3種鹽脅迫對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)及葉片抗氧化酶和離子累積的影響

Shabeer Ahmed，沈彥合，馬文豪,董江波,屈芯宇,曹 穎,胡尚連，羅學(xué)剛

(1.西南科技大學(xué)植物細(xì)胞工程實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621010; 2.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010)

植物在生長(zhǎng)發(fā)育過程中極易受到各種環(huán)境因素的脅迫。其中，在非生物脅迫中土地鹽漬化會(huì)導(dǎo)致主要農(nóng)作物減產(chǎn)50%～70%[1]。玉米(ZeamaysL.)作為重要的禾谷類作物種植廣泛程度僅次于水稻和小麥，因此充分了解玉米這一C4植物[2]的耐鹽性對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。

全球氣候的變化以及劣質(zhì)水源的灌溉使土地鹽漬化逐年加重[3]，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。鹽堿地中富含大量的NaCl，因此目前與鹽脅迫相關(guān)的研究都集中在NaCl脅迫方面[4-5]。而火山土壤、海水灌溉的土壤還富含硫酸鹽，工業(yè)生產(chǎn)硫化氣體的排放也會(huì)導(dǎo)致土壤中硫酸鹽含量的增加[6-8]。氮肥的過量施用[9]以及含氮工業(yè)廢水的排放[10]則可能會(huì)導(dǎo)致土壤發(fā)生硝酸鹽含量超標(biāo)，引發(fā)次生鹽漬化。目前關(guān)于玉米耐鹽性的生理生化特性[11]及分子機(jī)理[12]均有大量研究。胡燕梅等[13]研究表明，不同品種玉米在相同濃度鹽脅迫條件下具有不同的萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)特性。目前對(duì)玉米耐鹽性的研究多采用NaCl溶液進(jìn)行模擬[14]。鹽脅迫的作用機(jī)理主要通過滲透脅迫(進(jìn)而導(dǎo)致氧化脅迫)和離子毒害等方面來體現(xiàn)[15]。而面臨越來越復(fù)雜以及多樣化的土壤鹽漬化情況，玉米的耐性也會(huì)不同。因此研究不同類型鹽脅迫對(duì)玉米生長(zhǎng)影響和生理響應(yīng)變化具有非常重要的科研與實(shí)踐意義。本研究選取2個(gè)玉米品種金玉819和金單999，探討3種鹽脅迫(NaCl、Na2SO4和NaNO3)對(duì)玉米生長(zhǎng)、抗氧化酶活性及Na+、K+、Ca2+等離子積累的影響，為深入研究玉米的耐鹽機(jī)理和不同土壤鹽漬化條件下的玉米栽培[16]提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與處理

選取雜交玉米品種金玉819和金單999為供試材料。將飽滿一致的玉米種子清水浸泡12 h后，轉(zhuǎn)移至由50% Hoagland營(yíng)養(yǎng)液浸濕的濾紙上，置于光照培養(yǎng)箱內(nèi)(12 h光照/12 h黑暗交替，25℃)進(jìn)行萌發(fā)。7 d后選取長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗移至內(nèi)裝石英砂、下部有孔的塑料盆中(39 cm×30 cm×13 cm)，每盆栽植16株幼苗，采用50% Hoagland營(yíng)養(yǎng)液置于恒溫光照培養(yǎng)室(25℃，14 h光照/10 h黑暗交替，相對(duì)濕度60%～70%)內(nèi)進(jìn)行適應(yīng)培養(yǎng)。待幼苗長(zhǎng)到3葉1心期時(shí)，對(duì)幼苗進(jìn)行脅迫處理，以純50% Hoagland營(yíng)養(yǎng)液作為對(duì)照(CK)。試驗(yàn)共7個(gè)處理，每個(gè)處理3盆以上，每2 d更換一次營(yíng)養(yǎng)液，以保持營(yíng)養(yǎng)充足以及鹽濃度相對(duì)穩(wěn)定。處理10 d以后，測(cè)量植株的鮮重并取樣。

1.2 試驗(yàn)方法

將植株從營(yíng)養(yǎng)液中取出后，拭干表面水分，用‰天平分別測(cè)定地上部和地下部的鮮重。用于測(cè)定酶活性的葉片取樣后經(jīng)液氮冷卻，置于-80℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

酶活性測(cè)定：采用氮藍(lán)四唑(NBT)法[17]測(cè)定超氧化物歧化酶(SOD)活性;采用愈創(chuàng)木酚比色法測(cè)定過氧化物酶(POD)活性[17];過氧化氫酶(CAT)采用紫外吸收法測(cè)定[17];抗壞血酸過氧化物酶(APX)測(cè)定參照Mishra[18]等的方法;Ca2+測(cè)定采用純水浸提-原子吸收光譜法;K+、Na+測(cè)定采用純水浸提-火焰光度計(jì)法。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 21進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和方差分析，使用Duncan’s檢驗(yàn)法進(jìn)行多重比較，使用Oringin 8.5進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鹽脅迫對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)和根冠比的影響

經(jīng)過3種不同鈉鹽(NaCl、Na2SO4、NaNO3)處理后，金玉819的地上部和地下部鮮重與對(duì)照相比均顯著下降(P<0.05)，其中地上部鮮重下降超過28.6%，各處理間鮮重差異不明顯(圖1A)；而金單999表現(xiàn)出一定的耐鹽性，鮮重下降幅度較小，地上部鮮重下降超過18%，只有75 mmol·L-1的Na2SO4處理使地上部鮮重降低了37.69%，達(dá)到差異顯著水平(P<0.05)，其余處理較對(duì)照相比均無明顯差異(圖1B)。NaCl、Na2SO4和NaNO3脅迫下，玉米幼苗的根冠比均顯著高于對(duì)照，脅迫處理下金玉819除100 mmol·L-1NaCl處理組外，玉米幼苗的根冠比均顯著高于對(duì)照；金丹999對(duì)照組根冠比最低，其中100 mmol·L-1NaCl、150 mmol·L-1NaNO3根冠比顯著高于對(duì)照。表明玉米幼苗地上部生長(zhǎng)對(duì)鹽脅迫更敏感(圖1C,圖1D)。

注：圖中不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。Note: Different lowercase letters in theFigure indicate significant difference (P<0.05). The same below.圖1 不同鹽脅迫對(duì)玉米幼苗生物量的影響Fig.1 Effect of different salt stress on biomass of maize seedlings

2.2 不同鹽脅迫對(duì)玉米幼苗葉片中抗氧化相關(guān)酶活性的影響

如圖2所示，在不同鹽脅迫下2個(gè)玉米品種的SOD酶活性均有不同程度的上升。100 mmol·L-1Na+(NaCl-100、Na2SO4-50、NaNO3-100)濃度下，金玉819葉片中SOD酶活是對(duì)照的2.1～2.6倍，表明鹽脅迫誘導(dǎo)了細(xì)胞內(nèi)活性氧積累，從而促進(jìn)了SOD活性增加；而在150 mmol·L-1Na+(NaCl-150、Na2SO4-75、NaNO3-150)條件下，金玉819的SOD酶活性較100 mmol·L-1Na+處理有所下降。 100 mmol·L-1和150 mmol·L-1NaCl和NaNO3處理下，金單999的SOD酶活性較高，為對(duì)照的2.3～2.4倍； Na2SO4處理下，隨著鹽濃度的提高SOD酶活性雖然呈增加趨勢(shì)，但顯著低于NaCl和NaNO3處理(圖2B)，表明同濃度下，Na2SO4脅迫對(duì)金單999葉片SOD活性的影響小于NaCl和NaNO3脅迫。

圖2 不同鹽脅迫對(duì)玉米幼苗葉片SOD活性的影響Fig.2 Effect of different salt stress on SOD activities of leaves of maize seedlings

如圖3所示，3種不同鹽脅迫下金玉819的POD酶活性較對(duì)照均有顯著上升，其中75 mmol·L-1Na2SO4處理下POD酶活性上升幅度最大，達(dá)到對(duì)照的4.5倍；金單999對(duì)照植株的POD酶活性較高，達(dá)到55.4 U·g-1，因而不同鹽處理后的POD酶活性較對(duì)照上升幅度較小，但是其POD酶活性的絕對(duì)值仍然維持在較高的水平(圖3B)。

圖3 不同鹽脅迫對(duì)玉米幼苗葉片POD活性的影響Fig.3 Effect of different salt stress on POD activities of leaves of maize seedlings

如圖4所示，金玉819和金單999在3種鹽脅迫后APX酶活性也均出現(xiàn)不同程度的上升，金玉819上升幅度大于金單999。

圖4 不同鹽脅迫對(duì)玉米幼苗葉片APX活性的影響Fig.4 Effect of different salt stress on APX activities of leaves of maize seedlings

金玉819和金單999在3種鹽脅迫后CAT酶活性較對(duì)照均出現(xiàn)不同程度的上升(圖5)。其中NaNO3處理CAT酶活上升幅度大于Na2SO4，NaCl處理上升幅度最小。

圖5 不同鹽脅迫對(duì)玉米幼苗葉片CAT活性的影響Fig.5 Effect of different salt stress on CAT activities of leaves of maize seedlings

2.3 不同鹽脅迫對(duì)玉米幼苗葉片K+、Na+、Ca2+含量的影響

如圖6所示，在100 mmol·L-1和150 mmol·L-1Na+脅迫處理后，金玉819和金單999葉片中的Na+含量均顯著升高，可達(dá)到對(duì)照的4.5～6.3倍。相同Na+濃度處理下， NaCl 處理葉片Na+積累量最高，而Na2SO4脅迫的2種玉米幼苗葉片Na+含量明顯小于NaCl和NaNO3處理。

鹽脅迫抑制玉米對(duì)K+和Ca2+等礦質(zhì)元素的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，阻礙其正常生長(zhǎng)和發(fā)育。與對(duì)照相比，2個(gè)玉米品種在Na+含量上升的同時(shí)K+和Ca2+含量顯著下降。與NaCl、Na2SO4處理相比，NaNO3處理植株葉片中K+和Ca2+含量下降最明顯。150 mmol·L-1NaNO3處理下金玉819和金單999葉片K+含量?jī)H為對(duì)照的38%和42%，葉片Ca+含量?jī)H為對(duì)照的31%和35%(圖6)。

圖6 不同鹽脅迫對(duì)玉米幼苗葉片K+、Na+和Ca2+含量的影響Fig.6 Effect of different salt stress on contents of K+, Na+ and Ca2+ of leaves of maize seedlings

2.4 不同鹽脅迫對(duì)玉米幼苗葉片K+ /Na+ 和Ca2+ /Na+的影響

如圖7所示，在不同鹽脅迫下2個(gè)基因型玉米葉片的K+/Na+顯著降低。其中NaCl和NaNO3處理K+/Na+比對(duì)照降低90%～93%，而Na2SO4處理K+/Na+下降幅度略小，比對(duì)照降低78%～82%。與K+/Na+類似，鹽脅迫下2個(gè)基因型玉米葉片的Ca2+/Na+也顯著降低，金玉819 和金單999葉片的Ca2+/Na+比對(duì)照分別降低了85%～90%和92%～94%。

圖7 不同鹽脅迫對(duì)玉米幼苗葉片Ca2+ /Na+和K+ /Na+比率的影響Fig.7 Effect of different salt stress on ratios of Ca2+/Na+ and K+/Na+ of leaves of maize seedlings

3 討 論

鹽脅迫可以導(dǎo)致水分虧缺，從而影響植物的代謝過程，而生長(zhǎng)抑制是植物對(duì)鹽脅迫最直觀的生理現(xiàn)象[16]。NaCl、Na2SO4、NaNO3脅迫下，金單999地上部和地下部鮮重較對(duì)照下降不顯著，表明其具有一定的耐鹽性。在3種鹽脅迫下各品種玉米幼苗的根冠比均顯著高于對(duì)照，表明玉米幼苗地上部生長(zhǎng)對(duì)鹽脅迫更敏感。

研究表明，鹽離子在植物細(xì)胞內(nèi)的大量積累會(huì)引起離子毒害和離子不平衡[19]。高濃度的Na+可置換細(xì)胞質(zhì)膜和內(nèi)膜系統(tǒng)的Ca2+，使得膜系統(tǒng)的完整性被破壞，細(xì)胞物質(zhì)交換平衡遭到破壞[19]。Na+對(duì)于細(xì)胞K+的吸收也呈明顯的競(jìng)爭(zhēng)性抑制[24]， 從而影響細(xì)胞Na+、K+離子通道的正常運(yùn)行，引發(fā)植物體的代謝紊亂。本研究發(fā)現(xiàn)，3種不同的鈉鹽均會(huì)導(dǎo)致玉米幼苗葉片Na+濃度上升，但是相同Na+濃度下，Na2SO4脅迫的玉米幼苗葉片Na+濃度明顯小于NaCl和NaNO3脅迫，這可能與離子的選擇性吸收有關(guān)。鹽脅迫下，2個(gè)基因型玉米的Na+含量顯著上升，高濃度的Na+嚴(yán)重阻礙玉米幼苗對(duì)K+和Ca2+的吸收和運(yùn)輸，葉片K+和Ca2+含量顯著下降。與NaCl和Na2SO4處理相比，同等Na+濃度下NaNO3處理植株葉片中K+和Ca2+含量下降最明顯，表明氮肥的過度施用引起的次生鹽害是玉米生產(chǎn)中值得重視的問題。但就2個(gè)品種來看，相同脅迫下金單999的K+/Na+和Ca2+/Na+比例下降幅度均小于金玉819，表明金單999具有更強(qiáng)的鹽抗性。