不同基因型海島棉根系形態(tài)參數(shù)對(duì)混合鹽堿脅迫的響應(yīng)

陳 振，張巨松，嚴(yán)青青，楊 培，張瑋濤

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/教育部棉花工程研究中心，烏魯木齊 830052)

0 引 言

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)于2017年4月在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院棉花生理室進(jìn)行。選取新海31號(hào)、新海35號(hào)、新海43號(hào)和新海48號(hào)作為供試材料，采用NaCl、Na2SO4(物質(zhì)的量1∶1)和NaCl、NaHCO3(物質(zhì)的量1∶1)對(duì)中性鹽和堿性鹽進(jìn)行模擬，脅迫處理總鹽濃度(Na+)設(shè)為0、120、180、240 mmol/L。根據(jù)嚴(yán)青青[15]的不同濃度鹽堿脅迫對(duì)海島棉根系影響的研究結(jié)果，設(shè)低濃度中性鹽和堿性鹽(180和120 mmol/L)，以及高濃度中性鹽和堿性鹽(240和180 mmol/L)。海島棉品種由新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所提供。

1.2 方 法

1.2.1 樣品處理

先將種子洗凈，挑選飽滿的種子用HgCl2(0.1%)浸泡消毒10 min，浸泡消毒后，用自來(lái)水沖凈，再用蒸餾水沖洗5次，最后用蒸餾水浸種24 h；使用鼓風(fēng)干燥箱在120℃下對(duì)砂子進(jìn)行高溫滅菌24 h。使用規(guī)格為13×19×12(cm)的發(fā)芽盒，每個(gè)發(fā)芽盒平鋪600 g的砂子，每100 g砂子加對(duì)應(yīng)濃度的鹽水17 mL，對(duì)照加17 mL蒸餾水。選擇浸種后露白一致的種子平整放入發(fā)芽盒中，每盒50粒種子，種子均勻播于濕砂上，加蓋5 mm濕砂，每個(gè)處理播3盒，重復(fù)3次。蓋上發(fā)芽盒蓋子，防止水分蒸發(fā)。置于光照培養(yǎng)室內(nèi)，白天溫度(25±2)℃，光強(qiáng)400 μmol /(m2·s)，12 h；夜間溫度(22±2)℃，12 h，相對(duì)濕度70%～75%。

1.2.2 樣品測(cè)定

幼苗根系采用Scan Wizard EZ掃描儀進(jìn)行掃描，根系形態(tài)參數(shù)用LA-S根系分析系統(tǒng)分析，依據(jù)根徑大小分為細(xì)根(0～0.5 mm)、中根(0.5～2 mm)和粗根(>2 mm)。剪取棉株完整根系，置于105℃干燥箱中殺青20 min，80℃烘干至恒重，稱其根干物質(zhì)質(zhì)量，3次重復(fù)，每10株幼苗期的平均值記為1次重復(fù)。

1. 3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS23.0和Origin9.1軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與作圖，采用單因素、多因素和Duncan法進(jìn)行方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 中性鹽和堿性鹽對(duì)不同耐鹽品種海島棉根系參數(shù)的影響

研究表明,中性鹽和堿性鹽脅迫對(duì)根系總表面積和總體積影響差異不大，對(duì)根系總長(zhǎng)度影響有較大差異，其中堿性鹽脅迫對(duì)根系總長(zhǎng)度的抑制大于中性鹽。中性鹽濃度為180 mmol/L時(shí)，不同耐鹽品種海島棉根系長(zhǎng)度與對(duì)照相比均無(wú)顯著差異，新海31號(hào)、新海35號(hào)分別比對(duì)照高18%和5.97%；在堿性鹽120和180 mmol/L處理下，新海35號(hào)、新海43號(hào)和新海48號(hào)的根系總長(zhǎng)度較對(duì)照分別顯著減低38.24%～46.32%、64.25%～75.58%和39.91%～71.47%，堿性鹽對(duì)根系總長(zhǎng)度的影響更嚴(yán)重。除了中性鹽脅迫下根系總長(zhǎng)度和堿性鹽脅迫下根系總表面積外，海島棉在鹽、堿脅迫下根系參數(shù)均存在顯著或極顯著的品種×鹽分交互作用。 表1,圖1

注：不同小寫字母表示同一品種不同處理間在0.05水平差異顯著

Note: Different lowercase letters indicate significant differences among treatments of the same organ at 0.05 level.

圖1 中性鹽和堿性鹽脅迫下海島棉根系參數(shù)變化
Fig.1 Effects of neutral and alkaline salt stresses on root parameters of island cotton cultivars

表1 中性鹽和堿性鹽脅迫下海島棉根系參數(shù)方差
Table 1 ANOVA results of island cotton cultivars under neutral and alkaline salt stresses

鹽類型Salt genreF值F value根系總長(zhǎng)度Root length(cm)根系總表面積Root surface area(cm2)根系總體積Root volume(cm3)中性鹽N42.892??227.156??581.587??Neutral saltC642.532??539.929??859.443??N×C2.391 ns127.102??216.069??堿性鹽A323.754??156.729??185.202??Alkaline saltC158.618??1 086.581??713.026??A×C73.441??1.353 ns5.797?

注：**表示差異極顯著，*表示差異顯著，ns表示差異不顯著，下同

Note：**P<0.01,*P<0.05,nsP>0.05, the same as below

2.2 中性鹽和堿性鹽對(duì)不同耐鹽品種海島棉根長(zhǎng)的影響

研究表明,中性鹽和堿性鹽對(duì)細(xì)根根長(zhǎng)的影響差異較大，而對(duì)中根和粗根根長(zhǎng)影響差異較小。中性鹽濃度為180和240 mmol/L時(shí)，不同耐鹽品種海島棉細(xì)根根長(zhǎng)與對(duì)照無(wú)顯著性差異。鹽濃度為180 mmol/L時(shí)，新海31號(hào)、新海35號(hào)和新海48號(hào)較對(duì)照分別增加23.92%、73.75%和17.29%；鹽濃度為240 mmol/L濃度時(shí)，新海31號(hào)、新海43號(hào)和新海48號(hào)較對(duì)照分別增加40.7%、3.81%和2.71%，中性鹽在低鹽情況下促進(jìn)了細(xì)根根長(zhǎng)的生長(zhǎng)。堿性鹽濃度為120 mmol/L時(shí)，不同耐鹽品種海島棉細(xì)根根長(zhǎng)較對(duì)照無(wú)顯著抑制作用；當(dāng)鹽濃度為240 mmol/L時(shí)，新海31號(hào)、新海43號(hào)和新海48號(hào)細(xì)根根長(zhǎng)較對(duì)照分別顯著下降46.45%、81.54%和77.58%。堿性鹽與中性鹽相比，對(duì)細(xì)根根長(zhǎng)的生長(zhǎng)抑制更強(qiáng)。圖2

2.3 中性鹽和堿性鹽對(duì)不同耐鹽品種海島棉根表面積的影響

研究表明,中性鹽濃度為180和240 mmol/L時(shí)，不同耐鹽品種海島棉細(xì)根根表面積較對(duì)照均無(wú)顯著性差異。其中鹽濃度為180 mmol/L時(shí)，新海31號(hào)、新海35號(hào)和新海43號(hào)細(xì)根根表面積較對(duì)照分別增加53.03%、184.78和35.53%；240 mmol/L處理下新海31號(hào)和新海43號(hào)較對(duì)照分別增加28.28%和106.58%。堿性鹽濃度為120和180 mmol/L時(shí)，新海31號(hào)、新海35號(hào)、新海43號(hào)和新海48號(hào)細(xì)根根表面積較對(duì)照分別降低0～58.59%、21.74%～50%、47.37%～75%和46.57%～91.71%，其中在180 mmol/L均達(dá)到顯著性差異。圖3

圖2 中性鹽和堿性鹽脅迫下不同直徑范圍內(nèi)海島棉根長(zhǎng)變化
Fig.2 Effects of neutral and alkaline salt stresses on root length of island cotton cultivars with different root diameter ranges

圖3 中性鹽和堿性鹽脅迫下不同直徑范圍內(nèi)海島棉根表面積變化
Fig.3 Effects of neutral and alkaline salt stresses on root surface area of island cotton cultivars with different root diameter ranges

2.4 中性鹽和堿性鹽對(duì)不同耐鹽品種海島棉根體積的影響

研究表明,中性鹽和堿性鹽脅迫下對(duì)細(xì)根體積影響差異較大。中性鹽濃度為180 mmol/L時(shí)，新海31號(hào)、新海35號(hào)和新海43號(hào)細(xì)根體積較對(duì)照分別增加111.77%、227.16%和331.43%；濃度為240 mmol/L時(shí)，新海31號(hào)和新海43號(hào)細(xì)根體積比對(duì)照也分別增加63.03%和194.29%。在堿性鹽脅迫下，新海31號(hào)、新海35號(hào)、新海43號(hào)和新海48號(hào)細(xì)根體積較對(duì)照分別減少33.61%～78.15%、58.02%～76.54%、17.14%～65.71%和72.91%～100%。除了中性鹽脅迫下0～0.5 mm根長(zhǎng)、堿性鹽脅迫下0～0.5 mm根表面積和堿性鹽脅迫下2～3 mm根體積外，海島棉在鹽、堿脅迫下根系參數(shù)均存在顯著或極顯著的品種×鹽分交互作用。不同耐鹽堿品種海島棉在低濃度鹽、堿脅迫下沒有表現(xiàn)出基因型差異；而當(dāng)處于高濃度鹽堿脅迫下，耐鹽堿品種海島棉才表現(xiàn)出明顯抗性。表2

圖4 中性鹽和堿性鹽脅迫下不同直徑范圍內(nèi)海島棉根體積變化
Fig.4 Effects of neutral and alkaline salt stresses on root volume area of island cotton cultivars with different root diameter ranges

表2 不同直徑范圍海島棉根長(zhǎng)、根表面積及根體積方差
Table 2 ANOVA of root surface area and root volume of island cotton cultivars with different root diameter ranges

參數(shù)Parameter鹽類型Salt genreF值F value根徑 Root diameter0～0.5 mm0.5～2 mm2～3 mm根長(zhǎng)度中性鹽N16.352??417.649??145.518??Root lengthNeutral saltC910.931??966.810??841.828?? N×C2.070 ns233.819??236.062?? 堿性鹽A178.336??86.406??114.661?? Alkaline saltC333.401??328.283??587.657?? A×C42.903??6.159?103.382??根表面積中性鹽N6.481?140.044??9.264?Root surfaceNeutral saltC292.895??329.431??434.459?? area N×C16.926??63.381??63.449?? 堿性鹽A53.934??61.698??2.114ns Alkaline saltC161.490??441.770??287.726?? A×C3.459 ns5.223?71.594??根體積中性鹽N39.162??585.858??132.317??Root volumeNeutral saltC201.945??937.624??196.798?? N×C7.503?188.325??154.624?? 堿性鹽A259.217??106.834??107.428?? Alkaline saltC137.056??616.397??330.673?? A×C8.683?53.749??3.109 ns

2.5 鹽堿和基因型差異對(duì)海島棉根系形態(tài)變異的影響

研究表明,在中性鹽和堿性鹽脅迫下，對(duì)各級(jí)根長(zhǎng)、根表面積與根體積等12個(gè)根系參數(shù)分別進(jìn)行主成分分析，均提取前兩個(gè)主成分，其主成分累積貢獻(xiàn)率分別為88.6%和84.3%，對(duì)各根系指標(biāo)的變異具有較高的解釋。其中主成分1可將不同耐鹽性海島棉區(qū)分開來(lái)，主成分2能將鹽分處理分開。在中性鹽脅迫下，主成分1中根系表面積、根長(zhǎng)、粗根根長(zhǎng)、中根根表面積、根體積、中根根體積、粗根根表面積和中根根長(zhǎng)的權(quán)重系數(shù)較高(>0.3)，中根和粗根受基因型影響較大；主成分2中細(xì)根根長(zhǎng)、細(xì)根表面積和細(xì)根體積的載荷值較高，中性鹽脅迫下，鹽分對(duì)細(xì)根根長(zhǎng)、細(xì)根表面積和細(xì)根體積有顯著影響。

在堿性鹽脅迫下，主成分1中中根系表面積、中根根表面積、中根根體積、根體積、粗根根長(zhǎng)和中根根長(zhǎng)的權(quán)重系數(shù)較高(>0.3)，中根受基因型影響較大；主成分2中細(xì)根根體積、細(xì)根表面積和細(xì)根根長(zhǎng)的載荷值較高，堿性鹽脅迫下，鹽分對(duì)細(xì)根根體積、細(xì)根表面積和細(xì)根根長(zhǎng)有顯著影響。在堿脅迫下，不同鹽分處理的值離散程度以及細(xì)根參數(shù)的荷載值均大于中性鹽脅迫，堿性鹽對(duì)細(xì)根的影響大與中性鹽；中性鹽對(duì)中根和粗根的抑制更顯著。圖5

注：RL：根系總長(zhǎng)度； RA：根系總表面積；RV：根系總體積；FRL：細(xì)根根長(zhǎng)；MRL：中根根長(zhǎng)；CRL：粗根根長(zhǎng)；FRA：細(xì)根表面積；MRA：中根表面積；CRA：粗根表面積；FRV：粗根體積；MRV：中根體積；CRV：粗根體積

Note：RL:Root length;RA:Root area;RV:Root volume; FRL:Fine root ; MRL:Middle root ;CRL: Coarse root ;FRA: Fine root area; MRA: Middle root area; CRA: Coarse root area; FRV: Fine root volume;MRV: Middle root volume ;CRV: Coarse root volume

圖5 鹽堿和基因型差異對(duì)海島棉根系參數(shù)影響的主成分
Fig.5 Principal component analysis of island cotton root morphological parameters affected by different saline-alkali and genotypes

3 討 論

根系是作物吸收水分和營(yíng)養(yǎng)的主要器官，同時(shí)還制約著地上部的生長(zhǎng)發(fā)育[18]。根系的生長(zhǎng)發(fā)育與形態(tài)變化在很大程度上受控于土壤環(huán)境條件，土壤鹽堿脅迫、水分虧缺及澇漬等土壤逆境均會(huì)使根系做出相應(yīng)反應(yīng)，并通過(guò)改變生理代謝的途徑與方向影響碳同化產(chǎn)物在不同器官中的積累與分配[19-21]。海島棉根系分布格局與受遺傳和環(huán)境因子存在密切關(guān)系[22]。

作物往往通過(guò)改變根系形態(tài)和分布來(lái)適應(yīng)逆境環(huán)境[23]。鹽脅迫能降低棉花的根長(zhǎng)、根平均直徑、根體積和根表面積，在80～240 mmol NaCl/L之間達(dá)到顯著水平[24]。張曉磊等[25]研究發(fā)現(xiàn)，鹽堿脅迫對(duì)紫花苜蓿根長(zhǎng)和根表面積影響較大，當(dāng)混合鹽濃度小于50 mmol/L時(shí)，其根長(zhǎng)與表面積較對(duì)照有所增加。而當(dāng)混合鹽濃度大于100 mmol/L時(shí)，苜蓿根長(zhǎng)和表面積與對(duì)照相比顯著降低。研究發(fā)現(xiàn)，低鹽濃度使各品種的細(xì)根根長(zhǎng)、表面積及體積均有不同程度的增加，而對(duì)中根及粗根無(wú)顯著抑制作用。這是由于海島棉在低鹽濃度下將更多的養(yǎng)分分配至細(xì)根，減緩了根系生長(zhǎng)的抑制程度，增強(qiáng)了根系覓養(yǎng)能力，提高根系在逆境中的適應(yīng)性，這在其他作物中也有所體現(xiàn)[26-27]。

鹽堿化土壤對(duì)作物的毒害作用主要包括鹽脅迫和高pH脅迫，以及這兩種脅迫交互產(chǎn)生的復(fù)合毒害，高pH土壤可直接危害作物根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，并嚴(yán)重影響作物內(nèi)部的離子平衡[28]。當(dāng)作物生長(zhǎng)在高pH的土壤中，細(xì)胞質(zhì)pH升高，造成細(xì)胞壁損傷，進(jìn)而阻礙細(xì)胞伸長(zhǎng)，影響作物生長(zhǎng)發(fā)育。高pH土壤會(huì)嚴(yán)重抑制根毛的發(fā)生，影響作物對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收利用[29]。而根際土壤pH還在不同程度上改變作物根際環(huán)境，比如根際土壤中養(yǎng)分的生物和化學(xué)有效性、根系細(xì)胞膜的透性以及根際酶的活性等[30]。石德成[31]和武德等[32]研究發(fā)現(xiàn)，鹽度和高pH具有協(xié)同效應(yīng)，混合鹽堿脅迫對(duì)植物的危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單純的高鹽或高堿。研究表明，在中性鹽和堿性鹽脅迫下，海島棉的根長(zhǎng)、根表面積和根體積均受到顯著抑制，但堿性鹽脅迫對(duì)根系總長(zhǎng)度的影響較大。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，中根和粗根的根長(zhǎng)、根表面積和根體積在低濃度中性鹽和堿性鹽脅迫下差異不明顯，而細(xì)根參數(shù)存在明顯差異，堿性鹽脅迫主要降低了細(xì)根伸長(zhǎng)，導(dǎo)致根系總長(zhǎng)度的降低。細(xì)根是海島棉耐鹽堿性的一個(gè)重要指標(biāo)?；羝交踇33]研究認(rèn)為，堿性鹽脅迫下，紫花苜蓿根際有鹽分積聚現(xiàn)象，使根際周圍滲透勢(shì)升高，從而影響了作物根系的構(gòu)建。研究中，新海31號(hào)在高濃度的堿性鹽脅迫下，根部出現(xiàn)變黑腐爛現(xiàn)象，這可能是由于根部鹽分過(guò)量聚集以及堿性鹽高pH作用造成根系供氧能力下降以及周圍營(yíng)養(yǎng)狀況嚴(yán)被重破壞，并合成過(guò)量有機(jī)酸，導(dǎo)致作物細(xì)胞離子平衡和正常生理代謝被破壞[34-35]。

作物通過(guò)根系實(shí)現(xiàn)與土壤間的物質(zhì)能量交換，根系的空間分布變化反應(yīng)出其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性以及基因型的差異[9]。羅佳等[36]認(rèn)為，低磷脅迫下，磷高效基因型棉花可大幅度增加根長(zhǎng)、根毛和側(cè)根數(shù)量，促使比根長(zhǎng)增加，從而提高根系構(gòu)建效率。弋良明等[37]研究發(fā)現(xiàn)，不同荒漠鹽生植物在鹽脅迫下根系形態(tài)存在顯著差異，耐鹽的襄果堿蓬各根系指標(biāo)下降幅度較小。Zhang等[24]認(rèn)為，棉花的根長(zhǎng)、根表面積、根體積和根徑存在顯著的鹽分水平差異，而根長(zhǎng)和根表面積存在著顯著基因型差異。研究結(jié)果表明，中性鹽濃度為240 mmol/L時(shí)，耐鹽堿品種新海35號(hào)和新海43號(hào)的根系總長(zhǎng)度、總表面積和總體積均顯著低于對(duì)照，而鹽堿敏感性品種新海31號(hào)和新海48號(hào)根系總長(zhǎng)度、總表面積和總體積與對(duì)照無(wú)顯著差異；堿性鹽濃度為180 mmol/L時(shí)，4個(gè)品種的根系參數(shù)均顯著降低，不同耐鹽堿品種海島棉在低濃度鹽堿脅迫下沒有表現(xiàn)出基因型差異；而當(dāng)處于高濃度鹽堿脅迫下，耐鹽堿品種海島棉才會(huì)表現(xiàn)出明顯抗性。這可能與作物根系在長(zhǎng)期的進(jìn)化中形成的一套應(yīng)對(duì)不利環(huán)境的防御機(jī)制有關(guān)，通過(guò)對(duì)不斷變化的環(huán)境的適應(yīng)來(lái)提高根系感知和響應(yīng)脅迫的能力[38]。鹽脅迫在很大程度上改變著根系形態(tài)的建立，抑制作物生長(zhǎng)，甚至導(dǎo)致作物死亡[39-40]。植物受到非生物脅迫時(shí)，被稱為植物“應(yīng)激激素”的脫落酸能在植物體內(nèi)迅速做出反應(yīng)，其與根系的向水性和向地性密切相關(guān)[41]。不同耐鹽性海島棉脫落酸含量在低濃度鹽堿處理下是否也存在差異還需進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

低濃度中性鹽和堿性鹽使不同耐鹽品種海島棉細(xì)根根長(zhǎng)、表面積及體積有不同程度的增加，而對(duì)中根及粗根無(wú)顯著抑制作用。中性鹽和堿性鹽脅迫均顯著降低海島棉根系總長(zhǎng)度、總表面積和總體積，其中堿性鹽對(duì)根系總長(zhǎng)度的影響較大，堿性鹽主要通過(guò)抑制細(xì)根的伸長(zhǎng)來(lái)降低根系總長(zhǎng)度。品種間，不同耐鹽堿品種海島棉在低濃度鹽堿脅迫下沒有表現(xiàn)出基因型差異，而當(dāng)處于高濃度鹽堿脅迫下，耐鹽堿品種海島棉才表現(xiàn)出明顯抗性。