根際氧環(huán)境與鹽脅迫對小麥苗期形態(tài)和生理特性的影響

王可輝，武迪，王淑紅，師君慧，劉義國，李玲燕，郭衛(wèi)衛(wèi)，師長海

(1. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/山東省旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)重點實驗室/青島生物節(jié)水工程研究中心，山東青島 266109；2. 臨邑縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東臨邑 251500)

小麥(Triticum aestivumL.)是我國重要的糧食作物，土壤鹽漬化是影響小麥產(chǎn)量的限制性因素之一[1]。 目前我國鹽漬土面積超一億公頃，山東省鹽漬土面積達5 925 hm2[2，3]。 鹽堿土中的Na＋、K＋等離子可以導(dǎo)致植物細胞缺水，使植物體內(nèi)代謝活動失調(diào)[4，5]。 研究提高小麥耐鹽性的方法、創(chuàng)新小麥耐鹽栽培模式，對提高鹽堿地小麥產(chǎn)量具有重要意義。

土壤通氣性是影響植株生長的一項重要因素，良好的根系通氣性是減輕作物鹽害、保障作物正常生長不可或缺的條件之一[6]。 然而鹽堿地土壤大多為粘性土，土壤結(jié)構(gòu)差、板結(jié)嚴重，導(dǎo)致植物根系缺氧[7]，鹽害與缺氧互作會加劇根系的脅迫程度。 傳統(tǒng)漫灌、畦灌會導(dǎo)致根區(qū)出現(xiàn)間歇性低氧脅迫問題，而化學(xué)除草代替人工鋤草又使這種缺氧脅迫一直持續(xù)到作物收獲，對作物根系代謝以及微生物活性造成不利影響，最終導(dǎo)致作物減產(chǎn)[8]。 1964 年，Savostin[9]首先確定了灌溉水增氧能有效地促進小麥生長，不僅能增加生物量，還能促進根系生長，根長較對照提高近50%。之后，在豇豆(Vigna unguiculataL. Walp)、番茄(Solanum lycopersicumL.)、辣椒(Capsicum annuumL.)等作物上的研究表明，利用灌溉來改變根際氧環(huán)境能顯著提高葉綠素含量，促進作物光合作用，從而達到提高作物產(chǎn)量的目的[10－13]。 利用曝氣增氧技術(shù)處理過的水進行灌溉能抑制鹽分在植株體內(nèi)的運移與轉(zhuǎn)化，株高和葉綠素含量明顯增加，產(chǎn)量構(gòu)成相關(guān)性狀指標得到有效提高，但對禾本科作物粒重影響不顯著[11]。

苗期耐鹽性關(guān)系著鹽堿地小麥成苗率和后期群體大小，對產(chǎn)量形成起關(guān)鍵作用。 改善根系氧環(huán)境是否能提高小麥苗期的耐鹽性尚未見報道。本試驗營造不同的根系氧環(huán)境，對比分析增氧對小麥苗期耐鹽性的影響，以期為鹽堿地小麥栽培提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

本試驗以青島農(nóng)業(yè)大學(xué)選育的青麥11 為材料，于2021 年12 月18 日—2022 年1 月14 日在青島農(nóng)業(yè)大學(xué)恒溫恒濕培養(yǎng)室進行。 選取均勻一致的小麥種4℃處理48 h 后蒸餾水浸泡8 h，使其充分吸脹，之后次氯酸鈉消毒5 min，用蒸餾水沖洗干凈，培養(yǎng)皿中培養(yǎng)發(fā)芽。 3 d 后選擇長勢一致的幼苗移至漂浮水培板，恒溫恒濕培養(yǎng)(培養(yǎng)條件為:溫度(23.0±1)℃、相對濕度50%、光照強度1 800 lx)，每3 d 更換一次營養(yǎng)液(1/2 Hoagland)。

試驗設(shè)不充氣(CK，培養(yǎng)液含氧量5.05 mg/L)、通氣(AW，森森牌氣泵接細沙氣泡石，功率120 W，培養(yǎng)液含氧量6.19 mg/L)、曝氣(VAI，LP－MNB 微納米氣泡發(fā)生器，功率72 W，排氣量＞2.6 L/min，培養(yǎng)液含氧量6.12 mg/L)三種氧環(huán)境處理，其中通氣和曝氣處理統(tǒng)稱為充氣處理。 三葉一心期設(shè)置0、35、70 mmol/L 鹽脅迫(NaCl)處理濃度，共9 個處理(表1)，每處理重復(fù)5 次。

表1 試驗處理

1.2 測定指標及方法

1.2.1 形態(tài)指標 鹽脅迫處理后15 d 進行形態(tài)指標測定。 葉面積:選取每株最新完全展開葉，用臺式葉面積儀(美國，CID， LI－3000C)測定。

葉干重及葉片水分飽和虧(water saturation deficit，WSD):取全株葉片稱重(mf)，再將葉片置于4℃條件下50 mL 蒸餾水中24 h，稱葉片飽和重(mt)，然后75℃烘干至恒重(md)。 WSD(%)＝(mt－mf)/(mt－md) ×100，md為葉干重。

株高及根干重:取10 株小麥苗測量株高。 將根從盾片處剪下，置于75℃烘箱中烘干至恒重稱取根干重。

根表型指標:將根從盾片處剪斷，用根系掃描儀(美國，REGENTINS TRUMENTSINC， LA-2400)掃描測量根表面積和根長。

1.2.2 葉片鹽分指標 鹽脅迫處理后3、7、15 d取最新完全展開葉混剪后稱取0.50 g 放入試管并加蒸餾水10 mL，室溫水浴振蕩1 h，靜置24 h，用電導(dǎo)率儀(上海儀電科學(xué)儀器有限公司，DDSJ－308A)測定葉片電導(dǎo)率、總?cè)芙庑怨腆w(total dissolved solids， TDS)和鹽度。

1.2.3 小麥葉片光合指標 葉綠素?zé)晒?鹽脅迫處理后15 d，并暗處理1 h 后，每處理選取9 株小麥的最新完全展開葉，每片葉取3 個點，用葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)(德國，WALZ 公司，IMAGINGPAM)測定最小熒光值(Fo)、最大熒光值(Fm)、暗適應(yīng)下最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)。

1.2.4 小麥葉片生理指標 鹽脅迫后15 d 選取均勻一致最新完全展開葉，液氮冷凍后轉(zhuǎn)移保存到－80℃超低溫冰箱。

可溶性糖測定采用蒽酮比色法，脯氨酸(Pro) 含量測定采用磺基水楊酸法，丙二醛(MDA)含量測定采用硫代巴比妥酸法[14]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

使用Microsoft Excel 2016 進行數(shù)據(jù)整理，DPS 7.05 軟件進行方差分析，Duncan’s 新復(fù)極差法進行多重比較(P＜0.05)，使用SigmaPlot 12.5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 根際氧環(huán)境對鹽脅迫下小麥苗期地上部生長的影響

由圖1 可知，小麥株高、葉面積和葉干重均隨鹽濃度增加而降低。 各鹽濃度下AW 處理的株高均顯著高于CK 和VAI；0、70 mmol/L 鹽濃度下VAI 處理的株高與CK 間差異不顯著，35 mmol/L鹽濃度處理下二者差異顯著(圖1A)。

圖1 根際氧環(huán)境對鹽脅迫下小麥苗期株高(A)、葉面積(B)和葉干重(C)的影響

由圖1B 可知，0、35 mmol/L 鹽濃度下AW0、VAI0 和AW35、VAI35 處理的葉面積分別較CK0和CK35 顯著增加91. 2%、99. 2% 和60.5%、26.1%；35、70 mmol/L 鹽濃度下，各處理的葉面積均表現(xiàn)為AW＞VAI＞CK，35 mmol/L 鹽濃度條件下AW 和VAI 處理間差異顯著，70 mmol/L 鹽濃度下各處理間差異不顯著。

由圖1C 可知，各鹽濃度處理下小麥葉片干重均表現(xiàn)為AW＞VAI＞CK，且同一鹽濃度下不同處理間差異顯著。 其中，AW0 和VAI0 處理的葉干重較CK0 分別升高283.0%、71.3%；AW35、VAI35 處理的葉干重較CK35 分別升高336.6%、29.5%；AW70、VAI70 處理的葉干重較CK70 分別升高257.0%、76.4%。

2.2 根際氧環(huán)境對鹽脅迫下小麥苗期根系生長的影響

由表2 看出，同一氧環(huán)境下小麥根干物質(zhì)量隨鹽濃度增加而降低。 相同鹽濃度下，根干物質(zhì)量、根表面積、根長均表現(xiàn)為AW＞VAI＞CK。 其中，35、70 mmol/L 鹽濃度下，AW 和VAI 處理的根干物質(zhì)量均顯著高于CK；AW0 的根干物質(zhì)量顯著高于CK0 和AVI0。 0、35 mmol/L 鹽濃度下，AW 和VAI 處理的根表面積均顯著高于CK，AW70 處理的根表面積分別較CK70 和VAI70 顯著提高24.7%和23.0%。 三種鹽濃度脅迫下，小麥苗期根長均表現(xiàn)為AW＞VAI＞CK，且相同氧環(huán)境下處理間差異顯著。

表2 根際氧環(huán)境對鹽脅迫下小麥苗期根系形態(tài)的影響

2.3 根際氧環(huán)境對鹽脅迫下小麥苗期葉片水分生理特性的影響

2.3.1 對鹽脅迫下小麥葉片WSD、含鹽量的影響

由表3 可知，小麥葉片WSD 值隨鹽濃度增大而增加。 各鹽濃度下小麥葉片WSD 值表現(xiàn)為CK＞VAI＞AW。 0 mmol/L 鹽濃度下各處理間WSD 值無顯著差異；35 mmol/L 鹽濃度下AW35 和VAI35處理葉片WSD 值較CK35 分別顯著降低45.4%和40.9%；AW70 和VAI70 處理葉片WSD 值較CK70 分別顯著降低81.5%和44.6%。

表3 根際氧環(huán)境對鹽脅迫下(7 d)小麥葉片生理特性的影響

葉片電導(dǎo)率和TDS 含量均隨鹽濃度增大而增加。 0、35、70 mmol/L 鹽濃度下處理間電導(dǎo)率、TDS 含量均表現(xiàn)為AW＜VAI＜CK 的趨勢。 CK0葉片電導(dǎo)率顯著高于AW0，與VAI0 差異不顯著，CK0 葉片TDS 含量顯著高于AW0 和VAI0；35、70 mmol/L 鹽濃度下，AW、VAI 處理的葉片電導(dǎo)率、TDS 含量均顯著低于CK。

35 mmol/L 鹽濃度下，AW、VAI 處理的葉片鹽度較CK 均顯著降低50%；70 mmol/L 鹽濃度下，AW 處理的葉片鹽度較VAI 和CK 均顯著降低40%；0 mmol/L 鹽濃度下各處理間葉片鹽度無明顯差異。

2.3.2 對鹽脅迫下小麥葉片電導(dǎo)率動態(tài)的影響

葉片電導(dǎo)率隨鹽脅迫處理天數(shù)增加而增大(圖2)。 0 mmol/L 鹽濃度下CK、AW、VAI 處理3～7 d的電導(dǎo)率增幅分別為92.1%、56.7%、92.0%；3～15 d 的電導(dǎo)率增幅分別為306.8%、228.0%、228.4%。35 mmol/L 鹽濃度下CK、AW、VAI 處理3 ～7 d 的電導(dǎo)率增幅分別為117.3%、93.37%、90.4%；3～15 d的電導(dǎo)率增幅分別為592.2%、392.0%、591.7%。 70 mmol/L 鹽濃度下CK、AW、VAI 處理3 ～7 d 的電導(dǎo)率增幅分別為116.1%、119.5%、115.7%；3 ～15 d 的電導(dǎo)率增幅分別為952.5%、623.3%、965.0%。

圖2 根際氧環(huán)境對鹽脅迫下小麥苗期葉片電導(dǎo)率動態(tài)的影響

2.4 根際氧環(huán)境對鹽脅迫下小麥苗期葉片衰老生理特性的影響

不同鹽濃度下小麥葉片可溶性糖含量變化不大(圖3A)。 0、70 mmol/L 鹽濃度下各充氣處理與對照葉片可溶性糖含量無顯著差異，35 mmol/L鹽濃度下VAI 處理的可溶性糖含量較CK 和AW分別顯著增加5.5%、14.3%。

圖3 根際氧環(huán)境對鹽脅迫下小麥苗期葉片衰老生理指標的影響

小麥葉片Pro 含量總體隨鹽濃度升高而增加(圖3B)。 0 mmol/L 鹽濃度下AW 處理的葉片Pro 含量顯著低于CK；35 mmol/L 鹽濃度下AW、VAI 處理的葉片Pro 含量較CK 分別顯著降低10.5%、8.4%。

MDA 的過度積累會對細胞膜造成損傷[26]。葉片MDA 含量隨鹽濃度升高而增加(圖3C)。各鹽濃度下不同充氣處理小麥葉片MDA 含量均表現(xiàn)為AW＜VAI＜CK。 0、35、70 mmol/L 鹽濃度下AW 處理葉片MDA 含量較CK 分別顯著降低46.2%、63.3%、50.9%。

2.5 根際氧環(huán)境對鹽脅迫下小麥苗期葉片光合指標的影響

2.5.1 對鹽脅迫下葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

小麥葉片最小熒光值隨鹽濃度的增加而增大(圖4A)。 各鹽濃度下不同處理小麥葉片F(xiàn)o 值均表現(xiàn)為AW＜VAI＜CK。 AW35 處理葉片F(xiàn)o 值顯著小于CK35 和VAI35，70 mmol/L 鹽濃度下葉片F(xiàn)o 值各處理間差異顯著，AW 和VAI 處理較CK分別顯著降低48.7%、21.9%。

圖4 根際氧環(huán)境對鹽脅迫下小麥苗期葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

小麥葉片最大熒光值(圖4B)、暗適應(yīng)下最大光化學(xué)效率(圖4C)總體隨鹽濃度增加而降低。各鹽濃度下小麥葉片F(xiàn)m、Fv/Fm 均表現(xiàn)為AW＞VAI＞CK。 三種鹽濃度下AW 處理小麥葉片F(xiàn)m值較CK 分別顯著升高33.8%、23.6%和26.2%。0 mmol/L 鹽濃度下AW 和VAI 處理的Fv/Fm 分別較CK 高24.4%、19.9%，且差異顯著；35 mmol/L 鹽濃度下Fv/Fm 各處理間差異顯著，AW 和VAI 處理較CK 分別高72.1%和52.1%；70 mmol/L 鹽濃度下AW 處理的Fv/Fm 較CK 和VAI 處理分別顯著提高180.1%、118.3%。

2.5.2 對鹽脅迫下葉片葉綠素?zé)晒獬上竦挠绊?/p>

隨鹽濃度增加，葉片F(xiàn)v/Fm 熒光成像偽彩色圖表現(xiàn)出藍—綠—黃的狀態(tài)(圖5，色彩對照圖越往右側(cè)Fv/Fm 值越大)。 其中，不充氣處理下，隨鹽濃度增加表現(xiàn)出明顯的藍—綠—綠＋黃的狀態(tài)；AW 氧環(huán)境下，三種鹽濃度下無顯著的顏色變化，僅在70 mmol/L 鹽濃度下葉片出現(xiàn)一些與葉脈平行的綠色條帶；VAI 氧環(huán)境下，隨鹽濃度增加表現(xiàn)出明顯的深藍—淺藍—綠的變化趨勢。

圖5 根際氧環(huán)境對鹽脅迫下小麥苗期葉片F(xiàn)v/Fm 熒光成像的影響

從不同鹽脅迫程度看，0 mmol/L 鹽濃度下CK、AW、VAI 三種氧環(huán)境依次表現(xiàn)出淺藍、深藍、深藍的狀態(tài)，35 mmol/L 鹽濃度下依次表現(xiàn)出綠、深藍、淺藍的狀態(tài)，70 mmol/L 鹽濃度下依次表現(xiàn)出黃綠、深藍、綠的狀態(tài)。

3 討論

根系缺氧會導(dǎo)致植物根系、葉片生長受到抑制[15]。 作物形態(tài)特征變化也能直觀反映鹽害程度[16]。 小麥產(chǎn)量與植株干物質(zhì)量在一定范圍內(nèi)呈正相關(guān)關(guān)系[17]。 苗期適宜的葉面積指數(shù)、生物量等有利于后期籽粒灌漿和產(chǎn)量提高。 本研究中，各鹽脅迫水平下，營養(yǎng)液通氣處理的株高、葉面積高于曝氣處理和對照，表明通氣處理營造的氧環(huán)境提高了水培小麥的耐鹽能力。 根系作為小麥吸收營養(yǎng)和水分的主要器官，其生長狀況與產(chǎn)量關(guān)系密切[17]。 有研究表明，小麥生長發(fā)育受根重、根長、根毛數(shù)量等的影響非常明顯[18，19]。Zhao 等[20]的研究表明，經(jīng)NaCl 處理的玉米種子，三分之二的植株根系發(fā)生帶狀鹽漬化，地上部重量卻幾乎沒有減輕或減輕很少。 本研究三種鹽濃度下，兩種充氣處理均提高小麥根長、根表面積，這可能是充氣處理提高小麥抗鹽脅迫能力的原因之一。 且充氣處理的根干物質(zhì)量、根表面積、根長均顯著優(yōu)于對照，表明充氣處理為鹽脅迫條件下小麥提供的氧環(huán)境更有利于其根系生長發(fā)育。

葉片水分飽和虧是實際含水量與飽和相對含水量的差值，是反映水分供應(yīng)狀況的重要指標[21]，水分飽和虧越大，表示植物體內(nèi)水分虧缺越嚴重，這會間接導(dǎo)致植物體內(nèi)鹽分積累[22]。Hassen 等[23]的研究結(jié)果表明，鹽脅迫條件下提高根際環(huán)境氧含量，小麥幼苗葉片保水性顯著增強，推測這可能是維持麥苗各項生理代謝運行的基礎(chǔ)。 本研究中，所有鹽濃度下通氣處理的水分飽和虧均小于CK，說明營養(yǎng)液通氣營造的氧環(huán)境更有利于鹽脅迫下小麥葉片保持較好的水分狀態(tài)。

植物細胞質(zhì)膜具有選擇透過性，細胞與外界環(huán)境之間發(fā)生的一切物質(zhì)交換都必須通過質(zhì)膜進行[24]。 鹽脅迫會導(dǎo)致質(zhì)膜損傷，質(zhì)膜透性增大，細胞內(nèi)電解質(zhì)外滲，電導(dǎo)率變大[25]，同時，質(zhì)膜分解導(dǎo)致丙二醛積累[26，27]。 本研究中，隨著鹽濃度增加，葉片丙二醛、TDS 含量及電導(dǎo)率均呈升高趨勢。 較強鹽脅迫條件(70 mmol/L NaCl)下充氣處理(AW)的丙二醛含量、電導(dǎo)率和鹽度指標均低于曝氣處理和對照，說明充氣處理的小麥葉片受到的鹽脅迫相對較輕，這支持了本研究上述麥苗形態(tài)指標對鹽脅迫和根系氧環(huán)境響應(yīng)的推測。

可溶性糖是植物體內(nèi)合成其他有機溶劑的碳架和能量來源，對細胞膜和原生質(zhì)膠體起穩(wěn)定作用[28]。 一般情況下，植物體內(nèi)游離脯氨酸、丙二醛含量很低，但遇到逆境脅迫時，游離脯氨酸[29]和丙二醛會大量積累[30]。 然而也有研究表明，隨著鹽濃度的增大，玉米葉片MDA 含量呈先上升后降低的變化趨勢[31]。 本研究中，隨著鹽濃度增加，兩個充氣處理葉片的Pro、可溶性糖和MDA含量均低于對照，且通氣處理(AW)小麥葉片Pro含量顯著低于CK，由此推斷，增加培養(yǎng)液溶氧量提高了小麥對鹽脅迫的適應(yīng)性，且Pro 可能是本研究中麥苗響應(yīng)鹽脅迫和根系氧環(huán)境變化的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。 另外，齊琪等[32]指出，在高Na＋濃度的環(huán)境中維持胞質(zhì)中穩(wěn)定的K＋濃度、增強自身保護酶活性是植物抵御鹽脅迫的重要措施。 本研究沒有開展小麥苗期葉片K＋和保護酶活性的分析，將在今后的根系增氧改善鈉鹽脅迫下小麥生長發(fā)育的研究中重點關(guān)注。

眾多研究表明，鹽脅迫會抑制光合作用，增加葉片初始熒光值、降低最大熒光值[33，34]。 本研究中，兩種氧環(huán)境水處理均降低葉片F(xiàn)o 值，增加Fm值和Fv/Fm，葉片能保持較好的光合系統(tǒng)。 小麥葉片的熒光成像偽彩色圖像反映了不同處理下的Fv/Fm 狀態(tài)，更直觀地表現(xiàn)出提高鹽濃度均對幼苗產(chǎn)生不同程度的抑制作用，而所有充氣處理均能有效提高葉片光合性能，且通氣處理對小麥幼苗葉綠素?zé)晒獾拇龠M作用高于曝氣處理，可有效提高鹽脅迫下葉片的光能轉(zhuǎn)化效率和電子傳遞速率。 在小麥種植過程中，通過農(nóng)藝農(nóng)機相結(jié)合，可以確保小麥的種植模式、種植效率及種植質(zhì)量均有明顯提升，這對于加快農(nóng)業(yè)發(fā)展速度有重要意義。 本試驗利用水培培養(yǎng)了解根際氧環(huán)境對NaCl 脅迫下小麥生理指標的影響，可為鹽堿地栽培中農(nóng)機農(nóng)藝結(jié)合提供理論參考。

4 結(jié)論

隨著鹽濃度增加，小麥幼苗形態(tài)指標受抑制情況加劇，而AW、VAI 根際氧環(huán)境處理對鹽脅迫下幼苗傷害有不同程度的緩解作用。 充氣處理可以通過促進根系伸長和根系表面積增加來促進小麥生長(葉面積、株高和葉干重)。 生理代謝方面，充氣處理能維持較好的葉片水生理環(huán)境，從而減輕葉細胞損傷，維持葉片光合作用順利進行。本試驗條件下，通氣處理(AW)緩解小麥鹽脅迫的效果更好。