混合苏打碱胁迫对不同油菜品种幼苗生理及光合系统的影响

郭怀刚， 李 芬， 金 迪， 艾堂顺， 赫可伟， 吴亚滨

(河南省农业科学院长垣分院，河南长垣 453400)

土壤盐碱化是制约粮食生产安全和土地利用效率的主要因素，目前，我国盐碱土地和盐碱障碍耕地总面积超过0.333 3亿hm，约占全国耕地面积的10%，而且盐碱土地总面积正以每年10%的速度增长，同时土地盐碱化问题的解决一直与我国农业可持续发展等战略挂钩。因此，挖掘和培育耐盐碱植物资源是改良和利用盐碱地最经济有效的生物途径之一，对缓解耕地压力、保障粮食安全和改善生态环境都具有非常重要的现实意义。

大量研究表明，当植株受到盐分离子胁迫危害时，其细胞生理代谢功能异常，极大程度上阻碍了植株对养分吸收与利用效率，使植物的生育进程受阻。盐碱胁迫还破坏植物体内离子平衡，导致渗透胁迫和水分不足，最终降低光合速率并抑制植物生长。李子英等研究表明，盐柳幼苗在盐碱胁迫下，通过体内积累脯氨酸和可溶性糖，来缓解造成的损伤。对于紫花苜蓿而言，混合盐碱胁迫下，紫花苜蓿苗期叶片中的抗氧化酶活性呈现增加趋势。相关研究表明，在低浓度盐碱胁迫下，植物可通过体内自身调节抗氧化酶活性来抵抗逆境对其造成的伤害，高浓度盐碱胁迫下，抗氧化酶活性下降，从而对植物的损伤程度加剧，甚至死亡。

油菜(L.)是中国第一大油料作物，占自产植物油总量的47%以上，同时也是能源、青储饲料和工业原料的重要来源。近年来，随着休闲农业和乡村旅游业的发展，油菜又成为一种观光型植物，种植面积逐步增加。油菜在生长过程中，当受到盐碱胁迫时，可致胚根、胚芽无法正常生长，种子萌发受到严重抑制；油菜幼苗苗高、根长、茎粗、叶面积、叶片叶绿素含量、叶片荧光参数随盐碱程度的升高呈下降趋势，且油菜体内活性氧(reactive oxygen species，简称ROS)失去平衡，渗透调节物质发生变化，阻碍油菜的正常生长，严重影响油菜的产量和品质。

目前，国内外对盐碱胁迫的研究主要集中在小麦、水稻、玉米等作物，而混合苏打碱对油菜幼苗生长、光合系统和活性氧的影响研究较少。鉴于此，本研究利用混合苏打碱处理不同品种油菜，研究不同油菜品种在碱胁迫下对生长和生理的影响， 以期明确油菜耐碱生理机制，为筛选耐碱油菜品种提供理论和技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料甘蓝型油菜三系杂交种丰油10号、常规种双油8号，均由河南省农业科学院经济作物研究所油菜研究室提供。

1.2 幼苗培育

试验于2020—2021年在河南省农业科学院长垣分院进行。首先，挑选大小饱满一致无破损的油菜种子，用10% NaHClO消毒，浸泡15 min，其间不断搅拌，无菌水清洗4次，均匀摆入底部铺有2层滤纸培养皿中，加10 mL无菌水，于培养箱(上海博讯光照培养箱，BSG-300)22 ℃暗培养催芽48 h。然后，将芽长一致的油菜种子播于装有基质营养土[蛭石 ∶土=1 ∶1(∶)]的塑料花盆(上口径 180 mm×下口径125 mm×高150 mm)中，每盆定植6株，覆土1 cm，培养条件如下：昼夜温度为(23±1) ℃/(18±1) ℃，光照14 h，光照度为 30 000 lx，相对湿度为60%～80%。

1.3 碱胁迫处理

油菜幼苗长至3叶1心时，选取长势一致的油菜幼苗直接进行碱胁迫处理。根据碱化土壤中碱性成分的组成特点，试验将选用NaCO和NaHCO2种试剂的100 mmol/L混合苏打碱溶液，按照相同浓度不同配比及pH值由低到高，即将 NaCO∶NaHCO分别按照1 ∶9(S1)、5 ∶5(S2)、9 ∶1 (S3)的摩尔比混合，以不加碱溶液为空白对照CK(S0)，共模拟出4种碱胁迫环境，根据不同品种简写为“丰/双”(表1)。碱处理为浇灌方式，每盆以100 mL混合苏打碱溶液进行浇灌处理，连续浇 3 d，以浇蒸馏水为对照，共8个处理，每个处理4次重复。碱处理后第3天，观察幼苗生长状态、测定光合指标，然后取样用锡箔纸包好，投入液氮中速冻，-80 ℃ 保存，备用。

表1 试验处理

1.4 生长和生理指标的测定

1.4.1 生长指标和光合参数 在供试时间点分别取样，测定植株株高、根长、地上部鲜质量、地下部鲜质量；滤纸包裹105 ℃烘箱杀青30 min，80 ℃烘至恒质量，称取地上部、地下部干质量。利用Li-6400 XTR光合仪(美国Li-COR公司)测定油菜幼苗净光合速率()、胞间CO浓度()、气孔导度()、蒸腾速率()。

1.4.2 氮含量 油菜幼苗植物组织全氮含量采用凯氏定氮法(K1160凯氏定氮仪，海能未来技术集团股份有限公司)测定。

1.4.3 抗氧化相关指标 叶绿素a(Chl a)、叶绿素b(Chl b)、类胡萝卜素(Car)的含量参照朱子超的方法测定并计算；超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，简称SOD)、过氧化物酶(peroxidase，简称POD)、过氧化氢酶(catelase，简称CAT)的活性参照Jiang等的方法测定；参照Hodges等的方法用硫代巴比妥酸法测定丙二醛(malondialdehyde，简称MDA)含量。

1.4.4 渗透调节物质 可溶性糖含量参照刘明杨等的方法采用蒽酮法测定；可溶性蛋白含量参照曹建康的方法采用考马斯亮蓝G-250染色法测定。

1.5 数据分析

利用Excel 2010对数据进行整理和图表制作，利用SPSS 21.0软件进行单/双因素方差分析，采用Duncan’s检验法进行多重比较及差异显著性分析，相关分析采用Pearson’s相关系数。

2 结果与分析

2.1 混合苏打碱对不同油菜品种幼苗生长的影响

通过对不同品种油菜幼苗生长及表型分析，从图1可以看出，与未处理对照相比，经混合苏打碱溶液处理后，不同油菜品种植株各处理呈现明显变化。从群体水平来看，丰S2、丰S3、双S2、双S3处理株高均低于空白对照和S1处理(表2)，且植株叶片出现萎蔫现象；从个体水平来看，丰S1、双S1处理株高大于丰S0、双S0处理，丰S2、丰S3、双S2、双S3处理叶片出现黄化现象，且丰S3、双S3处理较严重。

此外，混合苏打碱对不同油菜品种生物量影响也不尽相同，从表2可以看出，与未处理对照相比，混合苏打碱溶液处理油菜植株随处理pH值的增高，株高、根长、地下部鲜质量和地下部干质量均呈先升高后降低趋势，其中供试指标在丰S3和双S3处理较同品种对照分别降低了25.6%、32.0%、53.1%、44.4%和10.6%、16.2%、59.3%、40.0%；根冠比丰S3和双S3处理较同品种对照降低31.1%和8.0%，表明不同程度碱胁迫可抑制油菜正常生长，阻碍油菜幼苗生物量的积累。

表2 混合苏打碱对不同油菜品种幼苗生物量的影响

2.2 混合苏打碱对不同油菜品种幼苗叶绿素含量的影响

从表3可以看出，与未处理对照相比，碱胁迫可使油菜叶片Chla、Chlb、Chla+Chlb和Car含量随pH值增高，呈先升高后降低趋势，其中Chla、Chlb、Chla+Chlb和Car含量在丰S3和双S3处理较同品种对照分别降低了36.2%、45.5%、38.8%、24.4%和56.8%、39.2%、52.6%、67.9%，表明不同程度的碱胁迫均可影响油菜叶片叶绿素含量。

表3 混合苏打碱对不同油菜品种幼苗叶绿素含量的影响

2.3 混合苏打碱对不同油菜品种幼苗光合参数的影响

如图2所示，与未处理对照相比，碱胁迫处理不同品种油菜植株净光合速率()、胞间CO浓度()、气孔导度()和蒸腾速率()随不同碱处理呈现不同程度变化。其中随pH值增高双油8号呈降低的趋势，而丰油10号呈先降低后升高再降低趋势，和随pH值增高，均呈降低的趋势，其中、和在丰S3和双S3处理时较同品种对照分别降低了74.7%、73.8%、90.0%和78.9%、94.6%、92.0%(图2-A、图2-C、图2-D)，且丰S3处理值高于双S3；随pH值增高，丰油10号呈先升高后下降再升高趋势，而双油8号呈先降低后升高趋势，其中丰S3和双S3较同品种对照升高了302.7%和659.1%(图2-B)，且丰S3处理值低于双S3，说明碱胁迫可使不同油菜品种叶片气孔发生变化，导致植株净光合速率下降，影响油菜幼苗光合产物积累和正常生长。

2.4 混合苏打碱对不同油菜品种幼苗氮含量的影响

氮是植物生长过程中必需的重要元素之一，测定植物全氮含量可以直观地了解植物生长状况。如图3所示，与未处理对照相比，随pH值增高，丰油10号油菜氮含量呈下降趋势；双油8号油菜则呈先升高后下降趋势，且品种内不同处理间差异显著。其中丰S3和双S3较同品种对照降低了31.5%和29.9%，且丰油10号油菜各处理氮含量低于双油8号。表明碱胁迫可使不同品种油菜植株氮含量产生影响，在S3处理较严重阻碍油菜植株生物量积累。

2.5 混合苏打碱对不同油菜品种幼苗丙二醛含量的影响

丙二醛含量是衡量植物脂质过氧化的重要指标之一。如图4所示，与未处理对照相比，碱胁迫2个油菜品种，植株MDA含量随pH值的增高，呈上升的趋势。其中丰S3和双S3处理较同品种对照处理分别上升了379.1%和49.0%，且丰S3处理MDA含量较双S3处理高45.7%，表明混合碱胁迫处理可导致不同油菜品种植株活性氧积累，膜质发生氧化损伤，甚至严重损伤。

2.6 混合苏打碱对不同油菜品种幼苗可溶性蛋白、可溶性糖含量的影响

与未处理对照相比，混合碱溶液处理2个品种油菜植株，其可溶性蛋白含量随pH值的增高，呈上升的趋势(图5-A)；可溶性糖含量随pH值的增高，丰油10号呈先降低后升高趋势，而双油8号呈升高趋势(图5-B)。其中可溶性蛋白含量、可溶性糖含量在丰S3和双S3处理较同品种对照分别上升了23.1%、425.2%和10.3%、780.9%，且除可溶性蛋白含量S0处理，丰油10号各供试处理均高于双油8号。表明混合碱胁迫处理可影响2个品种油菜植株可溶性蛋白和可溶性糖含量，增加的可溶性蛋白和可溶性糖可作为渗透调节物质和营养物质抵御不同程度的碱胁迫。

2.7 混合苏打碱对不同油菜品种幼苗抗氧化酶活性的影响

相同处理下，POD和CAT活性随pH值增高，丰油10号呈先升高后降低再升高的趋势，而双油8号呈升高趋势，其中丰油10号和双油8号2个品种油菜体内POD和CAT活性在S1、S2、S3处理时较同品种对照分别上升了110.5%、2.33%、414.0%，33.5%、83.5%、223.6%(图6-B)和22.2%、18.5%、155.6%，158.8%、164.7%、417.6%(图6-C)，且在高pH值处理(S3)下双油8号酶活性均高于丰油10号，表明碱胁迫导致油菜体内多个活性氧清除系统启动，用于维持体内活性氧稳态。

2.8 不同油菜品种、pH值对各生理指标的影响

如表4所示，油菜品种和土壤pH值对油菜幼苗各生理指标均产生影响，其中品种与POD活性、氮含量呈极显著影响，pH值与株高、叶绿素含量、MDA含量、POD活性和氮含量呈极显著影响；同时，二者(品种×pH值)交互作用对植物株高呈显著影响，与叶绿素含量、MDA含量、POD活性和氮含量均呈极显著影响。表明在混合苏打碱胁迫下，品种及pH值对油菜幼苗生长产生显著影响，且二者之间具有互作效应。

表4 油菜品种、pH值对相关生理指标双因素方差分析结果

2.9 油菜幼苗与相关生理指标间相关性分析

由表5可知，混合苏打碱溶液处理2个油菜品种，油菜幼苗株高与、叶绿素含量呈显著正相关，与呈极显著负相关；氮含量与、、呈极显著正相关，与、CAT活性和可溶性糖含量呈极显著负相关，与POD活性和可溶性蛋白含量呈显著负相关；叶绿素含量与株高、呈显著正相关，与呈极显著负相关，与可溶性糖含量呈显著负相关；MDA含量与POD活性、CAT活性呈极显著正相关，与可溶性蛋白含量和可溶性糖含量呈显著正相关，与呈显著负相关；可溶性蛋白含量与、CAT活性、MDA含量、可溶性糖含量呈显著正相关，与POD活性呈极显著正相关，与、、氮含量呈显著负相关，与呈极显著负相关；可溶性糖含量与、CAT活性呈极显著正相关，与POD活性、MDA含量和可溶性蛋白含量呈显著正相关，与、、、可溶性糖含量呈极显著负相关，与叶绿素含量呈显著负相关。

表5 碱胁迫油菜幼苗与生理指标的相关系数

综上所述，油菜植株氮含量、叶绿素、光合参数、抗氧化酶活性、MDA含量和渗透调节物质之间相关性显著，说明混合苏打碱处理可以对油菜幼苗的生理产生综合影响，从而影响植株净光合速率及营养物质的积累。

3 讨论与结论

3.1 混合苏打碱对不同油菜品种幼苗生长特征的影响

本研究表明，在不同配比的混合苏打碱溶液处理下，油菜幼苗生长均受影响，其最直观表现为株高、根长、干鲜质量的变化。相关学者认为，盐碱胁迫能抑制植物生长发育，且对地上部抑制较明显。范惠玲等研究表明，芸芥在混合盐碱胁迫下，其根长、干鲜质量受到抑制。本研究结果显示，丰油10号、双油8号油菜株高与CK间差异不显著，而在S3处理时差异显著，且双S3处理高于丰S3处理，表明双油8号油菜更适应高pH值的生长环境。本研究还表明，2个油菜品种叶绿素含量随pH值的增加呈先升高后降低的趋势，与Feng等研究结果相一致。

3.2 混合苏打碱对不同油菜品种幼苗生理特征的影响

在植物正常生理代谢过程中，光合作用是其主要途径之一。气孔及非气孔因素是影响光合速率的2个主要因素，非气孔因素主要是由于CO溶解度降低，气孔扩散能力减弱导致；而气孔限制因素下，植物常表现为光合速率下降、输导组织受损、气孔阻力升高。相关研究表明，当植物受胁迫导致叶片损伤时，光合作用下降。本试验研究结果显示，丰油10号、双油8号2个油菜品种、和随碱溶液pH值的增高整体呈降低的趋势，与李学孚等研究结果一致，表明油菜叶片光合作用降低主要是由气孔限制导致。硝酸盐作为植物主要氮源，大多数植物利用本身一部分光合产物进行硝酸盐的同化和吸收，光合速率下降影响植物硝酸盐同化，本试验结果表明，碱胁迫处理2个油菜品种，植株氮含量随pH值的增高，丰油10号呈下降趋势，双油8号呈先升高后下降的趋势，且双油8号油菜不同处理全氮含量均高于丰油10号，反映出双油8号品种油菜较好的耐碱性。

MDA含量是衡量植物膜质氧化损伤程度的重要指标之一。刘萌等研究发现，盐胁迫下野生型大豆和栽培型大豆MDA含量均表现上升。随着土壤酸度的增强，小麦根系的MDA含量增加。本研究发现，碱胁迫2个油菜品种，植株MDA含量随pH值的增高呈上升的趋势。且丰S3处理MDA含量较双S3处理高45.7%，表明丰油10号油菜对碱较敏感，膜质发生氧化损伤较严重。

可溶性糖作为植物的碳源和能量来源，对细胞膜结构起稳定作用，同时可溶性蛋白质和可溶性糖等作为渗透调节物质中的有机溶质，可保护大分子结构免受非生物胁迫引起的损害，并在植物氧化还原过程中起关键作用。路旭平等研究表明，不同供试品种水稻根系可溶性蛋白含量和可溶性糖含量随胁迫程度的增加呈现上升的趋势。相关研究表明，盐碱胁迫可诱导小白菜可溶性糖的积累。盐碱混合胁迫下，高粱可溶性蛋白含量随着盐碱浓度的增加呈先升高后降低的趋势。本研究发现，在不同比例混合苏打碱处理下丰油10号和双油8号2个油菜品种可溶性蛋白和可溶性糖含量，随pH值的增加整体呈上升趋势，且除CK外丰油10号油菜可溶性蛋白和可溶性糖含量及增幅均高于双油8号，表明不同品种油菜盐碱胁迫后渗透调节能力不同，丰油10号可积累更多渗透调节物质，以抵御碱胁迫引起的渗透胁迫。

植物通过抗氧化防御系统平衡活性氧代谢，抗氧化系统包括非酶抗氧化剂，如谷胱甘肽(GSH)和抗坏血酸(AsA)，以及酶抗氧化剂，如SOD、POD和CAT等。有研究发现，碱胁迫处理海棠后，其SOD和POD的活性降低。刘铎等研究结果表明，碱胁迫情况下随着盐浓度升高，柳树叶片的SOD、POD和CAT这3种酶活性呈先升后降变化趋势。Chen等研究表明，川蔓藻幼苗SOD、POD和CAT活性在低盐碱浓度下增加，在高浓度下降低。本研究结果表明，在不同配比混合苏打碱胁迫下，丰油10号和双油8号油菜植株SOD、POD和CAT活性随pH值的增高，呈不同趋势变化，其中SOD活性在S3处理时双油8号高于丰油10号；双油8号植株POD活性在各供试处理均高于丰油10号；双油8号植株CAT活性在S1、S2和S3处理时均高于丰油10号。研究结果表明，在高pH值胁迫处理下双油8号抗氧化防御系统较活跃，酶类抗氧化剂活性较高，说明双油8号具有较强的酶促抗氧化系统，以抵御高pH值胁迫带来的伤害。

3.3 混合苏打碱对不同油菜品种幼苗生理指标的影响

本研究根据油菜品种和pH值对生理指标进行双因素方差分析，结果显示，品种、pH值以及二者的互作效应与各指标均有密切关联。同时，本试验通过分析油菜幼苗各生理指标的相关性发现，油菜株高、氮含量、叶绿素含量、光合参数、抗氧化酶活性、MDA含量和渗透调节物质之间相关性显著，表明混合苏打碱处理可以对油菜幼苗的生理产生综合影响，从而影响植株净光合速率及营养物质的积累。

综上所述，不同配比混合苏打碱均可影响供试油菜幼苗正常生长和生理代谢，不同油菜品种对不同程度碱胁迫表现出不同生理特征，丰油10号油菜以积累渗透调节物质来抵御碱胁迫带来的伤害，而双油8号品种油菜具有较强的酶促抗氧化系统，以增高酶类抗氧化剂活性，来抵御高pH值胁迫带来的伤害。