鹽土條件下不同品系藜麥生理特性和產(chǎn)量指標對花期漬水脅迫的響應

晏軍，王偉義，費月躍，崔必波，時丕彪，馬萌萌，李斌，陳滿霞，李亞芳，顧閩峰

（江蘇沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)科學研究所新洋試驗站，江蘇鹽城 224049）

0 引言

【研究意義】藜麥（Chenopodium quinoaWilld）是一種原產(chǎn)于南美洲安第斯山脈莧（藜）科藜屬的一年生雙子葉草本植物，具有耐寒、耐旱、耐貧瘠、耐鹽堿等生理特性[1-2]。目前，世界各國對藜麥的關注越來越多，還因為藜麥具有非常高的營養(yǎng)價值[3]，聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）認為藜麥是唯一一種單體植物即可基本滿足人體營養(yǎng)需求的食物，并將2013年定為“國際藜麥年”[4]。因此，在我國農(nóng)業(yè)“轉方式、調(diào)結構”的大背景下，發(fā)展集營養(yǎng)、生態(tài)和經(jīng)濟價值于一體的藜麥產(chǎn)業(yè)，對于促進我國農(nóng)業(yè)種植結構調(diào)整、保障糧食安全方面具有廣泛的應用前景。

【研究進展】近年來，我國藜麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，2017年我國種植面積已達9 000 hm2，但產(chǎn)地主要集中在西北地區(qū)[5]。我國東部沿海地區(qū)，擁有大量灘涂資源，并還在逐漸增加[6]，由于藜麥具有高度耐鹽性，Jacobsen 等[2]研究發(fā)現(xiàn)在中度鹽脅迫條件下（10～20dS/m），藜麥的生物量、種子產(chǎn)量和收獲指數(shù)都比非鹽脅迫處理高。所以在濱海灘涂地區(qū)種植藜麥對于完善農(nóng)業(yè)結構、增加農(nóng)民收入、提高灘涂地利用率以及保持農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)多樣性等具有極其重要的現(xiàn)實意義。然而，在這一區(qū)域澇漬災害嚴重制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，每年4—9月是降雨的多發(fā)期，在此期間持續(xù)陰雨、多大雨和暴雨天氣，受平原微地形影響，農(nóng)田排水困難，導致藜麥生長期間容易受到澇漬脅迫[7-8]，引起植株發(fā)生一系列形態(tài)和生理特征變化，如植株總干質(zhì)量和葉面積減少，細胞膜脂過氧化作用加劇，體內(nèi)保護酶受損，光合速率降低，蒸騰作用減弱，籽粒結實率降低，充實度差等[11-12]。由于花期與梅雨期重合，導致藜麥開花結實期更易遭受漬水脅迫，這種負面影響比干旱脅迫更嚴重[9]，有研究指出藜麥對水分最敏感時期是灌漿期和開花期[10]。但是，不同品系、不同生育時期對水分脅迫的響應和防御效果均不同，田計均等[13]研究指出水澇脅迫對現(xiàn)蕾期藜麥影響較大，幼苗期和灌漿期藜麥對水分脅迫均表現(xiàn)出較強的耐受性；岳凱[14]研究指出5 個不同品系藜麥對干旱脅迫的耐受范圍及其適應能力表現(xiàn)為明顯的不同?！厩腥朦c】目前，針對鹽土環(huán)境下藜麥花期對漬水脅迫的耐逆性分析、耐漬品系篩選及排水調(diào)控方面的研究較少。【擬解決的關鍵問題】本研究探索在沿海灘涂地區(qū)藜麥花期遭受漬水脅迫的響應機制，為引進、選育適合沿海地區(qū)種植耐漬、耐澇優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的品種提供數(shù)據(jù)支撐，對沿海地區(qū)藜麥的推廣種植和產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

盆栽試驗于2019年在江蘇省鹽城市新洋農(nóng)業(yè)試驗站的沿海現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新與示范基地（34°28′ N，120°54′E）內(nèi)進行，該基地東臨黃海，為沿海灘涂地，屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫14℃，年降水總量100 cm，年平均日照時間2 200 h，無霜期210 d，海拔不足5 m；試驗基地土壤類型為濱海鹽土，土壤質(zhì)地為沙壤土，五點取樣法測得0～20 cm 土壤pH 值為8.2，干土含鹽量為3～4 g/kg，總氮量1.03 g/kg、銨態(tài)氮量6.07 mg/kg、硝態(tài)氮量8.79 mg/kg、速效磷量7.39 mg/kg、速效鉀212.1 mg/kg。

1.2 試驗材料

試驗材料為江蘇沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)科學研究所新洋試驗站從國內(nèi)外200 多份種質(zhì)資源中自主選育的4 個藜麥品系SL 21、SL 44、SL 24、SL 45，其中SL 21和SL 44 為高稈品系，SL 24 和SL 45 為矮稈品系，正常氣候條件下適合在本區(qū)域（土壤鹽分在3g/kg 左右）種植。試驗用盆為40 L（長、寬、高為48 cm×34 cm×25cm）長方體塑料箱，于塑料箱側面底部安裝1 個進出水閥門，盆內(nèi)裝基地大田0～20cm風干土25 kg，選取每品系幼苗株高基本一致的進行移栽，每盆定植4 個品系各1 株，共定植30 盆。每盆基施復合肥（N：15%，K2O：15%，P2O5：15%）10g，于顯穗期每盆追施尿素（N：46%）2g。

1.3 試驗設計

試驗采用大棚基質(zhì)育苗，于3月31日移栽入盆中，在主穗開花后（5月23日上午）進行漬水試驗，從30 盆中選取各品系長勢一致的24 盆作為試驗對象。漬水時間設3 個水平，分別為4、8 和12 d，每個處理重復6 次，把試驗盆栽放入長、寬、高為200 cm×60cm×40 cm 的淹水池中，保證水剛好淹沒過土壤表面，保持漬水期間土壤水分飽和度為100%，漬水結束后不再澆灌。以不漬水作為對照（CK），根據(jù)作物生長和需水情況用1 L 自來水正常澆灌，花期至成熟期共澆灌5 次。每個漬水時間結束后選取其中3 盆用于光合參數(shù)和生理指標的測定，另外3 盆用于產(chǎn)量構成和干物質(zhì)積累測定。

1.4 測定指標

1.4.1 生理指標測定

于漬水試驗結束時測定藜麥葉片的葉綠素（Chl）、丙二醛（MDA）、可溶性蛋白（SP）、可溶性糖（SS），采用浸提法（95%乙醇）測定劍葉的葉綠素（Chl）a、葉綠素b 的質(zhì)量濃度，硫代巴比妥酸（TBA）比色測定MDA 物質(zhì)的量濃度，考馬斯亮藍G-250 法測定SP量，蒽酮比色法測定SS 量，每個處理重復測3 次取平均值[15]。

1.4.2 光合指標與葉綠素熒光參數(shù)測定

于漬水試驗結束時的第2 天上午09:00－11:00 利用便攜式光合作用測定儀（LI-6400，USA）測定藜麥倒四葉凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Cs）和細胞間CO2摩爾分數(shù)（Ci）。光合儀設置為開放式氣路，CO2物質(zhì)的量濃度約為385 μmol/L 左右，選擇紅藍光源葉室，設定光合有效輻射（PAR）為1500 μmol/(m2·s)，每處理測定3 株，每次3 次重復。

利用 OS-5p 型脈沖調(diào)制葉綠素熒光儀（Opti-sciences，美國），在距藜麥倒4 葉葉尖1/2 處將葉片暗適應20 min，測定PSII 初始熒光（original fluorescence，F(xiàn)0）和最大熒光（maximum fluorescence，F(xiàn)m），計算潛在光化學活性（PSII potential photochemical activity，F(xiàn)v/Fo，F(xiàn)v/Fo=（Fm-Fo）/Fo）和PSII 最大光化學量子產(chǎn)量（PSIImaximum photochemicalquantum yield，F(xiàn)v/Fm，F(xiàn)v/Fm=（Fm-Fo）/Fm）。

1.4.3 產(chǎn)量與干物質(zhì)積累測定

在藜麥葉片80%枯黃進行收獲測產(chǎn)，分品系單獨統(tǒng)計每盆單株的株高、主穗長、分枝數(shù)以及分枝籽粒和主穗籽粒產(chǎn)量，然后統(tǒng)計每株的千粒質(zhì)量（g），每株分枝籽粒和主穗籽粒產(chǎn)量和作為每處理的實際產(chǎn)量（g）。單株干物質(zhì)量測定：將用于籽粒產(chǎn)量測定后的葉片和莖稈在105 ℃下殺青0.5 h，80 ℃烘12 h 至恒質(zhì)量后稱量。

1.5 統(tǒng)計分析

應用 DPS15.1 進行方差和回歸分析，利用Microsoft Excel 2016 作圖，采用LSD 法進行處理間多重比較。

2 結果與分析

2.1 藜麥花期漬水對丙二醛和葉綠素的影響

圖1、圖2 給出了漬水脅迫對藜麥葉片MDA、Chl(a+b)的影響（圖中同一品系柱圖不同小寫字母表示處理間差異顯著（P＜0.05）；下同。）。由圖2 可知，4 個品系Chl(a+b)量隨漬水時間的增加呈逐漸降低趨勢，除SL 44 外，其他3 個品系在漬水4 d 后Chl(a+b)量均顯著低于CK，除SL 24 外，與漬水8 d 相比，漬水天數(shù)12 dChl(a+b)量不再顯著降低；4 個品系MDA 物質(zhì)的量濃度（圖1）均隨漬水時間的增加而升高，且在漬水4 d 后均顯著高于CK，除SL 21 外，漬水天數(shù)每增加4 d，MDA 都顯著增加。

圖1 花期漬水后藜麥葉片MDAFig.1 MDAin leaves of quinoa after Waterloggingat flowering stage

圖2 花期漬水后藜麥葉片Chl(a+b)Fig.2 Chl(a+b)in leaves of quinoa after Waterloggingat flowering stage

2.2 藜麥花期漬水對可溶性蛋白與可溶性糖的影響

圖3、圖4 給出了漬水后各處理葉片中SP 與SS量，隨著漬水時間的增加，各品系藜麥葉片中的SP和SS 量均呈逐漸降低的趨勢。從質(zhì)量濃度降低相對比例可以看出，漬水對SS 量的影響大于SP 量；除SL 24 外，其他3 個品系在漬水達到8 d 時SP 量均顯著低于CK；除SL 45 外，其他3 個品系在漬水達到4 d時SS 量均顯著低于CK，在達到8 d 時SL 24 和SL45 SS 量降低幅度相對較大。

圖3 花期漬水后藜麥葉片SPFig.3 SPin leaves of quinoa after Waterloggingat flowering stage

圖4 花期漬水后藜麥葉片SSFig.4 SSin leaves of quinoa after waterlogging at flowering stage

2.3 藜麥花期漬水對光合特性的影響

表1 為花期漬水后藜麥葉片光合特性。由表1 可知，隨著漬水時間增加，凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2摩爾分數(shù)（Ci）和蒸騰速率（Tr）呈現(xiàn)下降趨勢，且漬水持續(xù)時間越長，下降趨勢越明顯。多重分析結果可得，4 個品系在漬水持續(xù)12d 時，Pn、Tr、Gs和Ci均顯著低于CK；SL 21 和SL44 在漬水4、8 d和12 d時Pn逐漸下降但處理間差異不顯著，在漬水12 d 時，SL 21、SL44、SL24 和SL 45 的Pn相較CK分別顯著降低26.2%、30.7%、36.6%和50.0%；SL 44 在漬水達到8 d 時Tr與CK 無顯著差異，在漬水12 d 時，SL 21、SL44、SL24 和SL45 的Tr相較CK 分別顯著降低32.0%、32.8%、41.2%和61.0%，Gs相較CK 分別顯著降低38.7%、41.4%、70.8%和70.1%，Ci相較CK 分別顯著降低11.3%、26.1%、17.1%和11.9%。表明藜麥花期遭受短期漬水脅迫不會顯著影響其光合特性，說明藜麥有一定耐逆性，但隨著漬水時間增加，對SL 24 和SL45 光合特性各參數(shù)的影響大于SL 21 和SL44。

表1 花期漬水后藜麥葉片光合特性Table 1 Photosynthetic characteristics in leaves of quinoa after waterlogging at flowering stage

2.4 藜麥花期漬水對葉綠素熒光動力學參數(shù)的影響

表2 為花期漬水后藜麥葉片葉綠素熒光動力學參數(shù)。由表2 可知，隨著漬水天數(shù)增加，PSⅡ的潛在光化學活性（Fv/Fo）和最大光化學量子產(chǎn)量（Fv/Fm呈下降趨勢，且漬水深持續(xù)時間越長，下降趨勢越明顯。多重分析結果可得，漬水4 d 不會顯著影響Fv/Fo和Fv/Fm；除SL 21 外，其他3 個品系在漬水12 d 后Fv/Fo和Fv/Fm顯著低于CK。由此表明，花期藜麥漬水12 d，PSⅡ反應中心結構發(fā)生顯著破壞，其潛在活性顯著降低，最終導致其光能轉化效率降低。

2.5 藜麥花期漬水對產(chǎn)量構成的影響

表3 為花期漬水對藜麥農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量構成，由表3 可知，隨著漬水時間增加，藜麥的單株地上部干物質(zhì)量、有效分枝數(shù)、單株主穗產(chǎn)量、單株分枝產(chǎn)量、單株總產(chǎn)量和千粒質(zhì)量均呈下降趨勢，單株主穗產(chǎn)量占總產(chǎn)量的65%以上。多重分析結果可得，漬水12 d對SL 21 和SL 24 的株高沒有顯著影響，而SL 44 和SL 45 顯著低于CK；除SL 21 外，SL 44、SL 24 和SL 45 在漬水8 d 時，單株地上部分干物質(zhì)量顯著低于CK；除SL 21 外，SL 44、SL 24 和SL 45 在漬水4 d 時，有效分枝數(shù)顯著低于CK，在漬水12 d 時，4 個品系均無有效分枝；4 個品系在漬水持續(xù)12 d 后，單株分枝產(chǎn)量降為0，在漬水8 d 后單株主穗產(chǎn)量和千粒質(zhì)量顯著低于CK；4 個品系在漬水4 d 時單株總產(chǎn)量均顯著低于CK，單株總產(chǎn)量的大小順序為SL 44＞SL 21＞SL 24＞SL 45，漬水12 d 后，SL 21、SL 44、SL 24 和SL 45 單株總產(chǎn)量相較CK 分別顯著降低81.3%、83.2%、77.7%和78.6%。

表2 花期漬水后藜麥葉片葉綠素熒光動力學參數(shù)Table 2 Fluorescence induction kinetic parameters in leaves of quinoa after waterlogging at flowering stage

表3 花期漬水后藜麥農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量構成Table 3 Agronomic characters and yield components of quinoa after waterlogging at flowering stage

2.6 排水指標探究

考慮天氣原因、農(nóng)田排水工程的使用效率及其相關費用等因素，以一定頻率（20%或10%）降水發(fā)生條件下可接受或者容許的減產(chǎn)水平，可作為選擇排水控制指標的依據(jù)。4 個品系相對產(chǎn)量與漬水天數(shù)的回歸關系如表4 所示，相關性均極顯著，優(yōu)化后的回歸關系如圖5 所示，以藜麥減產(chǎn)15%～20%（即Ry為80%～85%）作為排水控制標準，花期允許的漬水時間為3.2～4.1 d，在此期間及時采取排水措施。

表4 漬水時間與藜麥相對產(chǎn)量的關系分析Table 4 Regression analysis between waterlogging days and relative yield of quinoa

圖5 漬水時間與藜麥相對產(chǎn)量的優(yōu)化分析Fig.5 Optimizationanalysis between waterlogging days and relative yield of quinoa

3 討論

3.1 藜麥花期生理代謝指標對漬水脅迫的響應

MDA 作為膜脂過氧化程度的指標，可反映膜脂過氧化反應速率和膜的受損程度[16]。田計均等[13]研究表明，藜麥現(xiàn)蕾期遭受水澇脅迫48 h，MDA 能顯著增加，但其他時期無明顯變化，本研究表明，藜麥花期漬水4 d，MDA 物質(zhì)的量濃度顯著增加，并隨著漬水時間增加有持續(xù)顯著增加的趨勢，說明藜麥花期對漬水脅迫的逆境反應比較強，使藜麥產(chǎn)生了氧化脅迫，導致葉片細胞膜系統(tǒng)受損?？扇苄缘鞍鬃鳛橹匾臐B透調(diào)節(jié)物質(zhì)，可以起到調(diào)節(jié)細胞滲透壓，保護膜結構穩(wěn)定的功能，糖類是新陳代謝的基礎，植物體內(nèi)糖的質(zhì)量濃度越高，則新陳代謝越旺盛，其生命力就越強[17]。本研究表明，隨著漬水時間的增加，各品系藜麥葉片中的SP 量和SS 量均呈逐漸降低的趨勢，說明藜麥在遭受漬水脅迫是滲透調(diào)節(jié)平衡被打破，3個品系在漬水8 d 時SP 量均顯著低于CK，這與周琴等[18]在大豆上的研究相似。3 個品系在漬水達到4 d時SS 量均顯著低于CK，且隨漬水時間的增大，表明花期漬水不會導致葉片糖外運受阻但隨漬水時間的延長糖類合成受阻加重，這與楊長琴等[19]在棉花上的研究相反，可能原因是藜麥中的SS 量能夠在一定程度的逆境脅迫下調(diào)節(jié)植物細胞的滲透平衡，保持運輸通道的暢通，有研究指出[13]藜麥可以通過提高SS量來減少水分脅迫帶來的不利影響，但是長時間的漬水脅迫導致其生理系統(tǒng)嚴重破壞，從而會影響糖類物質(zhì)的合成。

3.2 藜麥花期光合特征和葉綠素熒光參數(shù)對漬水脅迫的響應

光合作用是衡量植物抗逆能力的重要指標之一[20-21]。本研究表明Chl(a+b)量隨漬水時間的增加呈逐漸降低趨勢，可能原因是漬水導致其葉綠體色素合成酶活性降低、葉綠素分解加速、葉綠體功能紊亂或結構受損等。葉綠素量的降低必然會影響光能的吸收、傳遞和轉化，隨著虧缺灌溉程度的加大，藜麥植株Pn、Tr、Gs均顯著降低[20]。在遭受漬水脅迫下也有相同表現(xiàn)，本研究中4 個品系藜麥隨著漬水時間增加，Pn、Tr、Gs和Ci均呈下降趨勢，這與在其他作物（小麥、油菜和棉花）上的研究結論[22-24]基本一致。葉綠素熒光參數(shù)的變化可以更好地反映出逆境下植物內(nèi)在光能利用激發(fā)能傳遞和光化學反應等光合作用過程[21,25]，在漬水12d 時，Pn、Tr、Gs和Ci顯著低于CK，除SL 21 外，其他3 個品系在漬水12 d 后Fv/Fo和Fv/Fm才顯著低于CK，而SL 21 和SL 44 在漬水4、8 d 和12 d 時Pn逐漸下降但處理間差異不顯著，漬水4 d 后不會顯著影響Fv/Fo和Fv/Fm，表明藜麥在適應逆境環(huán)境后，會有一定的耐受性，在耐逆閾值范圍內(nèi)光合作用不會受到顯著影響。但隨著漬水時間增加，SL 24 和SL 45 光合特性各參數(shù)和葉綠素熒光參數(shù)的下降趨勢大于SL 21 和SL 44。

3.3 藜麥花期漬水的產(chǎn)量響應及排水指標確定

本研究表明，SL 44、SL 24 和SL 45 在漬水8 d時，單株干物質(zhì)量顯著低于CK，原因可能是花期主要以生殖生長為主，長時間漬水脅迫會影響物質(zhì)吸收轉運，進而導致地上部干物質(zhì)積累降低。姚有華等[20]研究表明，充分灌溉下藜麥的有效分枝數(shù)均高于虧缺灌溉處理，但虧缺灌溉處理有利于有效分枝數(shù)的形成。本研究表明漬水脅迫會導致有效分枝數(shù)減少，在漬水12 d 時，4 個品系有效分枝數(shù)為0，可能原因是藜麥開花期不一致，本試驗主要以主穗開花為標準開始漬水，而此時大部分分枝開花期不一致，當漬水時間延長，分枝營養(yǎng)供應不夠，就會嚴重影響分枝開花與灌漿。在產(chǎn)量形成上，主穗產(chǎn)量占總產(chǎn)量的65%以上，4 個品系在漬水4 d 時單株總產(chǎn)量均顯著低于CK，漬水8 d 后4 個品系的千粒質(zhì)量顯著低于CK，漬水12 d后SL 21、SL 44、SL 24 和SL 45 單株總產(chǎn)量相較CK分別顯著降低81.3%、83.2%、77.7%和78.6%。表明漬水脅迫會嚴重影響藜麥分枝灌漿結實，同時灌漿不充分導致千粒質(zhì)量降低，使得總產(chǎn)量降低明顯。研究[26]表明，通過輕度虧缺灌溉對藜麥單穗粒質(zhì)量、單株粒質(zhì)量和千粒質(zhì)量的形成有積極促進作用，所以在沿海地區(qū)引進藜麥種植，要選擇地勢相對較高、排水條件好的農(nóng)田。作物在遭受田間漬水后，及時排水是關鍵，若以減產(chǎn)15%～20%（即Ry為80%～85%）作為排水控制標準，楊威等[27]研究表明油菜花期允許田間漬澇為4.7～6.2 d，本研究表明藜麥花期允許的漬水時間為3.2～4.1 d，在此期間可及時采取排水措施。

4 結論

1）隨著漬水時間的增加，4 個品系藜麥葉片的MDA 物質(zhì)的量濃度呈增加趨勢，Chl(a+b)、SP、SS、光合指標參數(shù)（Pn、Tr、Gs、Ci）和葉綠素熒光參數(shù)（Fv/Fo、Fv/Fm）均呈降低趨勢。漬水12 d 后，4 個品系的各項生理指標均顯著低于CK。

2）在產(chǎn)量構成上，4 個品系在漬水4 d 后單株總產(chǎn)量均顯著降低，產(chǎn)量高低表現(xiàn)為SL 44＞SL 21＞SL 24＞SL 45，在漬水8 d 后主穗產(chǎn)量和千粒質(zhì)量顯著低于CK，漬水12 d 后，分枝產(chǎn)量絕收。

3）SL 44 的耐漬性相對較好，若在花期遭遇澇漬災害，以藜麥減產(chǎn)15%～20%作為排水控制標準，允許的漬水時間為3.2～4.1 d。