赤霉素对盐胁迫诱导黍子幼苗根氧化损伤的影响

王金香，幸丽璇，王艳芝，周利青，王志超

（山西大同大学农学与生命科学学院/设施农业技术研发中心，山西 大同，037009）

钠是植物体内必需的离子，同时更是土壤环境中对植物生长影响范围广泛的一种生态因子。一定的盐量是植物进行生命活动的基础，但盐浓度增大则影响植物生长。北方地区降雨量少、水分蒸发大，大量盐分沉积在浅层土壤中，加剧土壤的干旱和盐碱化。除沿海地区外，我国盐碱土地主要分布于降雨量较少的西北、华北和东北区域。山西地处我国华北地区，现有盐碱地26万hm2，其中93%集中分布在大同、忻州、晋中、运城四大盆地；轻度和中度盐碱地分别占比42%及22%，其余为重度盐碱地和盐碱荒地[1]。土壤盐渍化对农作物造成离子胁迫和渗透胁迫，抑制组织、器官的生长，加速植物衰老，导致农作物减产等[2]。此外，盐胁迫会伴随活性氧(ROS)的产生，对植物细胞不同组分造成氧化损伤，从而破坏机体正常的生命代谢活动，引发次生氧化胁迫[3]。

黍子(Panicum miliaceumL.)是北方地区一种特色小杂粮作物，具有极高的营养价值和益生作用，在山西以北地区黍子被广泛种植。‘绿宝’糯黍子口感好、产量高，颇受人们喜爱，但该品种对盐碱地的适应能力有待研究。赤霉素（Gibberellins，GA3）是一种植物内源性激素，在调控植物生长发育的过程中有着重要作用。有研究显示，GA3可缓解盐胁迫对水稻（Oryza sativaL.）和番茄（Solanum lycopersicum）种子萌发的抑制作用，有利于甜玉米（Zea mayL.）和黄芪（Astragalus membranaceus）苗期的发育[4-7]。本研究选用‘绿宝’糯黍子为试验材料，用不同浓度的NaCl溶液对幼苗进行胁迫处理，探讨盐胁迫对幼苗生长和根系氧化胁迫作用，确定‘绿宝’糯黍子对盐的适应能力；盐胁迫同时施加GA3进一步探究激素对盐胁迫引发的氧化胁迫的影响，为利用外源调节物质提高作物耐盐性、有效利用盐碱土地进行农业生产提供一定的试验依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

‘绿宝’糯黍子，购买于山西省晋中市太谷县。

1.2 试验设计

1.2.1 盐胁迫处理 挑选籽粒饱满的种子，用5%NaClO消毒、清水冲洗后，将种子均匀铺洒在育苗盘中，放入25℃培养箱、黑暗条件下萌发生长。每盘保留长势一致的幼苗，分别置于0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%NaCl溶液（用Hoagland溶液配制）处理[光周期12 h，温度28/23℃(昼/夜)，光照强度200 mol·m-2·s-1]，每组设3个重复，每天更换培养液。盐处理第3天测量幼苗的根长和芽长，连续统计5 d，确定幼苗的盐耐受浓度。盐处理至第8天取根，进行抗氧化酶[过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)]、过氧化氢(H2O2)、丙二醛(MDA)及电导率检测。

1.2.2 GA3处理0.2% NaCl溶液中添加浓度为120 mg·L-1的GA3对黍子幼苗进行NaCl+GA3混合处理，进行盐胁迫缓解试验，分别以0、0.2%NaCl为对照，培养条件同上，每组设置3个重复。在处理第5天测量根长，连续统计4 d，NaCl+GA3处理8 d进行抗氧化酶、H2O2、MDA，以及电导率检测。

1.3 试验方法

1.3.1 根长、芽长测定 每一处理组随机挑取10株幼苗进行根长和芽长的测量，根冠比为同一株植物根长与芽长的比值，试验结果为平均值±S.E.。

1.3.2 抗氧化酶活性、H2O2和MDA含量及电导率测定CAT活性测定采用KMnO4滴定法，POD活性测定利用愈创木酚氧化法，H2O2含量根据硫酸钛-硫酸法，MDA含量测定采用硫代巴比妥酸法[8]。电导率测定利用DDS-22C电导率仪测定。

1.4 数据处理与分析

利用SPSS（21.0）软件对数据进行分析处理，采用Excel 2010进行作图。

2 结果与分析

2.1 盐胁迫对‘绿宝’糯黍子幼苗生长影响

2.1.1 盐胁迫对幼苗生长的影响 如图1-A所示，盐胁迫对‘绿宝’糯黍子苗期芽的生长产生强烈抑制作用，盐浓度越高，芽的生长越缓慢、抑制作用越明显，盐胁迫第8天，5个盐胁迫组芽长分别是对照组的87%、81%、64%、56%、54%。图1-B为根的长度，对照组幼苗的根平均以0.74 cm·d-1的生长速度向下延伸，根的伸长作用明显；盐胁迫处理后幼根生长速度明显减缓，在试验统计的3～8 d，每个盐胁迫组幼苗根的长度都显著低于对照组，在3个低盐浓度组（0.1%、0.2%和0.3%）幼根分别以0.32、0.32、0.24 cm·d-1的平均速度生长，而0.4%和0.5%胁迫组幼根的生长速度仅为0.12、0.11 cm·d-1。图1-C为幼苗根冠比，幼苗生长第8天，对照组根冠比接近0.90，盐胁迫组根冠比显著下降，低盐组（0.1%、0.2%和0.3%）根冠比约0.51，盐浓度继续升高，根冠比降至0.36。上述结果表明，幼苗芽和根的生长因盐胁迫受到抑制，盐浓度越高生长越缓慢，且当盐浓度≥0.4%时，根的生长几乎停止，根冠比显著下降。0.3%为‘绿宝’糯黍子苗期根系耐受盐胁迫的最高浓度。

图1 盐胁迫对‘绿宝’糯黍子幼苗生长的影响

2.1.2 盐胁迫对幼苗根中抗氧化酶活性的影响 由图2-A可知，盐胁迫后根中CAT活性显著低于对照，且活性与盐浓度呈负相关性，0.3%盐胁迫组CAT活性最低，仅为对照组的25%。与CAT活性变化不同，对照组POD活性处于较低水平，盐胁迫后根中POD活性显著增加，0.1%盐胁迫组POD活性比对照增加了63%，0.2%和0.3%盐胁迫组活性分别增加了70%、107%（图2-B）。以上数据说明，在非胁迫环境中‘绿宝’糯黍子幼苗CAT活性保持较高水平、POD活性较低，CAT主要负责机体中H2O2分解和清除，维持机体低氧状态；盐胁迫后CAT活性降低而POD活性显著升高，这表明长时间盐胁迫引起CAT活性降低和抗氧化功能下降，而盐胁迫诱导POD活性升高并有效分解H2O2，减轻逆境对幼苗的损伤。

图2 盐胁迫对‘绿宝’糯黍子幼苗根中CAT和POD活性的影响

2.1.3 盐胁迫对幼苗根中H2O2、MDA含量及电导率的影响 盐胁迫后，幼苗根的生长明显减缓且根部发黄，根部H2O2含量变化显示（图3-A），盐胁迫引发根中H2O2含量显著增加并与盐浓度呈正相关性，盐浓度为0.3%时，根中H2O2含量达到最高，为对照2.48倍。如图3-B所示，对照组MDA含量低、膜脂过氧化程度低、细胞膜完整；随着盐胁迫浓度的增高，盐胁迫组MDA含量不断增加，盐浓度为0.1%时，根中MDA含量增加7.4%，与对照无显著差异；当盐浓度为0.2%、0.3%时，根中MDA含量显著增加，分别为对照的164%、167%。由图3-C可知，幼苗受到0.1%、0.2%盐胁迫后，根系电导率与对照相比无显著差异，盐浓度为0.3%时根系膜透性增加，电导率明显升高，比对照组增加了约29%。以上结果表明，盐胁迫诱导根中ROS的产生和积累，引发膜脂过氧化反应，膜的结构发生改变；当盐浓度达到0.3%时，MDA含量增加和电导率值的显著升高都表明盐胁迫后细胞膜的完整性在一定程度上被破坏，膜的通透性增加。

图3 盐胁迫对‘绿宝’糯黍子幼苗根中H2O2、MDA含量和电导率的影响

2.2 赤霉素对盐胁迫下‘绿宝’糯黍子幼苗生长及抗氧化反应的影响

2.2.1 赤霉素对盐胁迫下幼苗生长的影响 如4所示，0.2%盐胁迫处理下，幼苗的生长受到显著抑制，幼根与幼芽的长度低于对照幼苗；盐胁迫同时施加120 mg·L-1GA3能促进根与芽的生长，缓解盐胁迫对幼苗生长的抑制作用。由图5-A可知，盐胁迫同时加入GA3可促进根系生长，生长至第8天时根长是盐胁迫的138%，是对照组的63%。由图5-B可知，盐胁迫降低了幼苗的根冠比，添加GA3后根冠比没有显著提升。以上结果表明，GA3能够在一定程度上能够缓解盐胁迫对根系生长的抑制。

图5 GA3对盐胁迫下‘绿宝’糯黍子幼苗生长的影响

2.2.2 赤霉素对盐胁迫下幼苗根中抗氧化酶活性的影响 由图6-A可知，单独盐胁迫组CAT活性低于对照组，GA3+NaCl处理后根中CAT活性显著升高，活性分别比单盐胁迫和对照提高了205%、52.5%。与CAT活性变化不同，幼苗在受到盐胁迫后，根中POD活性明显升高，是对照组的170%，GA3+NaCl处理根中POD活性显著下降，低于盐胁迫组，与对照组POD活性一致（图6-B）。上述结果表明，盐胁迫处理后，CAT活性被抑制，POD被诱导激活、抗氧化能力提高；添加GA3能有效改善盐胁迫下根系的氧化还原状态，H2O2量减少，POD活性降低；GA3促进了CAT的抗氧化作用，降低根系的氧化损伤，促进植物根的生长。

图6 GA3对盐胁迫下‘绿宝’糯黍子幼苗根中CAT和POD活性的影响

2.2.3 赤霉素对盐胁迫下幼苗根系H2O2、MDA含量和电导率的影响 图7为根系颜色变化，对照组幼根长且发白、末端稍有黄色，盐胁迫后根短小、颜色变黄加深，盐胁迫同时添加GA3幼苗根系颜色呈现乳白色。图8-A为根系H2O2含量变化图，盐胁迫诱导根中H2O2积累，添加了GA3后H2O2含量显著降低。由图8-B可知，盐胁迫引起幼苗根中MDA含量显著提高、膜脂过氧化水平升高，外施GA3后根中MDA含量比单独盐胁迫组下降58.5%，含量接近对照组。同时盐胁迫也引起根中电导率上升，外施GA3后根的电导率下降至对照水平（图8-C）。根系颜色和H2O2含量的变化都表明盐胁迫诱导根系ROS水平上升，膜结构受到氧化损伤、膜透性增加；盐胁迫同时添加GA3根中H2O2含量减少，膜的损伤减弱，即GA3缓解了盐胁迫产生的次生氧化胁迫。

3 结论与讨论

土壤干旱、盐碱化等非生物胁迫是制约植物生长发育、影响作物品质和产量的主要环境因子。根系直接与土壤接触，负责水分和无机盐的吸收，土壤盐胁迫直接作用于植物的根系，对根系的生长发育与形态建成都具有重大的影响。水稻和玉米幼苗在受到盐胁迫后根的生长受到抑制，根长、体积、干质量及根冠比均显著下降，根系性状的变化影响最终产量[9-10]。与以上研究一致，盐胁迫抑制了‘绿宝’糯黍子幼苗的生长，当浓度高于0.3%时，芽的生长减缓，根的生长几乎停滞，根冠比下降。盐胁迫的毒性在于它打破了机体离子平衡和渗透平衡，同时引起根系氧化还原状态的失衡，诱导ROS积累[9]。根系大量ROS产生和积累会迅速引发生物大分子尤其是膜脂氧化和膜结构的破坏，这种细胞损伤可以直接导致膜透性改变、根系电解质外渗[2，11]。盐胁迫8 d引起苜蓿（Medicago sativaL.）幼苗根系H2O2、羟自由基(·OH)含量升高和超氧阴离子(O2·-)产生速率增加，同时膜脂过氧化产物MDA含量显著增加[12]。玉米及水稻幼苗遭受盐胁迫时根系发生氧化胁迫，细胞膜透性增加，MDA含量显著升高[13-14]。在本研究中，黍子幼苗在受到盐胁迫后不仅根生长缓慢，同时根系出现不同程度的褐化（褐化是生物氧化的一种表现），H2O2含量检测也表明盐胁迫加剧了根系H2O2的产生。H2O2大量产生、MDA含量和电导率显著升高都表明，盐胁迫对黍子幼苗根系细胞造成氧化胁迫，膜受到破坏、完整性降低，根系活力下降。

增加抗氧化物质含量或提高抗氧化酶活性是植物受到盐胁迫后产生的主要应激反应，以应对盐胁迫产生的氧化胁迫，降低细胞内ROS水平，维持内环境稳定。因此，抗氧化酶活性高低直接反映作物对盐胁迫的耐受性[15]。低盐胁迫（50 mM）会使绿豆（Vigna radiata）幼苗的SOD和POD活性升高[16]；玉米幼苗根系在受到80 mM盐处理后，SOD、CAT和POD活性显著增加[13]。藜麦（Chenopodium quinoa）在低盐胁迫时CAT和POD活性升高，高盐浓度时2种酶活性降低[17]。本研究表明，‘绿宝’糯黍子幼苗在盐胁迫（0.1%～0.3%）8 d后，CAT活性出现下降，但POD活性升高，即长时间盐胁迫CAT抗氧化能力逐渐下降，POD作为一种诱导性酶在盐胁迫后期活性升高，分解H2O2、减轻逆境对幼苗的损伤。以上试验现象表明，2种抗氧化酶在盐胁迫的不同阶段发挥抗氧化作用，在盐胁迫早期，机体内信号网络主要通过调节CAT活性，提高机体抗氧化能力；当胁迫持续进行时，信号通路激活POD参与ROS的清除，降低盐胁迫造成的氧化损伤。与上述试验结果一致，小麦根系在受到盐胁迫后CAT活力首先上升，处理6 d后CAT活力迅速降低；POD活力变化表现为1～6 d活力下降，6 d后缓慢上升[18]。当盐胁迫诱导H2O2产生超出2种抗氧化酶的清除能力，H2O2不断积累导致根系细胞受损，细胞分裂和生长停滞，根的生长减缓甚至停滞。

GA是一种植物激素，能促进种子萌发、植物开花和果实发育等，在调控植物生长发育和环境应答中发挥重要作用。研究发现，盐胁迫抑制拟南芥（Arabidopsis thaliana）根的生长与GA在根中含量下降和DELLA蛋白积累密切相关，而DELLA作为一种转录蛋白则抑制细胞的增殖和生长[19]。外施GA缓解水稻幼苗受到的盐伤害，提高水稻幼苗苗高、主胚根长、地上部和地下部干质量，GA3处理效果最佳[20]。GA可提高玉米幼苗SOD和CAT的活性，有效缓解盐胁迫的氧化伤害[7]。本研究表明，外施GA3一定程度缓解盐胁迫对‘绿宝’糯黍子根系生长的抑制作用，CAT活性明显升高、而POD活性恢复至对照水平，根的褐化作用减弱且H2O2含量明显减少，MDA含量和电导率降低，氧化损伤减弱。这些结果显示，GA3能提高抗氧化酶活性,缓解盐胁迫对根的氧化损伤，提高耐盐性，一定程度上保证了幼苗根部细胞结构与功能的正常，有助于黍子在低盐土壤中的生存。综上所述，‘绿宝’糯黍子幼苗期耐盐性较弱，0.3%的盐浓度为该品种的耐受浓度；盐胁迫显著抑制根的生长，根系抗氧化能力下降，活性氧积累、膜发生氧化损伤、细胞通透性降低；GA3能够充分缓解盐胁迫对根的抑制作用，降低次生氧化胁迫对根的危害，提高‘绿宝’糯黍子的耐盐性。