鹽堿脅迫下甜高粱生理生化指標(biāo)及綜合評價方法的研究進(jìn)展

黃禹翕 趙雨潼 高佳昕 趙云杰 楊蘭蘭 李雪梅 李玥瑩

摘 要：本文介紹了在鹽堿脅迫下甜高粱部分生長發(fā)育指標(biāo)的變化情況及作用機(jī)理和甜高粱耐鹽性綜合評價方法的研究進(jìn)展。根據(jù)國內(nèi)外最新的研究資料，本文主要從種子萌發(fā)和幼苗生長的指標(biāo)、以葉綠素含量和葉綠素?zé)晒鉃橹鞯墓夂献饔弥笜?biāo)以及抗性指標(biāo)三個方面說明了鹽堿脅迫對甜高粱的影響。同時對甜高粱耐鹽堿綜合評價的隸屬函數(shù)分析法進(jìn)行了簡要的介紹。本文旨在總結(jié)在鹽堿脅迫下甜高粱的部分研究成果，并對今后的研究方向提出建議，從而加快相關(guān)成果在植物生理和育種等領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：甜高粱；鹽堿脅迫；生理生化指標(biāo)；隸屬函數(shù)分析法

受自然因素和長時間不合理的耕種、灌溉等人為因素影響，土壤鹽堿化是主要的環(huán)境問題之一。在中國，土地鹽堿化的程度也愈發(fā)嚴(yán)重。鹽堿環(huán)境大多是多種鹽堿成分混合造成的。由混合鹽堿脅迫造成的傷害比單一鹽堿的傷害更為嚴(yán)重。甜高粱可以食用、飼用和替代燃料等，具有極大的利用價值。此外，甜高粱還有耐旱、耐澇、耐鹽堿等多種優(yōu)良性狀。因此，甜高粱是可以種植在鹽堿類土地上的優(yōu)良作物。

目前，國內(nèi)外的學(xué)者以甜高粱為試材，在鹽堿脅迫下做種子萌發(fā)、幼苗生長、光合作用、抗性變化等諸多指標(biāo)的研究，從而尋找甜高粱抵抗鹽堿脅迫的機(jī)制。不同學(xué)者在進(jìn)行相關(guān)研究時，主要采用兩種方法進(jìn)行鹽堿脅迫處理，一種是配比溶液模擬鹽堿條件，如中性鹽 （如NaCl）脅迫、蘇打鹽 （如Na2CO3、NaHCO3） 脅迫和混合鹽脅迫。另一種是利用田間鹽堿土地進(jìn)行試驗(yàn)。前者對于實(shí)驗(yàn)條件變量的控制更加精準(zhǔn)，而后者更加接近實(shí)際自然條件。雖然二者的方法不同，但甜高粱在鹽堿脅迫下各項(xiàng)指標(biāo)的變化規(guī)律是大體相同的。鹽堿脅迫對植物的影響涉及多個方面，使用單一指標(biāo)不能全面反映植物的耐鹽堿程度，需要綜合多個方面指標(biāo)的變化，從而對植物的耐鹽性進(jìn)行綜合評價。

1 鹽堿脅迫下甜高粱的生理生化指標(biāo)的變化

1.1 鹽堿脅迫下種子萌發(fā)及幼苗生長指標(biāo)的變化

種子發(fā)芽是決定植物能否生長的重要因素。種子萌發(fā)過程中的指標(biāo)主要有萌發(fā)率、萌發(fā)指數(shù)等。萌發(fā)率也稱發(fā)芽率，是體現(xiàn)種子發(fā)芽能力的重要指標(biāo)。其公式為：

萌發(fā)率 = （萌發(fā)的種子數(shù)/測試種子數(shù)） ×100%

萌發(fā)指數(shù)也稱發(fā)芽指數(shù)，是體現(xiàn)種子發(fā)芽速度的指標(biāo)，發(fā)芽所需時間與發(fā)芽指數(shù)呈負(fù)相關(guān)。其公式為：

Gl=∑Gt /t

式中，Gl是萌發(fā)指數(shù)；Gt是發(fā)芽種子數(shù)；t是萌發(fā)天數(shù)。

鹽堿脅迫對高粱種子的萌發(fā)有一定的影響。戴凌燕的研究表明，所有的甜高粱品種隨著蘇打鹽脅迫程度的增加，萌發(fā)率和萌發(fā)指數(shù)均有所下降，但各品種的敏感性有所差別。王晨的研究也得出相同的結(jié)論：鹽堿脅迫對甜高粱種子的發(fā)芽有顯著的抑制作用。原因是在鹽堿濃度較高時，甜高粱種子無法從外界吸收足夠的水分，無法合成發(fā)芽所需的各種酶和結(jié)構(gòu)蛋白，阻礙了細(xì)胞分裂和分化的完成，也阻礙了胚胎的生長，從而阻礙了種子萌發(fā)，使得萌發(fā)率、萌發(fā)系數(shù)降低。

幼苗生長過程中的指標(biāo)主要有幼芽長度、幼根長度、干重和鮮重（生物量）等。生物量是植物對鹽堿脅迫的綜合反應(yīng)，是評估植物脅迫和耐鹽性的重要指標(biāo)之一。戴凌燕的研究結(jié)果表明，鹽堿脅迫使甜高粱的株高、根長下降，抑制幼苗的生長發(fā)育。陳展宇的研究表明，鹽堿環(huán)境下能夠使苗期的甜高粱生物量均下降。何磊的研究也表明，甜高粱幼苗的生物量由于鹽堿脅迫均出現(xiàn)下降，此外幼苗、幼根的生長也受到抑制。

綜上說明鹽堿脅迫對種子的萌發(fā)和幼苗的生長均有一定程度的抑制作用。對于不同部位和不同品種的抑制程度有所差異，即不同種類的甜高粱對鹽堿的耐受性不同。因此如何緩解鹽堿脅迫下不同甜高粱品種種子萌發(fā)和幼苗生長是今后實(shí)驗(yàn)探索和育種的工作之一。

1.2 鹽堿脅迫下光合指標(biāo)的變化

光合作用是逆境中對應(yīng)激最敏感的生理過程之一，光合作用的速率在一定水平上體現(xiàn)了光合作用的程度。而與光合作用相關(guān)的指標(biāo)如凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、葉綠素含量和葉綠素?zé)晒鈪?shù)等，均能夠反映出植物對脅迫的抵抗程度。葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定因快速、無損的特點(diǎn)，能夠從光合作用的角度反映植物的抗逆性，已被廣泛應(yīng)用于植物的抗性檢測中。

葉片中葉綠素a和葉綠素b的含量和比例的變化是植物耐鹽堿的生理特點(diǎn)之一。劉吉利的研究結(jié)果表明，鹽堿性脅迫破壞了葉綠體結(jié)構(gòu)，降低了葉綠體的光合活性，所以，甜高粱葉片的葉綠素含量明顯降低，且不同品種的葉綠素含量降低程度不同。貝盞臨的研究表明：M-81E甜高粱苗期葉綠素含量隨鹽度的增加而下降，在混合鹽脅迫下下降較快。吐爾遜的研究表明，在不同NaCl脅迫水平下，隨著處理時間的增加，3個甜高粱栽培品種苗葉中葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b的含量都是下降趨勢。葛江麗在不同濃度NaCl脅迫對甜高粱的葉綠素、葉綠素a/b比值和類胡蘿卜素相關(guān)研究也得到了相似結(jié)論。但也有研究得到了不同結(jié)論。凌海燕的研究表明，利用鹽濃度為50毫摩爾/升溶液作為蘇打鹽堿脅迫液（pH9.27，鹽度 2.79%）時，葉綠素含量在其脅迫下出現(xiàn)了顯著的增長。

通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，在探究牛疊肚葉片葉綠素變化中，在中性鹽和蘇打鹽的脅迫下，均出現(xiàn)了低濃度促進(jìn)高濃度抑制的現(xiàn)象。其次，在研究堿性鹽脅迫下，刺槐總?cè)~綠素和葉綠素a的含量變化時，含量依據(jù)脅迫程度的加大出現(xiàn)升高、降低再升高的規(guī)律。

由此推測，甜高粱葉綠素含量出現(xiàn)差異的原因可能是：甜高粱在鹽堿脅迫下，葉綠素的含量也會出現(xiàn)低促進(jìn)高抑制的現(xiàn)象。蘇打鹽屬于堿性環(huán)境，且50毫摩爾/升的鹽濃度仍屬于較低濃度，在此濃度下，脅迫對葉綠素含量有一定的提高作用，而對于脅迫使葉綠素含量下降的情況，可能是由于NaCl屬于中性環(huán)境，且所設(shè)計的濃度梯度較大，錯過了提高葉綠素含量的濃度范圍，隨NaCl濃度的增加，整體呈現(xiàn)下降趨勢。但目前沒有對甜高粱進(jìn)行相關(guān)系統(tǒng)研究，造成差異的原因是否可能是中性鹽和堿性鹽脅迫的規(guī)律不同，或是甜高粱不同品種的結(jié)果，有待在今后進(jìn)行更為系統(tǒng)的研究。

葉綠素?zé)晒獬Ｓ玫闹笜?biāo)有初始熒光（F0）、最大熒光（Fm）、最大光子產(chǎn)率（Fv/Fm）、光化學(xué)猝滅系數(shù)（qP）、實(shí)際光系統(tǒng)效率（ΦPSII）等。F0反映的是植物葉片PS Ⅱ反應(yīng)中心開放完全時的熒光產(chǎn)量，其數(shù)值上升是表明反應(yīng)中心失去活性；Fm表示PSⅡ的電子傳遞情況，最大光子產(chǎn)率（Fv/Fm）反映了PSⅡ的反應(yīng)中心最大光轉(zhuǎn)換效率。qP能體現(xiàn)PSⅡ反應(yīng)中心的能量轉(zhuǎn)化情況。實(shí)際光化學(xué)效率（ΦPSII）能體現(xiàn)葉片光合作用能力。袁闖的研究表明，甜高粱在鹽脅迫較強(qiáng)時，F(xiàn)0的數(shù)值升高，F(xiàn)m和Fv/Fm的數(shù)值降低。其原因是由土壤鹽分脅迫條件下影響植物光系統(tǒng)對光能的吸收和傳遞而引起。葛江麗的研究表明F0呈上升趨勢， Fm和Fv/Fm呈下降趨勢。這表明反應(yīng)中心可能受到了破壞。ΦPSII和qP的數(shù)值下降，說明脅迫強(qiáng)度較大時能夠改變甜高粱幼苗PSⅡ的光化學(xué)效率和能量的分配。王彩娟的實(shí)驗(yàn)中對Fv/Fm、ΦPSII和qP的測量也得出相似結(jié)論。

由此可見，鹽堿脅迫使得甜高粱的葉綠素的含量及熒光參數(shù)均有一定的變化，從而也體現(xiàn)出脅迫對光合作用的顯著影響，進(jìn)一步探究甜高粱在脅迫條件下光合作用及相關(guān)指標(biāo)的變化范圍、作用機(jī)理等是十分必要的。

1.3 鹽堿脅迫下抗性指標(biāo)的變化

植物的抗逆機(jī)制表現(xiàn)在生殖的各個階段的生理、形態(tài)和行為等方面。植物抗逆性強(qiáng)的兩個表現(xiàn)分別是體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的增加和各種能夠消除體內(nèi)活性氧的抗氧化酶活性的提高。

各種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和酶在不同逆境中或在不同的物種中起不一樣的作用。滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)分為有機(jī)、無機(jī)兩種成分。有機(jī)包括甘氨酸、脯氨酸、丙二醛（MDA）、酯類、可溶性蛋白質(zhì)和可溶性糖類，無機(jī)成分以離子最為常見。MDA含量可能反映了細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化的程度和植物對不利條件的反應(yīng)強(qiáng)度。吐爾遜的研究表明，隨著濃度和時間的增加，3個甜高粱品種苗葉中丙二醛含量呈上升趨勢。王晨的研究表明，甜高粱葉片脯氨酸含量均隨著脅迫強(qiáng)度的增加而增加，但不同脅迫濃度下，增加趨勢不同。

常見的抗氧化酶有SOD、POD、CAT、谷胱甘肽還原酶（GR）、谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）等。CAT能夠在鹽脅迫時清除植物體內(nèi)的H2O2，維持機(jī)體活性氧代謝平衡，保護(hù)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，提高抵抗力。POD能有效地捕獲活性氧，使其含量保持在較低水平，從而減少對膜結(jié)構(gòu)和功能的破壞，維持植物在鹽堿脅迫條件下的正常生長。SOD的功能是保護(hù)細(xì)胞免于遭受超氧化物氧化應(yīng)激。劉吉利的研究結(jié)果表明，堿性土壤對各類甜高粱的保護(hù)酶活性均產(chǎn)生顯著影響，堿性土壤處理能較大程度的提高甜高粱SOD、POD、CAT等保護(hù)活性。戴凌燕所做的關(guān)于鹽堿脅迫下甜高粱的耐鹽性實(shí)驗(yàn)也得出了相似的結(jié)論。王晨的研究表明，在鹽脅迫后，所有品種甜高粱的SOD 活性都表現(xiàn)出先升后降的趨勢。出現(xiàn)峰值的原因可能是SOD清除活性氧的作用是有限度的，如果應(yīng)激超過閾值，細(xì)胞就會受到嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致其生理活性下降，SOD活性開始下降，此時相應(yīng)的鹽濃度可能是植物SOD活性的最大耐受濃度。

綜上，無論是滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)還是抗氧化性酶，都能夠在鹽堿脅迫的過程中提高甜高粱的抗性，但其對甜高粱的保護(hù)作用是有一定限度的。此外，現(xiàn)對甜高粱抗氧化酶活性的研究較多，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)相對較少，且哪種物質(zhì)起關(guān)鍵作用尚不清楚。

2 甜高粱耐鹽性隸屬函數(shù)綜合評價方法

2.1隸屬函數(shù)分析法

大量研究表明，單一的農(nóng)藝性狀或生理指標(biāo)難以準(zhǔn)確評估植物抗逆性，選擇幾個指標(biāo)進(jìn)行綜合評估可以更全面體現(xiàn)作物抗逆性。在鹽堿脅迫方法也是如此，由于其對植物會造成多方面的傷害且植物耐鹽性的表達(dá)是多種代謝途徑的結(jié)合，所以眾多學(xué)者在衡量甜高粱的抗性程度和篩選優(yōu)質(zhì)抗逆品種時，大多采用了綜合評價的方法。綜合評估耐鹽性的最常用的方法為隸屬函數(shù)分析法，除此之外，灰色關(guān)聯(lián)分、主成分分析和聚類分析等也是植物耐鹽性的綜合評價方法。隸屬函數(shù)法的公式為：

R（xi） =（x-xmin） / （xmax-xmin）

其中R（xi）為隸屬函數(shù)值，xi為指標(biāo)測定值，xmin、xmax是所有試材某指標(biāo)的最小值和最大值，最后再將每一品種各個指標(biāo)的隸屬值累加求其平均值，進(jìn)而比較各品種的抗性。

2.2 隸屬函數(shù)分析法的應(yīng)用

戴凌燕采用隸屬函數(shù)法，通過統(tǒng)計根冠比、根系活力、總?cè)~綠素含量、丙二醛含量和質(zhì)膜相對透性5個指標(biāo)的變化幅度，比較6種甜高粱的隸屬值總平均值大小，最終確定其耐鹽堿性的強(qiáng)弱。王晨采用隸屬函數(shù)法和灰色關(guān)聯(lián)分析法，通過比較甜高粱發(fā)芽率、莖葉鮮重、脯氨酸含量、SOD活性、葉片相對電導(dǎo)率等5種指標(biāo)比較各品種的耐鹽程度并進(jìn)一步篩選最優(yōu)質(zhì)種。袁闖采用隸屬函數(shù)分析法和主成分分析兩種方法對甜高粱的耐鹽性進(jìn)行綜合評價并選擇優(yōu)質(zhì)種。

可見，綜合評價方多種多樣，不同研究人員所用方法也不盡相同。所以今后可以整合現(xiàn)有的評價方法，并開發(fā)或設(shè)計針對不同品種、不同逆境的更為系統(tǒng)的綜合評價方法，從而方便不同地區(qū)的科研人員進(jìn)行更深入研究。

3 總結(jié)及展望

鹽堿脅迫對甜高粱的的影響是多種多樣的，在種子萌發(fā)和幼苗生長方面，鹽堿脅迫降低了萌發(fā)率、萌發(fā)指數(shù)、生物量等多個指標(biāo)。光合作用對于甜高粱的生長起著至關(guān)重要的作用，同時相關(guān)光合指標(biāo)也是抗逆性的表現(xiàn)。葉綠素含量受到鹽堿脅迫發(fā)生變化，而對于葉綠素?zé)晒?，F(xiàn)0的數(shù)值隨著脅迫程度的加深而升高，F(xiàn)m、Fv/Fm、ΦPSII和qP的數(shù)值隨著脅迫程度的加深而下降，綜合相關(guān)參數(shù)來看，不難發(fā)現(xiàn)鹽堿脅迫對光合作用的影響是十分顯著的。植物的抗性直標(biāo)變化是對鹽堿脅迫的最直接的反映之一，在鹽堿脅迫下，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和抗氧化性酶類的含量均上升，但其對鹽堿脅迫的抵抗是有限度的?，F(xiàn)有的綜合評價方法有很多種，但大多均統(tǒng)計了種子萌發(fā)、幼苗生長、光合作用、抗性變化等重要的生長發(fā)育指標(biāo)，進(jìn)而對甜高粱的耐鹽堿程度進(jìn)行比較和篩選。

今后，對于甜高粱在鹽堿脅迫下的研究，可以從以下幾個方面入手。第一，對甜高粱各時期的抗性進(jìn)行探究。第二，對鹽堿脅迫下甜高粱葉綠素的變化進(jìn)行研究，尋找其變化規(guī)律，從而探明光合作用在抗鹽堿方面的變化機(jī)制。第三，在抗性指標(biāo)方面，針對滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的研究相對較少，可以繼續(xù)研究此類物質(zhì)的變化情況，并確定哪類物質(zhì)在抗逆中起主導(dǎo)地位。第四，以甜高粱為試材，設(shè)計更為系統(tǒng)的綜合評價方法，對于篩選優(yōu)質(zhì)甜高粱品種和應(yīng)用生產(chǎn)實(shí)踐具有重要意義。

■作者簡介： 黃禹翕（2000-），男，遼寧遼陽人，本科學(xué)歷，研究方向：生物科學(xué)。李玥瑩（1966-），教授，博士學(xué)歷，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向：植物基因工程。

■基金項(xiàng)目：遼寧省教育廳重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目（LZD201901，LZD202004）。校級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（x202010166144）。

*李玥瑩為本文通訊作者。