不同鹽脅迫水平下硅對高羊茅幼苗生物量、酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

林選棟，武文莉，林麗果，周鈺佩，劉慧霞

(1.西北民族大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730030;2.蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州730020)

高羊茅(Festucaarundinacea)具有較好的耐踐踏、耐熱、耐干旱以及耐鹽等特性，且適口性佳、營養(yǎng)價(jià)值高，是倍受人們重視的牧草和草坪草，被廣泛種植于我國北方地區(qū)[1-2]。但是，由于近年來我國生態(tài)環(huán)境不斷惡化，各類鹽漬土壤不斷增加，往往使其生長于鹽脅迫的環(huán)境中[3]，影響其生長發(fā)育。植物在遭受輕度鹽脅迫時(shí)會通過調(diào)節(jié)自身的形態(tài)特征和生理生化過程來適應(yīng)[4]，而重度鹽脅迫會引起植物體內(nèi)自由基的大量積累、膜質(zhì)氧化作用增強(qiáng)、細(xì)胞膜通透性增大等，導(dǎo)致植物枯萎甚至死亡[5]。因此,提高高羊茅在鹽脅迫環(huán)境中的適應(yīng)能力，已成為我國北方地區(qū)高羊茅栽培草地健康生長的重要途徑。

硅在土壤中以單硅酸的形式被植物根系吸收及轉(zhuǎn)移，最終主要以“生物起源蛋白石”的形式沉積在植物體中，有利于植物的生長發(fā)育[6]，且其有利效應(yīng)在非生物脅迫下更為明顯[7]。研究表明，添加硅能夠提高大麥(Hordeumvulgare)[8]、番茄(Lycopersiconesculentum)[9]和水稻(Oryzasativa)[10]等植物在鹽脅迫下的耐鹽性，其原因是添加環(huán)境友好型元素硅提高了植株抗氧化酶的活性，增強(qiáng)了植物體內(nèi)清除·O2-的能力，降低了膜脂過氧化作用對細(xì)胞膜的傷害[9，11]。目前，已有研究表明添加外源硅能夠提高鹽生境下高羊茅的發(fā)芽率和出苗率[12-13]，然而，鹽生境指高羊茅從播種開始就一直生存于鹽生環(huán)境中，高羊茅適應(yīng)鹽生境的時(shí)間相對比較長，但鹽脅迫則是生長良好的高羊茅突然遭受鹽分傷害，那么硅促進(jìn)鹽生境下高羊茅的生長特性理論是否能夠被用于指導(dǎo)鹽脅迫下高羊茅草地的管理，尚需科學(xué)佐證。因此，本研究采用盆栽試驗(yàn)，通過研究不同鹽脅迫下硅對高羊茅生物量、抗氧化能力和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響，以期闡明硅對高羊茅遭受鹽脅迫時(shí)的產(chǎn)量特征和生理特征應(yīng)答，從而為我國北方地區(qū)高羊茅草地的生產(chǎn)和管理提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究采用盆栽試驗(yàn)，所用的種子來源于北京百綠集團(tuán)，分別用鹽濃度和加硅與否，進(jìn)行二因素處理。鹽濃度分別設(shè)置為0、50、100、150、200、250、300 mmol·L-1，每個(gè)鹽濃度下設(shè)置添加硅(+Si)和不添加硅(-Si)兩個(gè)處理，整個(gè)試驗(yàn)共14個(gè)處理，每處理重復(fù)8次。試驗(yàn)在蘭州大學(xué)日光智能溫室內(nèi)進(jìn)行，采用高15 cm、盆口直徑20 cm的塑料盆，每個(gè)花盆內(nèi)播種飽滿的高羊茅種子300粒，基質(zhì)為珍珠巖和蛭石(體積比為1∶1)的混合物，硅源采用2 mmol·L-1硅酸鈉[14]。鹽采用氯化鈉，計(jì)算鹽分濃度時(shí)包括硅酸鈉內(nèi)的鈉離子。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，播種開始后先用Hoagland營養(yǎng)液進(jìn)行培養(yǎng)，待高羊茅生長至6 cm時(shí)，在Hoagland營養(yǎng)液中添加相應(yīng)的硅酸鈉和氯化鈉，實(shí)現(xiàn)鹽脅迫處理，處理采用隔天澆灌，澆灌量以塑料盆下面的小孔有液體流出為止。為了避免鹽激作用對高羊茅植株的影響，鹽溶液濃度≤100 mmol·L-1的處理中，其濃度每次遞增25 mmol·L-1，鹽溶液濃度>100 mmol·L-1的處理中，濃度每次遞增50 mmol·L-1，直至達(dá)到最終設(shè)計(jì)的鹽濃度后，繼續(xù)澆灌14 d，取樣進(jìn)行設(shè)定指標(biāo)檢測。

1.2 測定方法

生物量的測定采用常規(guī)烘干法[15]?？扇苄缘鞍椎臏y定采用考馬斯亮藍(lán)法，丙二醛的測定采用硫代巴比妥酸法[16]。參照愈創(chuàng)木酚法[17]測定過氧化物酶(POD)。用蒽酮比色法測定可溶性糖，NBT法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性，硫代巴比妥酸滴定法測定過氧化氫酶(CAT)活性[15]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用SPSS 19.0進(jìn)行二因素方差分析，采用Excel 2010軟件繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鹽脅迫水平下硅對高羊茅幼苗生物量的影響

單因素鹽濃度和硅均顯著影響了高羊茅幼苗的生物量(P<0.05)，但二者互作對高羊茅幼苗生物量影響不顯著(圖 1)。當(dāng)鹽濃度≤50 mmol·L-1時(shí)，硅和鹽濃度對高羊茅生物量沒有顯著影響(P>0.05)；當(dāng)鹽濃度為100～200 mmol·L-1時(shí)，隨著鹽濃度增加無論加硅與不加硅高羊茅生物量都呈顯著下降趨勢(P<0.05)，但是相同鹽濃度下加硅處理高羊茅生物量顯著高于不加硅處理(P<0.05)。硅對高羊茅生物的增幅量呈先上升后下降的趨勢，鹽濃度為100 mmol·L-1時(shí)，加硅增幅最小，增幅為10.98%，鹽濃度為200 mmol·L-1加硅增幅最大，增幅為21.20%；鹽濃度≥200 mmol·L-1時(shí)，添加硅對高羊茅生物量影響不顯著。

圖1 不同鹽脅迫水平下硅對高羊茅幼苗生物量的影響Fig. 1 Effect of silicon addition on biomass of tall fescue seedlings under different salt concentration conditions

不同小寫字母表示不同處理間的差異顯著(P<0.05),下同。

Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments at the 0.05 levels, similarly for the following figures.

2.2 不同鹽脅迫水平下硅對高羊茅幼苗抗氧化酶的影響

硅與鹽濃度均顯著影響了高羊茅幼苗SOD、POD、CAT活性(P<0.05)，硅與鹽濃度互作對其影響不顯著(圖 2)。無論加硅與不加硅，SOD和POD活性均隨著鹽濃度的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，CAT活性呈現(xiàn)上升趨勢，但不同抗氧化酶活性顯著增減所對應(yīng)的鹽濃度存在分異。不添加硅時(shí)，SOD和POD活性在鹽濃度為200 mmol·L-1時(shí)增加到峰值，此后SOD活性顯著降低(P<0.05)，POD活性有下降趨勢但不顯著，當(dāng)鹽濃度為300 mmol·L-1時(shí)SOD活性低于對照，該鹽濃度下CAT活性上升達(dá)顯著水平(P<0.05)；添加硅時(shí)，POD活性呈顯著先上升趨勢(P<0.05)，當(dāng)鹽濃度為200 mmol·L-1時(shí)增加到峰值，此后開始下降但不顯著；隨著鹽濃度的增加SOD活性呈先上升后下降趨勢，鹽濃度為150 mmol·L-1時(shí)增加到峰值；CAT活性在鹽濃度≥200 mmol·L-1時(shí)顯著增加(P<0.05)，其他濃度下沒有顯著變化。

硅對高羊茅幼苗抗氧化酶活性的影響與鹽濃度高低密切相關(guān)，當(dāng)鹽濃度為150、250、300 mmol·L-1時(shí)硅顯著提高了SOD活性(P<0.05)，鹽濃度為300 mmol·L-1時(shí)增幅最大，與該鹽濃度下不加硅相比提高了44.41%；相同濃度下硅顯著提高了高羊茅POD活性(P<0.05)，在鹽濃度為50 mmol·L-1時(shí)增幅最多，與該濃度下不加硅相比增幅為10.60%；當(dāng)鹽濃度為300 mmol·L-1時(shí)硅顯著提高了高羊茅CAT活性(P<0.05)。

2.3 不同鹽脅迫水平下硅對高羊茅滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

硅與鹽濃度均顯著影響了高羊茅幼苗可溶性糖和可溶性蛋白含量(P<0.05)，硅與鹽濃度互作對其影響不顯著(圖3)。不添加硅時(shí)，高羊茅幼苗可溶性糖和可溶性蛋白含量均隨著鹽濃度的增加呈先增加后降低變化趨勢，但是二者峰值所對應(yīng)的鹽濃度存在差異，鹽濃度為200 mmol·L-1時(shí)，高羊茅體內(nèi)可溶性糖含量最多，與對照相比增加了16.54%，而可溶性蛋白含量最高時(shí)的鹽濃度為250 mmol·L-1，較對照增加了45.94%，在150、200 mmol·L-1時(shí)可溶性糖含量顯著增加(P<0.05)，在100、150、200、250、300 mmol·L-1時(shí)可溶性蛋白含量顯著增加(P<0.05)。添加硅時(shí)，所有鹽濃度條件下高羊茅幼苗體內(nèi)的可溶性糖和可溶性蛋白含量均顯著大于對照(P<0.05)，但是二者增加的幅度變化趨勢不同，可溶性糖含量呈先上升后下降的趨勢，其中鹽濃度為250 mmol·L-1時(shí)達(dá)到最高，此時(shí)與對照相比增加了15.24%；可溶性蛋白含量呈逐漸上升最后趨于平緩趨勢。

圖2 不同鹽脅迫水平下硅對高羊茅幼苗抗氧化酶的影響Fig. 2 Effect of silicon supplies on antioxidase of tall fescue seedlings under different salt concentrations

硅降低了同一鹽濃度下高羊茅幼苗體內(nèi)可溶性糖和可溶性蛋白含量(P<0.05)，但降低幅度隨鹽濃度不同而不同。當(dāng)鹽濃度為50、150、200 mmol·L-1時(shí)添加硅顯著降低了高羊茅幼苗體內(nèi)可溶性糖含量(P<0.05)，鹽濃度為150 mmol·L-1時(shí)降低最多，與該濃度下不添加硅相比降低了7.09%；當(dāng)鹽濃度為50、150、200、250 mmol·L-1時(shí)添加硅顯著降低了可溶性蛋白含量(P<0.05)，鹽濃度為250 mmol·L-1時(shí)降低最多，與該濃度下不添加硅相比降低了9.86%。

2.4 不同鹽脅迫水平下硅對高羊茅幼苗丙二醛的影響

硅與鹽濃度均顯著影響了高羊茅幼苗體內(nèi)丙二醛含量(P<0.05)，硅與鹽濃度互作對其影響不顯著(圖4)。無論加硅與不加硅，高羊茅體內(nèi)丙二醛含量均隨鹽濃度的增加而增加，但在相同鹽濃度下硅顯著降低了高羊茅體內(nèi)丙二醛含量(P<0.05)。

圖3 不同鹽脅迫水平下硅對高羊茅幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響Fig. 3 Effect of silicon addition on osmolytes of tall fescue seedlings under different salt concentration conditionss

3 討論與結(jié)論

生物量能直接反映植物對鹽脅迫環(huán)境的適應(yīng)能力，是植物耐鹽性的重要指標(biāo)[18-19]。本研究表明，在不同鹽濃度下高羊茅對硅的響應(yīng)存在分異，鹽濃度≤50 mmol·L-1時(shí)，鹽濃度和硅對高羊茅幼苗生物量影響不顯著，說明在該鹽濃度范圍內(nèi)鹽對高羊茅的傷害不夠嚴(yán)重。鹽濃度為100～200 mmol·L-1時(shí)，隨著鹽濃度的增加生物量呈顯著下降趨勢，這與對金絲小棗(Zizyphusjujuba)的研究結(jié)果趨同[20]，相同鹽濃度下硅顯著提高了高羊茅幼苗生物量，這與番茄[9]和水稻[10]等植物對硅的響應(yīng)一致，說明該鹽濃度已經(jīng)對高羊茅的生長形成傷害，但硅可減輕鹽脅迫對高羊茅的傷害；當(dāng)鹽濃度≥200 mmol·L-1時(shí)，鹽濃度和硅對高羊茅幼苗生物量影響不顯著，說明此時(shí)高羊茅受到鹽脅迫的傷害較為嚴(yán)重， 超過了高羊茅所能承受的調(diào)節(jié)范圍，硅的調(diào)節(jié)能力已經(jīng)無法修復(fù)鹽對高羊茅的傷害[21]。硅對脅迫下高羊茅的生物量沒有明顯的促進(jìn)作用，這與宋銳等[12]對不同鹽生境下高羊茅的研究結(jié)果一致。

生物量的變化是高羊茅適應(yīng)鹽脅迫環(huán)境的外在表現(xiàn)，而高羊茅植株體內(nèi)抗氧化酶活性、滲透物質(zhì)含量的增加或減小則是響應(yīng)鹽脅迫環(huán)境的內(nèi)在機(jī)制[22-23]。正常情況下，植物體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生與清除處于動態(tài)平衡，鹽脅迫會使植物體內(nèi)的活性氧大量積累，使其平衡被打破，引起細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能受損[24]。一般認(rèn)為，植物耐鹽性的強(qiáng)弱與自身抗氧化酶活性和滲透調(diào)節(jié)能力強(qiáng)弱密切相關(guān)[25]。在鹽脅迫下添加硅不僅改善植物體滲透調(diào)節(jié)過程，降低膜質(zhì)過氧化作用，緩解鹽脅迫對植物造成的傷害，而且增強(qiáng)了其SOD、POD和CAT的活性，提高抗氧化酶清除自由基的能力，使膜結(jié)構(gòu)免受傷害，從而提高了作物的耐鹽性[26-27]，譬如銀杏(Ginkgobiloba)[26]、黑枸杞(Lyciumruthenicum)[27]和黃瓜(Cucumissativus)[28]。本研究表明，高羊茅體內(nèi)SOD和POD活性隨鹽濃度增加呈先上升后下降趨勢，而CAT活性整體呈上升趨勢，但鹽濃度對抗氧化酶活性的影響存在差異，其中鹽濃度為200 mmol·L-1時(shí)，SOD和POD達(dá)到峰值，CAT活性也開始顯著增加，這說明鹽濃度>200 mmol·L-1時(shí)，植株體內(nèi)產(chǎn)生的自由基過多，超過了SOD、POD、CAT的清除范圍，導(dǎo)致自由基大量積累，使SOD、POD酶損傷，從而使SOD、POD活性下降[29]，同時(shí)也說明SOD、POD和CAT在一定環(huán)境脅迫下具有協(xié)同互補(bǔ)作用[30]，這與前人對鹽芥(Thellungiellahalophila)[29]的研究結(jié)果一致。在相同鹽濃度下添加硅顯著提高了SOD、POD和CAT活性，這與前人對甘草(Glycyrrhizauralensis)[31]、玉米(Zeamays)[32]、黃瓜[28]、小獐毛(Aeluropuslittoralis)[6]等研究結(jié)果趨同，說明在鹽脅迫下硅通過提高高羊茅體內(nèi)的SOD、POD和CAT酶活性，增強(qiáng)對自由基的清除能力來提高其耐鹽性。

滲透調(diào)節(jié)能力也是植物抗逆能力的體現(xiàn)，植物體內(nèi)可溶性糖、可溶性蛋白和丙二醛含量的多少直接反映膜的通透性和膜脂過氧化及對逆境的響應(yīng)程度[33]。本研究表明，高羊茅幼苗體內(nèi)可溶性糖和可溶性蛋白含量隨鹽濃度增加呈先上升后下降的趨勢，丙二醛含量呈上升趨勢。原因可能是較高鹽濃度對可溶性蛋白和可溶性糖滲透調(diào)節(jié)功能造成破壞，表現(xiàn)為可溶性蛋白和可溶性糖含量降低，丙二醛含量顯著增加，生物量不再增加，這與對鵝耳櫪幼苗(Carpinusturczaniowii)[34]和蔞蒿(Artemisiaselengensis)[35]的研究結(jié)果一致。相同鹽濃度下，添加硅降低了高羊茅幼苗體內(nèi)可溶性糖、可溶性蛋白和丙二醛含量，此結(jié)果在小獐毛[6]、番茄[9]、玉米[36]等植物中也得到了證實(shí)。原因可能是硅能夠抑制因鹽脅迫造成傷害而導(dǎo)致高羊茅幼苗膜透性增大的趨勢，降低植株對可溶性糖和可溶性蛋白的累積，使得高羊茅植株在較低的可溶性糖和可溶性蛋白含量下有較好的保水能力[12,22,27]。說明硅能改善鹽脅迫下高羊茅幼苗的滲透調(diào)節(jié)過程，降低膜質(zhì)過氧化作用，提高高羊茅幼苗的耐鹽性。

由此可見，在鹽濃度≤200 mmol·L-1的條件下，硅能通過提高高羊茅植株體內(nèi)抗氧化酶活性增強(qiáng)清除自由基的能力，維持活性氧積累與清除的平衡，改善滲透調(diào)節(jié)過程，降低膜質(zhì)過氧化作用對細(xì)胞的傷害從而增強(qiáng)高羊茅對鹽脅迫的適應(yīng)性，維持其正常生長發(fā)育。