鹽脅迫對玉米毛狀根植株根系及光合作用的影響

張曉婷 劉培源 田媛

摘要：為探討鹽脅迫對玉米毛狀根的影響以及其自身耐鹽性生理機(jī)制，以玉米毛狀根再生植株幼苗為材料，采用25 mmol/L氯化鈉溶液施加到1/2 Hoaglands營養(yǎng)液的水培處理方法，利用WinRHIZO 根系掃描分析系統(tǒng)以及 CIRAS-3 型便攜式光合作用儀，通過測定玉米的根系指標(biāo)和光合指標(biāo)，確定玉米毛狀根再生植株的耐鹽性。結(jié)果表明，在正常水培條件下，玉米毛狀根各項(xiàng)根系指標(biāo)與光合參數(shù)均高于對照組（吉單35自交系），其中根尖數(shù)與水分利用效率差距較大，分別高出73.33%、27.99%，而總根長與總投影面積分別比對照組高16.64%、20.86%，氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率與凈光合速率分別比對照組高12.03%、11.71%、20.24%;鹽脅迫下其總根長、總投影面積和根尖數(shù)分別比對照組高69.20%、51.98%、34.37%;氣孔導(dǎo)度、凈光合速率、蒸騰速率和水分利用效率分別比對照組高12.57%、12.83%、30.55%、18.63%。研究表明，玉米毛狀根再生植株具有強(qiáng)大的根系，側(cè)根發(fā)達(dá)，水分利用效率增加，且在鹽脅迫情況下仍能保持良好的根系生長和光合能力。

關(guān)鍵詞：玉米毛狀根;鹽脅迫;根系;光合作用;耐鹽性

中圖分類號(hào)：S513.01 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2020）15-0095-04

玉米（Zea mays L.）屬于非鹽生植物，是我國第一大糧食作物[1]，種植面積廣泛[2]。玉米是人類消耗最大的糧食作物，而且也是生產(chǎn)飼料的主要原料[3]。我國的糧食安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展也主要由玉米的產(chǎn)量決定，所以玉米在農(nóng)業(yè)種植領(lǐng)域倍受青睞，對玉米的研究也就成為農(nóng)業(yè)研究中的重點(diǎn)項(xiàng)目之一。

土壤鹽漬化是當(dāng)今農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的常見問題[4]。鹽脅迫包括離子毒害、生長抑制、滲透脅迫等[5]。鹽離子能夠使細(xì)胞脫水，影響其生理功能[6]。當(dāng)土壤中鹽分含量過高時(shí)，植物會(huì)受到脅迫傷害。土壤鹽漬化的危害主要會(huì)使農(nóng)作物產(chǎn)量降低甚至絕收，不可用的土地大幅度增加，土地的耕種面積減小[7]。2019年Salachna等研究了寡聚結(jié)聚糖緩解鹽脅迫對紅色紫蘇的影響[8]。Guo等探討了轉(zhuǎn)錄因子對二倍體棉花鹽脅迫的響應(yīng)[9]。近年來，植物自身的耐鹽機(jī)制逐漸成為現(xiàn)代研究植物抗鹽性的熱點(diǎn)。

本試驗(yàn)選用的植物是筆者所在實(shí)驗(yàn)室的玉米毛狀根再生植株，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。徐洪偉等在添加乙酰丁香酮條件下，以發(fā)根農(nóng)桿菌誘導(dǎo)玉米愈傷組織，誘導(dǎo)出玉米毛狀根再生植株，并研究發(fā)現(xiàn)，玉米毛狀根植株在水分脅迫下，其蒸騰速率、光合速率等均較高，可以保證植株在發(fā)育過程中具有充足的水分、較強(qiáng)的光合能力[10-13]。Runo 等研究發(fā)現(xiàn)，獨(dú)腳金屬（Striga）植物寄生了玉米的轉(zhuǎn)基因毛狀根，并提供了研究植物與植物相互作用的工具[14]。未曉巍等進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，毛狀根再生植株經(jīng)過水分脅迫后，各項(xiàng)生長參數(shù)和生理生化指標(biāo)都高于對照，差異顯著[15-16]。徐洪偉等研究發(fā)現(xiàn)，毛狀根植株的根系龐大，氮元素的吸收效果好，可以提高光合能力[17]。由于毛狀根具有較強(qiáng)的根系系統(tǒng)，生長迅速，為深入研究玉米毛狀根再生植株耐鹽機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。本研究通過對玉米毛狀根植株的根系及光合系數(shù)的分析，探討玉米毛狀根再生植株的耐鹽能力。

1 材料與方法

1.1 植物材料

玉米毛狀根再生植株，由發(fā)根農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化玉米自交系吉單35產(chǎn)生，筆者所在實(shí)驗(yàn)室具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán);對照組為玉米自交系吉單35，來源于吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院。

1.2 培養(yǎng)液組成

試驗(yàn)水培液為1/2 Hoaglands營養(yǎng)液。

1.3 植物培養(yǎng)方法

采用水培培養(yǎng)，選擇大小均勻的玉米種子，經(jīng)10% 次氯酸鈉溶液消毒10 min，用水沖洗5次，培養(yǎng)箱中培養(yǎng)至露白后置于室溫下。培養(yǎng)至2葉1心期時(shí)，精選生長狀態(tài)相似的幼苗，去胚乳，移至pH值為6.0的1/2 Hoaglands營養(yǎng)液中培養(yǎng)。待生長到5葉期時(shí)，以25 mmol/L濃度的氯化鈉溶液施加到營養(yǎng)液中，脅迫2 d。對2種不同處理（T1：正常培養(yǎng)，T2：鹽脅迫）的玉米植株進(jìn)行后續(xù)測定。

1.4 主要儀器設(shè)備

WinRHIZO 根系掃描分析系統(tǒng)（Regent，加拿大），CIRAS-3型便攜式光合作用儀（PP Systems，英國）。

1.5 玉米根系形態(tài)學(xué)指標(biāo)測定

玉米根系形態(tài)學(xué)指標(biāo)利用 WinRHIZO 根系掃描儀測定。用剪刀從軸根基部將玉米的軸根剪下，分別洗滌不同處理的2種玉米根系，再將樣品置于掃描儀上。然后用儀器配帶的遮光板全部覆蓋住根盤，進(jìn)行根系全景掃描。待掃描完成以后，再通過WinRHIZO圖像查看軟件，將閾值調(diào)到最佳效果。通過軟件的系統(tǒng)分析可獲得總投影面積、總根長、根尖數(shù)等指標(biāo)。

1.6 玉米葉片光合指標(biāo)測定

利用CIRAS-3型便攜式光合作用儀對玉米葉片的光合指標(biāo)進(jìn)行測定。

1.7 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 22.0和SigmaPlot 12.5分別對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性分析及繪制作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫下玉米植株根系總根長的變化

本試驗(yàn)采用水培方法培養(yǎng)玉米植株，待植株生長到5葉期時(shí)，對其根系指標(biāo)進(jìn)行測定，經(jīng)分析得到根系形態(tài)學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)。主根的根系主要是傳導(dǎo)、輸送營養(yǎng)和防止倒伏的作用。由圖1-a可知，在正常水培條件下，玉米毛狀根與對照組總根長差異顯著（P<0.05）。對照組植株在鹽脅迫下比正常情況下低38.27%，且差異顯著（P<0.05）。鹽脅迫情況下，玉米毛狀根植株比對照組高69.20%，且差異顯著（P<0.05）。說明玉米毛狀根植株的耐鹽性高于對照組植株。而玉米毛狀根植株在正常情況下與鹽脅迫情況下差異不顯著，說明玉米毛狀根植株自身根系優(yōu)良，總根長較長。且正常處理下的對照組植株與鹽脅迫下玉米毛狀根植株差異顯著（P<0.05），說明毛狀根雖受到鹽脅迫影響，但形態(tài)學(xué)指標(biāo)仍較高，表明玉米毛狀根再生植株的耐受性較強(qiáng)，可以抵抗鹽脅迫帶來的傷害。

2.2 鹽脅迫下玉米毛狀根再生植株根系總投影面積的變化

根系表面積增加能擴(kuò)大與土壤的接觸面積，有助于植物根系獲取較多水分，滿足自身需要。如圖1-b所示，在正常水培條件下，玉米毛狀根總投影面積比對照組高20.86%，但差異不顯著。對照組植株在鹽脅迫下比正常情況下低32.55%，說明鹽脅迫對玉米植株根系傷害較強(qiáng)。而玉米毛狀根植株在正常情況與鹽脅迫情況下差異不顯著，而在鹽脅迫下，玉米毛狀根比對照組高51.98%，說明玉米毛狀根耐鹽性高于對照組。同時(shí)，鹽脅迫處理下的毛狀根植株根系總投影面積仍高于對照組根系，毛狀根植株比對照組高2.52%，且差異不顯著，說明毛狀根植株雖受到鹽脅迫影響，但仍然有較強(qiáng)的抗逆性，可以保持良好的根系發(fā)育。

2.3 鹽脅迫下玉米毛狀根再生植株根系根尖數(shù)的變化

根尖數(shù)能夠反映根系的生長活力及側(cè)根數(shù)。如圖1-c所示，在正常水培條件下，玉米毛狀根的根尖數(shù)比對照組高73.33%，且差異顯著（P<0.05），說明玉米毛狀根再生植株自身根系優(yōu)良，根尖數(shù)多，分枝茂盛。對照組植株在鹽脅迫下比正常情況下降低1.04%，且差異顯著（P<0.05）。而玉米毛狀根植株在鹽脅迫情況下比正常情況下降低23.28%，差異顯著（P<0.05），說明在同等脅迫情況下，玉米毛狀根植株比對照組植株的抗逆性更強(qiáng)。在鹽脅迫處理下，玉米毛狀根比對照組高34.37%，且差異顯著（P<0.05）。說明在同等脅迫下，轉(zhuǎn)化組植株仍然比對照組有較高的形態(tài)學(xué)指標(biāo)。且鹽脅迫處理下的玉米毛狀根根尖數(shù)仍高于正常處理的對照組根系，玉米毛狀根比正常對照組高32.99%，差異顯著（P<0.05）。以上結(jié)果表明玉米毛狀根植株生長活力較強(qiáng)，側(cè)根較多，能夠在鹽脅迫下抵抗其帶來的損害。

2.4 鹽脅迫條件下玉米毛狀根再生植株光合生理指標(biāo)的變化

玉米植株的氣孔導(dǎo)度（Gs）變化如圖2-a所示，在不同處理下，毛狀根的氣孔導(dǎo)度均高于對照。鹽脅迫明顯降低了玉米植株的氣孔導(dǎo)度，鹽脅迫的試驗(yàn)組和對照組與正常對照組相比分別降低37.50%、29.66%，且差異顯著（P<0.05），說明鹽脅迫導(dǎo)致玉米植株氣孔關(guān)閉以減少對二氧化碳的獲取從而影響光合作用。

玉米植株的凈光合速率（Pn）變化如圖2-b所示，毛狀根再生植株的凈光合速率在不同處理下均高于對照組，這表明玉米毛狀根再生植株的光合能力較強(qiáng)，能在逆境下較好地積累有機(jī)物以供植株正常的生長發(fā)育。

蒸騰速率（E）體現(xiàn)的是植株在蒸騰時(shí)所需的水分的多少，蒸騰速率的變化如圖2-c所示，在正常水培條件下，玉米毛狀根比對照組高11.71%，表明在正常水培條件下毛狀根植株蒸騰速率高于對照組植株;在鹽脅迫條件下，毛狀根再生植株和對照組植株蒸騰速率與正常對照相比，分別降低39.69%、21.26%，且差異顯著（P<0.05），可見鹽脅迫對玉米植株的蒸騰速率具有較大的影響，但毛狀根再生植株蒸騰速率仍高于對照組，說明玉米毛狀根再生植株蒸騰速率優(yōu)于對照組。

玉米植株的水分利用效率（WUE）變化如圖 2-d 所示，在正常水培條件下毛狀根再生植株比對照組植株高27.99%，說明毛狀根再生植株在正常水培條件下水分利用效率高于對照組植株。在進(jìn)行鹽脅迫時(shí)，毛狀根植株和對照組與正常對照相比，分別升高21.39%、2.33%?？梢娫邴}脅迫下玉米植株水分利用效率升高，而水分利用效率與干物質(zhì)的積累有關(guān)，在逆境條件下，毛狀根再生植株水分利用效率要比對照組植株高。

3 討論與結(jié)論

3.1 玉米毛狀根再生植株根系的耐鹽性分析

植物根系的生理特性可以用來研究植物抗逆性。在正常處理下，毛狀根植株總根長等各項(xiàng)根系形態(tài)學(xué)指標(biāo)均明顯高于對照組，說明玉米毛狀根再生植株具有根系發(fā)達(dá)、粗壯等特點(diǎn)。而在鹽脅迫時(shí)，毛狀根植株與其對照品系吉單35的總根長、總投影面積、根尖數(shù)等均降低，說明根系對鹽脅迫反應(yīng)敏感。雖然毛狀根植株根系也受鹽脅迫影響較大，各項(xiàng)指標(biāo)都有一定的變化，但是，毛狀根再生植株在鹽脅迫下根系的各項(xiàng)指標(biāo)仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其對照品系的指標(biāo)，總根長、總投影面積、根尖數(shù)等指標(biāo)差異明顯。鹽脅迫對玉米植株根系影響較大，但毛狀根植株在鹽脅迫下根系形態(tài)學(xué)指標(biāo)仍然較好，表明毛狀根再生植株耐受性強(qiáng)。玉米毛狀根具有節(jié)根分節(jié)較多、側(cè)根發(fā)達(dá)、根系構(gòu)型豐富、根系發(fā)達(dá)等特點(diǎn)，可抵抗鹽脅迫帶來的傷害，具有較好的耐鹽性。

3.2 鹽脅迫下玉米植株光合特征的影響

太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能需要植物進(jìn)行光合作用，產(chǎn)生的能量供給地球上所有生物[18]。植物生長等也都與光合作用有關(guān)，因此可以通過測定植物在脅迫時(shí)的光合作用，來探討其生長和抗逆性。本試驗(yàn)中鹽脅迫下玉米毛狀根再生植株和對照組植株葉片的氣孔導(dǎo)度均降低，表明其光合速率的降低主要是由于鹽脅迫引起滲透，氣孔閉合，二氧化碳進(jìn)入葉片細(xì)胞內(nèi)后，擴(kuò)散能力降低，此觀點(diǎn)與前人的研究結(jié)論[19]一致。此外氣孔導(dǎo)度降低，植物的蒸騰失水就會(huì)降低，鹽脅迫下毛狀根再生植株的氣孔導(dǎo)度降低幅度低于對照組，說明毛狀根再生植株的保水能力強(qiáng)，進(jìn)而說明毛狀根再生植株的耐鹽性強(qiáng)。在測定蒸騰速率和水分利用效率過程中，鹽脅迫條件下，水分散失，導(dǎo)致水分利用效率升高，干物質(zhì)積累量提高[20] 。在整個(gè)抗逆境過程中，玉米毛狀根再生植株的蒸騰速率和水分利用效率均高于對照組植株，說明玉米毛狀根再生植株在逆境條件下的光合能力優(yōu)于對照組植株。綜上所述，玉米毛狀根的這些特性，可以導(dǎo)致玉米毛狀根失水少，提高物質(zhì)積累，毒害離子吸收少，所以毛狀根玉米植株具有更強(qiáng)的耐鹽性。

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