NaCl脅迫對不同小麥品種幼苗抗氧化特性的影響

孫芹，徐學欣，鄧肖，劉帥，賈靖，孟繁港，郝天佳，趙長星

(青島農業大學農學院/山東省旱作農業技術重點實驗室，山東青島 266109)

土壤鹽堿化是世界范圍內影響植物生長和降低作物生產力的重要因素之一，在全球范圍內鹽堿地面積有繼續擴張趨勢[1]。全世界超過8億hm2的農業用地遭受鹽脅迫的危害，我國鹽堿化土壤面積有0.99億hm2[2]。小麥是我國重要的糧食作物，也是鹽堿地種植的主要作物之一[3]，鹽脅迫通過減少小麥水分吸收影響小麥生長導致產量降低[4]，因此篩選具有抗鹽能力的小麥品種，對于保證糧食可持續生產和糧食安全具有重要意義。鹽脅迫下，植物主要通過離子穩態、氣孔調節、滲透調節、激素平衡和抗氧化防御系統等來抵御鹽分對植物的傷害[5-6]。光合色素是光合作用中的重要組成部分，鹽脅迫影響葉綠素含量以及光能的吸收和轉換，從而抑制植物的光合作用，降低光合同化物積累，甚至會導致減產[7]。另外，為避免鹽脅迫下活性氧過量積累，植物形成了一套去除、中和及捕獲活性氧的防御機制，這種防御機制由抗氧化酶和非酶抗氧化劑組成[8]。清除活性氧最主要的抗氧化酶包括超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)等[9]。前人在花生、玉米和蘿卜等研究中均表明，鹽脅迫下耐鹽性品種會增強抗氧化酶的活性以降低鹽傷害[10]。鹽脅迫下，植物體通過增加酚類和黃酮類等非酶物質含量來降低活性氧水平[11]。盡管小麥耐鹽性已取得一些進展，但對于不同小麥品種間抗氧化特性差異的相關研究還較少。本研究以前期篩選出的4個不同耐鹽性小麥品種為材料，研究不同NaCl濃度下小麥生長發育、光合色素、抗氧化酶活性、總酚和總黃酮含量的變化及差異，明確鹽脅迫下不同小麥品種抗氧化特性及耐鹽性相關機制，為小麥耐鹽品種的篩選提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為4個冬小麥品種(分別是‘冀麥32’‘泰農18’‘德抗961’‘師欒02-1’)。試驗于2019年9月至2020年3月在青島農業大學科研溫室進行。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計

將均勻飽滿的小麥種子用體積分數3% H2O2消毒15 min，再用蒸餾水沖洗3次，放置于培養皿中。在光照培養箱中培養6 d后，選取長勢一致的幼苗移植于裝有霍格蘭氏(Hoagland)全營養液的塑料方盒中培養。材料培養在精控科研溫室中，相對濕度65%、光照周期為13 h/11 h(白天/夜晚)，白天溫度為25 ℃，光量子通量密度為400 μmol·s-1·m-2，夜晚溫度為12 °C。待小麥生長至三葉一心，對其進行NaCl濃度為0(對照)、100、200 mmol·L-1(用霍格蘭氏營養液配置NaCl溶液)的鹽脅迫處理，每個處理6次重復，試驗期間每3 d換一次處理液，脅迫7 d后進行指標測定。

1.2.2 生長指標的測定

于幼苗鹽脅迫處理后第7天，分別取幼苗莖葉部和根部，置于烘箱105 ℃下殺青30 min后，80 ℃烘干至恒重，稱量各部位干質量。

1.2.3 葉綠素含量的測定

稱取0.1 g小麥幼苗新展開葉，用無水乙醇和丙酮(體積比為1∶1)混合溶液25 mL浸泡，避光浸提24 h。然后用分光光度計(Ultrospec 7000，美國GE)分別在波長647 nm和663 nm下測定吸光度值，參照Lichtenthaler等[12]的方法計算葉綠素a含量、葉綠素b含量、總葉綠素含量和葉綠素a/b值。

1.2.4 抗氧化酶活性的測定

參照王愛國等[13]的方法測定SOD活性；采用愈創木酚法測定POD活性[14]；參照李忠光等[15]的方法測定CAT活性。

1.2.5 總酚和總黃酮含量的測定

總酚和總黃酮含量測定采用蘇州格銳思生物科技有限公司的試劑盒，稱取0.1 g小麥幼苗新展開葉，研磨均質加入1.5 mL的體積分數60%乙醇，60 ℃振蕩提取2 h，25 ℃ 12 000 r·min-1離心10 min，取上清，用60%乙醇定容至1.5 mL。取200 μL樣本，依次加入試劑混勻，靜置15 min，波長510 nm下測定吸光度值OD510；取40 μL樣本，依次加入試劑，混勻，靜置30 min，波長760 nm下測定吸光度值OD760。根據下列公式計算含量：

總酚含量(mg·g-1)=0.146 4×(OD760+0.002 5)×1.5/0.1；

總黃酮含量(mg·g-1)=0.4×(OD510+0.000 1)×1.5/0.1。

1.3 數據處理與分析

采用Excel 2007進行數據整理；采用SPSS 22.0軟件對數據進行方差分析；使用ORIGIN Pro9軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同濃度NaCl處理對小麥幼苗生長的影響

如圖1所示，隨著NaCl濃度的增加，各品種小麥的株高、根長、葉干質量和根干質量均呈下降趨勢，品種間下降幅度不同。兩個NaCl濃度處理下，‘泰農18’的株高下降幅度均最小(2.1%和6.8%)，‘師欒02-1’下降幅度均最大(15%和17%)，且同一處理濃度不同品種之間株高有差異，‘德抗961’顯著高于‘泰農18’和‘師欒02-1’(圖1A)。在200 mmol·L-1NaCl處理下，‘德抗961’的根長下降幅度最小(20.7%)，‘師欒02-1’的下降幅度最大(31.1%)，同一處理濃度不同品種之間根長有差異，‘德抗961’顯著高于‘冀麥32’和‘師欒02-1’(圖1B)。兩個NaCl濃度處理下，‘冀麥32’的葉干質量和根干質量下降幅度最小，‘師欒02-1’的下降幅度最大，且‘冀麥32’和‘德抗961’的葉干質量顯著高于‘泰農18’和‘師欒02-1’，‘德抗961’的根干質量顯著高于‘冀麥32’和‘師欒02-1’(圖1C和圖1D)。

圖1 不同濃度NaCl處理下小麥苗期生長指標變化

2.2 不同濃度NaCl處理對小麥幼苗葉綠素含量的影響

如圖2所示，隨著NaCl濃度的增加，各品種小麥的葉綠素a和總葉綠素含量均呈下降趨勢。NaCl處理下‘冀麥32’的葉綠素a和總葉綠素含量顯著高于‘泰農18’和‘師欒02-1’，與對照相比，‘冀麥32’下降幅度均最小，‘師欒02-1’下降幅度均最大(圖2A和2C)。除‘泰農18’的葉綠素b含量先下降后略升高，其他品種的葉綠素b含量均呈下降趨勢，而各品種的葉綠素a/b變化趨勢不明顯。NaCl處理下‘冀麥32’的葉綠素b含量顯著高于‘師欒02-1’，且與對照相比，‘冀麥32’下降幅度最小，‘師欒02-1’下降幅度最大(圖2B)。200 mmol·L-1NaCl處理下‘師欒02-1’的葉綠素a/b顯著高于‘泰農18’，其他處理下各品種無顯著差異(圖2D)。

圖2 不同濃度NaCl處理下小麥幼苗葉綠素含量變化

2.3 不同濃度NaCl處理對小麥幼苗抗氧化酶活性的影響

如圖3所示，隨著NaCl濃度的增加，各品種小麥的SOD和CAT活性均呈上升趨勢，POD活性隨鹽濃度的增加呈先上升后下降趨勢，品種間變化幅度不同。NaCl處理下，‘冀麥32’的SOD活性顯著高于其他品種，‘冀麥32’和‘德抗961’的CAT活性與‘泰農18’相比差異不顯著，但顯著高于‘師欒02-1’，‘冀麥32’的SOD和CAT活性上升幅度均最大，‘師欒02-1’上升幅度均最小(圖3A和圖3B)。NaCl處理下‘冀麥32’的POD活性與‘德抗961’差異不顯著，顯著高于‘師欒02-1’和‘泰農18’；與對照相比，在100 mmol·L-1NaCl處理下，‘冀麥32’的POD活性上升幅度最大(181.6%)，在200 mmol·L-1NaCl處理下，‘德抗961’的POD活性上升幅度最大(133.7%)，NaCl處理下‘師欒02-1’的POD活性上升幅度均最小(142%和68.5%)(圖3C)。

2.4 不同濃度NaCl處理對小麥幼苗總酚和總黃酮含量的影響

如圖4所示，隨著NaCl濃度的增加，各品種小麥的總酚和總黃酮含量均呈上升趨勢，品種間上升幅度不同。對照組中，各品種總酚和總黃酮含量無顯著差異，NaCl處理下，‘冀麥32’和‘德抗961’的總酚和總黃酮含量顯著高于‘師欒02-1’。與對照相比，NaCl處理下，‘冀麥32’的總酚和總黃酮含量上升幅度均最大，在100 mmol·L-1NaCl處理下分別上升41.9%和32.2%，在200 mmol·L-1NaCl處理下分別上升76.6%和58.6%，‘師欒02-1’的總酚和總黃酮含量上升幅度均最小(圖4A和圖4B)。

圖3 不同濃度NaCl處理下小麥幼苗抗氧化酶活性變化

圖4 不同濃度NaCl處理下小麥幼苗總酚和總黃酮含量變化

3 討論與結論

鹽逆境能引起植物的滲透、氧化等脅迫反應，并抑制植物的生長[16]。根長、株高、鮮質量和干質量等指標可以反映植物生長狀況[17]。本研究表明，鹽脅迫抑制幼苗的生長，導致小麥的株高、根長、根葉干質量下降，不同品種間下降幅度不同，與翁亞偉等[18]研究一致。

植物光合色素在光合過程中起著捕獲光能、吸收光能的重要作用[19]。本研究中在NaCl脅迫下，各小麥品種的葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素含量呈下降趨勢，說明鹽脅迫下小麥通過減少光吸收從而減少葉綠體產生的活性氧(ROS)量來避免氧化應激[20]。Hamada等[21]研究表明，鹽脅迫導致葉綠素a、葉綠素b含量減少的程度取決于植物的耐鹽性。本試驗中，‘冀麥32’和‘德抗961’的葉綠素a、葉綠素b含量比‘泰農18’和‘師欒02-1’下降程度小，說明‘冀麥32’和‘德抗961’在光合方面比其他兩個品種具有更強的耐鹽能力。

研究表明鹽脅迫下ROS的積累使脂質過氧化，導致細胞膜損傷[22]。植物體內的抗氧化酶如SOD、CAT和POD等能夠通過清除ROS來減輕鹽脅迫下的氧化損傷，維持細胞膜的相對完整性和有序性，保持細胞代謝平衡[23]。前人對鹽脅迫下小麥幼苗抗氧化酶活性的影響進行了研究，但結果不盡一致。Chen等[24]研究表明，在鹽脅迫下SOD、CAT和POD等抗氧化酶的活性增強；也有研究表明SOD、CAT和POD活性隨著鹽濃度增加先上升后下降[25]。趙遠偉等[26]認為耐鹽性強的品種通過提高SOD、POD等酶活性來適應逆境。本研究中各品種SOD和CAT活性隨著鹽濃度增加而增強，POD活性隨著鹽濃度增加先上升后下降，鹽脅迫下‘冀麥32’和‘德抗961’的SOD、CAT和POD活性始終高于其他2個品種，說明‘冀麥32’和‘德抗961’鹽脅迫下能保持較高的抗氧化酶活性，提高清除ROS的能力，耐鹽性較強。酚類和黃酮類化合物等抗氧化劑代表了次級活性氧清除系統，在植物處于鹽脅迫或干旱逆境條件下發揮重要作用[27]。前人研究表明逆境脅迫誘導植物葉片中大量酚類和黃酮類的合成[28]，耐鹽品種能夠合成更多的酚類和黃酮類來清除過多的ROS，以維持細胞的正常代謝[29]。本研究中，隨著鹽濃度的升高，不同小麥品種的總酚和總黃酮含量也隨之升高，且‘冀麥32’和‘德抗961’的總酚和總黃酮含量高于‘泰農18’和‘師欒02-1’，表明‘冀麥32’和‘德抗961’能夠通過合成更多的酚類和黃酮類來應對鹽脅迫，這與Ma等[28]研究結果相似。

本研究中，‘冀麥32’和‘德抗961’相對于‘泰農18’和‘師欒02-1’有更強的耐鹽性，可能是因為鹽脅迫下能夠具有較高的光合色素含量，較強的抗氧化酶活性，能夠積累更多的酚類和黃酮類來降低氧化脅迫的影響，有利于逆境條件下小麥的生長發育及物質積累。