根际氧环境与盐胁迫对小麦苗期形态和生理特性的影响

王可辉，武迪，王淑红，师君慧，刘义国，李玲燕，郭卫卫，师长海

(1. 青岛农业大学农学院/山东省旱作农业技术重点实验室/青岛生物节水工程研究中心，山东青岛 266109；2. 临邑县农业农村局，山东临邑 251500)

小麦(Triticum aestivumL.)是我国重要的粮食作物，土壤盐渍化是影响小麦产量的限制性因素之一[1]。 目前我国盐渍土面积超一亿公顷，山东省盐渍土面积达5 925 hm2[2，3]。 盐碱土中的Na＋、K＋等离子可以导致植物细胞缺水，使植物体内代谢活动失调[4，5]。 研究提高小麦耐盐性的方法、创新小麦耐盐栽培模式，对提高盐碱地小麦产量具有重要意义。

土壤通气性是影响植株生长的一项重要因素，良好的根系通气性是减轻作物盐害、保障作物正常生长不可或缺的条件之一[6]。 然而盐碱地土壤大多为粘性土，土壤结构差、板结严重，导致植物根系缺氧[7]，盐害与缺氧互作会加剧根系的胁迫程度。 传统漫灌、畦灌会导致根区出现间歇性低氧胁迫问题，而化学除草代替人工锄草又使这种缺氧胁迫一直持续到作物收获，对作物根系代谢以及微生物活性造成不利影响，最终导致作物减产[8]。 1964 年，Savostin[9]首先确定了灌溉水增氧能有效地促进小麦生长，不仅能增加生物量，还能促进根系生长，根长较对照提高近50%。之后，在豇豆(Vigna unguiculataL. Walp)、番茄(Solanum lycopersicumL.)、辣椒(Capsicum annuumL.)等作物上的研究表明，利用灌溉来改变根际氧环境能显著提高叶绿素含量，促进作物光合作用，从而达到提高作物产量的目的[10－13]。 利用曝气增氧技术处理过的水进行灌溉能抑制盐分在植株体内的运移与转化，株高和叶绿素含量明显增加，产量构成相关性状指标得到有效提高，但对禾本科作物粒重影响不显著[11]。

苗期耐盐性关系着盐碱地小麦成苗率和后期群体大小，对产量形成起关键作用。 改善根系氧环境是否能提高小麦苗期的耐盐性尚未见报道。本试验营造不同的根系氧环境，对比分析增氧对小麦苗期耐盐性的影响，以期为盐碱地小麦栽培提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本试验以青岛农业大学选育的青麦11 为材料，于2021 年12 月18 日—2022 年1 月14 日在青岛农业大学恒温恒湿培养室进行。 选取均匀一致的小麦种4℃处理48 h 后蒸馏水浸泡8 h，使其充分吸胀，之后次氯酸钠消毒5 min，用蒸馏水冲洗干净，培养皿中培养发芽。 3 d 后选择长势一致的幼苗移至漂浮水培板，恒温恒湿培养(培养条件为:温度(23.0±1)℃、相对湿度50%、光照强度1 800 lx)，每3 d 更换一次营养液(1/2 Hoagland)。

试验设不充气(CK，培养液含氧量5.05 mg/L)、通气(AW，森森牌气泵接细沙气泡石，功率120 W，培养液含氧量6.19 mg/L)、曝气(VAI，LP－MNB 微纳米气泡发生器，功率72 W，排气量＞2.6 L/min，培养液含氧量6.12 mg/L)三种氧环境处理，其中通气和曝气处理统称为充气处理。 三叶一心期设置0、35、70 mmol/L 盐胁迫(NaCl)处理浓度，共9 个处理(表1)，每处理重复5 次。

表1 试验处理

1.2 测定指标及方法

1.2.1 形态指标 盐胁迫处理后15 d 进行形态指标测定。 叶面积:选取每株最新完全展开叶，用台式叶面积仪(美国，CID， LI－3000C)测定。

叶干重及叶片水分饱和亏(water saturation deficit，WSD):取全株叶片称重(mf)，再将叶片置于4℃条件下50 mL 蒸馏水中24 h，称叶片饱和重(mt)，然后75℃烘干至恒重(md)。 WSD(%)＝(mt－mf)/(mt－md) ×100，md为叶干重。

株高及根干重:取10 株小麦苗测量株高。 将根从盾片处剪下，置于75℃烘箱中烘干至恒重称取根干重。

根表型指标:将根从盾片处剪断，用根系扫描仪(美国，REGENTINS TRUMENTSINC， LA-2400)扫描测量根表面积和根长。

1.2.2 叶片盐分指标 盐胁迫处理后3、7、15 d取最新完全展开叶混剪后称取0.50 g 放入试管并加蒸馏水10 mL，室温水浴振荡1 h，静置24 h，用电导率仪(上海仪电科学仪器有限公司，DDSJ－308A)测定叶片电导率、总溶解性固体(total dissolved solids， TDS)和盐度。

1.2.3 小麦叶片光合指标 叶绿素荧光:盐胁迫处理后15 d，并暗处理1 h 后，每处理选取9 株小麦的最新完全展开叶，每片叶取3 个点，用叶绿素荧光成像系统(德国，WALZ 公司，IMAGINGPAM)测定最小荧光值(Fo)、最大荧光值(Fm)、暗适应下最大光化学效率(Fv/Fm)。

1.2.4 小麦叶片生理指标 盐胁迫后15 d 选取均匀一致最新完全展开叶，液氮冷冻后转移保存到－80℃超低温冰箱。

可溶性糖测定采用蒽酮比色法，脯氨酸(Pro) 含量测定采用磺基水杨酸法，丙二醛(MDA)含量测定采用硫代巴比妥酸法[14]。

1.3 数据统计与分析

使用Microsoft Excel 2016 进行数据整理，DPS 7.05 软件进行方差分析，Duncan’s 新复极差法进行多重比较(P＜0.05)，使用SigmaPlot 12.5软件作图。

2 结果与分析

2.1 根际氧环境对盐胁迫下小麦苗期地上部生长的影响

由图1 可知，小麦株高、叶面积和叶干重均随盐浓度增加而降低。 各盐浓度下AW 处理的株高均显著高于CK 和VAI；0、70 mmol/L 盐浓度下VAI 处理的株高与CK 间差异不显著，35 mmol/L盐浓度处理下二者差异显著(图1A)。

图1 根际氧环境对盐胁迫下小麦苗期株高(A)、叶面积(B)和叶干重(C)的影响

由图1B 可知，0、35 mmol/L 盐浓度下AW0、VAI0 和AW35、VAI35 处理的叶面积分别较CK0和CK35 显著增加91. 2%、99. 2% 和60.5%、26.1%；35、70 mmol/L 盐浓度下，各处理的叶面积均表现为AW＞VAI＞CK，35 mmol/L 盐浓度条件下AW 和VAI 处理间差异显著，70 mmol/L 盐浓度下各处理间差异不显著。

由图1C 可知，各盐浓度处理下小麦叶片干重均表现为AW＞VAI＞CK，且同一盐浓度下不同处理间差异显著。 其中，AW0 和VAI0 处理的叶干重较CK0 分别升高283.0%、71.3%；AW35、VAI35 处理的叶干重较CK35 分别升高336.6%、29.5%；AW70、VAI70 处理的叶干重较CK70 分别升高257.0%、76.4%。

2.2 根际氧环境对盐胁迫下小麦苗期根系生长的影响

由表2 看出，同一氧环境下小麦根干物质量随盐浓度增加而降低。 相同盐浓度下，根干物质量、根表面积、根长均表现为AW＞VAI＞CK。 其中，35、70 mmol/L 盐浓度下，AW 和VAI 处理的根干物质量均显著高于CK；AW0 的根干物质量显著高于CK0 和AVI0。 0、35 mmol/L 盐浓度下，AW 和VAI 处理的根表面积均显著高于CK，AW70 处理的根表面积分别较CK70 和VAI70 显著提高24.7%和23.0%。 三种盐浓度胁迫下，小麦苗期根长均表现为AW＞VAI＞CK，且相同氧环境下处理间差异显著。

表2 根际氧环境对盐胁迫下小麦苗期根系形态的影响

2.3 根际氧环境对盐胁迫下小麦苗期叶片水分生理特性的影响

2.3.1 对盐胁迫下小麦叶片WSD、含盐量的影响

由表3 可知，小麦叶片WSD 值随盐浓度增大而增加。 各盐浓度下小麦叶片WSD 值表现为CK＞VAI＞AW。 0 mmol/L 盐浓度下各处理间WSD 值无显著差异；35 mmol/L 盐浓度下AW35 和VAI35处理叶片WSD 值较CK35 分别显著降低45.4%和40.9%；AW70 和VAI70 处理叶片WSD 值较CK70 分别显著降低81.5%和44.6%。

表3 根际氧环境对盐胁迫下(7 d)小麦叶片生理特性的影响

叶片电导率和TDS 含量均随盐浓度增大而增加。 0、35、70 mmol/L 盐浓度下处理间电导率、TDS 含量均表现为AW＜VAI＜CK 的趋势。 CK0叶片电导率显著高于AW0，与VAI0 差异不显著，CK0 叶片TDS 含量显著高于AW0 和VAI0；35、70 mmol/L 盐浓度下，AW、VAI 处理的叶片电导率、TDS 含量均显著低于CK。

35 mmol/L 盐浓度下，AW、VAI 处理的叶片盐度较CK 均显著降低50%；70 mmol/L 盐浓度下，AW 处理的叶片盐度较VAI 和CK 均显著降低40%；0 mmol/L 盐浓度下各处理间叶片盐度无明显差异。

2.3.2 对盐胁迫下小麦叶片电导率动态的影响

叶片电导率随盐胁迫处理天数增加而增大(图2)。 0 mmol/L 盐浓度下CK、AW、VAI 处理3～7 d的电导率增幅分别为92.1%、56.7%、92.0%；3～15 d 的电导率增幅分别为306.8%、228.0%、228.4%。35 mmol/L 盐浓度下CK、AW、VAI 处理3 ～7 d 的电导率增幅分别为117.3%、93.37%、90.4%；3～15 d的电导率增幅分别为592.2%、392.0%、591.7%。 70 mmol/L 盐浓度下CK、AW、VAI 处理3 ～7 d 的电导率增幅分别为116.1%、119.5%、115.7%；3 ～15 d 的电导率增幅分别为952.5%、623.3%、965.0%。

图2 根际氧环境对盐胁迫下小麦苗期叶片电导率动态的影响

2.4 根际氧环境对盐胁迫下小麦苗期叶片衰老生理特性的影响

不同盐浓度下小麦叶片可溶性糖含量变化不大(图3A)。 0、70 mmol/L 盐浓度下各充气处理与对照叶片可溶性糖含量无显著差异，35 mmol/L盐浓度下VAI 处理的可溶性糖含量较CK 和AW分别显著增加5.5%、14.3%。

图3 根际氧环境对盐胁迫下小麦苗期叶片衰老生理指标的影响

小麦叶片Pro 含量总体随盐浓度升高而增加(图3B)。 0 mmol/L 盐浓度下AW 处理的叶片Pro 含量显著低于CK；35 mmol/L 盐浓度下AW、VAI 处理的叶片Pro 含量较CK 分别显著降低10.5%、8.4%。

MDA 的过度积累会对细胞膜造成损伤[26]。叶片MDA 含量随盐浓度升高而增加(图3C)。各盐浓度下不同充气处理小麦叶片MDA 含量均表现为AW＜VAI＜CK。 0、35、70 mmol/L 盐浓度下AW 处理叶片MDA 含量较CK 分别显著降低46.2%、63.3%、50.9%。

2.5 根际氧环境对盐胁迫下小麦苗期叶片光合指标的影响

2.5.1 对盐胁迫下叶片叶绿素荧光参数的影响

小麦叶片最小荧光值随盐浓度的增加而增大(图4A)。 各盐浓度下不同处理小麦叶片Fo 值均表现为AW＜VAI＜CK。 AW35 处理叶片Fo 值显著小于CK35 和VAI35，70 mmol/L 盐浓度下叶片Fo 值各处理间差异显著，AW 和VAI 处理较CK分别显著降低48.7%、21.9%。

图4 根际氧环境对盐胁迫下小麦苗期叶片叶绿素荧光参数的影响

小麦叶片最大荧光值(图4B)、暗适应下最大光化学效率(图4C)总体随盐浓度增加而降低。各盐浓度下小麦叶片Fm、Fv/Fm 均表现为AW＞VAI＞CK。 三种盐浓度下AW 处理小麦叶片Fm值较CK 分别显著升高33.8%、23.6%和26.2%。0 mmol/L 盐浓度下AW 和VAI 处理的Fv/Fm 分别较CK 高24.4%、19.9%，且差异显著；35 mmol/L 盐浓度下Fv/Fm 各处理间差异显著，AW 和VAI 处理较CK 分别高72.1%和52.1%；70 mmol/L 盐浓度下AW 处理的Fv/Fm 较CK 和VAI 处理分别显著提高180.1%、118.3%。

2.5.2 对盐胁迫下叶片叶绿素荧光成像的影响

随盐浓度增加，叶片Fv/Fm 荧光成像伪彩色图表现出蓝—绿—黄的状态(图5，色彩对照图越往右侧Fv/Fm 值越大)。 其中，不充气处理下，随盐浓度增加表现出明显的蓝—绿—绿＋黄的状态；AW 氧环境下，三种盐浓度下无显著的颜色变化，仅在70 mmol/L 盐浓度下叶片出现一些与叶脉平行的绿色条带；VAI 氧环境下，随盐浓度增加表现出明显的深蓝—浅蓝—绿的变化趋势。

图5 根际氧环境对盐胁迫下小麦苗期叶片Fv/Fm 荧光成像的影响

从不同盐胁迫程度看，0 mmol/L 盐浓度下CK、AW、VAI 三种氧环境依次表现出浅蓝、深蓝、深蓝的状态，35 mmol/L 盐浓度下依次表现出绿、深蓝、浅蓝的状态，70 mmol/L 盐浓度下依次表现出黄绿、深蓝、绿的状态。

3 讨论

根系缺氧会导致植物根系、叶片生长受到抑制[15]。 作物形态特征变化也能直观反映盐害程度[16]。 小麦产量与植株干物质量在一定范围内呈正相关关系[17]。 苗期适宜的叶面积指数、生物量等有利于后期籽粒灌浆和产量提高。 本研究中，各盐胁迫水平下，营养液通气处理的株高、叶面积高于曝气处理和对照，表明通气处理营造的氧环境提高了水培小麦的耐盐能力。 根系作为小麦吸收营养和水分的主要器官，其生长状况与产量关系密切[17]。 有研究表明，小麦生长发育受根重、根长、根毛数量等的影响非常明显[18，19]。Zhao 等[20]的研究表明，经NaCl 处理的玉米种子，三分之二的植株根系发生带状盐渍化，地上部重量却几乎没有减轻或减轻很少。 本研究三种盐浓度下，两种充气处理均提高小麦根长、根表面积，这可能是充气处理提高小麦抗盐胁迫能力的原因之一。 且充气处理的根干物质量、根表面积、根长均显著优于对照，表明充气处理为盐胁迫条件下小麦提供的氧环境更有利于其根系生长发育。

叶片水分饱和亏是实际含水量与饱和相对含水量的差值，是反映水分供应状况的重要指标[21]，水分饱和亏越大，表示植物体内水分亏缺越严重，这会间接导致植物体内盐分积累[22]。Hassen 等[23]的研究结果表明，盐胁迫条件下提高根际环境氧含量，小麦幼苗叶片保水性显著增强，推测这可能是维持麦苗各项生理代谢运行的基础。 本研究中，所有盐浓度下通气处理的水分饱和亏均小于CK，说明营养液通气营造的氧环境更有利于盐胁迫下小麦叶片保持较好的水分状态。

植物细胞质膜具有选择透过性，细胞与外界环境之间发生的一切物质交换都必须通过质膜进行[24]。 盐胁迫会导致质膜损伤，质膜透性增大，细胞内电解质外渗，电导率变大[25]，同时，质膜分解导致丙二醛积累[26，27]。 本研究中，随着盐浓度增加，叶片丙二醛、TDS 含量及电导率均呈升高趋势。 较强盐胁迫条件(70 mmol/L NaCl)下充气处理(AW)的丙二醛含量、电导率和盐度指标均低于曝气处理和对照，说明充气处理的小麦叶片受到的盐胁迫相对较轻，这支持了本研究上述麦苗形态指标对盐胁迫和根系氧环境响应的推测。

可溶性糖是植物体内合成其他有机溶剂的碳架和能量来源，对细胞膜和原生质胶体起稳定作用[28]。 一般情况下，植物体内游离脯氨酸、丙二醛含量很低，但遇到逆境胁迫时，游离脯氨酸[29]和丙二醛会大量积累[30]。 然而也有研究表明，随着盐浓度的增大，玉米叶片MDA 含量呈先上升后降低的变化趋势[31]。 本研究中，随着盐浓度增加，两个充气处理叶片的Pro、可溶性糖和MDA含量均低于对照，且通气处理(AW)小麦叶片Pro含量显著低于CK，由此推断，增加培养液溶氧量提高了小麦对盐胁迫的适应性，且Pro 可能是本研究中麦苗响应盐胁迫和根系氧环境变化的渗透调节物质。 另外，齐琪等[32]指出，在高Na＋浓度的环境中维持胞质中稳定的K＋浓度、增强自身保护酶活性是植物抵御盐胁迫的重要措施。 本研究没有开展小麦苗期叶片K＋和保护酶活性的分析，将在今后的根系增氧改善钠盐胁迫下小麦生长发育的研究中重点关注。

众多研究表明，盐胁迫会抑制光合作用，增加叶片初始荧光值、降低最大荧光值[33，34]。 本研究中，两种氧环境水处理均降低叶片Fo 值，增加Fm值和Fv/Fm，叶片能保持较好的光合系统。 小麦叶片的荧光成像伪彩色图像反映了不同处理下的Fv/Fm 状态，更直观地表现出提高盐浓度均对幼苗产生不同程度的抑制作用，而所有充气处理均能有效提高叶片光合性能，且通气处理对小麦幼苗叶绿素荧光的促进作用高于曝气处理，可有效提高盐胁迫下叶片的光能转化效率和电子传递速率。 在小麦种植过程中，通过农艺农机相结合，可以确保小麦的种植模式、种植效率及种植质量均有明显提升，这对于加快农业发展速度有重要意义。 本试验利用水培培养了解根际氧环境对NaCl 胁迫下小麦生理指标的影响，可为盐碱地栽培中农机农艺结合提供理论参考。

4 结论

随着盐浓度增加，小麦幼苗形态指标受抑制情况加剧，而AW、VAI 根际氧环境处理对盐胁迫下幼苗伤害有不同程度的缓解作用。 充气处理可以通过促进根系伸长和根系表面积增加来促进小麦生长(叶面积、株高和叶干重)。 生理代谢方面，充气处理能维持较好的叶片水生理环境，从而减轻叶细胞损伤，维持叶片光合作用顺利进行。本试验条件下，通气处理(AW)缓解小麦盐胁迫的效果更好。