不同水稻品种对 NaCl 胁迫的生理响应及耐盐性评价

刘梦霜　郭海峰　陈观秀　莫俊杰　许江环　杨善　周鸿凯

关键词：水稻；NaCl 胁迫；生长；生理；隶属函数

中图分类号：S511 文献标识码：A

土壤盐渍化是限制作物生产发展的重要因素之一。据统计，全球范围内约有80 亿hm2 的土地受到不同程度的盐渍化影响，使耕地资源遭到破坏、农业生产损失巨大[1]。水稻是世界上主要的粮食作物之一，也是盐碱地开发利用的首选粮食作物[2]。但是，它易受盐害影响，在水稻生长发育各个阶段，盐分均会对其造成严重的危害。因此，挖掘和利用好耐盐性强的水稻种质资源，进而选育出耐盐、高产、高质的水稻新品种，对保障耕地面积和稳定粮食产量具有重要意义。

盐胁迫不仅引起渗透胁迫、离子毒害和氧化胁迫等多重负效应，而且严重抑制植物正常生长发育[3]。安辉等[4]发现，140 mmol/L NaCl 胁迫下水稻幼苗叶绿素合成及抗氧化酶活性受到显著抑制，且丙二醛含量显著增加，从而限制水稻的生长发育。渗透胁迫会引起土壤水势降低，导致植物吸水困难造成水分亏缺。周毅等[5]研究表明，200 mmol/L NaCl 胁迫下水稻幼苗细胞失水，相对含水量下降，造成渗透胁迫。NaCl 胁迫引起大量Na+、Cl–积累，抑制K+、PO43–等离子的吸收，导致营养平衡遭到破坏，从而使植物生长发育受损[6]。滕祥勇等[7]研究表明碱性盐胁迫下水稻幼苗体内积累大量Na+，K+/Na+、Ca2+/Na+、Mg2+/Na+均显著降低，从而导致植物的离子平衡遭到破坏。然而，不同植物具有不同的适应性及耐抗性，盐胁迫下，植物自身可以通过积累渗透调节物质、离子区域化等方式避免或缓解盐胁迫造成的危害[8]。海霞等[9]研究发现，耐盐燕麦品种通过茎中Na+区域化，保持叶片和茎中较低的Na+/Ca2+和Na+/Mg2+以适应盐胁迫。张婷婷等[10]发现，盐碱胁迫下耐盐碱品种‘长白9 号脯氨酸、甜菜碱、肌醇等渗透物质积累量远大于普通栽培品种‘吉粳78，从而有利于缓解盐碱胁迫逆境。

不同水稻品种之间的耐盐性存在差异性[11]。水稻耐盐性的强弱可采用植株的形态生长参数及生理生化参数进行评价，从而筛选出水稻种质资源的耐盐性品种。张治振等[12]利用营养液水培法对盐胁迫下15 个粳稻品种的形态和生理特性进行综合评价，鉴定出耐盐性较强的水稻品种为‘南粳46和‘宁粳44。黄洁等[13]利用盐胁迫下不同水稻品种生长指标测定以及丙二醛、可溶性糖和抗氧化酶活性的变化，比较了4 个水稻品种的耐盐性强弱。耿雷跃等[14]通过分蘖期对2886 份水稻种质进行耐盐性评价，鉴定筛选出137 份耐盐种质。

鉴于水稻丰富的遗传多样性，品种间的耐盐性存在差异，其生理生化指标的变化情况也各不相同。对于湛江海河交错潮汐带种植的水稻种质‘HD961‘JX99以及本课题组选育的‘HH11等红米型水稻的苗期耐盐性评价尚无报道，因此，本研究以5 个水稻品种为试验材料，通过测定NaCl 胁迫下水稻幼苗生长及生理生化指标，对5个水稻品种的耐盐性进行隶属函数综合分析，以期为水稻耐盐品种筛选提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验水稻品种为‘HH11‘JX99‘日本晴‘9311‘HD961，其中‘日本晴为粳稻，其余为籼稻；‘日本晴和‘9311为白米型水稻，其余为红米型水稻。‘HD961为湛江海河交错潮汐带种植的古老地方种，俗称“长毛谷”“赤禾”。‘HD961‘HH11‘JX99为耐盐水稻，‘日本晴和‘9311为水稻模式种。5 份水稻材料均由广东海洋大学滨海农业学院水稻种质资源库提供。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 选取籽粒饱满的种子于45℃温水中处理2 h 以打破休眠，于30℃恒温培养箱浸种催芽48 h，待种子发芽后，挑选长势一致的种子移栽至装有清水的96 孔黑色水培盒，后置于光照培养箱中培养至一叶一心期时，每隔3 d 更换一次Yoshida 营养液，光照培养箱条件设为光照16 000lx，28℃，14 h；黑暗，24℃，10 h；湿度75%。幼苗培养至三叶一心时，设3 个不同NaCl 浓度（0、70、140 mmol/L），0 mmol/L 为对照，分别胁迫处理7 d 后进行取样测定各项指标，每个处理3 次生物学重复。

1.2.2 测定指标及方法 （1）根系指标的测定。用根系扫描仪（中晶 ScanMaker i800 Plus）扫描根系，获取根系图片，后用根系分析软件分析根长、根表面积、根体积、根平均直径、根尖数等指标。

（2）生理指标的测定。叶绿素含量测定采用乙醇-丙酮混合溶液浸泡法[15]；根系活力测定采用甲醇浸泡法[16]；丙二醛含量测定采用硫代巴比妥酸法[17]；参照李合生[18]的方法测定相对电导率和脯氨酸含量；Na+和K+含量测定参照王旭明等[19]的方法。

1.3 数据处理

用SPSS 25.0 软件对数据进行单因素方差分析、Duncans 多重比对法分析以及主成分分析。

1.3.1 耐盐系数 参照ZENG等[20]的方法计算各指标的耐盐系数（α），其中与耐盐性呈正相关，则该指标的α=（ 处理组平均值/ 对照组平均值）×100%；反之，则该指标的α=（对照组平均值/处理组平均值）×100%。

1.3.2 综合指标值 参考余家林[21]的方法计算综合指标值：

2 结果与分析

2.1 NaCl 胁迫对水稻根系形态的影响

由图1 可看出，随着盐胁迫浓度的升高，各水稻品种的根长、根表面积、根体积、根平均直径以及根尖数总体上呈现下降趋势。图1A 中，70 mmol/L NaCl 处理下，‘HD961‘9311和‘JX99根長分别下降了13.72%、19.17%、19.52%，而‘日本晴和‘HH11与CK 无明显差异；140 mmol/LNaCl 处理下，‘HH11和‘日本晴的根长变化较小，‘JX99的根长降低幅度最大，为25.76%；图1B、图1C 中，盐胁迫下，‘HH11和‘日本晴的根表面积及体积变化相对稳定，‘9311和‘JX99的根表面积及体积较CK 显著降低。图1D 中，在70 mmol/L NaCl 下，各供试水稻品种根平均直径较CK 无显著性差异（P>0.05），其中‘9311在140 mmol/L NaCl 下根平均直径较其他品种下降幅度最大，且与CK 具有显著性差异（P<0.05）。图1E 中，70 mmol/L NaCl 处理下‘HD961‘9311‘日本晴‘HH11‘JX99根尖数分别降低了8.60%、27.80%、3.56%、7.99%、24.84%，140 mmol/L NaCl 处理下‘9311和‘JX99的根尖数下降率较高，分别为40.79%、36.15%，特别值得注意的是‘HD961根尖数远多于其他水稻品种，盐处理后其平均根尖数目为634.15，分别较‘9311‘日本晴‘HH11‘JX99多1.97倍、1.51 倍、1.24 倍、1.27 倍。

2.2 NaCl 胁迫对水稻株高和根系活力的影响

由图2 可知，各品种株高和根系活力总体上均随着盐胁迫浓度的升高而降低。70 mmol/LNaCl 处理下，‘HD961‘日本晴‘HH11‘JX99株高和根系活力降低幅度分别为32.37% 和16.88%、6.22%和32.01%、14.20%和17.32%、17.69%和29.95%；140 mmol/L NaCl 处理下各供试材料株高和根活力均显著低于CK（P<0.05），其中‘HD961和‘JX99降低幅度较大。另外，在盐处理下，株高较CK 平均下降率最小的品种为‘日本晴，而根系活力较CK 平均下降率最小的品种为‘HH11。

2.3 NaCl 胁迫对水稻叶片叶绿素含量的影响

由图3 可知，各品种叶绿素a 含量在盐胁迫下均无显著性差异，其中‘HH11叶绿素a 含量在70 mmol/L NaCl 处理下较CK 高。‘日本晴叶绿素b 含量呈先降低后升高的趋势，而‘HD961和‘HH11呈逐渐升高的趋势，140 mmol/L NaCl处理下‘HD961‘日本晴和‘HH1叶绿素b含量均比CK 分别增加了30.37%、22.35%、21.02%，但‘9311和‘JX99叶绿素b 合成被抑制。图3C 中，盐胁迫下叶绿素总量的变化趋势和叶绿素b 的变化趋势类似，从叶绿素总含量值来看，‘JX99和‘日本晴相对稳定，‘9311变化最大。

2.4 NaCl 胁迫对水稻叶片相对电导率、丙二醛含量和脯氨酸含量的影响

由图4 可知，随着NaCl 浓度的增加，5 个水稻品种相对电导率、丙二醛含量、脯氨酸含量逐渐增大。140 mmol/L NaCl 处理时，5 个水稻品种相对电导率显著升高，增加幅度由高到低依次为‘9311>‘JX99>‘HH11>‘日本晴>‘HD961，分别为CK 的3.10、3.06、2.58、1.89、1.26 倍；70 mmol/L NaCl 处理时，相对电导率增幅最小的是‘HD961，最大为‘JX99；至于丙二醛含量，70 mmol/L NaCl 胁迫下，‘HD961丙二醛含量上升幅度最小，为54.60%；140 mmol/L NaCl 处理时，‘HD961‘9311和‘JX99丙二醛含量较70 mmol/L NaCl 显著升高，但‘日本晴和‘HH11丙二醛含量在处理间无显著差异（P>0.05）。图4C 中，70 mmol/L NaCl 胁迫下，‘HD961‘日本晴和‘HH11的脯氨酸积累幅度较CK 均接近6.5 倍；140 mmol/L NaCl 胁迫下，各供试种质脯氨酸含量较CK 显著上升，上升幅度顺序依次为‘9311>‘日本晴>‘JX99>‘HH11>‘HD961。

2.5 NaCl 脅迫对水稻叶片Na+、K+含量的影响

由图5 可知，随着NaCl 胁迫的加剧，各品种Na+、K+含量呈先上升后下降的趋势。70 mmol/LNaCl 处理时，所有种质材料的Na+、K+含量达到最高值，‘HD961‘9311‘日本晴‘HH11和‘JX99的Na+、K+含量分别较CK 显著高于14.98%和80.90%、141.49%和32.30%、75.12%和28.28%、76.72%和56.57%、96.49%和20.39%，其中‘9311和‘JX99的Na+含量上升幅度较大，‘9311和‘JX99的K+积累最低，说明NaCl胁迫主要吸收Na+，但阻碍或限制了水稻对K+的吸收和积累。另外，从图5C 可知，70 mmol/L NaCl处理时，仅‘HD961的Na+/K+显著低于CK；140 mmol/L NaCl 处理时各品种Na+/K+均显著上升，其中‘HH11和‘日本晴的Na+/K+增加幅度较其他品种小，说明其在高盐胁迫下能更好维持合理的Na+/K+来减缓离子胁迫对自身造成的伤害。

2.6 盐胁迫下5 份水稻的耐盐性综合评价

2.6.1 各项指标的耐盐系数及相关性分析 各项指标的耐盐系数如表1，其中若以丙二醛来判定各材料的耐盐性，则‘9311耐盐性最强，‘日本晴最弱；而以根活力为衡量指标，则‘HH11耐盐性最强，‘JX99最弱，这体现了6 个生长指标及10个生理指标对盐胁迫的敏感性不同，故不能用单项指标对植物耐盐性进行评价。

利用SPSS 25.0 软件对16 个单项指标的耐盐系数进行相关性分析，结果如表2 所示，盐胁迫下各指标间有不同程度的相关性，可见5 份水稻材料的耐盐信息有所重叠，因而无法直接利用16个单项指标对水稻耐盐性进行准确的评价，其中根长与根表面积、根体积显著正相关，相关系数分别是0.907*、0.962**；丙二醛含量与根长极显著负相关（P<0.01），但与根表面积、根尖数显著负相关（P<0.05）。

2.6.2 主成分分析 对盐胁迫下5 份水稻材料的16 个单项指标的耐盐系数进行主成分分析，结合特征值大于1 及累计贡献率大于85%的依据共提取到3 个主成分（表3），3 个综合指标的贡献率分别为42.73%、30.01%、21.49%，累计贡献率高达94.23%，这表明3 个相互独立的综合指标解释了盐胁迫下16 个单项指标94.23%的变化。从主成分分析结果来看，根长、根体积、根尖数、叶绿素总量、丙二醛含量、电导率可作为评价水稻耐盐性的主要作用因子，K+、Na+/K+、株高可作为评价水稻耐盐性的次要作用因子。

2.6.3 隶属函数分析及综合评价 各品种综合指标值CI（x）、隶属函数值（x）和综合评价值D 的计算结果如表4 所示。经计算，3 个综合指标的权重分别为0.453、0.318、0.228。根据综合评价D值的大小对5 份水稻材料的耐盐能力进行排序，由此可确定，不同种质间耐盐性存在一定的差异，‘HH11表现出强耐盐性，‘JX99耐盐性最差，5 份供试水稻材料耐盐性由强到弱依次为‘HH11>‘HD961>‘日本晴>‘9311>‘JX99。

3 讨论

研究表明，当暴露于胁迫时，植物根系最先接收到逆境胁迫信号，且能够迅速响应逆境胁迫，同时将盐信号传递到地上部，以使整个植物适应盐胁迫环境[23]。本研究发现，与CK 相比，在盐胁迫下各品种的根长、根表面积、根体积总体呈下降趋势，其中‘日本晴和‘HH11的下降幅度较其他品种小，受到抑制较轻，由此表明，各水稻品种在盐胁迫下其根系生长均会受到抑制。这与前人研究结果[24-25]类似，说明盐胁迫对水稻根系生长有抑制作用，強耐盐性品种在盐胁迫下根长、根表面积、根体积等变化幅度较盐敏感品种小。盐胁迫下，可通过增大平均直径和增加根尖数量来吸收更多的养分以缓解逆境，有利于植物的生长发育。本研究中，盐胁迫下，‘HD961和‘HH11的根平均直径相对稳定，而‘HD961的平均根尖数最高，这有利于缓解盐逆境。此外，株高是直观体现植物对盐胁迫程度的重要生长指标[26]。黄洁等[13]研究发现耐盐性强的粳稻品种地上部生长状况如株高受盐胁迫影响较小。在本研究中，与CK 相比，盐胁迫下各品种的株高均呈不同程度的下降趋势，其中‘日本晴降低幅度较小，其生长抑制程度较低，其余4 个品种均受到显著抑制。综上表明，5 个水稻品种在盐处理下生长均受到抑制，并表现出不同水稻品种在盐逆境下的不同适应性与耐受性。

盐胁迫对植物的影响除个体形态发生变化外，还体现在植物生理适应机制上。植物根系活力是评价根系生长发育状况的重要指标[27]。本研究发现，各品种根系活力在盐胁迫下均有不同程度下降，其中‘HH11根活力下降幅度最小，这可能是根系保持相对较高的活性来抵御盐毒害，这与谷娇娇等[28]的研究结果基本保持一致。此外，盐分还会影响植物叶绿体结构，提高叶绿素酶活性，使叶绿素合成受阻以及分解加快，从而导致叶片叶绿素的含量减少[29]。本研究发现，各品种叶绿素总含量与叶绿素b 的变化趋势相似，‘日本晴叶绿素b 含量呈先降低后升高的趋势，而‘HD961‘日本晴和‘HH11呈逐渐升高的趋势，但是同一品种不同处理间叶绿素a 无显著性差异，由此表明，盐胁迫对水稻叶绿素b 的影响大于叶绿素a，对不同水稻品种叶绿素含量的影响存在差异。而赵海新[30]的研究结果表明，随着碱浓度的提高，对水稻叶绿素a 的影响大于叶绿素b，均呈现先增后降趋势。与本研究结果存在差异，可能是由于碱胁迫与盐胁迫的不同引起的。

盐胁迫可破坏细胞膜的完整性，导致膜脂过氧化以及膜透性增大[31]。相对电导率是直接反映膜透性的指标，其高低直接反映逆境胁迫下植物内环境的稳定能力以及适应与抵御逆境的能力，而丙二醛是膜脂过氧化的终产物，其含量高低可以衡量脂质过氧化水平的程度。本研究发现，各品种相对电导率随着NaCl 浓度升高均逐渐增加，其中‘JX99上升幅度最大，‘9311次之，‘HD961最小，说明盐胁迫导致叶片电解质外渗，从而对水稻生长造成伤害，这与李瑶等[32]的研究结果一致。各品种丙二醛含量随着盐浓度增加持续上升，其中只有‘日本晴和‘HH11的丙二醛含量在盐处理间无显著差异，这可能是其体内抗氧化物质积累更多，以清除过氧化物质。盐胁迫下，植物会通过合成、积累大量游离脯氨酸来保护大分子物质以及抵抗渗透胁迫，从而抵御盐离子引起的水分缺失[33]。本研究表明，随着盐胁迫程度加剧，各水稻品种脯氨酸含量均呈上升趋势，这表明处于盐逆境下，水稻通过大量合成、积累体内脯氨酸含量以维持自身的渗透势平衡。王苗苗等[34]研究发现耐盐性弱的燕麦品种需要合成和积累更多的脯氨酸去抵御盐胁迫，这与本研究中‘9311和‘JX99脯氨酸含量增幅结果一致。NaCl 胁迫下大量Na+流入细胞内引起细胞膜去极化，从而诱导K+外流，故细胞内的离子动态平衡遭到破坏，导致植物的生理功能紊乱[35]。本研究中，随着NaCl 胁迫浓度升高，各品种根部Na+含量和K+含量呈先升高后降低的趋势，在70 mmol/LNaCl 时最高，推测可能是盐胁迫下水稻植株内的K+更多地流向最先感知盐胁迫信号的根部，以平衡Na+在根部的积累，其次再分配到同化器官叶中，以保障叶片光合作用的正常进行，这与王佺珍等[36]在锦葵中的研究结果相似。此外，相比70 mmol/L NaCl，各品种Na+/K+在140 mmol/LNaCl 下显著增大，可能是由于Na+和K+具有相似的离子半径和水合能，相互竞争同一转运位点，而高浓度的Na+进入细胞后抑制了细胞对K+的吸收所致[37]。

植物的耐盐性是由多基因决定的数量性状，从单一指标很难真实地评价其耐盐性强弱，需要利用多个综合指标对植物耐盐性进行准确评价[38]。本研究利用主成分分析及隶属函数法进行综合评价， 得到耐盐性强弱排序为‘ HH11 >‘HD961>‘日本晴>‘9311>‘JX99，‘JX99苗期耐盐性较‘日本晴差。然而，王旭明等[39]在水稻孕穗期应用模糊隶属函数综合分析4 个水稻品种的耐盐性为：‘ JX99 >‘ PoKKali >‘FL478>‘IR29，‘JX99表现出强耐盐性。与本研究结果存在差异，可能是由于试验测定的时期不一样。有研究认为水稻在不同的生育期，其耐盐碱性不尽相同[40]。并且，有研究者对21份耐盐碱性不同的水稻种质在芽期和苗期进行耐碱性筛选，最终筛选到了4 份耐盐碱性强的水稻品种，其中包括‘日本晴，说明‘日本晴在苗期确实表现出强耐盐性[41]。由此表明，本研究对5 个品种水稻苗期耐盐性的综合分析结果具有一定的准确性和代表性。