鹽堿脅迫對水培苜蓿幼苗生長的影響

李劍峰，張淑卿，杜建雄，安 瑋，黃廷州

（1.貴州師范學院 貴州省生物資源開發利用特色重點實驗室／喀斯特生境土壤與環境生物修復研究所，貴州 貴陽550018；2.貴州財經大學，貴州 貴陽550025；3.天水市疾控中心，甘肅 天水730070）

目前，土地鹽堿化已成為限制農業發展的重要因素，是世界性的環境問題。全球具有開墾價值的陸地面積為7×109hm2，其中，已開墾的耕地面積僅為1.5×109hm2[1]，而鹽堿地面積為9.55×108hm2[2]。因此，深入研究鹽堿脅迫及其對植物的影響已成為改善土壤鹽堿化的重要理論依據。

苜蓿（MedicagosativaL.）堪稱牧草之王，具有抗寒耐旱、耐鹽堿、抗逆性強、適應性廣、根系發達、再生性強等特點，長期種植能促進土壤有機質及全氮在土壤表層的積累，是改良中輕度鹽堿荒地的理想植物[3]。目前對鹽堿脅迫耐受性的研究多以田間種植或沙培為主[4－5]，能夠比較全面地探討植株對鹽堿脅迫的耐受程度，但試驗周期較長，在進行多品種苜蓿耐鹽堿性比較時，需要付出大量的時間和精力進行預試驗以確定不同苜蓿品種的基本抗性范圍。由于不同苜蓿種質對非生物因素的抗性多由其基因型決定，并能在幼苗初期的短期生長中得到體現，因此，研究者探索出一些較為快捷的抗性測定方法。Parrott等[6]以愈傷組織的短期相對生長量和生理指標測定試驗篩選出耐鋁毒能力強的苜蓿種質。Dall’Agnol等[7－8]以短期內水培幼苗的相對根系生長量為指標進行不同苜蓿種質對非生物脅迫的耐受性比較。由于鹽堿脅迫往往同時存在于栽培土壤，而不同地區土壤中的鹽堿程度不一致，普通的土壤栽培試驗難以說明具體生境下鹽堿脅迫的主效脅迫因素。因此，筆者以西北地區廣泛種植的紫花苜蓿品種隴東苜蓿（Medicagosativacv.Longdong）幼苗為試驗材料，研究在水培條件下各濃度梯度的鹽、堿處理對其幼根及莖生長的影響，以期快速評價該苜蓿品種對鹽、堿脅迫的抗性，并探討該方法在快速評價種質抗性中的有效性和實用性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試植物材料為貯藏6個月的隴東苜蓿種子，于2009年由甘肅農業大學草業生態系統教育部重點實驗室提供。種子凈度98.5%，初始發芽率78.84%，初始水分含量9.05%[9]。

供試試劑為分析純級的 NaCl，Na2SO4，NaHCO3和Na2CO3，均購自美國Sigma公司。

1.2 基礎營養液配制

Hoagland營養液[10]使用前用去離子水稀釋1倍后再用1mol／L NaOH 或HCl溶液調節pH 值至7.0。

1.3 水培試驗

取5g隴東苜蓿種子，用3%（v／v）的NaClO 溶液對其表面消毒7 min 后，無菌水沖洗6 遍，每0.5g種子置于1個鋪有雙層無菌濾紙的無菌培養皿中，并以無菌水4℃避光冷處理48 h。參照Sledge等的方法[9]，冷處理后將種子在24℃下避光催芽24h，在大量萌發的幼苗中選取根長為2cm 且株長一致（±1mm）的幼苗轉入容積為2L 的水培盒中進行23℃恒溫水培，光照培養18h，暗培養6h，光照強度260μmol／（m2·s）。每盒置入6 個容積為200mL的網底塑料杯。將根長及全長一致的幼苗幼莖朝外，幼根穿過杯底網孔反向進入杯內，固定于倒置的網底塑料杯杯底上部，并使幼苗2cm的幼根完全處于營養液中，每塑料杯置入5株幼苗。以1／2Hoagland營養液為對照。

1.4 不同鹽濃度對幼苗根長和莖長的影響

鹽脅迫設計參照劉杰等[11－12]的方法，以NaCl∶Na2SO4為9∶1（mol／mol）混合，模擬典型鹽脅迫環境，配 制 鹽 濃 度 為0 mmol／L、10 mmol／L、20mmol／L、40 mmol／L、60 mmol／L、80 mmol／L、100 mmol／L、120 mmol／L 共8個處理的1／2Hoagland營養液1.5L。將各處理營養液分別加入各水培盒中，每天通氣攪拌1 次，每次1 min，并添加去離子水以維持溶液體積為1.5L，培養條件同上。水培5d后，取出所有幼苗測量根、莖的長度。

1.5 不同堿濃度對幼苗根長和莖長的影響

堿脅迫設計參照劉杰等[11]的 方 法 將NaHCO3∶Na2CO3為9∶1（mol／mol）混合，設置0mmol／L、2mmol／L、5 mmol／L、10 mmol／L、20mmol／L、40mmol／L、50 mmol／L 共7個處理。將不同堿濃度處理的1／2 Hoagland營養液分別加入各水培盒中，處理過程及測定指標同1.4。

1.6 數據分析

采用Excel和SPSS16.0統計數據，以Duncan法進行數據分析和差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同濃度鹽堿脅迫對苜蓿幼苗根莖生長的影響

2.1.1 鹽脅迫 由圖1可見：5d的水培試驗即可使幼苗對不同鹽堿脅迫表現出明顯的差異。隨著鹽濃度的升高，幼苗根長呈先增加再減少的趨勢，并與鹽 濃 度 呈 二 項 式 相 關，y＝ －0.192 9x2＋1.462 7x＋2.460 7（R2＝0.727）。其中，低濃度（≤40mmol／L）鹽處理，幼苗根長隨鹽濃度升高而逐漸增加，在40 mmol／L 時達5.21cm，為對照的2.02倍，差異顯著（p＜0.05）。該現象可能是幼苗對低毒脅迫產生的Hormesis效應[13]所致。而濃度＞40 mmol／L的鹽處理，幼苗根長隨著鹽濃度的升高而減少，在鹽濃度為120mmol／L時僅為對照的69%。高濃度的鹽脅迫使苜蓿幼苗根部的伸長生長受到抑制，該結果與彥霞[14]和劉愛榮[15]等的研究結果一致。

高濃度的鹽溶液降低了幼苗根系的吸收能力，進一步導致莖生長均低于對照，并隨著鹽濃度的升高而逐漸加劇。在鹽濃度為100mmol／L 時僅為對照的75%，差異顯著（p＜0.05）。隨著鹽脅迫濃度的升高，莖與根系的生長表現并不一致，短期低濃度鹽脅迫可刺激幼苗根系伸長，但抑制地上部分的生長。這與周新元等[16]的研究結果一致，即短期鹽脅迫能刺激根系的伸長，但抑制根系對養分的吸收，從而表現出地上部分的生長變緩。

圖1 不同濃度鹽堿脅迫隴東苜蓿幼苗根莖的長度Fig.1 The length of root and stem under different salt and alkali concentrations

2.1.2 堿脅迫 由圖1還可見：堿脅迫處理下，幼苗根長的變化與鹽脅迫處理相同，即呈先增加再減少的趨勢，并與堿濃度呈二項式相關，y＝－0.183 9x2＋1.104 2x＋2.697 6（R2＝0.749）。低濃度（≤5mmol／L）堿處理下，幼苗根長均顯著高于對照，并隨堿濃度的升高而增加。堿濃度為5mmol／L時根系最長，達5.2cm，為對照的1.56倍；堿濃度＞5mmol／L 時，幼苗根的伸長生長隨著堿濃度的升高而受到抑制。在堿濃度為40mmol／L和50mmol／L 時，根長僅分別為對照的69%和63%，差異顯著（p＜0.05）。在堿濃度為2mmol／L時，幼苗莖長略高于對照但無顯著差異；在堿濃度＞2mmol／L的處理下，幼苗的莖長均低于對照。其中，在堿濃度為40mmol／L和50 mmol／L時，幼苗莖長僅為對照的74%和63%，差異顯著（p＜0.05）。

2.2 相同濃度鹽堿脅迫對幼苗生長的影響

從圖2可見：相同濃度的鹽、堿處理對幼苗根系伸長的影響差異明顯。鹽處理濃度≤40 mmol／L時，植株的根長均高于同濃度堿處理組及對照組。10mmol／L堿處理下植株的根長為對照的1.53倍，差異顯著（p＜0.05），但略低于同濃度鹽處理。隨著處理濃度的升高，同濃度堿脅迫對根的抑制作用強于鹽脅迫。40 mmol／L 鹽處理下植株根長達6.3cm，分別為對照和同濃度堿脅迫下植株根長的2.02倍和2.86 倍，差異顯著 （p＜0.05）。這與Yang等[17－20]的研究結果一致 ，即NaHCO3和Na2CO3等堿性鹽對植物生長的抑制作用較同濃度的NaCl和Na2SO4等中性鹽更為明顯。鑒于2 種處理在同濃度下的Na＋濃度相同，因此，除去Na＋的脅迫效應外，可推論鹽堿脅迫時OH－對植株根系的傷害強于Cl－和SO2－4。

圖2 相同鹽堿濃度脅迫幼苗的根長和莖長Fig.2 The length of root and stem under the same concentrations of salt and alkali

同濃度鹽、堿脅迫下，莖的變化趨勢基本一致，即都表現為生長受到抑制。該現象與根系的表現不同，這可能是由于短期處理下，莖受到的影響主要源自根系的吸收能力，而對根系所受到的低毒刺激細胞生產的作用反應滯后所致。楊春雪等也指出，鹽脅迫下植物通過AM 真菌獲得的額外養分能緩解其地上部分受到的抑制[21]。20 mmol／L 鹽處理下植株莖長低于同濃度堿脅迫的植株，并與40mmol／L鹽脅迫下的植株莖長接近。表明，20 mmol／L鹽脅迫對植株地上部分生長的抑制略低于同濃度的堿脅迫，但具體原因尚不明確，需對其生理指標作進一步分析和測定。

3 結論與討論

植物幼苗期對外界的鹽脅迫最敏感[1，22]，水培試驗能嚴格控制脅迫條件并保持其他因素盡可能一致[8]，因此便于簡化并分離混合脅迫的單個因素。Sledge等[7]以水培控制Al3＋濃度，結合測定幼苗根系相對生長量指標，利用簡易裝置對321份蒺藜苜蓿進行耐鋁脅迫種質的快速篩選，既簡化試驗流程又縮短了研究周期。本研究通過5d的水培試驗明確了隴東苜蓿幼苗對中性鹽和堿性鹽脅迫的耐受范圍分別為40mmol／L和20mmol／L，并指出鹽堿脅迫時OH－對植株根系的傷害可能較Cl－和SO2－4更強。該結果為苜蓿耐鹽堿特性的研究提供了參考，并為耐鹽堿苜蓿種質資源的快速篩選提供了方法和依據。

鹽堿脅迫作為一種混合脅迫，在不同的地域和環境下脅迫因素的組成和程度存在較大差異[1]。以往的土壤栽培試驗能獲得更為全面的數據，但常以縮小結論適用的范圍并花費大量時間完成管理和試驗操作為代價，用于大量種質的快速評價篩選則具有局限性。本研究將鹽堿脅迫中的鹽和堿因素分離后進行比較，具有更廣泛的適用性。根據試驗結果發現，對苜蓿幼苗根系生長的抑制，濃度相近或相同的堿脅迫較鹽脅迫更明顯。幼苗根系生長在鹽濃度＞40mmol／L時才受到抑制，而在堿濃度大于5mmol／L時受到明顯抑制；處理5d內，幼苗根對鹽、堿脅迫比莖部更敏感，且變化趨勢不完全一致，可能是由于根系對低濃度的刺激效應和高濃度的脅迫效應的響應快于莖部所致[12]。

[1]賈娜爾·阿汗，張相鋒，趙 玉.鹽堿脅迫對小冰麥種子萌發和早期幼苗生長的影響[J].種子，2010，29（9）：52－55.

[2]桂 枝，高建明，袁慶華，等.堿脅迫下苜蓿發芽期性狀的相關性研究[J].安徽農業科學，2011，39（3）：1469－1471，1491.

[3]王亞玲，李曉芳，師尚禮，等.紫花苜蓿生產性能構成因子分析與評價[J].中國草地學報，2007，29（5）：8－15.

[4]霍平慧，師尚禮，李劍峰，等.堿脅迫對超干處理紫花苜蓿種子初苗和成苗的影響[J].中國生態農業學報，2011，19（3）：655－660.

[5]Shi D C，Zhao K F.Effects of sodium chloride and carbonate on growth of Puccinellia tunuiflora and on present state of mineral elements in nutrient solution[J].Acta Pratacult，1997，6：51－61.

[6]Parrot W A，Bouton J H.Aluminum tolerance in alfalfa as expressed in tissue culture[J].Crop Science，1990，30（2）：387－389.

[7]Dall＇Agnol M，Bouton J H，Parrott W A.Screening methods to develop alfalfa germplasms tolerant of acid，aluminum toxic soils[J].Crop Science，1996，36：64－70.

[8]Sledge M K，Pechter P，Payton M E.Aluminum tolerance in Medicago truncatula germplasm[J].Crop Science，2005，45（5）：2001－2004.

[9]霍平慧，李劍峰，師尚禮，等.鹽脅迫對超干處理苜蓿種子萌發及幼苗生長的影響[J].草原與草坪，2011，31（1）：13－18.

[10]Hoagland D，Arnon D I.The water culture method for growing plants without soil[J].California Agricultural Experiment Station Bulletin，1938，1：1－39.

[11]劉 杰，張美麗，張 義，等.人工模擬鹽堿環境對向日葵種子萌發及幼苗生長的影響[J].作物學報，2008，34（10）：1818－1825.

[12]劉彥清，董寬虎，王奇麗，等.不同鹽分脅迫對高冰草種子發芽的影響[J].草原與草坪，2007（2）：18－21.

[13]孫冬梅，楊 謙，宋金柱.鈰對黃綠木霉菌拮抗大豆菌核病菌能力的影響[J].稀土，2005，26（6）：65－69.

[14]彥 霞，金 芳，楊鳳翔，等.不同種類鹽脅迫對孜然種子萌發及幼苗生長的影響[J].草原與草坪，2010，30（4）：71－75，80.

[15]劉愛榮，張遠兵，方園園，等.鹽脅迫對金盞菊生長、抗氧化能力和鹽脅迫蛋白的影響[J].草業學報，2011，20（6）：52－59.

[16]周新元，曹福亮.NaCl脅迫對幾種暖季型草坪草的影響[J].草原與草坪，2010，30（4）：66－69.

[17]Yang C，Chong J，Kim C，et al.Osmotic adjustment and ion balance traits of an alka li－resistant halophyte Kochia sieversiana during adaptation to salt and alkali－conditions[J].Plant and Soil，2007，294：263－276.

[18]Yang C W，Jianaer A，Li C Y，et al.Comparison of the effects of salt－stress and alkali－stress on photosynthesis and energy storage of an alkali－resistant halophyte Chloris virgata[J].Photosynthetica，2008，46（2）：273－278.

[19]Yang C，Shi D，Wang D.Comparative effects of salt stress and alkali stress on growth，osmotic adjustment and ionic balance of an alkali resistant halophyte Suaedag lauca（Bge.）[J].Plant Growth Regulation，2008，56：179－190.

[20]Yang C，Wang P，Li C，et al.Comparison of effects of salt and alkali stresses on the growth and photosynthesis of wheat[J].Photosynthetica，2008，46：107－114.

[21]楊春雪，岳英男.叢枝菌根真菌提高植物耐鹽性的研究進展[J].貴州農業科學，2014，42（8）：135－138.

[22]王瑞苓，汪元超，劉建祥，等.NaCl脅迫對云南松幼苗生長的影響 [J].貴州農業 科 學，2013，41（3）：126－127.