硅對鹽脅迫下棉花幼苗生長和滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響

張 倩,李笑佳,張淑英

(石河子大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，新疆 石河子 832000)

棉花(GossypiumhirsutumL.)是世界范圍內(nèi)重要的經(jīng)濟作物之一，我國是世界最大的棉花生產(chǎn)國，新疆是全國最大的產(chǎn)棉區(qū)，棉花生產(chǎn)成為新疆經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)支柱。植物的正常生長發(fā)育需要一個適度的鹽分環(huán)境，鹽分過高時植物會受到傷害，嚴重時甚至導(dǎo)致死亡[1]。土壤鹽漬化是棉花生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)提高的重要非生物脅迫因子之一。中國是鹽漬土分布廣泛的國家，中國的鹽漬土面積約為1億hm2，其中我國1億多hm2耕地中就有600多萬hm2鹽漬化土壤，已嚴重制約中國經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)平衡，土壤鹽漬化被認為是21世紀世界性農(nóng)業(yè)問題，而提高棉花耐鹽性是新疆棉花生產(chǎn)的迫切需要。

地殼中含量第二的硅(Si)元素是植物生長有益元素，可增強植物抗性，克服包括病、蟲害等在內(nèi)的生物或非生物脅迫[2]。大量研究表明，施用外源硅可提高鹽脅迫下玉米、黃瓜、甘草葉片、柳樹稷幼苗等的耐鹽性[3-6]，緩解鹽脅迫損傷。目前，硅對鹽脅迫下植物的影響多集中在對光合參數(shù)、抗氧化酶活性等研究上，例如陳罡等[7]研究表明，硅處理可有效緩解鹽脅迫誘導(dǎo)的生長抑制，逆轉(zhuǎn)葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化，保護黃瓜幼苗光合器官結(jié)構(gòu)和功能的完整，從而增強黃瓜的耐鹽性。崔佳佳[8]研究表明,硅能提高鹽脅迫下甘草葉片超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)等抗氧化系統(tǒng)酶活性，減輕活性氧及自由基對甘草葉片的毒害，緩解NaCl脅迫造成的膜脂過氧化傷害，提高其抗鹽能力，促進正常生長。而外源硅對鹽脅迫下棉花幼苗滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)及活性氧的影響報道較少，其作用機理還尚不清楚。為此，研究了不同硅、鹽分處理對棉花幼苗生長、滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)、活性氧及丙二醛(MDA)的影響，初步探討施用外源硅后棉苗滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)及活性氧對抗鹽性的生理響應(yīng)機制，為提高新疆棉花苗期生產(chǎn)耐鹽性提供理論依據(jù)。

1材料和方法

1.1 試驗設(shè)計

選用棉花品種新陸早45號(GossypiumhirsutumL.cv.Xinluzao 45)為供試材料，用總氮水平為5.0 mmol/L的Hoagland營養(yǎng)液，采用蛭石為介質(zhì)的營養(yǎng)液培養(yǎng)。播種前選擇均勻、飽滿的種子曬種2 d，再用10%的過氧化氫消毒10 min，最后用蒸餾水沖洗干凈。將種子以“品字形”播種在12 cm×12 cm的培養(yǎng)缽內(nèi)，把培養(yǎng)缽置于長45 cm、寬33 cm、高20 cm的周轉(zhuǎn)箱中，每個周轉(zhuǎn)箱內(nèi)放置15缽棉苗。出苗前用去離子水進行澆灌，當幼苗2片子葉完全展開后用營養(yǎng)液培養(yǎng)。出苗12 d后進行鹽分(將對應(yīng)濃度的NaCl用量加入營養(yǎng)液中)處理，18 d后進行抗鹽硅(將對應(yīng)濃度的Si用量加入營養(yǎng)液中)處理。從鹽處理開始，每天早上澆去離子水，下午澆處理后的營養(yǎng)液。出苗60 d后每個重復(fù)選取4株棉苗，測定其生物量、根冠比、根系活力和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量等。設(shè)置鹽分(NaCl 分析純：0，100，200 mmol/L)、硅(K2SiO3分析純：0，262.3 mg/L)2因子的隨機組合，共6個處理，每處理重復(fù)3次，分別為：①CK：添加NaCl 0 mmol/L，加K2SiO30 mg/L；②100-0：添加NaCl 100 mmol/L，加K2SiO30 mg/L；③200-0：添加NaCl 200 mmol/L，加K2SiO30 mg/L；④0-1：添加NaCl 0 mmol/L，加K2SiO3262.3 mg/L；⑤100-1：添加NaCl 100 mmol/L，加K2SiO3262.3 mg/L；⑥200-1：添加NaCl 200 mmol/L，加K2SiO3262.3 mg/L。

1.2 測定方法

棉花出苗60 d后，每處理取4株，擦干水分后馬上分器官測定鮮質(zhì)量，然后在105 ℃下殺青30 min，80 ℃下烘干24 h至恒質(zhì)量測定棉花幼苗生物量；根冠比按照根干質(zhì)量占地上部干質(zhì)量的百分比計算，即根冠比=(根干質(zhì)量/地上部干質(zhì)量)× 100%；根系活力測定采用氯化三苯基四氮唑法(TTC法)[9]；可溶性糖(SS)含量采用蒽酮乙酸乙酯法[10]測定；游離脯氨酸(Pro)含量采用茚三酮法[11]測定；有機酸采用滴定法[12]測定；游離氨基酸采用茚三酮比色法[13]測定；過氧化氫(H2O2) 含量采用二甲酚橙法[14]測定；氧自由基產(chǎn)生速率采用羥胺法[15]測定；電解質(zhì)滲出率采用電導(dǎo)儀法[16]測定；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法[17]測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析用Microsoft Excel 2010軟件，采用SPSS 19.0軟件進行方差分析和差異顯著性檢驗(Duncan法)，使用Sigmaplot 12.5 軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 硅對鹽脅迫下棉花幼苗生長的影響

2.1.1 生物量 由表1可以看出，加硅與不加硅處理，鹽脅迫對棉花幼苗葉片鮮質(zhì)量、葉片干質(zhì)量、莖鮮質(zhì)量、莖干質(zhì)量、根干質(zhì)量和根冠比都產(chǎn)生了抑制，且不同濃度NaCl(0，100，200 mmol/L)脅迫對棉花幼苗生物量產(chǎn)生了不同程度抑制作用。而同濃度鹽分處理下，加硅(即262.3 mg/L, K2SiO3)處理比不加硅處理棉花幼苗生物量均呈增加趨勢,說明外源施硅能在一定程度上緩解鹽分逆境對棉花幼苗生長的脅迫。

表1 硅對鹽脅迫下棉花幼苗生物量的影響Tab.1 Effect of silicon on biomass of cotton seedlings under salt stress

注：表中不同小寫字母表示處理間差異達5%顯著水平(P<0.05)。

Note：Different letter mean significant difference among treatments at the 5% level.

在加鹽無硅的處理下，100，200 mmol/L鹽分處理與CK相比，棉花葉片鮮質(zhì)量分別下降了27.54%，47.95%；葉片干質(zhì)量分別下降了12.78%，62.32%；莖鮮質(zhì)量分別下降了35.22%，57.71%；莖干質(zhì)量分別下降了22.22%，47.56%；根系干質(zhì)量分別下降了21.20%，43.30%；根冠比分別下降了1.10,0.96百分點。在鹽分濃度相同條件下，外源硅處理比對應(yīng)鹽濃度無硅處理棉苗葉片鮮質(zhì)量分別增加了2.33%，3.91%，6.72%。棉苗葉片干質(zhì)量、莖鮮質(zhì)量、莖干質(zhì)量、根干質(zhì)量及根冠比亦是如此，外源硅處理比對應(yīng)鹽濃度無硅處理明顯增大。

方差分析表明，棉花幼苗葉片鮮質(zhì)量隨鹽分濃度升高而顯著下降(P<0.05)，而棉花幼苗葉片干質(zhì)量、莖鮮質(zhì)量、莖干質(zhì)量和根冠比均極顯著下降(P<0.01)。鹽分與硅交互作用，棉花幼苗葉片干質(zhì)量和莖鮮質(zhì)量各處理間與CK差異極顯著(P<0.01)，棉苗莖干質(zhì)量和根冠比各處理間差異顯著(P<0.05)。

2.1.2 根系活力 如圖1所示，加硅與不加硅處理下，棉花幼苗根系活力均表現(xiàn)為隨著鹽分濃度升高而顯著下降(P<0.05)。加鹽無硅處理中，100，200 mmol/L鹽分處理根系活力比CK分別下降了28.92%，65.42%。而同濃度鹽分處理中，加硅處理比不加硅處理棉苗根系活力升高，即0，100，200 mmol/L鹽分處理，外源施硅處理比對應(yīng)濃度不加硅處理根系活力分別升高了7.18%，37.16%，110.20%，說明外源施硅減緩鹽分脅迫下棉花幼苗葉片根系活力的下降趨勢，尤其是在200 mmol/L鹽分處理下，外源硅處理可有效緩解鹽脅迫下棉花葉片根系活力下降。鹽分與硅交互作用方差分析表明，各處理間與CK差異達顯著水平(P<0.05)。

圖中不同小寫字母表示處理間差異達5% 顯著水平(P<0.05)。圖2-7同。 Different letter mean significant difference among treatments at the 5% level. The same as Tab.2-7.

2.2 硅對鹽脅迫下棉花幼苗滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響

2.2.1 可溶性糖(SS)含量 由圖2可知，加硅與不加硅處理，隨著營養(yǎng)液中鹽分濃度升高，棉花幼苗SS含量均表現(xiàn)為先增加后減少的趨勢。加鹽無硅處理與CK相比，100 mmol/L鹽分處理棉苗SS含量升高了10.03%，200 mmol/L鹽分處理棉苗SS含量下降了13.07%，但各加鹽無硅處理與CK相比均差異不顯著。而鹽分濃度相同處理，加硅處理比對應(yīng)鹽濃度不加硅處理棉苗SS含量明顯增多，如0，100，200 mmol/L鹽分處理，外源施硅處理比對應(yīng)鹽濃度不施硅處理棉苗SS含量分別增加了8.42%，14.41%，18.73%。

圖2 硅對鹽脅迫下棉花幼苗可溶性糖含量的影響Fig.2 Effect of silicon on the content of SS in cotton seedlings under salt stress

2.2.2 游離脯氨酸(Pro)含量 從圖3看，無硅各處理中，棉花幼苗Pro含量均隨鹽濃度升高而逐漸增長，施加外源硅后，各處理也表現(xiàn)出相同趨勢。有鹽無硅處理中，100，200 mmol/L鹽分處理與CK相比，棉苗Pro含量分別增長了133.06%，389.69%，200 mmol/L鹽分處理與CK間差異顯著上升(P<0.05)。而相同濃度鹽分處理下，如100，200 mmol/L鹽分處理，外源硅處理比對應(yīng)鹽濃度不加硅處理棉苗Pro含量分別下降了17.60%，7.20%，加硅比對應(yīng)鹽濃度不加硅處理Pro含量明顯減少，說明外源硅在一定程度上緩解了鹽分脅迫下棉花葉片Pro含量的增長趨勢。鹽分與硅交互作用在各處理間差異顯著(P<0.05)。

圖3 硅對鹽脅迫下棉花幼苗游離脯氨酸含量的影響Fig.3 Effect of silicon on the content of Pro in cotton seedlings under salt stress

2.2.3 有機酸含量 由圖4-A可以看出，加硅與不加硅處理，棉花幼苗蘋果酸含量均呈現(xiàn)隨著鹽分濃度升高而下降的趨勢。加鹽無硅處理，即100，200 mmol/L鹽分處理與CK相比，蘋果酸含量分別下降了32.04%，41.03%，200 mmol/L鹽分無硅處理與CK間差異不顯著。而鹽分濃度相同處理，加硅處理比對應(yīng)鹽濃度不加硅處理棉苗蘋果酸含量均明顯增加，即0，100，200 mmol/L鹽分處理，外源加硅處理比對應(yīng)鹽濃度不加硅處理棉苗蘋果酸含量分別增加了28.98%，3.72%，9.88%。

圖4 硅對鹽脅迫下棉花幼苗有機酸含量的影響Fig.4 Effect of silicon on the content of organic acid in cotton seedlings under salt stress

由圖4-B可知，棉花幼苗檸檬酸含量變化與蘋果酸保持一致，也表現(xiàn)為隨鹽濃度升高而明顯下降；同一鹽分濃度處理下，加硅比不加硅檸檬酸含量增加。

2.2.4 游離氨基酸含量 如圖5所示，無論是否添加外源硅處理，棉花幼苗游離氨基酸含量均表現(xiàn)為隨鹽分濃度升高，先增大后減小趨勢。加鹽無硅處理的棉苗游離氨基酸含量與CK相比，100 mmol/L鹽分處理增大了19.95%，200 mmol/L鹽分處理減小了18.70%，且處理間差異顯著(P<0.05)。而相同濃度鹽脅迫條件時，加硅比對應(yīng)鹽濃度不加硅處理棉苗游離氨基酸含量明顯增加，即0，100，200 mmol/L鹽分處理，外源加硅處理比對應(yīng)鹽濃度不加硅處理棉苗游離氨基酸含量分別增加了11.08%，11.53%，8.34%。方差分析表明，鹽分與硅交互作用，各處理與CK差異達到極顯著水平(P<0.01)。

圖5 硅對鹽脅迫下棉花幼苗游離氨基酸含量的影響Fig.5 Effect of silicon on the free amino acid content of cotton seedlings under salt stress

2.3 硅對鹽脅迫下棉花幼苗活性氧的影響

由圖6-A可以看出，無論是否施用外源硅，棉花幼苗體內(nèi)過氧化氫(H2O2)含量均隨著鹽濃度增加而增加。在加鹽無硅處理下，100，200 mmol/L鹽分處理與CK相比，棉苗H2O2含量分別增加了52.2%，133.4%，200 mmol/L鹽分無硅處理與CK間差異顯著(P<0.05)。而同濃度鹽分處理中，加硅處理比對應(yīng)鹽濃度不加硅處理棉苗H2O2含量減少，即0，100，200 mmol/L鹽分處理，外源加硅處理比對應(yīng)鹽濃度不加硅處理H2O2含量分別下降了23.6%，22.6%，36.6%。方差分析表明，外源硅與鹽分交互作用各處理間差異極顯著(P<0.01)。

圖6 鹽脅迫下外源硅對棉花幼苗活性氧的影響Fig.6 Effects of exogenous silicon on reactive oxygen in cotton seedlings under salt stress

2.4 硅對鹽脅迫下棉花幼苗電解質(zhì)滲出率和丙二醛(MDA)的影響

由圖7-A可知，加硅與不加硅處理，隨著營養(yǎng)液中鹽分濃度升高，棉花幼苗電解質(zhì)滲出率均呈現(xiàn)上升趨勢。加鹽無硅處理與CK相比，100,200 mmol/L鹽分處理棉苗電解質(zhì)滲出率分別升高了7.66,29.66百分點，加鹽無硅處理與CK間差異顯著(P<0.05)。而同濃度鹽分處理，加硅比對應(yīng)鹽濃度不加硅棉苗電解質(zhì)滲出率呈下降趨勢，如0，100，200 mmol/L鹽分處理，外源施硅處理比對應(yīng)鹽濃度不施硅處理棉苗電解質(zhì)滲出率分別減少了2.61,0.26,6.47百分點，說明外源硅在一定程度上緩解了鹽脅迫下棉花葉片電解質(zhì)滲出率的增長趨勢。方差分析表明，外源硅與鹽分交互作用各處理間差異極顯著(P<0.01)。

圖7 鹽脅迫下外源硅對棉花幼苗電解質(zhì)滲出率和丙二醛含量的影響Fig.7 Effects of exogenous silicon on the electrolyte leakage rate and the content of MDA of cotton seedlings under salt stress

由圖7-B還可看出，棉花幼苗MDA含量變化與電解質(zhì)滲出率保持一致，也表現(xiàn)為隨鹽濃度升高而呈現(xiàn)上升趨勢。同一鹽分濃度處理下，外源硅處理比對應(yīng)鹽濃度無硅處理棉苗MDA含量分別下降了41.2%，27.7%，9.6%。方差分析表明，鹽分與硅交互作用，各處理與CK差異達到極顯著水平(P<0.01)。

3 討論與結(jié)論

3.1 不同處理對棉花幼苗生長的影響

張梅等[18]研究表明，硅能緩解鹽脅迫對棉苗根系的傷害，逆轉(zhuǎn)鹽脅迫下棉花幼苗生物量、根系活力下降趨勢。本試驗研究表明施加外源硅能顯著提高棉苗莖鮮質(zhì)量和根系活力，這與張梅等[18]研究結(jié)果一致。說明NaCl脅迫下產(chǎn)生的高濃度Na+毒害作用導(dǎo)致棉苗生長緩慢[19]，代謝失調(diào)，而外源施硅能提高葉片中K+含量，降低Na+含量及Na+/K+比值[20]，從而維持棉苗營養(yǎng)平衡，促進棉苗生長，緩解鹽脅迫損傷。

3.2 不同處理對棉花幼苗滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響

本試驗結(jié)果表明，加硅與不加硅處理，棉花幼苗SS含量均表現(xiàn)為隨鹽濃度升高先增加后減少的趨勢，猜測這與棉苗遇鹽后合成大量SS以維持滲透壓避免失水或鹽離子進入有關(guān)，而鹽濃度越大這種恢復(fù)作用越小[21]。鹽分濃度相同處理，加硅處理比對應(yīng)鹽濃度不加硅處理棉苗SS含量明顯增多。而鹽分濃度相同條件下，加硅比不加硅處理棉苗Pro含量明顯減少，其原因可能是外源硅參與了細胞壁孔隙度調(diào)節(jié)，減少鹽分進入機體[22]，提高了棉苗對水分的利用，從而表現(xiàn)出Pro含量降低。施用外源硅棉苗蘋果酸、檸檬酸含量明顯增加，這與外源硅增強棉苗離子的吸收及硅對棉苗pH調(diào)節(jié)機制有關(guān)。棉花幼苗游離氨基酸含量隨鹽分濃度增大呈現(xiàn)出先升后降的變化規(guī)律，而相同鹽濃度條件，外源硅處理后棉苗游離氨基酸含量增多?？赡苁堑望}處理加快棉苗體內(nèi)蛋白質(zhì)分解，致使氨基酸積累過多，出現(xiàn)氨基酸含量升高趨勢，但隨著大量氨基酸轉(zhuǎn)化為丁二胺等毒害物質(zhì)，累積過多影響轉(zhuǎn)氨酶活性，降低棉苗氨代謝，導(dǎo)致氨基酸含量大幅降低[23]；而施硅處理后植物細胞液濃度升高，結(jié)合水比例升高，代謝相對減弱，蛋白質(zhì)合成減慢，游離氨基酸逐漸積累。

3.3 不同處理對棉花幼苗活性氧的影響

3.4 不同處理對棉花幼苗電解質(zhì)滲出率和丙二醛的影響

張梅等[18]對棉花的研究表明，鹽脅迫導(dǎo)致棉花葉片MDA含量增加，加硅處理顯著降低鹽脅迫下棉花葉片MDA含量。本試驗結(jié)論與之基本相同，即鹽脅迫下棉苗MDA含量隨鹽濃度增加而增加，外源硅處理減少了棉苗MDA含量。猜測與外源硅通過參與棉苗代謝活動減少體內(nèi)MDA含量，降低了鹽脅迫下脂質(zhì)過氧化傷害有關(guān)。無硅條件下，棉苗電解質(zhì)滲出率隨鹽濃度增加而增加，說明鹽脅迫導(dǎo)致棉苗細胞膜透性增大，大量電解質(zhì)外滲；外源硅條件下，棉苗電解質(zhì)滲出率上升幅度顯著下降，說明硅的添加能保護細胞膜，明顯降低細胞膜透性，從而緩解鹽脅迫對棉苗細胞造成的傷害。