鹽脅迫和外源物對人工合成小麥發芽及生長生理影響

胡 文，萬洪深，何 娟，李 俊，楊武云，肖 春，雷建容，楊 晶，楊玉敏，3*

（1.四川省農業科學院農業資源與環境研究所，成都 610066；2.四川省農業科學院作物研究所，成都 610066；3.農業農村部西南地區小麥生物學與遺傳育種重點實驗室，成都 610066）

土壤鹽堿化是土壤中積聚鹽分形成鹽堿土的過程，主要危害是造成土地退化、農作物減產或絕收，影響植被生長并間接造成生態環境惡化[1]。目前，中國的土壤鹽堿化非常嚴重，據第2次全國土壤普查資料顯示，中國鹽堿土面積為3 455.3萬hm2，其中耕地面積為569.4 萬hm2，占到總耕地面積的16.5%[2]，嚴重威脅農作物正常生長和產量。小麥作為我國最重要的口糧，是三大主要糧食作物之一，鹽堿化抑制了小麥的生長發育，降低了小麥的繁殖能力和產量，甚至絕產[3]。同時，鹽脅迫會阻礙小麥對于水分的吸收，降低養分吸收。因此，了解耐鹽遺傳機理是高鹽環境下提高小麥生產力的基礎。

近年來，國內外耐鹽研究聚焦于篩選耐鹽材料及其相關機理研究。篩選耐鹽材料首先要解決耐鹽指標選擇的問題。小麥常用耐鹽參數有生長和生理生化指標。生長指標主要有種子發芽率、幼苗存活率、根長、苗高、苗重、分蘗數和籽粒產量等。萌發期耐鹽參數主要有種子發芽率、發芽指數和活力指數；苗期耐鹽主要比較幼苗存活率、生長量（苗長、根長和苗重）。耐鹽評價有時以田間全生育期的鑒定結果為依據，一般比較鹽脅迫條件下種子發芽率、苗期成活率、株高、生長量以及籽粒產量等指標[4]。愈傷組織生長或小麥胚芽鞘長度可作為耐鹽篩選的有用指標。耐鹽常用的生理生化指標主要有植株地上部分的K+/Na+比、葉綠素含量、葉片細胞膜透性、質膜和液泡膜H+-ATPase 活性、SOD 酶活性、多胺含量、葉片游離脯氨酸含量、羥脯氨酸、糖蛋白中糖分含量、葉和根中甘氨酸甜菜堿含量、氣孔導度、根質膜活性、液泡膜和液泡Na+/H+變化、K+通量測量等。

人工合成小麥遺傳變異豐富，具有豐富的高產、優質、抗病和抗逆基因，對豐富小麥遺傳變異和利用其優異基因具有重要意義。為利用兩長勢差異明顯的人工合成小麥S79 和S80，本研究評價了這2 份材料6 個不同鹽濃度和3 種外源物處理下種子萌發、苗期生長和苗期的生理生化響應。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

材料S79 和S80，由相同硬粒小麥DOY1（2n=28，AABB）與不同節節麥（2n=14，DD）雜交產生。S79 系譜為DOY1/AT333，S80 的為DOY1/AT428，這兩份材料AB 基因組均來自相同供體DOY1，D基因組分別來自不同節節麥AT333 和AT428。材料S79和S80具有相同AB基因組和不同D基因組。

1.2 試驗設計

選籽粒飽滿、大小一致的種子，經2.5%次氯酸消毒15 min，蒸餾水沖洗干凈。（26±1） ℃黑暗條件下設置3 種浸種處理，分別為：①蒸餾水；②0.5%H2O2；③50 mmol/L GA3，浸種20 h催芽。催芽后，選出露白一致的種子，置于鋪好濾紙的發芽盒內，設置濃度為0、0.15%、0.30%、0.45%、0.60%和0.75%的6個NaCl溶液濃度，每個鹽濃度3次重復，每重復100粒種子，放在溫度為（26±1） ℃的培養箱中培養。幼苗長至2 葉1 心時，選擇長勢一致的幼苗測生長指標、生理生化指標，計算鹽害指數。

1.3 測定指標與方法

①生長指標：培養3 d測胚芽鞘長度和發芽勢。培養6 天調查發芽率和發芽指數，以芽長等于種子長度的一半，根長等于種子長度為發芽標準，調查發芽數；培養8 d 調查發芽率，調查根長、根數、根重、苗高、苗重以及生長速率。②生理生化指標：脯氨酸含量、質膜相對透性、α-淀粉酶活性、可溶性糖、可溶性蛋白質和膜脂過氧化酶（SOD、MDA、CAT、POD）。③調查鹽害：根據公式計算鹽/堿害指數/%=(對照發芽率-脅迫下發芽率)/對照發芽率×100。指標檢測參照王康君等[5]的實驗方法。

1.4 數據處理

所有數據采用Microsoft Excel 進行整理，采用SPSS 24.0進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同浸種和不同鹽濃度處理對小麥萌芽的影響

發芽勢決定出苗的整齊度，反映種子生命力強弱。由圖1 數據可看出人工合成小麥S79 和S80 發芽勢隨著鹽濃度的提高發芽勢整體呈現逐漸降低的趨勢，當NaCl 處理濃度為0.60%時S79 和S80 發芽勢均會出現一次增加，再次提升鹽濃度后降低。加入外源物質H2O2和GA3后，6 個鹽處理濃度下均提高了發芽勢，與對照（NaCl濃度為0），鹽濃度處理下外源物質H2O2和GA3提升發芽勢的效果更明顯。S79 和S80 發芽勢差異顯著，不同處理以及不同鹽濃度下S80 的發芽勢均顯著高于S79，由此可知，親本S80在鹽濃度下的發芽整齊度優于S79。

圖1 不同浸種處理在不同鹽濃度下人工合成小麥的發芽Figure 1 Effects of different leaching treatments on the germination of synthetic wheat at different salt concentration

鹽濃度影響人工合成小麥的發芽率。隨鹽濃度的提高，兩人工合成小麥的發芽率先增后減。當鹽處理濃度為0.15%，發芽率達到頂峰；鹽處理濃度超過0.15%后開始下降。由此可看出，種子在萌發的過程中也需要Na+，但過量的Na+又會打亂其生理代謝，降低發芽率。由圖1 也可看出人工合成小麥S80 在蒸餾水、H2O2和GA33 種處理的6 個鹽濃度下發芽率都顯著優于S79。

鹽濃度越高對兩個人工合成小麥萌芽產生的危害越嚴重，見表1。使用外源物質H2O2和GA3可顯著緩解鹽對種子萌發及幼苗期的毒害。計算兩種外源物質和兩個親本材料鹽害指數降低程度發現，添加外源物質H2O2時S79和S80鹽害指數降低程度相近，S79在添加H2O2時鹽害指數降低程度優于GA3，添加外源物質GA3時S80 鹽害指數降低程度比S79 更明顯，由此可知，S79材料適合使用H2O2外源物質緩解鹽害，S80材料適合使用GA3外源物質緩解鹽害。

表1 不同浸種處理在不同鹽濃度下人工合成小麥的鹽害指數Table 1 Effects of different leaching treatments on the salt injury index of synthetic wheat at different salt content %

2.2 不同浸種和不同鹽濃度處理對小麥幼苗生長的影響

由圖2 可看出，鹽脅迫會影響人工合成小麥S79 和S80 幼苗期生長。與對照（NaCl 濃度為0）比較，在5個水平的鹽濃度下人工合成小麥S79和S80幼苗的根長、根數、根鮮重、苗高和苗鮮重都隨鹽濃度的增加而降低，生長速率也逐漸降低。尤其是鹽濃度增加到0.30%以后，生長嚴重受影響，除根數以外，根長、根鮮重、苗高和苗鮮重明顯下降。

圖2 不同浸種處理在不同鹽濃度下人工合成小麥幼苗的生長Figure 2 The growth of wheat seedlings artificially synthesized under different salt concentrations

其次，添加外源物質H2O2和GA3后，6個鹽處理濃度下S79和S80兩份小麥材料的根長、根數、苗高以及單株根重和苗重均有所提高。與蒸餾水處理相比較，H2O2處理下兩種試驗小麥的根長、單株根數、單株根重、苗高、單株苗重和生長速率分別提高了5.22%、4.57%、5.31%、5.05%、17.32%和17.51%（6個鹽濃度下的平均值）；GA3處理下兩種試驗小麥的根長、單株根數、單株根重、苗高、單株苗重和生長速率分別提高了12.82%、9.45%、17.84%、7.06%、36.73%和36.73%。由此可看出，H2O2和GA3均可減緩鹽脅迫對小麥生長的影響，GA3的效果明顯強于H2O2，可作為緩解鹽脅迫對人工合成小麥萌發和幼苗生長毒害的物質之一。

另外，根據圖2 也可看出，S79 和S80 兩份小麥材料在不同鹽濃度下，其幼苗生長的響應差異較大，在蒸餾水、H2O2和GA33 個處理以及6 個鹽濃度下，S80小麥的所有生長指標均顯著高于S79。其中以根鮮重、苗鮮重和生長速率表現最明顯，蒸餾水處理下S80 根鮮重、苗鮮重和生長速率平均比S79高34.89%、20.11%和20.11%（6 個鹽濃度下的平均值），H2O2處理下S80 根鮮重、苗鮮重和生長速率平均比S79 高30.03%、20.70%和20.70%，GA3處理下S80 根鮮重、苗鮮重和生長速率平均比S79 高33.34%、20.03%和20.03%。由此可以看出，S80 在不同鹽濃度處理下幼苗的生長優于S79，S80的耐鹽性顯著優于S79。

2.3 不同浸種和不同鹽濃度處理對小麥幼苗生理生化指標的影響

鹽脅迫主要是通過破壞細胞膜的結構和功能來影響作物生長[6]，由圖3 可看出，鹽脅迫導致了人工合成小麥S79 和S80 的質膜相對透性提高，且隨著鹽濃度的增加，質膜相對透性呈顯著提高趨勢，說明此時S79和S80小麥已經遭受了鹽害。植物在逆境環境下會積累脯氨酸來應對不良環境造成的危害，數據顯示，鹽脅迫下人工合成小麥幼苗體內分泌的脯氨酸增加，且隨著鹽濃度的提高，脯氨酸含量呈上升的趨勢。在蒸餾水處理以及鹽濃度為0時，S80 體內脯氨酸含量略低于S79體內的含量，當進行鹽處理或添加外源物質時，S80 體內脯氨酸含量超過了S79 體內的含量，說明S80 對外界環境變化的響應度更高，在受到鹽害時會分泌更多的脯氨酸來保護生長，具有更強的耐鹽性。

圖3 不同浸種處理在不同鹽濃度下人工合成小麥幼苗的生理生化指標Figure 3 Physiological and biochemical indicators of artificially synthesized wheat seedlings at different salt concentrations

鹽脅迫也影響了小麥體內ɑ-淀粉酶、可溶性糖以及可溶性蛋白的含量，由圖3也可看出，隨著鹽濃度的提高，S79 和S80 小麥幼苗體內ɑ-淀粉酶活性和可溶性蛋白逐漸降低，可溶性糖逐漸升高。添加外源物質H2O2和GA3后，S79 和S80 幼苗體內ɑ-淀粉酶、可溶性蛋白含量有所增加，可溶性糖含量有所減少，且與蒸餾水處理相比，GA3處理后小麥幼苗體內ɑ-淀粉酶、可溶性蛋白平均含量分別增加了16.05%、11.26%（6個鹽濃度下的平均值），可溶性糖平均含量降低了7.74%，均高于H2O2，可見添加GA3的效果更加顯著。另外，在3種處理下，當鹽濃度較低時（0～0.3%）S79和S80小麥幼苗體內ɑ-淀粉酶、可溶性糖以及可溶性蛋白的含量差異不明顯，甚至出現S79高于S80；當鹽濃度較高時（≥0.45%），S80小麥幼苗體內ɑ-淀粉酶、可溶性糖以及可溶性蛋白的含量顯著高于S79，可見S80小麥耐鹽性優于S79。

膜質過氧化酶（SOD、POD、CAT、MDA）活性的高低與植物抗逆能力有關。通過圖3 可以看出，隨著鹽處理濃度的提高，導致S79 和S80 幼苗體內SOD、POD 和CAT 活性逐漸降低，MDA 含量逐漸增高。使用外源物質GA3處理后小麥幼苗體內SOD、POD、CAT 平均活性分別為42.43、32.57 和32.19 U/g，高于蒸餾水處理的36.62、28.30 和28.73 U/g 以及H2O2處理的40.19、31.26 和30.69 U/g；MDA 含量為9.19 μmol/g，低于蒸餾水處理的10.36 μmol/g 以及H2O2處理的9.57 μmol/g。由此可見外源物質GA3緩解鹽脅迫對小麥幼苗體內膜質過氧化酶影響的效果優于H2O2。通過對比S79和S80品種間的差異發現，S80 小麥幼苗體內的SOD、POD、CAT 活性以及MDA含量均要高于S79。

3 討論與結論

鹽脅迫會產生離子過量、離子虧缺和滲透脅迫[7]，因此會造成離子平衡失調或離子毒害、體內活性氧的產生與清除發生代謝紊亂，造成細胞氧化損傷以及膜系統傷害，葉綠素和光合作用下降，進而抑制作物的正常發育，導致產量、品質下降[8]。試驗結果發現，低濃度的鹽（0.15%）會促進人工合成小麥種子的萌芽，高濃度鹽（>0.15%）會抑制小麥種子萌芽，與前人研究結果一致[9-10]。同時，鹽處理下，人工合成小麥幼苗體內的SOD、POD、CAT抗氧化酶活性顯著降低，MDA 含量顯著增加，導致幼苗生長受到顯著影響，根長、根鮮重、苗高和苗鮮重明顯下降，形成鹽害，最終造成產量減少。植物在鹽脅迫環境下，會激發自我保護機制來保證自身的生長發育，為了應對鹽脅迫，植物會激活滲透作用、光合作用、離子吸收、激素分布等生理生化機制，以減輕高濃度鹽帶來的危害[11-14]。而不同植物或者同一植物不同品種間適應鹽堿環境的能力也存在較大差異[15]，存在基因型差異。本次研究中，通過對比人工合成小麥S79和S80發現，S80小麥在鹽脅迫下種子萌芽、幼苗生長以及生理代謝都要優于S79，由此說明S80 人工合成小麥緩解鹽害的能力更強，適合進一步作為小麥耐鹽遺傳改良或精細定位基礎材料，解析耐鹽材料的遺傳差異。

在鹽脅迫環境下，外源物質可以通過調控植物生理生化、活性氧、代謝酶等來保持離子平衡、增強光合作用、滲透調節作用及抗氧化酶活性改善種子萌芽和幼苗生長[16]。試驗結果表明，H2O2和GA3兩種外源物質均在不同程度緩解了鹽脅迫對小麥種子萌芽和幼苗生長的影響，有效降低了小麥MDA含量及鹽害指數，增加了幼苗抗氧化酶活性以及生長速率，結果一致。對比兩種外源物質效果發現，GA3的效果更優，緩解人工合成小麥鹽害的能力更好。

4 結論

鹽脅迫會顯著降低人工合成小麥S79和S80的幼苗期的發芽勢、發芽率、根長、根重、苗高和苗重，增加脯氨酸含量、質膜相對透性、可溶性糖和MDA含量，降低了ɑ-淀粉酶活性、可溶蛋白質含量以及SOD、POD和CAT活性。鹽脅迫下，使用H2O2和GA3可有效地緩解鹽脅迫對人工合成小麥在萌發期和幼苗期導致的生長和生理危害，GA3的效果更優。人工合成小麥S79和S80在耐鹽性的表現存在顯著差異，S80小麥具有更強的耐鹽能力。