海水脅迫下外源海藻糖對黃秋葵幼苗耐鹽性的影響

劉 暢，程玉靜，王小秋，仇 亮，劉 巖，戴志剛，謝冬微，孫 健

（1.南通大學生命科學學院 江蘇南通 226019；2.江蘇沿江地區農業科學研究所 江蘇南通 226019；3.中國農業科學院麻類研究所 長沙 410205）

鹽脅迫是全球性的非生物脅迫，中國的鹽漬化土地面積已經超過1 億hm2，沿海灘涂面積約217 萬hm2，并有逐漸擴大的趨勢，導致耕地面積逐漸減小，農業生產力下降[1]。在江蘇沿海地區，灘涂總面積達29.5 萬hm2，居各省份之首。土壤中鹽分的積累對植物生長危害很大，會導致植物由于離子失衡而引起離子毒害、營養虧缺以及由失水導致的滲透脅迫[2]。提高植物的抗鹽性是緩解鹽脅迫對植物傷害及減少產量損失的關鍵措施。

海藻糖（trehalose）是一種在植物體內廣泛存在的、含量較低的非還原性二糖分子。海藻糖在維持植物體內滲透壓、參與信號轉導過程等方面發揮了重要作用，對維持植物正常生長發育具有重要意義[3]。海藻糖是植物新陳代謝過程中的一種應激性適應物質，對生物膜、蛋白質等高分子具有非特異性保護作用[4]。研究表明，外源海藻糖對小麥幼苗的細胞質膜及膜上蛋白具有保護作用，可保護細胞質膜的穩定性，緩解鹽脅迫對小麥幼苗生長的抑制作用[5]。外源海藻糖對NaCl 脅迫條件下甘草幼苗可溶性糖積累具有一定的抑制作用，有利于甘草幼苗的正常生長[6]。外源海藻糖可提高脯氨酸含量，增加鹽脅迫下類胡蘿卜素及酚類物質的積累，保護細胞膜，抑制脂質過氧化，減輕鹽脅迫對草莓植株的抑制作用[7]。植物體內Na+、K+含量及Na+/K+是植物抗鹽性的重要指標，適宜濃度的海藻糖也可以降低植物體內Na+積累，維持NaCl 脅迫下K+和Na+的相對平衡，從而減輕鹽離子對植物造成的傷害[8]。

黃秋葵（Abelmoschus esculentusL.）原產于非洲，亦稱秋葵、咖啡黃葵，俗名羊角豆、補腎草。在江西萍鄉，當地人稱之為洋辣椒，美國人叫它植物黃金金秋葵。黃秋葵的花、果實和種子中含有多種營養保健成分，具有降血糖、助消化、防治糖尿病、保護胃腸功能、抗腫瘤等多種功效[9-10]。黃秋葵還可以深加工成花茶、飲料、膠囊、干蔬、食用油等，是食用價值極高的蔬菜[11]。目前，關于黃秋葵的研究主要集中在營養品質的開發和利用以及栽培技術等方面。在耐鹽性研究方面，李啟萌等[12]研究發現，無論是紅秋葵種子還是黃秋葵種子對鹽分的耐受程度均較低，NaCl 溶液濃度高于0.05 mol·L-1后就會對種子萌發產生一定的抑制作用。王永慧等[13]研究表明，隨鹽脅迫濃度增加，黃秋葵種子發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數、上胚軸長、根長、苗鮮質量等性狀指標均逐步下降，鹽害系數逐步增大。郭艷超等[14]以芙蓉葵和黃秋葵為試驗材料，發現黃秋葵種子發芽率隨著鹽脅迫濃度的增大呈逐漸降低趨勢，發芽速度、發芽率、胚根長度、胚軸長度以及儲藏物質轉運效率和相對干質量均受到鹽脅迫的影響。有關海水脅迫下外源海藻糖對黃秋葵耐鹽性影響的研究則鮮有報道。筆者的研究以耐鹽性不同的2 個黃秋葵品種為材料，分析海水脅迫下外源施用海藻糖對黃秋葵幼苗生長、生物量、Na+和K+含量及海藻糖含量的影響，以期為明確外源海藻糖對提高黃秋葵耐鹽性的作用機制，發展沿海地區黃秋葵生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

黃秋葵耐鹽型品種無角香蕉和鹽敏感型品種非洲秋葵來自中國農業科學院麻類研究所。海水取自江蘇省南通市東灶港鎮，鹽度為3.12%。其基本離子組成為Na+含量（ρ，下同）9.73 g·L-1、Cl-含量15.62 g·L-1、Ca2+含量0.49 g·L-1、Mg2+含量0.32 g·L-1、K+含量0.86 g·L-1、SO42-含量2.59 g·L-1、HCO3-含量0.35 g·L-1。

1.2 試驗設計

1.2.1 黃秋葵幼苗的培養 試驗于2021 年5 月在南通大學植物園進行。挑選大小一致、飽滿的黃秋葵種子，用濃度為3%的次氯酸鈉消毒10 min，再用蒸餾水將種子清洗干凈。將黃秋葵種子浸種，出芽后播于裝有營養土的育苗盤內。育苗盤規格為52 cm×26 cm×10 cm，每個育苗盤含50 穴，每排10 穴，每列5 穴，穴的規格為5 cm×5 cm。每個品種播2 盤，每穴播3～4 粒種子。幼苗在溫室內培養，出苗后進行間苗，每穴留1 棵苗，即每個品種100 棵苗，3 次重復，共300 棵苗。待苗長至2 葉1心時進行海水處理。

1.2.2 海水脅迫處理及海藻糖噴施 將海水與蒸餾水按照1∶1 的體積比配制成50%濃度的海水溶液進行脅迫處理，蒸餾水澆灌為對照（CK）。在海水處理及外源海藻糖噴施前，將育苗盤平均分為5份，每一份幼苗用于噴施不同濃度的海藻糖。海藻糖購自上海源葉生物科技有限公司，主要成分為海藻糖，純度為98%。試驗采用完全隨機設計，外源海藻糖溶液設置0（蒸餾水）、5、10、15、20 mmol·L-15個濃度，整株噴施，從開始海水處理時的每天傍晚噴施，連續噴10 d。海藻糖溶液中加入0.3%濃度的吐溫20，使溶液不易揮發，以利于海藻糖被植物吸收。

1.2.3 測定指標及方法 于海水處理后的第11 天進行性狀指標測定，包括苗高、地上部鮮質量、根鮮質量、地上部干質量、根干質量、地上部海藻糖含量、根海藻糖含量、地上部Na+含量、根Na+含量、地上部K+含量、根K+含量、地上部Na+/K+、根Na+/K+，3 次重復。

每個處理隨機選取3 棵苗，用直尺測量苗高。將苗緩慢從育苗盤中帶土拔出，注意保持根系完整，用自來水將根部泥土洗凈，再用蒸餾水沖洗，吸水紙吸干水分。將苗的根和地上部剪開，用萬分之一電子天平分別稱取鮮質量；置于105 ℃烘箱中殺青，80 ℃烘干至恒質量，稱取干質量。將樣品磨成粉末，過100 目篩，準確稱取0.100 0 g，放入具塞試管內，加入10 mL 100 mmol·L-1的乙酸在90 ℃的恒溫水浴鍋中提取2 h，用火焰光度計測定Na+和K+含量[15]。Na+/K+=Na+含量/K+含量。

采用蒽酮-硫酸法[16]測定海藻糖含量，略有改動。稱取0.5 g 黃秋葵樣品，與5 mL 0.5 mmol·L-1的三氯乙酸溶液在冰水浴中混合研磨，0 ℃下震蕩12 h。6000 r ·min-1下 離 心15 min，取 上 清 液1 mL，加入4 mL 0.12%的蒽酮-硫酸混合試劑，沸水浴中加熱5 min ，冷卻后于紫外分光光度 計 590 nm 處 測 定 吸 光 值。用0～200 μ L的0.100 0 g·100 mL-1海藻糖標準品做標準曲線。

1.3 數據分析

采用Microsoft Excel 2019 進行數據整理，用SPSS 21.0 軟件的Duncan 法在0.05 水平上進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 外源海藻糖對海水脅迫下黃秋葵生物量的影響

圖1 不同濃度海藻糖對海水脅迫下黃秋葵苗高的影響Fig.1 Effect of different concentration of trehalose on seedling height of okra under seawater stress

在對照條件下，耐鹽品種無角香蕉和鹽敏感品種非洲秋葵的地上部鮮質量分別為1.11 和1.25 g，根鮮質量分別為0.34 和0.45 g，無角香蕉的植株鮮質量小于非洲秋葵（圖2）。海水脅迫未施用海藻糖條件下，2 個品種的地上部鮮質量和根鮮質量均顯著減少。與對照相比，海水脅迫下無角香蕉地上部鮮質量和根鮮質量的降低幅度分別為21.09%和20.94%，小于非洲秋葵地上部鮮質量和根鮮質量降幅的48.61%和52.71%，說明海水脅迫對無角香蕉幼苗鮮質量的影響小于非洲秋葵。海水處理后隨著外源海藻糖濃度的升高，2 個品種的地上部鮮質量和根鮮質量均呈先升高后降低的趨勢。其中，海藻糖濃度為15 mmol·L-1時2 個品種的地上部鮮質量最大，與0 mmol·L-1時差異均顯著。對于無角香蕉而言，海藻糖濃度為10 mmol·L-1時根鮮質量最大，與0 mmol·L-1時差異顯著；對于非洲秋葵而言，海藻糖濃度為15 mmol·L-1時根鮮質量最大，與0 mmol·L-1時差異顯著。

圖2 不同濃度海藻糖對海水脅迫下黃秋葵地上部和根鮮質量的影響Fig.2 Effect of different concentration of trehalose on fresh weight of aerial part and root of okra under seawater

在對照條件下，無角香蕉和非洲秋葵的地上部干質量分別為0.18 和0.16 g，根干質量分別為0.036 和0.052 g；海水脅迫未施用海藻糖條件下，2個品種的地上部干質量和根干質量均顯著減少，表明海水脅迫會對黃秋葵苗干質量產生顯著的抑制作用（圖3）。與對照相比，2 個品種的地上部干質量分別降低了12.36%和25.39%，根干質量分別降低了24.94%和32.01%，無角香蕉比非洲秋葵降低的少，說明海水脅迫對無角香蕉苗干質量的影響小于非洲秋葵。隨著外源海藻糖濃度的升高，無角香蕉和非洲秋葵的地上部干質量和根干質量均呈先升高后降低的趨勢，其中海藻糖濃度為15 mmol·L-1時的地上部干質量和根干質量最大，2 個品種與0 mmol·L-1時差異全部達顯著水平，處理效果最好。

圖3 不同濃度海藻糖對海水脅迫下黃秋葵地上部干質量和根干質量的影響Fig.3 Effect of different concentration of trehalose on dry weight of aerial part and root of okra under seawater stress

2.2 外源海藻糖對海水脅迫下黃秋葵Na+、K+含量的影響

為了研究外源海藻糖對海水脅迫下黃秋葵Na+和K+積累的影響，對耐鹽性不同的2 個黃秋葵品種進行海水處理，并施以不同濃度的海藻糖，測定Na+、K+含量。結果由圖4 所示，在對照條件下，耐鹽品種無角香蕉和鹽敏感品種非洲秋葵的地上部Na+含量（b，后同）分別為0.41 和0.43 mmol·g-1，根Na+含量分別為0.55 和0.44 mmol·g-1，處于含量較低的水平。海水脅迫未施用海藻糖條件下，2 個品種的地上部和根Na+含量均大幅增加，差異顯著，表明海水脅迫會促進黃秋葵Na+的積累，而在根中的積累要明顯多于地上部。與對照相比，2 個品種的地上部Na+含量分別增加了129.59%和167.27%，根Na+含量分別增加了250.51%和344.75%，無角香蕉比非洲秋葵增加的少，說明無角香蕉在海水脅迫下可以積累相對較少的Na+。隨著外源施用海藻糖濃度的升高，無角香蕉地上部Na+含量呈先升高后降低的趨勢，根Na+含量呈先降低后升高的趨勢；而非洲秋葵的變化趨勢與此相反。其中海藻糖濃度 為20 mmol·L-1時，無角香蕉的地上部Na+含量最 低，與0 mmol ·L-1時 差 異 顯 著；海 藻 糖 濃度為15 mmol·L-1時，非洲秋葵的地上部Na+含量最低，與0 mmol·L-1時差異顯著；2 個品種的根Na+含量均在海藻糖濃度為15 mmol·L-1時最低，且均與0 mmol·L-1時差異顯著。

圖4 不同濃度海藻糖對海水脅迫下黃秋葵地上部和根Na+含量的影響Fig.4 Effect of different concentration of trehalose on Na+content of aerial part and root of okra under seawater stress

在對照條件下，耐鹽品種無角香蕉和鹽敏感品種非洲秋葵的地上部K+含量分別為0.21 mmol·g-1和0.22 mmol·g-1，根K+含量分別為0.25 mmol·g-1和0.28 mmol·g-1，相差不多（圖5）。海水脅迫未施用海藻糖條件下，2 個品種的地上部和根K+含量均顯著降低，表明海水脅迫會抑制黃秋葵K+的積累。2 個品種地上部K+含量分別降低了36.66%和43.75%，根K+含量分別降低了39.29%和48.65%，無角香蕉比非洲秋葵降低的少，說明無角香蕉在海水脅迫下可以積累相對較多的K+。隨著外源施用海藻糖濃度的升高，2 個品種的地上部K+含量和非洲秋葵的根K+含量均呈先升高后降低的趨勢，無角香蕉的根K+含量呈逐漸升高的趨勢。除無角香蕉在0 mmol·L-1和20 mmol·L-1海藻糖濃度下根K+含量差異顯著外，2 個品種在施用各濃度海藻糖后的地上部K+含量、根K+含量差異均不顯著，說明外源海藻糖對提高海水脅迫下黃秋葵K+的積累能力有限。其中海藻糖濃度為15 mmol·L-1時的地上部K+含量積累最多；濃度為20 mmol·L-1時，無角香蕉的根K+含量最高；濃度為15 mmol·L-1時，非洲秋葵的根K+含量最高。

圖5 不同濃度海藻糖對海水脅迫下黃秋葵地上部和根K+含量的影響Fig.5 Effect of different concentration of trehalose on K+content of aerial part and root of okra under seawater stress

在對照條件下，耐鹽品種無角香蕉和鹽敏感品種非洲秋葵的地上部Na+/K+分別為1.90 和1.98，根Na+/K+分別為2.22 和1.63（圖6）。海水脅迫未施用海藻糖條件下，2 個品種的地上部和根Na+/K+均比對照顯著增加，地上部Na+/K+分別增加了280.26%和379.78%，根Na+/K+分別增加了486.35%和748.57%，根的增加幅度大于地上部；無角香蕉比非洲秋葵增加的少，說明無角香蕉在海水脅迫下的Na+/K+較低，具有較高的耐鹽性。外源施用海藻糖可降低黃秋葵的Na+/K+，隨著施用濃度的升高，2 個品種的地上部和根Na+/K+均呈先降低后升高的趨勢。其中海藻糖濃度為15 mmol·L-1時，地上部和根Na+/K+最低，2 個品種與0 mmol·L-1時差異全部達顯著水平，處理效果最好。

圖6 不同濃度海藻糖對海水脅迫下黃秋葵地上部和根Na+/K+的影響Fig.6 Effect of different concentration of trehalose on Na+/K+of aerial part and root of okra under seawater stress

2.3 外源海藻糖對海水脅迫下黃秋葵內源海藻糖含量的影響

不同濃度海藻糖對海水脅迫下黃秋葵內源海藻糖含量的影響如圖7 所示，在對照條件下，耐鹽品種無角香蕉和鹽敏感品種非洲秋葵的地上部海藻糖含量（w，后同）分別為51.97 和48.41 μg·g-1，根海藻糖含量分別為36.12 和31.66 μg·g-1，無角香蕉的海藻糖含量高于非洲秋葵。海水脅迫未施用海藻糖條件下，2 個品種的海藻糖含量均有所增加。地上部海藻糖含量分別增加了11.72%和9.38%，差異分別為不顯著和顯著；根海藻糖含量分別增加了11.83%和4.90%，差異均不顯著，表明海水脅迫會使黃秋葵的內源海藻糖含量增加，且無角香蕉的增加幅度大于非洲秋葵。

圖7 不同濃度海藻糖對海水脅迫下黃秋葵地上部和根海藻糖含量的影響Fig.7 Effect of different concentration of trehalose on trehalose content of aerial part and root of okra under seawater stress

隨著外源施用海藻糖濃度的升高，無角香蕉和非洲秋葵的地上部海藻糖含量和對照相比均有所增加，但變化幅度較小，各處理之間差異全部不顯著；其中海藻糖濃度為20 mmol·L-1時的地上部海藻糖含量最高。無角香蕉的根海藻糖含量呈先降低后升高的趨勢，非洲秋葵的根海藻糖含量呈先升高后降低再升高的趨勢，差異仍然全部不顯著；其中海藻糖濃度為20 mmol·L-1時，無角香蕉的根海藻糖含量最高；海藻糖濃度為5 mmol·L-1時，非洲秋葵的根海藻糖含量最高。以上結果反映出，鹽脅迫下外源施用海藻糖對黃秋葵內源海藻糖含量影響不顯著。

3 討論與結論

鹽分是抑制植物生長的重要非生物因素，生長情況和生物量是植物抗鹽性最直接的指標。曾繼娟等[17]研究發現，隨著NaCl 濃度的不斷增加，匈牙利能源植物SZARVASI-1 的苗高、根長呈先升高后降低的趨勢，同時其地上部生物量、地下部生物量和總生物量也隨著鹽濃度的上升呈先增加后減少的趨勢。植物體內Na+和K+含量在鹽脅迫后通常會發生較大的變化。韓冰等[18]研究表明，Na+作為海馬齒的營養元素在一定濃度范圍內可以促進植株生長，但其濃度過高時則影響K+的吸收并產生一定的毒害作用。本研究對黃秋葵幼苗進行海水脅迫處理，與對照相比，無角香蕉和非洲秋葵2 個品種的苗高、地上部和根鮮質量、干質量在處理后顯著降低，K+含量顯著減少；Na+含量、Na+/K+和海藻糖含量顯著增高。海水處理后影響最大的兩個性狀分別是Na+含量和Na+/K+，2 個品種地上部Na+含量分別增加了129.59%和167.27%，根Na+含量分別增加了250.51%和344.75%。在K+含量減少的情況下，導致地上部Na+/K+分別增加了280.26%和379.78% ，根Na+/K+分 別 增 加 了486.35% 和748.57%。可見，海水脅迫可以導致黃秋葵體內積累大量的Na+，同時使Na+和K+的比例失調。這與前人研究的結果一致。

國內外對植物耐鹽性的研究多是以單鹽（如NaCl）或雙鹽（如NaCl 和Na2CO3、NaCl 和NaHCO3）模擬鹽脅迫，直接用海水處理的研究較少[1]。濱海鹽土的最大特點是土壤和地下水的鹽分組成與海水基本一致[19]，因而，采用單鹽處理往往與實際鹽環境有一定的差距。修妤等[20]以黑小麥為材料，發現濃度為5%、10%、20%的海水對種子萌發有輕微促進作用，30%、40%的海水處理可使種子發芽率、發芽勢和發芽指數明顯下降。李洪燕等[21]采用濃度為10%、20%、30%、40%、50%的海水對苦荬菜幼苗進行處理，結果表明，在10%和20%海水濃度處理下，葉綠素含量、根干質量與對照相比差異不顯著。唐寧等[22]以不同濃度海水處理黃秋葵幼苗，結果顯示，5%～20%濃度海水可使黃秋葵保持較高的葉綠素含量和凈光合速率，抗氧化系統保護酶、可溶性糖和脯氨酸含量也相應提高。筆者的研究采用50%濃度的海水處理黃秋葵幼苗，屬于中等程度的鹽脅迫水平，在短時間內不會對黃秋葵幼苗造成很大的傷害。與對照相比，海水脅迫后在未施用海藻糖的情況下，2 個品種各性狀的變幅范圍為4.90%～748.57%。可見，50%濃度海水對黃秋葵幼苗各性狀產生了不同程度的影響，且可以對耐鹽和鹽敏感品種均產生較大的脅迫效果，各性狀又在品種間產生了明顯的差異，是針對黃秋葵苗期進行海水脅迫試驗的一個理想濃度。

筆者的研究設置5 個不同濃度的外源海藻糖溶液進行噴施，以研究外源海藻糖對海水脅迫下黃秋葵耐鹽性的影響。結果表明，隨著外源海藻糖濃度的升高，2 個品種的大部分性狀值均呈先升高后降低的趨勢，說明海藻糖可以恢復鹽脅迫下黃秋葵的部分性狀指標值。高濃度的海藻糖（20 mmol·L-1）并不利于大部分性狀指標值的恢復，而15 mmol·L-1是最適宜的施用濃度。以往研究外源海藻糖對植物耐鹽性的影響大都篩選出了最適海藻糖濃度，如玉米幼苗鹽脅迫的最佳海藻糖施用濃度為10 mmol·L-1[23]，甘草幼苗鹽脅迫的最佳海藻糖施用濃度為15 mmol·L-1[6]，黃瓜幼苗鹽脅迫的最佳海藻糖施用濃度為10 mmol·L-1[24]，2 mmol·L-1海藻糖處理對提升小麥品種揚麥19 幼苗在鹽脅迫下的各項指標效果最明顯[25]，NaHCO3脅迫下施用20 mmol·L-1海藻糖可使南蛇藤幾種與抗逆性有關的生理生化指標含量明顯提高[26]，而30 mmol·L-1的外源海藻糖可有效減輕鹽脅迫對草莓植株的抑制效應[7]。可見，不同研究得出的最佳海藻糖濃度并不一致，從2 mmol·L-1到30 mmol·L-1，濃 度 跨 度 較大。本研究中的15 mmol·L-1最佳海藻糖施用濃度與以上一些研究結果并不一致，這可能與不同植物、不同的鹽處理濃度有關，也可能是海藻糖施用方式的不同，如海藻糖溶液浸種、鹽處理前海藻糖預處理、鹽溶液中加入海藻糖、鹽處理后海藻糖噴施等。在植物中，海藻糖參與調控植物應對多種脅迫的應答[27]。然而一些研究認為，海藻糖在保護植物中可能不起主導作用，而是誘導特定信號的轉導，起到調控內源性海藻糖生物合成途徑的作用[4]。有研究表明，過表達內源海藻糖合成酶基因可以提高植物的抗旱性，但內源海藻糖含量并沒有明顯提高。因此，在轉基因植物中積累的內源海藻糖不太可能作為滲透保護劑發揮作用[28-29]。在外源海藻糖研究方面，對鹽脅迫下的草莓施用外源海藻糖只提高了脯氨酸含量，而內源海藻糖含量并沒有提高[7]，這與本研究結果一致。但仍有研究顯示外源海藻糖可以提高植物內源海藻糖的含量[30-31]，說明不同植物、不同生長發育時期、不同逆境處理以及不同海藻糖施用方法和用量均可能導致內源海藻糖在植物體內變化規律的不同。

綜上所述，50%濃度的海水脅迫下，黃秋葵幼苗的苗高、鮮質量和干質量顯著降低，K+含量顯著減少，Na+含量、Na+/K+顯著增加，耐鹽品種無角香蕉中各項指標的變化幅度明顯小于鹽敏感品種非洲秋葵。外源噴施15 mmol·L-1的海藻糖溶液可以顯著提高黃秋葵幼苗在海水脅迫下的生物量和K+含量，降低Na+含量和Na+/K+。外源海藻糖不能顯著提高海水脅迫下黃秋葵幼苗的內源海藻糖含量。