耐鹽和鹽敏感型小麥品種對NaCl脅迫的生理響應及耐鹽性差異

豆昕桐,王英杰,王華忠,岳潔瑜

天津師范大學, 天津市動植物抗性重點實驗室,天津 300387

土壤鹽堿化已經(jīng)成為全球主要的環(huán)境壓力,導致作物產(chǎn)量和質(zhì)量下降,農(nóng)田退化和耕地流失, 據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署估計,世界上約9%—34%的灌溉土地受到鹽堿化的不利影響。據(jù)估計,到2050年,全球50%以上的耕地可能鹽堿化,此外,由于綠洲擴張和大面積土地復墾等類活動的作用,大約3200萬hm2的旱地和6000萬hm2的灌溉地受到人為土壤鹽堿化的影響,表層土壤鹽堿化已經(jīng)導致了嚴重的環(huán)境退化,對社會和經(jīng)濟產(chǎn)生了重大的影響[1-2]。鹽脅迫對植物生長發(fā)育造成危害體現(xiàn)在植物根系滲透勢降低和離子過剩造成的水分虧缺,最終導致細胞穩(wěn)態(tài)失衡和細胞死亡,此過程伴隨植物體內(nèi)活性氧(reactive oxygen, ROS)應急累積,從而影響植物的生理機能和正常的生長發(fā)育[3-4]。為了適應鹽漬化的生活環(huán)境,植物會激活滲透作用、光合作用和呼吸代謝、激素分布、離子分布、活性氧清除等多種生理生化機制, 以應對鹽脅迫。

不同植物耐鹽能力取決于其遺傳和生理生化特性以及鹽處理濃度和時間。有研究表明植物耐鹽性與植株對K+、Ca2+和Na+的選擇性運輸能力以及 K+/Na+和Ca2+/Na+的保持能力有關,同時植物對土壤中礦質(zhì)元素的吸收和運轉(zhuǎn),進而影響光合作用,導致PSⅡ 的活性降低[5-7]。植物在進化中形成了一系列應對NaCl脅迫效應的抗氧化酶系統(tǒng)。植物體內(nèi)的主要抗氧化酶包括過氧化氫酶(catalase, CAT)、過氧化物酶(peroxidase, POD)等,這些酶可以清除ROS,減輕ROS過量累積對細胞膜的傷害, 進而減緩NaCl脅迫對植物的傷害[8]。陳琳等研究兩種蘆葦對鹽脅迫的生理生態(tài)響應差異中,發(fā)現(xiàn)潮灘蘆葦比河灘蘆葦根系具有更高的排 Na+能力,且抗氧化酶活性較高,表明潮灘蘆葦耐鹽性更高[9]。賴弟利等人研究不同濃度NaCl脅迫下,燕麥幼苗耐鹽性與生理生化指標的相關性,發(fā)現(xiàn)葉綠素含量、過氧化物酶活性與燕麥幼苗耐鹽性呈正相關,丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量與幼苗耐鹽性呈負相關[10]。García等發(fā)現(xiàn)鹽脅迫下耐鹽性不同的洋蔥葉片和根中的超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、CAT、谷胱甘肽還原酶(glutathione reductase, GR)等抗氧化酶活性不同,耐鹽性較強的洋蔥中抗氧化酶活性較高[11]。研究不同植物對鹽脅迫的抗逆機理能為有效利用鹽漬化土地提供理論支持。

目前關于小麥耐鹽性研究已取得了一些進展。Loutfy等研究結果表明鹽分降低了小麥葉片相對含水量、光合色素含量,除Na+顯著增加外,Ca2+、Mg2+都有所降低[12]。馮鞏俐等通過測定不同濃度鹽處理下‘隴春27號’和‘隴春30號’小麥幼苗的光合色素含量及光合作用參數(shù),證明不同NaCl濃度對小麥影響不同,低濃度鹽可通過提高兩種小麥幼苗的光合特性促進其生長,而高濃度鹽對兩種小麥都有一定影響,隴春30號鹽適應能力強,耐鹽性更高[13]。Zeeshan等利用耐鹽性進行了溫室水培試驗,結果表明鹽處理后不同品種小麥根系和葉片中SOD、POD、CAT、GR等抗氧化酶活性隨鹽處理時間的延長發(fā)生顯著變化[1]。盡管小麥耐鹽性已取得前述一些進展,但對于小麥苗期內(nèi)生理響應及不同小麥品種耐鹽性差異的相關綜合研究還較少。而且不同小麥品種對鹽脅迫的響應機制不同,解析不同品種小麥的耐鹽生理機制,對指導不同地區(qū)的小麥品種選擇有一定的現(xiàn)實意義。本研究以前期篩選的兩個對鹽脅迫敏感性不同的小麥品種(耐鹽的濟麥22和鹽敏感的河農(nóng)6425)為材料,通過比較不同濃度NaCl脅迫下,兩個品種小麥幼苗生長、活性氧含量,Na+、K+、Ca2+含量、葉綠體熒光參數(shù)、丙二醛,抗氧化酶活力的變化及差異,探究兩個品種耐鹽性不同的生理機制,旨在解析小麥響應鹽脅迫的生理機制,闡明不同品種耐鹽性的生理差異,為耐鹽小麥的選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試的小麥品種為濟麥22和河農(nóng)6425。濟麥22為耐鹽品種,該品種屬半冬性中晚熟品種,生育期231 d,高產(chǎn)、多抗的優(yōu)質(zhì)中筋的小麥。河農(nóng)6425為鹽敏感品種,該品種屬冬性中早熟品種,生育期249 d,抗倒性較強。

1.2 方法

1.2.1小麥幼苗培養(yǎng)與NaCl處理

選取健康無損傷、飽滿的種子,浸種48 h 后催芽。選取芽長一致的種子放置于鋪有兩層紗布的培養(yǎng)盆中,使紗布始終保持濕潤室溫下培養(yǎng),間隔12 h換一次水,小麥生長至一葉一心期時將蒸餾水換成1/10 Hoagland營養(yǎng)液繼續(xù)培養(yǎng),待小麥生長到兩葉一心期時,從中選取生長一致的小麥幼苗平均分組,每組45顆苗,進行鹽脅迫處理,NaCl 脅迫的終濃度分別為0、50、100、200 mmol/L,每處理重復3次。為避免鹽激效應,處理第一天開始每天分別以25 mmol/L的NaCl濃度梯度逐天遞增,直至達到設計的鹽濃度。實驗期間每天補充蒸餾水至刻度處,每3 d更換一次營養(yǎng)液,在脅迫第0、1、3、6、9、12 d分別剪取小麥葉片和根部新鮮樣本立即進行各項指標的測定。

1.2.2小麥幼苗形態(tài)觀察及生長參數(shù)測定

在NaCl處理小麥幼苗期間,每天觀察兩個品種小麥幼苗生長狀況,兩個品種小麥幼苗在不同NaCl脅迫下有明顯差異時,用直尺測量株高、葉長、最長根長等生長指標,并用株高、葉長、最長根長計算耐鹽指數(shù)后用數(shù)碼相機拍照。

1.2.3Na+、K+、Ca2+含量的測定

NaCl脅迫處理小麥幼苗9 d后,分別收獲對照組和實驗組小麥幼苗的地上(莖和葉片)和地下部分(根),先后用自來水、蒸餾水、去離子水沖洗干凈,晾干表面水分,至于烘箱中108℃殺青15 min后80℃烘干至恒重,分別稱量干重后研磨至粉末狀態(tài)。粉末用濃硝酸微波消解后,用電感耦合等離子發(fā)射光譜法(ICP—AES)(Leeman Labs INC,New Hampshire,USA)測定Na+、K+、Ca2+在小麥幼苗地上部分和地下部分器官中的積累量。每個樣品重復測3次。

1.2.4葉綠體熒光參數(shù)的測定

利用雙通道調(diào)制葉綠素熒光儀(Dual—PAM—100,上海澤泉科技股份有限公司)測定小麥幼苗第二葉的葉綠體熒光參數(shù),每個處理測量至少4株。葉片暗適應20 min后,測量小麥葉片PSⅡ 最大光化學效率(Fv/Fm),PSⅡ 潛在光化學效率(Fv/Fo),PSⅡ 實際光化學量子效率(YⅡ),光化學猝滅系數(shù)(qP),光照強度為1000 μmol m-2s-1。

1.2.5MDA含量的測定

小麥幼苗的MDA含量測定采用硫代巴比妥酸(thiobarbituric acid, TAB)法測定(試劑盒購自南京建成生物工程研究所),反應混合液通過酶標儀(Infinite M200 Pro)測定波長530 nm下各樣品吸光值,計算得出MDA含量。

1.2.6H2O2含量的測定

小麥幼苗的H2O2含量采用硫酸鈦比色法進行測定(試劑盒購自南京建成生物工程研究所),反應混合液在405 nm下通過紫外分光光度計(UVmini—1240)測定吸光值,計算得出H2O2活力。

1.2.7二氨基聯(lián)苯胺(diaminobenzidine, DAB)染色

截取小麥的根部(帶根尖),浸沒于0.1 mg/mL的DAB染液中,25℃避光染色至各個處理樣本有明顯差異,用蒸餾水沖洗干凈終止染色,之后保存于甘油保存液待用。截取小麥葉片,浸于DAB染液中,抽真空30 min后避光染色。染色后的葉片放到卡諾試劑中進行固定,再將葉片放入90% 酒精中水浴脫色至葉片呈無色,之后放入甘油保存液中待用。用體視顯微鏡(Nikon C—fled2)對染色后的根和葉進行觀察拍照。

1.2.8氯化硝基四氮唑藍(nitrotetrazolium blue chloride, NBT)染色

取小麥的根部(帶根尖),浸沒于0.5 mg/mL的NBT染液中,25℃避光染色至各個處理樣本有明顯差異,用蒸餾水沖洗干凈終止染色,之后保存于甘油保存液待用。取小麥葉片,浸于DAB染液中,抽真空20 min后避光染色至兩端切口處被染成藍色。再放到卡諾試劑中進行固定,接著放入90% 酒精中水浴脫色至葉片呈無色,之后放入甘油保存液中待用。用體視顯微鏡(Nikon C—fled2)對染色后的根和葉進行觀察拍照。

1.2.9POD活力測定

小麥幼苗的POD活力采用愈創(chuàng)木酚法進行測定(試劑盒購自南京建成生物工程研究所),反應混合液在420 nm下通過紫外分光光度計(UVmini—1240)測定吸光值,計算得出POD活力。

1.2.10CAT活力的測定

小麥幼苗的CAT活力測定采用 H2O2法進行測定(試劑盒購自上海優(yōu)選生物科技有限公司),反應混合液在240 nm下通過紫外分光光度計(UVmini—1240)測定吸光值,計算得出CAT活力。

1.3 實驗數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Excel 2016軟件對實驗數(shù)據(jù)進行處理并作圖,SPSS 22.0軟件進行統(tǒng)計分析,用LSD法進行多因素分析,檢查數(shù)據(jù)間的顯著性。全文數(shù)據(jù)表示為均值及標準誤。

利用株高,葉長和最長根長等指標比較濟麥22和河農(nóng)6425的耐鹽性,參考尚玥等[5]和肖宇等[14]研究不同小麥品種對鹽脅迫的適應性差異所用的公式計算各指標耐鹽指數(shù)、ΔK+/Na+和ΔCa2+/Na+。具體計算公式如下：

耐鹽指數(shù)=(處理組性狀增加值/對照組性狀增加值)×100%

ΔK+/Na+= (K+/Na+) 0 mmol/L NaCl-(K+/Na+) 200 mmol/L NaCl

ΔCa2+/Na+= (Ca2+/Na+) 0 mmol/L NaCl-(Ca2+/Na+) 200 mmol/L NaCl

2 結果與分析

2.1 不同濃度NaCl處理對小麥幼苗生長的影響

與對照組相比,NaCl處理后的小麥株高、葉長和最長根長均變短(圖1—2), 且隨著NaCl處理濃度的增加,對小麥幼苗的抑制效果越明顯。相同情況下,濟麥22的生長情況較河農(nóng)6425好。200 mmol/L NaCl處理第9 d時,河農(nóng)6425趨近于死亡,而濟麥22生長較好。

圖1 不同濃度NaCl脅迫9 d后小麥幼苗的生長情況Fig.1 Growth of wheat seedlings under NaCl stress at different concentrations for 9 days

耐鹽指數(shù)是對鹽處理和對照組的綜合分析指標[14]。50、100、200 mmol/L 的NaCl脅迫小麥幼苗9 d時,濟麥22的株高耐鹽指數(shù)分別為64.73%、35.27%、17.09%；河農(nóng)6425的株高耐鹽指數(shù)分別為67.51%、24.93%、6.44%,濟麥22的葉長耐鹽指數(shù)分別為69.04%、8.63%、4.06%；河農(nóng)6425的葉長耐鹽指數(shù)分別為66.67%、6.17%、2.88%,濟麥22的最長根長耐鹽指數(shù)分別為171.51%、128.49%、85.47%；河農(nóng)6425的最長根長耐鹽指數(shù)分別為131.46%、61.80%、21.35%。隨著鹽濃度的升高,耐鹽指數(shù)均降低。濟麥22的耐鹽指數(shù)較河農(nóng)6425更高,說明濟麥22的耐鹽性強于河農(nóng)6425。

圖2 不同濃度NaCl脅迫小麥幼苗株高、葉長和最長根長的生長情況Fig.2 Plant height, leaf length and longest root length of wheat seedlings under NaCl stress at different concentrations不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)

2.2 不同濃度NaCl處理對Na+、K+、Ca2+含量的影響

如圖3所示,在鹽脅迫第9天隨著NaCl脅迫濃度的升高,小麥地上和地下部分的K+含量均逐漸下降。當NaCl濃度為200 mmol/L時,小麥地上和地下部分K+含量下降幅度均最大。濟麥22地上部分K+含量比對照下降了42.3%,地下部分K+含量比對照下降了76.3%；河農(nóng)6425地上部分K+含量比對照下降了46.0%,地下部分K+含量比對照下降了74.8%。對照組與不同濃度NaCl處理組間差異顯著,不同品種之間差異也顯著。

圖3 不同濃度NaCl脅迫9 d后小麥不同部位的離子含量及K+ /Na+、Ca2+ /Na+Fig.3 The content of ions, K+ /Na+ and Ca2+ /Na+ in different parts of wheat under different NaCl concentrations for 9 days

Ca2+參與調(diào)控小麥的生長發(fā)育以及耐鹽反應,可維持細胞壁、細胞膜以及膜結合蛋白的穩(wěn)定性[15]。如圖3所示,鹽脅迫第9天,小麥體內(nèi)Ca2+含量隨著NaCl脅迫濃度的升高逐漸下降,200 mmol/L NaCl處理下的小麥體內(nèi)Ca2+含量下降幅度最大。與對照相比,濟麥22地上部分下降了70.2%,地下部分下降了57.3%；河農(nóng)6425地上部分下降了77.4%,地下部分下降了60.0%。小麥地上部分及地下部分與對照組均呈顯著差異。

小麥體內(nèi)Na+含量隨著NaCl脅迫濃度的升高,逐漸上升(圖3),200 mmol/L NaCl處理下的小麥體內(nèi)Na+含量上升幅度最大。濟麥22地上部分Na+含量是對照組的71.2倍,地下部分Na+含量為對照組的22.88倍；河農(nóng)6425地上部分Na+含量是對照組的72.38倍,地下部分Na+含量是對照組的10.78倍。處理組與對照組之間差異顯著。濟麥22地上部分及地下部分的K+/Na+及Ca2+/Na+均大于河農(nóng)6425(圖3),小麥耐鹽性的差異可以通過K+/Na+的變化程度值的大小來體現(xiàn)[5]。如圖3所示,濟麥22在不同濃度NaCl脅迫9 d后地上部分和地下部分ΔK+/Na+的值分別為105.03、0.24；ΔCa2+/Na+分別為17.95、4.11。河農(nóng)6425在不同濃度NaCl脅迫9 d后地上部分和地下部分ΔK+/Na+的值分別為0.66、0.17；ΔCa2+/Na+分別為15.58、1.24。濟麥22地上部分和地下部分ΔK+/Na+及ΔCa2+/Na+的值均高于河農(nóng)6425。

2.3 不同濃度NaCl處理下小麥葉綠體熒光參數(shù)變化

如圖4所示,與對照相比,不同濃度NaCl脅迫下,濟麥22和河農(nóng)6425兩個品種小麥的Fv/Fm均隨處理天數(shù)的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。具體表現(xiàn)為NaCl脅迫3 d內(nèi),兩個品種小麥不同NaCl處理組間無顯著差異,NaCl處理3 d后,兩個品種處理組小麥的Fv/Fm與對照組間差異顯著。200 mmol/L 的NaCl處理12 d時,濟麥22和河農(nóng)6425的Fv/Fm分別降至0.727和0.382,差異極顯著。NaCl濃度低于100 mmol/L,兩個品種Fv/Fo的變化趨勢呈先升高后降低趨勢,其中濟麥22的Fv/Fo在6 d后開始下降,河農(nóng)6425的Fv/Fo在3 d后開始下降。NaCl 濃度為200 mmol/L時,兩個品種的Fv/Fo一直呈降低趨勢,但濟麥22的Fv/Fo比河農(nóng)6425降低程度小。對照組中濟麥22和河農(nóng)6425小麥Fv/Fo分別為3.299和3.492,而200 mmol/L NaCl處理12 d時,濟麥22和河農(nóng)6425兩個品種Fv/Fo分別降至2.747和0.547,處理組與對照組間差異極顯著。NaCl處理下,濟麥22和河農(nóng)6425 YⅡ 值變化趨勢不同。NaCl濃度≤100 mmol/L時,濟麥22的YⅡ 值呈降低—升高—降低的趨勢,NaCl濃度為200 mmol/L時,YⅡ 值的下降速率與處理天數(shù)呈正相關；而河農(nóng)6425的YⅡ 值一直呈下降趨勢,下降速率與NaCl處理天數(shù)呈正相關,處理組與對照組之間差異顯著。qP值變化趨勢與YⅡ 值相似,均隨著NaCl濃度的升高和處理時間的延長,呈降低趨勢。濟麥22的qP下降幅度低于河農(nóng)6425。

圖4 不同濃度NaCl脅迫對小麥葉綠體熒光參數(shù)的影響Fig.4 Effects of different concentrations of NaCl stress on chloroplast fluorescence parameters in wheat

2.4 不同濃度NaCl處理下MDA含量的變化

如圖5所示,NaCl脅迫下小麥幼苗葉片的MDA含量隨處理濃度和處理時間的升高和延長持續(xù)增加,但濟麥22的MDA比河農(nóng)6425增長的幅度低。不同濃度的NaCl脅迫12 d時,濟麥22葉片MDA含量分別比對照增加了41.34%、74.43%、99.36%,河農(nóng)6425小麥葉片的MDA含量分別比對照增加了71.74%、115.18%、163.08%。

如圖5所示,NaCl濃度≤100 mmol/L,濟麥22根部MDA含量呈現(xiàn)升高—降低—升高的趨勢。NaCl濃度為200 mmol/L時,濟麥22根部MDA含量呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢。而NaCl濃度≤50 mmol/L,河農(nóng)6425根部MDA含量呈現(xiàn)升高的趨勢。NaCl濃度為≥100 mmol/L時,河農(nóng)6425根部MDA含量呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢。具體表現(xiàn)為不同濃度NaCl脅迫1 d時,濟麥22與河農(nóng)6425小麥幼苗根部MDA含量增加。NaCl濃度為200 mmol/L脅迫1 d時,處理組濟麥22根MDA含量比對照增加了46.64%,河農(nóng)6425 根MDA含量比對照增加了65.09%；50 mmol/L 和100 mmol/L NaCl脅迫12 d時,濟麥22根MDA含量分別比對照增加了30.87%、62.79%；200 mmol/L NaCl脅迫12 d時,濟麥22根MDA含量比對照降低了40.25%；50 mmol/L NaCl脅迫12 d時,河農(nóng)6425的MDA含量比對照增加了36.59%；100 mmol/L和200 mmol/L NaCl脅迫12 d時,河農(nóng)6425的MDA含量分別比對照降低了20.74%、74.93%。

圖5 不同濃度NaCl脅迫對小麥丙二醛的影響Fig.5 Effects of different concentrations of NaCl stress on malondialdehyde in wheat

2.5 不同濃度NaCl處理下小麥H2O2含量的變化

隨著NaCl濃度的升高和NaCl處理時間的延長,濟麥22和河農(nóng)6425小麥幼苗葉片的H2O2含量均呈上升趨勢(圖6)。與對照組相比,不同濃度的NaCl脅迫12 d時,濟麥22葉片中H2O2含量分別增加了37.7%、67.0%、105.9%；河農(nóng)6425小麥葉片中H2O2含量分別增加了44.4%、88.5%、140.5%。濟麥22和河農(nóng)6425小麥根部H2O2含量的變化趨勢大致相同,均是先增加后減少再增加(圖6)。濟麥22和河農(nóng)6425小麥根部H2O2含量在NaCl脅迫0—3 d內(nèi)持續(xù)增加,當NaCl脅迫到第3 d時,濟麥22根部H2O2含量分別比對照增長了31.5%、52.3%、84.6%；河農(nóng)6425根部H2O2含量分別比對照增長了46.7%、74.0%、122.7%。NaCl脅迫3—6 d內(nèi)呈降低趨勢,6 d后又迅速增加。NaCl脅迫到第12 d,濟麥22根部H2O2含量分別比對照增長了46.9%、88.2%、131.7%；河農(nóng)6425小麥根部中H2O2含量分別比對照增長了68.5%、169.7%、267.6%。兩種小麥品種葉片及根部在同一時間段內(nèi)的不同處理及兩個品種之間差異均顯著。

圖6 不同濃度NaCl脅迫對小麥過氧化氫的影響Fig.6 Effects of different concentrations of NaCl stress on hydrogen peroxide in wheat

2.6 DAB及NBT染色檢測不同濃度NaCl處理下小麥活性氧的累積

分別用DAB和NBT染色檢測NaCl脅迫下,濟麥22和河農(nóng)6425小麥幼苗葉片(圖7)和根部(圖8)中的活性氧變化。黃褐色越深則表示H2O2積累量越大。葉片H2O2積累量隨NaCl脅迫處理時間延長而增加,表現(xiàn)為DAB染色著色點增加,著色斑點由小變大至最后整片葉片都積累大量的H2O2。兩個品種小麥的根部H2O2含量變化趨勢相同,但積累量有明顯差異(圖8),積累區(qū)域從根尖分生區(qū)向上延伸。NaCl脅迫0—3 d內(nèi),小麥根部H2O2與對照沒有明顯差異,表明保護酶系統(tǒng)發(fā)生積極反應從而導致根尖過量的H2O2被消除,NaCl脅迫3 d后,H2O2開始大量積累,NaCl脅迫6 d后,H2O2累積量稍有下降,之后H2O2積累量與NaCl脅迫濃度和處理天數(shù)均呈正相關。河農(nóng)6425葉和根中H2O2比濟麥22積累的更快更多。DAB染色結果與H2O2定量測定結果一致。

圖7 DAB染色不同濃度NaCl脅迫下小麥葉片F(xiàn)ig.7 DAB staining of wheat leaves under NaCl stress at different concentrations

圖8 DAB染色不同濃度NaCl脅迫下小麥根部Fig.8 DAB staining of wheat roots under NaCl stress at different concentrations

圖9 NBT染色不同濃度NaCl脅迫下小麥葉片F(xiàn)ig.9 NBT staining of wheat leaves under NaCl stress at different concentrations

圖10 NBT染色不同濃度NaCl脅迫下小麥根部Fig.10 NBT staining of wheat roots under NaCl stress at different concentrations

2.7 不同濃度NaCl處理下小麥POD活力變化

如圖11所示,NaCl脅迫下,濟麥22和河農(nóng)6425小麥葉POD活力變化趨勢大致相同。NaCl脅迫1 d,濟麥22葉片的POD活力降低,之后呈上升趨勢。而河農(nóng)6425在NaCl脅迫3 d內(nèi)呈降低趨勢,之后活力迅速上升。當不同濃度的NaCl脅迫12 d時,濟麥22葉片POD活力分別比對照升高了30.8%、68.4%、108.4%；河農(nóng)6425小麥葉POD活力分別比對照升高了22.9%、51.1%、74.2%。處理組濟麥22小麥葉片POD與對照組間差異均顯著。當NaCl濃度高于50 mmol/L,且脅迫時間大于1 d時,河農(nóng)6425小麥葉POD與對照組之間差異才顯著。

NaCl處理下,濟麥22和河農(nóng)6425小麥根部POD活力變化稍有不同(圖11)。不同濃度NaCl脅迫處理1 d時,濟麥22小麥根部POD活力升高；50 mmol/L NaCl脅迫處理1—6 d,小麥根部POD活力下降,6 d后緩慢上升；而100 mmol/L NaCl脅迫1—3 d,濟麥22根部 POD活力降低,3 d后開始緩慢上升。200 mmol/L NaCl脅迫下,濟麥22及河農(nóng)6425小麥根部POD活力呈上升趨勢。50 mmol/L NaCl脅迫3 d內(nèi),河農(nóng)6425根部POD活力一直下降,脅迫6 d時開始升高。100 mmol/L NaCl脅迫3 d內(nèi),濟麥22小麥根部POD活力降低,脅迫6 d時開始緩慢上升。不同濃度的NaCl脅迫12 d時,濟麥22根部POD活力比對照分別升高了21.9%、56.7%、130.2%；河農(nóng)6425小麥葉片內(nèi)的POD活力分別比對照升高了15.0%、43.8%、82.3%。兩個小麥品種的處理組根部POD活力與對照組間差異均顯著。

圖11 不同濃度NaCl脅迫對小麥過氧化物酶活力的影響Fig.11 Effects of different concentrations of NaCl stress on peroxidase activity in wheat

2.8 不同濃度NaCl處理下小麥CAT活力的變化

如圖12所示,NaCl脅迫處理下,濟麥22和河農(nóng)6425小麥葉片內(nèi)的CAT活力變化趨勢相同。在NaCl處理6 d內(nèi),小麥葉片CAT活力呈上升趨勢,9 d時開始降低。200 mmol/L NaCl脅迫12 d時,河農(nóng)6425葉片的CAT活力低于對照。NaCl脅迫下,濟麥22葉片CAT活力升高的幅度較河農(nóng)6425的大,而下降的幅度又比河農(nóng)6425的小。不同濃度NaCl處理下,兩個品種小麥葉片CAT活力與對照組之間呈顯著差異。

NaCl脅迫下,濟麥22和河農(nóng)6425小麥根部的CAT活力變化趨勢不同(圖12)。NaCl濃度≤100 mmol/L時,處理小麥幼苗6 d內(nèi),河農(nóng)6425小麥根部內(nèi)的CAT活力呈上升趨勢,處理6 d后,小麥根部CAT活力延長開始降低。200 mmol/L NaCl脅迫3 d內(nèi),河農(nóng)6425根部內(nèi)的CAT活力呈上升趨勢,處理3 d后,CAT活力達到最大值后,隨著NaCl脅迫時間的延長又迅速降低。NaCl脅迫處理下,濟麥22根部CAT活力升高的幅度較河農(nóng)6425的大,而下降的幅度又比河農(nóng)6425的小,河農(nóng)6425的CAT活力始終低于濟麥22。

圖12 不同濃度NaCl脅迫對小麥過氧化氫酶活力的影響Fig.12 Effects of different concentrations of NaCl stress on catalase activity in wheat

3 討論與結論

鹽脅迫是植物生長過程中遭受逆境脅迫中最普遍的方式之一。鹽脅迫誘導植物產(chǎn)生多種生理生化反應。鹽累積到一定程度,會影響植物所有的代謝過程從而對植物產(chǎn)生毒害[16]。鹽脅迫對植物的傷害效應表現(xiàn)在植物變矮、葉片黃化、根的生長受到抑制等方面。本研究表明不同濃度的NaCl脅迫短時間對小麥有一定的促進作用,但隨著脅迫時間的增加,會抑制小麥幼苗的生長。

K+、Ca2+和Na+在植物生長過程中具有重要的生理功能,這些離子只有在保持相對平衡的狀態(tài)下才能發(fā)揮正常的生理作用,它們之間的平衡被打破,將對生理作用產(chǎn)生不良影響[17]。NaCl脅迫導致細胞內(nèi)滲透壓升高,Na+在胞質(zhì)中積累至中毒水平[18],高Na+會干擾K+和Ca2+的吸收,使K+和Ca2+降低。高等植物通過調(diào)節(jié)礦質(zhì)離子的種類和數(shù)量來維持細胞中微環(huán)境的相對穩(wěn)定。有些植物的耐鹽機制是通過限制離子往地上部的積累而將離子隔離在根部以減少其毒性作用[19],或保持較高的 K+/Na+、 Ca2+/Na+及礦質(zhì)離子平衡能力來適應鹽漬環(huán)境[15]。本實驗表明在NaCl脅迫下濟麥22根部維持了較高的Na+濃度,限制了Na+向地上部分的運輸。濟麥22體內(nèi)的K+/Na+、Ca2+/Na+比河農(nóng)6425中的高,一般認為K+/Na+比值高的小麥品種耐鹽力強[5]。研究表明耐鹽作物濟麥22在鹽脅迫環(huán)境中地上部分中一般Na+較低,而K+和Ca2+較高,而根中Na+較高,鹽敏感作物河農(nóng)6425則相反,該實驗結果與Majeed等人對耐鹽程度不同小麥進行篩選的結果相一致[20]。在低濃度50 mmol/L的NaCl處理下,濟麥22較河農(nóng)6425吸收更多的無機離子(K+、Ca2+、Na+)(圖3),適量的無機離子可作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)減緩鹽脅迫引發(fā)的滲透脅迫。此外,低鹽濃度還限制了Na+向地上部分的運輸,促進了根系向地上部分運輸K+的能力, 從而使得低濃度50 mmol/L NaCl脅迫短時間內(nèi)對小麥的生長有一定的促進作用。

NaCl脅迫導致Na+大量積累,使得植物葉綠體和過氧化物酶體產(chǎn)生活性氧ROS,氣孔調(diào)節(jié)被擾亂,葉片因光合效率降低而逐漸枯黃,植株生長受到抑制[21-23]。前人[24-27]研究NaCl脅迫對不同植物葉綠素熒光的影響,結果表現(xiàn)為 Fv/Fm、Fv/Fo、qP 和YⅡ 等葉綠體熒光參數(shù)的下降。Fv/Fm 代表 PSII 的原初光能轉(zhuǎn)換效率,Fv/Fo 代表了 PSII 的潛在活性,Fv/Fm、Fv/Fo的下降在一定程度上能表明PSII受損, 植株受到光抑制,常作為衡量植物對逆境的響應指標之一；qP代表 PSII 反應中心開放部分的比例,可以反映光合電子傳遞鏈的電子傳遞速度,qP的降低說明從PSII 氧化側向PSII 反應中心的電子傳遞受到抑制；YⅡ 的急劇下降則表明 ATP、NADPH 等同化力的形成受阻, 植物凈光合速率下降,本實驗得到相一致的研究結果。本實驗通過對兩種小麥在不同濃度NaCl脅迫下不同天數(shù)葉綠體熒光參數(shù)的測定結果表明,濟麥22 葉片的Fv/Fm、Fv/Fo、qP 和YⅡ 值比河農(nóng)6425降低幅度小。有意思的是低濃度50 mmol/L NaCl短時間處理期間,兩個品種小麥葉片F(xiàn)v/Fm、Fv/Fo都有一定程度的升高,可以促進PSII光化學反應效率,對小麥植株的生長有一定的促進作用。

MDA是脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物之一,它的含量與逆境條件密切相關,同時MDA含量通常作為植物耐鹽性的穩(wěn)定指標[28-29]。本研究結果顯示兩種小麥的MDA含量呈上升趨勢,說明兩種小麥植株在NaCl脅迫期間細胞膜遭受氧化脅迫, 但濟麥22上升趨勢比河農(nóng)6425小,膜損傷程度較輕,該實驗結果與李有芳等人及張超強等人研究結果相一致[30-31]。王婧澤等在研究在鹽脅迫下玉米體內(nèi)的MDA 含量隨著鹽濃度的增大呈先上升后降低的變化趨勢,結果表明玉米處于鹽脅迫下細胞損傷程度逐漸增大,MDA含量增多,但當玉米細胞膜質(zhì)過氧化損傷較嚴重時,鹽脅迫對玉米幼苗的損傷不可逆轉(zhuǎn),導致植物死亡,從而 MDA 含量降低[32]。本研究中濟麥22根部在200 mmol/L NaCl脅迫下及河農(nóng)6425根部在濃度高于100 mmol/L的NaCl脅迫下均呈下降趨勢,可能是由于NaCl濃度過高導致植物根部死亡,所以MDA含量下降,與王婧澤等人研究結果相一致。同時在各種逆境脅迫環(huán)境中,植物體內(nèi)活性氧迅速大量積累,從而使脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物增加,破壞了細胞膜的結構和功能,影響植物的正常生長,嚴重則導致植物死亡[33-34]。活性氧包括超氧自由基、羥自由基、H2O2和過氧化物自由基等[35-36]。本研究表明濟麥22和河農(nóng)6425的葉片及根部H2O2和活性氧含量均隨著NaCl脅迫濃度的增加和脅迫時間的延長而增加。相同情況下,河農(nóng)6425中H2O2和活性氧含量均高于濟麥22,品種間差異顯著。

在植物正常生理狀態(tài)下,植物體內(nèi)活性氧產(chǎn)生和清除間達動態(tài)平衡[37-38]。為清除NaCl脅迫產(chǎn)生的過氧化物,增加POD、CAT活性,以維持細胞正常生理活動[39-40]。本研究結果表明,隨NaCl濃度增加,兩個品種幼苗的 POD 活性隨著NaCl脅迫濃度的增加和處理時間的延長呈上升的趨勢,CAT 活性隨脅迫濃度的增加而增加,但在處理6d左右急速下降,濟麥22升高的幅度比河農(nóng)6425大而降低的幅度比河農(nóng)6425小,該實驗結果與Dugasa等研究不同耐鹽性的小麥基因型對干旱和鹽脅迫的生理生化反應差異實驗結果相一致[41]。

綜上所述,濟麥22通過維持較高水平的 K+/Na+、Ca2+/Na+,通過保持較強的抗氧化酶活性,更有效清除積累的多余ROS,較河農(nóng)6425生長更好,擁有更強的耐鹽性。