不结球白菜幼苗对中、碱性钠盐胁迫响应差异性研究

朱红芳, 李晓锋, 李平, 梁志杰, 宁东峰, 刘铎,*

不结球白菜幼苗对中、碱性钠盐胁迫响应差异性研究

朱红芳1, 李晓锋1, 李平2,3, 梁志杰2,3, 宁东峰2,3, 刘铎2,3,*

1. 上海市农业科学院设施园艺研究所/上海市设施园艺技术重点, 上海 201106 2. 中国农业科学院农田灌溉研究所, 河南新乡 453002 3. 中国农业科学院农业水资源高效安全利用重点开放实验室, 河南新乡 453002

不结球白菜(ssp.)是重要的蔬菜作物, 近年来由于不合理的灌溉及栽培方式导致设施土壤次生盐渍化越来越严重, 对蔬菜生产造成不良影响, 盐碱胁迫也会抑制不结球白菜正常生长。以往有关不结球白菜耐盐碱研究更多的是关注中性盐对不结球白菜生长与生理的影响, 而有关碱性盐对不结球白菜生长与生理的研究则较少。本研究通过水培实验, 设置不同的盐碱胁迫处理, 研究不结球白菜对中、碱性钠盐胁迫响应差异机制。研究发现: 同等胁迫浓度下, 相比于中性盐胁迫, 碱性碳酸盐胁迫下不结球白菜幼苗的鲜重、生物量、各个叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和总叶绿素含量降低更多。相比也中性盐, 碱性盐对不结球白菜抗氧化系统影响更大, 过氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)活性更高MDA含量和质膜透性(MI)值更高, 而过氧化酶(CAT)活性则在碱胁迫下较低。相比于中性盐胁迫, 碱性碳酸盐胁迫下不结球白菜体内脯氨酸和可溶性糖的积累量更高, 对不结球白菜渗透调节系统影响更大。根据实验结果得出, 相比于中性盐胁迫, 碱性碳酸盐胁迫对不结球白菜生长抑制作用更强, 对其生理影响更大。

不结球白菜; 盐碱; 胁迫; 差异

0 前言

土壤盐渍化是世界范围内备受关注的资源环境问题[1-3],由于自然因素如全球变化及人为因素如化肥施用过量及灌溉方式不合理等, 盐渍化土地面积仍在不断扩大[4, 5]。目前, 设施农业发展迅猛, 已经成为我国重要的蔬菜生产方式。然而, 过分追求短期利益, 管理措施与栽培技术落后, 灌溉及施肥不合理等现象, 进一步加剧了土壤次生盐渍化, 严重抑制设施蔬菜作物的生长[6], 因此,研究设施蔬菜作物耐盐碱机理对于设施农业可持续发展具有重要意义。

不结球白菜(ssp.)为十字花科芸薹属一、二年生草本植物[7], 其适应性强, 生长速度快, 营养好, 产量高, 广受人们喜爱, 是非常重要的蔬菜作物[8], 设施土壤次生盐渍化会抑制不结球白菜正常生长, 进而影响其产量, 因此, 研究其耐盐碱机理对于指导不结球白菜生产具有重要的意义。以往有关不结球白菜耐盐碱机理研究, 更多的是以中性盐为胁迫介质进行研究[9]。而盐碱土壤中, 盐与碱是相伴而生的, 盐碱土壤中各种阴阳离子主要有Na+、Cl-、SO42-、CO32-和HCO3-。由NaCl和Na2SO4引起的胁迫叫中性盐胁迫, 由Na2CO3和NaHCO3引起的胁迫叫碱性盐胁迫, 由二者混合引起的胁迫被称作混合盐碱胁迫。有关不结球白菜耐碱性的研究鲜见报道, 并且以往有关植物对中碱性钠盐响应差异性研究认为, 引起盐碱胁迫差异性的主要pH因素[10, 11], 其认为相比于中性盐胁迫, 碱胁迫对植物之所以危害更大, 主要是因为高pH因素起到决定作用,往往忽略了阴离子单盐毒害的影响。本实验通过水培实验, 通过设置不同实验处理模拟不同盐碱环境, 单独提高中性盐pH值, 旨在分析不结球白菜对于中、碱性钠盐胁迫响应差异性机制, 并进一步明确引起盐碱差异的主要影响因素到底是什么, 为蔬菜耐盐碱生理研究提供理论支撑, 并为将来的农业生产实践与盐碱地治理提供技术指导。

1 材料与方法

1.1 实验设计

本实验所用上海青不结球白菜品种为‘夏青5号’, 首先用75%酒精对白菜种子进行消毒, 消毒结束后用蒸馏水将不结球白菜种子反复清洗几次, 清洗后的种子放入铺有育苗纸的育苗盒中进行育苗, 育苗盒培养5 d之后, 移栽至遮光黑素塑料桶中用1/2 Hogland营养液进行培养, 每盆5孔, 每孔2株蔬菜幼苗, 用人工LED灯进行光照培养, 每日光暗周期为10/14 h, 昼夜温度分别为25/20 ℃, 相对湿度为60%—70%。培养25 d之后进行不同胁迫处理, 设置了4个胁迫处理: CK:对照正常生长; (B): 中性盐胁迫(NaCl: Na2SO4=9:1,pH=6.5); (C): 中性盐高pH胁迫(NaCl: Na2SO4=9:1,pH=8.9); (D): 碱碳酸盐胁迫(NaHCO3: Na2CO3=9:1,pH=8.9), 每个胁迫处理4次重复。所有胁迫处理的Na+浓度为100 mmol·L-1。用浓HCl和1 mol·L-1NaOH调节溶液pH值, 培养过程中一直用通气泵向培养溶液中通气, 每3 d更换一次营养液, 胁迫处理的第5 d对地上部分叶片进行取样, 进行生长与生理指标测定。

1.2 测定指标与方法

不结球白菜鲜重采用称重法测定, 将收获的整株小麦植株放入烘箱中105 ℃杀青30 min后, 70 ℃下烘干至恒重, 然后称量测定植株生物量[12]。磺基水杨酸法测定脯氨酸含量[13], 蒽酮比色法测定可溶性糖含量[14], 丙酮提取法测定叶绿素含量[15], 采用雷磁DDB-303A型电导率仪测定质膜透性[16], 氮蓝四唑法超氧化物歧化酶(SOD)活性[17]、紫外吸收法测定过氧化氢酶(CAT)活性[18]、愈创木酚法测定过氧化物酶(POD)活性[19]、硫代巴比妥酸法测定丙二醛(MDA)含量[18]。

1.3 数据统计与分析

本研究中所有测定的指标数据, 采用spss19.0软件对实验结果进行单因素方差分析及显著性检验(<0.05), 采用Sigmaplot 10.0软件进行数据绘图。

2 结果与分析

2.1 中、碱性钠盐对不结球白菜生长的影响

如图1所示, 盐碱胁迫会抑制不结球白菜正常生长, 降低不结球白菜鲜重和生物量。其中C处理情况下不结球白菜的鲜重最低分别为CK、A和B处理的25.1、32.7和40.8 %达到极显著差异(<0.01)。同样, 不结球白菜生物量在C处理下生物量最低, 为CK处理的57.3%(<0.05)达到显著性差异, 为A和B处理69.6 %和79.6 %, 未达到显著性差异。

2.2 中、碱性钠盐对不结球白菜抗氧化系统的影响

如图2所示, 盐碱胁迫会对不结球白菜幼苗产生影响, 过氧化物酶(POD)活性在C胁迫处理下最高, 分别为CK、A和B处理的4.93、2.76及1.72倍达到极显著差异(<0.01)。过氧化物酶(CAT)活性在A胁迫处理下最高, 为CK的1.36倍达到显著差异(<0.05)。B胁迫处理下CAT活性为CK的82.6%未达到显著差异, C胁迫处理下CAT活性为CK的62.7%, 达到显著差异(<0.05)。不结球白菜幼苗超氧化物歧化酶(SOD)活性在C胁迫处理下最高, 分别为CK、A和B处理的5.02、2.58和2.08倍达到极显著差异(<0.01)。不结球白菜幼苗丙二醛(MDA) 含量在C胁迫处理下最高, 分别为CK、A和B处理的2.79、2及1.82倍达到显著差异(<0.05)。不结球白菜质膜透性在C胁迫处理下最高, 分别为CK、A和B处理的5.22、1.83和1.7倍达到极显著差异(<0.01)。

Figure 1 Effects of salt-alkali stress on the growth of non-heading Chinese cabbage

Figure 2 Effects of salt-alkali stress on antioxidant system of non-heading Chinese cabbage

2.3 中、碱性钠盐对不结球白菜叶绿素含量的影响

如图3所示盐碱胁迫下不结球白菜的各个叶绿素组分都会降低, 不结球白菜叶绿素a含量在C处理情况下最低, 分别为CK、A和B处理的45.9、48.4和50.3 %(<0.01)达到极显著差异。叶绿素b含量在C处理下也最低, 分别为CK、A和B处理的34、38.7和41.8 %(<0.01)达到极显著差异。类胡萝卜素含量在C处理下最低, 分别为CK、A和B处理的59.6、62.1和70.2 %未达到显著性差异。总叶绿素含量在C处理下最低, 分别为CK、A和B处理的42.8、46.1和48.3 %(<0.01)达到极显著差异。

图3 盐碱胁迫对不结球白菜叶绿素含量的影响

Figure 3 Effect of saline-alkali stress on chlorophyll content of non-heading Chinese cabbage

2.4 中、碱性钠盐对不结球白菜渗透调节的影响

如图4所示盐碱胁迫下不结球白菜幼苗的渗透调节物质含量会增加, 由数据图和表型图可以看出, 不结球白菜幼苗的脯氨酸含量在C处理情况下最高分别为CK、A与B的10.58、4.47和3.74倍(<0.01)达到极显著差异。不结球白菜的可溶性糖含量在C处理下最高分别为CK、A与B的2.73、1.86和1.48倍(<0.01)达到极显著差异。

3 讨论

盐碱胁迫是重要的非生物胁迫限制因素, 近年来由于不合理的灌溉与施肥方式导致设施农业次生盐渍化现象越来越严重[20, 21], 蔬菜生长受到影响,导致其产量和品质下降。

盐碱胁迫对植物伤害最直观的体现就是抑制植物正常生长。本实验中, 盐碱胁迫会抑制不结球白菜正常生长, 并且相比于中性盐胁迫, 同等浓度碱性碳酸盐胁迫下对不结球白菜鲜重和生物量更低, 对不结球白菜幼苗生长抑制作用更强。

植物在正常的生长条件下, 其体内活性氧的产生与消除之间保持动态平衡, 而在盐碱胁迫条件下, 这种动态平衡会被打破。植物体内过多的活性氧会多细胞质膜造成损害, 进而产生氧化胁迫。为了抵御氧化胁迫植物会提高各种抗氧化酶的活性,达到消除过多活性氧的目的[22]。本实验中盐碱胁迫下不结球白菜的各种抗氧化酶活性都在升高, 其中POD和SOD活性在盐碱胁迫下都升高了, 并且相同胁迫浓度下, 在碱性碳酸盐处理下POD和SOD酶的活性更高, CAT活性则相对于正常生长和中性盐胁迫处理则较低。相同胁迫浓度下, 在碱性碳酸盐处理下, 不结球白菜的MDA含量更高, 质膜透性值更高。这可能是由于碱性碳酸盐胁迫下, 不结球白菜受到的氧化胁迫更大, 不结球白菜受到氧化损伤更大, 进而导致了其MDA含量更高, 质膜透性更大。为了应对氧化胁迫不结球白菜必须调高POD和SOD活性, CAT活性降低可能是由于碱性碳酸盐胁迫下, 相关抗氧化调节功能超过极限失去活力导致的。

图4 盐碱胁迫对不结球白菜渗透调节系统的影响

Figure 4 Effects of salt-alkali stress on osmotic regulation system of non-heading Chinese cabbage

植物光合作用是植物生长的物质与能量基础, 叶绿素是参与植物光合作用的重要物质, 植物叶绿素含量是衡量植物光合作用强弱的重要指标。本研究中, 盐碱胁迫都会引起不结球白菜叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素及总叶绿素含量降低。同等浓度下, 相比于中性盐胁迫, 碱性碳酸盐胁迫下不结球白菜叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素及总叶绿素含量降低更多, 进而对不结球白菜光合作用抑制作用更强, 对起生长的抑制也更强。

盐碱胁迫会导致植物吸水困难, 进而引起生理干旱, 为了应对盐碱胁迫所引起渗透胁迫, 植物通常会通过在体内合成有机渗透调节物质来维持植物细胞正常渗透压来抵御渗透胁迫[23, 24]。其中脯氨酸与可溶性糖是两种非常重要的有机渗透调节物质, 对于植物抵御渗透胁迫具有非常重要的作用。本研究中, 盐碱胁迫下不结球白菜体中的脯氨酸与可溶性糖含量都会升高, 相同胁迫浓度下, 相比于中性盐胁迫, 碱性碳酸盐胁迫下不结球白菜会积累更多的脯氨酸和可溶性糖。这可能是由于相比于中性盐, 碱性碳酸盐胁迫对不结球白菜造成的渗透胁迫更严重引起的。

目前已经开展了对番茄[25]、柳树[26]、向日葵[27]、水稻[28]响应中碱性钠盐胁迫的研究, 结果表明相同浓度下相比于中性盐胁迫, 碱性盐胁迫对植物的生长与生理影响更大, 危害也更大。然而以往的研究认为主要是因为高pH因素的影响, 使得相比于中性盐胁迫, 碱性盐胁迫之所以对植物危害更大, 本实验中通过调高了中性盐pH发现, 其对不结球白菜造成危害仍然没有同等浓度下碱性碳酸盐对不结球白菜造成的危害更大。由此可以推测, 碱胁迫之所以对植物造成的危害更大不仅仅是因为高pH因素, 而主要因素是由于HCO3-和CO32-离子造成的单盐毒害使得细胞膜电位失衡引起的。其机理还有待进一步通过分子生物学、植物电生理及代谢组学等方法技术进一步研究揭示。

4 结论

由本实验可以得出以下结果。相比于中性盐胁迫, 同等浓度下碱性碳酸盐胁迫对不结球白菜的生长与生理活动影响更大。主要表现为: (1)碱性碳盐酸胁迫对不结球白菜生长抑制作用更强; (2)碱性碳酸盐胁迫下不结球白菜叶绿素流失量更多; (3)碱性碳酸盐胁迫对其抗氧化系统和渗透调节系统的危害更大。

并且由本实验结果还推测出, 同等胁迫浓度下碱性盐胁迫之所以对不结球白菜的危害更大, 不仅仅是因为高pH因素, 其主要因素可能是由HCO3-和CO32-离子引发的单盐离子毒害导致细胞膜电位失衡, 进而碱胁迫对不结球白菜的危害更大。

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Different response of non-heading Chinese cabbage seedling to saline and alkaline stress

ZHU Hongfang1, LI Xiaofeng1, LI Ping2,3, LIANG Zhijie2,3, NING Dongfeng2,3, LIU Duo2,3,*

1. ProtectedHorticulture Research Institute, Shanghai Academy of Agriculture Sciences/Shanghai Key Laboratory of Protected Horticultural Technology, Shanghai 201106 2. Farmland Irrigation Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Xinxiang, Henan 453002, China 3. Key Laboratory of High-efficient and Safe Utilization of Agriculture Water Resources of CAAS, Xinxiang, Henan 453002, China

Non-heading Chinese cabbage (ssp.) is an important vegetable crop. In recent years, due to the unreasonable irrigation and cultivation methods, secondary salinization of soil in the facility has become more and more serious, which has caused adverse effects on vegetable production. Saline-alkali stress will also inhibit the normal growth of Chinese cabbage. In the past years, more attention has been paid to the effects of neutral salt on the growth and physiology of non-heading Chinese cabbage, while less attention has been paid to the effects of alkaline salt on the growth and physiology of non-heading Chinese cabbage. In this study, different salt and alkali stress treatments were set up through hydroponic experiment to study the different response mechanism of non-heading cabbage to medium and alkaline sodium salt stress. The results shown that the fresh weight, biomass, chlorophyll a, chlorophyll B, carotenoid and total chlorophyll contents of non-heading Chinese cabbage seedlings under alkaline carbonate stress decreased more than those under neutral salt stress at the same stress concentration. Compared with neutral salt, alkaline salt had greater influence on the antioxidant system of non-heading Chinese cabbage, with higher activity of peroxidase (POD) and superoxide dismutase (SOD), and higher MDA content and plasma membrane permeability (MI), while the activity of peroxidase (CAT) was lower under alkali stress. Compared with neutral salt stress, the accumulation of proline and soluble sugar in non-heading Chinese cabbage was higher under alkaline carbonate stress, which had a greater influence on the osmotic regulation system of non-heading Chinese cabbage. According to the experimental results, compared with neutral salt stress, alkaline carbonate stress has a stronger inhibitory effect on the growth of non-nodular cabbage, and has a greater effect on its physiology.

non-heading Chinese cabbage; saline-alkaline; stress; different

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.06.021

S5-3

A

1008-8873(2022)06-176-07

2020-10-20;

2020-12-03

上海市绿叶蔬菜产业技术体系[沪农科产字(2022)第02号]; 上海市农业科学院卓越团队[农科卓2022(005)]；中央级公益性行业科研院所基本科研业务费(FIRI2019-04-01); 中国农业科学院科技创新工程项目(CAAS-ASTIP-FIRI-03)

朱红芳（1980—）, 女, 江苏苏州人, 博士研究生, 副研究员, 专业方向为从事叶菜类蔬菜遗传育种和栽培, E-mail:shzhf1980@126.com

通信作者:刘铎, 男, 博士, 助理研究员, 专业方向为从事为植物逆境生理学, E-mail:ld258825@126.com

朱红芳, 李晓锋, 李平, 等. 不结球白菜幼苗对中、碱性钠盐胁迫响应差异性研究[J]. 生态科学, 2022, 41(6): 176–182.

ZHU Hong Fang, QI Xuebin, LI Ping, et al. Different response of non-heading Chinese cabbage seedling to saline and alkaline stress[J]. Ecological Science, 2022, 41(6): 176–182.