鹽分對玉米根系生長的脅迫效應(yīng)

王子強(qiáng)，劉樹澤，崔寶明，韓小偉，劉 渤，吳艷芳，韓 哲，杜雪梅

（1.濱州市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，山東 濱州 256600；2.濱城區(qū)市中街道辦事處，山東 濱州 256600）

玉米（Zea maysL.）是重要的飼料和工業(yè)原料，是中國第一大糧食作物［1］。土壤為植物提供水分和養(yǎng)分，是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。土壤鹽漬化是指土壤底層或地下水的鹽分隨毛管水上升到地表，水分蒸發(fā)后，使鹽分積累在表層土壤中的過程，是易溶性鹽分在土壤表層積累的現(xiàn)象或過程，也稱鹽堿化。鹽漬化已成為阻礙全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的嚴(yán)重問題［2］。除自然原因造成土壤鹽漬化外，氣候變化、化肥過度使用以及不合理灌溉等也是造成土壤鹽漬化的重要原因［3］。山東省鹽堿地總面積為5 926.73 km2，可分為濱海鹽堿地和內(nèi)陸鹽堿地［4］。濱海地區(qū)鹽堿地土壤耕作層鹽分含量和pH 較高，有機(jī)質(zhì)含量低，土壤透氣性較差，易出現(xiàn)土壤硬化及板結(jié)等現(xiàn)象，對作物的生長發(fā)育產(chǎn)生嚴(yán)重影響［5，6］。

鹽脅迫是制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素，其可以影響植物大部分的生理代謝過程，如抑制種子萌發(fā)、減緩根系發(fā)育、加速衰老等，嚴(yán)重影響作物的生長發(fā)育［7，8］。鹽堿地由于土壤鹽分含量過高抑制了植物的生理代謝過程，從而造成作物大幅減產(chǎn)［9］。根系與土壤直接接觸，為植物提供水分和養(yǎng)分，是植物的重要器官。Feng 等［10］、Xiao 等［11］研究發(fā)現(xiàn)發(fā)育良好的根系可以提高作物水分、養(yǎng)分利用效率和產(chǎn)量。束紅梅等［12］發(fā)現(xiàn)根系最先感知土壤的脅迫信號并做出相應(yīng)的生理代謝反應(yīng)，其形態(tài)結(jié)構(gòu)改變與響應(yīng)逆境機(jī)制有密切聯(lián)系。Julkowska 等［13］發(fā)現(xiàn)鹽脅迫抑制初生胚根和側(cè)根的伸長，導(dǎo)致根系生長發(fā)育發(fā)生變化。梁曉艷等［14］發(fā)現(xiàn)鹽脅迫顯著降低藜麥的總根長、總根表面積、最大根長和總根體積。谷嬌嬌等［15］研究發(fā)現(xiàn)水稻各生育期在鹽脅迫下其總根長、總根表面積、總根體積均顯著下降。谷俊等［16］認(rèn)為鹽脅迫會造成棉花的幼苗主根變短、側(cè)根條數(shù)變少；辛承松等［17］認(rèn)為棉花根系伸長受到抑制。劉鳳蘭等［18］發(fā)現(xiàn)鹽脅迫使黃瓜幼苗總根條數(shù)、總根長及根系鮮重顯著降低。Menezes-benavente等［19］研究表明，鹽脅迫會影響根系形態(tài)的建成，打亂植物代謝平衡，改變植物一般的代謝過程和酶活性，使活性氧物質(zhì)過度積累，從而造成玉米氧化應(yīng)激反應(yīng)。Zhang 等［20］研究表明，鹽脅迫導(dǎo)致水稻根系中SOD、POD 和CAT 等抗氧化酶活性增加，使活性氧清除能力增強(qiáng)，減少根系細(xì)胞的損傷，提高水稻成活率。Neves 等［21］發(fā)現(xiàn)鹽脅迫誘導(dǎo)大豆根系木質(zhì)化，同時POD 活性增加，H2O2含量顯著降低，使得根系生長受到抑制。鹽脅迫后，鹽敏感基因型根系中，超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）、愈創(chuàng)木酚過氧化物酶（GPX）和谷胱甘肽還原酶（GR）活性顯著降低［22］。

鹽脅迫對玉米的影響，國內(nèi)外大多數(shù)研究主要集中在玉米發(fā)芽及苗期，吐絲期不同鹽脅迫條件下根系形態(tài)和根系抗氧化性能等指標(biāo)的響應(yīng)程度鮮見報道。本研究探究鹽脅迫下玉米吐絲期的根系形態(tài)和生理變化，挖掘其相關(guān)機(jī)理，探明植物響應(yīng)機(jī)制，為鹽堿地玉米的抗逆栽培提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試品種為金王16（JW16）。選擇大小一致、色澤均勻、形狀飽滿的玉米種子，清水浸泡30 min，0.1%的次氯酸鈉溶液消毒15 min，再用清水浸泡20 min，沖洗多次。沙與土以體積比3∶1混勻后裝入40 cm×35 cm×45 cm 的塑料桶，澆水沉實(shí)，共12 桶。每桶放入4 粒浸種后的種子，發(fā)芽15 d 后，定苗至1 株。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，共設(shè)置2 個鹽分水平處理，分別為0（CK）、100 mmol/L NaCl（S）。

玉米生長過程中，提供充足的水分和礦物質(zhì)養(yǎng)分。按照Kalaji 等［23］的方法配置營養(yǎng)液。用1/2 改良Hoagland 營養(yǎng)液灌溉植株，每2 d 灌溉1 次。玉米3 葉期開始進(jìn)行鹽脅迫處理。S 以每桶加入含有100 mmol/L NaCl 的改良Hoagland 營養(yǎng)液進(jìn)行澆灌，CK 以不添加NaCl 的改良Hoagland 營養(yǎng)液進(jìn)行澆灌。培養(yǎng)至45 d（吐絲期）后取樣測定。

1.2 測定項(xiàng)目與方法

1.2.1 根系形態(tài) 每個處理選取3 株長勢均勻的玉米植株，用自來水將根系沖洗干凈，每層根系分開保存，用Epson PerfectionTM V700 Photo 彩色圖像掃描儀掃描根系，分辨率為600 dpi，用WinRhizo Pro（Régent Instruments，Québec，Canada）根系分析軟件分析掃描圖像，得到總根長、總根表面積和總根體積。

1.2.2 根系生理指標(biāo) 每個處理選取3 株長勢均勻的玉米植株，將根系沖洗干凈后，取根尖并迅速保存于超低溫冰箱中，用于測定根系的相關(guān)生理指標(biāo)。采用氮藍(lán)四唑（NBT）法測定超氧化物歧化酶（SOD）活性［24］，愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶（POD）活性［25］，紫外吸收法測定過氧化氫酶（CAT）活性［26］，硫代巴比妥酸法測定丙二醛（MDA）含量［27］。試驗(yàn)重復(fù)3 次。

1.2.3 干物質(zhì)積累量 每個處理選取3 株長勢均勻的植株，將植株分為莖稈和葉片，烘箱中105 ℃殺青30 min，然后80 ℃烘干至恒重。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2016 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，DPS 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析并采用LSD 法進(jìn)行差異顯著性比較。用Origin 2021 14.0 軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫對玉米根系形態(tài)的影響

由圖1 可知，鹽脅迫顯著降低了玉米根系的總根長（圖1A）、總根表面積（圖1B）和總根體積（圖1C）。與對照相比，鹽脅迫后玉米的總根長、總根表面積和總根體積分別下降了8.59%、22.23%和23.69%。

圖1 鹽脅迫對玉米根系形態(tài)的影響

2.2 鹽脅迫對玉米根系生理特性的影響

鹽脅迫對玉米根系生理特性的影響見圖2。與對照相比，鹽脅迫導(dǎo)致玉米根系鮮重SOD、POD 活性和MDA 含量均不同程度增加，SOD、POD 活性分別顯著提高了37.57%、2.94%，MDA 含量顯著增加了26.41%；鹽脅迫后玉米幼苗根系鮮重中CAT 活性顯著降低，降低了37.50%。

2.3 鹽脅迫對玉米植株干物質(zhì)量及根冠比的影響

鹽脅迫后，植株干物質(zhì)重顯著下降。與對照相比，玉米的莖干物質(zhì)重（圖3A）、葉干物質(zhì)重（圖3B）和根干物質(zhì)重（圖3C）分別降低了16.99%、21.97%和30.99%。另外，鹽脅迫顯著降低了植株的根冠比（圖3D），與對照相比降低了12.50%。

圖3 鹽脅迫對玉米植株生物量及其根冠比的影響

3 討論

3.1 鹽脅迫對植物干物質(zhì)積累與根系形態(tài)的影響

鹽漬化程度的加劇造成土壤種植面積不斷減少，嚴(yán)重制約了糧食生產(chǎn)，威脅國家糧食安全［28］。鹽脅迫使植物細(xì)胞產(chǎn)生大量活性氧，造成細(xì)胞膜透性增大，導(dǎo)致電解質(zhì)大量向胞外滲漏，阻礙植物的正常代謝和生長［29］。植物根系是協(xié)調(diào)地上部和地下部生長的關(guān)鍵，其主要作用是吸收土壤中的水分和養(yǎng)分供給植株生長，同時最先接受土壤中的鹽脅迫信號，從而改變其形態(tài)結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)對高鹽環(huán)境的適應(yīng)［30］。有研究表明，鹽脅迫下，小麥和玉米根系長度均顯著降低［31-33］。徐芬芬等［34］指出，鹽脅迫顯著降低水稻根長及根直徑等根系指標(biāo)，且同濃度的Na2CO3抑制作用比NaCl 更強(qiáng)。水稻植株受到鹽分脅迫時，根系鮮重顯著降低［35］。本研究表明，玉米金王16 在鹽分脅迫下，其總根長、總根表面積和總根體積顯著降低，影響根系對土壤中養(yǎng)分和水分的吸收。

根系發(fā)育狀況直接影響植株的生物量積累。根系在鹽分脅迫嚴(yán)重時，會降低對土壤中水分和養(yǎng)分的吸收，從而造成離子失衡，導(dǎo)致植株養(yǎng)分和水分的缺失［36］。鹽脅迫使水稻的干重顯著降低，與根長、根表面積、根體積的下降趨勢一致［15］。王茂瑩等［37］指出，鹽脅迫會造成小麥的地上部和根系的干重顯著下降。本研究表明，鹽脅迫嚴(yán)重制約了植株干物質(zhì)的積累，顯著降低玉米的根冠比，說明鹽脅迫會導(dǎo)致植株變得矮小，生物量降低。

3.2 鹽脅迫對植物根系抗氧化性能的影響

鹽脅迫會破壞植物的抗氧化酶系統(tǒng)，而抗氧化酶系統(tǒng)的失衡會導(dǎo)致活性氧的積累，從而加劇細(xì)胞的膜脂過氧化程度［38］?；钚匝?，尤其是H2O2在細(xì)胞中還擔(dān)任著第二信使的作用［39］，ROS 濃度的改變會影響細(xì)胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，從而干擾正常的生理代謝途徑。在植物體內(nèi)，各種保護(hù)酶的作用不同，其中SOD 起到將O2-歧化成過氧化氫和氧氣的作用，H2O2具有很強(qiáng)的毒性，POD 和CAT 則主要將過氧化氫轉(zhuǎn)化為無毒的水和氧氣［40］。研究表明，鹽脅迫會使植株SOD、CAT 活性和MDA 含量均增加［41，42］；張濤等［43］研究表明，辣椒幼苗在鹽脅迫下會導(dǎo)致SOD、POD 酶活性增大；周毅等［44］發(fā)現(xiàn)鹽脅迫導(dǎo)致水稻幼苗SOD 活性增強(qiáng)，MDA 含量顯著增加。本研究中，鹽脅迫后玉米根系中SOD、POD 活性和MDA 含量顯著增加，而CAT 活性則降低，根中較低的CAT活性使H2O2的清除減緩，導(dǎo)致H2O2產(chǎn)生和清除的平衡被打破，加重了氧化脅迫。

4 小結(jié)

鹽脅迫顯著增加了玉米金王16 根系中SOD、POD 活性，顯著降低了CAT 活性，導(dǎo)致抗氧化酶系統(tǒng)失衡，從而加劇了根系細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化程度，影響細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。同時，鹽脅迫還嚴(yán)重抑制了根系的生長發(fā)育，顯著降低根系的總根長、總根表面積和總根體積，減弱了根系對養(yǎng)分的吸收利用，從而阻礙了地上部植株的生長。