不結球白菜幼苗對中、堿性鈉鹽脅迫響應差異性研究

朱紅芳, 李曉鋒, 李平, 梁志杰, 寧東峰, 劉鐸,*

不結球白菜幼苗對中、堿性鈉鹽脅迫響應差異性研究

朱紅芳1, 李曉鋒1, 李平2,3, 梁志杰2,3, 寧東峰2,3, 劉鐸2,3,*

1. 上海市農業科學院設施園藝研究所/上海市設施園藝技術重點, 上海 201106 2. 中國農業科學院農田灌溉研究所, 河南新鄉 453002 3. 中國農業科學院農業水資源高效安全利用重點開放實驗室, 河南新鄉 453002

不結球白菜(ssp.)是重要的蔬菜作物, 近年來由于不合理的灌溉及栽培方式導致設施土壤次生鹽漬化越來越嚴重, 對蔬菜生產造成不良影響, 鹽堿脅迫也會抑制不結球白菜正常生長。以往有關不結球白菜耐鹽堿研究更多的是關注中性鹽對不結球白菜生長與生理的影響, 而有關堿性鹽對不結球白菜生長與生理的研究則較少。本研究通過水培實驗, 設置不同的鹽堿脅迫處理, 研究不結球白菜對中、堿性鈉鹽脅迫響應差異機制。研究發現: 同等脅迫濃度下, 相比于中性鹽脅迫, 堿性碳酸鹽脅迫下不結球白菜幼苗的鮮重、生物量、各個葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和總葉綠素含量降低更多。相比也中性鹽, 堿性鹽對不結球白菜抗氧化系統影響更大, 過氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)活性更高MDA含量和質膜透性(MI)值更高, 而過氧化酶(CAT)活性則在堿脅迫下較低。相比于中性鹽脅迫, 堿性碳酸鹽脅迫下不結球白菜體內脯氨酸和可溶性糖的積累量更高, 對不結球白菜滲透調節系統影響更大。根據實驗結果得出, 相比于中性鹽脅迫, 堿性碳酸鹽脅迫對不結球白菜生長抑制作用更強, 對其生理影響更大。

不結球白菜; 鹽堿; 脅迫; 差異

0 前言

土壤鹽漬化是世界范圍內備受關注的資源環境問題[1-3],由于自然因素如全球變化及人為因素如化肥施用過量及灌溉方式不合理等, 鹽漬化土地面積仍在不斷擴大[4, 5]。目前, 設施農業發展迅猛, 已經成為我國重要的蔬菜生產方式。然而, 過分追求短期利益, 管理措施與栽培技術落后, 灌溉及施肥不合理等現象, 進一步加劇了土壤次生鹽漬化, 嚴重抑制設施蔬菜作物的生長[6], 因此,研究設施蔬菜作物耐鹽堿機理對于設施農業可持續發展具有重要意義。

不結球白菜(ssp.)為十字花科蕓薹屬一、二年生草本植物[7], 其適應性強, 生長速度快, 營養好, 產量高, 廣受人們喜愛, 是非常重要的蔬菜作物[8], 設施土壤次生鹽漬化會抑制不結球白菜正常生長, 進而影響其產量, 因此, 研究其耐鹽堿機理對于指導不結球白菜生產具有重要的意義。以往有關不結球白菜耐鹽堿機理研究, 更多的是以中性鹽為脅迫介質進行研究[9]。而鹽堿土壤中, 鹽與堿是相伴而生的, 鹽堿土壤中各種陰陽離子主要有Na+、Cl-、SO42-、CO32-和HCO3-。由NaCl和Na2SO4引起的脅迫叫中性鹽脅迫, 由Na2CO3和NaHCO3引起的脅迫叫堿性鹽脅迫, 由二者混合引起的脅迫被稱作混合鹽堿脅迫。有關不結球白菜耐堿性的研究鮮見報道, 并且以往有關植物對中堿性鈉鹽響應差異性研究認為, 引起鹽堿脅迫差異性的主要pH因素[10, 11], 其認為相比于中性鹽脅迫, 堿脅迫對植物之所以危害更大, 主要是因為高pH因素起到決定作用,往往忽略了陰離子單鹽毒害的影響。本實驗通過水培實驗, 通過設置不同實驗處理模擬不同鹽堿環境, 單獨提高中性鹽pH值, 旨在分析不結球白菜對于中、堿性鈉鹽脅迫響應差異性機制, 并進一步明確引起鹽堿差異的主要影響因素到底是什么, 為蔬菜耐鹽堿生理研究提供理論支撐, 并為將來的農業生產實踐與鹽堿地治理提供技術指導。

1 材料與方法

1.1 實驗設計

本實驗所用上海青不結球白菜品種為‘夏青5號’, 首先用75%酒精對白菜種子進行消毒, 消毒結束后用蒸餾水將不結球白菜種子反復清洗幾次, 清洗后的種子放入鋪有育苗紙的育苗盒中進行育苗, 育苗盒培養5 d之后, 移栽至遮光黑素塑料桶中用1/2 Hogland營養液進行培養, 每盆5孔, 每孔2株蔬菜幼苗, 用人工LED燈進行光照培養, 每日光暗周期為10/14 h, 晝夜溫度分別為25/20 ℃, 相對濕度為60%—70%。培養25 d之后進行不同脅迫處理, 設置了4個脅迫處理: CK:對照正常生長; (B): 中性鹽脅迫(NaCl: Na2SO4=9:1,pH=6.5); (C): 中性鹽高pH脅迫(NaCl: Na2SO4=9:1,pH=8.9); (D): 堿碳酸鹽脅迫(NaHCO3: Na2CO3=9:1,pH=8.9), 每個脅迫處理4次重復。所有脅迫處理的Na+濃度為100 mmol·L-1。用濃HCl和1 mol·L-1NaOH調節溶液pH值, 培養過程中一直用通氣泵向培養溶液中通氣, 每3 d更換一次營養液, 脅迫處理的第5 d對地上部分葉片進行取樣, 進行生長與生理指標測定。

1.2 測定指標與方法

不結球白菜鮮重采用稱重法測定, 將收獲的整株小麥植株放入烘箱中105 ℃殺青30 min后, 70 ℃下烘干至恒重, 然后稱量測定植株生物量[12]。磺基水楊酸法測定脯氨酸含量[13], 蒽酮比色法測定可溶性糖含量[14], 丙酮提取法測定葉綠素含量[15], 采用雷磁DDB-303A型電導率儀測定質膜透性[16], 氮藍四唑法超氧化物歧化酶(SOD)活性[17]、紫外吸收法測定過氧化氫酶(CAT)活性[18]、愈創木酚法測定過氧化物酶(POD)活性[19]、硫代巴比妥酸法測定丙二醛(MDA)含量[18]。

1.3 數據統計與分析

本研究中所有測定的指標數據, 采用spss19.0軟件對實驗結果進行單因素方差分析及顯著性檢驗(<0.05), 采用Sigmaplot 10.0軟件進行數據繪圖。

2 結果與分析

2.1 中、堿性鈉鹽對不結球白菜生長的影響

如圖1所示, 鹽堿脅迫會抑制不結球白菜正常生長, 降低不結球白菜鮮重和生物量。其中C處理情況下不結球白菜的鮮重最低分別為CK、A和B處理的25.1、32.7和40.8 %達到極顯著差異(<0.01)。同樣, 不結球白菜生物量在C處理下生物量最低, 為CK處理的57.3%(<0.05)達到顯著性差異, 為A和B處理69.6 %和79.6 %, 未達到顯著性差異。

2.2 中、堿性鈉鹽對不結球白菜抗氧化系統的影響

如圖2所示, 鹽堿脅迫會對不結球白菜幼苗產生影響, 過氧化物酶(POD)活性在C脅迫處理下最高, 分別為CK、A和B處理的4.93、2.76及1.72倍達到極顯著差異(<0.01)。過氧化物酶(CAT)活性在A脅迫處理下最高, 為CK的1.36倍達到顯著差異(<0.05)。B脅迫處理下CAT活性為CK的82.6%未達到顯著差異, C脅迫處理下CAT活性為CK的62.7%, 達到顯著差異(<0.05)。不結球白菜幼苗超氧化物歧化酶(SOD)活性在C脅迫處理下最高, 分別為CK、A和B處理的5.02、2.58和2.08倍達到極顯著差異(<0.01)。不結球白菜幼苗丙二醛(MDA) 含量在C脅迫處理下最高, 分別為CK、A和B處理的2.79、2及1.82倍達到顯著差異(<0.05)。不結球白菜質膜透性在C脅迫處理下最高, 分別為CK、A和B處理的5.22、1.83和1.7倍達到極顯著差異(<0.01)。

Figure 1 Effects of salt-alkali stress on the growth of non-heading Chinese cabbage

Figure 2 Effects of salt-alkali stress on antioxidant system of non-heading Chinese cabbage

2.3 中、堿性鈉鹽對不結球白菜葉綠素含量的影響

如圖3所示鹽堿脅迫下不結球白菜的各個葉綠素組分都會降低, 不結球白菜葉綠素a含量在C處理情況下最低, 分別為CK、A和B處理的45.9、48.4和50.3 %(<0.01)達到極顯著差異。葉綠素b含量在C處理下也最低, 分別為CK、A和B處理的34、38.7和41.8 %(<0.01)達到極顯著差異。類胡蘿卜素含量在C處理下最低, 分別為CK、A和B處理的59.6、62.1和70.2 %未達到顯著性差異。總葉綠素含量在C處理下最低, 分別為CK、A和B處理的42.8、46.1和48.3 %(<0.01)達到極顯著差異。

圖3 鹽堿脅迫對不結球白菜葉綠素含量的影響

Figure 3 Effect of saline-alkali stress on chlorophyll content of non-heading Chinese cabbage

2.4 中、堿性鈉鹽對不結球白菜滲透調節的影響

如圖4所示鹽堿脅迫下不結球白菜幼苗的滲透調節物質含量會增加, 由數據圖和表型圖可以看出, 不結球白菜幼苗的脯氨酸含量在C處理情況下最高分別為CK、A與B的10.58、4.47和3.74倍(<0.01)達到極顯著差異。不結球白菜的可溶性糖含量在C處理下最高分別為CK、A與B的2.73、1.86和1.48倍(<0.01)達到極顯著差異。

3 討論

鹽堿脅迫是重要的非生物脅迫限制因素, 近年來由于不合理的灌溉與施肥方式導致設施農業次生鹽漬化現象越來越嚴重[20, 21], 蔬菜生長受到影響,導致其產量和品質下降。

鹽堿脅迫對植物傷害最直觀的體現就是抑制植物正常生長。本實驗中, 鹽堿脅迫會抑制不結球白菜正常生長, 并且相比于中性鹽脅迫, 同等濃度堿性碳酸鹽脅迫下對不結球白菜鮮重和生物量更低, 對不結球白菜幼苗生長抑制作用更強。

植物在正常的生長條件下, 其體內活性氧的產生與消除之間保持動態平衡, 而在鹽堿脅迫條件下, 這種動態平衡會被打破。植物體內過多的活性氧會多細胞質膜造成損害, 進而產生氧化脅迫。為了抵御氧化脅迫植物會提高各種抗氧化酶的活性,達到消除過多活性氧的目的[22]。本實驗中鹽堿脅迫下不結球白菜的各種抗氧化酶活性都在升高, 其中POD和SOD活性在鹽堿脅迫下都升高了, 并且相同脅迫濃度下, 在堿性碳酸鹽處理下POD和SOD酶的活性更高, CAT活性則相對于正常生長和中性鹽脅迫處理則較低。相同脅迫濃度下, 在堿性碳酸鹽處理下, 不結球白菜的MDA含量更高, 質膜透性值更高。這可能是由于堿性碳酸鹽脅迫下, 不結球白菜受到的氧化脅迫更大, 不結球白菜受到氧化損傷更大, 進而導致了其MDA含量更高, 質膜透性更大。為了應對氧化脅迫不結球白菜必須調高POD和SOD活性, CAT活性降低可能是由于堿性碳酸鹽脅迫下, 相關抗氧化調節功能超過極限失去活力導致的。

圖4 鹽堿脅迫對不結球白菜滲透調節系統的影響

Figure 4 Effects of salt-alkali stress on osmotic regulation system of non-heading Chinese cabbage

植物光合作用是植物生長的物質與能量基礎, 葉綠素是參與植物光合作用的重要物質, 植物葉綠素含量是衡量植物光合作用強弱的重要指標。本研究中, 鹽堿脅迫都會引起不結球白菜葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素及總葉綠素含量降低。同等濃度下, 相比于中性鹽脅迫, 堿性碳酸鹽脅迫下不結球白菜葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素及總葉綠素含量降低更多, 進而對不結球白菜光合作用抑制作用更強, 對起生長的抑制也更強。

鹽堿脅迫會導致植物吸水困難, 進而引起生理干旱, 為了應對鹽堿脅迫所引起滲透脅迫, 植物通常會通過在體內合成有機滲透調節物質來維持植物細胞正常滲透壓來抵御滲透脅迫[23, 24]。其中脯氨酸與可溶性糖是兩種非常重要的有機滲透調節物質, 對于植物抵御滲透脅迫具有非常重要的作用。本研究中, 鹽堿脅迫下不結球白菜體中的脯氨酸與可溶性糖含量都會升高, 相同脅迫濃度下, 相比于中性鹽脅迫, 堿性碳酸鹽脅迫下不結球白菜會積累更多的脯氨酸和可溶性糖。這可能是由于相比于中性鹽, 堿性碳酸鹽脅迫對不結球白菜造成的滲透脅迫更嚴重引起的。

目前已經開展了對番茄[25]、柳樹[26]、向日葵[27]、水稻[28]響應中堿性鈉鹽脅迫的研究, 結果表明相同濃度下相比于中性鹽脅迫, 堿性鹽脅迫對植物的生長與生理影響更大, 危害也更大。然而以往的研究認為主要是因為高pH因素的影響, 使得相比于中性鹽脅迫, 堿性鹽脅迫之所以對植物危害更大, 本實驗中通過調高了中性鹽pH發現, 其對不結球白菜造成危害仍然沒有同等濃度下堿性碳酸鹽對不結球白菜造成的危害更大。由此可以推測, 堿脅迫之所以對植物造成的危害更大不僅僅是因為高pH因素, 而主要因素是由于HCO3-和CO32-離子造成的單鹽毒害使得細胞膜電位失衡引起的。其機理還有待進一步通過分子生物學、植物電生理及代謝組學等方法技術進一步研究揭示。

4 結論

由本實驗可以得出以下結果。相比于中性鹽脅迫, 同等濃度下堿性碳酸鹽脅迫對不結球白菜的生長與生理活動影響更大。主要表現為: (1)堿性碳鹽酸脅迫對不結球白菜生長抑制作用更強; (2)堿性碳酸鹽脅迫下不結球白菜葉綠素流失量更多; (3)堿性碳酸鹽脅迫對其抗氧化系統和滲透調節系統的危害更大。

并且由本實驗結果還推測出, 同等脅迫濃度下堿性鹽脅迫之所以對不結球白菜的危害更大, 不僅僅是因為高pH因素, 其主要因素可能是由HCO3-和CO32-離子引發的單鹽離子毒害導致細胞膜電位失衡, 進而堿脅迫對不結球白菜的危害更大。

[1] 符楊磊, 魏志園, 王宇, 等. 冀東野生大豆()耐鹽堿性鑒定及耐性生理指標測定[J]. 核農學報, 2020, 34(10): 2316–2325.

[2] 楊洋, 王亞娟, 陰法庭, 等. 鹽堿脅迫對油菜苗期生理及光合特性的影響[J]. 北方園藝, 2020(15): 1–8.

[3] NADEEM F, AZHAR M, ANWAR-UL-HAQ M, et al. Comparative Response of Two Rice (L.) Cultivars to Applied Zinc and Manganese for Mitigation of Salt Stress[J]. Journal of Soil Science and Plant Nutrition, 2020, 20(4): 2059–2072.

[4] 許迪, 李益農, 龔時宏, 等. 面向可持續灌溉農業發展的澇漬鹽堿管理[J]. 排灌機械工程學報, 2019, 37(1): 63–72.

[5] GEBREEGZIABHER B G, TSEGAY B A. Variability for Salt (NaCl) Tolerance of Six Ethiopian Pea (var.) Landraces[J]. Agricultural Research, 2020, 9(4): 487–496.

[6] 劉德興, 荊鑫, 焦娟, 等. 嫁接對番茄產量、品質及耐鹽性影響的綜合評價[J]. 園藝學報, 2017, 44(06): 1094– 1104.

[7] 張淑媛. Cu脅迫對不結球白菜生理生化及細胞超微結構的影響[D]. 福州: 福建農林大學, 2007.

[8] 張景云, 趙曉東, 萬新建, 等. 不結球白菜耐熱性鑒定及其耐熱性分析[J]. 核農學報, 2014, 28(1): 146–153.

[9] 王愛斌, 徐芬芬, 劉華偉. NaCl處理對不同品種不結球白菜種子萌發和根毛形態的影響[J]. 種子, 2019, 38(5): 107–109.

[10] YANG C W, XU H H, WANG L L, et al. Comparative effects of salt-stress and alkali-stress on the growth, photosynthesis, solute accumulation, and ion balance of barley plants[J]. Photosynthetica, 2009, 47(1): 79–86.

[11] 于崧, 鄭麗娜, 李欣, 等. NaCl和NaHCO3脅迫對蕓豆幼苗生長及光合特性的影響[J]. 北方園藝, 2018(23): 1–8.

[12] 張倩, 賀明榮, 陳為峰, 等. 外源一氧化氮與水楊酸對鹽脅迫下小麥幼苗生理特性的影響[J]. 土壤學報, 2018, 55(5): 1254–1263.

[13] 劉建新, 歐曉彬, 王金成. 外源H2O2對干旱脅迫下裸燕麥幼苗葉片生理特性的影響[J]. 干旱地區農業研究, 2019, 37(4): 146–153.

[14] 王銘涵, 丁玎, 張晨禹, 等. 干旱脅迫對茶樹幼苗生長及葉綠素熒光特性的影響[J]. 茶葉科學, 2020, 40(4): 478–491.

[15] 王利軍, 馬履一, 王爽, 等. 水鹽脅迫對沙棗幼苗葉綠素熒光參數和色素含量的影響[J]. 西北農業學報, 2010, 19(12): 122–127.

[16] WEI Lixing, LV Bingsheng, WANG Mingming, et al. Priming effect of abscisic acid on alkaline stress tolerance in rice (L.) seedlings[J]. Plant Physiology and Biochemistry, 2015, 90: 50–57.

[17] 王苗苗, 周向睿, 梁國玲, 等. 5份燕麥材料苗期耐鹽性綜合評價[J]. 草業學報, 2020, 29(8): 143–154.

[18] 季楊, 張新全, 彭燕, 等. 干旱脅迫對鴨茅根、葉保護酶活性、滲透物質含量及膜質過氧化作用的影響[J]. 草業學報, 2014, 23(3): 144–151.

[19] 姚晨濤, 張風文, 李剛, 等. S-誘抗素拌種對干旱脅迫下玉米生長調控作用[J]. 玉米科學, 2020, 28(4): 67–73.

[20] Ahmed S,沈彥合, 馬文豪, 等. 3種鹽脅迫對玉米幼苗生長及葉片抗氧化酶和離子累積的影響[J]. 干旱地區農業研究, 2020, 38(3): 112–117.

[21] 孫建, 徐曉蕓, 馬增科, 等. 大麥發芽期耐鹽性種質鑒定及其生理響應特征分析[J]. 干旱地區農業研究, 2019, 37(6): 16–23.

[22] 張金林, 李惠茹, 郭姝媛, 等. 高等植物適應鹽逆境研究進展[J]. 草業學報, 2015, 24(12): 220–236.

[23] 毛戀, 蘆建國, 江海燕. 植物響應鹽堿脅迫的機制[J]. 分子植物育種, 2020, 18(10): 3441–3448.

[24] MUNNS R, PASSIOURA J B, COLMER T D, et al. Osmotic adjustment and energy limitations to plant growth in saline soil[J]. New Phytologist, 2020, 225: 1091–1096.

[25] GONG Biao, WEN Dan, VANDENLANGENBERG K, et al. Comparative effects of NaCl and NaHCO3 stress on photosynthetic parameters, nutrient metabolism, and the antioxidant system in tomato leaves[J]. Scientia Horticulturae, 2013, 157: 1–12.

[26] 劉鐸, 叢日春, 黨宏忠, 等. 柳樹幼苗滲透調節物質對中、堿性鈉鹽響應的差異性[J]. 生態環境學報, 2014, 23(9): 1531–1535.

[27] 劉杰, 李云玲, 孫虎, 等. 鹽堿脅迫對向日葵子葉滲透調節及離子平衡的影響[J]. 安徽農業大學學報, 2015, 42(1): 86–91.

[28] LV Bingsheng, LI Xiaowei, MA Hongyuan, et al. Differences in Growth and Physiology of Rice in Response to Different Saline-Alkaline Stress Factors[J]. Agronomy Journal, 2013, 105(4): 1119–1128.

Different response of non-heading Chinese cabbage seedling to saline and alkaline stress

ZHU Hongfang1, LI Xiaofeng1, LI Ping2,3, LIANG Zhijie2,3, NING Dongfeng2,3, LIU Duo2,3,*

1. ProtectedHorticulture Research Institute, Shanghai Academy of Agriculture Sciences/Shanghai Key Laboratory of Protected Horticultural Technology, Shanghai 201106 2. Farmland Irrigation Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Xinxiang, Henan 453002, China 3. Key Laboratory of High-efficient and Safe Utilization of Agriculture Water Resources of CAAS, Xinxiang, Henan 453002, China

Non-heading Chinese cabbage (ssp.) is an important vegetable crop. In recent years, due to the unreasonable irrigation and cultivation methods, secondary salinization of soil in the facility has become more and more serious, which has caused adverse effects on vegetable production. Saline-alkali stress will also inhibit the normal growth of Chinese cabbage. In the past years, more attention has been paid to the effects of neutral salt on the growth and physiology of non-heading Chinese cabbage, while less attention has been paid to the effects of alkaline salt on the growth and physiology of non-heading Chinese cabbage. In this study, different salt and alkali stress treatments were set up through hydroponic experiment to study the different response mechanism of non-heading cabbage to medium and alkaline sodium salt stress. The results shown that the fresh weight, biomass, chlorophyll a, chlorophyll B, carotenoid and total chlorophyll contents of non-heading Chinese cabbage seedlings under alkaline carbonate stress decreased more than those under neutral salt stress at the same stress concentration. Compared with neutral salt, alkaline salt had greater influence on the antioxidant system of non-heading Chinese cabbage, with higher activity of peroxidase (POD) and superoxide dismutase (SOD), and higher MDA content and plasma membrane permeability (MI), while the activity of peroxidase (CAT) was lower under alkali stress. Compared with neutral salt stress, the accumulation of proline and soluble sugar in non-heading Chinese cabbage was higher under alkaline carbonate stress, which had a greater influence on the osmotic regulation system of non-heading Chinese cabbage. According to the experimental results, compared with neutral salt stress, alkaline carbonate stress has a stronger inhibitory effect on the growth of non-nodular cabbage, and has a greater effect on its physiology.

non-heading Chinese cabbage; saline-alkaline; stress; different

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.06.021

S5-3

A

1008-8873(2022)06-176-07

2020-10-20;

2020-12-03

上海市綠葉蔬菜產業技術體系[滬農科產字(2022)第02號]; 上海市農業科學院卓越團隊[農科卓2022(005)]；中央級公益性行業科研院所基本科研業務費(FIRI2019-04-01); 中國農業科學院科技創新工程項目(CAAS-ASTIP-FIRI-03)

朱紅芳（1980—）, 女, 江蘇蘇州人, 博士研究生, 副研究員, 專業方向為從事葉菜類蔬菜遺傳育種和栽培, E-mail:shzhf1980@126.com

通信作者:劉鐸, 男, 博士, 助理研究員, 專業方向為從事為植物逆境生理學, E-mail:ld258825@126.com

朱紅芳, 李曉鋒, 李平, 等. 不結球白菜幼苗對中、堿性鈉鹽脅迫響應差異性研究[J]. 生態科學, 2022, 41(6): 176–182.

ZHU Hong Fang, QI Xuebin, LI Ping, et al. Different response of non-heading Chinese cabbage seedling to saline and alkaline stress[J]. Ecological Science, 2022, 41(6): 176–182.