盐分胁迫下喷施γ-氨基丁酸对水稻秧苗生长的影响

2022-11-22冯棣高倩崔凯亓娜朱崴唐景春华泽田

中国稻米 2022年6期

冯棣高倩崔凯亓娜朱崴唐景春华泽田*

（1天津天隆科技股份有限公司，天津 300457；2南开大学环境科学与工程学院，天津 300350；3潍坊科技学院，山东寿光 262700；#共同第一作者：fengdi2008sunny@163.com，gao21318@163.com；*通讯作者：15904054936@139.com）

小站稻是津沽名特产品，名扬海内外。天津市广泛分布着滨海盐碱地，虽然大部分盐碱地经过改良和连年种植土壤盐度已经大幅降低，但水稻盐害现象依然存在。以往研究表明，水稻在盐碱胁迫环境下会产生抗逆机制，但当盐碱胁迫超过植株所能调节的范围时，会抑制水稻种子的萌发进程以及水稻的芽长、根长和根数[1-2]；抑制叶片的伸长、新生叶的形成以及引起叶片卷缩和枯萎，叶尖变黄[3]；还会抑制分蘖数，推迟分蘖进程，减少总颖花数，减轻千粒重，增加水稻籽粒的垩白粒率，最终导致籽粒产量和外观品质下降，同时还会降低稻米胶稠度；严重的直接致死[4-5]。在水稻生长过程中，一旦发生盐害，那么很难采取及时有效的措施加以改善。为了缓解作物所受到的盐害，探索外源物种类及应用效果的研究成为一种潜在的解决途径和研究热点。高倩等[6]总结发现，目前已有50种外源物被报道在缓解作物盐害方面可以发挥作用。γ-氨基丁酸（gamma-aminobutyric acid，GABA）属于非蛋白质氨基酸，与植物体内碳素和氮素两大代谢途径紧密联系[7]，可以通过调节离子平衡、诱导合成渗透调节物质、诱导抗氧化酶活性、改善光化学系统、诱导基因表达及信号转导共5条途径提高植物耐盐性[6]。王春燕等[8]研究发现，在80和150 mmol/L NaCl胁迫下，添加5 mmol/L GABA水培可以促进黄瓜幼苗根系对K+、Ca2+和Mg2+的吸收，抑制对Cl-、Fe2+、Fe3+和Na+的吸收，从而提高黄瓜苗耐盐性。王馨等[9]研究发现，在不高于300 mmol/L NaCl胁迫下，叶面喷施5或10 mmol/L的GABA可以有效提高西伯利亚白刺叶片中Mg2+-ATPase活性、叶绿素含量（Chl）以及净光合速率（Pn）。罗黄颖等[10]发现，在150 mmol/L NaCl胁迫下，添加5 mmol/L GABA水培明显提高了番茄叶片生长速率、抗氧化酶活性、叶绿素含量和光合速率，减少了活性氧和膜脂过氧化产物MDA的积累，从而改善了番茄幼苗耐盐性。赵九洲等[11]研究发现，GABA喷施浓度在25～50 mmol/L时，对盐碱胁迫下甜瓜幼苗生长有一定缓解作用，但75 mmol/L时缓解作用极小。赵宏伟等[12]在土壤NaCl含量约为0.15%的条件下在水稻分蘖期和孕穗期连续2 d向叶面喷施4 mmol/L GABA，发现叶片中超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）等酶活性升高，MDA含量降低，水稻产量显著增加，且分蘖期喷施对产量的提升效果优于孕穗期。综上可见，外源GABA的有效性与使用方式、浓度、植物种类、发育阶段、胁迫强度和时间有关。

在生产上，水稻一般采取插秧的方法种植，水稻种子萌发阶段通过设施育苗可以得到很好的环境调控，但在秧苗3叶1心期插到大田之后才真正开始面对各种逆境的胁迫。因此，开展外源物（如GABA）改善秧苗耐盐性的研究具有重要的实用价值，然而这方面的研究鲜见报道。鉴于此，本文以天津主栽粳稻品种天隆优619为研究对象，待秧苗培育到3叶1心时，开展外源喷施GABA对水稻地上部和根系生长，以及对抗氧化酶活性影响的研究，以期为改进盐碱地水稻生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验于2021年7—9月在国家粳稻工程技术研究中心开展，供试材料为粳稻品种天隆优619，由天津天隆科技股份有限公司提供。GABA由山东盛源生物科技有限公司提供。育苗基质由草炭土、珍珠岩和蛭石按比例掺拌而成（金盛，山东寿光），养分量：有机质35.3%，水解氮2 531 mg/kg，有效磷338.9 mg/kg，速效钾2 334 mg/kg。水稻营养液配方参考张瑞坤等[13]研究配置。

1.2 试验设计

1.2.1 育苗

选取粒大饱满、大小一致的水稻种子，用95%酒精消毒，蒸馏水冲洗干净后浸种36 h（种子未露白），浸种结束后点播。借鉴蔬菜育苗方式，采用营养土穴盘（72穴）育苗，以保证每个植株根系独立。育苗在室外进行，培育过程中及时补水，不施肥。

1.2.2 水培试验

待秧苗培育至3叶1心无分蘖时开始室内水培试验。于水培杯（高10 cm、直径8 cm）中进行，选用5个NaCl溶液浓度处理，分别为0、25、50、75、100 mmol/L。GABA试验组的喷施浓度依据沙汉景等[14]研究结果选定为4 mmol/L，每天喷施1次外源物质，叶片正反面均喷至完全湿润，不喷GABA对照组喷施水以保持变量均衡。使用S1～S5代表叶面喷水5个处理，GS1～GS5代表叶面喷施GABA 5个处理。试验共10个处理，每个处理4次重复，每次重复6株秧苗。以水稻营养液为基础溶液，水培液用基础溶液配制不同浓度NaCl溶液，平均2 d更换或添加水培液1次。室内补光灯为全光谱每天固定开启14 h。试验于水培后8 d结束。

1.3 取样与测定方法

1.3.1 幼苗形态指标

开始水培前及水培后第8天使用直尺调查所有水稻苗株高。水培后第8天调查所有水稻苗黄叶发生情况，统计死叶率；并在每个处理选取长势一致的5株秧苗使用直尺测定展开叶的长和宽，并使用邓启云和吴愈山[15]提出的公式计算叶面积，如式（1）和式（2）；再选取长势一致的6株秧苗（含用于测量叶面积的5株），平分为3组，获取根系（叶片用于测定抗氧化酶活性），使用精度为0.001 g的电子天平称取鲜质量，之后用烘箱在75℃下烘干至恒质量，称取干物质量，由干质量与鲜质量之比获得干鲜比；从其余植株获取鲜活根系，并采用试剂盒（苏州科铭生物科技有限公司）测定根系活力。

式中，S为总叶面积；L为叶长；D为叶宽；K为水稻叶面积换算系数；x=L/D。

1.3.2 幼苗叶片抗氧化酶活性

取所有处理剩余植株的生长点下第3片展开的真叶剪碎混匀用于测定抗氧化酶活性。其中，SOD和POD酶活性采用试剂盒（苏州科铭生物科技有限公司）测定，APX使用抗坏血酸法[16]测定，每个处理3次重复，各指标计算方法如式（3）至式（6）。

式中，A1为对照管吸光值；A2为测定管吸光值；W为样本质量，g；B为抑制百分率，%。

式中，ΔA470为1 min内470 nm处吸光值的变化；W为样本质量，g。

式中，△A290为1 min内290 nm处吸光值的变化；VT为提取液总体积，mL；Vs为酶液的体积；t为反应时间，s；W为叶片的鲜质量，g。

1.4 数据处理

用Excel 2019软件处理数据和作图，用SPSS 17.0数据处理系统进行差异显著性分析和多因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 GABA对盐胁迫下水稻苗生长的影响

试验8 d后不同处理水稻秧苗的生长状态如图1所示。由图1可以看出，S4、S5、GS4和GS5处理秧苗生长状态明显差于S1、S2、S3、GS1、GS2和GS3处理，水稻叶片干尖现象更为严重；同时可以看出，喷施GABA处理较喷水处理存在改善效果。由图2可以看出，随着盐分胁迫程度的增加，水稻的株高增量、叶面积呈下降趋势，尤以株高增量在处理间差异最为明显；死叶率呈上升趋势，所有处理与相应0 mmol/L NaCl溶液水培处理相比均显著（P＜0.05）增加；株高因受到初始值的影响较大，在处理间未表现出一致性差异。在相同盐分胁迫下，与不喷施GABA对照相比，喷施GABA后在0、25、50、75、100 mmol/L NaCl溶液水培处理下，株高增量分别增加-12.9%、1.7%、2.3%、32.4%和18.8%，叶面积分别增加-6.2%、4.9%、4.3%、9.1%和18.1%，死叶率分别降低63.6%、23.3%、4.8%、1.6%和5.1%。可见，喷施GABA可以缓解水稻受盐胁迫的不良影响，改善秧苗地上部生长状况，其作用效果与盐分胁迫强度和表征指标等有关。

图2 不同处理水稻幼苗生长情况调查

2.2 GABA对盐胁迫下水稻苗根系的影响

由表1可以看出，随着盐分胁迫程度的增加，水稻根系干鲜比均呈上升趋势，根系活力呈先升后降趋势，根鲜质量和根干质量处理间存在小幅波动，但整体呈降低趋势。在相同盐分胁迫下，与不喷施GABA对照相比，喷施GABA后在0、25、50、75、100 mmol/L NaCl溶液水培处理下，根鲜质量分别减少18.1%、0.2%、12.5%、14.2%和11.7%，根干质量分别减少24.5%、9.3%、22.0%、19.6%和11.1%，根系活力分别增加76.1%、64.8%、48.6%、94.4%和1.2%。可见，喷施GABA降低了水稻根系干、鲜质量，提高了根系活力。

表1 不同处理水稻根系生长情况调查

2.3 GABA对盐胁迫下水稻苗叶片抗氧化酶活性的影响

由图3可以看出，随着盐分胁迫程度的增加，水稻叶片的POD和SOD酶活性均呈上升趋势（图3a、图3b），APX酶活性呈先升后降趋势（图3c）。在相同盐分胁迫下，与不喷施GABA处理相比，喷施GABA除0 mmol/L NaCl溶液水培处理SOD酶活性降低外，其余处理的3种酶活性均增加；在0、25、50、75 mmol/L NaCl溶液水培处理下，叶片POD酶活性分别增加25.0%、20.8%、5.0%和7.1%，SOD酶活性分别增加-6.5%、17.3%、15.8%和9.8%，APX酶活性分别增加4.6%、7.2%、54.8%和64.4%。可见，在盐分胁迫下喷施GABA增加了水稻叶片的抗氧化酶活性。

图3 不同处理水稻叶片抗氧化酶活性调查

2.4 影响水稻秧苗生长的因素效应分析

由表2可以看出，是否喷施GABA对株高、株高增量和叶面积的影响不显著，对死叶率、根鲜质量/干质量和根系活力的影响达到显著水平（P＜0.05）；盐分胁迫对除根鲜干质量以外所有生长指标的影响均达到显著水平（P＜0.05）；二因素交互作用仅对根系活力产生显著影响（P＜0.05）。分析结果表明，盐分胁迫对水稻苗生长指标的影响作用最大，其次为是否喷GABA，再者是两因素互作。可见，喷施GABA可以影响水稻苗生长，且不同生长指标的响应程度存在差异，其中对根系的影响达到显著水平。

表2 水稻幼苗生长指标的单因变量二因素方差分析P值

3 讨论

3.1 盐分胁迫对水稻苗生长的抑制作用

本文模拟水稻插秧后即遭受盐分胁迫。与以往研究结果一致，随着盐分胁迫程度的增加，水稻株高增量、叶面积、根干/鲜质量呈下降趋势，这是因为盐胁迫抑制了水稻光合作用[13]，进而减少同化物的积累；水稻死叶率呈上升趋势，这是因为Na+和Cl-的过量累积会灼伤叶片，导致叶片黄化[17]；根系干鲜比呈上升趋势，这是因为盐分胁迫程度越高植株吸水越困难，植株体内自由水含量减少，表现为干鲜比上升。

与以往报道盐分胁迫会降低水稻苗根系活力的结果不同，本试验中根系活力呈先升后降趋势，这可能是因为徐晨等[18]的研究是在80 mmol/L NaCl溶液胁迫下开展的，而本文设置的盐分梯度更多，较低盐分胁迫未对根系活力产生抑制作用。此外，水稻在遭受盐分胁迫时会通过提高抗氧化酶活性来进行自我调整与适应，且抗氧化酶活性（SOD、POD、CAT）随着盐浓度增加先增后降[19]。在本试验中，随着盐分胁迫程度的增加，水稻叶片POD和SOD酶活性呈上升趋势，APX酶活性呈先升后降趋势，与前人研究结果一致。通过分析影响水稻苗生长的因素效应，发现盐分胁迫程度对水稻苗生长指标的影响作用最大，其次为是否喷施GABA，然后是两者互作。

3.2 喷施GABA在提高水稻耐盐性中起到的作用

3.2.1 喷施GABA对盐胁迫下水稻秧苗抗氧化酶活性的影响

盐胁迫下水稻内部细胞的离子平衡会遭到破坏，细胞膜遭受渗透胁迫，活性氧（ROS）累积过量，作物体内氧化还原平衡被打破，喷施GABA有利于帮助作物维持体内氧化还原平衡及细胞膜的完整性。因此也可以说抗氧化酶活性含量可以表征植物的耐盐能力，且该能力的强弱受盐分胁迫程度等因素的影响并呈单峰变化，即特定盐分胁迫下抗氧化酶活性有且只有一个最优值域，在此最优值域内作物的耐盐能力最佳。在生产中发现，水稻发生盐害时，通过喷施外源物来缓解盐害具有较强的可操作性。通过水稻苗生长的多因素效应分析发现，喷施GABA影响水稻苗的生长且不同生长指标的响应程度存在差异。本试验结果表明，在相同盐分胁迫下，与不喷施GABA对照相比，喷施GABA后3个盐分胁迫（25、50、75 mmol/L NaCl）处理的水稻抗氧化酶（POD、SOD和APX）活性呈不同程度增加的趋势，而且增加量均在作物生长接受范围内并有促进作物正常生长的作用，这与前人关于玉米[20]、小麦[21]、水稻[12]、番茄[10]等作物的研究结果一致。

3.2.2 喷施GABA对盐胁迫下水稻秧苗地上部分及地下部分的影响

在相同盐分胁迫下，与不喷施GABA对照相比，喷施GABA后4个盐分胁迫（25、50、75、100 mmol/L Na－Cl）处理的株高增量、叶面积不同程度增加，死叶率降低，根鲜干质量减少，根系活力增加。说明在盐分胁迫下喷施GABA促进水稻苗地上部生长的同时提升根系活力。以往关于外源GABA改善植物地上部生长的报道较多[8-10,22]，然而关于减少根系质量的报道鲜见。王春燕等[8]取4叶1心黄瓜苗在80和150 mmo/L NaCl胁迫处理6 d后，发现添加GABA可显著提高根系鲜干质量。KAUR和ZHAWAR[22]采用培养皿育苗，第5天开始，在100 mmol/L盐碱胁迫72 h后，添加1.5 mmol/L GABA处理的水稻幼苗地上部和根系干质量均有所增加。出现与以往研究不同的结果可能是因为：1）作为水田作物，水稻的耐淹水能力强，当外源GABA起到缓解盐分胁迫的作用后，不需要再分配更多的同化物用于生长根系以吸收水分、养分和加强呼吸；2）与本研究的秧苗生长阶段不同，KAUR和ZHAWAR研究的是芽苗阶段，该阶段胚根、胚轴迅速伸长，芽苗生长所需营养物质主要由种子提供，不涉及同化物的分配问题，外源GABA作为一种氨基酸态氮肥，促进了芽苗地上部和根的生长；3）由于本试验采用的水稻营养液微量元素与大量元素并存，根据张宿[23]的报道可以推测，本试验中根系质量的减少是由于水培液中NO3->40 mmol/L，这时GABA会抑制水稻苗根系伸长。

3.2.3 喷施GABA对盐胁迫下水稻秧苗内同化物的影响

减少同化物向根系的分配也是本次试验的发现之一。有研究表明，水稻剑叶维管束特征、穗颈和茎叶非结构性碳水化合物（non-structural carbohydrates，NSC）的转运受氮含量影响，而外源物质GABA有调控作物体内碳氮流走向的作用，即GABA可以增强叶部氮同化能力[24]。因此，同化物向根系分配减少的原因可能是喷施GABA促使了茎叶同化物的转运。