鹽脅迫對玉米毛狀根植株根系及光合作用的影響

張曉婷 劉培源 田媛

摘要：為探討鹽脅迫對玉米毛狀根的影響以及其自身耐鹽性生理機制，以玉米毛狀根再生植株幼苗為材料，采用25 mmol/L氯化鈉溶液施加到1/2 Hoaglands營養液的水培處理方法，利用WinRHIZO 根系掃描分析系統以及 CIRAS-3 型便攜式光合作用儀，通過測定玉米的根系指標和光合指標，確定玉米毛狀根再生植株的耐鹽性。結果表明，在正常水培條件下，玉米毛狀根各項根系指標與光合參數均高于對照組（吉單35自交系），其中根尖數與水分利用效率差距較大，分別高出73.33%、27.99%，而總根長與總投影面積分別比對照組高16.64%、20.86%，氣孔導度、蒸騰速率與凈光合速率分別比對照組高12.03%、11.71%、20.24%;鹽脅迫下其總根長、總投影面積和根尖數分別比對照組高69.20%、51.98%、34.37%;氣孔導度、凈光合速率、蒸騰速率和水分利用效率分別比對照組高12.57%、12.83%、30.55%、18.63%。研究表明，玉米毛狀根再生植株具有強大的根系，側根發達，水分利用效率增加，且在鹽脅迫情況下仍能保持良好的根系生長和光合能力。

關鍵詞：玉米毛狀根;鹽脅迫;根系;光合作用;耐鹽性

中圖分類號：S513.01 ? 文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）15-0095-04

玉米（Zea mays L.）屬于非鹽生植物，是我國第一大糧食作物[1]，種植面積廣泛[2]。玉米是人類消耗最大的糧食作物，而且也是生產飼料的主要原料[3]。我國的糧食安全和經濟發展也主要由玉米的產量決定，所以玉米在農業種植領域倍受青睞，對玉米的研究也就成為農業研究中的重點項目之一。

土壤鹽漬化是當今農業生產面臨的常見問題[4]。鹽脅迫包括離子毒害、生長抑制、滲透脅迫等[5]。鹽離子能夠使細胞脫水，影響其生理功能[6]。當土壤中鹽分含量過高時，植物會受到脅迫傷害。土壤鹽漬化的危害主要會使農作物產量降低甚至絕收，不可用的土地大幅度增加，土地的耕種面積減小[7]。2019年Salachna等研究了寡聚結聚糖緩解鹽脅迫對紅色紫蘇的影響[8]。Guo等探討了轉錄因子對二倍體棉花鹽脅迫的響應[9]。近年來，植物自身的耐鹽機制逐漸成為現代研究植物抗鹽性的熱點。

本試驗選用的植物是筆者所在實驗室的玉米毛狀根再生植株，具有自主知識產權。徐洪偉等在添加乙酰丁香酮條件下，以發根農桿菌誘導玉米愈傷組織，誘導出玉米毛狀根再生植株，并研究發現，玉米毛狀根植株在水分脅迫下，其蒸騰速率、光合速率等均較高，可以保證植株在發育過程中具有充足的水分、較強的光合能力[10-13]。Runo 等研究發現，獨腳金屬（Striga）植物寄生了玉米的轉基因毛狀根，并提供了研究植物與植物相互作用的工具[14]。未曉巍等進一步研究發現，毛狀根再生植株經過水分脅迫后，各項生長參數和生理生化指標都高于對照，差異顯著[15-16]。徐洪偉等研究發現，毛狀根植株的根系龐大，氮元素的吸收效果好，可以提高光合能力[17]。由于毛狀根具有較強的根系系統，生長迅速，為深入研究玉米毛狀根再生植株耐鹽機制奠定了基礎。本研究通過對玉米毛狀根植株的根系及光合系數的分析，探討玉米毛狀根再生植株的耐鹽能力。

1 材料與方法

1.1 植物材料

玉米毛狀根再生植株，由發根農桿菌轉化玉米自交系吉單35產生，筆者所在實驗室具有自主知識產權;對照組為玉米自交系吉單35，來源于吉林省農業科學院。

1.2 培養液組成

試驗水培液為1/2 Hoaglands營養液。

1.3 植物培養方法

采用水培培養，選擇大小均勻的玉米種子，經10% 次氯酸鈉溶液消毒10 min，用水沖洗5次，培養箱中培養至露白后置于室溫下。培養至2葉1心期時，精選生長狀態相似的幼苗，去胚乳，移至pH值為6.0的1/2 Hoaglands營養液中培養。待生長到5葉期時，以25 mmol/L濃度的氯化鈉溶液施加到營養液中，脅迫2 d。對2種不同處理（T1：正常培養，T2：鹽脅迫）的玉米植株進行后續測定。

1.4 主要儀器設備

WinRHIZO 根系掃描分析系統（Regent，加拿大），CIRAS-3型便攜式光合作用儀（PP Systems，英國）。

1.5 玉米根系形態學指標測定

玉米根系形態學指標利用 WinRHIZO 根系掃描儀測定。用剪刀從軸根基部將玉米的軸根剪下，分別洗滌不同處理的2種玉米根系，再將樣品置于掃描儀上。然后用儀器配帶的遮光板全部覆蓋住根盤，進行根系全景掃描。待掃描完成以后，再通過WinRHIZO圖像查看軟件，將閾值調到最佳效果。通過軟件的系統分析可獲得總投影面積、總根長、根尖數等指標。

1.6 玉米葉片光合指標測定

利用CIRAS-3型便攜式光合作用儀對玉米葉片的光合指標進行測定。

1.7 數據處理與分析

采用SPSS 22.0和SigmaPlot 12.5分別對數據進行差異性分析及繪制作圖。

2 結果與分析

2.1 鹽脅迫下玉米植株根系總根長的變化

本試驗采用水培方法培養玉米植株，待植株生長到5葉期時，對其根系指標進行測定，經分析得到根系形態學指標數據。主根的根系主要是傳導、輸送營養和防止倒伏的作用。由圖1-a可知，在正常水培條件下，玉米毛狀根與對照組總根長差異顯著（P<0.05）。對照組植株在鹽脅迫下比正常情況下低38.27%，且差異顯著（P<0.05）。鹽脅迫情況下，玉米毛狀根植株比對照組高69.20%，且差異顯著（P<0.05）。說明玉米毛狀根植株的耐鹽性高于對照組植株。而玉米毛狀根植株在正常情況下與鹽脅迫情況下差異不顯著，說明玉米毛狀根植株自身根系優良，總根長較長。且正常處理下的對照組植株與鹽脅迫下玉米毛狀根植株差異顯著（P<0.05），說明毛狀根雖受到鹽脅迫影響，但形態學指標仍較高，表明玉米毛狀根再生植株的耐受性較強，可以抵抗鹽脅迫帶來的傷害。

2.2 鹽脅迫下玉米毛狀根再生植株根系總投影面積的變化

根系表面積增加能擴大與土壤的接觸面積，有助于植物根系獲取較多水分，滿足自身需要。如圖1-b所示，在正常水培條件下，玉米毛狀根總投影面積比對照組高20.86%，但差異不顯著。對照組植株在鹽脅迫下比正常情況下低32.55%，說明鹽脅迫對玉米植株根系傷害較強。而玉米毛狀根植株在正常情況與鹽脅迫情況下差異不顯著，而在鹽脅迫下，玉米毛狀根比對照組高51.98%，說明玉米毛狀根耐鹽性高于對照組。同時，鹽脅迫處理下的毛狀根植株根系總投影面積仍高于對照組根系，毛狀根植株比對照組高2.52%，且差異不顯著，說明毛狀根植株雖受到鹽脅迫影響，但仍然有較強的抗逆性，可以保持良好的根系發育。

2.3 鹽脅迫下玉米毛狀根再生植株根系根尖數的變化

根尖數能夠反映根系的生長活力及側根數。如圖1-c所示，在正常水培條件下，玉米毛狀根的根尖數比對照組高73.33%，且差異顯著（P<0.05），說明玉米毛狀根再生植株自身根系優良，根尖數多，分枝茂盛。對照組植株在鹽脅迫下比正常情況下降低1.04%，且差異顯著（P<0.05）。而玉米毛狀根植株在鹽脅迫情況下比正常情況下降低23.28%，差異顯著（P<0.05），說明在同等脅迫情況下，玉米毛狀根植株比對照組植株的抗逆性更強。在鹽脅迫處理下，玉米毛狀根比對照組高34.37%，且差異顯著（P<0.05）。說明在同等脅迫下，轉化組植株仍然比對照組有較高的形態學指標。且鹽脅迫處理下的玉米毛狀根根尖數仍高于正常處理的對照組根系，玉米毛狀根比正常對照組高32.99%，差異顯著（P<0.05）。以上結果表明玉米毛狀根植株生長活力較強，側根較多，能夠在鹽脅迫下抵抗其帶來的損害。

2.4 鹽脅迫條件下玉米毛狀根再生植株光合生理指標的變化

玉米植株的氣孔導度（Gs）變化如圖2-a所示，在不同處理下，毛狀根的氣孔導度均高于對照。鹽脅迫明顯降低了玉米植株的氣孔導度，鹽脅迫的試驗組和對照組與正常對照組相比分別降低37.50%、29.66%，且差異顯著（P<0.05），說明鹽脅迫導致玉米植株氣孔關閉以減少對二氧化碳的獲取從而影響光合作用。

玉米植株的凈光合速率（Pn）變化如圖2-b所示，毛狀根再生植株的凈光合速率在不同處理下均高于對照組，這表明玉米毛狀根再生植株的光合能力較強，能在逆境下較好地積累有機物以供植株正常的生長發育。

蒸騰速率（E）體現的是植株在蒸騰時所需的水分的多少，蒸騰速率的變化如圖2-c所示，在正常水培條件下，玉米毛狀根比對照組高11.71%，表明在正常水培條件下毛狀根植株蒸騰速率高于對照組植株;在鹽脅迫條件下，毛狀根再生植株和對照組植株蒸騰速率與正常對照相比，分別降低39.69%、21.26%，且差異顯著（P<0.05），可見鹽脅迫對玉米植株的蒸騰速率具有較大的影響，但毛狀根再生植株蒸騰速率仍高于對照組，說明玉米毛狀根再生植株蒸騰速率優于對照組。

玉米植株的水分利用效率（WUE）變化如圖 2-d 所示，在正常水培條件下毛狀根再生植株比對照組植株高27.99%，說明毛狀根再生植株在正常水培條件下水分利用效率高于對照組植株。在進行鹽脅迫時，毛狀根植株和對照組與正常對照相比，分別升高21.39%、2.33%。可見在鹽脅迫下玉米植株水分利用效率升高，而水分利用效率與干物質的積累有關，在逆境條件下，毛狀根再生植株水分利用效率要比對照組植株高。

3 討論與結論

3.1 玉米毛狀根再生植株根系的耐鹽性分析

植物根系的生理特性可以用來研究植物抗逆性。在正常處理下，毛狀根植株總根長等各項根系形態學指標均明顯高于對照組，說明玉米毛狀根再生植株具有根系發達、粗壯等特點。而在鹽脅迫時，毛狀根植株與其對照品系吉單35的總根長、總投影面積、根尖數等均降低，說明根系對鹽脅迫反應敏感。雖然毛狀根植株根系也受鹽脅迫影響較大，各項指標都有一定的變化，但是，毛狀根再生植株在鹽脅迫下根系的各項指標仍然遠遠高于其對照品系的指標，總根長、總投影面積、根尖數等指標差異明顯。鹽脅迫對玉米植株根系影響較大，但毛狀根植株在鹽脅迫下根系形態學指標仍然較好，表明毛狀根再生植株耐受性強。玉米毛狀根具有節根分節較多、側根發達、根系構型豐富、根系發達等特點，可抵抗鹽脅迫帶來的傷害，具有較好的耐鹽性。

3.2 鹽脅迫下玉米植株光合特征的影響

太陽能轉化為化學能需要植物進行光合作用，產生的能量供給地球上所有生物[18]。植物生長等也都與光合作用有關，因此可以通過測定植物在脅迫時的光合作用，來探討其生長和抗逆性。本試驗中鹽脅迫下玉米毛狀根再生植株和對照組植株葉片的氣孔導度均降低，表明其光合速率的降低主要是由于鹽脅迫引起滲透，氣孔閉合，二氧化碳進入葉片細胞內后，擴散能力降低，此觀點與前人的研究結論[19]一致。此外氣孔導度降低，植物的蒸騰失水就會降低，鹽脅迫下毛狀根再生植株的氣孔導度降低幅度低于對照組，說明毛狀根再生植株的保水能力強，進而說明毛狀根再生植株的耐鹽性強。在測定蒸騰速率和水分利用效率過程中，鹽脅迫條件下，水分散失，導致水分利用效率升高，干物質積累量提高[20] 。在整個抗逆境過程中，玉米毛狀根再生植株的蒸騰速率和水分利用效率均高于對照組植株，說明玉米毛狀根再生植株在逆境條件下的光合能力優于對照組植株。綜上所述，玉米毛狀根的這些特性，可以導致玉米毛狀根失水少，提高物質積累，毒害離子吸收少，所以毛狀根玉米植株具有更強的耐鹽性。

參考文獻：

[1]陳亞東，郭淑敏，寇遠濤，等. 我國玉米產業政策法規體系建設研究[J]. 玉米科學，2018，26（2）：166-172.

[2]寧 芳，張元紅，溫鵬飛，等. 不同降水狀況下旱地玉米生長與產量對施氮量的響應[J]. 作物學報，2019，45（5）：777-791.

[3]項 陽，劉延波，秦利軍，等. 酵母TPS1基因促進干旱脅迫下玉米的根系生長[J]. 植物生理學報，2015，51（3）：363-369.

[4]張 紅，董樹亭. 玉米對鹽脅迫的生理響應及抗鹽策略研究進展[J]. 玉米科學，2011，19（1）：64-69.

[5]Zhu J. Plant salt tolerance[J]. Trends in Plant Science，2001，6（2）：66-71.

[6]烏鳳章，王賀新. 鹽脅迫對高叢越橘幼苗生長及離子平衡的影響[J]. 生態學雜志，2019，38（11）：3335-3341.

[7]蔣高明. 當前植物生理生態學研究的幾個熱點問題[J]. 植物生態學報，2001，25（5）：514-519.

[8]Salachna P，Grzeszczuk M，Meller E，et al. Effects of gellan oligosaccharide and NaCl stress on growth，photosynthetic pigments，mineral composition，antioxidant capacity and antimicrobial activity in red perilla[J]. Molecules，2019，24（21）：3925.

[9]Guo Q，Zhao L，Fan X Q，et al. Transcription factor GarWRKY5 is involved in salt stress response in diploid cotton species （Gossypium aridum L.）[J]. International Journal of Molecular Sciences，2019，20（21）：5244.

[10]徐洪偉，周曉馥，陸靜梅，等. 發根農桿菌誘導玉米毛狀根發生及再生植株[J]. 中國科學C輯，2005，35（6）：497-501.

[11]徐洪偉，周曉馥. 玉米毛狀根再生植株對水分脅迫的響應[J]. 農業工程學報，2009，25（11）：80-84.

[12]徐洪偉. 發根農桿菌誘導玉米毛狀根再生植株及抗旱性研究[D]. 長春：東北師范大學，2007.

[13]徐洪偉，陸靜梅，周曉馥. 水分脅迫條件下玉米毛狀根再生植株耐旱性研究[J]. 農業工程學報，2007，23（7）：19-23.

[14]Runo S，Macharia S，Alakonya A，et al. Striga parasitizes transgenic hairy roots of Zea mays and provides a tool for studying plant-plant interactions[J]. Plant methods，2012，8（1）：20.

[15]未曉巍. 玉米毛狀根再生植株的根系構型分析及抗逆性研究[D]. 四平：吉林師范大學，2013.

[16]未曉巍，楊 藝，王藝璇，等. 玉米毛狀根再生植株干旱脅迫與復水條件下膜質過氧化水平變化[J]. 吉林師范大學學報（自然科學版），2019，40（3）：97-101.

[17]徐洪偉，杜豐平，張 鑫，等. 玉米毛狀根再生植株氮高效利用生理機制初探[J]. 江蘇農業科學，2017，45（22）：64-66.

[18]趙曉松，關德新，吳家兵，等. 長白山闊葉紅松林的零平面位移和粗糙度[J]. 生態學雜志，2004，23（5）：84-88，115.

[19]王玉萍，董 雯，張 鑫，等. 水楊酸對鹽脅迫下花椰菜種子萌發及幼苗生理特性的影響[J]. 草業學報，2012，21（1）：213-219.

[20]鐘小仙，張建麗，張國正，等. 海鹽脅迫下象草體細胞突變體苗期生長及Na+、K+分配[J]. 中國草地學報，2010，32（1）：48-52.