六個生長時期高粱對NaCl脅迫的響應(yīng)

王海蓮 王潤豐 劉 賓 張華文

(山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所/山東省特色作物工程實驗室,山東 濟(jì)南 250100)

土壤鹽堿化是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要限制因子,也是人類面臨的生態(tài)危機(jī)之一。我國鹽漬土面積約為3 467 萬hm2(不包括濱海灘涂),已開墾種植面積約667 萬hm2。山東省黃河三角洲地區(qū)有53 萬hm2未利用土地,主要為濱海鹽堿土,土壤鹽分主要來源于海水,組分與海水相似,鈉型鹽氯化物占優(yōu)勢,陰離子以Cl-為主,占陰離子總量的89.95%,陽離子以Na＋為主,占陽離子總量的85.72%[1]。受季節(jié)性降雨的影響,鹽堿地鹽分含量分布不均勻。東營地區(qū)鹽堿地裸地的含鹽量從5月份至7月份逐漸增加,隨著降雨量的增多,7月下旬土壤鹽分含量開始下降[2]。土壤中鹽濃度過高會抑制作物種子的萌發(fā)和幼苗生長,導(dǎo)致產(chǎn)量降低,因此,具備一定的耐鹽能力是鹽堿地作物種植的必要條件之一。

高粱(Sorghum bicolorL.)為中等耐鹽作物[3],與我國北方小麥、玉米等主要糧食作物相比具有抗旱、耐鹽堿、耐瘠、耐澇等多重抗性優(yōu)勢,可在輕度到中度鹽堿地上生長,并獲得較高的產(chǎn)量。在高粱耐鹽性研究方面,前人從萌發(fā)期和苗期耐鹽鑒定方法[4-5]、萌發(fā)期和苗期耐鹽種質(zhì)資源的篩選和鑒定[6-9]以及鹽脅迫對高粱相關(guān)生理生化性狀的影響[6-7,10]等方面開展了大量研究。但是,上述報道均是針對高粱萌發(fā)期和苗期,也有少量研究針對生長發(fā)育后期[11],但針對不同生長時期高粱對鹽脅迫的響應(yīng)尚鮮見報道。

由于品種間耐鹽能力不同,高粱通常種植在含鹽量0.6%以下的輕度和中度鹽堿地[12]。萌發(fā)期和苗期的高粱在0.6% NaCl脅迫下,雖然生長變慢,葉片變黃,生物量降低,但植株可完成整個生育進(jìn)程[13-14]。因此,可利用該濃度研究NaCl脅迫對高粱開花、灌漿、生物產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量等生長后期相關(guān)性狀的影響。基于此,本研究以山東省黃河三角洲地區(qū)主要推廣種植的粒用高粱雜交種濟(jì)粱1號為研究對象,采用0.6% NaCl脅迫,分別對萌發(fā)期、苗期、拔節(jié)前期、拔節(jié)后期、孕穗期和開花期的幼苗或植株進(jìn)行28 d NaCl脅迫,通過與正常生長的濟(jì)粱1號比對分析,明確濟(jì)粱1號對鹽脅迫顯著響應(yīng)的生長時期,并根據(jù)植株最上部3 片新葉的SPAD(soil and plant analyzer development)值、葉和根中離子積累及轉(zhuǎn)運等方面的變化,探究濟(jì)粱1號的耐鹽特點和耐鹽生理機(jī)制,以期為黃河三角洲鹽堿地高粱抗鹽栽培措施的制定提供一定的理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以耐鹽性強(qiáng)的粒用高粱雜交種濟(jì)粱1號為材料,該雜交種以外引不育系晉長早A 為母本,自育恢復(fù)系R4545 為父本經(jīng)三系雜交組配而成。

1.2 試驗設(shè)計

稱量4 kg 育苗基質(zhì)于高25 cm,上口部直徑35 cm的塑料花盆中,用塑料燒杯分2 次澆灌4 L 自來水,使基質(zhì)完全浸透,濕潤。挑選健康飽滿的濟(jì)粱1號種子,待花盆里基質(zhì)墑情適宜時,將種子播種在育苗基質(zhì)中,每盆20 粒,每次播8 盆,4 盆對照(CK),4 盆NaCl脅迫(T)。分別于2017年6月27日(CK6 和T6)、7月11日(CK5 和T5)、7月18日(CK4 和T4)、7月25日(CK3 和T3)、8月29日(CK2 和T2)和9月12日(CK1 和T1)播種。9月12日開始處理時,對照和NaCl脅迫6 個不同播種時期的植株分別對應(yīng)萌發(fā)期、苗期、拔節(jié)前期、拔節(jié)后期、孕穗期和開花期(CK1～6/T1～6)。具體播種時間和NaCl脅迫見表1。于四至五葉期定苗,每盆保留大小一致的2 株幼苗。所有高粱材料均放置于山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所試驗基地旱棚中,下雨或極端天氣提前移動旱棚蓋住所有材料,其他管理同大田。

播種后2 周無需澆水,第3 周開始每周對CK6 和T6、CK5 和T5、CK4 和T4、CK3 和T3 用塑料燒杯澆灌4 L 自來水,分2 次澆灌；鹽脅迫前10 d 稱量每盆重量,控制澆水量,使每批次播種的8 盆植株重量一致。9月12日隨機(jī)選擇每批種植的4 盆為對照(包括CK1～CK6),4 盆為處理(T1～T6),CK 同前期一樣澆灌4 L 自來水,分2 次澆灌；T 澆灌4 L 0.6% NaCl 溶液,分2 次澆灌。最終每盆基質(zhì)含24 g NaCl,鹽土比為6/1000。NaCl 處理后,CK6 和T6、CK5 和T5、CK4 和T4、CK3 和T3 每周同NaCl 處理前一樣正常澆灌自來水。CK1 和T1、CK2 和T2 于2 周后每周澆灌4 L 自來水,分2 次澆灌。及時預(yù)防病蟲害,抽穗后記錄每個單株的抽穗日期,并對每個穗子套網(wǎng)袋防鳥啄食。

表1 濟(jì)粱1號播種及NaCl脅迫時間Table 1 Time of sowing and NaCl stress of Jiliang No.1

1.3 測定項目與方法

2017年10月10日鹽處理4 周后,利用SPAD-502Plus 葉綠素儀(浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司)測定每個單株最上部3 張葉片的SPAD 值,每張葉片取6 個固定部位測定,最后取平均值作為單株葉片的SPAD 值。株高或苗高為植株根至穗頂或最長葉頂端的距離。莖粗為地面向上一節(jié)莖稈均勻部位的直徑。從根基部收獲植株后,稱量地上部分植株的總重量為總鮮重。在穗柄接近籽粒處將穗子剪下,稱重為穗鮮重。把每個花盆中2 個單株的根取出,用自來水沖洗干凈,放入75℃烘箱烘干至恒重,稱重為根干重。取每個單株最上部3 張葉片放入105℃烘箱,殺青30 min,然后75℃烘干至恒重。將烘干的葉片和根粉碎,過40 目篩,稱量0.3 g 置于消化管中,利用濃硫酸高溫消解,消解結(jié)束定容至100 mL,采用FP6431 火焰光度計(上海儀電分析儀器有限公司)分別測量葉片和根中Na＋和K＋含量。

1.4 鹽害分析方法

借鑒高粱和其他植物耐鹽性鑒定標(biāo)準(zhǔn)[14-16],利用正常生長和NaCl脅迫下6 個生長時期植株的株高、莖粗、地上部鮮重、穗鮮重、根干重和抽穗期等表型數(shù)據(jù),計算各性狀的相對鹽害率(relative salt-injury rate,RSR),RSR 越大,植株受鹽害影響越大。RSR 的計算公式如下：

式中,XCK和XT分別為正常生長和NaCl脅迫28 d后的株高、莖粗、地上部鮮重、穗鮮重、根干重和抽穗期表型數(shù)據(jù)的平均值。

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用統(tǒng)計分析軟件SPSS 11.5 計算正常生長和NaCl脅迫下6 個生長時期的株高、莖粗、地上部鮮重、穗鮮重、根干重、抽穗期、SPAD 值、Na＋含量、K＋含量和K＋/Na＋的平均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差,并對正常生長和NaCl脅迫下各性狀的差異顯著性進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 6 個生長時期NaCl脅迫28 d 后相關(guān)農(nóng)藝性狀變化

由圖1可知,6 個生長時期NaCl脅迫均抑制了高粱植株的生長,其株(苗)高、莖粗、地上部鮮重、穗鮮重和根干重的平均值均低于對照(表2)。

圖1 6 個生長時期濟(jì)粱1號正常生長(CK)和NaCl脅迫(T)28 d 后的生長狀況Fig.1 Growth status of Jiliang No.1 at six growth stages under normal(CK)and NaCl stress(T)for 28 days

萌發(fā)期開始NaCl脅迫28 d 后,T1 植株苗高極顯著低于CK1,地上部受鹽害明顯,生長較弱(圖1),株高、莖粗、地上部鮮重和根干重也均極顯著低于CK1。尤其是根干重降幅最大,T1 根干重僅為CK1 的13.1%。株高、莖粗、地上部鮮重和根干重的RSR 分別為51.4%、44.6%、76.8%和86.9%(表2)。

與正常生長條件相比,苗期進(jìn)行NaCl脅迫,T2 植株地上部和根的生長均受到抑制(圖1)。與CK2 相比,苗期NaCl脅迫對莖粗、地上部鮮重和根干重的影響均達(dá)極顯著水平,對株高影響達(dá)到顯著性水平。株高、莖粗、地上部鮮重和根干重的RSR 分別為21.8%,35.8%,50.3%和44.8%(表2)。

拔節(jié)前期進(jìn)行NaCl脅迫,與CK3 相比,T3 植株葉片和穗子形態(tài)差異較小(圖1)。拔節(jié)前期NaCl脅迫對莖粗、穗鮮重和根干重的影響均達(dá)極顯著水平,對株高的影響達(dá)顯著水平,對地上部鮮重和抽穗期影響不顯著。對穗鮮重影響最大,其RSR 為32.6%(表2)。

拔節(jié)后期進(jìn)行NaCl脅迫,與CK4 相比,T4 植株株高降低,葉片較早失水、變黃(圖1)。拔節(jié)后期NaCl脅迫對株高、莖粗、穗鮮重和根干重的影響均達(dá)極顯著水平,對地上部鮮重和抽穗期影響不顯著,穗鮮重受NaCl脅迫影響最大,其RSR 為28.3%(表2)。

孕穗期進(jìn)行NaCl脅迫,與CK5 相比,T5 的株高變化不大,除下部有較多葉片變黃,植株生長發(fā)育基本正常(圖1)。孕穗期NaCl脅迫對莖粗和根干重的影響均達(dá)極顯著水平,對穗鮮重的影響達(dá)顯著水平,對株高、地上部鮮重和抽穗期影響均不顯著。根干重的RSR 最大,為38.0%(表2)。

開花期進(jìn)行NaCl脅迫,與CK6 相比,T6 的葉片提前衰老,黃色葉片明顯增多(圖1)。開花期NaCl脅迫對地上部鮮重的影響達(dá)極顯著水平,對根干重的影響達(dá)顯著水平,對株高、莖粗和穗鮮重的影響均不顯著。對地上部鮮重的影響最大,RSR 為17.1%(表2)。

表2 6 個生長時期正常生長(CK)和NaCl脅迫(T)下后濟(jì)粱1號相關(guān)農(nóng)藝性狀統(tǒng)計分析Table 2 Statistical analysis of agronomic traits at six growth stages of Jiliang No.1 under normal(CK)and NaCl stress(T)

2.2 NaCl脅迫對6 個生長時期濟(jì)粱1號葉片SPAD值的影響

由圖2可知,無論CK 還是T,濟(jì)粱1號葉片的SPAD 值在6 個生長時期的變化趨勢基本相同。拔節(jié)前期進(jìn)行NaCl脅迫植株葉片SPAD 值達(dá)到最大,隨后拔節(jié)后期、孕穗期和開花期進(jìn)行NaCl脅迫SPAD 值逐漸降低。與CK 相比,NaCl脅迫后濟(jì)粱1號6 個生長時期葉片的SPAD 值均降低。苗期和拔節(jié)前期進(jìn)行NaCl脅迫葉片SPAD 值差異不顯著,萌發(fā)期、拔節(jié)后期、孕穗期和開花期進(jìn)行NaCl脅迫葉片SPAD 值差異達(dá)到顯著或極顯著水平。

2.3 NaCl脅迫對6 個生長時期濟(jì)粱1號葉片和根中Na＋，K＋和K＋/Na＋的影響

由圖3可知,濟(jì)粱1號6 個生長時期CK 和T 的根中Na＋含量均高于葉片。與CK 相比,T 的葉片和根中Na＋含量顯著提高。與其他幾個生長時期相比,拔節(jié)后期和孕穗期進(jìn)行NaCl脅迫葉片和根中Na＋含量增幅最大。由圖4可知,無論CK 還是T,6 個生長時期根中K＋含量均顯著高于葉片。NaCl脅迫28 d 后,除萌發(fā)期外,其余5 個生長時期T 的葉片K＋含量均顯著高于CK；6 個生長時期,T 的根中K＋含量均顯著低于CK。由圖5可知,與CK 相比,6 個生長時期T 的葉片和根中K＋/Na＋均顯著降低,其中孕穗期和開花期葉片中K＋/Na＋降幅最大。

圖2 6 個生長時期正常生長(CK)和NaCl脅迫(T)下濟(jì)粱1號葉片SPAD 值Fig.2 SPAD values in leaves of Jiliang No.1 at six growth stages under normal(CK)and NaCl stress(T)

圖3 6 個生長時期正常生長(CK)和NaCl脅迫(T)下濟(jì)粱1號葉片和根中Na＋含量Fig.3 Na＋content in leaves and roots of Jiliang No.1 at six growth stages under normal(CK)and NaCl stress(T)

3 討論

圖4 6 個生長時期正常生長(CK)和NaCl脅迫(T)下濟(jì)粱1號葉片和根中K＋含量Fig.4 K＋content in leaves and roots of Jiliang No.1 at six growth stages under normal(CK)and NaCl stress(T)

圖5 6 個生長時期正常生長(CK)和NaCl脅迫(T)下濟(jì)粱1號葉片和根中K＋/Na＋Fig.5 K＋/Na＋in leaves and roots of Jiliang No.1 at six growth stages under normal(CK)and NaCl stress(T)

植物耐鹽性是復(fù)雜的數(shù)量性狀[17]。高粱作為典型的耐鹽農(nóng)作物,在耐鹽生理生化和分子生物學(xué)方面已有大量研究[18-19]。由于鹽堿地類型多樣,前人針對不同鹽堿地特點,利用不同鹽組分對高粱耐鹽性開展了相關(guān)研究。有些研究采用混合鹽堿脅迫[20-21],但更多的研究采用NaCl脅迫[22-24]。NaCl脅迫對植物危害最明顯的效應(yīng)是抑制植株生長[25]。因此,植株的發(fā)育狀況是評價植物耐鹽性的重要指標(biāo)。本研究結(jié)果表明,與CK 相比,0.6% NaCl脅迫濟(jì)粱1號28 d 后,萌發(fā)期和苗期的高粱地上部鮮重顯著降低,6 個生長時期根干重均顯著降低,這與前人研究結(jié)果基本相似[22-26]。在6 個生長時期中,萌發(fā)期開始NaCl脅迫的株高、莖粗、地上部鮮重和根干重的RSR 最大,其次是苗期,說明濟(jì)粱1號在萌發(fā)期對NaCl脅迫敏感,受NaCl脅迫影響最大。穗重是粒用高粱生產(chǎn)關(guān)注的主要指標(biāo)之一,拔節(jié)前期和拔節(jié)后期穗鮮重受NaCl脅迫的影響最大,RSR 分別為32.6%和28.3%,大于孕穗期和開花期。因此,在拔節(jié)期或孕穗期可采取灌溉、施肥等栽培措施,以緩解鹽脅迫對高粱植株和籽粒產(chǎn)量的影響[27]。在調(diào)查的6 個性狀中,只有根干重在6 個生長時期的CK 和T 間差異達(dá)到顯著性水平。根是植物吸收營養(yǎng)物質(zhì)的主要器官,NaCl脅迫顯著抑制了根的生長,從而影響了營養(yǎng)物質(zhì)向地上部運輸,在一定程度上抑制了植株的生長發(fā)育,使株高降低、莖稈變細(xì)、生物量下降。拔節(jié)前期、拔節(jié)后期和孕穗期NaCl脅迫使?jié)?號的抽穗期延長,但差異不顯著。任根增等[21]利用混合鹽堿脅迫對3 個不同高粱品種農(nóng)藝性狀進(jìn)行研究,結(jié)果顯示鹽堿脅迫延長耐鹽高粱品種高粱蔗和河農(nóng)16 的抽穗期,輕度和中度鹽脅迫延長TAX623B 的抽穗期,重度鹽脅迫縮短TAX623B 的抽穗期。因此,鹽脅迫對高粱抽穗期的影響,可能與高粱品種自身的耐鹽性、鹽脅迫濃度以及鹽脅迫處理時間有一定的關(guān)系。

葉綠素含量是反映作物光合作用能力的主要指標(biāo)之一,SPAD 值和葉綠素含量具有較高的相關(guān)性,可以客觀地反映作物的光合作用強(qiáng)度[28]。前人研究結(jié)果表明,鹽脅迫可使幼苗葉片葉綠素含量降低,光合作用能力下降[29-30]。本研究中,與CK 相比,NaCl脅迫28 d 后,6 個生長時期濟(jì)粱1號的葉片SPAD 值均降低,尤其在萌發(fā)期、拔節(jié)后期、孕穗期和開花期,葉片SPAD 值顯著降低,說明NaCl脅迫對這4 個生長時期葉片葉綠素的合成影響較大,但NaCl脅迫影響植株的生長發(fā)育的機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

離子在植物正常生長發(fā)育過程中起著重要的作用,土壤鹽堿化打破了植物體內(nèi)離子的動態(tài)平衡。Na＋和K＋參與糖及蛋白質(zhì)代謝,可保持機(jī)體的正常滲透壓及酸堿平衡。NaCl脅迫后,無論葉片還是根中Na＋含量均顯著增加,為了減少Na＋對濟(jì)粱1號地上部的毒害,Na＋首先在根中大量積累,但隨著鹽脅迫時間的延長,一部分Na＋轉(zhuǎn)運至地上部,導(dǎo)致葉中Na＋含量增加,但6 個生長時期根中Na＋含量均高于葉片(圖3),這與前人的研究結(jié)果相似[10,22,31]。與CK 相比,NaCl 鹽脅迫后,除萌發(fā)期外,其余5 個生長時期葉片中的K＋含量均較CK 顯著增加；6 個生長時期根中K＋含量均顯著下降。這可能是因為NaCl 鹽脅迫后,葉片和根中Na＋含量增加,高粱體內(nèi)的鈉和鉀離子平衡被打破,為了維持機(jī)體生長,根中有一部分K＋轉(zhuǎn)運至葉片中,葉片中K＋含量增加,根中K＋含量降低。K＋/Na＋是衡量植物耐鹽性的一個重要指標(biāo)。本研究發(fā)現(xiàn),與CK 相比,6 個生長時期NaCl脅迫葉片和根中的K＋/Na＋均顯著降低,這與前人研究結(jié)果相同[31-32]。但也有研究顯示鹽脅迫下耐鹽品種K＋/Na＋降低,而鹽敏感品種K＋/Na＋提高[24],表明K＋/Na＋的變化可能與品種自身耐鹽性有關(guān)。

4 結(jié)論

本研究對濟(jì)粱1號6 個生長時期進(jìn)行28 d 的0.6%NaCl脅迫,發(fā)現(xiàn)與正常生長相比,NaCl脅迫均抑制了各個生長時期高粱的生長,其中萌發(fā)期NaCl脅迫對濟(jì)粱1號的苗高、莖粗、地上部鮮重和根干重影響最大,RSR 均大于其他5 個生長時期；拔節(jié)前期NaCl脅迫對穗鮮重積累的影響最大。因此,萌發(fā)期和拔節(jié)前期是濟(jì)粱1號對NaCl脅迫比較敏感的2 個時期。NaCl脅迫顯著降低了萌發(fā)期、拔節(jié)后期、孕穗期和開花期葉片SPAD 值,顯著增加了6 個生長時期葉片和根中的Na＋含量。但本研究僅采用一個品種,0.6%NaCl脅迫后葉片和根中K＋含量和K＋/Na＋的變化趨勢與前人研究結(jié)果也有一定的差異,還需采用不用耐鹽性的品種做進(jìn)一步驗證。