堿脅迫對(duì)燕麥幼苗生理指標(biāo)的響應(yīng)

趙明德，李惠梅，馬 靜，劉 晶

青海民族大學(xué) 生態(tài)環(huán)境與資源學(xué)院/青藏高寒濕地修復(fù)工程中心，西寧 810007

我國(guó)現(xiàn)階段土地堿化越來(lái)越嚴(yán)重，造成該現(xiàn)象的原因包括生態(tài)自然因素及人文因素．因此，我們必須研究方法治理土地堿化問(wèn)題．鹽堿地是陸地上分布最廣的一種土壤類型，它遍及地球上30多個(gè)國(guó)家[1]，總面積達(dá)9.54億hm2，約占世界總陸地面積的1/3，現(xiàn)已成為全球陸地最受關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題之一[1-2]．土壤鹽堿化導(dǎo)致全球可利用耕地日益縮減[3]，并制約著作物產(chǎn)量和品質(zhì)的提高，成為世界農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要限制性因素．我國(guó)陸地土壤堿化度普遍較高，堿化土壤的形成，大部分是與土壤中碳酸鹽的累積有關(guān)．嚴(yán)重的鹽堿土壤地區(qū)，植物幾乎是無(wú)法生存的．堿性土壤濕潤(rùn)時(shí)容易膨脹、 泥濘、 分散，干燥時(shí)便收縮、 堅(jiān)硬、 板結(jié)，導(dǎo)致它的通氣性能和透水性能都特別差，且土壤堿化程度越高其理化性狀越差．青海高原地區(qū)近年來(lái)由于自然環(huán)境氣候和人為因素的干擾強(qiáng)度不斷擴(kuò)大，致使草地上的植被也隨之遭到嚴(yán)重破壞并大面積退化，使堿地面積越來(lái)越多； 由于耕作方式的不當(dāng)導(dǎo)致次生堿地的面積也越來(lái)越多[4]．青海高原地區(qū)的堿地主要含NaHCO3和Na2CO3，但以Na2CO3為主； 現(xiàn)階段關(guān)于堿脅迫的研究在國(guó)內(nèi)外還不多見(jiàn)[5-6]，因此本實(shí)驗(yàn)將專門(mén)研究堿脅迫，了解堿脅迫下作物的響應(yīng)機(jī)制，培育耐堿品種，掌握提高作物抗堿措施，對(duì)堿地進(jìn)行生物治理及合理開(kāi)發(fā)利用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義．種植耐堿植物成本低、 見(jiàn)效快更是農(nóng)牧業(yè)進(jìn)一步增產(chǎn)增收的重要舉措.

燕麥AvenasativaL.是禾谷類作物，屬禾本科、 燕麥族、 燕麥屬，它是世界各地廣泛栽培種植的一種重要糧食兼飼草、 飼料作物，是治理土壤堿化和荒漠化的優(yōu)良品種．燕麥早在幾千年前就有文字記載，因此它是一種特別古老的禾谷類作物．燕麥中富含蛋白質(zhì)、 脂肪、 賴氨酸以及亞油酸，長(zhǎng)期食用燕麥可以降低膽固醇在心血管中的積累，可有效防止老年高血壓、 糖尿病、 高血脂等．近年來(lái)，隨著我國(guó)消費(fèi)者的健康飲食興起，燕麥行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)．其中，早餐燕麥?zhǔn)袌?chǎng)規(guī)模增速較快，尤其隨著電商的快速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)用戶規(guī)模的擴(kuò)大，網(wǎng)上零售成為我國(guó)燕麥行業(yè)銷(xiāo)售渠道的重要發(fā)展方向．燕麥片被用作代餐產(chǎn)品，富含蛋白質(zhì)、 碳水化合物、 膳食纖維和多種微量元素，作為主食引起的血糖變化較緩，其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，還具有健身功效，是減肥利器，早餐耗時(shí)少，適合老中青，深受各類人群的喜愛(ài)．燕麥在低濃度的堿脅迫下可以通過(guò)滲透調(diào)節(jié)來(lái)減輕細(xì)胞所受的傷害，對(duì)堿脅迫具有一定的抗性[7]．因此通過(guò)研究Na2CO3對(duì)不同燕麥的根部死亡情況、 可溶性糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、 丙二醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、 葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、 SOD酶活性的變化情況、 地下與地上部分的生物量、 莖長(zhǎng)等生理指標(biāo)的影響，從而篩選出耐堿品種與最適濃度，以及燕麥對(duì)堿脅迫的響應(yīng)機(jī)制及緩解的主要措施．通過(guò)這些指標(biāo)的研究結(jié)果得出對(duì)堿脅迫的影響機(jī)制，以期為堿地的開(kāi)發(fā)和改善堿地生態(tài)環(huán)境以及農(nóng)業(yè)獲得更好的種植資源提供一定的理論依據(jù)和參考.

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用青燕一號(hào)和加燕一號(hào)均是由青海省海北州門(mén)源縣浩門(mén)農(nóng)場(chǎng)提供且挑選的種子成熟飽滿.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

挑選顆粒飽滿的種子用溫水泡24 h后用70%的乙醇溶液進(jìn)行表面消毒30 s，然后置于1%的次氯酸鈉溶液中對(duì)種子表面消毒8 min，最后用蒸餾水沖洗5遍，直到?jīng)]有次氯酸鈉刺鼻氣味為止[8]．經(jīng)過(guò)消毒處理后，將種子置于光照強(qiáng)度3 000～5 000 Lx，溫度16～25 ℃條件下進(jìn)行萌發(fā)，待種子萌發(fā)后選取長(zhǎng)勢(shì)良好的幼苗，設(shè)置不同的堿脅迫并置于室溫(16～25 ℃)條件下生長(zhǎng)．測(cè)定并記錄0 h，24 h，48 h，72 h，96 h兩種燕麥的莖高，每個(gè)處理3次重復(fù)．待96 h后檢測(cè)地上與地下部分的生物量，可將根莖分離，根部用于檢測(cè)幼苗根尖細(xì)胞死亡情況，莖用于測(cè)定可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)、 丙二醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)、 SOD酶活性和葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù).

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

燕麥幼苗根尖細(xì)胞死亡情況的檢測(cè)采用臺(tái)盼藍(lán)染色法[9]； 丙二醛的測(cè)定采用丙二醛與硫代巴比妥酸(TBA)成色反應(yīng)的原理，在520 nm處進(jìn)行比色； 可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定采用蒽酮比色法[10]； SOD酶活性的測(cè)定采用氮藍(lán)四唑(NBT)光化還原法[11]； 生物量的測(cè)定采用稱量法； 葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定采用分光光度計(jì)法[12-13]； 莖長(zhǎng)的測(cè)定采用尺量法.

1.4 數(shù)據(jù)處理和分析

利用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并繪制圖，借助SPSS 25.0進(jìn)行數(shù)據(jù)的方差分析.

2 結(jié)果和分析

2.1 不同堿脅迫對(duì)青燕一號(hào)和加燕一號(hào)丙二醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

植物器官在逆境下往往會(huì)發(fā)生膜脂過(guò)氧化作用，丙二醛(MDA)是膜脂過(guò)氧化的最終分解產(chǎn)物，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以反映植物遭受逆境傷害的程度．從圖1可以看出，青燕一號(hào)和加燕一號(hào)的丙二醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨堿濃度的升高呈先增加后降低的趨勢(shì)．青燕一號(hào)丙二醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)在堿濃度50 mmol/L時(shí)達(dá)到最大值； 加燕一號(hào)在堿濃度100 mmol/L時(shí)達(dá)到最大值．并且青燕一號(hào)和加燕一號(hào)在堿脅迫25 mmol/L，50 mmol/L下丙二醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加明顯.

圖中小寫(xiě)字母不同表示在不同堿濃度處理下差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，p<0.05．圖1 不同堿脅迫對(duì)青燕一號(hào)和加燕一號(hào)丙二醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

2.2 不同堿脅迫對(duì)青燕一號(hào)和加燕一號(hào)超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響

超氧化物歧化酶(SOD)是生物體內(nèi)重要的抗氧化酶，也是植物抗氧化系統(tǒng)的第一道防線，它能清除細(xì)胞中多余的超氧陰離子，其活性的高低水平體現(xiàn)了植物對(duì)氧化損傷的修復(fù)能力．從圖2可以看出，青燕一號(hào)和加燕一號(hào)SOD酶活性在相同堿脅迫濃度下與0 mmol/L(對(duì)照組)相比均呈上升趨勢(shì)，且在堿脅迫25 mmol/L處理下青燕一號(hào)和加燕一號(hào)的SOD酶活性差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義．在相同堿脅迫下，青燕一號(hào)SOD酶活性大多高于加燕一號(hào)SOD酶活性.

圖中小寫(xiě)字母不同表示在不同堿濃度處理下差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，p<0.05．圖2 不同堿脅迫對(duì)青燕一號(hào)和加燕一號(hào)SOD酶活性的影響

2.3 不同堿脅迫對(duì)青燕一號(hào)和加燕一號(hào)可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

可溶性糖是植物在逆境條件下體內(nèi)產(chǎn)生的一種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，其濃度的大小可影響幼苗葉片的滲透勢(shì)進(jìn)而提高幼苗的吸水能力．從圖3可以看出，加燕一號(hào)可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨堿脅迫梯度呈先升高后降低趨勢(shì)，青燕一號(hào)可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨堿脅迫梯度呈先升高后降低再升高趨勢(shì)．從數(shù)據(jù)可以看出，在高堿脅迫下青燕一號(hào)的耐受性更強(qiáng)．在堿脅迫100 mmol/L時(shí)青燕一號(hào)和加燕一號(hào)可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)均發(fā)生相反的轉(zhuǎn)折.

圖中小寫(xiě)字母不同表示在不同堿濃度處理下差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，p<0.05．圖3 不同堿脅迫對(duì)青燕一號(hào)和加燕一號(hào)可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

2.4 不同堿脅迫對(duì)青燕一號(hào)和加燕一號(hào)葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

葉綠素是綠色植物進(jìn)行光合作用的基礎(chǔ)物質(zhì)，它能把吸收的二氧化碳和水合成有機(jī)物，作為植物生長(zhǎng)所需的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)．從圖4可以看出，青燕一號(hào)和加燕一號(hào)葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨堿脅迫梯度的增大均呈降低趨勢(shì)，且25 mmol/L堿脅迫與0 mmol/L(對(duì)照組)對(duì)比葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降趨勢(shì)明顯．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在低濃度堿脅迫下葉綠素就會(huì)受到較大影響且兩種燕麥?zhǔn)軗p程度相當(dāng).

圖中小寫(xiě)字母不同表示在不同堿濃度處理下差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，p<0.05．圖4 不同堿脅迫對(duì)青燕一號(hào)和加燕一號(hào)葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

2.5 不同堿脅迫對(duì)青燕一號(hào)和加燕一號(hào)莖長(zhǎng)的影響

實(shí)驗(yàn)通過(guò)尺量法測(cè)量了不同堿脅迫下青燕一號(hào)和加燕一號(hào)在不同時(shí)間的幼苗莖長(zhǎng)變化情況．每隔24 h測(cè)量1次．圖5為96 h后青燕一號(hào)和加燕一號(hào)的莖長(zhǎng)情況，可以看出經(jīng)過(guò)堿脅迫處理的青燕一號(hào)的莖長(zhǎng)顯著高于加燕一號(hào)的莖長(zhǎng)且加燕一號(hào)受堿脅迫影響顯著．青燕一號(hào)和加燕一號(hào)在低濃度(25 mmol/L)堿脅迫下幼苗呈生長(zhǎng)趨勢(shì)，從堿脅迫50 mmol/L開(kāi)始呈下降趨勢(shì)．由此可知堿脅迫對(duì)燕麥生長(zhǎng)起雙重作用，即低濃度促進(jìn)高濃度抑制.

圖中小寫(xiě)字母不同表示在不同堿濃度處理下差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，p<0.05．圖5 不同堿脅迫對(duì)青燕一號(hào)和加燕一號(hào)莖長(zhǎng)的影響

2.6 不同堿脅迫對(duì)青燕一號(hào)和加燕一號(hào)生物量的影響

從圖6和圖7中可以看出，隨著堿濃度的升高，青燕一號(hào)地上部分和加燕一號(hào)地上部分與地下部分的生物量均呈先升高后逐步降低的趨勢(shì)，即低濃度(25 mmol/L)促進(jìn)高濃度(≥50 mmol/L)抑制．加燕一號(hào)堿脅迫對(duì)地上部分生物量的影響較明顯，而兩種燕麥地下部分的生物量在堿脅迫下差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

圖中小寫(xiě)字母不同表示在不同堿濃度處理下差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，p<0.05．圖6 不同堿脅迫對(duì)青燕一號(hào)生物量的影響

圖中小寫(xiě)字母不同表示在不同堿濃度處理下差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，p<0.05．圖7 不同堿脅迫對(duì)加燕一號(hào)生物量的影響

2.7 不同堿脅迫對(duì)青燕一號(hào)和加燕一號(hào)根尖死亡情況的影響

根尖細(xì)胞死亡情況用臺(tái)盼藍(lán)染色法：用配制的臺(tái)盼藍(lán)溶液處理準(zhǔn)備好的幼苗根尖，如果幼苗的根尖細(xì)胞有損傷或者死亡的情況時(shí)，臺(tái)盼藍(lán)就會(huì)透過(guò)已經(jīng)變性的細(xì)胞膜與膜里面解體的DNA分子結(jié)合并使其著色，因此可以用該方法辨別細(xì)胞的死亡情況或者觀測(cè)根尖細(xì)胞損傷情況； 幼苗根尖細(xì)胞死亡或者損傷數(shù)目越多，藍(lán)色越明顯，反之顏色越淺[14]．從圖8可以看出，青燕一號(hào)和加燕一號(hào)的根尖著色情況隨堿濃度的升高而加深，即幼苗根尖細(xì)胞隨堿濃度的增大死亡率逐漸增大．在堿濃度超過(guò)100 mmol/L時(shí)，加燕一號(hào)的根尖著色情況明顯深于青燕一號(hào)，說(shuō)明加燕一號(hào)在高濃度堿脅迫下根尖細(xì)胞死亡較青燕一號(hào)多，即青燕一號(hào)較加燕一號(hào)更耐堿生存.

圖8 不同堿脅迫對(duì)青燕一號(hào)和加燕一號(hào)根尖死亡情況的影響

3 結(jié)論和討論

3.1 結(jié) 論

1) 通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，堿脅迫導(dǎo)致兩種燕麥存活率減小，嚴(yán)重破壞光合色素和膜系統(tǒng)； 在堿脅迫環(huán)境下青燕一號(hào)和加燕一號(hào)都會(huì)通過(guò)機(jī)體自身做出一定的調(diào)節(jié)去適應(yīng)輕微逆境并減少逆境帶來(lái)的危害．堿逆境會(huì)對(duì)植物造成滲透脅迫并干擾其營(yíng)養(yǎng)離子的平衡，進(jìn)而影響新陳代謝，對(duì)植株的生長(zhǎng)發(fā)育造成不良的影響，導(dǎo)致生物量積累降低[15-16].

2) 本實(shí)驗(yàn)表明，不同品種對(duì)逆境有不同的響應(yīng)，丙二醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)積累越多表明組織的保護(hù)能力越弱，在堿脅迫(≥50 mmol/L)時(shí)，青燕一號(hào)的自我保護(hù)能力比加燕一號(hào)要弱．青燕一號(hào)和加燕一號(hào)通過(guò)SOD酶活性和可溶性糖的動(dòng)態(tài)變化，在一定程度上維持了滲透平衡，SOD酶活性增加提高了活性氧的清除能力，SOD酶主要功能是消除生物體在新陳代謝過(guò)程中產(chǎn)生的有害物質(zhì)．如果SOD酶活性突然增高，說(shuō)明植物生長(zhǎng)狀態(tài)不良好，需要SOD酶來(lái)清除有害物質(zhì)．SOD酶活性高過(guò)一段時(shí)間后，植物生長(zhǎng)狀態(tài)好轉(zhuǎn)．葉綠素是光合作用的重要物質(zhì)，而Mg2+是葉綠素合成的必要元素，堿脅迫會(huì)導(dǎo)致Mg2+沉淀，進(jìn)而使得葉綠素合成受阻[17]，因此，青燕一號(hào)和加燕一號(hào)的葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降趨勢(shì)顯著．幼苗的生長(zhǎng)及生物量趨勢(shì)隨堿脅迫梯度做出低濃度促進(jìn)高濃度抑制的響應(yīng)[16]．根據(jù)細(xì)胞根尖情況明顯能夠看出青燕一號(hào)比加燕一號(hào)更耐堿.

3) 通過(guò)實(shí)驗(yàn)前期的操作過(guò)程及后期的數(shù)據(jù)驗(yàn)證，結(jié)合堿脅迫對(duì)多數(shù)生理指標(biāo)的響應(yīng)，可以得出青燕一號(hào)較加燕一號(hào)耐堿，且青燕一號(hào)的適宜生長(zhǎng)堿濃度一般在25 mmol/L.

3.2 討 論

1) 劉志華等[18]研究表明，植物要在堿環(huán)境中生存就要以降低生長(zhǎng)為代價(jià)來(lái)適應(yīng)堿環(huán)境，同時(shí)適宜堿濃度又能刺激植物生長(zhǎng)．田敏等[19]研究指出，MDA是膜脂過(guò)氧化的最終分解產(chǎn)物，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以反映植物遭受鹽堿脅迫的程度，MDA是衡量植物細(xì)胞膜系統(tǒng)受到氧化脅迫的重要觀察指標(biāo)．克熱木·伊力等[20]認(rèn)為，MDA積累越多表明組織的保護(hù)能力越弱．本實(shí)驗(yàn)研究表明，青燕一號(hào)和加燕一號(hào)的丙二醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨堿濃度的升高呈先增加后降低的趨勢(shì)．出現(xiàn)該現(xiàn)象可能是因?yàn)閮煞N燕麥在堿脅迫梯度處理下具有一個(gè)緩沖過(guò)程且對(duì)堿地具有一定的耐受性.

2) 逆境脅迫下，植物體內(nèi)發(fā)生氧化脅迫，破壞了酶系統(tǒng)對(duì)氧代謝的平衡，植物體可自身提高抗氧化系統(tǒng)活力來(lái)平衡活性氧代謝[21]．SOD酶對(duì)防止自由基活性氧的毒害至關(guān)重要，高SOD酶活性維持時(shí)間越長(zhǎng)，其清除自由基的能力就越強(qiáng)，從而植物的抗逆性也就越強(qiáng)[22]．本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，青燕一號(hào)和加燕一號(hào)SOD酶活性與實(shí)驗(yàn)對(duì)照組相比都呈上升趨勢(shì)，但在不同堿處理下表現(xiàn)出不同的響應(yīng)，可能是不同濃度下青燕一號(hào)和家燕一號(hào)抗逆性不同.

3) 在逆境下，植物受到外界環(huán)境的脅迫，會(huì)使其細(xì)胞失水，因此植物為了確保自身能夠正常生長(zhǎng)，便會(huì)分泌一些滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，以此來(lái)提高細(xì)胞內(nèi)溶質(zhì)濃度，降低水勢(shì)，使細(xì)胞可以從外界吸水．植物這種通過(guò)合成或積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)主動(dòng)適應(yīng)逆境環(huán)境的現(xiàn)象被稱為滲透調(diào)節(jié)[23]．可溶性糖是植物在逆境脅迫下的主要滲透物質(zhì)．本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，青燕一號(hào)和加燕一號(hào)在逆境脅迫下都會(huì)通過(guò)改變自身的代謝來(lái)應(yīng)對(duì)堿脅迫，其可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同堿處理下都有不同的響應(yīng)，但與對(duì)照組相比較都呈上升趨勢(shì)．分析認(rèn)為植物通過(guò)增加可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低滲透勢(shì)，促進(jìn)頂端葉片保持正常含水量，以保持正常的形態(tài)與生理狀態(tài).

4) 許多研究證明，植物種子在萌發(fā)期與幼苗形成期對(duì)堿脅迫比較敏感，此時(shí)幼苗的生長(zhǎng)受到明顯抑制，成株抗性普遍較高[24]．種子的萌發(fā)能力和幼苗長(zhǎng)勢(shì)是植株耐堿性早期鑒定及耐堿個(gè)體、 品種早期選擇的基礎(chǔ)．劉炳響等[25]研究表明生長(zhǎng)在堿環(huán)境中的植株，當(dāng)土壤溶液中堿成分超過(guò)一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)就會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生危害，主要包括離子毒害、 滲透脅迫和營(yíng)養(yǎng)不均衡等．本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，低濃度堿脅迫幾乎沒(méi)有抑制青燕一號(hào)和加燕一號(hào)種子的萌發(fā)，高濃度堿脅迫則明顯抑制，與上述研究結(jié)果一致．造成這種結(jié)果的原因可能是低濃度堿溶液促進(jìn)了細(xì)胞膜的滲透調(diào)節(jié)，或是微量無(wú)機(jī)離子對(duì)呼吸酶產(chǎn)生刺激作用[26]； 而高濃度溶液抑制種子萌發(fā)可能是由于堿離子的滲透效應(yīng)和毒性效應(yīng)[27]．結(jié)果表明低濃度處理促進(jìn)生長(zhǎng)，高濃度處理抑制生長(zhǎng).