不同水稻品種對 NaCl 脅迫的生理響應(yīng)及耐鹽性評價

劉夢霜　郭海峰　陳觀秀　莫俊杰　許江環(huán)　楊善　周鴻凱

關(guān)鍵詞：水稻；NaCl 脅迫；生長；生理；隸屬函數(shù)

中圖分類號：S511 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

土壤鹽漬化是限制作物生產(chǎn)發(fā)展的重要因素之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球范圍內(nèi)約有80 億hm2 的土地受到不同程度的鹽漬化影響，使耕地資源遭到破壞、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)損失巨大[1]。水稻是世界上主要的糧食作物之一，也是鹽堿地開發(fā)利用的首選糧食作物[2]。但是，它易受鹽害影響，在水稻生長發(fā)育各個階段，鹽分均會對其造成嚴(yán)重的危害。因此，挖掘和利用好耐鹽性強(qiáng)的水稻種質(zhì)資源，進(jìn)而選育出耐鹽、高產(chǎn)、高質(zhì)的水稻新品種，對保障耕地面積和穩(wěn)定糧食產(chǎn)量具有重要意義。

鹽脅迫不僅引起滲透脅迫、離子毒害和氧化脅迫等多重負(fù)效應(yīng)，而且嚴(yán)重抑制植物正常生長發(fā)育[3]。安輝等[4]發(fā)現(xiàn)，140 mmol/L NaCl 脅迫下水稻幼苗葉綠素合成及抗氧化酶活性受到顯著抑制，且丙二醛含量顯著增加，從而限制水稻的生長發(fā)育。滲透脅迫會引起土壤水勢降低，導(dǎo)致植物吸水困難造成水分虧缺。周毅等[5]研究表明，200 mmol/L NaCl 脅迫下水稻幼苗細(xì)胞失水，相對含水量下降，造成滲透脅迫。NaCl 脅迫引起大量Na+、Cl–積累，抑制K+、PO43–等離子的吸收，導(dǎo)致營養(yǎng)平衡遭到破壞，從而使植物生長發(fā)育受損[6]。滕祥勇等[7]研究表明堿性鹽脅迫下水稻幼苗體內(nèi)積累大量Na+，K+/Na+、Ca2+/Na+、Mg2+/Na+均顯著降低，從而導(dǎo)致植物的離子平衡遭到破壞。然而，不同植物具有不同的適應(yīng)性及耐抗性，鹽脅迫下，植物自身可以通過積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、離子區(qū)域化等方式避免或緩解鹽脅迫造成的危害[8]。海霞等[9]研究發(fā)現(xiàn)，耐鹽燕麥品種通過莖中Na+區(qū)域化，保持葉片和莖中較低的Na+/Ca2+和Na+/Mg2+以適應(yīng)鹽脅迫。張婷婷等[10]發(fā)現(xiàn)，鹽堿脅迫下耐鹽堿品種‘長白9 號脯氨酸、甜菜堿、肌醇等滲透物質(zhì)積累量遠(yuǎn)大于普通栽培品種‘吉粳78，從而有利于緩解鹽堿脅迫逆境。

不同水稻品種之間的耐鹽性存在差異性[11]。水稻耐鹽性的強(qiáng)弱可采用植株的形態(tài)生長參數(shù)及生理生化參數(shù)進(jìn)行評價，從而篩選出水稻種質(zhì)資源的耐鹽性品種。張治振等[12]利用營養(yǎng)液水培法對鹽脅迫下15 個粳稻品種的形態(tài)和生理特性進(jìn)行綜合評價，鑒定出耐鹽性較強(qiáng)的水稻品種為‘南粳46和‘寧粳44。黃潔等[13]利用鹽脅迫下不同水稻品種生長指標(biāo)測定以及丙二醛、可溶性糖和抗氧化酶活性的變化，比較了4 個水稻品種的耐鹽性強(qiáng)弱。耿雷躍等[14]通過分蘗期對2886 份水稻種質(zhì)進(jìn)行耐鹽性評價，鑒定篩選出137 份耐鹽種質(zhì)。

鑒于水稻豐富的遺傳多樣性，品種間的耐鹽性存在差異，其生理生化指標(biāo)的變化情況也各不相同。對于湛江海河交錯潮汐帶種植的水稻種質(zhì)‘HD961‘JX99以及本課題組選育的‘HH11等紅米型水稻的苗期耐鹽性評價尚無報(bào)道，因此，本研究以5 個水稻品種為試驗(yàn)材料，通過測定NaCl 脅迫下水稻幼苗生長及生理生化指標(biāo)，對5個水稻品種的耐鹽性進(jìn)行隸屬函數(shù)綜合分析，以期為水稻耐鹽品種篩選提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)水稻品種為‘HH11‘JX99‘日本晴‘9311‘HD961，其中‘日本晴為粳稻，其余為秈稻；‘日本晴和‘9311為白米型水稻，其余為紅米型水稻?！瓾D961為湛江海河交錯潮汐帶種植的古老地方種，俗稱“長毛谷”“赤禾”。‘HD961‘HH11‘JX99為耐鹽水稻，‘日本晴和‘9311為水稻模式種。5 份水稻材料均由廣東海洋大學(xué)濱海農(nóng)業(yè)學(xué)院水稻種質(zhì)資源庫提供。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 選取籽粒飽滿的種子于45℃溫水中處理2 h 以打破休眠，于30℃恒溫培養(yǎng)箱浸種催芽48 h，待種子發(fā)芽后，挑選長勢一致的種子移栽至裝有清水的96 孔黑色水培盒，后置于光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)至一葉一心期時，每隔3 d 更換一次Yoshida 營養(yǎng)液，光照培養(yǎng)箱條件設(shè)為光照16 000lx，28℃，14 h；黑暗，24℃，10 h；濕度75%。幼苗培養(yǎng)至三葉一心時，設(shè)3 個不同NaCl 濃度（0、70、140 mmol/L），0 mmol/L 為對照，分別脅迫處理7 d 后進(jìn)行取樣測定各項(xiàng)指標(biāo)，每個處理3 次生物學(xué)重復(fù)。

1.2.2 測定指標(biāo)及方法 （1）根系指標(biāo)的測定。用根系掃描儀（中晶 ScanMaker i800 Plus）掃描根系，獲取根系圖片，后用根系分析軟件分析根長、根表面積、根體積、根平均直徑、根尖數(shù)等指標(biāo)。

（2）生理指標(biāo)的測定。葉綠素含量測定采用乙醇-丙酮混合溶液浸泡法[15]；根系活力測定采用甲醇浸泡法[16]；丙二醛含量測定采用硫代巴比妥酸法[17]；參照李合生[18]的方法測定相對電導(dǎo)率和脯氨酸含量；Na+和K+含量測定參照王旭明等[19]的方法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用SPSS 25.0 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析、Duncans 多重比對法分析以及主成分分析。

1.3.1 耐鹽系數(shù) 參照ZENG等[20]的方法計(jì)算各指標(biāo)的耐鹽系數(shù)（α），其中與耐鹽性呈正相關(guān)，則該指標(biāo)的α=（ 處理組平均值/ 對照組平均值）×100%；反之，則該指標(biāo)的α=（對照組平均值/處理組平均值）×100%。

1.3.2 綜合指標(biāo)值 參考余家林[21]的方法計(jì)算綜合指標(biāo)值：

2 結(jié)果與分析

2.1 NaCl 脅迫對水稻根系形態(tài)的影響

由圖1 可看出，隨著鹽脅迫濃度的升高，各水稻品種的根長、根表面積、根體積、根平均直徑以及根尖數(shù)總體上呈現(xiàn)下降趨勢。圖1A 中，70 mmol/L NaCl 處理下，‘HD961‘9311和‘JX99根長分別下降了13.72%、19.17%、19.52%，而‘日本晴和‘HH11與CK 無明顯差異；140 mmol/LNaCl 處理下，‘HH11和‘日本晴的根長變化較小，‘JX99的根長降低幅度最大，為25.76%；圖1B、圖1C 中，鹽脅迫下，‘HH11和‘日本晴的根表面積及體積變化相對穩(wěn)定，‘9311和‘JX99的根表面積及體積較CK 顯著降低。圖1D 中，在70 mmol/L NaCl 下，各供試水稻品種根平均直徑較CK 無顯著性差異（P>0.05），其中‘9311在140 mmol/L NaCl 下根平均直徑較其他品種下降幅度最大，且與CK 具有顯著性差異（P<0.05）。圖1E 中，70 mmol/L NaCl 處理下‘HD961‘9311‘日本晴‘HH11‘JX99根尖數(shù)分別降低了8.60%、27.80%、3.56%、7.99%、24.84%，140 mmol/L NaCl 處理下‘9311和‘JX99的根尖數(shù)下降率較高，分別為40.79%、36.15%，特別值得注意的是‘HD961根尖數(shù)遠(yuǎn)多于其他水稻品種，鹽處理后其平均根尖數(shù)目為634.15，分別較‘9311‘日本晴‘HH11‘JX99多1.97倍、1.51 倍、1.24 倍、1.27 倍。

2.2 NaCl 脅迫對水稻株高和根系活力的影響

由圖2 可知，各品種株高和根系活力總體上均隨著鹽脅迫濃度的升高而降低。70 mmol/LNaCl 處理下，‘HD961‘日本晴‘HH11‘JX99株高和根系活力降低幅度分別為32.37% 和16.88%、6.22%和32.01%、14.20%和17.32%、17.69%和29.95%；140 mmol/L NaCl 處理下各供試材料株高和根活力均顯著低于CK（P<0.05），其中‘HD961和‘JX99降低幅度較大。另外，在鹽處理下，株高較CK 平均下降率最小的品種為‘日本晴，而根系活力較CK 平均下降率最小的品種為‘HH11。

2.3 NaCl 脅迫對水稻葉片葉綠素含量的影響

由圖3 可知，各品種葉綠素a 含量在鹽脅迫下均無顯著性差異，其中‘HH11葉綠素a 含量在70 mmol/L NaCl 處理下較CK 高?！毡厩缛~綠素b 含量呈先降低后升高的趨勢，而‘HD961和‘HH11呈逐漸升高的趨勢，140 mmol/L NaCl處理下‘HD961‘日本晴和‘HH1葉綠素b含量均比CK 分別增加了30.37%、22.35%、21.02%，但‘9311和‘JX99葉綠素b 合成被抑制。圖3C 中，鹽脅迫下葉綠素總量的變化趨勢和葉綠素b 的變化趨勢類似，從葉綠素總含量值來看，‘JX99和‘日本晴相對穩(wěn)定，‘9311變化最大。

2.4 NaCl 脅迫對水稻葉片相對電導(dǎo)率、丙二醛含量和脯氨酸含量的影響

由圖4 可知，隨著NaCl 濃度的增加，5 個水稻品種相對電導(dǎo)率、丙二醛含量、脯氨酸含量逐漸增大。140 mmol/L NaCl 處理時，5 個水稻品種相對電導(dǎo)率顯著升高，增加幅度由高到低依次為‘9311>‘JX99>‘HH11>‘日本晴>‘HD961，分別為CK 的3.10、3.06、2.58、1.89、1.26 倍；70 mmol/L NaCl 處理時，相對電導(dǎo)率增幅最小的是‘HD961，最大為‘JX99；至于丙二醛含量，70 mmol/L NaCl 脅迫下，‘HD961丙二醛含量上升幅度最小，為54.60%；140 mmol/L NaCl 處理時，‘HD961‘9311和‘JX99丙二醛含量較70 mmol/L NaCl 顯著升高，但‘日本晴和‘HH11丙二醛含量在處理間無顯著差異（P>0.05）。圖4C 中，70 mmol/L NaCl 脅迫下，‘HD961‘日本晴和‘HH11的脯氨酸積累幅度較CK 均接近6.5 倍；140 mmol/L NaCl 脅迫下，各供試種質(zhì)脯氨酸含量較CK 顯著上升，上升幅度順序依次為‘9311>‘日本晴>‘JX99>‘HH11>‘HD961。

2.5 NaCl 脅迫對水稻葉片Na+、K+含量的影響

由圖5 可知，隨著NaCl 脅迫的加劇，各品種Na+、K+含量呈先上升后下降的趨勢。70 mmol/LNaCl 處理時，所有種質(zhì)材料的Na+、K+含量達(dá)到最高值，‘HD961‘9311‘日本晴‘HH11和‘JX99的Na+、K+含量分別較CK 顯著高于14.98%和80.90%、141.49%和32.30%、75.12%和28.28%、76.72%和56.57%、96.49%和20.39%，其中‘9311和‘JX99的Na+含量上升幅度較大，‘9311和‘JX99的K+積累最低，說明NaCl脅迫主要吸收Na+，但阻礙或限制了水稻對K+的吸收和積累。另外，從圖5C 可知，70 mmol/L NaCl處理時，僅‘HD961的Na+/K+顯著低于CK；140 mmol/L NaCl 處理時各品種Na+/K+均顯著上升，其中‘HH11和‘日本晴的Na+/K+增加幅度較其他品種小，說明其在高鹽脅迫下能更好維持合理的Na+/K+來減緩離子脅迫對自身造成的傷害。

2.6 鹽脅迫下5 份水稻的耐鹽性綜合評價

2.6.1 各項(xiàng)指標(biāo)的耐鹽系數(shù)及相關(guān)性分析 各項(xiàng)指標(biāo)的耐鹽系數(shù)如表1，其中若以丙二醛來判定各材料的耐鹽性，則‘9311耐鹽性最強(qiáng)，‘日本晴最弱；而以根活力為衡量指標(biāo)，則‘HH11耐鹽性最強(qiáng)，‘JX99最弱，這體現(xiàn)了6 個生長指標(biāo)及10個生理指標(biāo)對鹽脅迫的敏感性不同，故不能用單項(xiàng)指標(biāo)對植物耐鹽性進(jìn)行評價。

利用SPSS 25.0 軟件對16 個單項(xiàng)指標(biāo)的耐鹽系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表2 所示，鹽脅迫下各指標(biāo)間有不同程度的相關(guān)性，可見5 份水稻材料的耐鹽信息有所重疊，因而無法直接利用16個單項(xiàng)指標(biāo)對水稻耐鹽性進(jìn)行準(zhǔn)確的評價，其中根長與根表面積、根體積顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別是0.907*、0.962**；丙二醛含量與根長極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），但與根表面積、根尖數(shù)顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）。

2.6.2 主成分分析 對鹽脅迫下5 份水稻材料的16 個單項(xiàng)指標(biāo)的耐鹽系數(shù)進(jìn)行主成分分析，結(jié)合特征值大于1 及累計(jì)貢獻(xiàn)率大于85%的依據(jù)共提取到3 個主成分（表3），3 個綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率分別為42.73%、30.01%、21.49%，累計(jì)貢獻(xiàn)率高達(dá)94.23%，這表明3 個相互獨(dú)立的綜合指標(biāo)解釋了鹽脅迫下16 個單項(xiàng)指標(biāo)94.23%的變化。從主成分分析結(jié)果來看，根長、根體積、根尖數(shù)、葉綠素總量、丙二醛含量、電導(dǎo)率可作為評價水稻耐鹽性的主要作用因子，K+、Na+/K+、株高可作為評價水稻耐鹽性的次要作用因子。

2.6.3 隸屬函數(shù)分析及綜合評價 各品種綜合指標(biāo)值CI（x）、隸屬函數(shù)值（x）和綜合評價值D 的計(jì)算結(jié)果如表4 所示。經(jīng)計(jì)算，3 個綜合指標(biāo)的權(quán)重分別為0.453、0.318、0.228。根據(jù)綜合評價D值的大小對5 份水稻材料的耐鹽能力進(jìn)行排序，由此可確定，不同種質(zhì)間耐鹽性存在一定的差異，‘HH11表現(xiàn)出強(qiáng)耐鹽性，‘JX99耐鹽性最差，5 份供試水稻材料耐鹽性由強(qiáng)到弱依次為‘HH11>‘HD961>‘日本晴>‘9311>‘JX99。

3 討論

研究表明，當(dāng)暴露于脅迫時，植物根系最先接收到逆境脅迫信號，且能夠迅速響應(yīng)逆境脅迫，同時將鹽信號傳遞到地上部，以使整個植物適應(yīng)鹽脅迫環(huán)境[23]。本研究發(fā)現(xiàn)，與CK 相比，在鹽脅迫下各品種的根長、根表面積、根體積總體呈下降趨勢，其中‘日本晴和‘HH11的下降幅度較其他品種小，受到抑制較輕，由此表明，各水稻品種在鹽脅迫下其根系生長均會受到抑制。這與前人研究結(jié)果[24-25]類似，說明鹽脅迫對水稻根系生長有抑制作用，強(qiáng)耐鹽性品種在鹽脅迫下根長、根表面積、根體積等變化幅度較鹽敏感品種小。鹽脅迫下，可通過增大平均直徑和增加根尖數(shù)量來吸收更多的養(yǎng)分以緩解逆境，有利于植物的生長發(fā)育。本研究中，鹽脅迫下，‘HD961和‘HH11的根平均直徑相對穩(wěn)定，而‘HD961的平均根尖數(shù)最高，這有利于緩解鹽逆境。此外，株高是直觀體現(xiàn)植物對鹽脅迫程度的重要生長指標(biāo)[26]。黃潔等[13]研究發(fā)現(xiàn)耐鹽性強(qiáng)的粳稻品種地上部生長狀況如株高受鹽脅迫影響較小。在本研究中，與CK 相比，鹽脅迫下各品種的株高均呈不同程度的下降趨勢，其中‘日本晴降低幅度較小，其生長抑制程度較低，其余4 個品種均受到顯著抑制。綜上表明，5 個水稻品種在鹽處理下生長均受到抑制，并表現(xiàn)出不同水稻品種在鹽逆境下的不同適應(yīng)性與耐受性。

鹽脅迫對植物的影響除個體形態(tài)發(fā)生變化外，還體現(xiàn)在植物生理適應(yīng)機(jī)制上。植物根系活力是評價根系生長發(fā)育狀況的重要指標(biāo)[27]。本研究發(fā)現(xiàn)，各品種根系活力在鹽脅迫下均有不同程度下降，其中‘HH11根活力下降幅度最小，這可能是根系保持相對較高的活性來抵御鹽毒害，這與谷嬌嬌等[28]的研究結(jié)果基本保持一致。此外，鹽分還會影響植物葉綠體結(jié)構(gòu)，提高葉綠素酶活性，使葉綠素合成受阻以及分解加快，從而導(dǎo)致葉片葉綠素的含量減少[29]。本研究發(fā)現(xiàn)，各品種葉綠素總含量與葉綠素b 的變化趨勢相似，‘日本晴葉綠素b 含量呈先降低后升高的趨勢，而‘HD961‘日本晴和‘HH11呈逐漸升高的趨勢，但是同一品種不同處理間葉綠素a 無顯著性差異，由此表明，鹽脅迫對水稻葉綠素b 的影響大于葉綠素a，對不同水稻品種葉綠素含量的影響存在差異。而趙海新[30]的研究結(jié)果表明，隨著堿濃度的提高，對水稻葉綠素a 的影響大于葉綠素b，均呈現(xiàn)先增后降趨勢。與本研究結(jié)果存在差異，可能是由于堿脅迫與鹽脅迫的不同引起的。

鹽脅迫可破壞細(xì)胞膜的完整性，導(dǎo)致膜脂過氧化以及膜透性增大[31]。相對電導(dǎo)率是直接反映膜透性的指標(biāo)，其高低直接反映逆境脅迫下植物內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定能力以及適應(yīng)與抵御逆境的能力，而丙二醛是膜脂過氧化的終產(chǎn)物，其含量高低可以衡量脂質(zhì)過氧化水平的程度。本研究發(fā)現(xiàn)，各品種相對電導(dǎo)率隨著NaCl 濃度升高均逐漸增加，其中‘JX99上升幅度最大，‘9311次之，‘HD961最小，說明鹽脅迫導(dǎo)致葉片電解質(zhì)外滲，從而對水稻生長造成傷害，這與李瑤等[32]的研究結(jié)果一致。各品種丙二醛含量隨著鹽濃度增加持續(xù)上升，其中只有‘日本晴和‘HH11的丙二醛含量在鹽處理間無顯著差異，這可能是其體內(nèi)抗氧化物質(zhì)積累更多，以清除過氧化物質(zhì)。鹽脅迫下，植物會通過合成、積累大量游離脯氨酸來保護(hù)大分子物質(zhì)以及抵抗?jié)B透脅迫，從而抵御鹽離子引起的水分缺失[33]。本研究表明，隨著鹽脅迫程度加劇，各水稻品種脯氨酸含量均呈上升趨勢，這表明處于鹽逆境下，水稻通過大量合成、積累體內(nèi)脯氨酸含量以維持自身的滲透勢平衡。王苗苗等[34]研究發(fā)現(xiàn)耐鹽性弱的燕麥品種需要合成和積累更多的脯氨酸去抵御鹽脅迫，這與本研究中‘9311和‘JX99脯氨酸含量增幅結(jié)果一致。NaCl 脅迫下大量Na+流入細(xì)胞內(nèi)引起細(xì)胞膜去極化，從而誘導(dǎo)K+外流，故細(xì)胞內(nèi)的離子動態(tài)平衡遭到破壞，導(dǎo)致植物的生理功能紊亂[35]。本研究中，隨著NaCl 脅迫濃度升高，各品種根部Na+含量和K+含量呈先升高后降低的趨勢，在70 mmol/LNaCl 時最高，推測可能是鹽脅迫下水稻植株內(nèi)的K+更多地流向最先感知鹽脅迫信號的根部，以平衡Na+在根部的積累，其次再分配到同化器官葉中，以保障葉片光合作用的正常進(jìn)行，這與王佺珍等[36]在錦葵中的研究結(jié)果相似。此外，相比70 mmol/L NaCl，各品種Na+/K+在140 mmol/LNaCl 下顯著增大，可能是由于Na+和K+具有相似的離子半徑和水合能，相互競爭同一轉(zhuǎn)運(yùn)位點(diǎn)，而高濃度的Na+進(jìn)入細(xì)胞后抑制了細(xì)胞對K+的吸收所致[37]。

植物的耐鹽性是由多基因決定的數(shù)量性狀，從單一指標(biāo)很難真實(shí)地評價其耐鹽性強(qiáng)弱，需要利用多個綜合指標(biāo)對植物耐鹽性進(jìn)行準(zhǔn)確評價[38]。本研究利用主成分分析及隸屬函數(shù)法進(jìn)行綜合評價， 得到耐鹽性強(qiáng)弱排序?yàn)椤?HH11 >‘HD961>‘日本晴>‘9311>‘JX99，‘JX99苗期耐鹽性較‘日本晴差。然而，王旭明等[39]在水稻孕穗期應(yīng)用模糊隸屬函數(shù)綜合分析4 個水稻品種的耐鹽性為：‘ JX99 >‘ PoKKali >‘FL478>‘IR29，‘JX99表現(xiàn)出強(qiáng)耐鹽性。與本研究結(jié)果存在差異，可能是由于試驗(yàn)測定的時期不一樣。有研究認(rèn)為水稻在不同的生育期，其耐鹽堿性不盡相同[40]。并且，有研究者對21份耐鹽堿性不同的水稻種質(zhì)在芽期和苗期進(jìn)行耐堿性篩選，最終篩選到了4 份耐鹽堿性強(qiáng)的水稻品種，其中包括‘日本晴，說明‘日本晴在苗期確實(shí)表現(xiàn)出強(qiáng)耐鹽性[41]。由此表明，本研究對5 個品種水稻苗期耐鹽性的綜合分析結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性和代表性。