油莎豆对自然盐碱胁迫的生长及生理响应

梁培鑫，唐 榕，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）

0 引言

油莎豆又名油莎草，莎草科莎草属多年生草本植物。原产于非洲东北部，于2006年后在中国新疆、内蒙古、广西、湖南、湖北、河北、北京等地发展迅速。油莎豆具有播期长、病虫害少、抗逆性强、耐盐碱、贫瘠等优良植物学性状[1]，同时还具有含油量高、品质好、产量高等经济性状[2]，是良好的大豆替代作物。油莎豆生长期在120天左右，收获地下块茎，一般产量为7500～9000 kg/hm2，是花生的2倍、油菜的3～4倍，油脂含量平均达25%、淀粉35%、糖分15%、粗蛋白5%左右。块茎榨油后，还可用于生产淀粉、制糖、酿酒等[3]。做为绿色饲料，油莎豆分蘖能力强，每公顷约产鲜草45000 kg，其可应用于粮、油、牧、饲等多个方面[4]。油莎豆做为新型的油料作物，适合在中国西北荒漠化地区种植，可充分利用当地沙化、盐碱、休弃耕的土地资源。新疆沙化土地资源丰富，在油莎豆种植上具有巨大潜力[5]。

目前，土壤盐碱化已成为制约农业生产的最大障碍性因子，其严重制约了农作物的产量与品质，限制了中国农业经济的发展。据统计，世界上盐渍土壤面积为9.54亿hm2左右，中国盐渍土壤面积约为3460万hm2，分布主要集中于东北、华北、西北等内陆地区及长江以北的沿海地带[6]。其中作为土壤盐碱化最严重地区之一，新疆境内拥有将近中国1/3的盐碱地，因其地处内陆、年降水量小、空气干燥、且夏季炎热、地表温度高、蒸发量巨大，使地下深层的矿化盐分下不断向上迁移，聚积在表层，导致土壤盐渍化加重，严重制约了新疆农业发展[7]。油莎豆在新疆干旱半干旱气候区种植表现出较强的适应性，兼具有经济、生态的综合效应[8]。

前人研究发现，盐碱胁迫对植物的整个生长过程均会产生影响，盐碱环境下将导致植物发育受阻，组织和器官的生长及分化受到抑制[9]。而盐碱胁迫下对植物的影响又与环境中盐碱的浓度、盐分的组成及其生长在盐碱环境中时间长短密切相关。植物的盐胁迫初期，叶片增大速率降低，当胁迫时间的延长，随着叶片中的含盐量增加，叶片将停止增大[10-11]。且由于土壤中盐离子浓度较大，土壤渗透势下降，从而导致植物细胞内渗透势高于胞外，引起植物吸水困难。张婷婷等[12]研究表明，水稻在盐碱胁迫下叶片内脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量显著上升，且主要以有机渗透调节为主。此外盐碱胁迫下植物体内叶绿素含量降低，利用光能的能力减弱，而过剩的能量将导致植物中氧自由基增加，当植物体内氧自由基累积超过阈值后，过量的氧自由基将破坏细胞膜等结构，影响其正常代谢对植物造成伤害，并产生大量丙二醛[13-14]。丙二醛是细胞膜脂过氧化的产物，其含量的多少可表示植物所受损伤程度的大小。同时为了缓解植物中活性氧所带来的氧化胁迫，植物体内存在抗氧化系统：超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)等[15-16]。这些酶类共同发挥着氧自由基的清除作用，使细胞内的活性氧处于一个相对平衡状态，从而保证细胞膜的稳定性和完整性。研究表明，低浓度盐碱胁迫下，植物体内保护酶活性上升，可有效清除其体内自由基，当盐碱浓度达到其阈值后，保护酶活性显著降低，从而产生大量的丙二醛[17]。目前对盐碱胁迫下植物生长发育及生理性状响应已有大量研究，但研究多以外源盐碱胁迫为主，人为配置的外援盐碱胁迫条件不能模拟自然盐碱土壤的生态环境。同时油莎豆做为新型油料作物，对其在自然盐碱胁迫下的生长发育及生理性状响应研究不足。本试验通过对油莎豆在不同浓度自然盐碱胁迫下的生长发育及生理性状响应进行研究，揭示油莎豆在自然盐碱胁迫下的耐盐碱能力，并研究盐碱胁迫对油莎豆伤害的机制，寻找其抵抗盐碱胁迫的内在机理及胁迫下各指标变化规律，以期为油莎豆在盐碱地的种植提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

以‘中油莎1号’品种为供试材料，选取大小一致、籽粒饱满、无虫眼的种子为试验材料。在5%NaClO溶液中消毒10 min，无菌水清洗3次，晾干后备用。试验所用供试土壤取自石河子总场自然盐碱土壤和石河子大学试验地农田土壤，具体离子浓度见表1。

表1 各处理土壤离子浓度，pH及电导率

1.2 试验设计

本试验通过采集新疆生产建设兵团第八师石河子总场盐碱土壤和石河子大学试验地农田土壤，风干过筛后，自然盐碱土壤分别按0%、25%、50%、75%、100%的比例与农田土壤充分混合，配成相应盐碱浓度土壤进行胁迫处理，共5个处理，分别为CK（100%农田土壤）、A（25%盐碱土+75%农田土）、B（50%盐碱土+50%农田土）、C（75%盐碱土+25%农田土）、D（100%盐碱土），每个处理设置9次重复。将相应土壤装入花盆(35 cm×40 cm)中充分混匀，后用水将其浇透。将油莎豆种子浸没于清水中48 h，使其充分吸涨后，立刻播于各处理土壤中，播深3 cm，每盆播种3颗，5月12日播种，种子萌发期定期浇水，保持土壤墒情防止板结，出苗后隔天19:00—21:00补水一次，视蒸发情况控制水量。每盆分别施入P2O5、K2O(2.1、1.75 g)作为基肥，在分蘖期和块茎初期分别施入N(1.5 g)作为追肥。

1.3 测定指标和方法

1.3.1 生长指标测定 在油莎豆播种25天后开始测量株高、分蘖数、叶片数，共测量6次。于油莎豆成熟期测量油莎豆株高、总分蘖数、总结豆数及产量，并将剩余部分分地上地下部分擦净表面污物后，分别测量其鲜、干重。

1.3.2 生理指标的测定及评价 在油莎豆结豆盛期采集油莎豆中上部功能叶片，测量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；可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250染色法测定；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸显色法测定；超氧化物岐化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑(NBT)光化还原法测定；SPAD值采用SPAD-502Plus便携式叶绿素仪测定；抗盐碱能力综合评价采用隶属函数法[18]。

1.4 数据处理方法

采用Microsoft Excel 2010、SPSS 26.0、Origin 2019等软件进行数据处理、分析及作图。

2 结果与分析

2.1 自然盐碱胁迫对油莎豆生长指标的影响

植物外部形态是反映植物受胁迫程度最直观的指标。由图1～3所示，随着盐碱土壤比例不断增大，油莎豆株高、叶片数、分蘖数均受到不同程度的影响。于13日CK处理下油莎豆株高较其他处理分别高出23.4%、43.2%、65%、623.8%，至28日CK处理下株高较其他处理分别高出19%、21.3%、31.5%、47.8%。其13—28日随胁迫程度增强各处理下株高平均日增长量分别为1.83、1.58、1.69、1.61、2 cm。而13日CK处理下油莎豆叶片数和分蘖数较其他处理分别高出15.6%、39.1%、30.9%、256%和10%，22.2%、-8.3%、122%，至28号时油莎豆叶片数和分蘖数分别高出其他处理48.9%、70.3%、105.8%、196.7%和24.3%、35.3%、91.7%、119%。随胁迫程度增强各处理下叶片数和分蘖数平均日增长量分别为3.56、2.16、1.93、1.4、1.27片和0.46、0.36、0.33、0.16、0.16束。由此可见随时间的推移，各处理下油莎豆株高相较于CK处理下差异变化较小，而叶片数和分蘖数差异不断增大，且随胁迫程度增强油莎豆叶片数和分蘖数日增长量明显下降，表明自然盐碱胁迫对油莎豆生长前期的叶片数和分蘖情况影响较大。本实验中随处理浓度的逐渐增大油莎豆分别在16、22、25、25、28日或油莎豆株高到达26.02、27.36、35.5、33.16、33 cm 时分蘖增加幅度最大。由此可看出，无论以株高，还是时间为参考下，均说明了盐碱胁迫下导致油莎豆分蘖期的显著延后，也间接表明在排除不同处理下油莎豆种子出苗快慢的因素后，盐碱胁迫对油莎豆分蘖数的抑制程度仍大于株高。

图1 不同程度自然盐碱胁迫对油莎豆株高、叶片数及分蘖数的影响

图2 不同程度自然盐碱胁迫对丙二醛含量的影响

图3 不同程度自然盐碱胁迫对SOD活性的影响

2.2 自然盐碱胁迫对油莎豆生长及生物量的影响

在盐碱胁迫下植物的生长以及作物的生物量和产量均会受到一定影响。由表2所示，在不同程度盐碱胁迫下油莎豆的株高、分蘖数、结豆数、总粒重以及地上部鲜干重均受到一定影响，且随胁迫程度的增加均呈不断下降趋势，其中仅总粒重和地上部鲜干重在A处理下较CK达到显著差异。株高和分蘖数较CK各处理分别下降2.88%、23.48%、30.34%、34.43%和5.38%、13.44%、23.66%、26.88%，结豆数和总粒重分别下降9.17%、24.5%、22.96%、32.51%和 22.68%、32.62%、31.66%、35.52%，地上部鲜干重分别下降13.26%、19.19%、32.61%、36.61%和20.88%、32%、33.73%、37.58%。地下部鲜干重则随胁迫的程度增大表现为先上升后下降的趋势，并在A处理下达到最高，各处理较CK分别下降-12.41%、9.03%、18.48%、30.25%和-14.72%、5.92%、17.74%、28.96%。由此可发现25%盐碱土比例下对油莎豆地下部生物量的积累有一定促进作用，但随盐碱胁迫程度的加剧则表现为明显的抑制作用。由以上分析可看出随盐碱胁迫的程度增大，其中总粒重和地上部鲜干重相较于前一处理均在A处理下降幅度最大，表现为总粒重＞地上部鲜干重。株高、结豆数和地下部鲜干重则均在B处理下降幅度最大，并表现为地下部鲜干重＞株高＞结豆数。仅分蘖数在C处理下降幅达到最大。由此初步推断油莎豆在自然盐碱胁迫下各指标敏感程度为总粒重＞地上部鲜干重＞地下部鲜干重＞株高＞结豆数＞分蘖数。

表2 不同程度自然盐碱胁迫对油莎豆生长及生物量的影响

2.3 自然盐碱胁迫对油莎豆叶片内丙二醛含量及抗氧化物酶的影响

2.3.1 对丙二醛含量的影响 丙二醛(MAD)作为膜脂过氧化的产物，其含量多少可表示为植物受损程度。由图2可知，在不同处理下，油莎豆叶片内丙二醛含量均高于CK，且随胁迫浓度的增大，丙二醛含量逐渐增加。各处理较CK分别增加了7.39%、6.49%、30.76%、36.24%。其中除A、B处理外，其他处理均较CK处理达显著差异。并在C处理下增幅最大，增加22.79%。表明在75%盐碱土比例下油莎豆细胞膜脂受损显著增加。

2.3.2 对SOD活性的影响 SOD是重要的抗氧化物质，在平衡植物体内氧自由基数量上起重要作用。由图3可知，随盐碱胁迫程度的增大，油莎豆叶片中SOD活性呈先升后降的趋势，其中在B处理下的SOD活性增幅最大并达到最高值。各盐碱处理SOD活性较CK处理分别增加4.31%、28.04%、6.79%、-1.34%。表明盐碱胁迫下植株可通过主动提高SOD活性进行自我调节。而在C处理下，即当盐碱土比例到达75%时SOD活性显著下降，表明在高浓度的盐碱胁迫对植物体造成一定伤害，植物体内部防御系统发生紊乱。

2.4 自然盐碱胁迫对油莎豆叶片内渗透调节物质的影响

2.4.1 对脯氨酸含量的影响 脯氨酸是目前最为熟知的渗透保护物质，在逆境中积累可提高植物抗逆性，保持植物各项生理功能的稳定。由图4可知，随盐碱浓度增加油莎豆叶片中脯氨酸含量不断增加，并在C处理下较CK开始达显著差异，C和D处理下分别较CK增加66.39%和74.69%。表明盐碱胁迫下会导致油莎豆叶片内脯氨酸的积累，增加其水势，从而增加植物在盐碱环境的保水能力，以保证其正常生长。

图4 不同程度自然盐碱胁迫对脯氨酸含量的影响

2.4.2 对可溶性糖含量的影响 可溶性糖作为重要的渗透调节物质，在植物中积累可有效提高植物抗逆能力。由图5可知，随盐碱胁迫浓度增加，油莎豆叶片中可溶性糖含量呈上升趋势。其中在B处理下开始达显著差异。可溶性糖在各盐碱处理下分别增加8.84%、19.43%、41.74%和44.65%，且在C处理下涨幅最大。表明盐碱胁迫可有效促进油莎豆叶片内可溶性糖含量的增加。

图5 不同程度自然盐碱胁迫对可溶性糖含量的影响

2.4.3 对可溶性蛋白质含量的影响 可溶性蛋白质具有一定亲水性，植物可通过增加其水合度及含量来达到束缚水分的目的。由图6可知，油莎豆叶片中可溶性蛋白随盐碱浓度增加表现为不断上升的趋势，在D处理下达到最大。其中A处理CK无显著差异，随胁迫浓度不断增强，可溶性蛋白显著增加，其中处理C比CK增加47.19%，处理D比CK增加52.99%，且处理B、C、D均较CK达显著差异。表明自然盐碱胁迫下有利于油莎豆叶片内可溶性蛋白的增加。

图6 不同程度自然盐碱胁迫对可溶性蛋白含量的影响

2.5 自然盐碱胁迫对油莎豆叶片内叶绿素含量的影响

叶绿素是光合作用的物质基础，其含量反应了植物光合潜力的大小。由图7可知，随盐碱浓度增加油莎豆叶片内叶绿素含量呈下降趋势，各处理分别降低10.59%、16.65%、29.09%、38.11%，且均达显著差异。表明盐碱胁迫下可能一定程度上抑制了叶绿素合成，导致了油莎豆叶片内叶绿素含量降低。

图7 不同程度自然盐碱胁迫对叶绿素含量的影响

2.6 自然盐碱胁迫下油莎豆盐碱能力综合评价

综合评价值D表示了植物抗盐碱能力的大小，D在0～1之间，其越接近1代表植物抗盐碱能力越强，反之表示抗盐碱能力越弱[18]。由图8可知，随着盐碱浓度增加，油莎豆综合评价值不断降低，且在C处理下下降幅度最大。CK处理下为表现最大值0.67，表明油莎豆在全生育期盐碱胁迫下抗盐碱能力随盐碱土比例的增大逐渐减小，在75%盐碱土处理下综合评价值下降幅度最大。

图8 油莎豆耐盐碱能力综合评价值

3 结论

自然盐碱胁迫下油莎豆生长发育受到影响显著，可导致油莎豆出苗和分蘖期的延后，最终使其产量下降。随盐碱胁迫浓度升高，油莎豆叶片内细胞膜脂过氧化加重，且叶绿素含量也逐渐下降。而在较低浓度胁迫下油莎豆可通过提高体内SOD活性，以缓解盐害。同时盐碱胁迫下油莎豆可通过调节脯氨酸与可溶性糖的积累，从而增强植株从环境中的保水能力，以提高植株对盐碱胁迫的适应能力。

4 结论与讨论

盐碱胁迫对植物器官生长及发育的抑制作用明显。通常盐碱胁迫下，植物细胞分裂速率严重减慢，植物表现为发育缓慢、矮小及叶片枯黄等，当胁迫加剧时会使植物凋亡。盐碱胁迫下植物外部形态表现敏感，可直接作为判断植物受盐害程度的指标[19-20]。朱义等[21]研究发现，高羊茅幼苗在盐碱胁迫下株高和生物量均呈降低的趋势，且下降程度逐渐加大。王玲丽等[9]研究发现孔雀草幼苗在混合盐碱胁迫下生长被显著抑制，且对孔雀草子的种子的萌发时间随着胁迫浓度升高也逐渐变长。本试验研究发现，在自然盐碱胁迫下油莎豆生长期株高、叶片数和分蘖数均随处理浓度的增大表现为逐渐下降趋势，并随时间推移不同处理间植株株高差异变化较小，而叶片数和分蘖数差异不断增大。说明自然盐碱胁迫可显著抑制油莎豆幼苗的生长和发育，且对株高的抑制效果小于分蘖数和叶片数。这可能是油莎豆种子在此逆境下需较长时间的萌发准备过程，从而使油莎豆萌发时间显著变长，分蘖期推迟，并严重抑制了叶片的生长。此外，因分蘖节与盐碱土壤直接接触，导致其受迫害程度较地上部分更强烈，同时植物在盐碱环境下，可通过保持较高的生长速率以减少植物体内的盐离子浓度，从而达到减轻离子毒害作用，最终导致株高所受影响小于分蘖及叶片。Jolly等[22]研究发现，盐胁迫可明显降低多种植物的株高、根长、叶片数、生物量及生长速率。本研究发现，盐碱胁迫可显著影响油莎豆生物量及产量的积累，其中地下部生物量在25%盐碱土比例下出现上升趋势，表明在轻度盐碱胁迫下有利于油莎豆根系的生长，增强其根部吸水能力。而其余指标在25%盐碱土比例下均呈下降趋势并未出现“低促”现象，表明盐碱胁迫抑制了油莎豆的生长，且长期盐碱胁迫下25%盐碱土比例已过高，也可能是与短时间胁迫相比长期胁迫显著降低了油莎豆的“低促”浓度范围。在胁迫下油莎豆体内需保持高水平的渗透调节物质及抗氧化酶活性，导致植株体内物质能量的积累受阻，影响导致油莎豆生物量及产量的显著下降。

丙二醛是一种对植物细胞有毒害作用的物质，丙二醛含量多少可代表该植物膜脂过氧化程度[23]。陶晶等[24]研究发现，杨树在盐碱胁迫下可导致体内的丙二醛含量显著上升。SOD能够催化超氧化物通过歧化反应转化为氧气和过氧化氢，是植物中的一种重要的抗氧化剂[25]。相比于其他酶类，SOD可在植物遭受胁迫时率先发挥作用，清除细胞内的各种氧自由基，以保护植物细胞，并减少丙二醛的积累。李小玲等[26]研究发现，随盐碱胁迫浓度的增大黄芩幼苗内SOD活性表现出先升后降趋势。本试验研究发现，随盐碱土比例的增加油莎豆叶片丙二醛含量逐渐上升，在75%盐碱土比例下上升幅度最大。表明50%盐碱土比例以下胁迫对油莎豆叶片内膜系统损伤较小，在75%盐碱土比例下伤害显著增加。而SOD活性表现为先升后降的趋势，在75%盐碱土比例下开始下降，表明75%盐碱土比例下SOD的作用已开始逐渐减弱。

在盐碱胁迫下植物细胞内会合成部分有机物质其中也包括一些代谢中间产物如：脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白等。它们统称为有机渗透调节物质，在植物抵抗盐碱胁迫中发挥重要作用[27]。郝凤等[28]研究发现，随盐碱胁迫浓度增大紫花苜蓿叶片内脯氨酸和可溶性糖含量均不断增加。本研究中，油莎豆在盐碱胁迫下叶片内脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量均不断增加，这表明盐碱胁迫有助于油莎豆叶片内脯氨酸、可溶性糖及可溶性蛋白的积累，以增强植物保水能力。且可溶性糖、可溶性蛋白含量均在75%盐碱土比例下增幅最大，表明低盐碱胁迫下油莎豆渗透调节响应较弱，而随盐碱胁迫的增强，调节能力也逐渐增强。

叶色素是植物利用光能的主要载体，在植物光合作用中发挥重要作用[29]。张潭等[30]研究发现，枸杞幼苗在盐碱胁迫下叶片中叶绿素含量呈下降趋势，在本研究中，随盐碱土比例的增加，油莎豆叶片中叶绿素含量显著下降。表明在不同比例自然盐碱土壤的胁迫下均会导致油莎豆体内叶绿素含量的下降，并无“低促”现象，可能油莎豆在长期盐碱胁迫下其生理响应，与短期胁迫具有一定差异，还有待进一步研究。盐碱环境下高CO32-、HCO3-和pH造成金属离子的溶解度下降，产生沉淀，使植物不能有效吸收土壤中的Mg2+、Fe2+来合成光合色素。此外，植物在碱性环境将导致体内叶绿素降解酶的活性增强，也加速叶绿素的分解，最终导致油莎豆叶绿素含量下降。

结合综合评价结果可知，随着盐碱土比例的增大，油莎豆耐盐碱能力综合评价值D逐渐降低，表明了莎豆在盐碱胁迫下抗盐碱能力随盐碱土比例的增大逐渐减小，在75%盐碱土处理下下降幅度最大，表明在土壤电导率大于746 μS/cm时对油莎豆伤害已显著增加，且此处理下已显著严重影响了油莎豆正常生理功能。