表油菜素內(nèi)酯對(duì)NaCl脅迫下馬鈴薯生長(zhǎng)和塊莖品質(zhì)的影響

唐鑫華 孟 欣 石 憶 高紅秀 曲自成 張 浩 石 瑛

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，哈爾濱 150030)

鹽漬化土壤在世界范圍分布很廣，面積已達(dá)10億hm2，由于全球氣候變暖和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式等因素的影響鹽漬化土壤面積仍在增加[1-2]。而我國(guó)鹽堿地總面積達(dá)9 913萬(wàn)hm2，呈面積大、分布廣和類(lèi)型復(fù)雜的特點(diǎn)，是制約我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一[3]。土壤含鹽量在0.2%～0.5%即不利于作物的生長(zhǎng)，含鹽量超過(guò)0.6%將嚴(yán)重影響作物生長(zhǎng)[4-5]。鹽脅迫嚴(yán)重制約農(nóng)作物生長(zhǎng)，可顯著影響作物種子的發(fā)芽時(shí)間、整齊度和活力[6-7]，其通過(guò)作用細(xì)胞分裂和伸長(zhǎng)進(jìn)而抑制細(xì)胞的生長(zhǎng)，造成開(kāi)花時(shí)間縮短和老化加速等，并導(dǎo)致作物營(yíng)養(yǎng)發(fā)育緩慢和生殖發(fā)育受抑[8-9]；鹽脅迫下作物細(xì)胞脂膜穩(wěn)定性降低、活性氧積累增加、離子平衡打破，葉片光合作用下降[10-11]，并導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低和品質(zhì)下降[12-14]。

馬鈴薯是僅次于玉米、水稻和小麥的世界第四大糧食作物；我國(guó)已啟動(dòng)馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略，馬鈴薯將逐漸成為我國(guó)第四大主糧作物[15]。目前世界馬鈴薯平均單產(chǎn)為18.91 t/hm2，而我國(guó)平均單產(chǎn)為15.41 t/hm2僅為世界同期水平81.5%，較荷蘭等馬鈴薯種植業(yè)強(qiáng)國(guó)差距很大[15-17]。馬鈴薯屬于鹽敏感型作物，鹽脅迫造成馬鈴薯出苗率降低、生長(zhǎng)緩慢、產(chǎn)量下降、品質(zhì)降低[18-19]。

表油菜素內(nèi)酯(Epibrassinolide，EBR)是人工合成的高活性油菜素內(nèi)酯類(lèi)似物，一種新型植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)，同樣具有調(diào)控植物生長(zhǎng)和增強(qiáng)抗逆性的功能，能夠提高作物單位面積產(chǎn)量和提升作物品質(zhì)[20-21]。已有研究表明在鹽堿脅迫下外源EBR可提高大豆、玉米和甜菜等抗氧化酶活性、降低活性氧的積累、增強(qiáng)幼苗耐鹽堿脅迫的能力[22-24]。外源噴施EBR在一定程度上能緩解鹽堿脅迫對(duì)作物生長(zhǎng)的不利影響，抑制鹽脅迫下葉片葉綠素含量和凈光合速率下降幅度，避免植物受到嚴(yán)重的傷害[25-30]。目前，應(yīng)用EBR緩解馬鈴薯鹽害的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究以盆栽種植的馬鈴薯品種‘尤金’、‘東農(nóng)310’和‘東農(nóng)312’為研究材料，向基質(zhì)施加NaCl模擬輕度土壤鹽漬化，噴施EBR以期緩解NaCl脅迫處理對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)的影響，旨在對(duì)外源激素在作物抗逆響應(yīng)中的功能進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為降低土壤鹽漬化對(duì)馬鈴薯生產(chǎn)的影響提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)地點(diǎn)

盆栽試驗(yàn)馬鈴薯品種為早熟品種‘尤金’(出苗到成熟約70 d)、中晚熟品種‘東農(nóng)310’和‘東農(nóng)312’(出苗到成熟約90 d)[31-33]，種薯級(jí)別為原種1代。試驗(yàn)用表油菜素內(nèi)酯(EBR，CAS:78821-43-9)生產(chǎn)于美國(guó)Amresco公司，純度98%以上。盆栽試驗(yàn)地點(diǎn)在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)馬鈴薯盆栽場(chǎng)地。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取壯齡種薯、質(zhì)量均勻，播種前20 ℃、散色光催芽15 d；2019年5月8日播種，室外通風(fēng)網(wǎng)棚盆栽種植、每盆播種1粒整薯。盆栽所用盆規(guī)格為高26.0 cm、上部?jī)?nèi)徑33.0 cm，土壤至盆上沿3.0 cm。黑鈣土和草炭土按照體積比4∶1均勻混合，土壤溶液的pH 6.58、裂解氮195.3 mg/kg、速效磷42.7 mg/kg、速效鉀239.5 mg/kg、總鐵1.172 mg/kg、有機(jī)質(zhì)74.6 g/kg?；蕿槟蛩?N 460 g/kg)、磷酸二銨(N 180 g/kg，P2O5460 g/kg)和硫酸鉀(K2O 500 g/kg)，用量分別為1.50、2.25和3.00 g/盆，播種時(shí)施入。使用土壤水分快速測(cè)定儀TZS-1K-G(杭州托普儀器有限公司)測(cè)定基質(zhì)水分，人工澆灌，保持基質(zhì)水分含量適當(dāng)至各品種收獲前10 d。

各品種選取長(zhǎng)勢(shì)一致的植株于6月28日進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)置4個(gè)處理：處理A、B和C基質(zhì)施加20 g/L NaCl溶液1.0 L(模擬基質(zhì)輕度鹽漬化)[18-19，34-35]，CK基質(zhì)均勻澆入1.0 L蒸餾水；同時(shí)，處理B和C植株葉片分別噴施0.02和0.10 mg/L EBR至葉片正反面濕潤(rùn)且不流淌，CK和處理A葉片噴施蒸餾水，具體用量見(jiàn)表1，每個(gè)品種的各處理為12盆。于處理前當(dāng)日取樣測(cè)定指標(biāo)，6月28日記為第0天，處理后每隔14 d取樣測(cè)定指標(biāo)：7月13日(第15天)、7月28日(第30天)、8月12日(第45天)；并于8月23日收獲‘尤金’、9月9日收獲‘東農(nóng)310’和‘東農(nóng)312’。

表1 不同處理添加NaCl質(zhì)量和噴施EBR濃度Table 1 Supplemental amount of NaCl and EBR spraying concentration under different treatments

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

各處理于第 0、15、30和45天的7：00—11：00，選取植株最高分枝上部的第3、4片葉(每個(gè)品種、每個(gè)處理各取3株)，用Tang等[36-37]方法測(cè)定葉片SOD活性和MDA含量，用日本柯尼卡美能達(dá)公司SPAD-502葉綠素儀測(cè)定上、中和下部葉片的SPAD，用德國(guó) WALZ公司PAM-2500葉綠素?zé)晒鈨x測(cè)定葉片F(xiàn)v/Fm，用日本日立公司的Z-2000原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定塊莖的Zn、Fe、Mn、Cu、K礦質(zhì)元素含量[37]。于成熟期每個(gè)處理收獲6株，清除塊莖表面泥土等雜質(zhì)，測(cè)定單株產(chǎn)量。將樣品切成1.5 cm×1.5 cm×1.5 cm的小塊，置于烘箱105 ℃殺青，而后80 ℃下加熱干燥，至恒重為止[39]。

淀粉含量(g/kg)=(干物質(zhì)含量-57.5)×(1-0.015)

(1)

單株淀粉含量(g)=淀粉含量×單株產(chǎn)量

(2)

式中：57.5為干物質(zhì)中纖維素、蛋白質(zhì)和脂肪等含量，g/kg；0.015為糖分所占比值。

1.4 數(shù)據(jù)分析處理

應(yīng)用Excel 2013記錄數(shù)據(jù)、SPSS Statistics 19進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、GraphPad Prism 5制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)葉片的SOD活性的影響

由表2可知，3個(gè)品種馬鈴薯在4個(gè)取樣期葉片的SOD活性均呈現(xiàn)“先升高后降低”的趨勢(shì)，且處理間差異顯著。處理A中‘尤金’葉片SOD活性在第15、30和45天分別較CK 降低10.93%、7.65%和26.80%；而處理B和C在第15 d分別較CK高 24.58% 和36.56%，在第45天分別較CK高 674.96%和52.81%。處理A中‘東農(nóng)310’葉片SOD活性在第15和45天較CK分別低 6.93%和14.53%；而處理B在第15和45天分別比CK 高19.12%和155.70%。處理A中‘東農(nóng)312’葉片SOD活性在第15、30和45天分別比CK低 11.95%、22.82%和6.41%，而處理B在第45天比CK 高240.56%、處理C在第15和45天分別比CK高 7.35%和83.44%。綜上，NaCl處理后馬鈴薯葉片SOD活性下降，而噴施EBR可減緩葉片SOD活性的下降，0.02 mg/L EBR效果更明顯。

2.2 不同處理對(duì)葉片MDA含量的影響

由表3可知，3個(gè)品種在取樣期內(nèi)葉片的MDA含量呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)。處理A中‘尤金’葉片MDA的含量在第15、30、45天分別較CK高66.86%、77.09%、70.13%，而處理B在第15、30、45天分別比CK高14.41%、29.64%、28.26%，處理C在第30和45天分別比CK高79.36%和76.92%。NaCl脅迫下，3個(gè)品種處理A、B、C葉片的MDA含量較CK顯著增加，但處理B的增幅較小。處理A中‘東農(nóng)310’葉片的MDA含量在第15、30、45天分別比CK高13.73%、7.84%、11.79%，而處理B在第15、30、45天分別比CK低18.30%、16.99%、26.24%，處理C在第15天比CK低11.11%。處理A中‘東農(nóng)312’的葉片MDA含量在第15和45天分別較CK高35.66%和81.85%，而處理B在第30天較CK低28.02%、在第45天較CK高41.94%，處理C在第45天較CK高51.61%。綜上，NaCl脅迫造成馬鈴薯葉片的MDA含量上升，施用EBR可抑制MDA含量的升高，減緩NaCl脅迫對(duì)馬鈴薯葉片造成的傷害。

2.3 不同處理對(duì)葉片SPAD的影響

由表4可知，處理A中，3個(gè)品種的葉片SPAD在第15、30、45天均低于CK，其中‘尤金’葉片的SPAD在第15、45天分別較CK 低14.58%、8.73%，‘東農(nóng)310’ 處理A在第15天較CK低 5.95%，‘東農(nóng)312’處理A在第15、30、45天分別較CK低 9.79%、5.65%、7.03%。而3個(gè)品種處理B在第15、30、45天的SPAD均高于處理A，其中處理B 中‘尤金’在第30、45 天分別較處理A高26.68%、17.38%；‘東農(nóng)310’ 處理B在第15、30天比處理A 高15.03%、7.06%；‘東農(nóng)312’處理B在第30天較處理A高 17.30%。綜上，NaCl處理引起馬鈴薯葉片SPAD降低，施用EBR可使NaCl脅迫下馬鈴薯植株葉片SPAD升高，濃度為0.02 mg/L EBR效果更為顯著。

表2 不同處理馬鈴薯葉片SOD活性Table 2 SOD activity of potato leaves under different treatments U/(g·min)

表3 不同處理馬鈴薯葉片MDA含量Table 3 MDA content in leaves of potato under different treatments mmol/g

表4 不同處理下馬鈴薯葉片的SPADTable 4 SPAD of potato leaves under different treatments

2.4 不同處理對(duì)馬鈴薯葉片的Fv/Fm的影響

由表5可知，處理A中3個(gè)品種的葉片F(xiàn)v/Fm在第15、30和45天均低于CK；其中‘尤金’在第15、30、45天分別比CK低5.96%、7.06%、4.74%；‘東農(nóng)310’在第15和30天較CK低 3.26%和3.73%，‘東農(nóng)312’在第45天較CK低 2.25%。B處理中3個(gè)品種的葉片F(xiàn)v/Fm在第15、30、45天均高于處理A；其中‘尤金’在第15和30天分別較處理A高7.05% 和10.26%，‘東農(nóng)310’在第15、30、45天分別較處理A 高8.70%、3.61%、5.55%，‘東農(nóng)312’在第15天比處理A高3.74%。結(jié)果表明，NaCl處理已對(duì)馬鈴薯植株造成非生物逆境脅迫，葉片F(xiàn)v/Fm顯著下降，施用EBR可緩解NaCl脅迫的不利影響，施用0.02 mg/L EBR可顯著提高NaCl脅迫下馬鈴薯葉片的Fv/Fm。

2.5 不同處理對(duì)馬鈴薯塊莖中礦質(zhì)元素含量的影響

由表6可知，處理A中‘尤金’、‘東農(nóng)310’和‘東農(nóng)312’的塊莖Fe含量分別比CK低22.97%、46.43%和25.53%，K含量分別比CK低35.60%、34.84%、41.67%。而噴施EBR后，處理B中塊莖的Fe含量均高于CK，處理B、C塊莖的Fe含量均顯著高于處理A；處理B、C塊莖的K含量高于處理A，其中‘尤金’處理C比處理A高116.17%，‘東農(nóng)310’處理B、C分別較處理A高247.46%、257.61%，‘東農(nóng)312’處理B、C分別較處理A高137.91%、107.14%。處理A中，3個(gè)品種塊莖的Zn含量均高于CK，其中‘東農(nóng)310’和‘東農(nóng)312’較CK高29.93%和18.91%；處理B、C塊莖的Zn含量均顯著高于處理A。3個(gè)品種處理A的塊莖Mn含量分別較CK高44.20%、21.59%和40.50%。綜上，NaCl脅迫下塊莖的Zn、Mn含量增加，而Fe、K含量降低，施用EBR可顯著提高NaCl脅迫下馬鈴薯塊莖中Fe和K的含量。

2.7 不同處理對(duì)單株產(chǎn)量和塊莖品質(zhì)的影響

由表7可知，處理B中，‘尤金’、‘東農(nóng)310’和‘東農(nóng)312’的單株產(chǎn)量分別比處理A高26.19%、19.53%、7.69%；‘尤金’CK的單株產(chǎn)量最高。3個(gè)品種處理A的塊莖干物質(zhì)含量、淀粉含量和單株淀粉含量均顯著低于CK，而處理B的這3項(xiàng)指標(biāo)均顯著高于處理A。在單株淀粉含量方面，‘尤金’、‘東農(nóng)310’、‘東農(nóng)312’處理A比CK分別下降52.15%、32.48%、7.63%，而處理B比處理A分別提高26.18%、19.03%、27.85%。綜上，NaCl脅迫下，塊莖干物質(zhì)含量、淀粉含量和單株淀粉含量均有所降低，而噴施適當(dāng)濃度EBR可緩解鹽脅迫對(duì)馬鈴薯塊莖品質(zhì)和產(chǎn)量的不利影響，能顯著提高單株產(chǎn)量、塊莖干物質(zhì)含量、淀粉含量和單株淀粉含量。

表5 不同處理下馬鈴薯葉片的Fv/FmTable 5 Fv/Fm of potato leaves under different treatments

表6 不同處理下3個(gè)馬鈴薯品種的塊莖礦質(zhì)元素含量Table 6 Mineral element contents in tubers of 3 potato varieties under different treatments μg/g

表7 不同處理下3個(gè)馬鈴薯品種的單株產(chǎn)量和塊莖品質(zhì)Table 7 Yield per plant and tuber quality of 3 potato varieties under different treatments

3 討 論

3.1 EBR對(duì)于NaCl脅迫下馬鈴薯生理指標(biāo)的影響

在鹽脅迫下植物細(xì)胞的膜結(jié)構(gòu)最先受到影響，鹽脅迫會(huì)破壞細(xì)胞膜內(nèi)外鈉離子與鈣離子的平衡、加速膜質(zhì)過(guò)氧化、增加細(xì)胞膜通透性，導(dǎo)致膜系統(tǒng)受損[40-41]。MDA是膜脂過(guò)氧化的主要產(chǎn)物，可反映植物細(xì)胞的脂質(zhì)過(guò)氧化水平和生物膜損傷程度；SOD是生物體內(nèi)重要的抗氧化酶，能夠清除氧自由基[21]。本研究中NaCl脅迫下3個(gè)品種處理A植株葉片的MDA含量較CK顯著升高，表明植株遭受NaCl脅迫后導(dǎo)致處理A葉片細(xì)胞膜傷害程度增加、過(guò)氧化反應(yīng)終產(chǎn)物(如MDA)含量增加，而噴施EBR后15和45 d的處理B葉片的SOD含量均顯著高于CK和處理A，而處理B葉片的MDA含量顯著低于CK和處理A。因此，推測(cè)EBR通過(guò)提高抗氧化酶的活性(如SOD)抑制鹽脅迫下氧化基團(tuán)的積累，從而提高了植株的耐鹽性。

3.2 EBR對(duì)于NaCl脅迫下馬鈴薯SPAD和Fv/Fm的影響

在鹽脅迫下植物細(xì)胞膜質(zhì)過(guò)氧化、膜系統(tǒng)受到破壞，將影響葉綠體類(lèi)囊體膜的PSI和PSII復(fù)合體結(jié)合葉綠素a、b的能力，可導(dǎo)致SPAD下降[42-43]；另一方面在鹽脅迫下植株離子吸收和貯存的平衡被打破，可能導(dǎo)致葉綠素某些組成成分的含量下降(如鐵離子參與葉綠素a、b的合成)[44-45]，造成SPAD降低。因此本研究NaCl脅迫下處理A植株的葉片SPAD顯著低于CK；而噴施EBR可以提高SOD的活性，從而清除由于質(zhì)膜受損所產(chǎn)生的氧化基團(tuán)，能夠提高膜系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此在處理B和C條件下3個(gè)馬鈴薯品種的SPAD較處理A顯著提高。

Fv/Fm能夠反映PSⅡ內(nèi)光能轉(zhuǎn)換效率，在逆境脅迫條件下該參數(shù)會(huì)顯著下降[38]。NaCl脅迫下3個(gè)品種處理A的植株葉片F(xiàn)v/Fm均較CK顯著降低，表明植株受到了非生物逆境脅迫，原因是當(dāng)PSI和PSII受到損傷后葉綠體捕獲光能的能力下降、并且SPAD的降低導(dǎo)致電子傳遞效率降低，造成Fv/Fm顯著下降[42-43]。而EBR具有提高膜系統(tǒng)穩(wěn)定性的功能，因此在噴施EBR后處理B植株葉片的Fv/Fm較處理A顯著提高，降低了由于施加NaCl引起的非生物逆境脅迫的傷害程度，但處理C(0.10 mg/L EBR)在緩解葉片F(xiàn)v/Fm下降的作用方面不及處理B(0.02 mg/L EBR)。

3.3 EBR對(duì)于NaCl脅迫下馬鈴薯塊莖品質(zhì)和單株產(chǎn)量的影響

細(xì)胞內(nèi)Na+/K+濃度的平衡是保證植物在鹽脅迫下進(jìn)行正常生理代謝的關(guān)鍵[46]，James等[41]研究表明K+在調(diào)節(jié)植物體內(nèi)滲透壓和酸堿平衡上起重要作用，較高含量的K+有助于維持較高的酶活性來(lái)抵御鹽脅迫。本研究NaCl脅迫下3個(gè)品種馬鈴薯處理A植株成熟期塊莖的K含量顯著低于CK，而噴施EBR后處理B和C的塊莖K含量升高且均顯著高于處理A，推測(cè)外源EBR可以促進(jìn)馬鈴薯對(duì)K+的吸收和貯存，通過(guò)提高馬鈴薯塊莖K含量進(jìn)而平衡Na+/K+來(lái)抵御鹽脅迫的傷害。在單株產(chǎn)量方面，‘東農(nóng)310’和‘東農(nóng)312’處理A的單株產(chǎn)量較CK無(wú)顯著變化，這可能與鹽脅迫的程度有關(guān)，根據(jù)總含鹽量劃分試驗(yàn)中處理A、B和C基質(zhì)屬于輕度鹽漬化土壤(施加NaCl后)[18-19、34-35]，但3個(gè)品種處理A的塊莖干物質(zhì)含量、淀粉含量和單株塊莖淀粉含量均較CK顯著下降，在鹽脅迫下SPAD和Fv/Fm顯著降低，說(shuō)明在光反應(yīng)階段光能利用率和光能轉(zhuǎn)化效率下降，進(jìn)而造成暗反應(yīng)階段有機(jī)物合成能力降低；而噴施EBR后3個(gè)品種處理B的單株塊莖淀粉含量均顯著高于處理A，這與SPAD和Fv/Fm的變化較為一致。有研究表明，植株生物積累量、SPAD和凈光合速率Pn三者間均呈正相關(guān)關(guān)系[47-48]，而Fv/Fm可以反映植物受到的非生物逆境脅迫程度[38]，本試驗(yàn)中噴施較低濃度EBR(0.02 mg/L)可提高NaCl脅迫下葉片SPAD，從而提高Fv/Fm和Pn，因此減緩由于NaCl脅迫引起植株塊莖淀粉含量積累的下降，降低鹽脅迫對(duì)單株塊莖淀粉積累造成的不利影響。3個(gè)品種中‘尤金’(早熟品種)鹽脅迫后(處理A)單株塊莖淀粉質(zhì)量降幅高于‘東農(nóng)310’(中晚熟品種)和‘東農(nóng)312’(中晚熟品種)，這可能與品種的生育期和耐鹽性有關(guān)，尚有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

噴施EBR可顯著減緩由NaCl脅迫造成的‘尤金’、‘東農(nóng)310’和‘東農(nóng)312’ 3個(gè)馬鈴薯品種葉片SOD活性的下降、MDA含量的升高，并可顯著提高生育后期葉片SOD活性，顯著提高SPAD、減緩Fv/Fm下降。在塊莖品質(zhì)方面NaCl脅迫下植株塊莖中Zn、Mn含量增加而Fe、K含量降低，施用EBR可顯著提高馬鈴薯塊莖中Fe和K的含量。噴施EBR能顯著提高NaCl脅迫下馬鈴薯的單株產(chǎn)量、塊莖干物質(zhì)含量、淀粉含量和單株淀粉含量。綜上，噴施濃度為0.02 mg/L的EBR能夠顯著緩解NaCl脅迫對(duì)馬鈴薯的生長(zhǎng)和塊莖品質(zhì)的不利影響。