外源亞精胺對鹽脅迫下甜菜生長及養(yǎng)分吸收的影響

朱蘭，耿貴，於麗華

（黑龍江省普通高等學(xué)校甜菜遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗室/黑龍江大學(xué)，哈爾濱 150080）

0 引言

世界鹽堿地面積逐漸擴(kuò)大，約5%的土地（77 Mhm2）受過量鹽分的影響，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的破壞，成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)日益嚴(yán)重的問題，給農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來了巨大的威脅[1-3]；鹽脅迫對作物的生長發(fā)育和產(chǎn)質(zhì)量造成了極大的負(fù)面影響[2，4]。因此提高作物耐鹽堿性的途徑和方法成為研究的熱點(diǎn)。提高植物耐鹽性的途徑主要有：選育抗鹽堿植物品種、使用外源物質(zhì)提高植物的耐鹽堿性以及科學(xué)栽培管理[5-6]，其中施用外源化學(xué)物質(zhì)調(diào)控是提高作物耐鹽堿性的有效途徑之一。常用的外源物質(zhì)有：激素類物質(zhì)[7]（如赤霉素、脫落酸等）、信號類物質(zhì)[8]（水楊酸、乙烯等）、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[9]（甜菜堿、脯氨酸等）以及一些其他的化學(xué)物質(zhì)[10]（CaCl2、Se等）。

多胺是植物自身存在的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，其與植物的抗逆性有關(guān)[11-12]。多胺主要包括腐胺、精胺及亞精胺，其中亞精胺與植物抗逆性的關(guān)系最為密切[13]。外源亞精胺能夠增強(qiáng)鹽脅迫下小麥抗氧化系統(tǒng)功能[14]，保護(hù)番茄的線粒體結(jié)構(gòu)及提高其產(chǎn)量和品質(zhì)[15]；熱脅迫下，能夠提高水稻灌漿前期的光合效率[16]，維持黃瓜、番茄葉綠體結(jié)構(gòu)及抑制光合蛋白復(fù)合物的降解[17]，緩解高羊茅光系統(tǒng)II 和酶抗氧化物熱損傷[18]。大量的研究表明噴施外源亞精胺后能夠有效地減輕非生物脅迫造成的損傷，從而增強(qiáng)植物抵抗外界環(huán)境變化的能力，提高鹽脅迫下作物的生產(chǎn)力，對培育耐鹽性和抗逆性植物起到了關(guān)鍵性作用[19]。

甜菜是世界上被廣泛種植的第二大制糖原料，甜菜屬于鹽生植物，其耐鹽能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于玉米、大豆等大田作物，但在鹽度較高的條件下其生長也將受到抑制[20]。如何提高甜菜的耐鹽能力也是目前甜菜生產(chǎn)中急需解決的問題，外源亞精胺能夠提高作物抗逆性的理論在番茄、黃瓜等作物上得到了證實(shí)[13,15]，但外源亞精胺在甜菜耐鹽方面的應(yīng)用研究還比較少。為此，本試驗采用室內(nèi)營養(yǎng)液培養(yǎng)的方式，研究噴施外源亞精胺處理后在鹽脅迫條件下，耐鹽能力不同的兩甜菜品系‘T510’和‘210’的生長及主要的礦質(zhì)營養(yǎng)元素N、P、K 的含量變化，旨在探尋外源亞精胺對緩解鹽脅迫方面的作用，以及查明其對耐鹽能力不同的兩甜菜品系的緩解作用是否存在差異，從而為甜菜的抗逆高效栽培提供理論和實(shí)踐上的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

供試材料：甜菜耐鹽‘T510’和鹽敏感‘210’品系；試驗于2018年3月在黑龍江大學(xué)光照培養(yǎng)室進(jìn)行。

1.2 試驗方法

在此前對亞精胺進(jìn)行濃度篩選試驗，發(fā)現(xiàn)在280 mmol/L NaCl脅迫下，甜菜幼苗葉面噴施0.25 mmol/L亞精胺試驗對鹽脅迫的緩解效果較好，因此本試驗的亞精胺濃度設(shè)定為0.25 mmol/L。試驗設(shè)4個處理：（1）空白對照組（CK）：1/2Hoagland營養(yǎng)液+葉面噴施蒸餾水；（2）S：1/2Hoagland營養(yǎng)液+葉面噴施0.25 mmol/L亞精胺+0.01%表面活性劑；（3）Na：1/2Hoagland營養(yǎng)液+280 mmol/L NaCl+葉面噴施蒸餾水；（4）Na+S：1/2Hoagland營養(yǎng)液+280 mmol/L NaCl+葉面噴施0.25 mmol/L亞精胺+0.01%表面活性劑。5個重復(fù)。

將精選的甜菜種子消毒殺菌后，均勻播種在滅菌的蛭石中，放入25±1℃的恒溫培養(yǎng)箱中，保持基質(zhì)濕潤，出苗后立即轉(zhuǎn)入光照培養(yǎng)室中，子葉完全展開后開始移植到Hoagland營養(yǎng)液玻璃槽中，每槽8株，培養(yǎng)液晝夜連續(xù)通氣供養(yǎng)，并按時補(bǔ)充水，每7 天更換一次。3 周后開始噴施亞精胺，連續(xù)噴兩天，再進(jìn)行不同鹽度處理，每天加70 mmol/L，使加入到培養(yǎng)液中的鹽濃度達(dá)到280 mmol/L 后，再生長2周，收獲取樣。培養(yǎng)室光照強(qiáng)度450±50μmol/(m2·s)，光照時溫度為25℃，黑暗時溫度為20℃，光照時間為14 h/d，相對濕度為70%。

1.3 指標(biāo)測定方法及數(shù)據(jù)處理

葉面積采用Epson根系掃描儀進(jìn)行甜菜葉片掃描，使用WinRHIZO 軟件分析葉片面積；葉綠素含量采用李合生的方法[21]；葉片相對含水量：取完整的甜菜功能葉片，稱鮮重W1，完全浸入蒸餾水中，24 h 后待葉片吸飽水稱重W2，放入80℃烘干至恒重W3，計算公式如下：相對含水量（%）=（W1-W3）/（W2-W3）×100；丙二醛含量采用硫代巴比妥酸比色法[21]；干物重：將甜菜幼苗各營養(yǎng)器官，105℃殺青半小時后，80℃烘干至恒重，天平稱重；N、P、K 全量的測定：樣品采用H2SO4-H2O2消煮后，全氮采用半量凱氏定氮法，全磷元素采用鉬銻抗比色法，全鉀采用原子吸收法。試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2007和SPSS 21.0軟件進(jìn)行整理和統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 噴施外源亞精胺對鹽脅迫條件下甜菜葉片相對含水量及丙二醛含量的影響

植物從環(huán)境中吸收的水分減少將引起葉片含水量降低，相對含水量能夠反映出葉片水分的虧缺情況，相對含水量越高，水分虧缺的越少。從表1 中可以看出，與CK 比，S 處理（在正常條件下，噴施0.25 mmol/L 亞精胺）對甜菜葉片的相對含水量沒有影響；Na 處理（280 mmol/L NaCl 脅迫下），兩品系幼苗葉片的相對含水量明顯降低；Na+S處理（噴施亞精胺后，在280 mmol/L NaCl脅迫下）與Na處理比，甜菜葉片相對含水量都顯著升高，從兩品系對比來看，‘T510’品系葉片相對含水量的增加量明顯高于‘210’品系。

葉片中丙二醛（MDA）含量在一定程度上反映了膜的受損程度。從表1 中可以看出，NaCl 脅迫下，兩品系幼苗葉片中MDA 含量明顯升高，Na+S 處理與Na 處理相比，兩品系MDA 都有不同程度的降低；耐鹽品系‘T510’在脅迫后的MDA 明顯低于敏感品系‘210’，‘T510’品系MDA 降低的較為明顯，且兩品系差異顯著。由此可見，噴施亞精胺后耐鹽品系‘T510’細(xì)胞膜的過氧化程度得到了改善，其受損程度有所降低。

表1 噴施外源亞精胺對鹽脅迫條件下甜菜幼苗水勢及相對含水量的影響Table 1 Water potential and relative water content of sugar beet seedlings sprayed with spermidine under salt stress

2.2 噴施外源亞精胺對鹽脅迫條件下甜菜葉片面積及葉綠素含量的影響

葉片面積的大小直接關(guān)系到光合作用的效率，從而影響到作物的產(chǎn)量。從圖1A 可看出，在正常環(huán)境中噴施亞精胺（S處理），對兩品系幼苗葉片面積沒有明顯影響；但噴施亞精胺在鹽脅迫下（Na+S處理），與Na處理比，都有不同程度的升高，其中耐鹽‘T510’品系的升高幅度較為明顯，約為‘210’品系升高的兩倍，而‘210’品系雖有升高，但差異不顯著。

葉綠素在光合過程中起著非常重要的作用，光合作用受葉片面積制約的同時，葉綠素含量情況也影響光合產(chǎn)物。從圖1B中可以看出，雖然NaCl 脅迫后（Na 處理），兩品系葉綠素含量明顯降低；但噴施外源亞精胺后鹽脅迫下（Na+S處理），葉綠素的含量都有不同程度的提高，因此其破壞程度都得到了緩解，兩品系在噴施前后的差異都比較顯著，耐鹽品系‘T510’葉綠素含量提高了13.7%，鹽敏感品系‘210’提高了16.0%，雖然‘210’品系提高的幅度較大，但其含量仍然明顯低于‘T510’品系。

圖1 噴施外源亞精胺對鹽脅迫條件下甜菜幼苗葉片面積（A）和葉綠素含量（B）影響Fig.1 The leaf area(A)and chlorophyll content(B)of sugar beet seedlings sprayed with spermidine under salt stress

2.3 噴施外源亞精胺對鹽脅迫條件下甜菜地上部和地下部干物質(zhì)積累的影響

從圖2A 中可知，S 處理與CK 比差異不顯著；Na處理與CK 比，‘210’與‘T510’兩品系地上部干重明顯降低，分別降低了28.6%、23.7%；Na+S 處理與S 處理比，‘210’、‘T510’地上部干重降低幅度分別為23.9%、13.8%。從以上的數(shù)據(jù)可看出，與Na 處理相比，噴施亞精胺后在鹽脅迫下（Na+S 處理），‘210’、‘T510’地上部干重分別提高了4.7%、9.8%，‘T510’地上部干重提高了接近‘210’的2倍。

由圖2B可見，Na處理與CK 比，‘210’與‘T510’兩個品系地下部干重明顯降低，分別降低36.6%、31.1%；Na+S 處理與S處理比較，‘210’、‘T510’品系地下部干重降低幅度分別為34.1%、23.8%。從以上數(shù)據(jù)中可看出，與Na 處理相比，噴施亞精胺后鹽脅迫下（Na+S處理），‘210’、‘T510’地下部干重分別提高了2.5%、7.3%，‘T510’品系地下部干重提高了接近‘210’品系的3倍。

通過地上地下部比較發(fā)現(xiàn)，噴施亞精胺后在鹽脅迫條件下，能更有效地提高甜菜地下部的干物質(zhì)積累。

圖2 噴施外源亞精胺對鹽脅迫條件下甜菜幼苗莖葉干重（A）和根干重（B）的影響Fig.2 The dry weight of stem leaf(A)and root(B)of sugar beet seedlings sprayed with spermidine under salt stress

2.4 噴施外源亞精胺對鹽脅迫條件下甜菜體內(nèi)養(yǎng)分含量的影響

2.4.1 噴施外源亞精胺對鹽脅迫條件下甜菜體內(nèi)氮素含量的影響

從表2 可看出，與CK 組相比，Na處理后甜菜幼苗各營養(yǎng)器官的含氮量顯著下降，約是對照含量的1/2；正常環(huán)境下噴施亞精胺后（S 處理），各器官的氮素含量都不同程度地有所提高，但提高效果未達(dá)到顯著水平。噴施亞精胺在NaCl脅迫下（Na+S處理）與Na處理相比，顯著提高了兩品系幼苗的氮素含量，‘210’品系葉片、葉柄及根系分別提高了11.64%、8.33%、9.95%，‘T510’品系葉片、葉柄及根系分別提高了20.30%、14.97%、21.3%，由此可見‘T510’品系噴施亞精胺后氮素含量提高較為明顯。

表2 噴施外源亞精胺對鹽脅迫條件下甜菜幼苗氮素和磷素含量的影響Table 2 Nitrogen and phosphorus contents in sugar beet seedlings sprayed with exogenous spermidine under salt stress

2.4.2 噴施外源亞精胺對鹽脅迫條件下甜菜體內(nèi)磷素含量的影響

從表2 中可以看出，與CK 比，正常環(huán)境下，噴施亞精胺后（S處理），甜菜幼苗各部位磷素含量有所升高，但差異不顯著；與CK相比，鹽脅迫后（Na處理），兩品系各部分磷素含量都顯著上升；通過Na+S處理與Na處理比較可看出，噴施外源亞精胺后幼苗各部分磷素含量都有不同程度的降低，其中兩品系根系中磷素含量降低較為顯著。從兩個品系間的比較來看，噴施亞精胺在鹽脅迫下，‘210’品系僅有根系的磷素明顯降低，葉片與葉柄雖然有所降低，但差異不顯著，而‘T510’品系各部位磷素含量都明顯降低。

2.4.3 噴施外源亞精胺對鹽脅迫條件下甜菜體內(nèi)鉀素含量的影響

從表3 中可以看出，與CK 比，鹽脅迫后（Na 處理），兩品系鉀素含量顯著降低；兩品系的S 處理與CK 相比，各器官鉀素含量都有所升高，但差異不顯著。與Na 處理相比，噴施亞精胺在鹽脅迫下（Na+S處理），各器官的鉀素含量明顯增加，其中增加的幅度：葉柄>根系>葉片；從兩個品系比較來看，‘210’品系體內(nèi)鉀素含量低于‘T510’品系，且鉀素含量升高的幅度也明顯低于‘T510’品系。

表3 噴施外源亞精胺對鹽脅迫條件下甜菜幼苗鉀素含量的影響Table 3 Potassium contents in sugar beet seedlings sprayed with exogenous spermidine under salt stress

3 討論

3.1 外源亞精胺對鹽脅迫條件下甜菜幼苗生長的影響

鹽脅迫條件下，植物根系吸收水分受阻，造成組織缺水，葉片的含水量降低，直接影響植物的生長、氣孔開閉狀況、光合作用以及作物產(chǎn)量[22]，因此植物組織含水量是反映植物組織水分生理狀況的重要指標(biāo)。本試驗研究發(fā)現(xiàn)，噴施外源亞精胺后，葉片的相對含水量明顯提高，且耐鹽品系的相對含水量明顯高于鹽敏感品系。逆境條件下，MDA 等過氧化產(chǎn)物增多，這些過氧化產(chǎn)物將對細(xì)胞產(chǎn)生傷害，從而干擾細(xì)胞的正常代謝[23]。在本試驗條件下，噴施外源亞精胺后，葉片中的MDA含量明顯降低，說明外源亞精胺有助于減輕細(xì)胞膜的過氧化程度，其它作物也得到類似的結(jié)果[17,23]。

多項研究發(fā)現(xiàn)，植物受到鹽脅迫，最直觀的表現(xiàn)就是植株生長受到抑制[24]。鹽脅迫促進(jìn)葉綠素的分解，導(dǎo)致植株葉片失綠[25]，為了適應(yīng)鹽脅迫，葉面積減小，葉片變厚，光合作用受到抑制[26]。以往研究中，亞精胺對鹽敏感的植物緩解鹽害作用研究較多，作用比較明顯[13-19]。本試驗研究發(fā)現(xiàn)，噴施外源亞精胺后鹽脅迫下，兩品系葉片面積、葉綠素含量及干物質(zhì)積累明顯增加，其中對耐鹽品系甜菜緩解鹽害的效果更為明顯，亞精胺對耐鹽性較強(qiáng)的甜菜緩解鹽害的作用也比較強(qiáng)，對‘T510’品系的緩解效果強(qiáng)于‘210’品系，表明外源亞精胺對耐鹽性較強(qiáng)的植物作用更為明顯。即同一物種不同基因型植物外源亞精胺的施用效果不同[13]。

3.2 外源亞精胺對鹽脅迫條件下甜菜營養(yǎng)器官N、P、K養(yǎng)分吸收的影響

氮、磷、鉀是植物生長必需的大量營養(yǎng)元素，參與植物體內(nèi)各種代謝活動，在鹽脅迫下，植物體被動吸收了過量的Na+和Cl-，干擾了其他養(yǎng)分離子的吸收和運(yùn)輸[20]，從而導(dǎo)致植物體內(nèi)養(yǎng)分失衡。本試驗，加入外源亞精胺后在鹽脅迫下，‘T510’與‘210’兩個品系的根、葉柄、葉片含N 量都增加，這可能是鹽脅迫使核酸和蛋白的分解大于同化，引起核酸和蛋白等信息大分子明顯虧缺，造成氮代謝紊亂[27]；外源亞精胺處理提高了鹽脅迫下植物體內(nèi)核酸和蛋白含量，同時通過促進(jìn)硝態(tài)氮的還原及銨態(tài)氮的同化[28]，最終緩解氮代謝紊亂。

有研究發(fā)現(xiàn)過量的Cl-含量能夠刺激植物對磷的吸收，使磷含量高于正常水平[29]，植物體內(nèi)磷含量過高，引起凈光合速率下降，也會導(dǎo)致磷素與其他營養(yǎng)元素失衡，磷的過多積累導(dǎo)致植物缺鐵的發(fā)生[30]。本研究發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫下，甜菜各器官中的磷素存在明顯積累現(xiàn)象；噴施亞精胺在鹽脅迫下，兩品系磷素含量都有不同程度的降低，從而降低了高磷濃度引起其它離子失衡造成的危害，使磷素的吸收和代謝趨于正常。

植物吸收過多Na+，勢必影響其對K+的吸收[20]，影響植株礦物質(zhì)營養(yǎng)的養(yǎng)分平衡。雖然有研究發(fā)現(xiàn)在甜菜體內(nèi)存在著鈉替代鉀的作用[2,20]，但鈉只能替代鉀行使非專性生理功能[2，31]，而專性生理功能不可替代，所以在鹽脅迫下維持較高水平的鉀含量還是十分必要的。本研究，雖然鹽脅迫降低了甜菜體內(nèi)鉀素的含量，但噴施外源亞精胺的鹽脅迫處理，鉀素含量明顯提高，甜菜體內(nèi)含鉀量提高，才能保證鉀代謝正常進(jìn)行。

綜上所述，外源亞精胺在提高甜菜干物質(zhì)積累及促進(jìn)N、P、K 養(yǎng)分吸收利用方面具有較明顯的作用，特別是對耐鹽能力強(qiáng)的基因型效果更為明顯。通過本研究為鹽堿地區(qū)的甜菜種植提供一種增產(chǎn)方法，為抗鹽生長調(diào)節(jié)劑的生產(chǎn)提供理論參考。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，噴施外源亞精胺在NaCl脅迫下，能夠提高甜菜幼苗的葉片含水量、葉面積及葉綠素含量，降低細(xì)胞膜的過氧化作用，獲得較高的干物質(zhì)積累；同時緩解了鹽脅迫造成的氮、磷、鉀三大營養(yǎng)元素吸收和代謝的紊亂。外源亞精胺對不同基因型甜菜幼苗鹽害的緩解作用存在差異，對耐鹽能力強(qiáng)的基因型鹽害緩解效果較好。