鹽堿脅迫對(duì)水培苜蓿幼苗生長(zhǎng)的影響

李劍峰，張淑卿，杜建雄，安 瑋，黃廷州

（1.貴州師范學(xué)院 貴州省生物資源開(kāi)發(fā)利用特色重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室／喀斯特生境土壤與環(huán)境生物修復(fù)研究所，貴州 貴陽(yáng)550018；2.貴州財(cái)經(jīng)大學(xué)，貴州 貴陽(yáng)550025；3.天水市疾控中心，甘肅 天水730070）

目前，土地鹽堿化已成為限制農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素，是世界性的環(huán)境問(wèn)題。全球具有開(kāi)墾價(jià)值的陸地面積為7×109hm2，其中，已開(kāi)墾的耕地面積僅為1.5×109hm2[1]，而鹽堿地面積為9.55×108hm2[2]。因此，深入研究鹽堿脅迫及其對(duì)植物的影響已成為改善土壤鹽堿化的重要理論依據(jù)。

苜蓿（MedicagosativaL.）堪稱牧草之王，具有抗寒耐旱、耐鹽堿、抗逆性強(qiáng)、適應(yīng)性廣、根系發(fā)達(dá)、再生性強(qiáng)等特點(diǎn)，長(zhǎng)期種植能促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)及全氮在土壤表層的積累，是改良中輕度鹽堿荒地的理想植物[3]。目前對(duì)鹽堿脅迫耐受性的研究多以田間種植或沙培為主[4－5]，能夠比較全面地探討植株對(duì)鹽堿脅迫的耐受程度，但試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，在進(jìn)行多品種苜蓿耐鹽堿性比較時(shí)，需要付出大量的時(shí)間和精力進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)以確定不同苜蓿品種的基本抗性范圍。由于不同苜蓿種質(zhì)對(duì)非生物因素的抗性多由其基因型決定，并能在幼苗初期的短期生長(zhǎng)中得到體現(xiàn)，因此，研究者探索出一些較為快捷的抗性測(cè)定方法。Parrott等[6]以愈傷組織的短期相對(duì)生長(zhǎng)量和生理指標(biāo)測(cè)定試驗(yàn)篩選出耐鋁毒能力強(qiáng)的苜蓿種質(zhì)。Dall’Agnol等[7－8]以短期內(nèi)水培幼苗的相對(duì)根系生長(zhǎng)量為指標(biāo)進(jìn)行不同苜蓿種質(zhì)對(duì)非生物脅迫的耐受性比較。由于鹽堿脅迫往往同時(shí)存在于栽培土壤，而不同地區(qū)土壤中的鹽堿程度不一致，普通的土壤栽培試驗(yàn)難以說(shuō)明具體生境下鹽堿脅迫的主效脅迫因素。因此，筆者以西北地區(qū)廣泛種植的紫花苜蓿品種隴東苜蓿（Medicagosativacv.Longdong）幼苗為試驗(yàn)材料，研究在水培條件下各濃度梯度的鹽、堿處理對(duì)其幼根及莖生長(zhǎng)的影響，以期快速評(píng)價(jià)該苜蓿品種對(duì)鹽、堿脅迫的抗性，并探討該方法在快速評(píng)價(jià)種質(zhì)抗性中的有效性和實(shí)用性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試植物材料為貯藏6個(gè)月的隴東苜蓿種子，于2009年由甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供。種子凈度98.5%，初始發(fā)芽率78.84%，初始水分含量9.05%[9]。

供試試劑為分析純級(jí)的 NaCl，Na2SO4，NaHCO3和Na2CO3，均購(gòu)自美國(guó)Sigma公司。

1.2 基礎(chǔ)營(yíng)養(yǎng)液配制

Hoagland營(yíng)養(yǎng)液[10]使用前用去離子水稀釋1倍后再用1mol／L NaOH 或HCl溶液調(diào)節(jié)pH 值至7.0。

1.3 水培試驗(yàn)

取5g隴東苜蓿種子，用3%（v／v）的NaClO 溶液對(duì)其表面消毒7 min 后，無(wú)菌水沖洗6 遍，每0.5g種子置于1個(gè)鋪有雙層無(wú)菌濾紙的無(wú)菌培養(yǎng)皿中，并以無(wú)菌水4℃避光冷處理48 h。參照Sledge等的方法[9]，冷處理后將種子在24℃下避光催芽24h，在大量萌發(fā)的幼苗中選取根長(zhǎng)為2cm 且株長(zhǎng)一致（±1mm）的幼苗轉(zhuǎn)入容積為2L 的水培盒中進(jìn)行23℃恒溫水培，光照培養(yǎng)18h，暗培養(yǎng)6h，光照強(qiáng)度260μmol／（m2·s）。每盒置入6 個(gè)容積為200mL的網(wǎng)底塑料杯。將根長(zhǎng)及全長(zhǎng)一致的幼苗幼莖朝外，幼根穿過(guò)杯底網(wǎng)孔反向進(jìn)入杯內(nèi)，固定于倒置的網(wǎng)底塑料杯杯底上部，并使幼苗2cm的幼根完全處于營(yíng)養(yǎng)液中，每塑料杯置入5株幼苗。以1／2Hoagland營(yíng)養(yǎng)液為對(duì)照。

1.4 不同鹽濃度對(duì)幼苗根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)的影響

鹽脅迫設(shè)計(jì)參照劉杰等[11－12]的方法，以NaCl∶Na2SO4為9∶1（mol／mol）混合，模擬典型鹽脅迫環(huán)境，配 制 鹽 濃 度 為0 mmol／L、10 mmol／L、20mmol／L、40 mmol／L、60 mmol／L、80 mmol／L、100 mmol／L、120 mmol／L 共8個(gè)處理的1／2Hoagland營(yíng)養(yǎng)液1.5L。將各處理營(yíng)養(yǎng)液分別加入各水培盒中，每天通氣攪拌1 次，每次1 min，并添加去離子水以維持溶液體積為1.5L，培養(yǎng)條件同上。水培5d后，取出所有幼苗測(cè)量根、莖的長(zhǎng)度。

1.5 不同堿濃度對(duì)幼苗根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)的影響

堿脅迫設(shè)計(jì)參照劉杰等[11]的 方 法 將NaHCO3∶Na2CO3為9∶1（mol／mol）混合，設(shè)置0mmol／L、2mmol／L、5 mmol／L、10 mmol／L、20mmol／L、40mmol／L、50 mmol／L 共7個(gè)處理。將不同堿濃度處理的1／2 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液分別加入各水培盒中，處理過(guò)程及測(cè)定指標(biāo)同1.4。

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用Excel和SPSS16.0統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以Duncan法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度鹽堿脅迫對(duì)苜蓿幼苗根莖生長(zhǎng)的影響

2.1.1 鹽脅迫 由圖1可見(jiàn)：5d的水培試驗(yàn)即可使幼苗對(duì)不同鹽堿脅迫表現(xiàn)出明顯的差異。隨著鹽濃度的升高，幼苗根長(zhǎng)呈先增加再減少的趨勢(shì)，并與鹽 濃 度 呈 二 項(xiàng) 式 相 關(guān)，y＝ －0.192 9x2＋1.462 7x＋2.460 7（R2＝0.727）。其中，低濃度（≤40mmol／L）鹽處理，幼苗根長(zhǎng)隨鹽濃度升高而逐漸增加，在40 mmol／L 時(shí)達(dá)5.21cm，為對(duì)照的2.02倍，差異顯著（p＜0.05）。該現(xiàn)象可能是幼苗對(duì)低毒脅迫產(chǎn)生的Hormesis效應(yīng)[13]所致。而濃度＞40 mmol／L的鹽處理，幼苗根長(zhǎng)隨著鹽濃度的升高而減少，在鹽濃度為120mmol／L時(shí)僅為對(duì)照的69%。高濃度的鹽脅迫使苜蓿幼苗根部的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)受到抑制，該結(jié)果與彥霞[14]和劉愛(ài)榮[15]等的研究結(jié)果一致。

高濃度的鹽溶液降低了幼苗根系的吸收能力，進(jìn)一步導(dǎo)致莖生長(zhǎng)均低于對(duì)照，并隨著鹽濃度的升高而逐漸加劇。在鹽濃度為100mmol／L 時(shí)僅為對(duì)照的75%，差異顯著（p＜0.05）。隨著鹽脅迫濃度的升高，莖與根系的生長(zhǎng)表現(xiàn)并不一致，短期低濃度鹽脅迫可刺激幼苗根系伸長(zhǎng)，但抑制地上部分的生長(zhǎng)。這與周新元等[16]的研究結(jié)果一致，即短期鹽脅迫能刺激根系的伸長(zhǎng)，但抑制根系對(duì)養(yǎng)分的吸收，從而表現(xiàn)出地上部分的生長(zhǎng)變緩。

圖1 不同濃度鹽堿脅迫隴東苜蓿幼苗根莖的長(zhǎng)度Fig.1 The length of root and stem under different salt and alkali concentrations

2.1.2 堿脅迫 由圖1還可見(jiàn)：堿脅迫處理下，幼苗根長(zhǎng)的變化與鹽脅迫處理相同，即呈先增加再減少的趨勢(shì)，并與堿濃度呈二項(xiàng)式相關(guān)，y＝－0.183 9x2＋1.104 2x＋2.697 6（R2＝0.749）。低濃度（≤5mmol／L）堿處理下，幼苗根長(zhǎng)均顯著高于對(duì)照，并隨堿濃度的升高而增加。堿濃度為5mmol／L時(shí)根系最長(zhǎng)，達(dá)5.2cm，為對(duì)照的1.56倍；堿濃度＞5mmol／L 時(shí)，幼苗根的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)隨著堿濃度的升高而受到抑制。在堿濃度為40mmol／L和50mmol／L 時(shí)，根長(zhǎng)僅分別為對(duì)照的69%和63%，差異顯著（p＜0.05）。在堿濃度為2mmol／L時(shí)，幼苗莖長(zhǎng)略高于對(duì)照但無(wú)顯著差異；在堿濃度＞2mmol／L的處理下，幼苗的莖長(zhǎng)均低于對(duì)照。其中，在堿濃度為40mmol／L和50 mmol／L時(shí)，幼苗莖長(zhǎng)僅為對(duì)照的74%和63%，差異顯著（p＜0.05）。

2.2 相同濃度鹽堿脅迫對(duì)幼苗生長(zhǎng)的影響

從圖2可見(jiàn)：相同濃度的鹽、堿處理對(duì)幼苗根系伸長(zhǎng)的影響差異明顯。鹽處理濃度≤40 mmol／L時(shí)，植株的根長(zhǎng)均高于同濃度堿處理組及對(duì)照組。10mmol／L堿處理下植株的根長(zhǎng)為對(duì)照的1.53倍，差異顯著（p＜0.05），但略低于同濃度鹽處理。隨著處理濃度的升高，同濃度堿脅迫對(duì)根的抑制作用強(qiáng)于鹽脅迫。40 mmol／L 鹽處理下植株根長(zhǎng)達(dá)6.3cm，分別為對(duì)照和同濃度堿脅迫下植株根長(zhǎng)的2.02倍和2.86 倍，差異顯著 （p＜0.05）。這與Yang等[17－20]的研究結(jié)果一致 ，即NaHCO3和Na2CO3等堿性鹽對(duì)植物生長(zhǎng)的抑制作用較同濃度的NaCl和Na2SO4等中性鹽更為明顯。鑒于2 種處理在同濃度下的Na＋濃度相同，因此，除去Na＋的脅迫效應(yīng)外，可推論鹽堿脅迫時(shí)OH－對(duì)植株根系的傷害強(qiáng)于Cl－和SO2－4。

圖2 相同鹽堿濃度脅迫幼苗的根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)Fig.2 The length of root and stem under the same concentrations of salt and alkali

同濃度鹽、堿脅迫下，莖的變化趨勢(shì)基本一致，即都表現(xiàn)為生長(zhǎng)受到抑制。該現(xiàn)象與根系的表現(xiàn)不同，這可能是由于短期處理下，莖受到的影響主要源自根系的吸收能力，而對(duì)根系所受到的低毒刺激細(xì)胞生產(chǎn)的作用反應(yīng)滯后所致。楊春雪等也指出，鹽脅迫下植物通過(guò)AM 真菌獲得的額外養(yǎng)分能緩解其地上部分受到的抑制[21]。20 mmol／L 鹽處理下植株莖長(zhǎng)低于同濃度堿脅迫的植株，并與40mmol／L鹽脅迫下的植株莖長(zhǎng)接近。表明，20 mmol／L鹽脅迫對(duì)植株地上部分生長(zhǎng)的抑制略低于同濃度的堿脅迫，但具體原因尚不明確，需對(duì)其生理指標(biāo)作進(jìn)一步分析和測(cè)定。

3 結(jié)論與討論

植物幼苗期對(duì)外界的鹽脅迫最敏感[1，22]，水培試驗(yàn)?zāi)車?yán)格控制脅迫條件并保持其他因素盡可能一致[8]，因此便于簡(jiǎn)化并分離混合脅迫的單個(gè)因素。Sledge等[7]以水培控制Al3＋濃度，結(jié)合測(cè)定幼苗根系相對(duì)生長(zhǎng)量指標(biāo)，利用簡(jiǎn)易裝置對(duì)321份蒺藜苜蓿進(jìn)行耐鋁脅迫種質(zhì)的快速篩選，既簡(jiǎn)化試驗(yàn)流程又縮短了研究周期。本研究通過(guò)5d的水培試驗(yàn)明確了隴東苜蓿幼苗對(duì)中性鹽和堿性鹽脅迫的耐受范圍分別為40mmol／L和20mmol／L，并指出鹽堿脅迫時(shí)OH－對(duì)植株根系的傷害可能較Cl－和SO2－4更強(qiáng)。該結(jié)果為苜蓿耐鹽堿特性的研究提供了參考，并為耐鹽堿苜蓿種質(zhì)資源的快速篩選提供了方法和依據(jù)。

鹽堿脅迫作為一種混合脅迫，在不同的地域和環(huán)境下脅迫因素的組成和程度存在較大差異[1]。以往的土壤栽培試驗(yàn)?zāi)塬@得更為全面的數(shù)據(jù)，但常以縮小結(jié)論適用的范圍并花費(fèi)大量時(shí)間完成管理和試驗(yàn)操作為代價(jià)，用于大量種質(zhì)的快速評(píng)價(jià)篩選則具有局限性。本研究將鹽堿脅迫中的鹽和堿因素分離后進(jìn)行比較，具有更廣泛的適用性。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)苜蓿幼苗根系生長(zhǎng)的抑制，濃度相近或相同的堿脅迫較鹽脅迫更明顯。幼苗根系生長(zhǎng)在鹽濃度＞40mmol／L時(shí)才受到抑制，而在堿濃度大于5mmol／L時(shí)受到明顯抑制；處理5d內(nèi)，幼苗根對(duì)鹽、堿脅迫比莖部更敏感，且變化趨勢(shì)不完全一致，可能是由于根系對(duì)低濃度的刺激效應(yīng)和高濃度的脅迫效應(yīng)的響應(yīng)快于莖部所致[12]。

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