硅對鹽脅迫下棉花幼苗生長和滲透調節系統的影響

張 倩,李笑佳,張淑英

(石河子大學 農學院，新疆 石河子 832000)

棉花(GossypiumhirsutumL.)是世界范圍內重要的經濟作物之一，我國是世界最大的棉花生產國，新疆是全國最大的產棉區，棉花生產成為新疆經濟產業支柱。植物的正常生長發育需要一個適度的鹽分環境，鹽分過高時植物會受到傷害，嚴重時甚至導致死亡[1]。土壤鹽漬化是棉花生長發育、產量和品質提高的重要非生物脅迫因子之一。中國是鹽漬土分布廣泛的國家，中國的鹽漬土面積約為1億hm2，其中我國1億多hm2耕地中就有600多萬hm2鹽漬化土壤，已嚴重制約中國經濟發展和生態平衡，土壤鹽漬化被認為是21世紀世界性農業問題，而提高棉花耐鹽性是新疆棉花生產的迫切需要。

地殼中含量第二的硅(Si)元素是植物生長有益元素，可增強植物抗性，克服包括病、蟲害等在內的生物或非生物脅迫[2]。大量研究表明，施用外源硅可提高鹽脅迫下玉米、黃瓜、甘草葉片、柳樹稷幼苗等的耐鹽性[3-6]，緩解鹽脅迫損傷。目前，硅對鹽脅迫下植物的影響多集中在對光合參數、抗氧化酶活性等研究上，例如陳罡等[7]研究表明，硅處理可有效緩解鹽脅迫誘導的生長抑制，逆轉葉綠素熒光參數變化，保護黃瓜幼苗光合器官結構和功能的完整，從而增強黃瓜的耐鹽性。崔佳佳[8]研究表明,硅能提高鹽脅迫下甘草葉片超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)等抗氧化系統酶活性，減輕活性氧及自由基對甘草葉片的毒害，緩解NaCl脅迫造成的膜脂過氧化傷害，提高其抗鹽能力，促進正常生長。而外源硅對鹽脅迫下棉花幼苗滲透調節系統及活性氧的影響報道較少，其作用機理還尚不清楚。為此，研究了不同硅、鹽分處理對棉花幼苗生長、滲透調節系統、活性氧及丙二醛(MDA)的影響，初步探討施用外源硅后棉苗滲透調節系統及活性氧對抗鹽性的生理響應機制，為提高新疆棉花苗期生產耐鹽性提供理論依據。

1材料和方法

1.1 試驗設計

選用棉花品種新陸早45號(GossypiumhirsutumL.cv.Xinluzao 45)為供試材料，用總氮水平為5.0 mmol/L的Hoagland營養液，采用蛭石為介質的營養液培養。播種前選擇均勻、飽滿的種子曬種2 d，再用10%的過氧化氫消毒10 min，最后用蒸餾水沖洗干凈。將種子以“品字形”播種在12 cm×12 cm的培養缽內，把培養缽置于長45 cm、寬33 cm、高20 cm的周轉箱中，每個周轉箱內放置15缽棉苗。出苗前用去離子水進行澆灌，當幼苗2片子葉完全展開后用營養液培養。出苗12 d后進行鹽分(將對應濃度的NaCl用量加入營養液中)處理，18 d后進行抗鹽硅(將對應濃度的Si用量加入營養液中)處理。從鹽處理開始，每天早上澆去離子水，下午澆處理后的營養液。出苗60 d后每個重復選取4株棉苗，測定其生物量、根冠比、根系活力和滲透調節物質含量等。設置鹽分(NaCl 分析純：0，100，200 mmol/L)、硅(K2SiO3分析純：0，262.3 mg/L)2因子的隨機組合，共6個處理，每處理重復3次，分別為：①CK：添加NaCl 0 mmol/L，加K2SiO30 mg/L；②100-0：添加NaCl 100 mmol/L，加K2SiO30 mg/L；③200-0：添加NaCl 200 mmol/L，加K2SiO30 mg/L；④0-1：添加NaCl 0 mmol/L，加K2SiO3262.3 mg/L；⑤100-1：添加NaCl 100 mmol/L，加K2SiO3262.3 mg/L；⑥200-1：添加NaCl 200 mmol/L，加K2SiO3262.3 mg/L。

1.2 測定方法

棉花出苗60 d后，每處理取4株，擦干水分后馬上分器官測定鮮質量，然后在105 ℃下殺青30 min，80 ℃下烘干24 h至恒質量測定棉花幼苗生物量；根冠比按照根干質量占地上部干質量的百分比計算，即根冠比=(根干質量/地上部干質量)× 100%；根系活力測定采用氯化三苯基四氮唑法(TTC法)[9]；可溶性糖(SS)含量采用蒽酮乙酸乙酯法[10]測定；游離脯氨酸(Pro)含量采用茚三酮法[11]測定；有機酸采用滴定法[12]測定；游離氨基酸采用茚三酮比色法[13]測定；過氧化氫(H2O2) 含量采用二甲酚橙法[14]測定；氧自由基產生速率采用羥胺法[15]測定；電解質滲出率采用電導儀法[16]測定；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法[17]測定。

1.3 數據分析

數據分析用Microsoft Excel 2010軟件，采用SPSS 19.0軟件進行方差分析和差異顯著性檢驗(Duncan法)，使用Sigmaplot 12.5 軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 硅對鹽脅迫下棉花幼苗生長的影響

2.1.1 生物量 由表1可以看出，加硅與不加硅處理，鹽脅迫對棉花幼苗葉片鮮質量、葉片干質量、莖鮮質量、莖干質量、根干質量和根冠比都產生了抑制，且不同濃度NaCl(0，100，200 mmol/L)脅迫對棉花幼苗生物量產生了不同程度抑制作用。而同濃度鹽分處理下，加硅(即262.3 mg/L, K2SiO3)處理比不加硅處理棉花幼苗生物量均呈增加趨勢,說明外源施硅能在一定程度上緩解鹽分逆境對棉花幼苗生長的脅迫。

表1 硅對鹽脅迫下棉花幼苗生物量的影響Tab.1 Effect of silicon on biomass of cotton seedlings under salt stress

注：表中不同小寫字母表示處理間差異達5%顯著水平(P<0.05)。

Note：Different letter mean significant difference among treatments at the 5% level.

在加鹽無硅的處理下，100，200 mmol/L鹽分處理與CK相比，棉花葉片鮮質量分別下降了27.54%，47.95%；葉片干質量分別下降了12.78%，62.32%；莖鮮質量分別下降了35.22%，57.71%；莖干質量分別下降了22.22%，47.56%；根系干質量分別下降了21.20%，43.30%；根冠比分別下降了1.10,0.96百分點。在鹽分濃度相同條件下，外源硅處理比對應鹽濃度無硅處理棉苗葉片鮮質量分別增加了2.33%，3.91%，6.72%。棉苗葉片干質量、莖鮮質量、莖干質量、根干質量及根冠比亦是如此，外源硅處理比對應鹽濃度無硅處理明顯增大。

方差分析表明，棉花幼苗葉片鮮質量隨鹽分濃度升高而顯著下降(P<0.05)，而棉花幼苗葉片干質量、莖鮮質量、莖干質量和根冠比均極顯著下降(P<0.01)。鹽分與硅交互作用，棉花幼苗葉片干質量和莖鮮質量各處理間與CK差異極顯著(P<0.01)，棉苗莖干質量和根冠比各處理間差異顯著(P<0.05)。

2.1.2 根系活力 如圖1所示，加硅與不加硅處理下，棉花幼苗根系活力均表現為隨著鹽分濃度升高而顯著下降(P<0.05)。加鹽無硅處理中，100，200 mmol/L鹽分處理根系活力比CK分別下降了28.92%，65.42%。而同濃度鹽分處理中，加硅處理比不加硅處理棉苗根系活力升高，即0，100，200 mmol/L鹽分處理，外源施硅處理比對應濃度不加硅處理根系活力分別升高了7.18%，37.16%，110.20%，說明外源施硅減緩鹽分脅迫下棉花幼苗葉片根系活力的下降趨勢，尤其是在200 mmol/L鹽分處理下，外源硅處理可有效緩解鹽脅迫下棉花葉片根系活力下降。鹽分與硅交互作用方差分析表明，各處理間與CK差異達顯著水平(P<0.05)。

圖中不同小寫字母表示處理間差異達5% 顯著水平(P<0.05)。圖2-7同。 Different letter mean significant difference among treatments at the 5% level. The same as Tab.2-7.

2.2 硅對鹽脅迫下棉花幼苗滲透調節系統的影響

2.2.1 可溶性糖(SS)含量 由圖2可知，加硅與不加硅處理，隨著營養液中鹽分濃度升高，棉花幼苗SS含量均表現為先增加后減少的趨勢。加鹽無硅處理與CK相比，100 mmol/L鹽分處理棉苗SS含量升高了10.03%，200 mmol/L鹽分處理棉苗SS含量下降了13.07%，但各加鹽無硅處理與CK相比均差異不顯著。而鹽分濃度相同處理，加硅處理比對應鹽濃度不加硅處理棉苗SS含量明顯增多，如0，100，200 mmol/L鹽分處理，外源施硅處理比對應鹽濃度不施硅處理棉苗SS含量分別增加了8.42%，14.41%，18.73%。

圖2 硅對鹽脅迫下棉花幼苗可溶性糖含量的影響Fig.2 Effect of silicon on the content of SS in cotton seedlings under salt stress

2.2.2 游離脯氨酸(Pro)含量 從圖3看，無硅各處理中，棉花幼苗Pro含量均隨鹽濃度升高而逐漸增長，施加外源硅后，各處理也表現出相同趨勢。有鹽無硅處理中，100，200 mmol/L鹽分處理與CK相比，棉苗Pro含量分別增長了133.06%，389.69%，200 mmol/L鹽分處理與CK間差異顯著上升(P<0.05)。而相同濃度鹽分處理下，如100，200 mmol/L鹽分處理，外源硅處理比對應鹽濃度不加硅處理棉苗Pro含量分別下降了17.60%，7.20%，加硅比對應鹽濃度不加硅處理Pro含量明顯減少，說明外源硅在一定程度上緩解了鹽分脅迫下棉花葉片Pro含量的增長趨勢。鹽分與硅交互作用在各處理間差異顯著(P<0.05)。

圖3 硅對鹽脅迫下棉花幼苗游離脯氨酸含量的影響Fig.3 Effect of silicon on the content of Pro in cotton seedlings under salt stress

2.2.3 有機酸含量 由圖4-A可以看出，加硅與不加硅處理，棉花幼苗蘋果酸含量均呈現隨著鹽分濃度升高而下降的趨勢。加鹽無硅處理，即100，200 mmol/L鹽分處理與CK相比，蘋果酸含量分別下降了32.04%，41.03%，200 mmol/L鹽分無硅處理與CK間差異不顯著。而鹽分濃度相同處理，加硅處理比對應鹽濃度不加硅處理棉苗蘋果酸含量均明顯增加，即0，100，200 mmol/L鹽分處理，外源加硅處理比對應鹽濃度不加硅處理棉苗蘋果酸含量分別增加了28.98%，3.72%，9.88%。

圖4 硅對鹽脅迫下棉花幼苗有機酸含量的影響Fig.4 Effect of silicon on the content of organic acid in cotton seedlings under salt stress

由圖4-B可知，棉花幼苗檸檬酸含量變化與蘋果酸保持一致，也表現為隨鹽濃度升高而明顯下降；同一鹽分濃度處理下，加硅比不加硅檸檬酸含量增加。

2.2.4 游離氨基酸含量 如圖5所示，無論是否添加外源硅處理，棉花幼苗游離氨基酸含量均表現為隨鹽分濃度升高，先增大后減小趨勢。加鹽無硅處理的棉苗游離氨基酸含量與CK相比，100 mmol/L鹽分處理增大了19.95%，200 mmol/L鹽分處理減小了18.70%，且處理間差異顯著(P<0.05)。而相同濃度鹽脅迫條件時，加硅比對應鹽濃度不加硅處理棉苗游離氨基酸含量明顯增加，即0，100，200 mmol/L鹽分處理，外源加硅處理比對應鹽濃度不加硅處理棉苗游離氨基酸含量分別增加了11.08%，11.53%，8.34%。方差分析表明，鹽分與硅交互作用，各處理與CK差異達到極顯著水平(P<0.01)。

圖5 硅對鹽脅迫下棉花幼苗游離氨基酸含量的影響Fig.5 Effect of silicon on the free amino acid content of cotton seedlings under salt stress

2.3 硅對鹽脅迫下棉花幼苗活性氧的影響

由圖6-A可以看出，無論是否施用外源硅，棉花幼苗體內過氧化氫(H2O2)含量均隨著鹽濃度增加而增加。在加鹽無硅處理下，100，200 mmol/L鹽分處理與CK相比，棉苗H2O2含量分別增加了52.2%，133.4%，200 mmol/L鹽分無硅處理與CK間差異顯著(P<0.05)。而同濃度鹽分處理中，加硅處理比對應鹽濃度不加硅處理棉苗H2O2含量減少，即0，100，200 mmol/L鹽分處理，外源加硅處理比對應鹽濃度不加硅處理H2O2含量分別下降了23.6%，22.6%，36.6%。方差分析表明，外源硅與鹽分交互作用各處理間差異極顯著(P<0.01)。

圖6 鹽脅迫下外源硅對棉花幼苗活性氧的影響Fig.6 Effects of exogenous silicon on reactive oxygen in cotton seedlings under salt stress

2.4 硅對鹽脅迫下棉花幼苗電解質滲出率和丙二醛(MDA)的影響

由圖7-A可知，加硅與不加硅處理，隨著營養液中鹽分濃度升高，棉花幼苗電解質滲出率均呈現上升趨勢。加鹽無硅處理與CK相比，100,200 mmol/L鹽分處理棉苗電解質滲出率分別升高了7.66,29.66百分點，加鹽無硅處理與CK間差異顯著(P<0.05)。而同濃度鹽分處理，加硅比對應鹽濃度不加硅棉苗電解質滲出率呈下降趨勢，如0，100，200 mmol/L鹽分處理，外源施硅處理比對應鹽濃度不施硅處理棉苗電解質滲出率分別減少了2.61,0.26,6.47百分點，說明外源硅在一定程度上緩解了鹽脅迫下棉花葉片電解質滲出率的增長趨勢。方差分析表明，外源硅與鹽分交互作用各處理間差異極顯著(P<0.01)。

圖7 鹽脅迫下外源硅對棉花幼苗電解質滲出率和丙二醛含量的影響Fig.7 Effects of exogenous silicon on the electrolyte leakage rate and the content of MDA of cotton seedlings under salt stress

由圖7-B還可看出，棉花幼苗MDA含量變化與電解質滲出率保持一致，也表現為隨鹽濃度升高而呈現上升趨勢。同一鹽分濃度處理下，外源硅處理比對應鹽濃度無硅處理棉苗MDA含量分別下降了41.2%，27.7%，9.6%。方差分析表明，鹽分與硅交互作用，各處理與CK差異達到極顯著水平(P<0.01)。

3 討論與結論

3.1 不同處理對棉花幼苗生長的影響

張梅等[18]研究表明，硅能緩解鹽脅迫對棉苗根系的傷害，逆轉鹽脅迫下棉花幼苗生物量、根系活力下降趨勢。本試驗研究表明施加外源硅能顯著提高棉苗莖鮮質量和根系活力，這與張梅等[18]研究結果一致。說明NaCl脅迫下產生的高濃度Na+毒害作用導致棉苗生長緩慢[19]，代謝失調，而外源施硅能提高葉片中K+含量，降低Na+含量及Na+/K+比值[20]，從而維持棉苗營養平衡，促進棉苗生長，緩解鹽脅迫損傷。

3.2 不同處理對棉花幼苗滲透調節系統的影響

本試驗結果表明，加硅與不加硅處理，棉花幼苗SS含量均表現為隨鹽濃度升高先增加后減少的趨勢，猜測這與棉苗遇鹽后合成大量SS以維持滲透壓避免失水或鹽離子進入有關，而鹽濃度越大這種恢復作用越小[21]。鹽分濃度相同處理，加硅處理比對應鹽濃度不加硅處理棉苗SS含量明顯增多。而鹽分濃度相同條件下，加硅比不加硅處理棉苗Pro含量明顯減少，其原因可能是外源硅參與了細胞壁孔隙度調節，減少鹽分進入機體[22]，提高了棉苗對水分的利用，從而表現出Pro含量降低。施用外源硅棉苗蘋果酸、檸檬酸含量明顯增加，這與外源硅增強棉苗離子的吸收及硅對棉苗pH調節機制有關。棉花幼苗游離氨基酸含量隨鹽分濃度增大呈現出先升后降的變化規律，而相同鹽濃度條件，外源硅處理后棉苗游離氨基酸含量增多。可能是低鹽處理加快棉苗體內蛋白質分解，致使氨基酸積累過多，出現氨基酸含量升高趨勢，但隨著大量氨基酸轉化為丁二胺等毒害物質，累積過多影響轉氨酶活性，降低棉苗氨代謝，導致氨基酸含量大幅降低[23]；而施硅處理后植物細胞液濃度升高，結合水比例升高，代謝相對減弱，蛋白質合成減慢，游離氨基酸逐漸積累。

3.3 不同處理對棉花幼苗活性氧的影響

3.4 不同處理對棉花幼苗電解質滲出率和丙二醛的影響

張梅等[18]對棉花的研究表明，鹽脅迫導致棉花葉片MDA含量增加，加硅處理顯著降低鹽脅迫下棉花葉片MDA含量。本試驗結論與之基本相同，即鹽脅迫下棉苗MDA含量隨鹽濃度增加而增加，外源硅處理減少了棉苗MDA含量。猜測與外源硅通過參與棉苗代謝活動減少體內MDA含量，降低了鹽脅迫下脂質過氧化傷害有關。無硅條件下，棉苗電解質滲出率隨鹽濃度增加而增加，說明鹽脅迫導致棉苗細胞膜透性增大，大量電解質外滲；外源硅條件下，棉苗電解質滲出率上升幅度顯著下降，說明硅的添加能保護細胞膜，明顯降低細胞膜透性，從而緩解鹽脅迫對棉苗細胞造成的傷害。