堿脅迫對燕麥幼苗生理指標的響應

趙明德，李惠梅，馬 靜，劉 晶

青海民族大學 生態環境與資源學院/青藏高寒濕地修復工程中心，西寧 810007

我國現階段土地堿化越來越嚴重，造成該現象的原因包括生態自然因素及人文因素．因此，我們必須研究方法治理土地堿化問題．鹽堿地是陸地上分布最廣的一種土壤類型，它遍及地球上30多個國家[1]，總面積達9.54億hm2，約占世界總陸地面積的1/3，現已成為全球陸地最受關注的環境問題之一[1-2]．土壤鹽堿化導致全球可利用耕地日益縮減[3]，并制約著作物產量和品質的提高，成為世界農業可持續發展的重要限制性因素．我國陸地土壤堿化度普遍較高，堿化土壤的形成，大部分是與土壤中碳酸鹽的累積有關．嚴重的鹽堿土壤地區，植物幾乎是無法生存的．堿性土壤濕潤時容易膨脹、 泥濘、 分散，干燥時便收縮、 堅硬、 板結，導致它的通氣性能和透水性能都特別差，且土壤堿化程度越高其理化性狀越差．青海高原地區近年來由于自然環境氣候和人為因素的干擾強度不斷擴大，致使草地上的植被也隨之遭到嚴重破壞并大面積退化，使堿地面積越來越多； 由于耕作方式的不當導致次生堿地的面積也越來越多[4]．青海高原地區的堿地主要含NaHCO3和Na2CO3，但以Na2CO3為主； 現階段關于堿脅迫的研究在國內外還不多見[5-6]，因此本實驗將專門研究堿脅迫，了解堿脅迫下作物的響應機制，培育耐堿品種，掌握提高作物抗堿措施，對堿地進行生物治理及合理開發利用具有重要的現實意義．種植耐堿植物成本低、 見效快更是農牧業進一步增產增收的重要舉措.

燕麥AvenasativaL.是禾谷類作物，屬禾本科、 燕麥族、 燕麥屬，它是世界各地廣泛栽培種植的一種重要糧食兼飼草、 飼料作物，是治理土壤堿化和荒漠化的優良品種．燕麥早在幾千年前就有文字記載，因此它是一種特別古老的禾谷類作物．燕麥中富含蛋白質、 脂肪、 賴氨酸以及亞油酸，長期食用燕麥可以降低膽固醇在心血管中的積累，可有效防止老年高血壓、 糖尿病、 高血脂等．近年來，隨著我國消費者的健康飲食興起，燕麥行業市場規模持續增長．其中，早餐燕麥市場規模增速較快，尤其隨著電商的快速發展，互聯網用戶規模的擴大，網上零售成為我國燕麥行業銷售渠道的重要發展方向．燕麥片被用作代餐產品，富含蛋白質、 碳水化合物、 膳食纖維和多種微量元素，作為主食引起的血糖變化較緩，其營養價值高，還具有健身功效，是減肥利器，早餐耗時少，適合老中青，深受各類人群的喜愛．燕麥在低濃度的堿脅迫下可以通過滲透調節來減輕細胞所受的傷害，對堿脅迫具有一定的抗性[7]．因此通過研究Na2CO3對不同燕麥的根部死亡情況、 可溶性糖的質量分數、 丙二醛的質量分數、 葉綠素質量分數、 SOD酶活性的變化情況、 地下與地上部分的生物量、 莖長等生理指標的影響，從而篩選出耐堿品種與最適濃度，以及燕麥對堿脅迫的響應機制及緩解的主要措施．通過這些指標的研究結果得出對堿脅迫的影響機制，以期為堿地的開發和改善堿地生態環境以及農業獲得更好的種植資源提供一定的理論依據和參考.

1 材料和方法

1.1 實驗材料

實驗所用青燕一號和加燕一號均是由青海省海北州門源縣浩門農場提供且挑選的種子成熟飽滿.

1.2 實驗方法

挑選顆粒飽滿的種子用溫水泡24 h后用70%的乙醇溶液進行表面消毒30 s，然后置于1%的次氯酸鈉溶液中對種子表面消毒8 min，最后用蒸餾水沖洗5遍，直到沒有次氯酸鈉刺鼻氣味為止[8]．經過消毒處理后，將種子置于光照強度3 000～5 000 Lx，溫度16～25 ℃條件下進行萌發，待種子萌發后選取長勢良好的幼苗，設置不同的堿脅迫并置于室溫(16～25 ℃)條件下生長．測定并記錄0 h，24 h，48 h，72 h，96 h兩種燕麥的莖高，每個處理3次重復．待96 h后檢測地上與地下部分的生物量，可將根莖分離，根部用于檢測幼苗根尖細胞死亡情況，莖用于測定可溶性糖質量分數、 丙二醛質量分數、 SOD酶活性和葉綠素質量分數.

1.3 測定指標及方法

燕麥幼苗根尖細胞死亡情況的檢測采用臺盼藍染色法[9]； 丙二醛的測定采用丙二醛與硫代巴比妥酸(TBA)成色反應的原理，在520 nm處進行比色； 可溶性糖質量分數的測定采用蒽酮比色法[10]； SOD酶活性的測定采用氮藍四唑(NBT)光化還原法[11]； 生物量的測定采用稱量法； 葉綠素質量分數的測定采用分光光度計法[12-13]； 莖長的測定采用尺量法.

1.4 數據處理和分析

利用Excel 2007進行數據處理并繪制圖，借助SPSS 25.0進行數據的方差分析.

2 結果和分析

2.1 不同堿脅迫對青燕一號和加燕一號丙二醛質量分數的影響

植物器官在逆境下往往會發生膜脂過氧化作用，丙二醛(MDA)是膜脂過氧化的最終分解產物，其質量分數可以反映植物遭受逆境傷害的程度．從圖1可以看出，青燕一號和加燕一號的丙二醛質量分數隨堿濃度的升高呈先增加后降低的趨勢．青燕一號丙二醛質量分數在堿濃度50 mmol/L時達到最大值； 加燕一號在堿濃度100 mmol/L時達到最大值．并且青燕一號和加燕一號在堿脅迫25 mmol/L，50 mmol/L下丙二醛質量分數增加明顯.

圖中小寫字母不同表示在不同堿濃度處理下差異有統計學意義，p<0.05．圖1 不同堿脅迫對青燕一號和加燕一號丙二醛質量分數的影響

2.2 不同堿脅迫對青燕一號和加燕一號超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響

超氧化物歧化酶(SOD)是生物體內重要的抗氧化酶，也是植物抗氧化系統的第一道防線，它能清除細胞中多余的超氧陰離子，其活性的高低水平體現了植物對氧化損傷的修復能力．從圖2可以看出，青燕一號和加燕一號SOD酶活性在相同堿脅迫濃度下與0 mmol/L(對照組)相比均呈上升趨勢，且在堿脅迫25 mmol/L處理下青燕一號和加燕一號的SOD酶活性差異有統計學意義．在相同堿脅迫下，青燕一號SOD酶活性大多高于加燕一號SOD酶活性.

圖中小寫字母不同表示在不同堿濃度處理下差異有統計學意義，p<0.05．圖2 不同堿脅迫對青燕一號和加燕一號SOD酶活性的影響

2.3 不同堿脅迫對青燕一號和加燕一號可溶性糖質量分數的影響

可溶性糖是植物在逆境條件下體內產生的一種滲透調節物質，其濃度的大小可影響幼苗葉片的滲透勢進而提高幼苗的吸水能力．從圖3可以看出，加燕一號可溶性糖質量分數隨堿脅迫梯度呈先升高后降低趨勢，青燕一號可溶性糖質量分數隨堿脅迫梯度呈先升高后降低再升高趨勢．從數據可以看出，在高堿脅迫下青燕一號的耐受性更強．在堿脅迫100 mmol/L時青燕一號和加燕一號可溶性糖質量分數均發生相反的轉折.

圖中小寫字母不同表示在不同堿濃度處理下差異有統計學意義，p<0.05．圖3 不同堿脅迫對青燕一號和加燕一號可溶性糖質量分數的影響

2.4 不同堿脅迫對青燕一號和加燕一號葉綠素質量分數的影響

葉綠素是綠色植物進行光合作用的基礎物質，它能把吸收的二氧化碳和水合成有機物，作為植物生長所需的能量儲存起來．從圖4可以看出，青燕一號和加燕一號葉綠素質量分數隨堿脅迫梯度的增大均呈降低趨勢，且25 mmol/L堿脅迫與0 mmol/L(對照組)對比葉綠素質量分數下降趨勢明顯．實驗結果表明：在低濃度堿脅迫下葉綠素就會受到較大影響且兩種燕麥受損程度相當.

圖中小寫字母不同表示在不同堿濃度處理下差異有統計學意義，p<0.05．圖4 不同堿脅迫對青燕一號和加燕一號葉綠素質量分數的影響

2.5 不同堿脅迫對青燕一號和加燕一號莖長的影響

實驗通過尺量法測量了不同堿脅迫下青燕一號和加燕一號在不同時間的幼苗莖長變化情況．每隔24 h測量1次．圖5為96 h后青燕一號和加燕一號的莖長情況，可以看出經過堿脅迫處理的青燕一號的莖長顯著高于加燕一號的莖長且加燕一號受堿脅迫影響顯著．青燕一號和加燕一號在低濃度(25 mmol/L)堿脅迫下幼苗呈生長趨勢，從堿脅迫50 mmol/L開始呈下降趨勢．由此可知堿脅迫對燕麥生長起雙重作用，即低濃度促進高濃度抑制.

圖中小寫字母不同表示在不同堿濃度處理下差異有統計學意義，p<0.05．圖5 不同堿脅迫對青燕一號和加燕一號莖長的影響

2.6 不同堿脅迫對青燕一號和加燕一號生物量的影響

從圖6和圖7中可以看出，隨著堿濃度的升高，青燕一號地上部分和加燕一號地上部分與地下部分的生物量均呈先升高后逐步降低的趨勢，即低濃度(25 mmol/L)促進高濃度(≥50 mmol/L)抑制．加燕一號堿脅迫對地上部分生物量的影響較明顯，而兩種燕麥地下部分的生物量在堿脅迫下差異無統計學意義.

圖中小寫字母不同表示在不同堿濃度處理下差異有統計學意義，p<0.05．圖6 不同堿脅迫對青燕一號生物量的影響

圖中小寫字母不同表示在不同堿濃度處理下差異有統計學意義，p<0.05．圖7 不同堿脅迫對加燕一號生物量的影響

2.7 不同堿脅迫對青燕一號和加燕一號根尖死亡情況的影響

根尖細胞死亡情況用臺盼藍染色法：用配制的臺盼藍溶液處理準備好的幼苗根尖，如果幼苗的根尖細胞有損傷或者死亡的情況時，臺盼藍就會透過已經變性的細胞膜與膜里面解體的DNA分子結合并使其著色，因此可以用該方法辨別細胞的死亡情況或者觀測根尖細胞損傷情況； 幼苗根尖細胞死亡或者損傷數目越多，藍色越明顯，反之顏色越淺[14]．從圖8可以看出，青燕一號和加燕一號的根尖著色情況隨堿濃度的升高而加深，即幼苗根尖細胞隨堿濃度的增大死亡率逐漸增大．在堿濃度超過100 mmol/L時，加燕一號的根尖著色情況明顯深于青燕一號，說明加燕一號在高濃度堿脅迫下根尖細胞死亡較青燕一號多，即青燕一號較加燕一號更耐堿生存.

圖8 不同堿脅迫對青燕一號和加燕一號根尖死亡情況的影響

3 結論和討論

3.1 結 論

1) 通過實驗得出，堿脅迫導致兩種燕麥存活率減小，嚴重破壞光合色素和膜系統； 在堿脅迫環境下青燕一號和加燕一號都會通過機體自身做出一定的調節去適應輕微逆境并減少逆境帶來的危害．堿逆境會對植物造成滲透脅迫并干擾其營養離子的平衡，進而影響新陳代謝，對植株的生長發育造成不良的影響，導致生物量積累降低[15-16].

2) 本實驗表明，不同品種對逆境有不同的響應，丙二醛質量分數積累越多表明組織的保護能力越弱，在堿脅迫(≥50 mmol/L)時，青燕一號的自我保護能力比加燕一號要弱．青燕一號和加燕一號通過SOD酶活性和可溶性糖的動態變化，在一定程度上維持了滲透平衡，SOD酶活性增加提高了活性氧的清除能力，SOD酶主要功能是消除生物體在新陳代謝過程中產生的有害物質．如果SOD酶活性突然增高，說明植物生長狀態不良好，需要SOD酶來清除有害物質．SOD酶活性高過一段時間后，植物生長狀態好轉．葉綠素是光合作用的重要物質，而Mg2+是葉綠素合成的必要元素，堿脅迫會導致Mg2+沉淀，進而使得葉綠素合成受阻[17]，因此，青燕一號和加燕一號的葉綠素質量分數下降趨勢顯著．幼苗的生長及生物量趨勢隨堿脅迫梯度做出低濃度促進高濃度抑制的響應[16]．根據細胞根尖情況明顯能夠看出青燕一號比加燕一號更耐堿.

3) 通過實驗前期的操作過程及后期的數據驗證，結合堿脅迫對多數生理指標的響應，可以得出青燕一號較加燕一號耐堿，且青燕一號的適宜生長堿濃度一般在25 mmol/L.

3.2 討 論

1) 劉志華等[18]研究表明，植物要在堿環境中生存就要以降低生長為代價來適應堿環境，同時適宜堿濃度又能刺激植物生長．田敏等[19]研究指出，MDA是膜脂過氧化的最終分解產物，其質量分數可以反映植物遭受鹽堿脅迫的程度，MDA是衡量植物細胞膜系統受到氧化脅迫的重要觀察指標．克熱木·伊力等[20]認為，MDA積累越多表明組織的保護能力越弱．本實驗研究表明，青燕一號和加燕一號的丙二醛質量分數隨堿濃度的升高呈先增加后降低的趨勢．出現該現象可能是因為兩種燕麥在堿脅迫梯度處理下具有一個緩沖過程且對堿地具有一定的耐受性.

2) 逆境脅迫下，植物體內發生氧化脅迫，破壞了酶系統對氧代謝的平衡，植物體可自身提高抗氧化系統活力來平衡活性氧代謝[21]．SOD酶對防止自由基活性氧的毒害至關重要，高SOD酶活性維持時間越長，其清除自由基的能力就越強，從而植物的抗逆性也就越強[22]．本實驗研究結果表明，青燕一號和加燕一號SOD酶活性與實驗對照組相比都呈上升趨勢，但在不同堿處理下表現出不同的響應，可能是不同濃度下青燕一號和家燕一號抗逆性不同.

3) 在逆境下，植物受到外界環境的脅迫，會使其細胞失水，因此植物為了確保自身能夠正常生長，便會分泌一些滲透調節物質，以此來提高細胞內溶質濃度，降低水勢，使細胞可以從外界吸水．植物這種通過合成或積累滲透調節物質主動適應逆境環境的現象被稱為滲透調節[23]．可溶性糖是植物在逆境脅迫下的主要滲透物質．本實驗研究結果表明，青燕一號和加燕一號在逆境脅迫下都會通過改變自身的代謝來應對堿脅迫，其可溶性糖質量分數在不同堿處理下都有不同的響應，但與對照組相比較都呈上升趨勢．分析認為植物通過增加可溶性糖質量分數降低滲透勢，促進頂端葉片保持正常含水量，以保持正常的形態與生理狀態.

4) 許多研究證明，植物種子在萌發期與幼苗形成期對堿脅迫比較敏感，此時幼苗的生長受到明顯抑制，成株抗性普遍較高[24]．種子的萌發能力和幼苗長勢是植株耐堿性早期鑒定及耐堿個體、 品種早期選擇的基礎．劉炳響等[25]研究表明生長在堿環境中的植株，當土壤溶液中堿成分超過一定質量分數時就會對植物生長產生危害，主要包括離子毒害、 滲透脅迫和營養不均衡等．本實驗研究結果表明，低濃度堿脅迫幾乎沒有抑制青燕一號和加燕一號種子的萌發，高濃度堿脅迫則明顯抑制，與上述研究結果一致．造成這種結果的原因可能是低濃度堿溶液促進了細胞膜的滲透調節，或是微量無機離子對呼吸酶產生刺激作用[26]； 而高濃度溶液抑制種子萌發可能是由于堿離子的滲透效應和毒性效應[27]．結果表明低濃度處理促進生長，高濃度處理抑制生長.