張夏燚 張瑞 賈旭梅 趙通 朱祖雷 王延秀
摘要:以長富2號和嘎啦試管苗為試驗材料,采用液體培養(yǎng)法,將NaCl和NaHCO3溶液等體積混合,設(shè)置4個鹽堿濃度(0、50、100、200 mmol/L)進行脅迫處理,測定其生長量、膜透性、抗氧化酶活性及葉綠素含量等生理指標(biāo)。結(jié)果表明,與未脅迫處理相比,鹽堿脅迫下2個品種試管苗葉片中的脯氨酸、Na+大量積累;生長量受到抑制,根系活力和葉綠素含量均顯著下降;膜透性顯著升高。隨著鹽堿濃度的增大,2個品種試管苗的超氧化物歧化酶(SOD)均呈先降后升的趨勢,50 mmol/L為峰值;嘎啦的抗壞血酸過氧化物酶(APX)先上升后下降,而長富2號呈相反趨勢,且鹽濃度為200 mmol/L時,2個品種試管苗均死亡。長富2號的生長量、根系活力、葉綠素含量均顯著低于嘎啦,嘎啦的APX含量顯著高于長富2號。表明嘎啦主要通過提高細(xì)胞的抗氧化能力而增加植株的抗逆性,從而更好地適應(yīng)鹽堿脅迫。
關(guān)鍵詞:蘋果;試管苗;鹽堿脅迫;生理特性
中圖分類號:S661.1? ? ? 文獻標(biāo)志碼:A? ? ? 文章編號:1001-1463(2019)07-0033-08
Abstract:Changfu 2 and Gala were employed experimental materials and 4 different concentrations of mixed saline-alkali treatment (0, 50, 100, 200 mmol/L) were simulated on the basis of NaCl and NaHCO3 were mixed in equal volume by using liquid culture method. The changes of mixed saline-alkali on growth, membrane permeability, antioxidant enzyme activity and chlorophyll content were measured. Compared with the no stress control, proline and Na+ accumulated in the leaves of two plantlets under saline-alkali stress;the growth was inhibited, root activity and chlorophyll content decreased significantly;whereas the membrane permeability increased remarkcaly. With the increase of saline-alkali concentration, the superoxide dismutase (SOD) of both plantlets decreased first and then increased, with a peak value of 50 mmol/L, Gala ascorbic acid peroxidase (APX) increased first and then decreased, while Changfu 2 showed an opposite trend, and when the salt concentration was 200 mmol/L, both plantlets died. Meanwhile, the growth, root activity and chlorophyll content of Changfu 2 were significantly lower than those of Gala, while the APX content of Gala was markedly higher than that of Changfu 2. Therefore, Gala increases the stress resistance of plants mainly by improving the antioxidant capacity of cells, so as to better adapt to salt-alkali stress, which provides a theoretical basis for screening good varieties of salt-alkali resistance.
Key words:Apple;Plantlets;Saline alkali stress;Physiological characteristics
蘋果(Malus domestica Borkh)是世界上最重要的落葉果樹,也是我國第一大水果,其種植面積和產(chǎn)量約占全國水果總量的20%~30%,對國民經(jīng)濟的發(fā)展有重要的作用[1 ]。據(jù)聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織評估,預(yù)計到2050年,一半以上的耕地會發(fā)生鹽堿? ?化[2 ],嚴(yán)重影響著土地利用率和作物產(chǎn)? ? ?量[3 ]。西北黃土高原地區(qū)降水集中,光照充足,是我國蘋果的優(yōu)生區(qū),但該區(qū)域土壤多為石灰質(zhì),鹽漬化嚴(yán)重,這已成為制約蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要限制因子[4 ]。近年來,隨著灌溉農(nóng)業(yè)的發(fā)展和化肥的過量使用,此區(qū)鹽堿化面積持續(xù)增加[5 ]。
鹽堿脅迫是重要的非生物脅迫形式之 一[6 - 7 ]?;旌消}堿脅迫下,鹽可誘導(dǎo)離子脅迫、滲透脅迫和氧化脅迫,而堿脅迫在鹽脅迫的基礎(chǔ)上還增加了高pH脅迫,進一步抑制了植物生長[8 ]。Munns [9 ]研究表明,生長量是檢測作物抗鹽堿性最佳指標(biāo)之一;王 鍇[1 ]研究發(fā)現(xiàn)蘋果組培苗的葉片中,Na+含量隨著鹽堿程度的增大顯著增加,而 K+含量則明顯減少。近年來,關(guān)于鹽脅迫對作物生長的機理已有大量研究。隨著鹽濃度的升高,紫花苜蓿幼苗葉綠素含量先增加后減 少[10 ];何磊等[11 ]認(rèn)為,隨著鹽堿脅迫的增強,高粱的幼根幼芽長均顯著性下降;而高濃度 NaHCO3脅迫時,索邦和岷江百合的脯氨酸含量隨著脅迫增加顯著上升[12 ]。葉面噴施脯氨酸可以刺激莖葉和根部的生長,對提高植物干鮮重、光合速率、抗氧化酶活性等都有貢獻[5 - 6 ]。與此同時,植物的抗氧化系統(tǒng)也起到重要作用,鹽堿脅迫下,植物體內(nèi)活性氧(ROS) 大量積累,進而造成細(xì)胞損傷和死亡[13 - 14 ]。前人對于植物鹽堿脅迫的研究多集中在大田作物上,且更傾向單鹽單堿,而對于混合鹽堿脅迫下對蘋果的影響鮮有報道。
我們以蘋果試管苗長富2號和嘎啦為材料,研究鹽堿脅迫對生長量、膜透性變化、葉綠素含量、過氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)、脯氨酸含量、葉片Na+、K+濃度變化和根系活力等生理指標(biāo)的影響,從而比較2個品種的耐鹽堿能力,以期為西北黃土高原產(chǎn)區(qū)抗鹽堿化蘋果栽培提供參考依據(jù)。
1? ?材料與方法
1.1? ?材料
以長富2號和嘎啦試管苗為試驗材料。
1.2? ?試驗方法
試驗于2018年6月甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)科樓208實驗室進行。選取長勢一致的長富2號和嘎啦莖段,分別轉(zhuǎn)接至繼代培養(yǎng)基,培養(yǎng)至高7 cm左右(30~35 d苗齡)后轉(zhuǎn)接至生根培養(yǎng)基培養(yǎng)30 d。98%的試管苗生根后,設(shè)置4個處理,分別為0(CK)、50(T1)、100(T2)、200(T3) mmol/L的液體培養(yǎng)基(NaCl與 NaHCO3 按 1∶1 的比例,pH為8.0)。每處理選取15株長勢一致的生根試管苗轉(zhuǎn)接至培養(yǎng)基進行脅迫。每天觀察統(tǒng)計幼苗生長狀況,7 d后測定相關(guān)生理指標(biāo)。
脅迫7 d 后,將組培苗從錐形瓶中移出,用游標(biāo)卡尺分別測地上部株高、地下部根系長度。
細(xì)胞膜透性采用電導(dǎo)法測定[14 ];K+、Na+含量用火焰分光光度計法測定[15 ];用TTC法測定根系活力[15 ];葉片SOD活性采用氮藍(lán)四唑(NBT)法測定[15 ];POD活性采用愈創(chuàng)木酚法測定[15 ];過氧化氫酶(CAT)酶活性參照 Kato 和 Shimizu的方法[16 ];抗壞血酸過氧化物酶(APX)參照 Nakano 和 Asada的方法[17 ];葉綠素含量采用乙醇浸提法測定[15 ];脯氨酸含量采用酸性茚三酮法[18 ]。
1.3? ?數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析
用Microsoft Office Excel 2010及Origin 9.1進行數(shù)據(jù)處理及作圖,并采用 SPSS 22.0進行單因素 Duncan 檢驗方差分析。
2? ?結(jié)果與分析
2.1? ?鹽堿脅迫試管苗生長量的影響
表1和圖1結(jié)果顯示,2個品種試管苗的根、莖生長量隨處理濃度的增加受抑制程度愈加明顯。其中,當(dāng)鹽堿濃度為T1時,長富2號的株高與對照相比差異顯著(P < 0.05),長富2號的根長和嘎啦的株高、根長與對照相比均無顯著差異(P > 0.05);2個品種試管苗的根長和株高在濃度為T2時顯著下降,均與對照差異顯著(P < 0.05);當(dāng)濃度達(dá)到T3時,嘎啦株高和根長分別較對照降低了71.96%、41.04%,長富2號分別較對照降低了66.32%、49.87%。2種試管苗在T2處理后株高和根長下降幅度增大;T3處理下2個品種試管苗均死亡。由此可知,鹽堿脅迫嚴(yán)重抑制了試管苗的生長。
2.2? ?鹽堿脅迫對試管苗膜透性和脯氨酸含量的影響
鹽堿脅迫顯著影響細(xì)胞膜透性。從圖2(A)可以看出,隨著處理濃度的增加,2個品種試管苗的膜透性變化均呈上升趨勢,且不同濃度處理間具有顯著差異(P < 0.05)。相比對照,鹽堿濃度為T2時, 嘎啦和長富2號葉片的膜透性均達(dá)到最大值;T1、T2處理下,長富2號的膜透性顯著高于嘎啦,細(xì)胞膜受損程度增加。
從圖2(B)看出,隨著濃度的增加,嘎啦和長富2號的脯氨酸含量均呈上升趨勢。其中,當(dāng)濃度升至T1時兩者脯氨酸含量保持不變,與對照相比差異不顯著(P > 0.05);濃度為T2時,植物受到高濃度鹽堿脅迫,脯氨酸大量合成,相比對照差異顯著(P < 0.05),且嘎啦和長富2號分別增加了24.60%、31.96%。T2處理后,長富2號的脯氨酸合成速率高于嘎啦,說明長富2號對鹽堿脅迫更敏感。
2.3? ?鹽堿脅迫對葉片中Na+、K+含量及根系活力變化的影響
圖3(A)、(B)、(C)顯示,隨著鹽堿濃度的增大,2個品種試管苗的Na+含量呈上升趨勢,而K+含量以及K+/Na+逐漸下降。其中,當(dāng)濃度為50 mmol/L時,Na+與對照相比開始上升,K+及K+/Na+降低,且三者均差異顯著(P < 0.05);濃度達(dá)到100 mmol/L時,試管苗的Na+含量升至最高,K+含量和K+/Na+降至最低。在T1、T2處理下,長富2號的Na+含量比嘎啦上升,K+的含量和K+/Na+變化趨勢與此相反。由此可知,混合鹽堿脅迫下Na+含量升高的同時,降低了K+的含量,說明鹽堿脅迫下長富2號葉片中積累了較多的Na+;在T3處理下試管苗全部死亡,可能因為濃度過高,超過試管苗的耐受范圍。
圖3(D)顯示,隨著處理濃度的增加,2個品種試管苗的根系活力均受到抑制,且濃度越高,抑制作用越明顯。當(dāng)處理濃度為50 mmol/L時,嘎啦和長富2號受到鹽堿刺激,根系活力增大,分別增加了14.39%、36.03%, 與對照相比差異顯著(P < 0.05);濃度增加到100 mmol/L時,嘎啦和長富2號的根系活力急劇顯著下降(P < 0.05),分別降低了85.77%、92.16%。T1處理下,兩者的根系活力最高,而長富2號的根系活力在T2處理下變化幅度明顯大于嘎啦,說明T1處理有利于試管苗的生長,T2處理下試管苗已不能正常生長。
2.4? ?鹽堿脅迫對POD、CAT、APX、SOD活性的影響
由圖4(A)、(B)、(C)和(D)可知,隨著處理濃度的增加,2種試管苗的POD、CAT和嗄啦APX活性均呈先升后降趨勢,而SOD活性變化相反。與對照相比,嘎啦的POD、CAT和APX在濃度為50 mmol/L時活性最高,而SOD活性最低,且降低了34.18%;長富2號的POD、CAT和SOD活性與嘎啦的變化趨勢相同,而APX活性降至最小值,且2試管苗各處理組間均呈顯著差異(P < 0.05)。當(dāng)濃度為100 mmol/L時,相比對照,嘎啦和長富2號的CAT和SOD活性顯著降低,POD基本不變,APX上升緩慢,除嘎啦的POD與對照無顯著差異外(P > 0.05),其余均呈顯著差異(P < 0.05)。T1處理下,嘎啦的 APX活性顯著高于長富2號,而POD活性在T2處理下差異不顯著,且SOD活性在T1、T2處理下,2品種試管苗變化幅基本相同,均低于對照。
2.5? ?鹽堿脅迫對葉綠素含量的影響
如圖5(A)所示,隨著處理濃度的增加,嘎啦葉綠素含量呈上升趨勢,長富2號則無顯著變化;圖(B)和圖(C)變化趨勢一致,呈現(xiàn)先升后降。與對照相比,嘎啦的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b在濃度為50 mmol/L時均呈上升趨勢,而葉綠素a/b則相反,且各處理間差異顯著(P < 0.05);長富2號無顯著差異(P > 0.05)。當(dāng)濃度為100 mmol/L時,2個品種試管苗的葉綠素a、葉綠素a/b變化大,而葉綠素b、葉綠素a+b開始下降,T2處理下,嘎啦和長富2號的葉綠素a含量較對照差異不顯著,而兩者的葉綠素b含量在T2處理下差異顯著,且長富2號比嘎啦下降速率快。說明較高濃度鹽堿可以降低葉綠素b的含量,從而抑制了蘋果試管苗的生長。
3? ?結(jié)論與討論
植株生長量是代謝過程在形態(tài)上的綜合表現(xiàn),生長不但決定于植物的光合能力,還決定于生理代謝產(chǎn)生的反饋調(diào)節(jié)作用[19 - 22 ]。本試驗中,隨著鹽堿濃度的增加,植株在50 mmol/L時生長最好,而當(dāng)濃度繼續(xù)升高,生長量開始下降,說明低濃度的鹽堿可以促進植物生長,高濃度則抑制生長。根系作為植物對鹽堿脅迫最敏感的器官之一,其活力可以反映植株整體生長狀況。鹽堿濃度為50 mmol/L時,植株的根系活力較高,這說明植株對鹽堿脅迫具有一定的適應(yīng)能力,且隨著鹽濃度的增加,根系活力降低;當(dāng)濃度達(dá)到200 mmol/L時,植株死亡,這可能是鹽堿環(huán)境下植物積累了過量的 Na+,破壞了細(xì)胞內(nèi)的 Na+/ K+離子比例平衡,形成了離子毒害,還增加了高 pH 脅迫,嚴(yán)重影響植物根部的結(jié)構(gòu)和功能,從而導(dǎo)致根系細(xì)胞失去正常的生理功能。長富2號和嘎啦相比,前者隨鹽堿濃度的增加根系活力變化更顯著,說明嘎啦比長富2號更耐鹽堿環(huán)境。
葉綠素是一種重要的光合色素,其含量的高低是衡量植物耐鹽堿性的一個重要指 標(biāo)[23 - 25 ]。本試驗中,隨著混合鹽堿脅迫濃度的增加,葉綠素a+b、葉綠素b含量先上升后下降,葉綠素a/b先下降后上升,這可能是低濃度鹽堿脅迫使細(xì)胞積累脯氨酸從而有利于葉綠素的合成[26 - 27 ],當(dāng)鹽堿濃度升高,植物體的葉綠素b含量顯著下降,說明不同色素對鹽堿脅迫的敏感性存在差異,葉綠素b對脅迫的反應(yīng)更為敏感。
鹽堿脅迫下,Na+的大量積累促使細(xì)胞膜系統(tǒng)遭受損傷,而 K+作為一種重要的無機溶質(zhì),可以降低植物細(xì)胞滲透勢,且能維持水分平衡[28 ]。植物細(xì)胞通過對Na+的限制,有選擇性地吸收 K+來維持組織細(xì)胞的高 K+/Na+值,來保證植株的正常生理活? ? ? 動[29 - 32 ]。本試驗中,鹽堿脅迫后,長富2號葉片中的 Na+含量高于嘎啦,說明長富2號的葉片吸收了較多的Na+。同時,長富2號的K+/Na+下降速率較嘎啦顯著,進一步說明長富2號對鹽堿脅迫更敏感。嘎啦與長富2號對鹽堿脅迫的反映表現(xiàn)出相同的響應(yīng),50 mmol/L處理下,兩者均與未脅迫處理無顯著差異,說明低濃度的鹽堿對植株造成的傷害較小,當(dāng)濃度繼續(xù)升高時脯氨酸含量顯著增加,且長富2號高于嘎啦,進一步說明嘎啦耐鹽堿能力強于長富2號。
植物細(xì)胞膜透性通常用電導(dǎo)率大小來表示。植物受到鹽堿等不良環(huán)境脅迫時,其細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能很容易受到迫害,使細(xì)胞膜的通透性增大,細(xì)胞內(nèi)含物大量外滲,導(dǎo)致外滲液的電導(dǎo)率增大。電導(dǎo)率越大,細(xì)胞質(zhì)膜受傷害的程度越深[33 - 35 ]。本試驗中,隨著鹽堿濃度的增加,細(xì)胞膜透性逐漸增大,當(dāng)濃度增加到200 mmol/L時植株已經(jīng)死亡,說明鹽堿脅迫會對植株產(chǎn)生嚴(yán)重傷害,且濃度越高傷害越嚴(yán)重。本試驗中,嘎啦和長富2號幼苗葉片的保護酶在受到鹽堿脅迫后都表現(xiàn)出積極的響應(yīng),POD、CAT、APX活性先上升后下降,這與前人研究一致。鹽堿脅迫下,植株膜脂過氧化程度加深,導(dǎo)致細(xì)胞膜受到傷害,從而抗氧化酶活性被抑制。2個品種的SOD活性先下降后上升,這可能是低濃度的鹽堿使植株受到一定的刺激,但沒有造成較大的傷害,所以活性氧不會累積,而高濃度的鹽堿則對植株產(chǎn)生脅迫,導(dǎo)致大量的活性氧生成,從而SOD增加。這種現(xiàn)象也可能是不同種質(zhì)在抗性生理作用中起主要作用的保護酶不同。
綜上所述,嘎啦在鹽堿脅迫下能積極調(diào)動抗氧化酶系統(tǒng),脯氨酸和 Na+、K+,緩解脅迫造成的傷害,增加植物的抗逆性,是較為理想的耐鹽堿蘋果品種。
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(本文責(zé)編:陳? ?珩)