鹽堿脅迫對(duì)工業(yè)大麻生長發(fā)育的影響

曹 焜，孫宇峰，張曉艷，趙 越，邊 境，姜 穎，張志國，朱 浩，王 盼，韓承偉，郭永霞，王曉楠

(1.黑龍江省科學(xué)院大慶分院，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院，黑龍江 大慶 163319；3.國家雜糧工程技術(shù)研究中心，黑龍江 大慶 163319；4.黑龍江省作物-有害生物互作生物學(xué)及生態(tài)防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163319)

大麻(CannabissativaL.)又稱線麻、火麻、寒麻等，是大麻科(Cannabinaceae)大麻屬(Cannabis)一年生草本植物，按用途分為工業(yè)用和醫(yī)藥用兩種。國際上將四氫大麻酚(THC)含量低于0.3%的品種類型稱為工業(yè)大麻[1]。隨著《黑龍江省禁毒管理?xiàng)l例》的頒布和實(shí)施，加之工業(yè)大麻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，黑龍江省逐漸成為工業(yè)大麻種植的主要省份[2-3]，種植面積達(dá)3.4萬hm2。

工業(yè)大麻適應(yīng)性廣，具有較強(qiáng)的鹽堿耐受性[4-5]，隨著供給側(cè)結(jié)構(gòu)的改革和種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，工業(yè)大麻種植向“非耕地”轉(zhuǎn)移已成為趨勢(shì)。黑龍江省約有66.7萬hm2鹽堿地，且呈逐年遞增趨勢(shì)，嚴(yán)重影響糧食、牧草產(chǎn)量，進(jìn)而限制農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展。通常，根據(jù)pH值將蘇打鹽堿地劃分為非鹽堿地(pH值小于7.5)，輕度鹽堿地(pH值7.5～8.5)、中度鹽堿地(pH值8.5～9.0)和重度鹽堿地(pH值9.0以上)。目前，關(guān)于工業(yè)大麻鹽堿耐受性方面的研究大多集中在苗期的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)合成和抗氧化酶活性改變等方面[4-6]。通過多年的栽培試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，工業(yè)大麻能在輕、中度鹽堿環(huán)境下生長，但關(guān)于鹽堿脅迫對(duì)工業(yè)大麻生長發(fā)育影響的研究鮮有報(bào)道。為此，本研究從生長發(fā)育角度，選擇具有不同鹽堿耐受性工業(yè)大麻品種，分析鹽堿脅迫對(duì)其生長發(fā)育的影響，為工業(yè)大麻抗鹽堿性育種提供理論基礎(chǔ)。

表1 土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分狀況Table 1 Basic nutrient status of soil

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)概況

以鹽堿耐受型品種火麻一號(hào)(H)和敏感型品種金刀-15(J)為研究對(duì)象。在大慶市東風(fēng)農(nóng)場(46.63° N，125.19° E)選擇一塊耕作5年以上的老耕地，根據(jù)土壤鹽堿化程度，多點(diǎn)采集土樣，形成pH梯度，分別為對(duì)照(0)、輕度鹽堿土樣(1)、中度鹽堿土樣(2)和重度鹽堿土樣(3)，土壤基本理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和管理

試驗(yàn)在黑龍江省科學(xué)院大慶分院內(nèi)遮雨大棚開展，采用盆栽方法，將采集土壤樣品陰干過篩，將土樣裝在底部無孔的桶內(nèi)(桶口直徑為30 cm，桶深度為25 cm)，每桶裝土15 kg，每桶施入3.15 g(N∶K∶P=12∶15∶18)硫酸鉀復(fù)合肥，每個(gè)土壤樣品種植20盆。挑選飽滿一致的工業(yè)大麻種子，根據(jù)田間生產(chǎn)實(shí)際情況，每盆播種40粒，于5月10日播種，出苗后每盆定苗30株。日常管理方法參照大田。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀

分別在苗期、快速生長期1(初期)、快速生長期2(末期)、現(xiàn)蕾期和工藝成熟期，取長勢(shì)均一的5株工業(yè)大麻測(cè)定株高、葉面積、根體積等農(nóng)藝性狀。工藝成熟期收獲后，測(cè)定原莖產(chǎn)量、出麻率等產(chǎn)量性狀，重復(fù)3次。根據(jù)土樣和品種，分別標(biāo)記為對(duì)照(H 0、J 0)、輕度鹽堿脅迫(H 1、J 1)、中度鹽堿脅迫(H 2、J 2)和重度鹽堿脅迫(H 3、J 3)。

1.3.2葉片光合指標(biāo)

在晴天的09：00—11：00時(shí)，選取不同生育時(shí)期的頂端葉片，使用SPAD-plus葉綠素測(cè)定儀測(cè)定SPAD值；使用OPTI-SCIENCES OS-30 P快速植物脅迫測(cè)定儀測(cè)定熒光指標(biāo)；使用Li-6400 XL光合測(cè)定儀測(cè)定光合速率參數(shù)Pn(凈光合速率)、Tr(蒸騰速率)、Gs(氣孔導(dǎo)度)、Ci(細(xì)胞間隙CO2濃度)；每個(gè)生育時(shí)期測(cè)定1次，重復(fù)5次，測(cè)定時(shí)避開葉脈。

1.3.3生理指標(biāo)測(cè)定

采用硫代巴比妥酸法測(cè)定丙二醛含量(MDA)[7]；茚三酮法測(cè)定游離脯氨酸含量(Pro)[7]；使用NBT光化還原法測(cè)定超氧化物歧化酶活性(SOD)[7]；使用紫外吸收法測(cè)定過氧化氫酶活性(CAT)[7]，重復(fù)3次。

圖1 不同pH值的鹽堿土對(duì)工業(yè)大麻農(nóng)藝性狀的影響Fig.1 Effects of different pH values of saline-alkali soil on agronomic traits of industrial hemp

1.3.4鈉鉀鈣離子含量測(cè)定

采用原子吸收分光光度計(jì)法測(cè)定根部鈉、鉀、鈣離子含量，重復(fù)3次。

1.3.5數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS 20軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同pH值鹽堿土對(duì)工業(yè)大麻農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀的影響

在土樣3(pH值9.3)的盆栽中，火麻一號(hào)和金刀-15的種子出苗率極低，受到極顯著抑制作用，且均在出苗后10 d內(nèi)全部枯萎死亡，無法開展后續(xù)試驗(yàn)，說明工業(yè)大麻不能在pH值大于9.3的鹽堿化土壤中生長。

如圖1所示，在不同生育時(shí)期，隨著土壤鹽堿程度加重，工業(yè)大麻株高、根體積和葉面積等農(nóng)藝性狀呈降低趨勢(shì)；但在快速生長期1，輕度鹽堿條件下，火麻一號(hào)的株高和根體積分別較對(duì)照增加了8.45%和13.17%，金刀-15較對(duì)照分別增加了5.00%和0。

隨著土壤鹽堿程度的加重，工業(yè)大麻纖維產(chǎn)量、稈芯重量和出麻率均顯著降低(表2)，說明鹽堿脅迫從纖維產(chǎn)量、稈芯重量和出麻率等方面影響工業(yè)大麻的產(chǎn)量。

表2 工藝成熟期產(chǎn)量性狀Table 2 Yield characters at technical maturing stage

2.2 不同pH值鹽堿土對(duì)工業(yè)大麻根部生理特性的影響

如圖2所示，工業(yè)大麻根部CAT、SOD、MDA含量和Pro含量隨著生育時(shí)期延長呈上升趨勢(shì)；在同一生育時(shí)期，隨著土壤鹽堿程度的加劇呈上升趨勢(shì)。與對(duì)照相比，火麻一號(hào)的CAT在輕度和中度鹽堿脅迫下分別升高17.67%～38.99%和59.33%～119.69%，而金刀-15的升高30.81%～85.26%和35.29%～66.33%；火麻一號(hào)的SOD在輕度和中度鹽堿脅迫下分別升高12.65%～29.90%和24.40%～90.83%，而金刀-15的升高11.50%～42.87%和36.17%～61.69%?；鹇橐惶?hào)的MDA在輕度和中度鹽堿脅迫下分別升高22.89%～136.10%和75.20%～294.97%，而金刀-15的升高68.75%～239.12%和104.20%～414.05%；火麻一號(hào)的Pro含量在輕度和中度鹽堿脅迫下分別升高4.25%～102.07%和22.64%～177.47%，而金刀-15分別升高11.31%～68.84%和28.72%～189.75%。說明鹽堿脅迫通過提高工業(yè)大麻根部CAT和SOD活性及MDA和Pro含量來增強(qiáng)工業(yè)大麻對(duì)鹽堿的適應(yīng)能力。

圖2 不同pH值的鹽堿土對(duì)工業(yè)大麻根部生理特性的影響Fig.2 Effects of saline-alkali soil with different pH values on physiological characteristics of industrial hemp root

如圖3所示，工業(yè)大麻根部Ca2+含量隨生育時(shí)期延長呈上升趨勢(shì)，但K+/Na+值則隨生育時(shí)期延長呈下降趨勢(shì)；在同一生育時(shí)期，Ca2+含量和K+/Na+值隨著土壤鹽堿程度的加劇呈下降趨勢(shì)。與對(duì)照相比，火麻一號(hào)的Ca2+含量在輕度和中度鹽堿脅迫下分別降低8.11%～27.45%和20.72%～47.55%，而金刀-15的K+/Na+值降低6.84%～23.75%和12.63%～24.70%；火麻一號(hào)的K+/Na+值在輕度和中度鹽堿脅迫下分別降低38.76%～67.55%和67.74%～84.17%，而金刀-15分別降低49.60%～65.90%和73.40%～83.87%。說明鹽堿脅迫影響工業(yè)大麻根部離子平衡，促進(jìn)Na+的吸收和Ca2+、K+的外排。

2.3 不同pH值鹽堿土對(duì)工業(yè)大麻葉片光合特性的影響

如圖4所示，工業(yè)大麻葉片的Pn、Tr、Gs、Ci、SPAD和熒光參數(shù)Fv/Fm隨著工業(yè)大麻的生長，呈先升高后降低的趨勢(shì)，在同一生育時(shí)期，隨著土壤鹽堿程度的加劇呈降低趨勢(shì)。苗期輕度鹽堿環(huán)境下火麻一號(hào)葉片的Tr和Gs分別高于對(duì)照3.55%和4.74%，而金刀-15分別高于對(duì)照13.94%和6.37%?？焖偕L期1的輕度鹽堿環(huán)境下火麻一號(hào)葉片Pn、SPAD和Fv/Fm值分別高于對(duì)照8.04%、0.74%和1.02%，而金刀-15分別高于對(duì)照10.65%、1.53%和2.53%。說明在苗期，輕度鹽堿脅迫對(duì)工業(yè)大麻的光合作用具有一定的促進(jìn)作用，但隨工業(yè)大麻的生長，抑制作用逐漸增強(qiáng)。

圖3 不同pH值的鹽堿土對(duì)工業(yè)大麻根部離子含量的影響Fig.3 Effects of saline-alkali soil with different pH values on ion content in root of industrial hemp

2.4 各指標(biāo)間的相關(guān)性分析

不同鹽堿度脅迫條件下，火麻一號(hào)和金刀-15的生理指標(biāo)間相關(guān)性分析(表3、表4)，各指標(biāo)間的相關(guān)性隨鹽堿脅迫條件的變化而發(fā)生變化。在鹽堿脅迫條件下，火麻一號(hào)的SPAD值與Fv/Fm呈顯著正相關(guān)，Ca2+與K+/Na+呈顯著負(fù)相關(guān)，而在正常條件下，這些生理指標(biāo)間無顯著相關(guān)性；而K+/Na+與Pro呈顯著負(fù)相關(guān)，而在鹽堿脅迫條件下，這些生理指標(biāo)間無顯著相關(guān)性。在中度鹽堿環(huán)境脅迫下，金刀-15的Ci與Tr呈顯著正相關(guān)，F(xiàn)v/Fm與Ci、Tr和SPAD呈顯著正相關(guān)，而在正常和輕度鹽堿環(huán)境下，這些生理指標(biāo)間無顯著相關(guān)性；正常和輕度鹽堿環(huán)境下，K+/Na+與CAT、SOD和Pro呈顯著負(fù)相關(guān)，而在中度鹽堿環(huán)境下，這些生理指標(biāo)間無顯著相關(guān)性。

2.5 鹽堿脅迫下工業(yè)大麻各性狀的主成分分析

不同程度鹽堿脅迫條件下，火麻一號(hào)和金刀-15農(nóng)藝性狀和生理特性進(jìn)行主成分分析，提取特征值大于1的主成分，其累計(jì)貢獻(xiàn)率大于90%，符合要求。綜合得分可作為整個(gè)生育時(shí)期內(nèi)各指標(biāo)受鹽堿脅迫影響程度的評(píng)價(jià)方式，分值越高，指標(biāo)受影響越大，反之越小。綜合得分見表5，可知在正常條件下，葉面積的綜合分最高；在輕度和中度鹽堿脅迫下，SOD的綜合分最高。

3 討 論

為精準(zhǔn)控制脅迫強(qiáng)度，許多學(xué)者利用氯化鈉、碳酸鈉、碳酸氫鈉或硫酸鈉模擬鹽或堿的逆境條件，從鹽脅迫或堿脅迫角度揭示植物的響應(yīng)機(jī)制[8-11]。但在實(shí)際生產(chǎn)中，土壤鹽堿化是個(gè)復(fù)雜的逆境條件[12]。因此，以生產(chǎn)應(yīng)用為目的的鹽堿耐受性研究可直接采用鹽堿土進(jìn)行外源脅迫[13-15]。

3.1 鹽堿脅迫對(duì)工業(yè)大麻農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀的影響

工業(yè)大麻在受到鹽堿脅迫時(shí)，農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量性狀和生理特性都會(huì)受到影響[10,16-17]。pH值為9.44的高堿性鹽脅迫時(shí)，工業(yè)大麻種子在萌發(fā)后期胚根和胚芽會(huì)變黃腐爛[18]。本研究發(fā)現(xiàn)，在pH值為9.3的鹽堿脅迫時(shí)，工業(yè)大麻出苗率極低，且在出苗后10 d內(nèi)全部枯萎死亡。土壤鹽堿環(huán)境較復(fù)合鹽模擬條件更加惡劣，說明工業(yè)大麻不能在pH值大于9.3的鹽堿化土壤中生長。

不同時(shí)期工業(yè)大麻農(nóng)藝性狀受到的影響程度是不同的[16]。本研究發(fā)現(xiàn)，在輕度鹽堿條件下，苗期的工業(yè)大麻株高和根體積較對(duì)照升高，可見低濃度的鹽堿脅迫對(duì)苗期的工業(yè)大麻生長具有一定的促進(jìn)作用[17,19]，也說明工業(yè)大麻具有較強(qiáng)的鹽堿耐受性，具有一定的鹽堿地改良功能[12]。但隨著鹽堿脅迫強(qiáng)度的增加和生育時(shí)期的變化，均表現(xiàn)出不同程度的抑制作用。

圖4 不同pH值的鹽堿土對(duì)工業(yè)大麻葉片光合作用的影響Fig.4 Effects of saline-alkali soil with different pH values on photosynthesis of industrial hemp leaves

表3 火麻一號(hào)各指標(biāo)間的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis among indexes of Huoma No.1

表4 金刀-15各指標(biāo)間的相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis among indexes of Jindao-15

表5 鹽堿脅迫下工業(yè)大麻各指標(biāo)的主成分綜合得分Table 5 The comprehensive scores of principal components of various characters in industrial hemp under saline-alkali stress

3.2 鹽堿脅迫對(duì)工業(yè)大麻生理特性的影響

植物受到逆境脅迫后，細(xì)胞膜透性增大、與抗性相關(guān)的酶和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量也會(huì)升高[20-21]。本研究發(fā)現(xiàn)，在同一生育時(shí)期，隨著土壤鹽堿程度的加劇，CAT和SOD升高；相同條件下，火麻一號(hào)的SOD活性高于金刀-15，表明擁有高活性SOD的品種往往具有更高的鹽堿耐受性[22]。在同一生育時(shí)期，隨著土壤鹽堿程度的加劇，MDA含量顯著升高，說明鹽堿脅迫致使膜脂過氧化而產(chǎn)生更多的MDA[23]；相同條件下，鹽堿耐受型品種的MDA含量升高幅度小于鹽堿敏感型品種，該規(guī)律與甜菜和冬青的鹽堿耐受性評(píng)價(jià)規(guī)律一致[21,24]。本研究表明，隨著土壤鹽堿程度的加劇，工業(yè)大麻根部Pro含量升高，說明通過積累較多的Pro能維持細(xì)胞滲透勢(shì)，從而增強(qiáng)工業(yè)大麻適應(yīng)鹽堿脅迫的能力[25]。植物根系的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)主要是有機(jī)溶質(zhì)和無機(jī)酸鹽兩類。鹽堿脅迫下，Na+通常會(huì)對(duì)K+產(chǎn)生拮抗作用[26]，隨著Na+含量的升高，進(jìn)而使得K+/Na+值降低。本研究發(fā)現(xiàn)，在同一生育時(shí)期，隨著土壤鹽堿程度的加劇，工業(yè)大麻根部的K+和Ca2+含量呈降低趨勢(shì)，Na+含量呈升高趨勢(shì)，該規(guī)律與張海軍等[27]和顏佳倩等[28]發(fā)現(xiàn)的規(guī)律相似。相同條件下，鹽堿耐受型品種的K+/Na+值較鹽堿敏感型品種高，說明較高的K+/Na+值是工業(yè)大麻適應(yīng)鹽堿環(huán)境的方式之一[25,29]。

鹽堿脅迫對(duì)植物葉綠素造成影響，進(jìn)而影響植物的光合生理[30]。本研究表明隨著土壤鹽堿程度的加劇，葉片的光合指標(biāo)呈下降趨勢(shì)。但在苗期，輕度鹽堿環(huán)境下，葉片的凈光合速率和葉綠素含量高于對(duì)照[8,31]，葉面積和根體積也高于對(duì)照[32]，說明輕度鹽堿脅迫在苗期對(duì)工業(yè)大麻具有一定程度的促進(jìn)作用。

滲透調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)，抗氧化酶活性越高的植物，對(duì)鹽堿環(huán)境就具有更好的適應(yīng)性[33-34]。本研究發(fā)現(xiàn)工業(yè)大麻的Pro、離子、CAT和SOD間具有顯著的相關(guān)性，但隨著鹽堿脅迫程度的加劇，他們之間的相關(guān)性發(fā)生變化，說明不同鹽堿耐受性品種在緩解鹽堿對(duì)其造成傷害時(shí)的調(diào)節(jié)機(jī)制是不同的[13,35]。工業(yè)大麻根部CAT、SOD和Pro的綜合得分隨著土壤鹽堿脅迫強(qiáng)度的增強(qiáng)呈上升趨勢(shì)，且在鹽堿脅迫條件下SOD綜合得分最高，說明SOD在清除活性氧方面發(fā)揮主要作用[35]；隨著土壤鹽堿脅迫強(qiáng)度的增強(qiáng)，Ci的綜合得分呈顯著降低趨勢(shì)，但Ci的綜合得分高于其他光合指標(biāo)，說明鹽堿脅迫通過抑制氣孔導(dǎo)度而抑制工業(yè)大麻的光合作用，下一步將結(jié)合氣孔限制值、葉綠體活性等指標(biāo)進(jìn)一步分析鹽堿土脅迫對(duì)工業(yè)大麻光合作用的影響[36]。

4 結(jié) 論

在鹽堿環(huán)境下，工業(yè)大麻受到抑制作用隨土壤pH值的上升而增加，當(dāng)土壤pH值超過9.3時(shí)，工業(yè)大麻無法生長。土壤鹽堿脅迫通過抑制氣孔導(dǎo)度而抑制工業(yè)大麻光合作用，進(jìn)而抑制工業(yè)大麻生長；根部通過積累較多Pro、提高SOD活性，增強(qiáng)工業(yè)大麻對(duì)鹽堿環(huán)境適應(yīng)性。通過分析不同鹽堿耐受性品種的鹽堿響應(yīng)機(jī)制，為工業(yè)大麻耐鹽堿性育種提供理論基礎(chǔ)。