混合蘇打堿脅迫對不同油菜品種幼苗生理及光合系統(tǒng)的影響

郭懷剛， 李 芬， 金 迪， 艾堂順， 赫可偉， 吳亞濱

(河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院長垣分院，河南長垣 453400)

土壤鹽堿化是制約糧食生產(chǎn)安全和土地利用效率的主要因素，目前，我國鹽堿土地和鹽堿障礙耕地總面積超過0.333 3億hm，約占全國耕地面積的10%，而且鹽堿土地總面積正以每年10%的速度增長，同時土地鹽堿化問題的解決一直與我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等戰(zhàn)略掛鉤。因此，挖掘和培育耐鹽堿植物資源是改良和利用鹽堿地最經(jīng)濟有效的生物途徑之一，對緩解耕地壓力、保障糧食安全和改善生態(tài)環(huán)境都具有非常重要的現(xiàn)實意義。

大量研究表明，當(dāng)植株受到鹽分離子脅迫危害時，其細(xì)胞生理代謝功能異常，極大程度上阻礙了植株對養(yǎng)分吸收與利用效率，使植物的生育進(jìn)程受阻。鹽堿脅迫還破壞植物體內(nèi)離子平衡，導(dǎo)致滲透脅迫和水分不足，最終降低光合速率并抑制植物生長。李子英等研究表明，鹽柳幼苗在鹽堿脅迫下，通過體內(nèi)積累脯氨酸和可溶性糖，來緩解造成的損傷。對于紫花苜蓿而言，混合鹽堿脅迫下，紫花苜蓿苗期葉片中的抗氧化酶活性呈現(xiàn)增加趨勢。相關(guān)研究表明，在低濃度鹽堿脅迫下，植物可通過體內(nèi)自身調(diào)節(jié)抗氧化酶活性來抵抗逆境對其造成的傷害，高濃度鹽堿脅迫下，抗氧化酶活性下降，從而對植物的損傷程度加劇，甚至死亡。

油菜(L.)是中國第一大油料作物，占自產(chǎn)植物油總量的47%以上，同時也是能源、青儲飼料和工業(yè)原料的重要來源。近年來，隨著休閑農(nóng)業(yè)和鄉(xiāng)村旅游業(yè)的發(fā)展，油菜又成為一種觀光型植物，種植面積逐步增加。油菜在生長過程中，當(dāng)受到鹽堿脅迫時，可致胚根、胚芽無法正常生長，種子萌發(fā)受到嚴(yán)重抑制；油菜幼苗苗高、根長、莖粗、葉面積、葉片葉綠素含量、葉片熒光參數(shù)隨鹽堿程度的升高呈下降趨勢，且油菜體內(nèi)活性氧(reactive oxygen species，簡稱ROS)失去平衡，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)發(fā)生變化，阻礙油菜的正常生長，嚴(yán)重影響油菜的產(chǎn)量和品質(zhì)。

目前，國內(nèi)外對鹽堿脅迫的研究主要集中在小麥、水稻、玉米等作物，而混合蘇打堿對油菜幼苗生長、光合系統(tǒng)和活性氧的影響研究較少。鑒于此，本研究利用混合蘇打堿處理不同品種油菜，研究不同油菜品種在堿脅迫下對生長和生理的影響， 以期明確油菜耐堿生理機制，為篩選耐堿油菜品種提供理論和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料甘藍(lán)型油菜三系雜交種豐油10號、常規(guī)種雙油8號，均由河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟作物研究所油菜研究室提供。

1.2 幼苗培育

試驗于2020—2021年在河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院長垣分院進(jìn)行。首先，挑選大小飽滿一致無破損的油菜種子，用10% NaHClO消毒，浸泡15 min，其間不斷攪拌，無菌水清洗4次，均勻擺入底部鋪有2層濾紙培養(yǎng)皿中，加10 mL無菌水，于培養(yǎng)箱(上海博訊光照培養(yǎng)箱，BSG-300)22 ℃暗培養(yǎng)催芽48 h。然后，將芽長一致的油菜種子播于裝有基質(zhì)營養(yǎng)土[蛭石 ∶土=1 ∶1(∶)]的塑料花盆(上口徑 180 mm×下口徑125 mm×高150 mm)中，每盆定植6株，覆土1 cm，培養(yǎng)條件如下：晝夜溫度為(23±1) ℃/(18±1) ℃，光照14 h，光照度為 30 000 lx，相對濕度為60%～80%。

1.3 堿脅迫處理

油菜幼苗長至3葉1心時，選取長勢一致的油菜幼苗直接進(jìn)行堿脅迫處理。根據(jù)堿化土壤中堿性成分的組成特點，試驗將選用NaCO和NaHCO2種試劑的100 mmol/L混合蘇打堿溶液，按照相同濃度不同配比及pH值由低到高，即將 NaCO∶NaHCO分別按照1 ∶9(S1)、5 ∶5(S2)、9 ∶1 (S3)的摩爾比混合，以不加堿溶液為空白對照CK(S0)，共模擬出4種堿脅迫環(huán)境，根據(jù)不同品種簡寫為“豐/雙”(表1)。堿處理為澆灌方式，每盆以100 mL混合蘇打堿溶液進(jìn)行澆灌處理，連續(xù)澆 3 d，以澆蒸餾水為對照，共8個處理，每個處理4次重復(fù)。堿處理后第3天，觀察幼苗生長狀態(tài)、測定光合指標(biāo)，然后取樣用錫箔紙包好，投入液氮中速凍，-80 ℃ 保存，備用。

表1 試驗處理

1.4 生長和生理指標(biāo)的測定

1.4.1 生長指標(biāo)和光合參數(shù) 在供試時間點分別取樣，測定植株株高、根長、地上部鮮質(zhì)量、地下部鮮質(zhì)量；濾紙包裹105 ℃烘箱殺青30 min，80 ℃烘至恒質(zhì)量，稱取地上部、地下部干質(zhì)量。利用Li-6400 XTR光合儀(美國Li-COR公司)測定油菜幼苗凈光合速率()、胞間CO濃度()、氣孔導(dǎo)度()、蒸騰速率()。

1.4.2 氮含量 油菜幼苗植物組織全氮含量采用凱氏定氮法(K1160凱氏定氮儀，海能未來技術(shù)集團(tuán)股份有限公司)測定。

1.4.3 抗氧化相關(guān)指標(biāo) 葉綠素a(Chl a)、葉綠素b(Chl b)、類胡蘿卜素(Car)的含量參照朱子超的方法測定并計算；超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，簡稱SOD)、過氧化物酶(peroxidase，簡稱POD)、過氧化氫酶(catelase，簡稱CAT)的活性參照J(rèn)iang等的方法測定；參照Hodges等的方法用硫代巴比妥酸法測定丙二醛(malondialdehyde，簡稱MDA)含量。

1.4.4 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì) 可溶性糖含量參照劉明楊等的方法采用蒽酮法測定；可溶性蛋白含量參照曹建康的方法采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法測定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2010對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和圖表制作，利用SPSS 21.0軟件進(jìn)行單/雙因素方差分析，采用Duncan’s檢驗法進(jìn)行多重比較及差異顯著性分析，相關(guān)分析采用Pearson’s相關(guān)系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 混合蘇打堿對不同油菜品種幼苗生長的影響

通過對不同品種油菜幼苗生長及表型分析，從圖1可以看出，與未處理對照相比，經(jīng)混合蘇打堿溶液處理后，不同油菜品種植株各處理呈現(xiàn)明顯變化。從群體水平來看，豐S2、豐S3、雙S2、雙S3處理株高均低于空白對照和S1處理(表2)，且植株葉片出現(xiàn)萎蔫現(xiàn)象；從個體水平來看，豐S1、雙S1處理株高大于豐S0、雙S0處理，豐S2、豐S3、雙S2、雙S3處理葉片出現(xiàn)黃化現(xiàn)象，且豐S3、雙S3處理較嚴(yán)重。

此外，混合蘇打堿對不同油菜品種生物量影響也不盡相同，從表2可以看出，與未處理對照相比，混合蘇打堿溶液處理油菜植株隨處理pH值的增高，株高、根長、地下部鮮質(zhì)量和地下部干質(zhì)量均呈先升高后降低趨勢，其中供試指標(biāo)在豐S3和雙S3處理較同品種對照分別降低了25.6%、32.0%、53.1%、44.4%和10.6%、16.2%、59.3%、40.0%；根冠比豐S3和雙S3處理較同品種對照降低31.1%和8.0%，表明不同程度堿脅迫可抑制油菜正常生長，阻礙油菜幼苗生物量的積累。

表2 混合蘇打堿對不同油菜品種幼苗生物量的影響

2.2 混合蘇打堿對不同油菜品種幼苗葉綠素含量的影響

從表3可以看出，與未處理對照相比，堿脅迫可使油菜葉片Chla、Chlb、Chla+Chlb和Car含量隨pH值增高，呈先升高后降低趨勢，其中Chla、Chlb、Chla+Chlb和Car含量在豐S3和雙S3處理較同品種對照分別降低了36.2%、45.5%、38.8%、24.4%和56.8%、39.2%、52.6%、67.9%，表明不同程度的堿脅迫均可影響油菜葉片葉綠素含量。

表3 混合蘇打堿對不同油菜品種幼苗葉綠素含量的影響

2.3 混合蘇打堿對不同油菜品種幼苗光合參數(shù)的影響

如圖2所示，與未處理對照相比，堿脅迫處理不同品種油菜植株凈光合速率()、胞間CO濃度()、氣孔導(dǎo)度()和蒸騰速率()隨不同堿處理呈現(xiàn)不同程度變化。其中隨pH值增高雙油8號呈降低的趨勢，而豐油10號呈先降低后升高再降低趨勢，和隨pH值增高，均呈降低的趨勢，其中、和在豐S3和雙S3處理時較同品種對照分別降低了74.7%、73.8%、90.0%和78.9%、94.6%、92.0%(圖2-A、圖2-C、圖2-D)，且豐S3處理值高于雙S3；隨pH值增高，豐油10號呈先升高后下降再升高趨勢，而雙油8號呈先降低后升高趨勢，其中豐S3和雙S3較同品種對照升高了302.7%和659.1%(圖2-B)，且豐S3處理值低于雙S3，說明堿脅迫可使不同油菜品種葉片氣孔發(fā)生變化，導(dǎo)致植株凈光合速率下降，影響油菜幼苗光合產(chǎn)物積累和正常生長。

2.4 混合蘇打堿對不同油菜品種幼苗氮含量的影響

氮是植物生長過程中必需的重要元素之一，測定植物全氮含量可以直觀地了解植物生長狀況。如圖3所示，與未處理對照相比，隨pH值增高，豐油10號油菜氮含量呈下降趨勢；雙油8號油菜則呈先升高后下降趨勢，且品種內(nèi)不同處理間差異顯著。其中豐S3和雙S3較同品種對照降低了31.5%和29.9%，且豐油10號油菜各處理氮含量低于雙油8號。表明堿脅迫可使不同品種油菜植株氮含量產(chǎn)生影響，在S3處理較嚴(yán)重阻礙油菜植株生物量積累。

2.5 混合蘇打堿對不同油菜品種幼苗丙二醛含量的影響

丙二醛含量是衡量植物脂質(zhì)過氧化的重要指標(biāo)之一。如圖4所示，與未處理對照相比，堿脅迫2個油菜品種，植株MDA含量隨pH值的增高，呈上升的趨勢。其中豐S3和雙S3處理較同品種對照處理分別上升了379.1%和49.0%，且豐S3處理MDA含量較雙S3處理高45.7%，表明混合堿脅迫處理可導(dǎo)致不同油菜品種植株活性氧積累，膜質(zhì)發(fā)生氧化損傷，甚至嚴(yán)重?fù)p傷。

2.6 混合蘇打堿對不同油菜品種幼苗可溶性蛋白、可溶性糖含量的影響

與未處理對照相比，混合堿溶液處理2個品種油菜植株，其可溶性蛋白含量隨pH值的增高，呈上升的趨勢(圖5-A)；可溶性糖含量隨pH值的增高，豐油10號呈先降低后升高趨勢，而雙油8號呈升高趨勢(圖5-B)。其中可溶性蛋白含量、可溶性糖含量在豐S3和雙S3處理較同品種對照分別上升了23.1%、425.2%和10.3%、780.9%，且除可溶性蛋白含量S0處理，豐油10號各供試處理均高于雙油8號。表明混合堿脅迫處理可影響2個品種油菜植株可溶性蛋白和可溶性糖含量，增加的可溶性蛋白和可溶性糖可作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)抵御不同程度的堿脅迫。

2.7 混合蘇打堿對不同油菜品種幼苗抗氧化酶活性的影響

相同處理下，POD和CAT活性隨pH值增高，豐油10號呈先升高后降低再升高的趨勢，而雙油8號呈升高趨勢，其中豐油10號和雙油8號2個品種油菜體內(nèi)POD和CAT活性在S1、S2、S3處理時較同品種對照分別上升了110.5%、2.33%、414.0%，33.5%、83.5%、223.6%(圖6-B)和22.2%、18.5%、155.6%，158.8%、164.7%、417.6%(圖6-C)，且在高pH值處理(S3)下雙油8號酶活性均高于豐油10號，表明堿脅迫導(dǎo)致油菜體內(nèi)多個活性氧清除系統(tǒng)啟動，用于維持體內(nèi)活性氧穩(wěn)態(tài)。

2.8 不同油菜品種、pH值對各生理指標(biāo)的影響

如表4所示，油菜品種和土壤pH值對油菜幼苗各生理指標(biāo)均產(chǎn)生影響，其中品種與POD活性、氮含量呈極顯著影響，pH值與株高、葉綠素含量、MDA含量、POD活性和氮含量呈極顯著影響；同時，二者(品種×pH值)交互作用對植物株高呈顯著影響，與葉綠素含量、MDA含量、POD活性和氮含量均呈極顯著影響。表明在混合蘇打堿脅迫下，品種及pH值對油菜幼苗生長產(chǎn)生顯著影響，且二者之間具有互作效應(yīng)。

表4 油菜品種、pH值對相關(guān)生理指標(biāo)雙因素方差分析結(jié)果

2.9 油菜幼苗與相關(guān)生理指標(biāo)間相關(guān)性分析

由表5可知，混合蘇打堿溶液處理2個油菜品種，油菜幼苗株高與、葉綠素含量呈顯著正相關(guān)，與呈極顯著負(fù)相關(guān)；氮含量與、、呈極顯著正相關(guān)，與、CAT活性和可溶性糖含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與POD活性和可溶性蛋白含量呈顯著負(fù)相關(guān)；葉綠素含量與株高、呈顯著正相關(guān)，與呈極顯著負(fù)相關(guān)，與可溶性糖含量呈顯著負(fù)相關(guān)；MDA含量與POD活性、CAT活性呈極顯著正相關(guān)，與可溶性蛋白含量和可溶性糖含量呈顯著正相關(guān)，與呈顯著負(fù)相關(guān)；可溶性蛋白含量與、CAT活性、MDA含量、可溶性糖含量呈顯著正相關(guān)，與POD活性呈極顯著正相關(guān)，與、、氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與呈極顯著負(fù)相關(guān)；可溶性糖含量與、CAT活性呈極顯著正相關(guān)，與POD活性、MDA含量和可溶性蛋白含量呈顯著正相關(guān)，與、、、可溶性糖含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與葉綠素含量呈顯著負(fù)相關(guān)。

表5 堿脅迫油菜幼苗與生理指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)

綜上所述，油菜植株氮含量、葉綠素、光合參數(shù)、抗氧化酶活性、MDA含量和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之間相關(guān)性顯著，說明混合蘇打堿處理可以對油菜幼苗的生理產(chǎn)生綜合影響，從而影響植株凈光合速率及營養(yǎng)物質(zhì)的積累。

3 討論與結(jié)論

3.1 混合蘇打堿對不同油菜品種幼苗生長特征的影響

本研究表明，在不同配比的混合蘇打堿溶液處理下，油菜幼苗生長均受影響，其最直觀表現(xiàn)為株高、根長、干鮮質(zhì)量的變化。相關(guān)學(xué)者認(rèn)為，鹽堿脅迫能抑制植物生長發(fā)育，且對地上部抑制較明顯。范惠玲等研究表明，蕓芥在混合鹽堿脅迫下，其根長、干鮮質(zhì)量受到抑制。本研究結(jié)果顯示，豐油10號、雙油8號油菜株高與CK間差異不顯著，而在S3處理時差異顯著，且雙S3處理高于豐S3處理，表明雙油8號油菜更適應(yīng)高pH值的生長環(huán)境。本研究還表明，2個油菜品種葉綠素含量隨pH值的增加呈先升高后降低的趨勢，與Feng等研究結(jié)果相一致。

3.2 混合蘇打堿對不同油菜品種幼苗生理特征的影響

在植物正常生理代謝過程中，光合作用是其主要途徑之一。氣孔及非氣孔因素是影響光合速率的2個主要因素，非氣孔因素主要是由于CO溶解度降低，氣孔擴散能力減弱導(dǎo)致；而氣孔限制因素下，植物常表現(xiàn)為光合速率下降、輸導(dǎo)組織受損、氣孔阻力升高。相關(guān)研究表明，當(dāng)植物受脅迫導(dǎo)致葉片損傷時，光合作用下降。本試驗研究結(jié)果顯示，豐油10號、雙油8號2個油菜品種、和隨堿溶液pH值的增高整體呈降低的趨勢，與李學(xué)孚等研究結(jié)果一致，表明油菜葉片光合作用降低主要是由氣孔限制導(dǎo)致。硝酸鹽作為植物主要氮源，大多數(shù)植物利用本身一部分光合產(chǎn)物進(jìn)行硝酸鹽的同化和吸收，光合速率下降影響植物硝酸鹽同化，本試驗結(jié)果表明，堿脅迫處理2個油菜品種，植株氮含量隨pH值的增高，豐油10號呈下降趨勢，雙油8號呈先升高后下降的趨勢，且雙油8號油菜不同處理全氮含量均高于豐油10號，反映出雙油8號品種油菜較好的耐堿性。

MDA含量是衡量植物膜質(zhì)氧化損傷程度的重要指標(biāo)之一。劉萌等研究發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫下野生型大豆和栽培型大豆MDA含量均表現(xiàn)上升。隨著土壤酸度的增強，小麥根系的MDA含量增加。本研究發(fā)現(xiàn)，堿脅迫2個油菜品種，植株MDA含量隨pH值的增高呈上升的趨勢。且豐S3處理MDA含量較雙S3處理高45.7%，表明豐油10號油菜對堿較敏感，膜質(zhì)發(fā)生氧化損傷較嚴(yán)重。

可溶性糖作為植物的碳源和能量來源，對細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)起穩(wěn)定作用，同時可溶性蛋白質(zhì)和可溶性糖等作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)中的有機溶質(zhì)，可保護(hù)大分子結(jié)構(gòu)免受非生物脅迫引起的損害，并在植物氧化還原過程中起關(guān)鍵作用。路旭平等研究表明，不同供試品種水稻根系可溶性蛋白含量和可溶性糖含量隨脅迫程度的增加呈現(xiàn)上升的趨勢。相關(guān)研究表明，鹽堿脅迫可誘導(dǎo)小白菜可溶性糖的積累。鹽堿混合脅迫下，高粱可溶性蛋白含量隨著鹽堿濃度的增加呈先升高后降低的趨勢。本研究發(fā)現(xiàn)，在不同比例混合蘇打堿處理下豐油10號和雙油8號2個油菜品種可溶性蛋白和可溶性糖含量，隨pH值的增加整體呈上升趨勢，且除CK外豐油10號油菜可溶性蛋白和可溶性糖含量及增幅均高于雙油8號，表明不同品種油菜鹽堿脅迫后滲透調(diào)節(jié)能力不同，豐油10號可積累更多滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，以抵御堿脅迫引起的滲透脅迫。

植物通過抗氧化防御系統(tǒng)平衡活性氧代謝，抗氧化系統(tǒng)包括非酶抗氧化劑，如谷胱甘肽(GSH)和抗壞血酸(AsA)，以及酶抗氧化劑，如SOD、POD和CAT等。有研究發(fā)現(xiàn)，堿脅迫處理海棠后，其SOD和POD的活性降低。劉鐸等研究結(jié)果表明，堿脅迫情況下隨著鹽濃度升高，柳樹葉片的SOD、POD和CAT這3種酶活性呈先升后降變化趨勢。Chen等研究表明，川蔓藻幼苗SOD、POD和CAT活性在低鹽堿濃度下增加，在高濃度下降低。本研究結(jié)果表明，在不同配比混合蘇打堿脅迫下，豐油10號和雙油8號油菜植株SOD、POD和CAT活性隨pH值的增高，呈不同趨勢變化，其中SOD活性在S3處理時雙油8號高于豐油10號；雙油8號植株P(guān)OD活性在各供試處理均高于豐油10號；雙油8號植株CAT活性在S1、S2和S3處理時均高于豐油10號。研究結(jié)果表明，在高pH值脅迫處理下雙油8號抗氧化防御系統(tǒng)較活躍，酶類抗氧化劑活性較高，說明雙油8號具有較強的酶促抗氧化系統(tǒng)，以抵御高pH值脅迫帶來的傷害。

3.3 混合蘇打堿對不同油菜品種幼苗生理指標(biāo)的影響

本研究根據(jù)油菜品種和pH值對生理指標(biāo)進(jìn)行雙因素方差分析，結(jié)果顯示，品種、pH值以及二者的互作效應(yīng)與各指標(biāo)均有密切關(guān)聯(lián)。同時，本試驗通過分析油菜幼苗各生理指標(biāo)的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，油菜株高、氮含量、葉綠素含量、光合參數(shù)、抗氧化酶活性、MDA含量和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之間相關(guān)性顯著，表明混合蘇打堿處理可以對油菜幼苗的生理產(chǎn)生綜合影響，從而影響植株凈光合速率及營養(yǎng)物質(zhì)的積累。

綜上所述，不同配比混合蘇打堿均可影響供試油菜幼苗正常生長和生理代謝，不同油菜品種對不同程度堿脅迫表現(xiàn)出不同生理特征，豐油10號油菜以積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來抵御堿脅迫帶來的傷害，而雙油8號品種油菜具有較強的酶促抗氧化系統(tǒng)，以增高酶類抗氧化劑活性，來抵御高pH值脅迫帶來的傷害。