小麥幼苗對鹽堿脅迫的生理生化響應(yīng)特征

嚴(yán)暢+黃河清+毛震宇+韓陳樂毅+邢輝

摘 要：研究小麥對鹽堿脅迫生理響應(yīng)特征，旨在找出小麥幼苗耐鹽堿范圍及其對鹽堿地改良的應(yīng)用潛力。通過模擬10組不同鹽堿梯度土壤脅迫試驗(yàn)研究了小麥體內(nèi)有機(jī)小分子滲透調(diào)節(jié)和保護(hù)氨基酸活性變化。結(jié)果表明，鹽堿脅迫由低到高，脯氨酸的積累呈現(xiàn)明顯由慢到快的趨勢，但到最高值后開始下降；丙二醛濃度隨氯化鈉或碳酸鈉濃度的上升呈非線性上升趨勢，在一定范圍內(nèi)減緩甚至下降。同濃度碳酸鈉脅迫下脯氨酸和丙二醛的濃度均高于氯化鈉脅迫下的濃度，顯示出小麥氯化鈉脅迫的適應(yīng)性更強(qiáng)。該試驗(yàn)結(jié)果表明，小麥葉片在不同鹽堿脅迫條件下各耐鹽堿生理指標(biāo)產(chǎn)生的一系列適應(yīng)性反應(yīng)具有較大的濃度和鹽類差異性。研究選用的小麥種為“濟(jì)麥21”，該研究可為耐鹽堿作物選育及根莖型禾草改良鹽堿化草地提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

關(guān)鍵詞：脅迫；鹽堿；小麥；丙二醛；脯氨酸；生理指標(biāo)

土壤鹽堿災(zāi)害已經(jīng)成為全球最嚴(yán)重、最受關(guān)注的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害之一。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的嚴(yán)重的損失，是人類面臨的生態(tài)危機(jī)之一。世界現(xiàn)有耕地中，約有3.4億hm2的鹽土和5.6億hm2的蘇打鹽土，占耕地總面積的60%。在中國東北的內(nèi)陸地區(qū)，由于土壤中含有較高濃度的HCO3-和CO32-，引起土壤嚴(yán)重鹽堿化，作物生長受到限制，個別區(qū)域甚至寸草不生。中國鹽堿地面積約1億萬hm2，西北、華北、東北西部和濱海地區(qū)都有分布。東北鹽堿土主要分布在松嫩平原，近年來東北新增的鹽堿化土地主要來自于草原鹽堿化。因此，研究鹽堿環(huán)境如何影響農(nóng)作物生長，以及農(nóng)作物耐受鹽堿脅迫的機(jī)制，對于利用、改造鹽堿化的土壤進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。小麥?zhǔn)鞘澜缰饕Z食作物，研究植物對鹽堿脅迫的生理響應(yīng)特點(diǎn)，提高作物和牧草的耐鹽堿性和種子產(chǎn)量對改良和利用退化鹽堿草地具有重要意義。

本研究對象為不同鹽堿土壤環(huán)境中正常生長的小麥，從其根莖和葉片的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)（包括脯氨酸及丙二醛）含量變化分析小麥對鹽堿脅迫進(jìn)行的生理生化反應(yīng)，以期為耐鹽堿作物選育及鹽堿地生物治理提供理論參數(shù)和實(shí)踐依據(jù)。

一、材料與方法

1.材料及處理

供試小麥品種：濟(jì)麥21。選取顆粒飽滿的小麥種子浸泡消毒后，置于光照恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)（光照度60 lx，光照12 h，25 ℃；黑暗8 h，20 ℃），至三葉期后選生長狀況相似的22盆植株進(jìn)行模擬鹽堿脅迫處理，即分別以濃度梯度為0.6mol/L，1.2mol/L，1.8mol/L，2.4mol/L的氯化鈉，3mol/L和濃度梯度為0.3mol/L，0.6mol/L，

0.9mol/L，1.2mol/L，1.8mol/L的碳酸氫鈉對植株進(jìn)行模擬鹽堿脅迫，處理時間96 h并設(shè)空白對照。

2.試驗(yàn)方法

取鹽堿脅迫處理96 h后的植株葉片，進(jìn)行生理指標(biāo)測定，包括MDA（丙二醛）含量和Pro（脯氨酸）含量。Pro含量測定參照李合生的方法，MDA含量測定參照張志良的方法，數(shù)據(jù)均來自可見光分光光度計(jì)。

二、結(jié)果與分析

1.小麥植株MDA含量比較

丙二醛（malonaldehyde，MDA）是膜脂過氧化作用的最終產(chǎn)物之一，能直接反映膜受損程度。因此，水分脅迫條件下植物MDA含量的高低經(jīng)常被用來表示細(xì)胞膜受傷害的程度，進(jìn)而被用作鑒定植物抗旱性的指標(biāo)。相同水分脅迫條件下，MDA含量低或相對于對照增加幅度小的植物被認(rèn)為是抗旱性強(qiáng)的植物。

（1）不同濃度氯化鈉處理小麥植株MDA含量比較

隨著氯化鈉濃度的加大，MDA濃度總體呈現(xiàn)增加趨勢，可顯示細(xì)胞膜系統(tǒng)的受損程度增加。但在氯化鈉濃度為1.2mol/L～1.8mol/L時呈現(xiàn)出略微下降，可推測在該范圍內(nèi)植物對鹽堿的抵抗和滲透壓調(diào)節(jié)機(jī)制起到了一定減輕膜結(jié)構(gòu)損傷的作用。

（2）不同濃度碳酸鈉處理小麥植株MDA含量比較

隨著碳酸鈉濃度的加大，MDA濃度總體呈現(xiàn)增加趨勢，可顯示細(xì)胞膜系統(tǒng)的受損程度增加。但在碳酸鈉濃度為0.6mol/L～0.9mol/L時呈現(xiàn)出明顯的下降，可推測在該范圍內(nèi)植物對鹽堿的抵抗和滲透壓調(diào)節(jié)機(jī)制起到了明顯減輕膜結(jié)構(gòu)損傷的作用。

（3）氯化鈉和碳酸鈉處理小麥植株MDA含量的交叉比較

比較同摩爾濃度下氯化鈉和碳酸鈉對小麥植株MDA摩爾濃度的影響，受碳酸鈉脅迫時小麥植物體內(nèi)的MDA濃度高于受氯化鈉脅迫時的濃度，可顯示在碳酸鈉條件下細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)受到的損傷更大。但在兩者濃度加大過程中均出現(xiàn)了趨緩或下降的情況，可能由于不同濃度下抵抗和滲透壓調(diào)節(jié)機(jī)制被激活的程度不同所導(dǎo)致，具體機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

2.小麥植株P(guān)ro含量比較

脯氨酸（proline）是一種重要的有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，具有平衡液泡中的高濃度鹽分，避免細(xì)胞質(zhì)脫水，穩(wěn)定細(xì)胞蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，防止酶變性失活和保持氮含量等作用。脯氨酸的積累是植物對抗鹽堿脅迫而采取的一種保護(hù)生理應(yīng)激措施。[9]

（1）不同濃度氯化鈉處理小麥植株P(guān)ro含量比較

隨著氯化鈉濃度的加大，植株體內(nèi)Pro濃度呈現(xiàn)先加速增長，后減速，最后下降的趨勢，最高峰處在2.4mol/L到3mol/L之間，但不同濃度下Pro濃度與氯化鈉濃度的比值具有較大差異性。可推測當(dāng)濃度過高時，植物生產(chǎn)的Pro無法平衡液泡中的高濃度鹽分，造成細(xì)胞質(zhì)脫水和酶的變性失活，Pro的合成速率下降，造成Pro濃度降低。但是植物體內(nèi)還有一些其他與抗逆境指標(biāo)相關(guān)的酶類，具體機(jī)制還需進(jìn)一步研究。

（2）不同濃度碳酸鈉處理小麥植株P(guān)ro含量比較

隨著碳酸鈉濃度的加大，植物體內(nèi)Pro濃度呈現(xiàn)非線性增長的趨勢，體現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系，但不同濃度下Pro濃度與碳酸鈉濃度的比值具有較大差異性。

（3）氯化鈉和碳酸鈉處理小麥植株P(guān)ro含量的交叉比較

比較同摩爾濃度下氯化鈉和碳酸鈉對小麥植株P(guān)ro摩爾濃度的影響，受碳酸鈉脅迫時小麥植物體內(nèi)的脯氨酸濃度顯著高于氯化鈉脅迫時的濃度，但兩者上升的趨勢相近?？烧f明同濃度下植物對碳酸鈉的抵抗反應(yīng)強(qiáng)度更大。endprint

三、討論

植物在脅迫下通常發(fā)生脂質(zhì)的過氧化反應(yīng)，產(chǎn)生有害的氧化物，而MDA就是氧化的重要最終產(chǎn)物之一。本實(shí)驗(yàn)中，隨著鹽堿梯度由低到高，植株體內(nèi)MDA濃度升高，質(zhì)膜的通透性逐漸增大，這表明鹽堿使脂質(zhì)過氧化水平加重，細(xì)胞膜系統(tǒng)在一定程度上遭到破壞，質(zhì)膜通透性發(fā)生改變。濃度相對低時隨著濃度的升高M(jìn)DA含量出現(xiàn)了上升不明顯甚至出現(xiàn)了下降的情況，體現(xiàn)出在濃度較低時小麥植株能對鹽堿脅迫體現(xiàn)出較好的抗性。同摩爾濃度下碳酸鈉脅迫時MDA濃度大于氯化鈉脅迫的濃度，說明碳酸鈉脅迫對小麥膜結(jié)構(gòu)的損傷更大。

Pro是植物在水分脅迫下最為有效的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，它具有易于水合的趨勢或具有較強(qiáng)的水合能力，在植物受旱時它的增加有助于細(xì)胞或組織的持水作用，防止脫水。本實(shí)驗(yàn)中Pro濃度與鹽脅迫程度在一定范圍內(nèi)成非線性正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)度逐漸升高，但超過限度后調(diào)節(jié)機(jī)制出現(xiàn)失效跡象，體現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系。同摩爾濃度下碳酸鈉脅迫時Pro濃度大于氯化鈉脅迫的濃度，體現(xiàn)出同摩爾濃度下小麥植株對碳酸鈉脅迫的應(yīng)激反應(yīng)更強(qiáng)，但膜結(jié)構(gòu)損傷也更高。本實(shí)驗(yàn)為小麥的鹽堿抗性育種提供了一定的生理學(xué)基礎(chǔ)，而引起生理變化的分子機(jī)理還需進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉小京，劉孟雨.鹽生植物利用與區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[M].北京：氣象出版社，2002：1-9.

[2]李彬，王志春，孫志高，等.中國鹽堿地資源與可持續(xù)利用研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2005，23（2）：154-158.

[3]李秀君.松嫩平原西部土地鹽堿化與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[J].地理科學(xué)，2000，20（1）：51-55.

[4]李合生.植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2000：195-197.

[5]張志良，瞿偉菁.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M].3版.北京：高等教育出版社，2003：274-276.

[6]Mcka Y H M，Mason W L. Physiological indicators of tolerance to cold storage in sitka spruce and douglas 2-fir seedlings[J].Canadian Journal Forest Research，1991， 21（6）：890-901.

[7]高雁，婁愷，李春.鹽分脅迫下棉花幼苗對外源甜菜堿的生理響應(yīng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（1）：244-248.

[8]梁文英，邢輝，王睿勇.聚乙二醇模擬干旱條件下玉米和高粱的生理指標(biāo)比較[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（7）：89-91

[9]趙可夫，馮立田.植物耐鹽堿性生理生化指標(biāo)的研究進(jìn)展[M].北京：科學(xué)出版社，2001：32-43.

[10]董喜存，李巖，李文建，等.聚乙二醇模擬干旱對甜高粱幼苗丙二醛、脯氨酸含量的影響[J].云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，25（4）：727-730.endprint