迫下，低、中、高浓度处理相比CK分别增加29.83%、92.33%和119.67%，且中、高浓度碱胁迫下的可溶性糖含量显著高于其他处理。

图2 盐、碱胁迫对油莎豆幼苗叶片可溶性糖含量的影响

2.4 对油莎豆幼苗叶片抗氧化酶活性的影响

2.4.1 SOD活性

相对于生长指标，抗氧化酶是植物重要的抗逆防御系统，对外界胁迫的表征更迅速敏感，且在抗逆境方面扮演着重要的保护作用[23]。由图3可知，随着处理浓度的增加，油莎豆幼苗叶片中SOD活性均表现为先增加后下降的趋势，各处理下的SOD活性均大于CK。其中，盐胁迫低、中、高各处理的SOD活性差异不显著，但均显著高于CK，且低浓度下的SOD活性最大，低、中、高浓度处理相比CK分别增加53.95%、42.44%和41.08%；碱胁迫的SOD活性变化趋势与盐胁迫一致，在低浓度处理下达到最大值后，随着浓度的增大呈下降趋势，低浓度处理相较CK显著增加37.47%，而中、高浓度处理分别增加15.8%和3.61%，且与中、高浓度和对照间差异不显著。

图3 盐、碱胁迫对油莎豆幼苗叶片SOD活性的影响

2.4.2 CAT活性

无论是怎样的分组方式，小组成员都不宜过多，小组规模越大，小组中某个学生被隐藏和忽略的机会也就越大，最终小组的学习任务也只是少部分同学在完成，使合作学习的效率低下。小组的成员也不宜过少，过少的成员的分组可能会造成学习小组众多，教师没有充足精力照顾到每一个小组，课堂时间也不够每个小组展示发言。在提倡小班化教学的今天，小班额的班级为合作学习的科学分组提供了良好的环境，本次研究的固定分组方法是把学生划分成4人小组，一个班级大约8—10个小组，这种分组方式可以使小组合理的开展分工合作，每个学生也有机会发言，学生参与度高，学习效率提高。

由图4可知，随着胁迫浓度的增加，油莎豆叶片内CAT活性均呈上升趋势。其中，盐胁迫下分别增加48.80%、65.97%和72.61%，各处理与CK间差异不显著。碱胁迫下CAT活性增加迅速，中、高浓度处理较CK增加122.49%和170.75%，且显著高于CK；低浓度下与CK显著不差异。从总体来看，油莎豆叶片在低浓度时中性盐处理组的CAT活性高于碱性盐处理，而在中、高浓度时，碱性盐处理下CAT活性均高于中性盐处理。

图4 盐、碱胁迫对油莎豆幼苗叶片CAT活性的影响

2.5 对油莎豆幼苗盐敏感指数的影响

油莎豆对盐、碱胁迫的形态响应主要通过地上部植株、地下部根系的生物量变化来体现。表2显示，不同处理下，苗长、根长及生物量均受盐碱胁迫的抑制，对苗长和干重的抑制程度均随处理浓度的增大而增加。在碱胁迫下，地下部鲜干重在低浓度表现为促进效果，在中、高浓度中表现为抑制效果。由于油莎豆种子萌发对中性盐和碱性盐的敏感程度不同，故在本试验所设的盐、碱胁迫下的低、中、高浓度不一致，而在同浓度处理下(80 mmol·L-1，即盐胁迫的低浓度、碱胁迫的中浓度)，油莎豆幼苗苗长、根长、地上部干重和地下部干重的盐敏感指数均表现为碱胁迫高于盐胁迫。处于逆境时，植物通过体内渗透调节，增加可溶性糖含量，加速蛋白质分解，提高Pro含量，增强体内抗氧化酶(SOD、CAT)活性，以适应逆境和减少伤害。盐、碱胁迫会使油莎豆幼苗叶片中Pro、可溶性糖含量及SOD、CAT活性升高，随着处理浓度的增加，Pro、可溶性糖含量及CAT活性的盐敏感性也不断增加，而叶片中SOD活性盐敏感指数则随处理浓度增加不断降低。相同浓度下，盐碱胁迫对各代谢指标的影响与油莎豆形态指标基本一致。

表2 盐、碱胁迫下油莎豆幼苗各盐敏感指数的变化 单位:%

3 讨论

植物在逆境条件下生长，均会受到不同程度的抑制作用，而植物体内则会通过各种生理作用来适应或调节逆境条件带来的伤害。胡华冉等[24]研究表明，随着盐、碱浓度的增大，大麻幼苗的株高、根长和干物质均不断减小。本研究中，盐、碱胁迫下，幼苗苗长、根长等指标均随着胁迫浓度的增加呈下降趋势，碱性盐对植物伤害更大。在同种盐和同浓度处理下，地下部干鲜重的下降速率明显低于地上部，且在高浓度处理下尤为显著，使其在盐碱胁迫下，根冠比呈现上升的趋势，这种现象作为一种植物的自我保护效应，可以在一定程度上降低植物的蒸腾，并有利于植物从外界吸收水分和营养物质，缓解水分胁迫[25]。

通常在盐碱地中，植物会受到渗透胁迫和离子毒害，而许多植物则会通过体内的渗透调节以及调节Na+的分配来躲避伤害[26-30]。在盐碱环境下补血草幼苗叶片中蛋白质合成速率减慢，分解速率加快，致使其叶片内Pro含量增加，因其对盐碱胁迫反应迅速，可以作为植物开始受害的标志[31]。刘建新等[32]对裸燕麦幼苗研究表明，叶片中Pro的增加可能是植物适应盐碱胁迫的一种表现。本研究中，Pro含量在不同盐、碱胁迫下均表现为随处理盐浓度的增加而增加，其中中性盐处理下的Pro含量迅速增加，而碱性盐处理下Pro先增加后降低，Pro降低可能是因碱胁迫下，土壤pH的升高，部分金属离子发生沉积，植物根系对土壤中的矿质营养吸收受阻，造成营养胁迫，致使幼苗内蛋白质含量减少，间接导致Pro含量降低。从而表明油莎豆幼苗耐中性盐能力较强。

当植物开始遭受胁迫时，其体内抗氧化酶系活性均会不同程度的增强或着维持较高水平，这有助于清除其自身过多的氧自由基，以维持植物中细胞膜的稳定性和完整性[36]，本研究中，随盐浓度的增加，油莎豆幼苗中SOD活性均在低浓度下达到最大，然后呈下降趋势。表明SOD主要在油莎豆遭受轻度胁迫时发挥较大作用，随胁迫程度增大其活性降低，且相较与碱性盐，中性盐处理可更好的保持SOD活性。

4 小结

不同浓度盐、碱胁迫均会对油莎豆幼苗的生长发育产生抑制作用，在中性盐80～320 mmol·L-1，碱性盐40～120 mmol·L-1(pH值10.12～10.36)，随处理浓度增加，抑制作用逐渐增强，仅在低碱胁迫下的根系生长表现为促进作用。盐、碱胁迫使油莎豆启动防御机制，通过提高叶片内SOD、CAT活性以缓解盐害，并通过Pro与可溶性糖的积累调节油莎豆幼苗叶片中的渗透势，以此提高油莎豆对盐碱胁迫的适应能力。油莎豆对盐碱胁迫有一定耐受性，其幼苗对碱性盐耐受能力低于中性盐，表明碱胁迫对油莎豆造成的伤害更大。