鹽堿脅迫下甜高粱生理生化指標及綜合評價方法的研究進展

黃禹翕 趙雨潼 高佳昕 趙云杰 楊蘭蘭 李雪梅 李玥瑩

摘 要：本文介紹了在鹽堿脅迫下甜高粱部分生長發育指標的變化情況及作用機理和甜高粱耐鹽性綜合評價方法的研究進展。根據國內外最新的研究資料，本文主要從種子萌發和幼苗生長的指標、以葉綠素含量和葉綠素熒光為主的光合作用指標以及抗性指標三個方面說明了鹽堿脅迫對甜高粱的影響。同時對甜高粱耐鹽堿綜合評價的隸屬函數分析法進行了簡要的介紹。本文旨在總結在鹽堿脅迫下甜高粱的部分研究成果，并對今后的研究方向提出建議，從而加快相關成果在植物生理和育種等領域的應用。

關鍵詞：甜高粱；鹽堿脅迫；生理生化指標；隸屬函數分析法

受自然因素和長時間不合理的耕種、灌溉等人為因素影響，土壤鹽堿化是主要的環境問題之一。在中國，土地鹽堿化的程度也愈發嚴重。鹽堿環境大多是多種鹽堿成分混合造成的。由混合鹽堿脅迫造成的傷害比單一鹽堿的傷害更為嚴重。甜高粱可以食用、飼用和替代燃料等，具有極大的利用價值。此外，甜高粱還有耐旱、耐澇、耐鹽堿等多種優良性狀。因此，甜高粱是可以種植在鹽堿類土地上的優良作物。

目前，國內外的學者以甜高粱為試材，在鹽堿脅迫下做種子萌發、幼苗生長、光合作用、抗性變化等諸多指標的研究，從而尋找甜高粱抵抗鹽堿脅迫的機制。不同學者在進行相關研究時，主要采用兩種方法進行鹽堿脅迫處理，一種是配比溶液模擬鹽堿條件，如中性鹽 （如NaCl）脅迫、蘇打鹽 （如Na2CO3、NaHCO3） 脅迫和混合鹽脅迫。另一種是利用田間鹽堿土地進行試驗。前者對于實驗條件變量的控制更加精準，而后者更加接近實際自然條件。雖然二者的方法不同，但甜高粱在鹽堿脅迫下各項指標的變化規律是大體相同的。鹽堿脅迫對植物的影響涉及多個方面，使用單一指標不能全面反映植物的耐鹽堿程度，需要綜合多個方面指標的變化，從而對植物的耐鹽性進行綜合評價。

1 鹽堿脅迫下甜高粱的生理生化指標的變化

1.1 鹽堿脅迫下種子萌發及幼苗生長指標的變化

種子發芽是決定植物能否生長的重要因素。種子萌發過程中的指標主要有萌發率、萌發指數等。萌發率也稱發芽率，是體現種子發芽能力的重要指標。其公式為：

萌發率 = （萌發的種子數/測試種子數） ×100%

萌發指數也稱發芽指數，是體現種子發芽速度的指標，發芽所需時間與發芽指數呈負相關。其公式為：

Gl=∑Gt /t

式中，Gl是萌發指數；Gt是發芽種子數；t是萌發天數。

鹽堿脅迫對高粱種子的萌發有一定的影響。戴凌燕的研究表明，所有的甜高粱品種隨著蘇打鹽脅迫程度的增加，萌發率和萌發指數均有所下降，但各品種的敏感性有所差別。王晨的研究也得出相同的結論：鹽堿脅迫對甜高粱種子的發芽有顯著的抑制作用。原因是在鹽堿濃度較高時，甜高粱種子無法從外界吸收足夠的水分，無法合成發芽所需的各種酶和結構蛋白，阻礙了細胞分裂和分化的完成，也阻礙了胚胎的生長，從而阻礙了種子萌發，使得萌發率、萌發系數降低。

幼苗生長過程中的指標主要有幼芽長度、幼根長度、干重和鮮重（生物量）等。生物量是植物對鹽堿脅迫的綜合反應，是評估植物脅迫和耐鹽性的重要指標之一。戴凌燕的研究結果表明，鹽堿脅迫使甜高粱的株高、根長下降，抑制幼苗的生長發育。陳展宇的研究表明，鹽堿環境下能夠使苗期的甜高粱生物量均下降。何磊的研究也表明，甜高粱幼苗的生物量由于鹽堿脅迫均出現下降，此外幼苗、幼根的生長也受到抑制。

綜上說明鹽堿脅迫對種子的萌發和幼苗的生長均有一定程度的抑制作用。對于不同部位和不同品種的抑制程度有所差異，即不同種類的甜高粱對鹽堿的耐受性不同。因此如何緩解鹽堿脅迫下不同甜高粱品種種子萌發和幼苗生長是今后實驗探索和育種的工作之一。

1.2 鹽堿脅迫下光合指標的變化

光合作用是逆境中對應激最敏感的生理過程之一，光合作用的速率在一定水平上體現了光合作用的程度。而與光合作用相關的指標如凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）、葉綠素含量和葉綠素熒光參數等，均能夠反映出植物對脅迫的抵抗程度。葉綠素熒光參數的測定因快速、無損的特點，能夠從光合作用的角度反映植物的抗逆性，已被廣泛應用于植物的抗性檢測中。

葉片中葉綠素a和葉綠素b的含量和比例的變化是植物耐鹽堿的生理特點之一。劉吉利的研究結果表明，鹽堿性脅迫破壞了葉綠體結構，降低了葉綠體的光合活性，所以，甜高粱葉片的葉綠素含量明顯降低，且不同品種的葉綠素含量降低程度不同。貝盞臨的研究表明：M-81E甜高粱苗期葉綠素含量隨鹽度的增加而下降，在混合鹽脅迫下下降較快。吐爾遜的研究表明，在不同NaCl脅迫水平下，隨著處理時間的增加，3個甜高粱栽培品種苗葉中葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b的含量都是下降趨勢。葛江麗在不同濃度NaCl脅迫對甜高粱的葉綠素、葉綠素a/b比值和類胡蘿卜素相關研究也得到了相似結論。但也有研究得到了不同結論。凌海燕的研究表明，利用鹽濃度為50毫摩爾/升溶液作為蘇打鹽堿脅迫液（pH9.27，鹽度 2.79%）時，葉綠素含量在其脅迫下出現了顯著的增長。

通過查閱資料發現，在探究牛疊肚葉片葉綠素變化中，在中性鹽和蘇打鹽的脅迫下，均出現了低濃度促進高濃度抑制的現象。其次，在研究堿性鹽脅迫下，刺槐總葉綠素和葉綠素a的含量變化時，含量依據脅迫程度的加大出現升高、降低再升高的規律。

由此推測，甜高粱葉綠素含量出現差異的原因可能是：甜高粱在鹽堿脅迫下，葉綠素的含量也會出現低促進高抑制的現象。蘇打鹽屬于堿性環境，且50毫摩爾/升的鹽濃度仍屬于較低濃度，在此濃度下，脅迫對葉綠素含量有一定的提高作用，而對于脅迫使葉綠素含量下降的情況，可能是由于NaCl屬于中性環境，且所設計的濃度梯度較大，錯過了提高葉綠素含量的濃度范圍，隨NaCl濃度的增加，整體呈現下降趨勢。但目前沒有對甜高粱進行相關系統研究，造成差異的原因是否可能是中性鹽和堿性鹽脅迫的規律不同，或是甜高粱不同品種的結果，有待在今后進行更為系統的研究。

葉綠素熒光常用的指標有初始熒光（F0）、最大熒光（Fm）、最大光子產率（Fv/Fm）、光化學猝滅系數（qP）、實際光系統效率（ΦPSII）等。F0反映的是植物葉片PS Ⅱ反應中心開放完全時的熒光產量，其數值上升是表明反應中心失去活性；Fm表示PSⅡ的電子傳遞情況，最大光子產率（Fv/Fm）反映了PSⅡ的反應中心最大光轉換效率。qP能體現PSⅡ反應中心的能量轉化情況。實際光化學效率（ΦPSII）能體現葉片光合作用能力。袁闖的研究表明，甜高粱在鹽脅迫較強時，F0的數值升高，Fm和Fv/Fm的數值降低。其原因是由土壤鹽分脅迫條件下影響植物光系統對光能的吸收和傳遞而引起。葛江麗的研究表明F0呈上升趨勢， Fm和Fv/Fm呈下降趨勢。這表明反應中心可能受到了破壞。ΦPSII和qP的數值下降，說明脅迫強度較大時能夠改變甜高粱幼苗PSⅡ的光化學效率和能量的分配。王彩娟的實驗中對Fv/Fm、ΦPSII和qP的測量也得出相似結論。

由此可見，鹽堿脅迫使得甜高粱的葉綠素的含量及熒光參數均有一定的變化，從而也體現出脅迫對光合作用的顯著影響，進一步探究甜高粱在脅迫條件下光合作用及相關指標的變化范圍、作用機理等是十分必要的。

1.3 鹽堿脅迫下抗性指標的變化

植物的抗逆機制表現在生殖的各個階段的生理、形態和行為等方面。植物抗逆性強的兩個表現分別是體內滲透調節物質的增加和各種能夠消除體內活性氧的抗氧化酶活性的提高。

各種滲透調節物質和酶在不同逆境中或在不同的物種中起不一樣的作用。滲透調節物質分為有機、無機兩種成分。有機包括甘氨酸、脯氨酸、丙二醛（MDA）、酯類、可溶性蛋白質和可溶性糖類，無機成分以離子最為常見。MDA含量可能反映了細胞膜脂質過氧化的程度和植物對不利條件的反應強度。吐爾遜的研究表明，隨著濃度和時間的增加，3個甜高粱品種苗葉中丙二醛含量呈上升趨勢。王晨的研究表明，甜高粱葉片脯氨酸含量均隨著脅迫強度的增加而增加，但不同脅迫濃度下，增加趨勢不同。

常見的抗氧化酶有SOD、POD、CAT、谷胱甘肽還原酶（GR）、谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）等。CAT能夠在鹽脅迫時清除植物體內的H2O2，維持機體活性氧代謝平衡，保護細胞膜結構，提高抵抗力。POD能有效地捕獲活性氧，使其含量保持在較低水平，從而減少對膜結構和功能的破壞，維持植物在鹽堿脅迫條件下的正常生長。SOD的功能是保護細胞免于遭受超氧化物氧化應激。劉吉利的研究結果表明，堿性土壤對各類甜高粱的保護酶活性均產生顯著影響，堿性土壤處理能較大程度的提高甜高粱SOD、POD、CAT等保護活性。戴凌燕所做的關于鹽堿脅迫下甜高粱的耐鹽性實驗也得出了相似的結論。王晨的研究表明，在鹽脅迫后，所有品種甜高粱的SOD 活性都表現出先升后降的趨勢。出現峰值的原因可能是SOD清除活性氧的作用是有限度的，如果應激超過閾值，細胞就會受到嚴重破壞，導致其生理活性下降，SOD活性開始下降，此時相應的鹽濃度可能是植物SOD活性的最大耐受濃度。

綜上，無論是滲透調節物質還是抗氧化性酶，都能夠在鹽堿脅迫的過程中提高甜高粱的抗性，但其對甜高粱的保護作用是有一定限度的。此外，現對甜高粱抗氧化酶活性的研究較多，滲透調節物質相對較少，且哪種物質起關鍵作用尚不清楚。

2 甜高粱耐鹽性隸屬函數綜合評價方法

2.1隸屬函數分析法

大量研究表明，單一的農藝性狀或生理指標難以準確評估植物抗逆性，選擇幾個指標進行綜合評估可以更全面體現作物抗逆性。在鹽堿脅迫方法也是如此，由于其對植物會造成多方面的傷害且植物耐鹽性的表達是多種代謝途徑的結合，所以眾多學者在衡量甜高粱的抗性程度和篩選優質抗逆品種時，大多采用了綜合評價的方法。綜合評估耐鹽性的最常用的方法為隸屬函數分析法，除此之外，灰色關聯分、主成分分析和聚類分析等也是植物耐鹽性的綜合評價方法。隸屬函數法的公式為：

R（xi） =（x-xmin） / （xmax-xmin）

其中R（xi）為隸屬函數值，xi為指標測定值，xmin、xmax是所有試材某指標的最小值和最大值，最后再將每一品種各個指標的隸屬值累加求其平均值，進而比較各品種的抗性。

2.2 隸屬函數分析法的應用

戴凌燕采用隸屬函數法，通過統計根冠比、根系活力、總葉綠素含量、丙二醛含量和質膜相對透性5個指標的變化幅度，比較6種甜高粱的隸屬值總平均值大小，最終確定其耐鹽堿性的強弱。王晨采用隸屬函數法和灰色關聯分析法，通過比較甜高粱發芽率、莖葉鮮重、脯氨酸含量、SOD活性、葉片相對電導率等5種指標比較各品種的耐鹽程度并進一步篩選最優質種。袁闖采用隸屬函數分析法和主成分分析兩種方法對甜高粱的耐鹽性進行綜合評價并選擇優質種。

可見，綜合評價方多種多樣，不同研究人員所用方法也不盡相同。所以今后可以整合現有的評價方法，并開發或設計針對不同品種、不同逆境的更為系統的綜合評價方法，從而方便不同地區的科研人員進行更深入研究。

3 總結及展望

鹽堿脅迫對甜高粱的的影響是多種多樣的，在種子萌發和幼苗生長方面，鹽堿脅迫降低了萌發率、萌發指數、生物量等多個指標。光合作用對于甜高粱的生長起著至關重要的作用，同時相關光合指標也是抗逆性的表現。葉綠素含量受到鹽堿脅迫發生變化，而對于葉綠素熒光，F0的數值隨著脅迫程度的加深而升高，Fm、Fv/Fm、ΦPSII和qP的數值隨著脅迫程度的加深而下降，綜合相關參數來看，不難發現鹽堿脅迫對光合作用的影響是十分顯著的。植物的抗性直標變化是對鹽堿脅迫的最直接的反映之一，在鹽堿脅迫下，滲透調節物質和抗氧化性酶類的含量均上升，但其對鹽堿脅迫的抵抗是有限度的。現有的綜合評價方法有很多種，但大多均統計了種子萌發、幼苗生長、光合作用、抗性變化等重要的生長發育指標，進而對甜高粱的耐鹽堿程度進行比較和篩選。

今后，對于甜高粱在鹽堿脅迫下的研究，可以從以下幾個方面入手。第一，對甜高粱各時期的抗性進行探究。第二，對鹽堿脅迫下甜高粱葉綠素的變化進行研究，尋找其變化規律，從而探明光合作用在抗鹽堿方面的變化機制。第三，在抗性指標方面，針對滲透調節物質的研究相對較少，可以繼續研究此類物質的變化情況，并確定哪類物質在抗逆中起主導地位。第四，以甜高粱為試材，設計更為系統的綜合評價方法，對于篩選優質甜高粱品種和應用生產實踐具有重要意義。

■作者簡介： 黃禹翕（2000-），男，遼寧遼陽人，本科學歷，研究方向：生物科學。李玥瑩（1966-），教授，博士學歷，碩士研究生導師，研究方向：植物基因工程。

■基金項目：遼寧省教育廳重點攻關項目（LZD201901，LZD202004）。校級大學生創新訓練項目（x202010166144）。

*李玥瑩為本文通訊作者。