伽師瓜幼苗響應鹽脅迫的生理特性及耐鹽性評價

謝志明，宋 剛，馬劉峰，陳 蕓，方志剛

（1.喀什大學生命與地理科學學院 新疆喀什 844006； 2.新疆帕米爾高原生物資源與生態重點實驗室新疆喀什 844006； 3.江蘇農林職業技術學院茶與食品科技學院 江蘇句容 212400）

鹽脅迫是一種典型的非生物脅迫，一般而言，土壤中鹽含量高于0.3% 會嚴重抑制植株生長，降低作物產量和品質。土壤中鹽分來源除自身因素外，全球氣候變化、不合理灌溉及施肥，也導致土壤鹽漬化加劇[1]。目前，我國土壤鹽漬化總面積達3.69×107hm2，主要分布在東北、西北、華北及濱海地區，合理利用鹽漬化土地迫在眉睫，其中篩選和培育耐鹽的作物品種是鹽漬化土地開發利用的有效方式[2]。

幼苗期是植株對鹽脅迫十分敏感的階段，根系首先與土壤中的Na+接觸，當鹽分達到一定含量時，會導致土壤水勢下降，影響水分代謝、滲透調節、離子吸收等生理過程，使根系吸收水分及礦質元素的能力降低，引發植株產生氧化脅迫[3-4]。高鹽脅迫下，植物體內會積累大量的Na+，擾亂質膜上離子通道功能，影響K+、Ca2+及Mg2+等無機離子的吸收[5]。植物在一定條件下可啟動抗氧化酶系統、離子選擇性吸收及Na+外排等機制來應對鹽脅迫帶來的傷害[6-7]。此外，液泡膜Na+/H+逆向轉運蛋白基因CmN‐HX1在根中高表達，具有將Na+轉運至液泡的功能，可以抵御鹽脅迫帶來的傷害[8]。

研究表明，不同作物品種耐鹽性存在較大差異。耐鹽型的燕麥品種，葉片中Na+含量較低，K+含量較高，使葉片中K+/Na+比值下降幅度較小[9]。也有研究表明，較耐鹽的植物可能會將較多的Na+區隔在液泡中，應對鹽脅迫所帶來的傷害[10]。鹽脅迫會導致甜瓜葉片的光合速率下降，降低光合作用，影響果實發育[11]。甜瓜在鹽脅迫下，葉片O2-產生速率及H2O2含量急劇上升，導致細胞膜受損[12]。有研究表明，甜瓜品種繁多，耐鹽性存在較大差異，而厚皮甜瓜的耐鹽性相對較強[13]。伽師瓜屬厚皮甜瓜的一種，是中國地理標志產品，果肉風味獨特，耐貯運，廣受市場好評。伽師瓜主栽區在新疆喀什地區的伽師、疏勒、麥蓋提等縣的16 個鄉鎮，該地區受到土壤鹽漬化的危害，影響其種植面積進一步擴大。盡管在甜瓜耐鹽性研究方面前人已經做了較多工作，但針對伽師瓜響應鹽脅迫的生理特性及耐鹽性評價卻鮮有報道?；诖?，筆者利用前期篩選的100 mmol·L-1NaCl 開展盆缽模擬鹽脅迫試驗，進一步探究鹽脅迫對不同伽師瓜幼苗生理特性的影響，并評價伽師瓜的耐鹽性，為伽師瓜耐鹽性生理機制解析及品種選育提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

選擇本地區主栽的常規伽師瓜、雜交伽師瓜和綠肉伽師瓜作為試驗材料，其中常規伽師瓜和雜交伽師瓜由新疆西域種業股份有限公司培育，綠肉伽師瓜由新疆吉豐種業有限公司培育，種子均購置于喀什農博城。各品種主要性狀見表1。

表1 伽師瓜品種主要性狀Table 1 Main traits of different Jiashi melon

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 試驗于2022 年3—6 月在喀什大學植物逆境生物學研究室進行。選取籽粒飽滿、大小均勻的伽師瓜種子，用5% 次氯酸鈉消毒5 min，去離子水洗滌3 次，25°C 避光浸泡12 h，播于裝有基質營養土的塑料花盆中（底部直徑16 cm，高18 cm），每盆播種8 粒種子。當幼苗子葉展平后，每盆留苗4 株。在幼苗第2 片真葉展平時，用Hoa‐gland’s 營養液澆灌一次。待長至3 葉1 心時，用100 mmol·L-1NaCl 模 擬 鹽 脅 迫，對 照（CK）使 用去離子水澆灌，試驗采用完全隨機區組設計，各處理均4 次重復，共24 盆。植物材料培養期間，保持晝夜溫度30 ℃/25 ℃，濕度為40%～45%，光照度為350 μmol·m-2·s-1，光周期12 h（L）/12 h（D）。處理7 d 后，選取生長部位相同的葉片，用于指標測定，各樣本處理均重復測定3 次。

1.2.2 測定指標與方法 鹽脅迫7 d 后，記錄株高和莖粗及鮮質量，于105 °C 殺青15 min，80 °C 烘干至恒質量，記錄地上部干質量。另從基質土中取整株幼苗，洗凈后，分別取根、莖、葉烘干至恒質量后用于Na+、K+含量的測定。葉面積采用紙樣稱質量法測定，計算公式：葉面積/cm2=m2×21×29.7/m1（其中m1為紙張質量，m2為剪下葉片的紙張質量）[14]。

Na+、K+含量（w，后同）采用原子吸收光譜法測定[15]；超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）和抗壞血酸過氧化物酶（APX）活性的測定方法參照南京建成試劑盒說明書；丙二醛（MDA）含量（b，后同）測定采用硫代巴比妥酸法，脯氨酸（Pro）含量（w，后同）采用磺基水楊酸法，可溶性蛋白（SP）含量（w）采用考馬斯亮藍G250 染色法測定，過氧化物酶活性（POD）采用愈創木酚法測定[16]；細胞膜相對透性采用DDS-307 電導率儀測定，計算公式：相對膜透性=R1/R2×100%（其中R1 為初始電導率，R2 為沸水浴加熱10 min 后的電導率）；光合色素含量（w，后同）采用95% 乙醇浸提法測定[9]，過氧化氫（H2O2）含量（b，后同）用硫酸鈦法測定[17]。

為明確不同伽師瓜品種的耐鹽性差異，采用隸屬函數法及主成分分析法進行綜合評價。參考劉炳響等[18]的方法進行主成分分析，公式如下：

式（1）中：Ai代表某一指標的特征向量（指標系數），λ 代表特征值，Bi代表各指標的載荷矩陣。

式（2）中：Fj代表某一品種的綜合得分值，αi代表某一品種中各指標的標準值。

式（3）中：Xj代表某一品種的綜合指標得分值，Xmax代表某一品種綜合指標得分值中的最大值，Xmin代表某一品種綜合指標得分值的最小值。

式（4）中：Wi表示第i個主成分在所有成分中的重要程度即綜合指標權重，Pi為各品種第i個主成分的貢獻率

式（5）中：D值代表不同品種間綜合指標評價值，D值越大，耐鹽性越強。

1.3 數據分析

采用Microsoft Excel 2016 整理數據及繪圖，利用SPSS 20.0 對數據進行單因素方差分析、Duncan’s多重比對法分析以及主成分分析。

2 結果與分析

2.1 鹽脅迫對伽師瓜幼苗生長及生理指標的影響

2.1.1 鹽脅迫對伽師瓜幼苗生長的影響 由表2可以看出，常規伽師瓜、雜交伽師瓜及綠肉伽師瓜的株高、莖粗、葉面積及地上部鮮質量，在鹽脅迫處理前無顯著差異。

表2 不同伽師瓜鹽脅迫處理前的主要農藝性狀Table 2 Main agronomic traits of different Jiashi melon before salt stress

與CK 相比，100 mmol·L-1NaCl 脅迫均顯著降低常規伽師瓜、雜交伽師瓜及綠肉伽師瓜幼苗的株高及地上部鮮質量（圖1-A、1-D），株高分別降低17.40%、18.99%、28.12%，地上部鮮質量分別降低38.62%、41.95%、57.37%。鹽脅迫導致常規伽師瓜和綠肉伽師瓜莖粗顯著降低10.92% 和15.53%（圖1-B）；僅綠肉伽師瓜葉面積在鹽脅迫下顯著降低19.68%（圖1-C）。鹽脅迫下，不同伽師瓜品種地上部干質量與其CK 相比均無顯著差異（圖1-E）。上述結果表明，100 mmol·L-1鹽脅迫能抑制伽師瓜幼苗生長，尤以綠肉伽師瓜最為突出。

圖1 鹽脅迫對伽師瓜幼苗生長的影響Fig.1 Effects of salt stress on growth of Jiashi melon seedlings

2.1.2 鹽脅迫對伽師瓜葉片抗氧化酶活性的影響從圖2 可以看出，與CK 相比，100 mmol·L-1NaCl 脅迫未顯著影響伽師瓜葉片SOD 活性；雜交伽師瓜POD 活性顯著下降45.41%，CAT 活性顯著升高8.59%，APX 活性顯著升高167.85%。這表明鹽脅迫下不同伽師瓜品種葉片的抗氧化酶活性表現出較大差異。

圖2 鹽脅迫對伽師瓜幼苗抗氧化酶活性的影響Fig.2 Effects of salt stress on antioxidant enzyme activities of Jiashi melon seedlings

2.1.3 鹽脅迫對伽師瓜葉片滲透調節物質的影響圖3 表明，100 mmol·L-1NaCl 處理使常規伽師瓜葉片脯氨酸含量較CK 顯著升高172.89%；綠肉伽師瓜葉片中可溶性蛋白含量顯著升高26.78%，其余2個品種無顯著變化。

圖3 鹽脅迫對伽師瓜幼苗滲透調節物質含量的影響Fig.3 Effects of salt stress on osmotic adjustment substances content of Jiashi melon seedlings

2.1.4 鹽脅迫對伽師瓜葉片過氧化氫含量、丙二醛含量及相對膜透性的影響 由圖4 可知，和CK相比，100 mmol·L-1NaCl 處理顯著提高了常規伽師瓜、雜交伽師瓜及綠肉伽師瓜葉片相對膜透性和H2O2含量，葉片相對膜透性分別提高10.61%、15.20%、42.13%，H2O2含 量 分 別 提 高 15.25%、35.22%、21.28%；鹽脅迫使綠肉伽師瓜葉片MDA含量顯著升高57.07%，其余2 個品種無顯著變化。

圖4 鹽脅迫對伽師瓜葉片膜相對透性、過氧化氫和丙二醛含量的影響Fig.4 Effects of salt stress on relative permeability of cell membrane,H2O2 and MDA content of Jiashi melon leaf

2.1.5 鹽脅迫對伽師瓜幼苗光合色素含量的影響由圖5 可知，100 mmol·L-1NaCl 能夠影響伽師瓜葉片光合色素含量。與CK 相比，鹽脅迫處理使綠肉伽師瓜葉綠素a、葉綠素b 及總葉綠素含量顯著下降，分別降低33.03%、48.00%、35.82%；常規伽師瓜、雜交伽師瓜及綠肉伽師瓜葉片中類胡蘿卜素含量分別顯著下降20.00%、21.74%、28.57%。

圖5 鹽脅迫對伽師瓜幼苗光合色素含量的影響Fig.5 Effects of salt stress on photosynthetic pigment content of Jiashi melon seedlings

2.1.6 鹽脅迫對伽師瓜根系活力的影響 由圖6可知，100 mmol·L-1NaCl 處理能抑制伽師瓜幼苗的根系活力。與CK 相比，常規伽師瓜根系活力無明顯下降，但雜交伽師瓜和綠肉伽師瓜根系活力分別顯著下降50.44% 和73.43%，說明鹽脅迫下不同品種的根系活力存在較大差異。

圖6 鹽脅迫對伽師瓜幼苗根系活力的影響Fig.6 Effects of salt stress on root activity of Jiashi melon seedlings

2.1.7 鹽脅迫對伽師瓜根、莖、葉Na+、K+含量的影響由圖7 可以看出，與CK 相比，100 mmol·L-1NaCl 處理使常規伽師瓜和綠肉伽師瓜葉片中Na+含量顯著升高，分別升高了46.85%和194.05%；3 個品種葉片中K+含量均未發生顯著變化；常規伽師瓜和綠肉伽師瓜葉片中K+/Na+分別顯著降低了29.72% 和68.56%。與CK 相比，鹽脅迫導致綠肉伽師瓜莖中Na+含量顯著升高5.29%；常規伽師瓜、雜交伽師瓜及綠肉伽師瓜莖中K+含量分別顯著下降5.65%、8.79%、13.26%；3 個品種莖中K+/Na+分別顯著降低6.00%、8.65%、16.98%。與CK 相比，雜交伽師瓜在鹽脅迫下根中Na+含量顯著升高43.62%，其余2個品種未發生顯著變化；不同伽師瓜根中K+及K+/Na+在鹽脅迫下也均未發生顯著變化。

圖7 鹽脅迫對伽師瓜幼苗根、莖、葉Na+、K+含量的影響Fig.7 Effects of salt stress on Na+,K+content of root,stem and leave of Jiashi melon seedlings

2.2 伽師瓜耐鹽性綜合評價

2.2.1 主成分分析 對28 個生理指標進行主成分分析，以特征值大于1 為提取標準，最終提取到2 個主成分，特征值分別為21.378 和6.622，貢獻率分別為76.351% 和23.649%，累積貢獻率達100%，說明這2 個主成分涵蓋了伽師瓜耐鹽性的大部分信息（表3）。28 個生理指標的主成分因子載荷矩陣分析表明，第1 主成分主要由株高、地上部鮮質量、葉面積、莖K+/Na+、類胡蘿卜素含量、葉片K+/Na+決定，第2 主成分主要由脯氨酸含量和根系活力決定。上述指標可作為評價伽師瓜耐鹽性的綜合指標。

表3 鹽脅迫下主成分在各指標上的載荷矩陣和特征向量Table 3 Load matrix and eigenvector of principal component in each index under salt stress

2.2.3 不同伽師瓜品種耐鹽性綜合評價 表3 中每個指標的特征向量即為各主成分的指標系數，將單項指標進行z-score 標準化，由式（2）可得各品種的2 個綜合指標值（表4），根據式（3）可計算出每個伽師瓜品種所有綜合指標的隸屬函數值，根據綜合指標貢獻率的大小，利用式（4）計算出2 個綜合指標值的權重，采用式（5）對伽師瓜品種進行耐鹽性綜合評價。根據D 值排序，3 個伽師瓜品種耐鹽能力強弱依次為常規伽師瓜、雜交伽師瓜、綠肉伽師瓜。

表4 鹽脅迫下3 種伽師瓜的隸屬函數值及綜合評價D 值Table 4 Membership function value and D value of comprehensive evaluation of 3 varieties of Jiashi melon under salt stress

3 討 論

3.1 鹽脅迫對伽師瓜生理特性的影響

植物幼苗對鹽脅迫較敏感，基質中鹽分達到一定濃度會抑制植物的生長發育，造成生理代謝紊亂，外部形態表現出葉面積減小、植株矮小等[19-20]。筆者的研究中，3 種伽師瓜株高、莖粗、葉面積、地上部鮮質量及干質量在100 mmol·L-1NaCl 脅迫下均呈下降趨勢，鹽脅迫下苦蕎的株高、莖粗、鮮質量及干質量也表現出同樣的趨勢[21]。這可能與植物在應對鹽脅迫合成滲透調節物質、啟動抗氧化防御系統過程中，蛋白質折疊需要能量耗費及光合產物積累減少有關[22]。

光合產物的積累主要與葉綠體類囊體膜上色素分子的光反應效率及葉綠體基質中碳同化酶活性有關，但鹽脅迫能破壞葉綠體結構，抑制葉綠素合成，使光合速率降低[23]。筆者的試驗中，100 mmol·L-1NaCl 處理使3 種伽師瓜葉綠素和類胡蘿卜素含量減少，在油莎豆響應鹽堿脅迫的試驗研究中也有與筆者研究類似的結果[24]，這可能是由于鹽脅迫損傷葉綠體結構，光合色素合成受阻，并使光合作用碳同化過程中的關鍵酶RUBP 羧化酶活性降低，導致光合產物積累能力下降[25]。有關鹽脅迫下，與伽師瓜葉綠素合成有關的細胞結構及光合作用關鍵酶活性的變化有待進一步驗證。

筆者的研究中，鹽脅迫下常規伽師瓜葉片中積累大量的脯氨酸，熊韜等[26]也發現鹽脅迫下，甜瓜幼苗葉片積累更多的脯氨酸，這可能是因為脯氨酸作為滲透物質，調節細胞內外水勢，保護蛋白質、核酸等大分子物質結構，從而應對鹽脅迫的傷害[27]。植物受到鹽脅迫時，在組織內會積累活性氧自由基如H2O2、O2-及OH-等物質，同時積累膜脂過氧化產物丙二醛，啟動膜脂過氧化，使細胞膜受損，為維持磷脂分子層的良好結構，植物會啟動抗氧化酶系統用于清除活性氧，其中，SOD 可將O2-歧化為H2O2和H2O，CAT、APX 及POD 等可將組織中過量的H2O2轉變成H2O 和O2，維持活性氧的產生與清除的動態平衡，進而緩解鹽脅迫帶來的傷害[28-29]。筆者在研究中發現，100 mmol·L-1NaCl 處理的伽師瓜幼苗，不同品種葉片中SOD 活性未顯著升高，僅雜交伽師瓜葉片CAT 和APX 活性顯著升高，這表明伽師瓜應對鹽脅迫啟動抗氧化防御的效率存在品種差異，可能導致抗氧化酶系統防御失效，造成不可逆的氧化脅迫傷害。類似的結果在水稻品種應對鹽脅迫時也被發現[30]。顏志明等[31]研究發現鹽脅迫降低了甜瓜幼苗根、莖和葉中的K+含量，莖中降低幅度最大，這與筆者研究結果類似。在筆者的試驗條件下，綠肉伽師瓜下降幅度最大，可能是綠肉伽師瓜莖中Na+積累過多，與K+存在競爭關系，影響了K+的吸收[31]。此外，筆者的研究還發現，100 mmol·L-1NaCl處理伽師瓜幼苗根系吸收的Na+被大量轉運到綠肉伽師瓜葉片中，導致葉肉細胞中可能積累過量的Na+，破壞細胞內的離子平衡，也可能誘發氧化脅迫。但也有研究表明，根系吸收的Na+在植物細胞中積累后，除破壞離子平衡外，還能夠引起植物水分代謝失衡，造成滲透脅迫及離子毒害的雙重效應[32]。

3.2 不同伽師瓜品種耐鹽性差異

在100 mmol·L-1NaCl 脅迫處理下，常規伽師瓜、雜交伽師瓜及綠肉伽師瓜苗期的耐鹽性存在一定的差異，可能是不同品種對鹽脅迫做出的響應機制不同[33]。鹽脅迫下，盡管雜交伽師瓜根中Na+含量最高，但葉片中綠肉伽師瓜中積累的Na+含量顯著高于其余2 個品種，這表明綠肉伽師瓜具有高效的Na+轉運效率，其莖中較高的Na+含量可以部分證明。鹽脅迫下，八棱海棠株系和中山杉主要將Na+區隔于根部，減少Na+向莖和葉運輸[32，34]，也有研究表明，黃瓜根系吸收的Na+主要分布于葉和莖中[35]，這表明Na+在植物中的分布存在差異。由于綠肉伽師瓜葉片中積累較多的Na+，可能引起葉肉細胞內離子失衡，并積累較多的MDA 和H2O2，且綠肉伽師瓜葉片抗氧化酶（SOD、POD、APX）活性在鹽脅迫下未發生顯著變化，推測該品種葉片的抗氧化系統已無法起到清除活性氧的作用，說明鹽脅迫對綠肉伽師瓜造成了不可逆傷害。綠肉伽師瓜在受到鹽脅迫下根系活力在3 個品種中最低，相對膜透性最高，葉片及莖中K+/Na+比值降幅最大，植株在外部形態如株高、葉面積、地上部鮮質量降幅最大，說明綠肉伽師瓜對鹽脅迫較為敏感。鹽脅迫下，常規伽師瓜根系活力未顯著下降，經根系吸收的Na+轉運至葉片中的含量顯著低于綠肉伽師瓜，說明常規伽師瓜對Na+的轉運效率較低，部分Na+可能截留在根中，再分配到莖、葉中，進而減輕Na+的毒害作用。此外，常規伽師瓜在鹽脅迫下，脯氨酸含量增幅遠高于雜交伽師瓜和綠肉伽師瓜，說明伽師瓜可能通過積累滲透物質調節水分代謝。鹽脅迫下，雜交伽師瓜葉片較高的CAT 和APX 活性有助于清除組織內積累過量的H2O2，從而減少鹽脅迫引發的氧化脅迫傷害。

3.3 不同伽師瓜品種耐鹽性評價

植物的耐鹽性是復雜的數量性狀，將植物表型與生理生化指標結合起來，評價作物的耐鹽性，具有合理性。然而，不同作物品種的同一指標在鹽脅迫下的變異較大，無法用某項指標來衡量品種間的耐鹽性差異。單一采用隸屬函數法評價植物的耐鹽性，由于分析指標多，可能存在變異大的現象，易導致結果不準確。筆者的研究認為，伽師瓜耐鹽性是綜合性狀的體現，為避免28 個指標間的信息重疊，用主成分分析法將多指標轉換成較少的綜合指標，結合隸屬函數法，可有效確定主要指標在耐鹽脅迫中的貢獻率[36]。應用主成分分析法及隸屬函數法評價水稻和越橘品種的耐鹽性均得到認可[37-38]。李世玉等[12]選用26 份甜瓜材料，測定7 個指標，利用隸屬函數法進行綜合評價甜瓜耐鹽性，篩選出耐鹽及敏感的甜瓜材料，這與筆者研究結果不同，主要是由指標數量和試驗材料存在差異所致。筆者應用主成分分析結合隸屬函數的方法進行綜合分析，提取到2 個主成分，通過載荷矩陣分析，獲得8個指標作為評價伽師瓜的主要指標，并消除各指標之間的相關影響，再用隸屬函數法量化不同伽師瓜品種的耐鹽能力，能夠較為科學合理地評價伽師瓜的耐鹽性。

4 結 論

100 mmol·L-1NaCl 處理使伽師瓜葉片中積累過多MDA 和H2O2，常規伽師瓜通過積累更多的脯氨酸，并維持較高的光合色素含量和根系活力；雜交伽師瓜通過根部積累較多的Na+，葉片啟動抗氧化酶清除活性氧。鹽脅迫下，綠肉伽師瓜葉片中積累Na+和MDA 含量最高，根系活力最低，質膜受到不可逆的傷害，導致株高、葉面積、地上部鮮質量降幅最大。采用主成分分析結合隸屬函數法，量化了不同伽師瓜耐鹽性，結果表明常規伽師瓜為耐鹽品種，綠肉伽師瓜為鹽敏感品種。