鹽與堿脅迫對(duì)燕麥離子平衡和有機(jī)酸含量的影響

李俊偉，劉景輝，王俊英，郭來春，王春龍，任長忠*

(1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/雜糧產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，呼和浩特 010019；2 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 生物技術(shù)研究所，北京 100081；3 吉林省白城農(nóng)業(yè)科學(xué)院，吉林白城 137000)

鹽堿地是一種分布較廣泛的土地資源，隨著氣候變化和灌溉農(nóng)業(yè)的發(fā)展，鹽堿地面積逐年擴(kuò)大[1]。鹽堿土壤類型多樣，根據(jù)土壤含鹽特征，可以將其區(qū)分為鹽土和堿土兩類[2-3]，由NaCl和Na2SO4引起的脅迫為鹽脅迫，由NaHCO3和Na2CO3引起的脅迫為堿脅迫，鹽脅迫、堿脅迫是兩類不同的脅迫形式[4]，以往的研究主要集中在鹽脅迫，對(duì)堿脅迫的研究報(bào)道較少，且研究不夠深入。

目前，植物耐堿性研究主要局限在鹽生植物上，如堿地膚[5]、星星草[6]、堿蓬[7]、虎尾草[8]、羊草[9]等，在少數(shù)幾種作物上也有報(bào)道[10-13]，這些研究主要通過對(duì)比鹽脅迫、堿脅迫之間的特征來探討兩類脅迫機(jī)制。研究結(jié)果表明，堿脅迫對(duì)植物體的影響明顯大于鹽脅迫[14]，堿脅迫的影響機(jī)制比鹽脅迫更復(fù)雜[15]，其中，鹽脅迫主要對(duì)植物造成離子脅迫[16]、滲透脅迫[17]和營養(yǎng)脅迫[18]，堿脅迫下的植物體則受到鹽脅迫和pH脅迫的雙重影響[19]。Na+/K+平衡是植物適應(yīng)鹽脅迫或堿脅迫的重要機(jī)制[20-21]，然而植物在適應(yīng)鹽脅迫與堿脅迫之間的離子平衡機(jī)制明顯不同[22]。此外，植物在適應(yīng)鹽脅迫與堿脅迫之間的光合響應(yīng)機(jī)制[23]、有機(jī)酸積累機(jī)制[24]和基因調(diào)控機(jī)制[25]也均存在差異。楊春武等[26]發(fā)現(xiàn)植物積累有機(jī)酸是其響應(yīng)堿脅迫的特異方式，但各類植物響應(yīng)堿脅迫的有機(jī)酸成分存在差異，例如檸檬酸是星星草響應(yīng)堿脅迫的主要有機(jī)酸成分，而草酸是沙棘響應(yīng)堿脅迫的主要有機(jī)酸成分。燕麥適應(yīng)鹽脅迫、堿脅迫的有機(jī)酸響應(yīng)機(jī)制目前并不明確。

燕麥(AvenasativaL.)是全球高緯度地區(qū)的特色作物，具有較強(qiáng)的耐鹽堿、耐寒、耐旱及耐土壤貧瘠的特性[27]，被稱為鹽堿地改良的先鋒作物。本次研究設(shè)置不同濃度的鹽脅迫、堿脅迫條件，通過比較鹽脅迫、堿脅迫下燕麥葉片離子含量和有機(jī)酸含量變化，剖析燕麥對(duì)兩類脅迫的響應(yīng)機(jī)制，為耐鹽堿燕麥品種的篩選、鑒別和利用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料及處理液配置

試驗(yàn)使用的燕麥品種為‘白燕2號(hào)’，種子由吉林省白城市農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。試驗(yàn)分別設(shè)置鹽脅迫組和堿脅迫組，將兩種中性鹽NaCl、Na2SO4及兩種堿性鹽Na2CO3、NaHCO3均按摩爾比5∶1混合[28]，以霍格蘭營養(yǎng)液為溶劑，參照文獻(xiàn)[29]的方法，分別配制成50、100、150、200 mmol/L的鹽處理溶液和堿處理溶液，對(duì)照組(CK)施加1/2 Hoagland營養(yǎng)液，其溶液pH 6.71；鹽脅迫組溶液的pH 6.85～7.29，屬于中性鹽溶液；堿脅迫組溶液pH 9.31～9.49，堿性鹽溶液的pH隨濃度變化不明顯。

1.2 材料培養(yǎng)與脅迫處理

試驗(yàn)于2020年在吉林省白城市農(nóng)業(yè)科學(xué)院日光溫室內(nèi)進(jìn)行，自然光照，溫度為21～24 ℃。挑選30粒種子播種于塑料花盆內(nèi)，每盆直徑22 cm、高18 cm，盛放沙子5 kg，共播種30盆。將所有材料分成10組，每組3盆，作為3次重復(fù)，一組用于脅迫開始之前的取樣，另設(shè)一組作為對(duì)照組(CK)，其余8組用于鹽脅迫、堿脅迫處理。每2 d施加300 mL的1/2 Hoagland營養(yǎng)液以保持基質(zhì)濕潤，出苗后每盆定苗20株，待幼苗生長至三葉一心期開始鹽堿脅迫處理。先取處理之前的一組材料，取10株測(cè)量株高，之后洗凈稱重；其余各處理組中，一組作為對(duì)照，繼續(xù)施加1/2 Hoagland營養(yǎng)液，每2 d施加300 mL處理溶液，鹽處理組和堿處理組分別施加等量的目標(biāo)處理溶液。開始鹽、堿脅迫時(shí)，為了避免鹽激作用，按照每次增加1/4目標(biāo)濃度的方法逐步提高脅迫濃度，達(dá)到目標(biāo)濃度后繼續(xù)處理，脅迫持續(xù)21 d，取樣測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 生長指標(biāo)取各處理組及其3次重復(fù)的植株，用蒸餾水沖洗干凈，吸干表面水分，隨機(jī)取10株樣品用直尺測(cè)量植株株高，用分析天平稱量鮮重，再將材料于105 ℃下殺青，于80 ℃烘干至恒重后稱量干重，然后將葉片磨碎備用，其余樣品冷凍保存?zhèn)溆?。并?jù)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算植株相對(duì)生長速率和含水率。

相對(duì)生長速率=(處理組植株株高/對(duì)照組植株株高)×100%；

含水率=(鮮重—干重)/鮮重×100%

1.3.3 葉片有機(jī)酸含量有機(jī)酸含量采用質(zhì)譜檢測(cè)方法，委托迪信泰檢測(cè)科技有限公司測(cè)定，測(cè)定的有機(jī)酸種類包括檸檬酸、烏頭酸、琥珀酸、蘋果酸、草酸、甲酸、乙酸、乳酸這8種有機(jī)酸組分。取1 g新鮮葉片樣品磨碎，加10 L 50 mmol/L的HCl在 80 ℃ 下提取2 h，離心取上清液，用超純水定容至25 mL，得到有機(jī)酸提取液，利用Agilent 高效液相色譜儀配備二極管陣列檢測(cè)器檢測(cè)有機(jī)酸，測(cè)定條件：C18Hypersil ODS (250 mm×4.6 mm, 5 μm)，流動(dòng)相為0.04 mmol/L 全氟丁酸，流速為0.5 mL/min，柱溫為30 ℃，進(jìn)樣量為50 μL。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用 SPSS 23.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，差異顯著性檢驗(yàn)(α=0.05)采用 LSD 法。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽、堿脅迫對(duì)燕麥植株生長速率和含水率的影響

圖1顯示：隨著鹽、堿脅迫濃度的升高，燕麥植株的相對(duì)生長速率和含水率均先升高后降低，且堿脅迫處理始終低于相同濃度的鹽脅迫處理。其中，與對(duì)照(0 mmol/L)相比，低濃度鹽脅迫一定程度促進(jìn)了生長，但50～150 mmol/L濃度的影響均未達(dá)到顯著水平，而200 mmol/L濃度的鹽脅迫顯著抑制了植株生長，且與其余鹽濃度處理均差異顯著；堿脅迫濃度越高，燕麥相對(duì)生長速率越低，并除50 mmol/L以外濃度的抑制均達(dá)到顯著水平，且各堿脅迫濃度間也均差異顯著；在200 mmol/L濃度下，燕麥株高生長速率在鹽脅迫、堿脅迫下分別較對(duì)照顯著降低18.57%和34.51%(圖1，A)。同時(shí)，燕麥植株含水率在鹽脅迫、堿脅迫下的變化趨勢(shì)與相對(duì)生長速率一致；在200 mmol/L濃度下，鹽脅迫、堿脅迫處理植株含水率較對(duì)照分別顯著降低23.72%和28.8%(圖1，B)。以上結(jié)果說明鹽脅迫、堿脅迫對(duì)植株的生長及含水率均具有抑制作用，濃度越高抑制作用越強(qiáng)，且堿脅迫的影響始終大于同濃度鹽脅迫。

鹽或者堿脅迫內(nèi)不同小寫字母表示脅迫濃度間在0.05水平存在顯著性差異，下同

2.2 鹽、堿脅迫對(duì)燕麥葉片離子含量的影響

2.2.1 陽離子含量隨著鹽脅迫、堿脅迫濃度增加，燕麥葉片的Na+含量均逐漸增加，并且各濃度處理間均差異顯著，堿脅迫處理始終高于相同濃度的鹽脅迫處理；而燕麥葉片的K+、Ca2+和Mg2+含量均表現(xiàn)出逐漸降低的相同變化趨勢(shì)，且堿脅迫處理的陽離子含量始終低于相同濃度的鹽脅迫處理(圖2)。其中，在200 mmol/L的鹽和堿脅迫下，與對(duì)照(0 mmol/L)相比，燕麥葉片Na+的含量較對(duì)照分別顯著增加320.62%和456.99%(圖2，A)，K+含量分別顯著降低14.98%和28.12%(圖2，B)，Ca2+含量分別顯著降低26.04%和59.17%(圖2，C)，Mg2+含量分別顯著降低27.03%和41.07%(圖2，D)。

圖2 鹽和堿脅迫下燕麥葉片中陽離子含量的變化

同時(shí)，鹽脅迫、堿脅迫導(dǎo)致燕麥植株體內(nèi)原有的陽離子組分結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。以200 mmol/L鹽、堿脅迫為例，燕麥葉片各陽離子占總陽離子含量的百分比如表1所示。其中，各陽離子含量百分比在CK條件下為K+>Na+>Ca2+>Mg2+，在鹽脅迫下為K+>Na+>Ca2+>Mg2+，在堿脅迫下則為Na+>K+>Ca2+>Mg2+。燕麥植株葉片內(nèi)的主要陽離子在CK條件下是K+，占總陽離子量的62.53%，在鹽、堿脅迫下Na+是葉片中的主要鹽離子，分別占總陽離子量的43.07%和54.36%，K+含量則分別降低至55.99%和45.14%。說明鹽、堿脅迫均引起植株葉片 Na+相對(duì)含量大幅增加，并引起K+相對(duì)含量降低，堿脅迫的影響大于鹽脅迫。燕麥葉片中Ca2+和Mg2+在陽離子中的相對(duì)含量較低，其相對(duì)含量在鹽、堿脅迫下均降低。另外，由于燕麥植株的Na+含量大幅增加，而其他陽離子相對(duì)含量降低，從而引起植株內(nèi)Na+/K+、Na+/Ca2+、Na+/Mg2+增加。

表1 鹽和堿脅迫下燕麥葉片陽離子組分比例

圖3 鹽和堿脅迫下燕麥葉片中陰離子含量的變化

表2 鹽和堿脅迫下燕麥葉片陰離子組分比例

2.3 鹽、堿脅迫對(duì)燕麥葉片有機(jī)酸含量的影響

如圖4所示，隨著鹽、堿脅迫濃度的增加，燕麥葉片檸檬酸、烏頭酸、琥珀酸、蘋果酸、草酸、乙酸和乳酸含量均表現(xiàn)出不同程度升高趨勢(shì)，且堿脅迫始終明顯高于相應(yīng)濃度的鹽脅迫處理，而其甲酸含量卻有逐漸降低的趨勢(shì)，且堿脅迫始終明顯低于相應(yīng)濃度的鹽脅迫處理。其中，燕麥葉片琥珀酸、乙酸和乳酸含量在各濃度鹽脅迫下均無顯著變化，與相應(yīng)對(duì)照均無顯著差異；其葉片蘋果酸含量在50～150 mmol/L鹽脅迫下也無顯著變化，僅在鹽濃度達(dá)到200 mmol/L時(shí)比對(duì)照顯著升高；葉片檸檬酸、烏頭酸和草酸含量在50和100 mmol/L鹽脅迫下也無顯著變化，在150和200 mmol/L鹽脅迫時(shí)比對(duì)照顯著升高。燕麥葉片檸檬酸、烏頭酸、琥珀酸、蘋果酸、草酸、乙酸和乳酸含量在50 mmol/L堿脅迫下均比對(duì)照顯著升高，且堿濃度越高有機(jī)酸含量越高；在150和200 mmol/L堿脅迫下，葉片烏頭酸含量仍顯著增加，而其他有機(jī)酸含量隨著堿濃度升高變化不明顯。總之，堿脅迫對(duì)燕麥葉片中各有機(jī)酸含量的影響大于鹽脅迫。

圖4 鹽和堿脅迫下燕麥葉片有機(jī)酸含量的變化

同時(shí)，燕麥葉片有機(jī)酸組分結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境條件下也有所差異(表3)。其中，以200 mmol/L鹽、堿脅迫為例，在CK條件下，葉片各有機(jī)酸組分的含量次序?yàn)椋簷幟仕?烏頭酸>蘋果酸>琥珀酸>乙酸>乳酸>甲酸>草酸，檸檬酸和烏頭酸是主要有機(jī)酸組分，分別占總有機(jī)酸含量的31.86%和29.81%，其他有機(jī)酸相對(duì)含量較少；在200 mmol/L鹽、堿脅迫下，葉片各有機(jī)酸組分的含量均表現(xiàn)為：烏頭酸>檸檬酸>琥珀酸>蘋果酸>乳酸>甲酸>乙酸>草酸，烏頭酸是堿脅迫條件下的主要有機(jī)酸，占有機(jī)酸總量的52.94%，其次是檸檬酸，占總有機(jī)酸總量的23.36%，隨后琥珀酸、蘋果酸的相對(duì)含量依次減小。草酸、甲酸、乙酸和乳酸在各環(huán)境條件下均屬于低含量有機(jī)酸。

表3 鹽和堿脅迫下燕麥葉片有機(jī)酸組分比例

2.4 燕麥葉片各類離子濃度的相關(guān)性分析

圖5 鹽(A)和堿脅迫(B)下鹽堿濃度及燕麥葉片中各離子含量的相關(guān)性分析

3 討 論

3.1 鹽、堿脅迫對(duì)燕麥生長速率和含水率影響

生長相關(guān)指標(biāo)是反映植物對(duì)環(huán)境適應(yīng)的直接指標(biāo)。本次研究結(jié)果表明，不高于100 mmol/L的鹽脅迫處理能夠提高燕麥植株的水分含量，刺激植株干物質(zhì)量積累，促進(jìn)植株生長，這一結(jié)果與前人研究結(jié)果一致[31-32]；高濃度鹽脅迫抑制燕麥生長，降低植株的含水率，影響植物的生長。鹽脅迫同時(shí)對(duì)細(xì)胞造成滲透脅迫和離子毒害，鹽脅迫的次級(jí)影響較復(fù)雜，包括導(dǎo)致氧化脅迫以及破壞膜脂、蛋白質(zhì)和核酸等細(xì)胞組分，并引起代謝紊亂，最終影響植株生長[33-35]。堿脅迫對(duì)燕麥植株生長速率的影響大于鹽脅迫，且隨著脅迫濃度升高，植株生長受到的抑制作用更加強(qiáng)烈，200 mmol/L堿脅迫引起部分植株失水萎蔫或死亡。Yang等[11]認(rèn)為，植株在堿脅迫下不僅要抵御滲透脅迫和維持離子平衡，同時(shí)需要消耗營養(yǎng)物質(zhì)和能量來調(diào)節(jié)根系環(huán)境的pH值，認(rèn)為雙重脅迫因子是堿脅迫對(duì)植物體影響大于鹽脅迫的主要原因。

3.2 鹽、堿脅迫對(duì)燕麥離子平衡影響機(jī)制的比較

3.3 鹽、堿脅迫對(duì)燕麥有機(jī)酸影響機(jī)制的比較