短期NaCl脅迫下9個(gè)甜瓜品種抗性生理指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)

毛建才，熊 木，翟文強(qiáng)，伊鴻平，黃 遠(yuǎn)，張學(xué)軍

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院哈密瓜研究中心，烏魯木齊 830091；2華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院/園藝植物生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

0 引 言

【研究意義】新疆降水少，蒸發(fā)大，空氣極端干燥，晝夜溫差大，有利于甜瓜營(yíng)養(yǎng)積累[1]。特殊的氣候、環(huán)境條件，使得甜瓜生產(chǎn)成為具有區(qū)域優(yōu)勢(shì)特色產(chǎn)業(yè)。土壤鹽堿化是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要環(huán)境因子[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)中國(guó)耕地鹽堿化面積占總耕地面積的1/5，而新疆地區(qū)鹽堿化更為嚴(yán)重，占鹽堿化總面積的13%以上[3]。鹽分脅迫已經(jīng)成為限制甜瓜生長(zhǎng)發(fā)育的主要因素。耐鹽性強(qiáng)的甜瓜品種可以有效降低土壤鹽堿化危害。篩選和培育耐鹽型甜瓜品種尤為重要?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】鹽分脅迫對(duì)植物最顯著的危害就是抑制生長(zhǎng)，造成植物發(fā)育遲緩，并影響植株的光合作用，抑制植物各組織和器官的生長(zhǎng)與分化[4]。鹽脅迫通過(guò)離子毒害損害植物的葉綠體色素系統(tǒng)，抑制相關(guān)酶活性，造成葉綠素含量降低進(jìn)而影響植物的光合作用[5-9]。鹽脅迫還可以通過(guò)改變細(xì)胞膜的通透性來(lái)影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育和形態(tài)建成[10-11]。李遠(yuǎn)航等[12]研究發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫會(huì)降低植物的電子轉(zhuǎn)導(dǎo)率，使相關(guān)功能酶的活性受損，導(dǎo)致植株光化學(xué)效率降低，抑制植物的光合作用。夏世龍[13]研究表明，低濃度鹽脅迫促進(jìn)了甜瓜地上部和地下部分干物質(zhì)積累，而高濃度處理則會(huì)產(chǎn)生了抑制，這與吳旭紅[14]和張永平等[15]的研究結(jié)果一致。鹽脅迫下，植株最早感受脅迫信號(hào)的是根系，根系也是最直接的受害部位[16]。植物的根系能夠在逆境下改變形態(tài)和分布來(lái)適應(yīng)逆境[17]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前對(duì)鹽脅迫下不同植物根系的響應(yīng)策略研究不多。前期我們基于全生育期的數(shù)據(jù)，分析了新疆甜瓜品種的耐鹽性，但是評(píng)價(jià)周期較常長(zhǎng)[18]。研究評(píng)價(jià)新疆地方甜瓜品種的耐鹽性進(jìn)行短期耐鹽性。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】研究采用新疆9個(gè)廣泛栽培的地方品種，采用水培和基質(zhì)栽培，100 mM的NaCl脅迫處理幼苗，分析各部位干物質(zhì)的積累變化情況、根系構(gòu)型參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化、光合參數(shù)，研究不同品種對(duì)鹽脅迫的生理差異，對(duì)新疆地區(qū)9個(gè)品種進(jìn)行耐鹽性評(píng)價(jià)，篩選出耐鹽性好的甜瓜品種，為新疆地區(qū)甜瓜的生產(chǎn)管理和培育耐鹽型品種提供支持。

1 材料與方法

1.1 材 料

9個(gè)品種均為新疆主要種植品種，試驗(yàn)在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)蔬菜基地玻璃溫室進(jìn)行。表1

表1 甜瓜品種Table 1 Muskmelon landraces

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用水培和基質(zhì)栽培。對(duì)于水培，將種子用1%的NaHClO表面消毒30 min，用蒸餾水徹底沖洗干凈，然后在30°C的暗處培養(yǎng)，直到發(fā)芽。之后播種在BSM(0.5 mM KCl, 0.1 mM CaCl2, pH 5.7)營(yíng)養(yǎng)液中，2 d后進(jìn)行鹽處理。為避免鹽激反應(yīng)，先將營(yíng)養(yǎng)液中的NaCl濃度設(shè)定為50 mM，第2 d增加至100 mM，測(cè)定處理5 d后地上部分和地下部分的干重、鮮重以及根系的構(gòu)型參數(shù)。以不加NaCl的營(yíng)養(yǎng)液為對(duì)照，每個(gè)品種設(shè)置3個(gè)重復(fù)，每重復(fù)4個(gè)植株。

對(duì)于基質(zhì)栽培，種子播種在穴盤(pán)中，長(zhǎng)出第3片真葉時(shí)，將幼苗移栽到塑料盤(pán)中，每個(gè)塑料盤(pán)中裝有3 L基質(zhì)(泥炭∶蛭石∶珍珠巖= 1∶1∶1，v/v)，每個(gè)盆中移栽1株幼苗。移栽后的1周用無(wú)鹽的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液澆灌，之后每隔2 d用含鹽100 mM的營(yíng)養(yǎng)液定時(shí)定量澆灌。25 d后測(cè)定光合數(shù)據(jù)(Ci、Pn、Gs和Tr)及根長(zhǎng)、株高、莖粗、葉片數(shù)等數(shù)據(jù)，測(cè)定植株第3片真葉的SPAD值，并統(tǒng)計(jì)各處理第3片真葉的鹽害指數(shù)，鹽害的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)參照Xiong[18]的進(jìn)行。以不加NaCl的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液為對(duì)照，設(shè)置3個(gè)重復(fù)，每重復(fù)有3個(gè)植株。

1.2.2 測(cè)定指標(biāo)1.2.2.1 生長(zhǎng)指標(biāo)及根系構(gòu)型參數(shù)

水培鹽脅迫5 d后，測(cè)量各品種的生長(zhǎng)指標(biāo)及根系構(gòu)型參數(shù)。植株基部到生長(zhǎng)點(diǎn)的距離為株高，根莖基部到最長(zhǎng)根的尖端為根長(zhǎng)。植株洗凈吸干表面水分后，從根莖基部剪段分為地上部和地下部，分別稱得鮮重，在烘干箱中120℃下殺青30 min，之后降溫到70℃烘干至恒重，分別稱得干質(zhì)量。

隨機(jī)選取各處理的幼苗3株，將根系小心從水培基質(zhì)中取出，迅速帶回實(shí)驗(yàn)室用濾紙吸干水分，通過(guò)Epson Expression掃描儀獲取完整根系圖像，然后采用 WinRHIZO Pro2009 根系形態(tài)結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)(Regent Instruments)分析各徑級(jí)( 軟件根據(jù)根系直徑自動(dòng)進(jìn)行分類)根系的長(zhǎng)度、表面積和體積等構(gòu)型參數(shù)。

1.2.2.2 生理指標(biāo)

從植株頂端從上往下選取第3個(gè)完全展開(kāi)葉，采用CIRAS-2型便攜式光合系統(tǒng)(PP Systems，Norfolk，UK)進(jìn)行測(cè)定細(xì)胞間CO2濃度(Ci)、凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和蒸騰速率(Tr)。在測(cè)定時(shí)，光合有效輻射通量為800 μmol/(m2·s)(內(nèi)置光源)，控制CO2濃度為380 μmol/mol，相對(duì)濕度75%，葉片溫度為25℃。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003和SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計(jì)分析，采用Graphpad Prism5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫對(duì)水培下不同甜瓜品種幼苗生長(zhǎng)特性的影響

研究表明,經(jīng)100 mM的NaCl脅迫之后，只有雜交伽師瓜的地上部鮮重和地下部鮮重與對(duì)照沒(méi)有明顯差異。其余8個(gè)品種經(jīng)鹽脅迫之后，苗期的地上干重和地下干重與對(duì)照相比都明顯減輕，差異顯著。老鐵皮的地上部鮮重比對(duì)照減輕81.05%，變化幅度最明顯，SKQ的地下部鮮重比對(duì)照減輕68.75%，降低幅度最大。9個(gè)品種的地上部干重與對(duì)照相比都差異不顯著，黃旦子、卡爾厚西和雜交伽師瓜3個(gè)品種的地下部干重與對(duì)照沒(méi)有明顯差異，其余品種差異顯著。表2

表2 水培下鹽處理下不同甜瓜品種幼苗生長(zhǎng)變化Table 2 The distribution of seedlings of different muskmelon varieties under salt

2.2 鹽脅迫對(duì)水培下不同甜瓜品種根系構(gòu)型的影響

研究表明,經(jīng)100 mM的鹽脅迫之后，9個(gè)甜瓜品種的根系總長(zhǎng)、根系表面積、平均直徑、根系體積、根尖數(shù)和根系分叉與對(duì)照相比大多數(shù)呈現(xiàn)不同程度下降，但鹽脅迫對(duì)根系參數(shù)的影響因品種而異。雜交伽師瓜的根系總長(zhǎng)、根系表面積、根系體積和根尖數(shù)的下降幅度始終低于其他8個(gè)品種，分別降低36.53%、26.63%、17.64%和41.04%。各品種根系的平均直徑與對(duì)照相比大部分差異不顯著，賽熱可口奇、炮彈瓜、雜交伽師瓜、老鐵皮和炮臺(tái)紅的平均直徑經(jīng)鹽脅迫之后增大。伽師瓜的根尖分叉數(shù)降低幅度最小，為36.72%。

根系是植物最先感受到鹽害的部位，也是最先對(duì)鹽害有反應(yīng)的部位。在100 mM的NaCl脅迫下，雜交伽師瓜的根系對(duì)脅迫反應(yīng)最小，表現(xiàn)出了較好的耐鹽性，賽熱可口奇對(duì)脅迫表現(xiàn)最敏感，各根構(gòu)型參數(shù)處理前后變化較大。表3

表3 水培下鹽處理下不同甜瓜品種根系構(gòu)型變化Table 3 Root architecture parameters of different melon varieties under salt stress

2.3 鹽脅迫對(duì)基質(zhì)栽培下不同甜瓜品種植株形態(tài)的影響

研究表明,用100 mM的NaCl脅迫之后，各個(gè)品種的根長(zhǎng)、株高、葉片數(shù)、等形態(tài)指標(biāo)均顯著降低，說(shuō)明鹽脅迫嚴(yán)重抑制了甜瓜植株的形態(tài)生長(zhǎng)。其中，雜交伽師瓜的根長(zhǎng)、株高、葉片數(shù)、根鮮重、莖鮮重和葉片鮮重較對(duì)照的下降幅度明顯低于其他8個(gè)品種，分別降低了15.42%、50.08%、44.52%、68.88%、59.77%和73.15%，黃旦子的各形態(tài)指標(biāo)減小幅度僅次于雜交伽師瓜。在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期，雜交伽師瓜和黃旦子的耐鹽性較其他幾個(gè)品種強(qiáng)。表4

表4 基質(zhì)栽培下鹽處理下不同甜瓜品種植株生長(zhǎng)變化Table 4 Changes of plant morphology and biomass of different melon varieties under salt stress

2.4 鹽脅迫對(duì)基質(zhì)栽培下不同甜瓜品種光合參數(shù)的變化

研究表明,NaCl脅迫可導(dǎo)致9個(gè)甜瓜品種的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)顯著下降。ZSG的Pn較對(duì)照降低幅度最小，降低了48.52%，K8-52的降低幅度最大，降低了80.93%。9個(gè)品種的Gs較對(duì)照降低極顯著，其中黃旦子的降低幅度最小，為52.75%，K8-52的降低幅度最大，降低了94.73%。但是賽熱可口奇、雜交伽師瓜和炮臺(tái)紅的Ci較對(duì)照變化不顯著，且PTH的Ci經(jīng)鹽脅迫后還上升了8.61%，其余品種較對(duì)照均降低。9個(gè)品種的Tr較對(duì)照也有顯著差異，其中黃旦子的Tr降低幅度最小，為63.93%，SKQ的降低幅度最大，為86.09%。從不同品種來(lái)看，雜交伽師瓜的Pn和Ci的下降幅度始終低于其余8個(gè)品種，黃旦子的Gs和Tr的下降幅度低于其余8個(gè)品種。圖1

2.5 SPAD含量及鹽害

研究表明，經(jīng)100 mM的NaCl脅迫之后，9個(gè)供試品種第3片真葉的葉綠素含量(SPAD)較對(duì)照均有所下降，第3片真葉均有鹽害表現(xiàn)。其中黃旦子和雜交伽師瓜的SPAD值處理前后差異不顯著，較對(duì)照分別降低了10.60%和5.86%，鹽害表現(xiàn)最輕，賽熱可口奇的SPAD值較對(duì)照降低幅度最大，為33.21%，鹽害變現(xiàn)最重。圖2

注：對(duì)照，的NaCl處理，NaCl stress of 100 mM；不同小寫(xiě)字母表示同一品種間處理與對(duì)照的差異顯著(P<0.05)1～9表示不同的甜瓜品種，分別是賽熱可口奇、黃旦子、卡爾孕西、阿克可口奇、炮彈瓜、雜交伽師瓜、伽師瓜和炮臺(tái)紅

注：對(duì)照，的NaCl處理，NaCl stress of 100 mM；不同小寫(xiě)字母表示同一品種間處理與對(duì)照的差異顯著(P<0.05)，Different small letters mean significant difference among treatments and control；1～9表示不同的甜瓜品種，分別是賽熱可口奇、黃旦子、卡爾孕西、阿克可口奇、炮彈瓜、雜交伽師瓜、伽師瓜和炮臺(tái)紅

3 討 論

鹽脅迫是影響植物生長(zhǎng)的主要環(huán)境因子。研究表明，鹽脅迫會(huì)嚴(yán)重抑制植物的生長(zhǎng)發(fā)育和生物量的積累，主要表現(xiàn)為植株生長(zhǎng)緩慢、葉面積明顯減小、根系生長(zhǎng)受阻、成熟葉片脫落造成光合能力下降最終導(dǎo)致生物量積累受限，果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育受阻[19-20]。與上述結(jié)果一致，研究也發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)100 mM的NaCl脅迫處理后，9個(gè)甜瓜品種的各形態(tài)指標(biāo)和生物量均明顯降低，說(shuō)明鹽脅迫抑制了甜瓜植株的生長(zhǎng)與生物量的積累，但各個(gè)品種對(duì)NaCl脅迫的敏感性和耐受性不同。進(jìn)一步分析表明，雜交伽師瓜(ZSG)和黃旦子(HDZ)的植株形態(tài)參數(shù)、根系構(gòu)型參數(shù)、光合參數(shù)的下降幅度最小，表現(xiàn)出了較強(qiáng)的耐鹽性。

植物的根系是吸收養(yǎng)分和水分的重要器官，也是最早感受到脅迫信號(hào)和最直接的受害部位[16]。植物根系的形態(tài)和分布首先是由自身的遺傳因素決定的，其次受土壤環(huán)境的制約[21]。根系在在土壤中的生長(zhǎng)受環(huán)境因素的影響具有可塑性，在逆境通過(guò)改變根系構(gòu)型參數(shù)來(lái)適應(yīng)不利的環(huán)境[22]。因此，根系的生長(zhǎng)發(fā)育狀況及對(duì)鹽脅迫的耐受程度對(duì)植物整體的耐鹽能力至關(guān)重要，評(píng)價(jià)每個(gè)甜瓜品種根系的耐鹽能力，對(duì)篩選和培育耐鹽品種具有重要意義。研究表明，根長(zhǎng)、根系表面積、平均直徑、根系分叉數(shù)和跟尖數(shù)等根系構(gòu)型參數(shù)可以反應(yīng)根系吸收水分和養(yǎng)分的能力[17]。Srinivasrao等研究表明，鹽脅迫可以抑制植物根系的伸長(zhǎng)和側(cè)根發(fā)育，使根系的長(zhǎng)度、表面積、根系體積等構(gòu)型參數(shù)下降[17,23]。但He和戈良朋的研究顯示，鹽脅迫能夠刺激植物側(cè)根的發(fā)生，根系通過(guò)擴(kuò)大生長(zhǎng)量來(lái)平衡鹽脅迫對(duì)根系功能的損傷，以此來(lái)維持植株地上部分正常的生長(zhǎng)發(fā)育[24-25]。研究結(jié)果表明，9個(gè)甜瓜品種苗期經(jīng)過(guò)鹽脅迫之后，根系的長(zhǎng)度、表面積、體積、根尖數(shù)和分叉數(shù)都有所降低，這與Srinivasrao[17]的研究結(jié)果一致。各品種根系的平均直徑與對(duì)照相比大部分差異不顯著，個(gè)別品種的根系平均直徑較對(duì)照有所增大，充分詮釋了當(dāng)植物受到鹽脅迫時(shí)，會(huì)通過(guò)擴(kuò)大根系的一些生長(zhǎng)量來(lái)平衡脅迫造成的損傷，努力維持植株的正常生長(zhǎng)發(fā)育，這與He[24]的研究結(jié)果一致。

光合作用是作物基本的生命活動(dòng)，包括一系列復(fù)雜的生理生化過(guò)程，尤其對(duì)外界環(huán)境條件(溫度、水分和鹽分等)的響應(yīng)更為敏感[18]。光合作用還是作物干物質(zhì)形成的重要代謝過(guò)程，是植物生命活動(dòng)的物質(zhì)和能量的主要來(lái)源[26]。有的研究結(jié)果表明，高鹽度脅迫下生長(zhǎng)的植物為了維持正常的生長(zhǎng)發(fā)育，一般來(lái)說(shuō)Gs都較低，而較低的Gs意味著植物從環(huán)境中吸收CO2的能力降低，光合碳同化作用降低[27]。郭麗麗等[28]的研究發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫下植物葉片的Gs、Pn和Ci均顯著下降，表明作物通過(guò)對(duì)自身Gs的調(diào)控來(lái)減少氣孔寬度和氣孔面積適應(yīng)NaCl脅迫。一般植株為了緩沖鹽分脅迫帶來(lái)的毒害作用，往往通過(guò)降低Tr來(lái)減緩鹽分的吸收利用[29]。研究表明，鹽脅迫降低植物光合效率的主要原因是部分氣孔關(guān)閉而導(dǎo)致光合反應(yīng)位點(diǎn)同化能力的下降所引起的[30]，氣孔限制通常會(huì)導(dǎo)致Ci降低，而非氣孔限制則會(huì)導(dǎo)致Ci升高[31]。研究中，經(jīng)NaCl脅迫25 d之后，各個(gè)甜瓜品種葉片Pn下降的同時(shí)，其Gs和Tr相應(yīng)下降，在鹽分脅迫下，甜瓜的光合作用能力受到抑制，而Ci較對(duì)照降低不明顯或者上升，這與其他植物研究結(jié)果一致，如張會(huì)慧等[32]。

研究中，經(jīng)鹽脅迫后，9個(gè)甜瓜品種第3片真葉的葉綠素含量較對(duì)照均有所下降，但是下降程度因品種而異，其中黃旦子和雜交伽師瓜的第3片真葉SPAD值下降幅度較小，鹽害也表現(xiàn)較輕。葉綠素是主要的光合色素，對(duì)于光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化有著重要的作用，其含量的高低在一定程度上可以衡量植物的抗逆性[33]。試驗(yàn)中每個(gè)甜瓜品種經(jīng)鹽脅迫后功能葉的葉綠素含量均降低，這可能是鹽脅迫破壞了葉片葉綠體的結(jié)構(gòu)，打破了葉綠素的合成和降解的平衡動(dòng)態(tài)[34]。而在植物細(xì)胞中，葉綠體是極為敏感的光合器官[35]，當(dāng)植物體受到鹽分脅迫后，植物體內(nèi)的葉綠體逐漸發(fā)生降解，進(jìn)而對(duì)葉綠體的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)性造成一定程度的損傷，最終導(dǎo)致葉綠體功能受阻，葉綠素含量降低[36]。

4 結(jié) 論

鹽脅迫抑制甜瓜幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育和物質(zhì)積累，影響根系的伸長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)，還可降低植株的光合效率，甚至破壞光合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。測(cè)定9個(gè)甜瓜品種在100 mM的NaCl脅迫下的生長(zhǎng)發(fā)育參數(shù)發(fā)現(xiàn)，各個(gè)品種的耐鹽能力差異較大，雜交伽師瓜和黃旦子2個(gè)品種耐鹽性較好，表現(xiàn)為耐鹽，炮彈瓜、阿克可口奇和賽熱可口奇為鹽敏感品種,其余品種表現(xiàn)為中等耐鹽。