外源BR對鹽堿脅迫下甜菜內(nèi)源激素含量及保護酶活性的影響

王 鑫,劉 丹,陳婧婷,劉新宇,張 賀,王玉波,李彩鳳

(東北農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院，黑龍江 哈爾濱 150000)

我國是鹽堿地大國，也是全球受鹽漬化危害最重的國家之一[1]，國內(nèi)鹽堿化土壤分布具有明顯的地域性，主要集中于干旱和半干早地區(qū)[2]。近年來我國土壤鹽堿化程度日漸加重[3]，耕地中50%以上都有鹽堿化的趨勢[4]，鹽漬土面積更是達到了20多萬km2，約占國土總面積的2.1%[5]，嚴重威脅著作物的品質(zhì)和產(chǎn)量。鹽堿脅迫抑制了作物對土壤中有效養(yǎng)分的吸收和利用[6]，且主要是以滲透脅迫和離子毒害的方式對作物生理過程造成危害[7]。

甜菜(BetavulgarisL.)是我國兩大糖料作物之一，經(jīng)濟價值高[8]，抗逆性強，是人們所公認的耐鹽堿、耐貧瘠、適應(yīng)性強的作物。甜菜廣泛種植于鹽堿地，其產(chǎn)糖量約占我國食糖總產(chǎn)量的10%[9]，僅次于甘蔗。有研究表明，低濃度Na+可促進甜菜生長，提高其產(chǎn)量和品質(zhì)；高濃度Na+會使甜菜出苗率降低、植株生長遲緩且矮小、生物量減少、光合效率減弱、產(chǎn)量下降等，嚴重時甚至導(dǎo)致其死亡[10-12]。

油菜素內(nèi)酯(BR)是生長調(diào)節(jié)物質(zhì)，最先被發(fā)現(xiàn)于油菜花粉[13]上，屬于甾醇內(nèi)酯，與動物甾醇類激素類似[14]，是公認的第六大植物激素[15]。BR生理活性極強，能增強作物抗逆性和抗氧化能力[16]，提高作物品質(zhì)和產(chǎn)量[17]。同時BR也具有促進作物生理生化代謝、調(diào)節(jié)酶活性[18]、調(diào)控作物生長發(fā)育以及激活氧化酶保護系統(tǒng)的功能[19]。近年來關(guān)于外源BR的研究多在大豆、玉米等作物上展開，如魏鑫等[20]研究發(fā)現(xiàn)，外源BR能夠減輕干旱對大豆光合的抑制作用；馬野等[21]研究表明，干旱脅迫下BR能提高玉米幼苗的光合效率，維持其正常生長。有關(guān)BR在蔬菜方面的研究報道也較多，如有研究表明，BR在蔬菜抗旱、耐低氧、抗鹽堿、耐病害等方面有著重要作用[22]。而有關(guān)BR對甜菜的生理調(diào)控研究較少，例如菅彩媛[23]分析了不同生育時期噴施BR對甜菜生理指標和產(chǎn)量的影響，篩選出了提高甜菜生產(chǎn)性能的BR最佳濃度；劉丹等[24]探究了外源BR促進甜菜生長的最佳質(zhì)量濃度。本試驗通過研究鹽堿脅迫下不同時期噴施BR對甜菜內(nèi)源激素含量和保護酶活性的影響，以探究BR與其他植物激素間的共同調(diào)節(jié)作用，分析鹽堿脅迫下BR對甜菜體內(nèi)保護酶系統(tǒng)的調(diào)控，以期為明確外源BR對甜菜耐鹽堿性影響的生理機制提供理論依據(jù)，也可為BR在甜菜上的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

甜菜品種KWS 0143源自德國艾恩貝克，由卡韋埃斯種子歐洲股份有限公司提供。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2019年在東北農(nóng)業(yè)大學盆栽場進行。供試土壤為東北地區(qū)黑鈣土(pH=7.65)，土壤基本養(yǎng)分含量為：速效磷83.30 mg/kg，速效鉀153.20 mg/kg，有機質(zhì)35.66 g/kg，堿解氮176.27 mg/kg。采用桶栽種植，桶高26.5 cm，桶頂直徑30.0 cm，桶底直徑24.0 cm。每桶裝10 kg風干土壤。土壤中加入鹽堿(無結(jié)晶水，V(NaCl)∶V(Na2SO4)∶V(NaHCO3)∶V(Na2CO3)=4∶2∶2∶1)使Na+質(zhì)量分數(shù)達到風干土壤的3%，用來模擬大田鹽堿土(pH=9.15)。此外土壤中施入基肥:N 180 kg/hm2，P2O590 kg/hm2，K2O 90 kg/hm2。

試驗設(shè)9個處理：CK(對照，供試土壤與基肥混勻后裝于桶中)、YJ(鹽堿處理，供試土壤、基肥與鹽堿混勻裝于桶中)，O、S、V(在YJ處理基礎(chǔ)上，分別于葉叢形成期(前期)、塊根膨大期(中期)和糖分積累期(后期)噴施0.15 mg/kg的BR)以及不同時期噴施BR的組合處理，即OS、SV、OV和OSV。于05-05播種，每個處理30桶。每桶播10粒種子。出苗率達70%左右時間苗，確保噴施BR時每桶只留1株健壯幼苗。

將0.15 mg BR溶于10 mL體積分數(shù)90%乙醇中，加入高溫滅菌的蒸餾水定容到1 L，滴入1 mL 吐溫-80做延展劑，混合均勻，配制成0.15 mg/kg的BR溶液備用。選擇晴朗天氣，于甜菜生長前期(06-30)、中期(08-06)和后期(09-11)在葉片正反兩面均勻噴施BR溶液40 mL，使葉面布滿液滴又不流下，保證葉片充分吸收，其他處理噴施等量蒸餾水。

于甜菜生長前期噴施BR后9 d開始采集葉片，每兩次取樣間隔18 d，共取樣5次。選擇晴天08:00-10:00進行取樣，挑選葉齡一致且完全展開的葉片，取回后洗凈，一部分去除葉脈并剪碎混勻，用液氮速凍后于-80 ℃ 冰箱保存；另一部分烘干后測定干質(zhì)量，用于全氮含量測定。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 內(nèi)源激素含量 采用酶聯(lián)免疫分析(ELISA)試劑盒(由上海酶聯(lián)生物科技有限公司提供)。取0.5 g經(jīng)液氮處理后葉片樣品充分研磨，加入PBS，2 000～3 000 r/min離心20 min，收集上清液后分裝，留1份待測，其余放4 ℃冰箱備用。首先用酶標儀在450 nm波長下測定吸光度(OD)，并通過標準曲線計算甜菜葉片生長素(IAA)、細胞分裂素(CTK)、油菜素內(nèi)酯(BR)、脫落酸(ABA)、赤霉素(GA)含量，之后計算IAA、CTK、BR、GA與ABA含量的比值，即IAA/ABA、CTK/ABA、BR/ABA、GA/ABA，以分析內(nèi)源激素比例變化。

1.3.2 保護酶活性 參考王學奎[25]的方法，測定甜菜葉片的超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)活性。

1.3.3 氮素積累量 用凱氏定氮法[26]測定葉片全氮含量，然后計算氮素積累量(g/株)：氮素積累量=葉片全氮含量×葉片干質(zhì)量。

1.3.4 塊根產(chǎn)量、含糖率和產(chǎn)糖量 于10-10收獲甜菜，每處理取5株，測定塊根產(chǎn)量。 用便攜式折光儀測定含糖率，并計算產(chǎn)糖量，產(chǎn)糖量=含糖率×塊根產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)處理及制圖，利用IBM SPSS Statistics 24進行差異顯著性和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源BR對鹽堿脅迫下甜菜葉片內(nèi)源激素的影響

2.1.1 BR含量 外源BR對甜菜葉片內(nèi)源BR含量的影響如表1所示。

表1 外源BR對甜菜葉片內(nèi)源BR含量的影響Table 1 Effects of exogenous BR on content of endogenous BR in sugar beet leaves ng/g

如表1所示，各時期YJ處理甜菜的內(nèi)源BR含量均高于CK處理。07-09和07-27，O、OS、OV和OSV處理的內(nèi)源BR含量低于YJ處理；08-15，S和SV處理的內(nèi)源BR含量顯著低于其他處理，O、OS、OV和OSV處理的內(nèi)源BR含量顯著高于YJ處理，其中OV處理最高；09-02，S和SV處理的內(nèi)源BR含量顯著高于其他處理，O和OV處理的內(nèi)源BR含量低于YJ處理；09-20，YJ處理的內(nèi)源BR含量顯著高于除O和V處理之外的其他處理。隨著生育期的推進，鹽堿脅迫下，無論組合噴施與否，前期噴施BR后甜菜的內(nèi)源BR含量總體呈先升高后降低再升高的變化趨勢，并于生育后期保持在較高水平。

2.1.2 ABA含量 由表2可知，各時期YJ處理甜菜的ABA含量總體高于CK處理。O、OS、OV和OSV處理ABA含量在07-09顯著低于CK和YJ處理，07-27和08-15表現(xiàn)為上升趨勢，并明顯高于YJ處理；S和SV處理的ABA含量在08-15顯著低于其他處理(CK除外)，之后隨時間的推移呈上升趨勢；09-20，除O處理外，YJ處理的ABA含量均高于其他處理。與CK相比，鹽堿脅迫后甜菜ABA含量總體升高。無論組合噴施與否，前期噴施BR后ABA含量呈先升高后降低再升高的變化趨勢，并于后期保持在較高水平，說明ABA與衰老密切相關(guān)。

表2 外源BR對甜菜葉片內(nèi)源ABA含量的影響Table 2 Effects of exogenous BR on content of endogenous ABA in sugar beet leaves ng/g

2.1.3 IAA含量 IAA可促進作物生長，主要參與細胞壁合成和核酸代謝。如表3所示，隨著甜菜生育進程的推進，YJ處理的IAA含量逐漸高于CK處理，但其植株卻生長緩慢，可能是因為部分IAA參與了細胞壁的重新合成。O、OS、OV和OSV處理的IAA含量在07-09顯著低于CK和YJ處理，07-27和08-15表現(xiàn)為上升趨勢，并顯著高于CK和YJ處理。中后期甜菜老葉片脫落，新葉片生成，促使IAA含量升高，但09-02 S、SV、OS和OSV處理的IAA含量顯著低于CK、YJ、O和OV處理，可能是因為中期噴施BR使老葉衰老減慢，新葉生成較少。09-20，CK處理的IAA含量最低，YJ處理的IAA含量低于除CK和O處理之外的其余處理。綜上可知，鹽堿脅迫下，噴施BR后生長后期甜菜葉片IAA含量整體呈升高的趨勢。

表3 外源BR對甜菜葉片內(nèi)源IAA含量的影響Table 3 Effects of exogenous BR on content of endogenous IAA in sugar beet leaves ng/g

2.1.4 GA含量 由表4可知，隨著甜菜生育進程的推進，CK處理的GA含量先下降后升高；YJ處理的GA含量總體高于CK處理。O處理的GA含量與YJ處理無顯著差異。08-15，S和SV處理的GA含量均較低；09-02，OS和OSV處理的GA含量均較高；09-20，O、S和V 處理與YJ 處理無顯著差異，且高于其他處理，OS、OV、SV和OSV處理的GA含量顯著低于O、S和V處理。隨著生育期的推進，鹽堿脅迫下，無論組合噴施與否，前期噴施BR后甜菜的GA含量呈先升高后降低再升高的變化趨勢，且不同時期組合噴施BR對甜菜葉片GA含量影響較大。

表4 外源BR對甜菜葉片內(nèi)源GA含量的影響Table 4 Effects of exogenous BR on content of endogenous GA in sugar beet leaves ng/g

2.1.5 CTK含量 如表5所示，隨著生育期的推進，CK處理甜菜的CTK含量先下降后升高；YJ處理的CTK含量總體低于CK處理。07-09和07-27，除CK處理外，其余處理的CTK含量無顯著差異；08-15，噴施BR處理的CTK含量顯著高于CK和YJ處理；09-02，O和OV處理的CTK含量顯著高于其他處理；09-20，除O處理之外，YJ處理的CTK含量均低于其他處理。綜上可知，鹽堿脅迫下，噴施BR總體上提高了甜菜生長后期的CTK含量。

表5 外源BR對甜菜葉片內(nèi)源CTK含量的影響Table 5 Effects of exogenous BR on content of endogenous CTK in sugar beet leaves ng/g

2.1.6 內(nèi)源激素含量的相關(guān)性 如表6所示，鹽堿脅迫下甜菜內(nèi)源激素含量間均呈正相關(guān)關(guān)系。內(nèi)源激素BR、GA和ABA含量間相關(guān)性達到極顯著水平，表明這3種內(nèi)源激素在甜菜生長發(fā)育中起協(xié)同作用。內(nèi)源激素CTK與IAA間相關(guān)性達顯著水平，證明二者可共同促進甜菜的生長發(fā)育。

表6 鹽堿脅迫下甜菜葉片內(nèi)源激素含量的相關(guān)性Table 6 Correlation analysis of endogenous hormone contents in sugar beet leaves under saline-alkali stress

2.1.7 內(nèi)源激素比例 由圖1～圖4可知，07-09，噴施BR處理的IAA/ABA、GA/ABA、BR/ABA和CTK/ABA值均顯著高于YJ處理。07-27，噴施BR處理的IAA/ABA值顯著高于YJ處理，GA/ABA、BR/ABA和CTK/ABA均低于YJ處理。08-15，除O和OV處理之外，其余處理IAA/ABA值均顯著高于YJ處理；噴施BR處理的GA/ABA和BR/ABA值均顯著低于YJ處理，而CTK/ABA值均顯著高于YJ處理。09-02，OS和OSV處理的IAA/ABA和BR/ABA值顯著低于其他處理；SV和V處理的GA/ABA和CTK/ABA值顯著低于其他處理。09-20，除O處理外，YJ處理的IAA/ABA和CTK/ABA值顯著低于其他處理；V處理的IAA/ABA、GA/ABA、BR/ABA和CTK/ABA值均高于YJ處理。綜上可知，鹽堿脅迫下，噴施BR后GA/ABA和BR/ABA值無明顯變化規(guī)律；隨著生育期的推進，無論組合噴施與否，中期噴施BR后甜菜的IAA/ABA值總體呈先下降后升高的趨勢；前期噴施BR后甜菜的CTK/ABA值呈先下降后升高再下降的變化趨勢。

圖柱上標不同小寫字母表示同一日期下各處理間差異顯著(P<0.05)。下圖同Different lowercase letters indicate significant differences at P<0.05 level between treatments.The same below圖1 鹽堿脅迫下外源BR對甜菜葉片IAA/ABA的影響Fig.1 Effects of exogenous BR on IAA/ABA in sugar beet leaves under saline-alkali stress

圖2 鹽堿脅迫下外源BR對甜菜葉片GA/ABA的影響Fig.2 Effects of exogenous BR on GA/ABA in sugar beet leaves under saline-alkali stress

圖3 鹽堿脅迫下外源BR對甜菜葉片BR/ABA的影響Fig.3 Effects of exogenous BR on BR/ABA in sugar beet leaves under saline-alkali stress

2.2 外源BR對鹽堿脅迫下甜菜葉片氮素積累量的影響

由圖5可知，在整個生育期中，CK處理甜菜的氮素積累量先下降后升高，YJ處理的氮素積累量均顯著低于其他處理，OSV、S和SV處理的氮素積累量先升高后下降，O、OS和OV處理則呈先上升后下降再上升的趨勢。09-20，O和V處理的氮素積累量顯著高于其他處理。綜上可知，鹽堿脅迫下，噴施外源BR總體上增加了甜菜葉片的氮素積累量，以中后期表現(xiàn)最為明顯。

圖5 鹽堿脅迫下外源BR對甜菜葉片氮素積累量的影響Fig.5 Effects of exogenous BR on nitrogen accumulation in sugar beet leaves under saline-alkali stress

2.3 外源BR對鹽堿脅迫下甜菜葉片保護酶活性的影響

2.3.1 SOD活性 如表7所示，各處理甜菜的SOD活性均表現(xiàn)為前期低而后期高。07-09和07-27，各處理的SOD活性基本相當；YJ處理的SOD活性在08-15最高，09-02和09-20顯著低于其他處理。綜上可知，外源BR可以明顯提高生長中后期甜菜葉片SOD活性。

表7 外源BR對甜菜葉片超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響Table 7 Effect of exogenous BR on SOD activity in sugar beet leaves U/g

2.3.2 POD活性 由表8可知，各時期CK處理甜菜的POD活性均高于YJ處理。O、OS、OV和OSV處理的POD活性在07-09顯著低于YJ處理，07-27和08-15表現(xiàn)為上升趨勢，并顯著高于CK和YJ處理。08-15，S和SV處理的POD活性與YJ處理無顯著差異；09-02，CK和YJ處理的POD活性顯著高于其他處理；09-20，V處理的POD活性與YJ處理無顯著差異。綜上可知，鹽堿脅迫下，噴施BR后甜菜的POD活性整體呈先上升后下降的變化趨勢，且越早噴施BR，對甜菜葉片POD活性的影響越大。

表8 外源BR對甜菜葉片過氧化物酶(POD)活性的影響Table 8 Effect of exogenous BR on POD activity in sugar beet leaves U/(min·g)

2.3.3 CAT活性 如表9所示，各時期YJ處理甜菜的CAT活性基本高于CK處理。

表9 外源BR對甜菜葉片過氧化氫酶(CAT)活性的影響Table 9 Effect of exogenous BR on CAT activity in sugar beet leaves U/(min·g)

O和OV處理的CAT活性在07-09顯著低于YJ處理，在07-27-09-02均高于YJ處理。08-15，S、SV、OS和OSV處理的CAT活性顯著低于YJ處理；09-02，YJ處理的CAT活性最低；09-20，V處理的CAT活性顯著低于除CK和OS之外的其他處理。隨著生育期的推進，鹽堿脅迫下，噴施BR后甜菜的CAT活性整體呈先上升后下降的變化趨勢(表9)。

2.4 外源BR對甜菜塊根產(chǎn)量、含糖率和產(chǎn)糖量的影響

外源BR對甜菜塊根產(chǎn)量、含糖率和產(chǎn)糖量的影響如表10所示。

表10 外源BR對甜菜塊根產(chǎn)量、含糖率和產(chǎn)糖量的影響Table 10 Effects of exogenous BR on yield,sugar content and sugar yield of beetroot

如表10所示，YJ處理的甜菜塊根產(chǎn)量和產(chǎn)糖量顯著低于其他處理，且含糖率最低。O、SV和OSV處理的塊根產(chǎn)量、含糖率和產(chǎn)糖量高于CK處理。O和SV處理的產(chǎn)糖量顯著高于其他處理；除YJ和O處理外，其余處理的含糖率無顯著差異。綜上可知，鹽堿脅迫下，噴施BR有效提高了甜菜的塊根產(chǎn)量、含糖率和產(chǎn)糖量；前期噴施BR甜菜的含糖率和產(chǎn)糖量均最大，塊根產(chǎn)量也較高，因此為最佳選擇。

3 討 論

內(nèi)源激素是信號傳導(dǎo)物質(zhì)，具有復(fù)雜多樣的生理機制。ABA被認為是逆境激素，在作物對逆境的適應(yīng)中起主要調(diào)控作用。GA調(diào)控衰老，參與作物對逆境脅迫的響應(yīng)。CTK延緩衰老，提高作物抗逆性。此外，BR也是公認的逆境激素，生理活性強，本試驗發(fā)現(xiàn)，噴施BR有效加強了甜菜耐鹽堿和抗氧化的能力，與吳雪霞等[27]研究結(jié)論一致。Cohen等[28]研究表明，逆境條件下植物內(nèi)源ABA含量明顯上升。魏湜等[29]研究發(fā)現(xiàn)，鹽堿脅迫使玉米幼苗ABA含量處于較高水平，噴施BR后ABA含量下降。李寧等[30]研究表明，弱光脅迫下噴施BR后番茄葉片IAA和GA含量上升，ABA含量顯著下降。Pal等[31]研究表明，外源BR提高了蘿卜IAA含量，降低了ABA含量。趙雪松等[32]研究表明，外源BR提高了水稻根系的CTK和GA含量。本試驗結(jié)果顯示，鹽堿脅迫下，甜菜葉片ABA含量總體升高，外源BR提高了甜菜生長后期的CTK含量；不同時期噴施BR后，IAA含量整體呈升高的趨勢，與上述研究結(jié)果一致。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著生育期的推進，鹽堿脅迫下，無論組合噴施與否，前期噴施BR后甜菜的內(nèi)源BR、ABA和GA含量總體呈先升高后降低再升高的變化趨勢。

內(nèi)源激素通過交互作用調(diào)控作物生育進程。相較于單一內(nèi)源激素，不同激素間的平衡變化更能反映作物生育的本質(zhì)規(guī)律。王廷芹等[33]發(fā)現(xiàn)，外源BR顯著影響青花菜莖尖內(nèi)源激素的平衡。本研究發(fā)現(xiàn)，鹽堿脅迫下外源BR對甜菜GA/ABA、BR/ABA、IAA/ABA和CTK/ABA影響較大。

前人研究表明，鹽堿脅迫使甜菜前期、中期生長受到抑制，吸收利用少量土壤氮素，因此在中期、后期甜菜老葉片無缺氮素癥狀，而未受脅迫的甜菜前期、中期生長快速，很快耗盡土壤氮素，并在中期、后期表現(xiàn)為老葉片枯死，新生葉片呈淡綠色[34]。李勇[35]研究表明，外源BR可以用于調(diào)控小麥的氮素吸收積累。本研究發(fā)現(xiàn)，鹽堿脅迫下，噴施外源BR總體上提高了甜菜生長中期、后期葉片的氮素積累量。

SOD、POD和CAT是作物內(nèi)在的保護酶，通過相互間的分工合作，對作物抗逆代謝起著重要的調(diào)控作用。SOD是作物抵御活性氧傷害的“第一道防線”，可將活性氧歧化成過氧化氫，過氧化氫的累積又會造成膜脂過氧化，導(dǎo)致細胞膜損傷，而POD與CAT共同作用，清除由SOD作用產(chǎn)生的過量過氧化氫。王建華等[36]研究表明，外源BR通過提高SOD活性來抑制膜脂質(zhì)過氧化。前人研究發(fā)現(xiàn)，在逆境條件下，噴施BR后植物葉片中的SOD、POD和CAT活性升高[37-38]。本試驗結(jié)果表明，鹽堿脅迫下噴施BR可以明顯提高甜菜生長中后期葉片SOD活性，與上述結(jié)果一致。王秀峰等[39]研究表明，鹽堿脅迫下，噴施BR使辣椒葉片SOD、POD、CAT活性均呈先上升后降的趨勢。本試驗中，鹽堿脅迫下，不同時期噴施BR后甜菜葉片的POD和CAT活性整體呈先上升后下降的變化趨勢，但甜菜整個生長期的POD活性均受鹽堿脅迫抑制，這可能是因為POD更多地參與了甜菜的其他生理調(diào)控過程。

BR能提高作物中磷酸蔗糖合成酶的活性，增加蔗糖積累量，進而提高作物產(chǎn)量[40]。謝云燦等[41]發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫下，外源BR提高了大豆籽?？扇苄钥偺呛浚黾恿舜蠖巩a(chǎn)量。唐鑫華等[42]研究顯示，噴施BR增加了馬鈴薯塊莖的淀粉含量，提高了單株產(chǎn)量。此外，BR同樣能提高水稻[43]、玉米[44]、小麥[45]等作物的產(chǎn)量及可溶性糖、蔗糖和淀粉含量。本研究發(fā)現(xiàn)，鹽堿脅迫下，噴施外源BR提高了甜菜的塊根產(chǎn)量、含糖率和產(chǎn)糖量。

4 結(jié) 論

外源BR可明顯提高甜菜葉片的保護酶活性，增加氮素積累量，促進內(nèi)源激素生成，調(diào)節(jié)內(nèi)源激素的比例，提升甜菜耐鹽堿和抗氧化的能力，提高塊根產(chǎn)量、含糖率和產(chǎn)糖量。